DE102015203743B3 - Antenna arrangement and scanner for high frequency scanning - Google Patents

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Dirk Nüßler
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger, der mehrere in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzte Antennenarme aufweist, an denen Hochfrequenzantennen angeordnet sind. Die Hochfrequenzleitungen zu den Hochfrequenzantennen weisen Frequenzfilter auf, die jeweils nur einen Frequenzbereich passieren lassen. Dabei lassen die Frequenzfilter der Hochfrequenzleitungen in unterschiedlichen Antennenarmen unterschiedliche Frequenzbereiche passieren, die nicht überlappen. Auf diese Weise lässt sich die Vorschubgeschwindigkeit von zu untersuchenden Proben, die an der Antennenanordnung vorbeigeführt werden, ohne großen technischen Aufwand bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit der Antennenanordnung gegenüber bisherigen Anordnungen erhöhen. Durch die unterschiedlichen Filter erhält jeder Antennenarm eine Frequenzcodierung, die die örtliche Zuordnung der Antennensignale bei der Auswertung ermöglicht.The present invention relates to an antenna arrangement for high-frequency scanning with an antenna carrier rotatable about a rotation axis, which has a plurality of mutually angularly offset in a plane perpendicular to the axis of rotation antenna arms on which high-frequency antennas are arranged. The high-frequency lines to the high-frequency antennas have frequency filters, each passing only a frequency range. In this case, the frequency filters of the high-frequency lines in different antenna arms pass different frequency ranges which do not overlap. In this way, the feed rate of samples to be examined, which are guided past the antenna arrangement, without great technical effort at the same rotational speed of the antenna assembly increase over previous arrangements. Due to the different filters each antenna arm receives a frequency coding, which allows the spatial assignment of the antenna signals during the evaluation.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger, wie sie bspw. zur Abtastung von Materialproben auf einem Fließband eingesetzt werden kann, sowie eine Abtasteinrichtung mit einer derartigen Antennenanordnung. Eine derartige Antennenanordnung wird in der Regel mit einer Sendeeinrichtung betrieben, über die Hochfrequenzsignale erzeugt und über eine Hochfrequenzdrehkupplung den am rotierbaren Antennenträger angeordneten Hochfrequenzantennen zugeführt werden. Von den Hochfrequenzantennen der gleichen oder einer zweiten Antennenanordnung, die in gleicher Weise aufgebaut ist, werden die an den Materialproben reflektierten bzw. durch die Materialproben transmittierten Hochfrequenzsignale wieder empfangen und über die Hochfrequenzdrehkupplung der Antennenanordnung einer Empfangseinrichtung zugeleitet, so dass sie ausgewertet werden können.The present invention relates to an antenna arrangement for high-frequency scanning with an antenna carrier rotatable about a rotation axis, as can be used, for example, for scanning material samples on an assembly line, as well as a scanning device with such an antenna arrangement. Such an antenna arrangement is generally operated with a transmitting device, generated by the high-frequency signals and fed via a high-frequency rotary coupling to the arranged on the rotatable antenna carrier radio-frequency antennas. Of the high-frequency antennas of the same or a second antenna arrangement, which is constructed in the same way, the reflected at the material samples or transmitted through the material samples high-frequency signals are received again and fed via the high-frequency rotary coupling of the antenna arrangement of a receiving device so that they can be evaluated.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Veröffentlichung von der Fraunhofer-Allianz Vision „Qualitätskontrolle mit bildgebendem Radar“ (http://www.vision.fraunhofer.de/de/presse/502.html) ist eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung bekannt, die einen um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger mit einem Antennenarm aufweist. Der Antennenarm geht von einem zentralen Bereich des Antennenträgers aus, durch den die Rotationsachse verläuft. Am Ende des Antennenarms ist eine Hochfrequenzantenne angeordnet, die über eine Hochfrequenzleitung entlang des Antennenarms und eine Hochfrequenzdrehkupplung im zentralen Bereich des Antennenträgers mit einer Sende- bzw. Empfangseinheit verbunden werden kann. Ein derartiges System arbeitet nach dem Grundprinzip, dass das zu untersuchende Material bzw. die zu analysierende Materialprobe zwischen den beiden rotierenden Antennenarmen von zwei derartigen Antennenanordnungen hindurchbewegt wird. Die Hochfrequenzantennen bzw. Sonden an den Enden der Antennenarme vollführen dabei eine Kreisbewegung, während die Materialprobe, z.B. auf einem Fließband, mittels einer Linearbewegung zwischen den beiden Antennenarmen verfahren wird. Durch die Kombination aus linearer Probenbewegung und kreisförmiger Sondenbewegung wird die Probe flächig abgetastet. The publication of the Fraunhofer Vision Alliance "Quality Control with Imaging Radar" (http://www.vision.fraunhofer.de/de/presse/502.html) discloses an antenna arrangement for high-frequency scanning, comprising an antenna support rotatable about an axis of rotation having an antenna arm. The antenna arm emanates from a central region of the antenna carrier through which the axis of rotation passes. At the end of the antenna arm, a high-frequency antenna is arranged, which can be connected via a high-frequency line along the antenna arm and a high-frequency rotary coupling in the central region of the antenna carrier with a transmitting or receiving unit. Such a system operates on the basic principle that the material to be examined or the sample of material to be analyzed is moved between the two rotating antenna arms of two such antenna arrangements. The high-frequency antennas or probes at the ends of the antenna arms thereby perform a circular motion, while the material sample, e.g. on a conveyor belt, by means of a linear movement between the two antenna arms is moved. Through the combination of linear sample movement and circular probe movement, the sample is scanned flat.

