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Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Wellenleiter umfassend mindestens zwei Leiterbereiche, wobei beide Leiterbereiche aus einem thermoplastischen Material aufgebaut sind.
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Dielektrische Wellenleiter sind Leiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Sie existieren neben Koaxialleitungen und metallischen Hohlleitern.
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Koaxialleitungen bestehen aus einem metallischen Innenleiter und einem konzentrisch angeordneten metallischen Außenleiter. Diese sind durch ein ebenfalls konzentrisch angeordnetes Dielektrikum voneinander getrennt, wobei eine Nutzsignalleistung über das Dielektrikum übertragen wird. Die Oberflächen des metallischen Innen- und Außenleiters dienen als Berandung zur Führung der elektromagnetischen Welle. Koaxialkabel sind dazu geeignet, breitbandige Signale bis zu einem Frequenzbereich von bis zu einigen GHz zu übertragen. In einem höheren Frequenzbereich sind Koaxialkabel ungeeignet.
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Hohlleiter bestehen aus einem typischerweise rechteckigen, runden oder elliptischen metallischen Mantel, der einen Hohlraum umschließt, der zur Wellenausbreitung dient. Die Dimensionierung des metallischen Mantels ist auf den Frequenzbereich des zu übertragenden elektromagnetischen Signals abgestimmt, sodass sich im luftgefüllten, hohlen Innenraum des Leiters eine Wanderwelle ausbilden kann. Es existieren Hohlleiter für Frequenzbereiche zwischen wenigen GHz bis zu mehreren tausend GHz, jedoch ist die jeweilige übertragbare Bandbreite des Nutzsignals stark limitiert.
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Im Gegensatz dazu können dielektrische Wellenleiter gänzlich ohne elektrisch leitfähige Materialien konstruiert werden. Die Führung einer elektromagnetischen Welle wird allein durch Variation der dielektrischen Leitfähigkeit (= Permittivität, ε) der verwendeten Materialien senkrecht zur Ausbreitungsrichtung definiert. Unter Verwendung von ausschließlich dielektrischen Materialien lassen sich besonders dämpfungsarme Wellenleiter konstruieren, da durch den Verzicht auf elektrisch leitfähige Materialien ohmsche Leitungsverluste vermieden werden. Insbesondere für Hochfrequenzanwendungen im Giga-, Tera- oder optischen Frequenzbereich werden dadurch Signalverluste reduziert, die bei metallischen Wellenleitern mit der Signalfrequenz stark zunehmen.
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Demgegenüber werden Verluste in einem dielektrischen Wellenleiter vorwiegend durch den dielektrischen Verlustfaktor der verwendeten Materialien definiert.
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Für eine breitbandige Datenkommunikation ist der Frequenzbereich 1GHz bis 100GHz von großem Interesse, da in diesem Bereich zur Datenübertragung eine große Bandbreite sowie ein breites Angebot an technisch ausgereiften elektrischen Sendern und Empfängern zur Verfügung steht.
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Jedoch mangelt es bislang an robust einsetzbaren, verlustarmen, leicht und günstig herstellbaren Wellenleitern für diesen Frequenzbereich. Hierbei besteht insbesondere die Herausforderung, die dielektrischen Materialien mit hinreichend geringen dielektrischen Verlusten so zu verbinden, dass eine Variation der dielektrischen Leitfähigkeit in radialer Richtung erreicht und gleichzeitig die mechanischen Anforderungen der jeweiligen Anwendungen, bspw. in Bezug auf eine Befestigung oder Stabilität des Wellenleiters, erfüllt werden.
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Ein konkretes Anwendungsfeld für dielektrische Wellenleiter in der Medizintechnik liegt in der bidirektionalen Datenkommunikation zwischen Rotor und Stator eines Computertomographen. Insbesondere in Richtung Rotor → Stator werden zur Übertragung der Röntgendetektordaten Bandbreiten bis zu 100Gbit/s und mehr gefordert. Bislang werden hierzu Schleifkontakte eingesetzt oder die Kopplung zur Signalübertragung wird mittels koaxialer oder kapazitiver Leiterstrukturen realisiert.
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Um über die Übertragungsstrecke auch ein höheres Frequenzspektrum übertragen zu können, sind dielektrische Wellenleiter grundsätzlich gut geeignet. Bislang fehlt es aber an Lösungen, einen dielektrischen Wellenleiter verlustarm und günstig insbesondere am Rotor des Computertomographen mechanisch zu befestigen, ohne die Kopplungseigenschaften zwischen rotierendem und stationärem Teil zu beeinträchtigen. Die mechanische Anbindung des dielektrischen Wellenleiters am Rotor des Computertomographen muss deshalb besonders stabil und robust sein, da der Rotor im Betrieb mehrere male pro Sekunde rotiert und Anbauteile entsprechenden Fliehkräften mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung standhalten müssen.
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In Bezug auf die Fertigung von dielektrischen Wellenleitern bestehen derzeit folgende Herausforderungen:
- Jedes Dielektrikum eignet sich grundsätzlich als Wellenleiter, wobei große Unterschiede in Bezug auf den dielektrischen Verlustfaktor bestehen. Gase oder Vakuum weisen einen vorteilhaft geringen dielektrischen Verlustfaktor auf, lassen sich aber ohne entsprechendes Kompartiment sehr schlecht formen oder mechanisch befestigen. Technisch relevante dielektrische Materialien sind daher vor allem Kunststoffe und Keramiken. Kunststoffe sind dabei besonders günstig und einfach mittels einer Vielzahl von etablierten industriellen Verfahren formbar. Für die Fertigung von Wellenleitern sind besonders die folgenden Kunststoffe von Interesse, da sie durch ausreichend geringe dielektrische Verluste gekennzeichnet sind: Polystyrol (PS), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polytetrafluoräthylen (PTFE). Ihre Permittivität ist jedoch sehr ähnlich, sodass die für eine effektive Signalleitung ausreichend starke Variation der Permittivität in radialer Richtung des Leiters mit diesen Materialien per se nicht erreichbar ist.
