EP2394332A1 - Vorrichtung zum senden und/oder empfangen elektromagnetischer hf-signale, sowie messgerät und werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum senden und/oder empfangen elektromagnetischer hf-signale, sowie messgerät und werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer solchen vorrichtung

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Publication number
EP2394332A1
EP2394332A1 EP10702261A EP10702261A EP2394332A1 EP 2394332 A1 EP2394332 A1 EP 2394332A1 EP 10702261 A EP10702261 A EP 10702261A EP 10702261 A EP10702261 A EP 10702261A EP 2394332 A1 EP2394332 A1 EP 2394332A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine tool
antenna
dipoles
dipole
reflector
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10702261A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Hasch
Alexander Werner Hees
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2394332A1 publication Critical patent/EP2394332A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D59/00—Accessories specially designed for sawing machines or sawing devices
    • B23D59/001—Measuring or control devices, e.g. for automatic control of work feed pressure on band saw blade
    • B23D59/005—Measuring or control devices, e.g. for automatic control of work feed pressure on band saw blade for preventing collision of saw blades with other machine parts or workpieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27G—ACCESSORY MACHINES OR APPARATUS FOR WORKING WOOD OR SIMILAR MATERIALS; TOOLS FOR WORKING WOOD OR SIMILAR MATERIALS; SAFETY DEVICES FOR WOOD WORKING MACHINES OR TOOLS
    • B27G19/00—Safety guards or devices specially adapted for wood saws; Auxiliary devices facilitating proper operation of wood saws
    • B27G19/02—Safety guards or devices specially adapted for wood saws; Auxiliary devices facilitating proper operation of wood saws for circular saws
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F16P3/12—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine
    • F16P3/14—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact
    • F16P3/147—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact using electro-magnetic technology, e.g. tags or radar
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/062—Two dimensional planar arrays using dipole aerials

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals, in particular from a U WB antenna.
  • an antenna can be understood, by means of which an ultra-wideband radar signal can be generated, transmitted, received and / or evaluated.
  • An "ultra-wideband (or ultra-wide band or UWB) radar signal” is to be understood in particular as an electromagnetic signal having a useful frequency range with a center frequency in the frequency range of about 1 GHz to 15 GHz and a frequency bandwidth of at least 500 MHz.
  • omnidirectional antennas are preferably used in which an electromagnetic wave with constant power is radiated or received at a certain level, for example in the azimuthal direction. In radar applications, however, should be targeted in one direction be radiated. Instead of omnidirectional antennas therefore antennas with directivity, so directed antennas are used.
  • UWT type antenna for example, the tapered slot antenna according to A. Hees, J. Hasch and J. Detlefsen, ("Tapered Slot Antenna with
  • UWB antennas with a three-dimensional dipole and an additional dielectric rod are known in order to achieve a further increased directivity. See, for example, M. Blech, T. Eibert in "A Directive Ultra-Wideband Dipole Antenna with Dielectric Rod and Reflector," 2nd International ITG Conference on Antennas, 2007, and TF Eibert, "Ultra Broadband Dipole Antenna with Dielectric Rod and Reflector", German Patent Application, No. 10 2006 036 325.6-55, Aug. 2006
  • a flat and ultrabroadband antenna whose aperture loading is produced by feeding individual rectangular dipole elements on a substrate is of R.N.
  • the object underlying the invention is to improve the known from the prior art antennas.
  • a broadband (UWB) radar method To the dielectric constant of a material (eg concrete wall, wood, plastic, human tissue, etc.) and thus, for example, the presence of a To determine the hand or the humidity of a wall, are required for the application of a broadband (UWB) radar method, a sufficiently large frequency bandwidth and high concentration (directivity) of the radiated from an antenna electromagnetic waves. Especially with thick and wet samples, where the dielectric losses in the material can become very high, a strongly directed antenna is an advantage. On the other hand, a very small measuring range or measuring spot can also serve to determine the dielectric constant of a material only selectively in a defined range.
  • UWB broadband
  • the materials are detected by the antenna by changing their input impedance, i. E.
  • the materials are located in the radiating near field of the antenna.