Derartige Systeme arbeiten im Wesentlichen im CW-Betrieb (CW: continuous wave). Beim CW-Betrieb wird die Probe mit einer konstanten Frequenz durchleuchtet. Grundsätzlich sind auch frequenzmodulierte Signalformen, wie FMCW (frequency modulated continuous wave), Stepped Frequency, Rauschradar- oder Pulsradarkonzepte für die Abtastung möglich.Such systems essentially operate in CW mode (CW: continuous wave). In CW operation, the sample is transilluminated at a constant frequency. In principle, frequency-modulated signal forms, such as FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), stepped frequency, Rauschradar- or Pulsradarkonzepte for sampling are possible.

Um bei schnellem Vorschub der Materialproben auf dem Fließband noch eine ausreichend genaue Abtastung der Proben zu gewährleisten, muss neben der Bandgeschwindigkeit sowohl die Drehrate des Antennenarms als auch die Abtastrate der Hochfrequenzantenne erhöht werden. Während die Abtastrate für CW-Signale relativ einfach gesteigert werden kann, stellt die hohe Drehrate für den Antennenarm ein größeres Problem dar. Dabei treten im Wesentlichen zwei Herausforderungen auf. Zum einen steigt die mechanische Belastung durch die auftretenden Fliehkräfte, was zu einem mechanisch stabileren Design und somit höherem Gewicht der Antennenanordnung führt. Zum anderen steigt der Verschleiß der Hochfrequenzdrehkupplungen bei höherer Rotationsgeschwindigkeit.In order to ensure a sufficiently accurate sampling of the samples with rapid feed of the material samples on the assembly line, in addition to the belt speed, both the rate of rotation of the antenna arm and the sampling rate of the high-frequency antenna must be increased. While the sampling rate for CW signals can be increased relatively easily, the high rate of rotation for the antenna arm is a major problem. There are essentially two challenges. On the one hand, the mechanical load increases due to the centrifugal forces that occur, which leads to a mechanically more stable design and thus greater weight of the antenna arrangement. On the other hand, the wear of the high-frequency rotary joints at higher rotational speed increases.

Die Erzeugung der Hochfrequenzsignale bzw. der Arbeitsfrequenz erfolgt in den aktuell eingesetzten Scannern auf dem mechanisch bewegten Teil des Antennenträgers. Die erzeugten Speisefrequenzsignale werden zusammen mit der Spannungsversorgung über die Hochfrequenzdrehkupplung auf den rotierenden Antennenträger übertragen und dort über Vervielfacherstufen auf die Arbeitsfrequenz erhöht. Auf dem Antennenarm befindet sich eine Hochfrequenzleitung, z.B. ein Hochfrequenzkabel, ein Hohlleiter oder eine Freistrahlstrecke, mit der das über die Drehkupplung eingespeiste und auf dem Antennenträger erhöhte Hochfrequenzsignal zum äußeren Ende des Antennenarms geleitet wird. Dort wird es über die Hochfrequenzantenne abgestrahlt. Hochfrequenzdrehkupplungen sind in der Regel nicht verschleißfrei aufgebaut und besitzen damit eine begrenzte Lebensdauer. Wird dann mit einem erhöhten Vorschub der Materialprobe auch die Drehrate der Hochfrequenzdrehkupplung gesteigert, sinkt die maximale Standzeit der Drehkupplung, so dass diese in kürzeren Zeitintervallen ausgetauscht werden muss. Damit wird das System jedoch insbesondere für Inline-Prüfsysteme unwirtschaftlich. Eine Alternative bieten verschleißfreie Drehkupplungen, die außerdem direkt die notwendige Arbeitsfrequenz übertragen. Bei diesen gleitet die Hochfrequenzdrehkupplung in der Regel auf einem Luftpolster. Der Nachteil dieser Drehkupplungen besteht jedoch in der notwendigen Versorgung mit Druckluft sowie der deutlich größeren Bauform im Vergleich zu klassischen Hochfrequenzdrehkupplungen.The generation of the high-frequency signals or the operating frequency takes place in the currently used scanners on the mechanically moving part of the antenna carrier. The generated Speisefrequenzsignale be transmitted together with the power supply via the high-frequency rotary joint to the rotating antenna carrier and there increased by multiplier stages to the working frequency. On the antenna arm is a radio frequency line, e.g. a high-frequency cable, a waveguide or a free jet, with which the fed via the rotary coupling and increased on the antenna carrier high-frequency signal to the outer end of the antenna arm is passed. There it is radiated via the high-frequency antenna. High-frequency rotary joints are usually not built up wear-free and thus have a limited life. If the rate of rotation of the high-frequency rotary joint is then increased with an increased feed of the material sample, the maximum service life of the rotary coupling decreases, so that it must be replaced in shorter time intervals. However, this makes the system uneconomical, especially for inline test systems. An alternative is provided by wear-free rotary joints, which also transmit the necessary working frequency directly. In these, the high-frequency rotary joint usually slides on an air cushion. The disadvantage of these rotary joints, however, is the necessary supply of compressed air and the much larger design compared to conventional high-frequency rotary joints.