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Es ist bekannt, die effektive Permittivität einer Struktur durch Kombination mehrerer Stoffe/Materialien mit unterschiedlicher Permittivität zu variieren. Insbesondere durch einen Einschluss von Gasen oder Vakuum, bspw. durch Herstellung eines Kunststoff-Schaums, kann die Permittivität gezielt reduziert werden. Ein bekanntes Beispiel eines solchen Schaumes ist expandiertes Polysterol (EPS), auch Styropor genannt. Auch aus anderen Kunststoffen lassen sich Schäume herstellen, z.B. expandiertes Polypropylen (EPP), oder expandiertes Polyethylen (EPE).
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Die oben genannten Kunststoffe lassen sich jedoch nur schwer untereinander stoffschlüssig verbinden. Ein Verkleben birgt das Problem, dass die Klebstoffe selbst hohe dielektrische Verluste verursachen und die Klebstoffschichten die Dämpfungseigenschaften des Wellenleiters verschlechtern. Thermoplastische Verbindungen der genannten Stoffe, insbesondere von gleichen Kunststoffen, sind hingegen gut möglich. Ein mechanischer Formschluss ist generell möglich, ist aber bedingt durch die Formgebung des Wellenleiters beschränkt und in der Fertigung komplex.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach und kostengünstig herstellbaren dielektrischen Wellenleiter bereit zu stellen, der zudem für eine starke mechanische Beanspruchung ausgelegt ist. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dielektrischen Wellenleiter mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf eine mechanische Anbringung in seiner Betriebsposition bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen dielektrischen Wellenleiter, eine Übertragungsstrecke umfassend den dielektrischen Wellenleiter sowie ein Herstellungsverfahren für den dielektrischen Wellenleiter gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte und/oder alternative, vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird im Folgenden in Bezug auf das beanspruchte Verfahren als auch in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können Merkmale, die in Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert werden, auch mit Merkmalen, die in Zusammenhang mit einer der Vorrichtungen beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens können dabei insbesondere durch entsprechende gegenständliche Module oder Einheiten ausgebildet sein.
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Die vorliegende Erfindung geht also von einem dielektrischen Wellenleiter zur Übertragung eines elektromagnetischen Signals aus. Der dielektrische Wellenleiter umfasst
- - einen ersten Leiterbereich und
- - mindestens einen zweiten Leiterbereich.
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Der erste und der zweite Leiterbereich erstrecken sich jeweils entlang der Längsachse des Wellenleiters. Sowohl der erste als auch der zweite Leiterbereich sind aus einem ersten thermoplastischen Material bzw. aus einem zweiten thermoplastischen Material gebildet. Das erste thermoplastische Material weist dabei eine höhere effektive Permittivität auf als das zweite thermoplastische Material.
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Ein Leiterbereich beschreibt erfindungsgemäß einen Teil bzw. einen Teilbereich des dielektrischen Wellenleiters, der an der Weiterleitung eines elektromagnetischen Signals beteiligt ist. Mit anderen Worten propagiert eine elektromagnetische Welle zumindest teilweise in einem Leiterbereich bzw. pflanzt sich zumindest teilweise über den Leiterbereich fort. Erfindungsgemäß umfasst der dielektrische Wellenleiter also wenigstens zwei thermoplastische Leiterbereiche, wobei sich beide Leiterbereiche in Ausführungen der Erfindung entlang der Längenausdehnung des Wellenleiters erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Leiterbereiche über die gesamte Länge des Wellenleiters. In Ausführungen können in den Leiterbereichen Unterbrechungen vorgesehen sein, bspw. um an diesen Stellen Befestigungen, Einkoppelstellen oder dergleichen anzubringen. In den die Unterbrechungen bildenden Bereichen kann sich Luft anordnen, sodass eine Wellenausbreitung nicht oder nur geringfügig beeinflusst wäre. Die Längsachse bzw. die Längenausdehnung beschreibt dabei die Signalausbreitungsrichtung. Die Längenausdehnung des dielektrischen Wellenleiters ist dabei erheblich größer als eine Querausdehnung des Wellenleiters bzw. eines der Leiterbereiche.
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In Ausführungen der Erfindung sind mehr als zwei thermoplastische Leiterbereiche vorgesehen. insbesondere können weitere Leiterbereiche durch die Umgebungsluft, ein umgebendes Gas oder Vakuum gebildet werden.
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Die oder das den dielektrischen Wellenleiter umgebende Luft, Gas oder Vakuum kann also ebenfalls zur Übertragung des elektromagnetischen Signals beitragen und insofern als dritter bzw. weiterer Leiterbereich des dielektrischen Wellenleiters verstanden werden.
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Kennzeichnend für den erfindungsgemäßen dielektrischen Wellenleiter ist, dass der erste und der zweite Leiterbereich direkt aneinander angrenzen. Beide Leiterbereiche sind folglich miteinander verbunden. Hierbei kann eine form- oder stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein. Diese Art der Verbindung ist durch den Verzicht auf der Verbindung dienende Zusatzstoffe besonders vorteilhaft in Bezug auf einen Signalverlust beim Übergang der elektromagnetischen Welle von einem Leiterbereich zum anderen. Mit anderen Worten kann eine Signaldämpfung an der Grenzfläche durch stoff- oder formschlüssige Verbindung beider Leiterbereiche vorteilhaft reduziert werden.