  • the protection zone may be defined by the measuring area or by the measuring spot, e.g. observed immediately before a saw blade.
  • the inventive device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals consists of a particular planar, ultra-wideband (UWB) antenna structure, consisting of a plurality of dipole elements, each dipole element having two poles with a substantially elliptical basic shape.
  • UWB ultra-wideband
  • Such an antenna structure advantageously makes possible a low overall height while at the same time having a markedly reduced tendency to over-couple the radiator elements (dipoles).
  • the depth is determined by the distance of the radiator elements (dipoles) to the reflector element in the antenna concept of the invention and is usually in the range of ⁇ / 4 at the center frequency of the antenna. In the same frequency range mentioned above results in a relatively short height of about 10 mm.
  • Broadband dipoles having a rectangular or triangular basic shape, in particular such an elongated basic shape, are also conceivable in principle.
  • a broadband and also dual polarizable antenna structure can be realized by a plurality of radiating elements (dipoles) are present.
  • the dipoles can be arranged in two preferred directions and fed with a corresponding electrical signal.
  • Another advantage of the inventive device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals is the targeted adjustment of the current assignment of each individual dipole element.
  • Amplitude and phase relationships of the dipoles with each other a targeted Aperturbelegung the entire antenna structure can be made.
  • the opening angle of the antenna in the E and H plane in the far field, the size of the measuring spot, as well as the side lobe attenuation can be influenced.
  • a reflector is provided.
  • Such a reflector especially a metallic reflector, is then advantageously mounted opposite the main beam direction of the device and may be positioned below the structure of the radiating dipoles.
  • the reflector may be formed, for example, as a substantially planar, metallic reflector element or else as a metallized layer of a printed circuit board.
  • the reflector element should then be substantially perpendicular to the
  • Another advantage of this antenna geometry is the design of the reflector by means of a printed circuit board, wherein the electrically conductive plane realized by a located on the top or bottom layer copper surface (eg, V cc or GND) becomes.
  • Very space-saving components for the realization of a sensor (signal evaluation) and the control of the individual dipole elements can be arranged on the board. Connection cable from the antenna structure to an evaluation eliminates this.
  • the reflector can be brought even closer to the dipole elements by the reflector for certain frequency bandwidths magnetically conductive (reflection factor +1) by electromagnetic bandgap structures (EBG structures) is realized.
  • the reflected wave is in phase to the trailing end, whereby the distance can be reduced.
  • a disadvantage is an increase in the input reflection factor for each individual dipole.
  • Symmetrieglieder such as a taped microstrip balun or a symmetry member to Marchand (microstrip line on slot line transition).
  • the symmetry members may either be mounted between the dipole elements on the substrate and the reflector, below the reflector, integrated on a circuit board which also serves as a reflector, or be designed as a separate component.
  • the antenna according to the invention is therefore suitable as
  • Component of a sensor for a meter such as a Ortungst. Material analysis device.
  • the antenna according to the invention is also advantageously suitable as part of a sensor of a machine tool monitoring device
  • the protection zone may be detected by the measuring area or spot, e.g. described and observed immediately before the saw blade of a circular or band saw.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the shape of the dipoles and the basic arrangement of the dipoles of the device according to the invention in a plan view
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the carrier structure with dipoles according to the invention and associated reflector means
  • Figure 3 is a perspective view of the invention
  • Figure 4 shows an embodiment of an inventive locating and material determining device with an inventive
  • Figure 5 shows an embodiment of a machine tool monitoring device with a device according to the invention. Description of exemplary embodiments
  • Figure 1 shows in a plan view a possible arrangement of individual dipole moments, i. the antenna structure 10 of a device according to the invention for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals.
  • Antenna structure 10 consists of a plurality of radiator elements in dipole form.
  • the dipoles 12, also referred to below as dipole elements, are applied to a carrier element 18 as metallic structures and each have an axis 15 along which the poles are arranged.
  • the support member 18 in the embodiment of Figure 1 has a planar structure and may for example be a circuit board (board) with a corresponding insulating layer.
  • the dipolar array can be realized instead of a circuit board, for example also on a dielectric film (for example Kapton from DuPont). The flexibility of such films results in a whole series of advantages of the antenna structure according to the invention.