Eine weitere Möglichkeit, eine größere Vorschubgeschwindigkeit der Proben zu ermöglichen, besteht in der Nutzung eines Antennenträgers mit mehreren in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzten Antennenarmen. Damit ließe sich auch bei einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit des Antennenträgers eine sehr enge kreisförmige Abtastung durchführen. Allerdings sind keine oder nur mit einer sehr begrenzten Kanalanzahl ausgestattete Hochfrequenzdrehkupplungen verfügbar, über die die Hochfrequenzantennen des Antennenträgers mit Hochfrequenzsignalen versorgt werden könnten. Eine zentrale Frequenzerzeugung auf dem Antennenträger selbst, mit aktiver Schaltung der einzelnen Antennen, würde wiederum zu einer schwereren Auslegung der Antennenanordnung führen.A further possibility for enabling a larger feed rate of the samples is the use of an antenna carrier with a plurality of antenna arms angularly offset from each other in a plane perpendicular to the axis of rotation. This could be synonymous with a lower Rotational speed of the antenna carrier perform a very narrow circular scan. However, there are no or only a very limited number of channels equipped high-frequency rotary joints available through which the high-frequency antennas of the antenna carrier could be supplied with high-frequency signals. Central frequency generation on the antenna carrier itself, with active switching of the individual antennas, would in turn lead to a heavier design of the antenna arrangement.

Aus der EP 1984758 B1 ist eine Abtasteinrichtung zur Hochfrequenzabtastung von Prüfobjekten bekannt, bei der eine Sende- und eine Empfangsantenne um das stillstehende Prüfobjekt rotieren, um es entlang seines Umfanges mit Millimeterwellen zu beleuchten. Die Sende- und die Empfangsantenne sind dabei auf einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger angeordnet.From the EP 1984758 B1 For example, a scanner for high frequency scanning of test objects is known in which a transmitting and a receiving antenna rotate about the stationary object under test to illuminate it along its circumference with millimeter waves. The transmitting and the receiving antenna are arranged on a rotatable about an axis of rotation antenna carrier.

Die US 9029778 B1 beschreibt eine Hochfrequenzabtsteinrichtung zur Abtastung eines stillstehenden Objekts, bei der mehrere Antennen um das Objekt herum angeordnet sind. Die Antennen sind auf Führungsschienen um das Objekt bewegbar, so dass sie während der Abtastung Teilkreise um das Objekt vollführen können.The US 9029778 B1 describes a high-frequency sampling device for scanning a stationary object, in which a plurality of antennas are arranged around the object. The antennas are movable on guide rails around the object so that they can perform partial circles around the object during the scanning.

Die WO 2014/173831 A2 zeigt eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne auf zwei rotierbaren Antennenträgern angeordnet sind. Zwischen den beiden Antennenträgern werden die abzutastenden Objekte hindurch bewegt. Auf jedem der rotierbaren Antennenträger ist jeweils eine Sendeantenne bzw. eine Empfangsantenne angeordnet, die während der Abtastung durch Rotation der Antennenträger kreisförmige Bewegungen vollführen.The WO 2014/173831 A2 shows an antenna arrangement for high frequency scanning, in which the transmitting antenna and the receiving antenna are arranged on two rotatable antenna carriers. Between the two antenna carriers, the objects to be scanned are moved through. On each of the rotatable antenna carrier in each case a transmitting antenna or a receiving antenna is arranged, which perform during the scan by rotation of the antenna carrier circular movements.