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Gleichsam grenzen auch der erste und der zweite Leiterbereich in Ausführungen jeweils direkt an den dritten durch die Umgebungsluft gebildeten Leiterbereich an.
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Wie eingangs erwähnt, unterscheiden sich die effektiven Permittivitäten des ersten und des zweiten Leiterbereiches voneinander, um eine effektive Signalausbreitung zu erreichen. Hierzu ist in bevorzugter Ausführung der Erfindung das zweite thermoplastische Material als Schaum ausgebildet. Ein Schaum wird typischerweise durch Einbringen von Luft, einem Gas oder Vakuum in ein Thermoplast gebildet. Über die Einbringung eines gasförmigen Mediums kann die effektive Permittivität des zweiten thermoplastischen Materials gegenüber dem ersten thermoplastischen Material eingestellt, insbesondere reduziert werden. Je höher der Volumenanteil des eingebrachten Gases, umso geringer ist die effektive Permeabilität des zweiten thermoplastischen Materials.
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Besonders bevorzugt ist das zweite thermoplastische Material als Schaum des ersten thermoplastischen Materials ausgebildet. Mit anderen Worten besteht der zweite Leiterbereich bevorzugt aus dem aufgeschäumten ersten thermoplastischen Material des ersten Leiterbereichs. Derart lassen sich der erste und der zweite Leiterbereich besonders leicht miteinander verbinden, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben wird. Dies hat auch hinsichtlich einer Recyclebarkeit des dielektrischen Wellenleiters Vorteile, da das erste und das zweite thermoplastische Material vor einer Aufbereitung zur Wiederverwendung nicht aufwändig voneinander getrennt werden müssen.
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Besonders bevorzugt sind der erste und der zweite Leiterbereich jeweils mit einem quer zur Wellenausbreitungsrichtung, also quer zur Längsausdehnung des Wellenleiters, viereckigen Querschnitt ausgebildet. Ein viereckiger Querschnitt kann dabei bspw. in Form eines Parallelogramms, insbesondere eines Quadrats, einer Raute oder eines Rechtecks oder als Trapez ausgebildet sein. Mit viereckiger Ausbildung des Querschnitts der Leiterbereiche wird vorteilhaft eine Polarisation einer elektromagnetischen Welle in den Leiterbereichen festgelegt bzw. definiert, sodass eine kontrollierte Wellenausbreitung erreicht wird.
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In Ausführungen ist der erste Leiterbereich dabei mindestens an einer längs der Ausbreitungsrichtung verlaufenden Außenseite mit dem zweiten Leiterbereich verbunden. Das heißt mindestens eine Außenseite des ersten und eine Außenseite des zweiten Leiterbereichs liegen aneinander an bzw. sind miteinander verbunden. Anders ausgedrückt liegen der erste und der zweite Leiterbereich in Ausführungen der Erfindung neben- bzw. übereinander. In anderen Ausführungen der Erfindung sind der erste und der zweite und ggf. weitere Leiterbereiche konzentrisch um die gemeinsame Längsachse des dielektrischen Wellenleiters angeordnet. Der erste Leiterbereich ist hier also vollständig von dem zweiten Leiterbereich umschlossen bzw. mantelartig umgeben.
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In weiteren Ausführungen können der erste und der zweite und ggf. weitere Leiterbereiche alternativ auch rund bzw. ringartig ausgebildet und konzentrisch um die gemeinsame Längsachse des dielektrischen Wellenleiters angeordnet sein. In diesen Ausführungen weist der dielektrische Wellenleiter einen quer zur Ausbreitungsrichtung runden bzw. kreisförmigen Querschnitt auf. Der erste Leiterbereich wird auch hier in Bezug auf seine Mantelfläche vollständig von dem zweiten Leiterbereich eingefasst.
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In Ausführungen der Erfindung sind die quer zur Ausbreitungsrichtung liegenden Grundflächen des ersten und des zweiten Leiterbereichs von der gleichen Grundform. Mit anderen Worten sind die von zwei benachbarten Außenflächen eingeschlossenen Winkel bzw. die Längenverhältnisse benachbarter Außenseiten zwischen erstem und zweitem Leiterbereich identisch ausgebildet. Bspw. können beide Leiterbereiche quadratisch oder rechteckig mit den gleichen Seitenlängenverhältnissen ausgebildet sein.
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Insbesondere in Ausführungen mit viereckigen und in Ausbreitungsrichtung nebeneinander angeordneten ersten und zweiten Leiterbereichen, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn der zweite Leiterbereich quer zur Ausbreitungsrichtung größer als der erste Leiterbereich dimensioniert ist. Der zweite Leiterbereich fungiert in dieser Ausführung als Träger für den ersten Leiterbereich. Mit anderen Worten wird der erste Leiterbereich zur Herstellung des dielektrischen Wellenleiters auf den zweiten Leiterbereich aufgebracht. Zum anderen kann bei ausreichender Dimensionierung der erste Leiterbereich auch zur Anbringung bzw. Fixierung des dielektrischen Wellenleiters genutzt werden. Bspw. kann der zweite Leiterbereich angeformte Halteelemente aufweisen, bspw. eine entlang der Längsachse des Wellenleiters verlaufende Nut oder Feder, mittels welcher der dielektrische Wellenleiter an einer entsprechenden Gegenstruktur fixierbar ist. Insbesondere kann auch das Halteelement aus dem zweiten thermoplastischen Material, besonders bevorzugt aus einem aufgeschäumten Thermoplast ausgebildet sein.