  • the two poles 14 and 16 of the dipoles 12 each have a substantially elliptical, planar structure, which is also flat in the embodiment shown. There is a slight deviation from the pure ellipse shape at each of the axial ends of the dipoles 12.
  • the curvature of the shape of the poles 14 changes or 16 of the dipoles 12 at their axial ends from a convex shape to a concave shape.
  • the concave curvature at the axial ends of the poles 14 and 16, respectively corresponds to the convex curvature at the inner, i. the feeding point
  • the crosstalk or overcoupling of the dipoles can be reduced and optimized.
  • the elliptical shape of the poles 14, 16 of the dipoles 12 of the antenna structure 10 advantageously leads to a strong suppression of side lobes in the radiation characteristic of the antenna.
  • the elliptical design of the radiator elements makes it possible to improve the bandwidth of the antenna structure 10, since the lower limit frequency of the antenna decreases as the length of the radiator element increases.
  • a dielectric additionally applied to the dipole elements 12, e.g. another substrate of the same material thickness, the lower limit frequency of the dipoles 12 can further reduce and thus increase the broadband bericht the antenna structure 10 on.
  • the structure is electrically longer with the same dipole dimensions.
  • the dipoles 12 of the antenna structure 10 are arranged in two preferred directions.
  • the preferred directions X, Y in the embodiment of Figure 1 are aligned orthogonal to each other, so that the dipoles 12 are arranged in two groups perpendicular to each other.
  • the preferred directions can be defined, for example, by the boundary geometry, such as the boundary edges 34, 36 of the carrier element 18.
  • the antenna structure has five dipoles, which are oriented in the X direction, and four dipoles, which are oriented in the Y direction.
  • Such a number and division essentially provides an optimum in terms of compactness and the possible monitoring range of the invention
  • Detection unit of a machine tool monitoring device as shown for example in Figure 5, a preferred direction but also by the orientation of the tool or tool can be specified.
  • a preferred direction may be the feed direction of a saw.
  • a working means 60 in the form of a saw blade is additionally indicated schematically in FIG.
  • the antenna structure 10 is arranged directly in front of the saw blade 60.
  • the working means 60 is shown in Figure 1 only to illustrate an application and limited neither the embodiment of the antenna structure according to the invention nor the applications of the claimed device.
  • the dipole elements 12 of the antenna structure according to the invention are arranged such that in each case four poles of four adjacent dipoles essentially form a ring structure 22.
  • the ring structure does not necessarily have to be circular.
  • the arrangement according to the invention of the dipole elements 12 has such a ring structure 22 which generates an "eye" 24, ie a not insignificant region of the antenna structure 10 which is not occupied by a metallic electrode of a radiator element
  • this area of the non-electrode covering is designed to be significantly larger.
  • the parallel spacing of the dipole elements produced in this way advantageously prevents overcoupling of the signals of different dipoles.
  • the feed of the individual dipole elements for example two dipoles, which are rotated by 90 degrees relative to one another, are fed in their common center or are arranged offset to one another and have no common feed point
  • the feed of the individual dipole elements can be chosen almost arbitrarily.
  • a targeted adjustment of the current assignment of a single dipole element is possible.
  • a targeted Aperturbelegung the entire antenna / antenna structure can be made.
  • the Opening angle of the antenna in the E and H plane in the far field the size of the measuring spot and the side lobe attenuation can be influenced.
  • array cell 32 The monitoring area realized with the antenna structure or the array from FIG. 1, referred to below as array cell 32, can be implemented by
  • Control changed for example, a workpiece can be tracked.
  • Figure 2 shows a perspective view of the device according to the invention with a support member 18, an antenna structure 10 and an additional reflector element 28, which is disposed below the antenna structure 10, that is opposite to the main emission direction Z.
  • the reflector element 28 may be a metallic or metallized plate.
  • the reflector element 28 is a circuit board (board), wherein the electrically conductive plane can be realized by a located on the top or bottom layer copper surface (eg V cc or GND).
  • V cc or GND copper surface
  • Very space-saving electronic as well as mechanical components for the realization of a sensor (signal evaluation) and the control of the individual dipole elements can be arranged on this board. Connection cable from the antenna structure to an evaluation eliminates this.