D. Nüßler et al., „A Millimeter Wave Imaging System“, In: Microwave Conference (GeMIC) 2008, Seiten 400 bis 403, beschreiben ein Millimeterwellen-Bildgebungssystem, mit dem nichtmetallische Einschlüsse in verpackten Produkten visualisiert werden können. Die Veröffentlichung geht nur auf einer Stelle kurz auf eine Ausgestaltung einer entsprechenden Abtasteinrichtung ein, die auf Basis von drei Linearstufen arbeitet, mit denen die Abtastantennen verschoben werden können.D. Nüßler et al., "A Millimeter Wave Imaging System", In: Microwave Conference (GeMIC) 2008, pages 400-403, describe a millimeter-wave imaging system that can visualize non-metallic inclusions in packaged products. The publication addresses only one point briefly to a configuration of a corresponding scanning device, which operates on the basis of three linear stages, with which the scanning antennas can be moved.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger anzugeben, die die obigen Nachteile vermeidet und eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit der zu untersuchenden Proben bei der Abtastung ohne erhöhten Verschleiß und ohne hohen technischen Aufwand ermöglicht.The object of the present invention is to provide an antenna arrangement for high-frequency scanning with an antenna support rotatable about a rotation axis, which avoids the above disadvantages and allows an increase in the feed rate of the samples to be examined in the scan without increased wear and without high technical complexity.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Antennenanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 5 gibt eine Abtasteinrichtung an, die eine derartige Antennenanordnung nutzt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antennenanordnung und Abtasteinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the antenna arrangement according to claim 1. Claim 5 indicates a scanning device that uses such an antenna arrangement. Advantageous embodiments of the antenna arrangement and scanning device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Die vorgeschlagene Antennenanordnung weist einen um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger auf, der mehrere in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzte Antennenarme aufweist, die von einem zentralen Bereich des Antennenträgers ausgehen, durch den die Rotationsachse verläuft. Die Antennenarme können senkrecht oder auch unter einem anderen Winkel zur Rotationsachse verlaufen. An den Antennenarmen sind Hochfrequenzantennen angeordnet, die über entlang der Antennenarme verlaufende Hochfrequenzleitungen mit Hochfrequenzsignalen gespeist werden können bzw. über die Hochfrequenzsignale empfangen und über die Hochfrequenzleitungen zum zentralen Bereich des Antennenträgers weitergeleitet werden können. Im zentralen Bereich des Antennenträgers ist eine Hochfrequenzdrehkupplung angeordnet, über die Hochfrequenzsignale in die Hochfrequenzleitungen des rotierbaren Antennenträgers eingespeist oder von den Hochfrequenzleitungen abgeleitet werden können. Die Hochfrequenzleitungen weisen bei der vorgeschlagenen Antennenanordnung Frequenzfilter auf, die jeweils nur einen Frequenzteilbereich des vorhandenen Frequenzbandes passieren lassen, wobei die Frequenzfilter der Hochfrequenzleitungen in unterschiedlichen Antennenarmen unterschiedliche Frequenzbereiche passieren lassen, die nicht überlappen. Die Durchlassbereiche der Filter überlappen somit nicht, wobei unter dem Durchlassbereich derjenige Frequenzbereich eines Frequenzfilters zu verstehen ist, innerhalb dessen dieser die in einem elektrischen Signal enthaltenen Frequenzen passieren lässt. Als Grenze des Durchlassbereiches wird üblicherweise eine Dämpfung von 3 dB bzw. der Leistungsabfall des Signalpegels auf 50% definiert.The proposed antenna arrangement has an antenna carrier which is rotatable about a rotation axis and has a plurality of antenna arms angularly offset relative to one another in a plane perpendicular to the rotation axis, which extend from a central region of the antenna carrier through which the axis of rotation passes. The antenna arms may be perpendicular or at a different angle to the axis of rotation. Radio-frequency antennas are arranged on the antenna arms and can be fed with high-frequency signals via radio-frequency lines running along the antenna arms or can be received via the radio-frequency signals and forwarded via the radio-frequency lines to the central area of the antenna carrier. In the central region of the antenna carrier, a high-frequency rotary coupling is arranged, can be fed via the high-frequency signals in the high-frequency lines of the rotatable antenna carrier or derived from the high-frequency lines. In the case of the proposed antenna arrangement, the high-frequency lines have frequency filters which each allow only one frequency subrange of the existing frequency band to pass, wherein the frequency filters of the high-frequency lines in different antenna arms allow different frequency ranges to occur which do not overlap. The passbands of the filters thus do not overlap, wherein the passband is to be understood as meaning that frequency range of a frequency filter within which this pass allows the frequencies contained in an electrical signal to pass. The limit of the passband is usually defined as an attenuation of 3 dB or the power drop of the signal level to 50%.

Die vorgeschlagene Antennenanordnung ermöglicht den Betrieb aller Antennenarme bzw. Hochfrequenzantennen Einsatz mit einer herkömmlichen Hochfrequenzdrehkupplung. Auf diese Weise kann ohne erhöhten Verschleiß der Hochfrequenzdrehkupplung gegenüber einer Anordnung mit nur einem Antennenarm und ohne großen technischen Aufwand die Vorschubgeschwindigkeit der Proben bei der Abtastung erhöht werden. Die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit skaliert dabei mit der Anzahl der für die Abtastung genutzten Antennenarme. Die Erfindung basiert auf einer modifizierten Frequenz-Ortstransformation. Um den technischen Aufwand möglichst gering zu halten, wird auf Elektronik auf dem Antennenträger komplett verzichtet. Bei Nutzung der vorgeschlagenen Antennenanordnung in einer Abtasteinrichtung werden vielmehr mit einer zentralen Frequenzerzeugung in einer Sendeeinrichtung mehrere Frequenzlinien parallel erzeugt und über die Hochfrequenzdrehkupplung eingespeist. Alternativ kann auch eine Frequenzrampe erzeugt werden. Die Frequenzerzeugung ist dabei auf die in den Hochfrequenzleitungen der einzelnen Antennenarme eingesetzten Filter abgestimmt. Jede Hochfrequenzantenne erhält damit nur eine für diese Hochfrequenzantenne vorgesehene Frequenzlinie, die durch den Filter in der Hochfrequenzleitung für diese Antenne durchgelassen wird. Als Hochfrequenzleitungen sind dabei grundsätzlich alle Leitungstypen möglich, bspw. Hohlleiterkabel oder Mikrostreifenleitungen. Diese passiven Leitungselemente mit den (passiven) Filtern benötigen keine zusätzlichen Steuersignale und blocken jeweils einen Teil des ausgesendeten bzw. eingespeisten Frequenzspektrums. Damit enthält jeder der Antennenarme bzw. die auf dem jeweiligen Antennenarm angeordnete Hochfrequenzantenne eine Frequenzcodierung. Alle Antennenarme senden oder empfangen somit gleichzeitig – oder im Falle einer eingespeisten Frequenzrampe unmittelbar nacheinander –, aber bei einer unterschiedlichen Frequenzlinie. Die über die Hochfrequenzantennen empfangenen Hochfrequenzsignale werden bei einer derartigen Antennenanordnung in gleicher Weise wieder über die Hochfrequenzleitungen zurück zur Hochfrequenzdrehkupplung in eine Empfangseinrichtung geleitet. Durch die Frequenzcodierung können diese Signale jederzeit dem entsprechenden Antennenarm zugeordnet und somit die für die Auswertung erforderliche Ortscodierung erhalten werden.The proposed antenna arrangement allows the operation of all antenna arms or radio frequency antennas used with a conventional high-frequency rotary joint. In this way, without increased wear of the high-frequency rotary joint with respect to an arrangement with only one antenna arm and without great technical effort, the feed rate of the samples can be increased in the scan. The increase in the feed rate scales with the number of samples used for the scan Antenna arms. The invention is based on a modified frequency local transformation. In order to keep the technical effort as low as possible, electronics on the antenna support is completely dispensed with. When using the proposed antenna arrangement in a scanner rather a plurality of frequency lines are generated in parallel with a central frequency generation in a transmitting device and fed via the high-frequency rotary joint. Alternatively, a frequency ramp can also be generated. The frequency generation is tuned to the filter used in the high-frequency lines of the individual antenna arms. Each radio-frequency antenna thus only receives a frequency line provided for this radio-frequency antenna, which is transmitted through the filter in the radio-frequency line for this antenna. In principle, all types of lines are possible as high-frequency lines, for example waveguide cables or microstrip lines. These passive line elements with the (passive) filters require no additional control signals and block each part of the emitted or fed frequency spectrum. Thus, each of the antenna arms or arranged on the respective antenna arm high-frequency antenna includes a frequency coding. All antenna arms thus transmit or receive simultaneously - or in the case of an injected frequency ramp immediately after one another - but at a different frequency line. In such an antenna arrangement, the radio-frequency signals received via the radio-frequency antennas are conducted in the same way again via the radio-frequency lines back to the radio-frequency rotary coupling into a receiving device. By means of the frequency coding, these signals can be assigned to the corresponding antenna arm at any time and thus the location coding required for the evaluation can be obtained.