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Bevorzugte Ausführungen des dielektrischen Wellenleiters umfassen einen ersten und einen zweiten Leiterbereich, bei denen die zur Ausbreitungsrichtung quer verlaufenden Grundflächen ein Seitenlängenverhältnis zwischen 1:7 bis 1:13, besonders bevorzugt, 1:10 (jeweils betreffend die Seitenlänge des ersten und des zweiten Leiterbereiches) aufweisen. Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass diese Abmessungen der Leiterbereiche im Hinblick auf eine ausreichende Stabilität des Wellenleiters sowie im Hinblick auf das Wellenausbreitungsverhalten einen guten Kompromiss darstellen.
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In bevorzugter Ausführung des dielektrischen Wellenleiters weist der erste Leiterbereich eine Ausdehnung quer zur Ausbreitungsrichtung im Bereich zwischen 0,2 mm bis 10 mm auf. Der zweite Leiterbereich weist dabei bspw. eine Ausdehnung quer zur Ausbreitungsrichtung im Bereich von 0,2 cm bis 5 cm auf. Diese Abmessungen sind erfindungsgemäß besonders für einen Einsatz in einem Rotor eines Computertomographen geeignet.
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Um bei der Fertigung des dielektrischen Wellenleiters auf günstige und gut verfügbare Materialien zurückgreifen zu können, sind in bevorzugten Ausführungen der Erfindung das erste und/oder das zweite thermoplastische Material aus wenigstens einem Material aus der Liste der folgenden Materialien in Form von Polymeren oder deren Copolymeren aufgebaut: Polysterol, Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafluoräthylen. Mit anderen Worten sind in bevorzugter Ausführung sowohl das erste als auch das zweite thermoplastische Material aus nur einem der genannten Materialien aufgebaut. Erstes und zweites thermoplastisches Material sind folglich in bevorzugter Ausführung aus ein und demselben Kunststoff aufgebaut, bspw. einmal als massiver Kunststoff und einmal als Schaum. Insbesondere in dieser Ausführung lassen sich der erste und der zweite Leiterbereich besonders einfach zusammenfügen. Bspw. können sowohl der erste als auch der zweite Leiterbereich aus Polystyrol oder Polypropylen gebildet sein.
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Die Permittivität, auch dielektrische Leitfähigkeit oder Dielektrizität genannt, gibt die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder an. Hierbei kann zwischen einer effektiven Permittivität und einer relativen Permittivität unterschieden werden. Während die relative Permittivität die für einen bestimmten Stoff spezifische Polarisationsfähigkeit beschreibt, steht eine effektive Permittivität für eine Polarisationsfähigkeit eines aus verschiedenen Stoffen bestehenden Materials. Dabei resultiert die effektive Permittivität aus den relativen Permittivitäten der einzelnen Bestandteile des zusammengesetzten Materials und wird bestimmt durch die Volumenanteile der umfassten Stoffe. Für ein Material umfassend lediglich einen Stoff ergibt sich die effektive Permittivität als die relative Permittivität des einen Stoffs.
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Eine besonders gute, da verlustarme Signalübertragung lässt sich erreichen, wenn die effektiven Permittivitäten des ersten und des zweiten thermoplastischen Materials ein Verhältnis aufweisen, das zwischen 1:2 und 1:10 liegt. Da die Werte für die Permittivität mit der Frequenz des zu übertragenen Signals variieren können, soll das Permittivitätsverhältnis für einen Frequenzbereich von 50 GHz bis 100 GHz, insbesondere für einen Frequenzbereich von gelten. Dabei weist das zweite thermoplastische Material bevorzugt eine effektive Permittivität unterhalb von 1,1 auf. Damit kommt die effektive Permittivität des zweiten thermoplastischen Materials der von Luft oder Vakuum sehr nahe. Die effektive Permittivität des ersten thermoplastischen Materials liegt dann bevorzugt im Bereich von 2 bis 2,5. Dies ist insbesondere gegeben, wenn das erste thermoplastische Material als eines der oben bereits genannten Materialien ausgebildet ist.
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Der erfindungsgemäße dielektrische Wellenleiter ist in Ausführungen dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermoplastische Material zur Formung des ersten Leiterbereichs mittels eines der folgenden Verfahren verarbeitet wird: 3D-Druck, Spritzguss, Gießen, Schweißen, bspw. Hochfrequenzschweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen. In besonders bevorzugter Ausführung wird das erste thermoplastische Material durch eines der obigen Verfahren auf das zweite thermoplastische Material aufgebracht.
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Das Aufbringen des ersten thermoplastischen Materials auf den zweiten Leiterbereich soll im Rahmen der hiesigen Erfindung verstanden werden als das Verbinden des ersten thermoplastischem Materials mit dem zweiten thermoplastischen Material.
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Der 3D-Druck, auch als additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) oder generative Fertigung bezeichnet, umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen ein Material Schicht für Schicht zur Bildung eines dreidimensionalen Gegenstands aufgetragen wird. Der schichtweise Aufbau erfolgt unter Einsatz eines oder mehrerer flüssiger oder fester Werkstoffe nach vorgegebenen Maßen und Formen, wobei zur Festigung jeder einzelnen Schicht physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse stattfinden. Insbesondere kann erfindungsgemäß das erste thermoplastische Material des ersten Leiterbereichs auf den zweiten Leiterbereich aufgedruckt werden. Der zweite Leiterbereich bildet in dieser Ausführung den Untergrund für den Druckprozess. Die Verbindung zwischen erstem und zweitem Leiterbereich wird hierbei durch Verschmelzen erzielt.