  • the depth is determined by the distance of the support structure 18 of the radiator elements 12 to the reflector element 28 in the inventive antenna concept and is usually in the range of ⁇ / 4 at the center frequency. In the above-mentioned frequency range, this results in a relatively short overall height of e.g. 10 mm (length / height of the feed not included).
  • the reflector 28 of the antenna arrangement can be brought even closer to the dipole elements by the reflector for certain Frequency bandwidths magnetically conductive (reflection factor +1) by electromagnetic bandgap structures (EBG Structures) is realized.
  • the reflected wave is in phase to the Hinstedden, whereby the distance of the structures can be reduced.
  • a disadvantage is an increase in the input reflection factor for each individual dipole.
  • FIG. 2 additionally shows a part of the feed structure of the antenna device according to the invention. The feeding of the antenna will be discussed in connection with FIG.
  • FIG. 3 shows a device 50 according to the invention in the form of a dual-polarized, ultra-wide-band dipolar array 10 with metallic reflector element 28 and Marchand (62) symmetry elements for feeding.
  • the reflector 28 is located at a distance of about 10 mm to the dipole elements 12.
  • the frequency range of this antenna in the embodiment of Figure 3 is approximately
  • the substrate and reflector size is approx. 72 mm x 72 mm.
  • the distribution of the power onto dipoles of the two preferred directions X and Y is effected via a power divider network, e.g. may consist of Wilkinson dividers or tapered power dividers or the like.
  • a power divider network e.g. may consist of Wilkinson dividers or tapered power dividers or the like.
  • Port 1 feeds the 4 vertical (Y-direction) dipoles of this embodiment
  • port 2 feeds the 5 horizontal (X-direction) dipoles of this embodiment, sufficient directivity being achieved by feeding the 4 outer dipoles.
  • the resulting array 32 further has a reflector 28 to radiate predominantly only in a half-plane (Z direction in Figure 3).
  • a dielectric additionally applied to the dipole elements e.g. another one
  • Substrate of the same material thickness can further reduce the lower limit frequency of the dipoles and thus further increase the broadbandity of the structure.
  • the structure is electrically longer with the same dipole dimensions.
  • the array 32 can advantageously be surrounded laterally and below with a cavity, for example in the form of a metal border (not shown in FIG. 3 for the sake of clarity), or provided with absorber material. Influences by laterally moving parts on the characteristics of the antenna (e.g., changing the input impedance) are thereby reduced.
  • the increase in the directivity of the dual-polarized dipolar array can be achieved by targeted guidance of the waves in a dielectric waveguide, also called Rod for short.
  • the dielectic material of the rod is thereby brought to the dipoles.
  • the detachment of the waves takes place depending on the resulting
  • Wavelength at the front of the rod instead, which should be cylindrical. With decreasing diameter of the waveguide waves of higher frequencies are replaced.
  • the dipolar array can be realized instead of on a circuit board, for example on a dielectric film (eg Kapton from Du Pont). Due to the flexibility of this film, dipole elements including the feed lines can be applied; 90 degrees angle of the feed lines to the reflector are thus possible. Furthermore, the execution of a dipole element incl. Power from a single metal part, for example made of copper conceivable.
  • a dielectric film eg Kapton from Du Pont
  • array cell 32 The surveillance area realized with the array of Figure 3, hereafter referred to as array cell 32, can be duplicated or multiplied
  • the measuring spot therefore migrates on the substrate surface as a function of the respectively fed dipole elements.
  • FIG. 4 shows, in a schematic view, a location or material constant determination device 42 with the device 50 according to the invention, as a component of a UWB sensor 58.
  • the measuring device is moved over a wall 44 or another material.
  • the location of trapped in a medium objects 46 or the determination of material parameters, such as the humidity of a wall 44 is possible, as is basically presented in DE 102 07 424 Al, and their content so as also to be disclosed here.
  • An alternative application of the device according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals is provided by the range of protection sensors.
  • a detector for "pre-impact detection" can be realized.