In einer einfachen Ausgestaltung kann die vorgeschlagene Antennenanordnung auch lediglich zwei Antennenarme umfassen, die sich vorzugsweise gegenüberliegen, d.h. um 180° in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse winkelversetzt gegeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird gegenüber einer einarmigen Anordnung bereits eine Verdoppelung der Vorschubgeschwindigkeit bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit des Antennenträgers erreicht. Vorzugsweise wird jedoch eine höhere Anzahl an Antennenarmen eingesetzt, wobei der Winkelversatz zwischen den Antennenarmen bei N Antennenarmen vorzugsweise 360°/N beträgt. An jedem der Antennenarme ist dabei vorzugsweise eine Hochfrequenzantenne am Ende des jeweiligen Antennenarmes angeordnet. Die Hochfrequenzantennen können sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Hochfrequenzsignale genutzt werden, falls die Proben in Reflexion abgetastet werden.In a simple embodiment, the proposed antenna arrangement may also comprise only two antenna arms, which are preferably opposed, i. are arranged angularly offset by 180 ° in the plane perpendicular to the axis of rotation against each other. In this way, a doubling of the feed rate at the same rotational speed of the antenna carrier is already achieved compared to a one-armed arrangement. Preferably, however, a higher number of antenna arms is used, wherein the angular offset between the antenna arms at N antenna arms is preferably 360 ° / N. At each of the antenna arms, a high-frequency antenna is preferably arranged at the end of the respective antenna arm. The radio frequency antennas can be used for both transmitting and receiving the radio frequency signals if the samples are scanned in reflection.

Vorzugsweise werden jedoch zwei derartige Antennenanordnungen mit gleicher Anzahl und Anordnung der Antennenarme für die Abtastung eingesetzt, von denen eine Antennenanordnung zum Aussenden der Hochfrequenzsignale und die andere Antennenanordnung zum Empfangen der durch die Proben transmittierten Hochfrequenzsignale genutzt wird. Die beiden Antennenanordnungen sind dann über ihre Hochfrequenzdrehkupplungen mit einer Sendeeinrichtung bzw. mit einer Empfangseinrichtung verbunden. Es kann auch eine kombinierte Sende- und Empfangseinrichtung eingesetzt werden. Bei einer derartigen Abtasteinrichtung mit zwei Antennenanordnungen werden beide Antennenträger synchron um die gleiche Rotationsachse so gedreht, dass die Antennenarme bei der Rotation jeweils in der Winkelposition übereinstimmen, sich also genau gegenüberliegen. Die beiden Antennenanordnungen sind dabei lediglich in Richtung der Rotationsachse gegeneinander versetzt angeordnet, so dass die Proben zwischen den beiden Antennenanordnungen hindurchgeführt werden können.Preferably, however, two such antenna arrangements are used with the same number and arrangement of the antenna arms for scanning, of which an antenna arrangement for emitting the high frequency signals and the other antenna arrangement for receiving the transmitted through the samples radio frequency signals is used. The two antenna arrangements are then connected via their high-frequency rotary joints with a transmitting device or with a receiving device. It can also be used a combined transmitting and receiving device. In such a scanner with two antenna arrangements, both antenna carriers are rotated synchronously about the same axis of rotation so that the antenna arms coincide in the rotation in each case in the angular position, that is to say exactly opposite one another. The two antenna arrangements are offset from each other only in the direction of the axis of rotation, so that the samples can be passed between the two antenna arrangements.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorgeschlagene Antennenanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed antenna arrangement will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung mit zwei Antennenarmen bei der Abtastung von Proben; 1 an example of an embodiment of the proposed antenna arrangement with two antenna arms in the sampling of samples;