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Unter Spritzguss oder dem Spritzgießen werden Urformverfahren verstanden, bei denen ein Werkstoff, hauptsächlich in Form eines Kunststoffs, verflüssigt und unter Druck in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, eingespritzt wird. Durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion geht der Werkstoff mit neuer Formgebung wieder in den festen Zustand über. Demgegenüber wird beim Gießen der verflüssigte Kunststoff ohne Druck in eine Form gegossen und härtet darin aus. Diesen beiden Ausführungen ist gemein, dass das Gießwerkzeug jeweils zumindest bereichsweise durch den ersten Leiterbereich umfassend das zweite thermoplastische Material gebildet sein kann oder diesen umfassen kann. Auch hier wird die Verbindung zwischen erstem und zweitem Leiterbereich durch Verschmelzen erreicht.
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Beim Schweißen wird in einen Kunststoff zumindest bereichsweise bzw. lokal mittels hochfrequenter Strahlung, Ultraschall oder Laserlicht ein hoher Energieeintrag verursacht, welcher zur Erhitzung bzw. zum Schmelzen des ersten thermoplastischen Materials führt. Erfolgt der Energieeintrag in das erste thermoplastische Material an der Grenzfläche des ersten Leiterbereichs zum zweiten Leiterbereich, so werden auch hier die Leiterbereiche an der Grenzfläche verschmolzen.
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In Ausführungen der Erfindung kann der dielektrische Wellenleiter dadurch gekennzeichnet sein, dass der erste Leiterbereich zunächst durch eines der Verfahren 3D-Druck, Gießen oder Spritzgießen erzeugt bzw. geformt wird und im Anschluss mittels Schweißen auf den zweiten Leiterbereich aufgebracht wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der dielektrische Wellenleiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermoplastische Material während eines Aufschäumens des zweiten thermoplastischen Materials an oder in dieses eingeschäumt wird. Ein Aufschäumen des zweiten thermoplastischen Materials kann erfolgen, indem dem verflüssigten Thermoplast entweder ein physikalisches oder chemisches Triebmittel beigesetzt wird. Während physikalische Triebmittel temperaturbedingt verdampfen, setzten chemische Triebmittel durch Zersetzung ein Gas, typischerweise Stickstoff, frei. In dem flüssigen Thermoplast bilden sich Gaseinschlüsse. In diesem Zustand erfolgt eine Abkühlung und Verfestigung. Entweder schon beim Aufschäumen oder erst bei der Verfestigung wird der erste, typischerweise vorgeformte Leiterbereich in die räumliche Nähe des entstehenden Schaums gebracht, um derart beide Leiterbereiche miteinander zu verbinden.
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Die vorliegende Erfindung geht weiter von einer Übertragungsstrecke zur kontaktlosen Übertragung eines elektromagnetischen Signals von einem ersten Geräteteil eines Daten erzeugenden Geräts an einen zweiten Geräteteil des Geräts mittels elektromagnetischer Kopplung aus. Diese Übertragungsstrecke umfasst wenigstens einen, bevorzugt mehrere erfindungsgemäßen dielektrischen Wellenleiter der eingangs beschriebenen Art an dem ersten und/oder zweiten Geräteteil.
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Unter einem Daten erzeugenden Gerät ist ein Gerät zu verstehen, in welchem eine elektronische Erzeugung von Daten erfolgt. Insbesondere erfolgt die Erzeugung der Daten durch einen physikalischen Mess- und/oder Interaktionsprozess der bzw. mit der Umgebung des Geräts. Bevorzugt erfolgt hierbei die Messung bzw. Interaktion durch den ersten Geräteteil und eine weitere Datenverarbeitung auf dem zweiten Geräteteil. Erster und zweiter Geräteteil des Daten erzeugenden Geräts können in Ausführungen im Betrieb eine Relativbewegung zueinander ausführen, bspw. kann im Betrieb des Daten erzeugenden Geräts der zweite Geräteteil bestimmungsgemäß feststehend bezüglich seiner Umgebung sein, während der erste Geräteteil sich relativ zum zweiten Geräteteil und somit in derselben Weise auch relativ zur Umgebung bewegt.
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Insofern ist in bevorzugter Ausführung das Daten erzeugende Gerät ein Computertomograph ist und der erste Geräteteil der Rotor und der zweite Geräteteil der Stator des Computertomographen.
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Der Begriff einer Übertragungsstrecke soll eine Vorrichtung umfassen, welche wenigstens zwei Teile umfasst, wobei auf dem ersten Geräteteil und auf dem zweiten Geräteteil jeweils wenigstens ein Teil der Vorrichtung anzuordnen ist, und welche dazu eingerichtet ist, über einen physikalischen Prozess eine Übertragung der Daten vom ersten Geräteteil an den zweiten Geräteteil zu ermöglichen.
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Unter einer elektromagnetischen Kopplung ist jede Kopplung umfasst, welche im Wesentlich auf elektromagnetischen Prozessen beruht. In diesem Sinne bildet der erfindungsgemäße dielektrische Wellenleiter einen an einem der Geräteteile angebrachten Koppler, welcher dazu eingerichtet ist, über eine elektromagnetische Kopplung zu einem weiteren, physikalisch gleichartigen Koppler des jeweils anderen Geräteteils eine Verbindung zur Übertragung des elektromagnetischen Signals bei hinreichend geringem Abstand herzustellen. Als Kopplungsstärke ist in diesem Zusammenhang insbesondere die Intensität der die Kopplung begründenden elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Kopplern zu verstehen, die sich wiederum in der Intensität des Signals niederschlägt, welches mittels der betreffenden Kopplung von einem als Sender fungierenden Koppler zu einem als Empfänger fungierenden Koppler übertragen wird.