2 ein Beispiel für die Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung mit vier Antennenarmen; und 2 an example of the design of the proposed antenna arrangement with four antenna arms; and

3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Abtasteinrichtung mit der vorgeschlagenen Antennenanordnung. 3 a schematic representation of an example of a scanning device with the proposed antenna arrangement.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Bei der vorgeschlagenen Antennenanordnung weist der Antennenträger im einfachsten Fall zwei Antennenarme mit entsprechenden Hochfrequenzantennen auf, die vorzugsweise 180° zueinander winkelversetzt sind. Mit einer derartigen Antennenanordnung kann eine Verdopplung der Vorschubgeschwindigkeit der Proben bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit und Abtastrate gegenüber einer bekannten Anordnung mit nur einem Antennenarm erreicht werden. 1 zeigt hierzu eine Draufsicht auf ein Fließband 1 mit zu untersuchenden Proben 2, die durch eine derartige Antennenanordnung 3 abgetastet werden. Die Antennenanordnung 3 weist in diesem Beispiel den Antennenträger mit dem zentralen Bereich 4 auf, von dem die beiden Antennenarme 5 ausgehen. Der zentrale Bereich 4 ist um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Rotationsachse rotierbar, wie dies durch die beiden gekrümmten Pfeile angedeutet ist. An den Enden der Antennenarme 5 befindet sich jeweils eine Hochfrequenzantenne 6. Durch geeignet schnelle Rotation des Antennenträgers werden bei Vorschub des Fließbandes 1 in der mit dem geraden Pfeil dargestellten Richtung und um eine der Pfeillänge entsprechende Distanz eng beieinander liegende Abtastbahnen 7 erreicht, mit denen die Proben 2 abgetastet werden. Durch Erhöhung der Anzahl der Antennenarme mit Hochfrequenzantennen kann die Vorschubgeschwindigkeit für eine vergleichbare Abtastung weiter erhöht werden.In the case of the proposed antenna arrangement, the antenna carrier in the simplest case has two antenna arms with corresponding high-frequency antennas, which are preferably angularly offset from one another by 180 °. With such an antenna arrangement, it is possible to achieve a doubling of the feed rate of the samples at the same rotational speed and sampling rate compared to a known arrangement with only one antenna arm. 1 shows a plan view of an assembly line 1 with samples to be examined 2 produced by such an antenna arrangement 3 be scanned. The antenna arrangement 3 has in this example the antenna carrier with the central area 4 on, from which the two antenna arms 5 out. The central area 4 is rotatable about a plane perpendicular to the plane of rotation axis, as indicated by the two curved arrows. At the ends of the antenna arms 5 each is a high-frequency antenna 6 , By suitably fast rotation of the antenna carrier are at feed of the conveyor belt 1 in the direction shown by the straight arrow and at a distance corresponding to the arrow length closely spaced scanning paths 7 achieved with which the samples 2 be scanned. By increasing the number of antenna arms with radio frequency antennas, the feed rate for a comparable sample can be further increased.

Für eine Abtastung in Transmission werden zwei Antennenanordnungen eingesetzt, von denen eine die Hochfrequenzsignale aussendet und die zweite die durch die Proben und das Fließband transmittierten Hochfrequenzsignale wieder empfängt. In der 2 ist der Aufbau einer beispielhaften Ausgestaltung von zwei Antennenanordnungen für eine Abtastung in Transmission dargestellt. Die beiden Antennenanordnungen weisen jeweils vier Antennenarme auf und sind identisch ausgebildet. Die obere Antennenanordnung stellt hierbei die sendende Antennenanordnung, die untere Antennenanordnung die empfangende Antennenanordnung dar. Die Antennenanordnungen 3 weisen jeweils einen zentralen Bereich 4 mit einer Hochfrequenzdrehkupplung 8 auf. Von diesem zentralen Bereich 4 gehen vier Antennenarme 5 aus, die im vorliegenden Beispiel um 90° zueinander winkelversetzt sind. Am Ende der Antennenarme 5 befindet sich jeweils eine Hochfrequenzantenne 6, die über eine Hochfrequenzleitung 9 mit der Hochfrequenzdrehkupplung 8 verbunden ist. In jeder dieser Hochfrequenzleitungen 9 einer Antennenanordnung ist ein anderes Hochfrequenzfilter 10a, 10b, 10c, 10d ausgebildet, das einen jeweils unterschiedlichen Frequenzbereich der eingespeisten oder empfangenen Hochfrequenzsignale durchlässt. Im vorliegenden Fall werden mit der nicht dargestellten Sendeeinrichtung vier Frequenzlinien erzeugt und über die Hochfrequenzdrehkupplung 8 auf die vier rotierenden Antennenarme 5 der oberen Antennenanordnung eingespeist. Die Leistungsaufteilung auf die vier Antennenarme 5 wird dabei über einen passiven Leitungsteiler realisiert. In allen vier Antennenarmen liegen somit dieselben vier Frequenzlinien an. Durch die passiven Filterstrukturen bzw. Filter 10a, 10b, 10c, 10d in den Hochfrequenzleitungen 9 wird in jedem der Antennenarme 5 jeweils nur eine Frequenzlinie zur Hochfrequenzantenne 6 durchgelassen, alle anderen werden geblockt. So lässt das Filter 10a des ersten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f1, das Filter 10b des zweiten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f2, das Filter 10c des dritten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f3 und das Filter 10d des vierten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f4 zur jeweiligen Hochfrequenzantenne durch. Da für jeden der Antennenarme 5 jeweils eine andere Frequenzlinie durchgelassen wird, erhält jeder Antennenarm 5 eine Frequenzcodierung. Alle Antennenarme senden bzw. empfangen somit gleichzeitig aber bei einer unterschiedlichen Frequenzlinie. Die an gleicher Winkelposition lediglich entlang der Rotationsachse versetzt angeordneten Antennenarme 5 der empfangenden unteren Antennenanordnung nehmen die jeweiligen Signale über die daran angeordneten Hochfrequenzantennen 6 wieder auf, führen sie über die Hochfrequenzleitungen 9 mit den entsprechenden Filtern 10a, 10b, 10c, 10d über einen Leistungskombinierer wieder zusammen und leiten sie über die einkanalige Hochfrequenzdrehkupplung 8 zum nicht dargestellten Empfänger der Sende- und Empfangseinrichtung. Im Empfänger werden die Signale über einen breitbandigen I/Q-Demodulator oder Mischer in den ZF-Bereich umgesetzt. Da die Sendefrequenzen unterschiedlich waren, landen die Frequenzen bei einer konstanten LO-Frequenz bei verschiedenen ZF-Frequenzen, die zusammen oder einzeln durch A/D-Wandler digitalisiert und anschließend ausgewertet werden können. Durch die unterschiedlichen Sendefrequenzen bleibt die Ortskodierung der Antennenarme bzw. Antennen erhalten und die Signale können separat ausgewertet und örtlich zugeordnet werden.For transmission scanning, two antenna arrays are used, one of which emits the radio frequency signals and the second receives the radio frequency signals transmitted through the samples and the assembly line. In the 2 the construction of an exemplary embodiment of two antenna arrangements for a scan in transmission is shown. The two antenna arrangements each have four antenna arms and are of identical design. The upper antenna arrangement in this case represents the transmitting antenna arrangement, the lower antenna arrangement represents the receiving antenna arrangement. The antenna arrangements 3 each have a central area 4 with a high frequency rotary joint 8th on. From this central area 4 go four antenna arms 5 from, which are angularly offset by 90 ° to each other in the present example. At the end of the antenna arms 5 each is a high-frequency antenna 6 that have a high frequency line 9 with the high-frequency rotary joint 8th connected is. In each of these high-frequency lines 9 An antenna arrangement is another high frequency filter 10a . 10b . 10c . 10d formed, which transmits a respective different frequency range of the injected or received high-frequency signals. In the present case, four frequency lines are generated with the transmitting device, not shown, and the high-frequency rotary joint 8th on the four rotating antenna arms 5 the upper antenna array fed. The power distribution on the four antenna arms 5 is realized via a passive line divider. The same four frequency lines are thus present in all four antenna arms. Through the passive filter structures or filters 10a . 10b . 10c . 10d in the high frequency lines 9 is in each of the antenna arms 5 only one frequency line to the radio-frequency antenna 6 passed through, all others are blocked. This is how the filter leaves 10a of the first antenna arm only the frequency line with the frequency f 1 , the filter 10b of the second antenna arm only the frequency line with the frequency f 2 , the filter 10c of the third antenna arm only the frequency line with the frequency f 3 and the filter 10d of the fourth antenna arm, only the frequency line with the frequency f 4 to the respective high-frequency antenna. As for each of the antenna arms 5 each another frequency line is transmitted, receives each antenna arm 5 a frequency coding. All antenna arms thus simultaneously transmit or receive at a different frequency line. The at the same angular position only offset along the axis of rotation arranged antenna arms 5 the receiving lower antenna arrangement take the respective signals via the high-frequency antennas arranged thereon 6 again, they lead over the high-frequency lines 9 with the appropriate filters 10a . 10b . 10c . 10d via a power combiner together again and forward them via the single-channel high-frequency rotary joint 8th to the receiver, not shown, of the transmitting and receiving device. In the receiver, the signals are converted to the IF range via a broadband I / Q demodulator or mixer. Since the transmission frequencies were different, the frequencies land at a constant LO frequency at different IF frequencies that can be digitized together or individually by A / D converters and then evaluated. Due to the different transmission frequencies, the spatial encoding of the antenna arms or antennas is maintained and the signals can be evaluated separately and assigned locally.

3 zeigt hierzu in stark schematisierter Darstellung nochmals die beiden Antennenanordnungen 3, die über ihre Hochfrequenzdrehkupplung mit der Sendeeinrichtung 11 bzw. der Empfangseinrichtung 12 verbunden sind. Die sendende Antennenanordnung ist hierbei oberhalb, die empfangende Antennenanordnung unterhalb des Transportmediums 1 für die zu vermessenden Proben angeordnet. 3 shows in a highly schematic representation again the two antenna arrangements 3 , via their high-frequency rotary joint with the transmitting device 11 or the receiving device 12 are connected. The transmitting antenna arrangement is in this case above, the receiving antenna arrangement below the transport medium 1 arranged for the samples to be measured.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fließband assembly line
22
Proben rehearse
33
Antennenanordnung antenna array
44
zentraler Bereich des Antennenträgers central area of the antenna carrier
55
Antennenarme antenna arms
66
Hochfrequenzantenne Radio frequency antenna
77
Abtastbahnen scan paths
88th
Hochfrequenzdrehkupplung RF rotary coupling
99
Hochfrequenzleitungen High-frequency lines
10a–d10a-d
Filter filter
1111
Sendeeinrichtung transmitting device
1212
Empfangseinrichtung receiver