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Für die elektromagnetische Kopplung zur kontaktlosen Übertragung des wenigstens einen elektromagnetischen Signals ist ein hinreichend geringer Abstand erforderlich. Die Kopplung erfolgt somit bevorzugt über eine Abstandsdimension zwischen dem ersten Koppler und dem zweiten Koppler, welche gegenüber den Abmessungen des Daten erzeugenden Geräts um mehrere Größenordnungen kleiner ist. Dieser Abstand liegt je nach Frequenz im Bereich von 0,1mm bis wenigen Zentimetern.
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In Ausführungen der Erfindung ist die Übertragungsstrecke zur optimierten, da verlustarmen Übertragung eines elektromagnetischen Signals für einen Frequenzbereich von 10 GHz bis 500 GHz, bevorzugt für 50 GHz bis 70 GHz, insbesondere für einen Frequenzbereich um 60 GHz eingerichtet. Damit ist die erfindungsgemäße Übertragungstrecke eingerichtet, eine besonders schnelle, kontaktlose und verlustfreie Datenübertragung selbst für Computertomographen mit photonen-zählenden Röntgenstrahlungsdetektoren zu realisieren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Wellenleiters. Das Verfahren umfasst eine Reihe von Schritten. Die Reihenfolge der Schritte ist jedoch nicht durch die Reihenfolge ihrer Aufzählung festgelegt. Insbesondere können in Ausführungen der Erfindung Schritte zeitlich parallel oder miteinander verschachtelt ausgeführt werden.
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Ein erster Schritt ist auf ein Formen eines ersten Leiterbereichs aus einem ersten thermoplastischen Material gerichtet. Ein zweiter Schritt betrifft ein Formen eines zweiten Leiterbereichs aus einem zweiten thermoplastischen Material.
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In einem dritten Schritt erfolgt ein Zusammenfügen des ersten und des zweiten Leiterbereichs, indem der erste Leiterbereich zumindest an einer längs der Ausbreitungsrichtung verlaufenden Außenseite mit dem zweiten Leiterbereich verbunden wird.
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Wie eingangs mit Bezug zu dem erfindungsgemäßen dielektrischen Wellenleiter bereits erwähnt, können insbesondere die Schritte des Formens der Wellenleiter mittels eines an sich bekannten Verfahrens des 3D-Drucks, des Spritzgießens und/oder des Gießens erfolgen. Ein Schritt des Formens kann gleichzeitig den Schritt des Fügens umfassen, bspw., wenn bei einem Guss- oder Spritzguss-Verfahren jeweils der andere Leiterbereich in der Gussform angeordnet ist oder diese zumindest bereichsweise ausbildet. In Ausführungen kann das Formen eines der Leiterbereiche ein Aufschäumen eines thermoplastischen Materials umfassen.
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Ein Schritt des Zusammenfügens der beiden Leiterbereiche kann in Ausführungen der Erfindung ein Schweißen, bspw. Laserschweißen oder Ultraschallschweißen umfassen. In alternativer Ausgestaltung dieses Schritts kann das Fügen der beiden Leiterbereiche ein Aufschäumen eines thermoplastischen Materials zur Formung eines der Leiterbereiche umfassen, wobei beim Aufschäumen zugleich ein Fügen an den weiteren Leiterbereich erfolgt, indem dieser zumindest teilweise mit eingeschäumt wird.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Durch diese Beschreibung erfolgt keine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele. In verschiedenen Figuren sind gleiche Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine Perspektivansicht eines dielektrischen Wellenleiters in einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Perspektivansicht eines dielektrischen Wellenleiters in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines dielektrischen Wellenleiters in einem Ausführungsbeispiel, und
- 4 eine schematische Darstellung eines Daten erzeugenden Geräts umfassend eine erfindungsgemäße Übertragungsstrecke in einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Perspektivansicht eines dielektrischen Wellenleiters WL in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wellenleiter WL dient einer Übertragung eines elektromagnetischen Signals, bevorzugt dient er einer Signalübertragung zwischen mehreren Geräteteilen eines Daten erzeugenden Geräts, bei der das elektromagnetische Signal von einem Wellenleiter(teil) auf einen weiteren Wellenleiter(teil) einkoppelt. Der dielektrische Wellenleiter verzichtet vollständig auf metallische Komponenten und unterliegt damit auch nicht den ohmschen Leitungsverlusten eines metallischen Leiters.
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Der Wellenleiter WL umfasst mindestens einen ersten Leiterbereich LB1 und einen zweiten Leiterbereich LB2. Insbesondere kann die Umgebungsluft einen dritten Leiterbereich ausbilden, der ebenfalls bei der Signalausbreitung involviert ist. Erster und zweiter Leiterbereich LB1, LB2 erstrecken sich beide entlang der Längsachse LA des Wellenleiters WL. Die Längsachse LA des Wellenleiters beschreibt gleichzeitig auch die Wellenausbreitungsrichtung AR des Wellenleiters, also die Richtung, in der sich eine elektromagnetische Welle durch den Wellenleiter propagiert. Beide Leiterbereiche erstrecken sich über die gesamte Länge des Wellenleiters. Der erste Leiterbereich LB1 wird aus einem ersten thermoplastischen Material THM1 gebildet ist und der zweite Leiterbereich LB2 aus einem zweiten thermoplastischen Material THM2. Das erste thermoplastische Material wird dabei so gewählt, dass es eine höhere effektive Permittivität aufweist als das zweite thermoplastische Material.