Claims (6)

Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung, mit – einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger, der mehrere in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzte Antennenarme (5) aufweist, die von einem zentralen Bereich (4) des Antennenträgers ausgehen, durch den die Rotationsachse verläuft, – mehreren Hochfrequenzantennen (6), die an den Antennenarmen (5) angeordnet sind, – Hochfrequenzleitungen (9), die entlang der Antennenarme (3) vom zentralen Bereich (4) zu den Hochfrequenzantennen (6) verlaufen und Frequenzfilter (10a–d) aufweisen, die jeweils nur einen Frequenzbereich passieren lassen, und – einer im zentralen Bereich (4) des Antennenträgers ausgebildeten Hochfrequenzdrehkupplung (8), über die Hochfrequenzsignale in die Hochfrequenzleitungen (9) des rotierbaren Antennenträgers eingespeist oder von den Hochfrequenzleitungen (9) abgeleitet werden können, – wobei die Frequenzfilter (10a–d) der Hochfrequenzleitungen (9) unterschiedlicher Antennenarme (5) unterschiedliche Frequenzbereiche passieren lassen, die nicht überlappen.An antenna arrangement for high-frequency scanning, comprising - an antenna carrier rotatable about an axis of rotation and having a plurality of mutually angularly offset in a plane perpendicular to the axis of rotation Antenna arms ( 5 ) from a central area ( 4 ) of the antenna carrier through which the axis of rotation passes, - several high-frequency antennas ( 6 ) attached to the antenna arms ( 5 ), - high frequency cables ( 9 ) along the antenna arms ( 3 ) from the central area ( 4 ) to the high-frequency antennas ( 6 ) and frequency filters ( 10a -D), each passing only one frequency range, and - one in the central area ( 4 ) of the antenna carrier formed high frequency rotary joint ( 8th ), via the high-frequency signals in the high-frequency lines ( 9 ) of the rotatable antenna carrier or from the high-frequency lines ( 9 ), the frequency filters ( 10a -D) the high-frequency lines ( 9 ) of different antenna arms ( 5 ) let pass different frequency ranges that do not overlap. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzfilter (10a–d) passive Filter sind.Antenna arrangement according to Claim 1, characterized in that the frequency filters ( 10a -D) are passive filters. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Winkelversatz zwischen den Antennenarmen (5) 360°/N beträgt, wobei N der Anzahl der Antennenarme (5) entspricht.Antenna arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the angular offset between the antenna arms ( 5 ) Is 360 ° / N, where N is the number of antenna arms ( 5 ) corresponds. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Antennenarme (5) eine Hochfrequenzantenne (6) an einem dem zentralen Bereich (4) gegenüberliegenden Ende des Antennenarmes (4) angeordnet ist.Antenna arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that on each of the antenna arms ( 5 ) a high-frequency antenna ( 6 ) at a central area ( 4 ) opposite end of the antenna arm ( 4 ) is arranged. Abtasteinrichtung zur Hochfrequenzabtastung, die zwei der Antennenanordnungen (3) nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 4 sowie eine Sendeeinrichtung (11) und eine Empfangseinrichtung (12) für Hochfrequenzsignale aufweist, wobei – die beiden Antennenanordnungen (3) in axialer Richtung einer gemeinsamen Rotationsachse gegeneinander versetzt angeordnet sind und die gleiche Anzahl an Antennenarmen (5) mit den gleichen Filtern (10a–d) aufweisen, und – eine der Antennenanordnungen (3) über ihre Hochfrequenzdrehkupplung (8) mit der Sendeeinrichtung (11) und die andere Antennenanordnung (3) über ihre Hochfrequenzdrehkupplung (8) mit der Empfangseinrichtung (12) verbunden ist. High frequency sampling scanner comprising two of the antenna arrays ( 3 ) according to one or more of claims 1 to 4 and a transmitting device ( 11 ) and a receiving device ( 12 ) for high-frequency signals, wherein - the two antenna arrangements ( 3 ) are offset in the axial direction of a common axis of rotation against each other and the same number of antenna arms ( 5 ) with the same filters ( 10a -D), and - one of the antenna arrangements ( 3 ) via its high-frequency rotary joint ( 8th ) with the transmitting device ( 11 ) and the other antenna arrangement ( 3 ) via its high-frequency rotary joint ( 8th ) with the receiving device ( 12 ) connected is. Abtasteinrichtung Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (11) zur parallelen Erzeugung einer der Anzahl der unterschiedlichen Filter (10a–d) entsprechende Anzahl von Frequenzlinien oder zur Erzeugung einer Frequenzrampe ausgebildet ist, die die Frequenzlinien enthält, wobei die Frequenzlinien auf die Durchlassbereiche der unterschiedlichen Filter (10a–d) abgestimmt sind.Scanning device according to claim 5, characterized in that the transmitting device ( 11 ) for generating in parallel one of the number of different filters ( 10a D) corresponding number of frequency lines or for generating a frequency ramp containing the frequency lines, wherein the frequency lines on the passbands of the different filters ( 10a -D) are tuned.
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