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In 1 ist das zweite thermoplastische Material THM2 als Schaum S des ersten thermoplastischen Materials THM1 ausgebildet. In diesem Fall kommt folglich für beide Leiterbereiche nur ein Ausgangsmaterial, bspw. Polystyrol, zur Anwendung. Dies vereinfacht nicht nur die Beschaffung bei der Herstellung, sondern verbessert den Wellenleiter auch hinsichtlich seiner Wiederverwertbarkeit. Alternativ dazu können sich das erste und das zweite thermoplastische Material auch voneinander unterscheiden.
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Die Leiterbereiche LB1, LB2 des Wellenleiters WL weisen einen viereckigen Querschnitt, also quer zur Wellenausbreitungsrichtung AR, auf. Während in Figur ein für beide Leiterbereiche ein quadratischer Querschnitt veranschaulicht wurde, ist in 2, welche ebenfalls eine Perspektivansicht eines dielektrischen Wellenleiters WL in einem anderen Ausführungsbeispiel zeigt, eine trapezförmige Querschnittsform beider Leiterbereiche gezeigt. Andere Querschnittsformen der Leiterbereiche sind natürlich ebenfalls denkbar und im Sinne der Erfindung. Insbesondere müssen beide Leiterbereiche auch nicht einen sich der Form nach entsprechenden Querschnitt aufweisen, sondern diese können abweichend voneinander ausgebildet sein.
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Vorliegend sind der erste Leiterbereich LB1 und der zweite Leiterbereich LB2 mindestens an einer längs der Wellenausbreitungsrichtung (AR) verlaufenden Außenseite AS1, AS2 miteinander verbunden. Die Verbindung ist hier stoffschlüssig ausgebildet.
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Der Querschnitt des zweiten Leiterbereichs LB2 ist in beiden Varianten der 1 und 2 flächenmäßig größer als der Querschnitt des ersten Leiterbereichs LB1. Dies ermöglicht zum einen eine stabilere, robustere Ausbildung des Wellenleiters, der bspw. in einem Rotor 6 eines Computertomographen starken rotationsbedingten Kräften standhalten muss. Zum anderen bietet der größere Querschnitt des zweiten Leiterbereichs auch Platz zur Integration von Halteelementen HE, mit welchen der dielektrische Wellenleiter an einer Tragstruktur, bspw. dem Rotor 6 befestigt werden kann. Wie in 1 erkennbar, kann ein Haltelement HE in Form einer Fixiernut direkt bei Formung des zweiten Leiterbereichs LB2 mit gebildet werden. Über die Fixiernut kann der dielektrische Wellenleiter dann einfach durch Aufstecken oder Aufklicken montiert werden. Dies reduziert insgesamt die für die Montage des Wellenleiters erforderlichen Bauteile und reduziert den Montageaufwand. Alternativ dazu können Halteelemente HE in Form von Gewindehülsen, Durchgangslöcher oder anderweitige Aufnahmen für Befestigungselemente bei der Formung des zweiten Leiterbereichs mit eingebracht oder mitgeformt werden, so wie weiter in 2 veranschaulicht. weitere Ausgestaltungen der Halteelemente HE sind ebenfalls denkbar und im Sinne der Erfindung.
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In einer beispielhaften Ausführungsvariante ist der erste Leiterbereich LB1 mit einer Ausdehnung quer zur Wellenausbreitungsrichtung AR von 0,5 mm, 1 mm, 2mm, oder 4 mm ausgebildet. Dabei ist der zweite Leiterbereich LB2 mit einer Ausdehnung quer zur Wellenausbreitungsrichtung von 0,5 cm, 1cm, 2cm, 2,5 cm oder 3 cm ausgebildet.
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Wie eingangs bereits erwähnt, ist die effektive Permittivität des ersten thermoplastischen Materials THM1 größer als die des zweiten thermoplastischen Materials THM2. Der erste Leiterbereich LB1 leitet ein Signal also besser als der zweite Leiterbereich LB2. Vorliegend ist die effektive Permittivität des ersten Leiterbereichs bei einem Wert von 2, wohingegen die Effektive Permittivität des zweiten Leiterbereichs um den Wert 1 liegt.
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Um die beschriebenen Permittivitätswerte für den ersten Leiterbereich LB1 zu erreichen, sind insbesondere die folgenden Materialien als erstes thermoplastisches Material geeignet: Polysterol, Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafluoräthylen. Diese zeichnen sich alle durch eine leichte Verarbeitbarkeit und Formbarkeit aus.
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Der in den 1 und 2 gezeigte dielektrische Wellenleiter WL ist ferner durch sein Fertigungsverfahren gekennzeichnet. Bei der Formung des ersten Leiterbereichs LB1 wird das erste thermoplastische Material THM1 nämlich mittels eines der folgenden Fügeverfahren geformt und insbesondere auch mittels eines solchen Verfahrens auf das zweite thermoplastische Material THM2 aufgebracht, also damit verbunden: 3D-Druck, Spritzguss, Gießen, Schweißen, bspw. Hochfrequenzschweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen. Auch der zweite Leiterbereich LB2 kann in nicht gezeigten Ausführungen der Erfindung durch eines der oben genannten Verfahren hergestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Wellenleiter dadurch gekennzeichnet sein, dass das erste thermoplastische Material THM1 während eines Aufschäumens des zweiten thermoplastischen Materials THM2 an oder in dieses eingeschäumt wird. Entsprechend zeigt 2, dass der erste Leiterbereich LB1 an seiner Außenseite AS1 leicht in die Außenseite AS2 des zweiten Leiterbereichs LB2 hineinragt. Der Schaum S des zweiten Leiterbereichs LB2 erstreckt sich also hier auch leicht an den in der Darstellung von unten nach oben verlaufenden Außenseiten des ersten Leiterbereichs LB1 nach oben hin. In diesem Sinne wird die Verbindung zwischen den beiden Leiterbereichen in der in 2 gezeigten Ausführung formschlüssig ausgeführt.
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Für weitere Details in Bezug auf die Herstellung des dielektrischen Wellenleiters WL wird auch auf die Ausführungen zu 3 verwiesen.
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3 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines dielektrischen Wellenleiters WL in einem Ausführungsbeispiel. In einem ersten Schritt S01 erfolgt ein Formen eines ersten Leiterbereichs LB1 aus einem ersten thermoplastischen Material THM1. In einem zweiten Schritt S02 erfolgt ein Formen eines zweiten Leiterbereichs LB2 aus einem zweiten thermoplastischen Material THM2. In einem dritten Schritt S03 erfolgt ein Zusammenfügen des ersten und des zweiten Leiterbereichs, indem der erste Leiterbereich an einer längs der Wellenausbreitungsrichtung AR verlaufenden Außenseite AS1, AS2 mit dem zweiten Leiterbereich LB2 verbunden wird. Die Schritte S01 und S02 umfassen bevorzugt ein thermoplastisches Formungsverfahren wie Spritzgießen oder Gießen. Alternativ dazu kann ein 3D-Druckverfahren zur Anwendung kommen. Wenigstens einer der beiden Leiterbereichen LB1, LB2 kann auch gebildet werden, indem er mittels Aufschäumen aus einem thermoplastischen Material gebildet wird. Die Schritte S01 und S02 dienen dazu, den ersten bzw. zweiten
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Leiterbereich LB1, LB2 in die gewünschte Form, insbesondere eine viereckige Grundform zu bringen.
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Schritt S03 dient dazu die beiden Leiterbereiche miteinander zu verbinden. Die Verbindung ist dabei form- oder stoffschlüssig ausgebildet. Eine stoffschlüssige Verbindung ist dabei im Hinblick auf eine vereinfachte Fertigung zu bevorzugen. Schritt S03 kann ebenfalls ein Aufschäumen eines thermoplastischen Materials umfassen. Dabei wird der durch das Aufschäumen erst geformte Leiterbereich bei seiner Formung auch gleichzeitig an den weiteren Leiterbereich angefügt, indem dieser zumindest teilweise eingeschäumt wird. Insofern sind die Schritte S01, S02 und S03 als eigenständige Verfahrensschritte zu betrachten, die jedoch je nach Ausführung parallel zueinander, kombiniert miteinander oder verschachtelt miteinander ausgeführt werden können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Daten erzeugenden Geräts 1 im Querschnitt umfassend eine erfindungsgemäße Übertragungsstrecke ÜS in einem Ausführungsbeispiel. Das Daten erzeugende Gerät 1 ist als Computertomograph ausgebildet. Dieser umfasst einen ersten Geräteteil 4, welcher durch den drehbar gelagerten, die Gantry des Computertomographen bildenden Rotor 6 gebildet wird, und einen zweiten Geräteteil 8, welcher durch den Stator 10 umfassend einen Halterahmen für den Rotor 6 gebildet wird. Im Betrieb des Computertomographen führt der Rotor 6 eine Rotationsbewegung um die bezüglich des Halterahmens 10 feste Achse 12 aus. Eine ebenfalls zu dem Daten erzeugenden Gerät 1 gehörige Patientenliege 14 ist dabei so angeordnet, dass ein Patient möglichst auf der Achse 12 liegt. In der Gantry, insbesondere im Rotor 6, sind Komponenten zur medizinischen Bildgebung angeordnet, bspw. eine Röntgenstrahlenquelle sowie ein Röntgenstrahlendetektor. Diese sind in 4 nicht näher dargestellt. Bspw. die mittels des Röntgenstrahlengenerators generierten Bilddaten, aber auch Steuerdaten oder dergleichen sind nun über die an Rotor 6 und Stator 10 angeordnete Übertragungsstrecke ÜS, zu übertragen. Die Bilddaten können dann in die Form eines elektromagnetischen Signals gewandelt und bspw. an eine nicht näher dargestellte Bildverarbeitungseinheit weitergeleitet und durch diese weiterverarbeitet werden. Der Stator 10 weist eine erste Übertragungseinheit bzw. einen ersten Koppler der Übertragungsstrecke ÜS auf, während der Rotor 6 eine zweite Übertragungseinheit bzw. einen zweiten Koppler der Übertragungsstrecke ÜS aufweist. Diese Übertragungseinheiten werden vorliegend jeweils durch einen bspw. wie in 1 oder 2 dargestellten dielektrischen Wellenleiter gebildet bzw. umfassen einen solchen. Die Signalübertragung bzw. die Kopplung beider Übertragungseinheiten erfolgt kontaktlos.
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Die mittels des dielektrischen Wellenleiters gebildeten Übertragungseinheiten sind dazu ausgelegt, bevorzugt elektromagnetische Signale in einem Frequenzbereich von 10 GHz bis 500 GHz, besonders bevorzugt im Bereich um 60 GHz mit einer hohen Bandbreite verlustarm zu übertragen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