  • Another important application of the device according to the invention results from the advantage of good bundling and alignability of the measurement signal. In this way, a protected zone to be monitored, for example, directly before a saw blade or saw blade (see Figure 1) are more accurately secured.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a machine tool monitoring device which is used to detect the presence of a type of material, in particular tissue, such as the human tissue of a hand
  • the circular saw 48 has a recognition device 52, which is provided for detecting the presence of a type of material 54, in particular of tissue, in a machine tool working area 56.
  • the recognition device 52 has at least one device 50 according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals.
  • the device 50 according to the invention can be installed in a plane above the working range of the machine tool, as indicated in FIG. Alternatively, the device 50 can also be integrated directly in the work table 40. Both possibilities can be realized both individually and simultaneously, as shown by way of example in FIG.
  • the antenna structure according to the invention By a plurality of juxtaposed array cells 32, which are arranged in particular in or under the work table 40 of the machine tool, and by a combinatorial logic, it is advantageously possible with the antenna structure according to the invention, a large area around the working means of the machine tool, for example a saw blade to secure around.
  • the antenna structure according to the invention has the advantage that it can be brought very close to the working medium (compare the illustration in Figure 1) and at the same time can cover a large surveillance area, especially if multiple array cells 32 are used.
  • the application of the device according to the invention in the context of a machine tool monitoring device is not limited to saws and in particular on circular saws.
  • the device according to the invention is not limited to use as part of a machine tool monitoring device.
  • the skilled artisan recognizes the other uses of the device according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (50) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere UWB- Antenne, mit einer planaren, ultrabreitbandigen (UWB) Antennenstruktur (10), bestehend aus einer Mehrzahl von Dipolelementen (12). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass wobei jedes Dipolelement (12) zwei Pole (14,16) mit im wesentlichen elliptischer Grundform besitzt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Messgerät, insbesondere ein Ortungs- und/oder Materialbestimmungsgerät (42) zur Bestimmung von in einem Medium (44) eingeschlossenen Objekten (46) und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, insbesondere der Feuchte eines Materials, mit zumindest einem UWB-Sensor (58), der zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungsvorrichtung (52), die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart (54), insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich (56) vorgesehen ist, sowie mit einem Arbeitsmittel (60), bei der die die Erkennungsvorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, sowie Messgerät und Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung
Stand der Technik
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Senden und oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere von einer eine U WB- Antenne.
Unter einer ultrabreitbandigen oder Ultra-Wide-Band (UWB) Antenne soll in diesem
Zusammenhang insbesondere eine Antenne verstanden werden, mittels der ein ultrabreitbandiges Radarsignal erzeugt, gesendet, empfangen und/oder ausgewertet werden kann. Unter einem „ultrabreitbandigen (oder Ultra Wide Band oder UWB) Radarsignal" soll insbesondere ein elektromagnetisches Signal verstanden werden, welches einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittenfrequenz im Frequenzbereich von ca. 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist.
Für Ultrabreitbandapplikationen im Frequenzbereich von ca. 1 GHz bis 15 GHz existiert eine Vielzahl an Antennengeometrien für unterschiedlichste Anwendungen.
Im Bereich der Kommunikation werden vorzugsweise omnidirektionale Antennen eingesetzt, bei denen eine elektromagnetische Welle mit konstanter Leistung z.B. in azimuthaler Richtung auf einer bestimmten Ebene abgestrahlt bzw. empfangen wird. Bei Radaranwendungen hingegen sollte jedoch gezielt in eine Richtung abgestrahlt werden. Anstelle von omnidirektionalen Antennen werden daher Antennen mit Richtwirkung, also gerichtete Antennen eingesetzt.
Als Ultrabreitband-Antennentypen mit Richtwirkung ist beispielsweise die Tapered Slot Antenne nach A. Hees, J. Hasch and J. Detlefsen, ("Tapered Slot Antenna with
Dielectric Rod and Metallic Reflector", 2008 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, San Diego, USA, JuIy 2008 sowie "Corrugated Tapered Slot Antenna with Dielectric Rod and Metallic Reflector", 2008 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, Hannover, Germany, September 2008) bekannt.
Weiter sind UWB-Antennen mit einem dreidimensionalen Dipol und einem zusätzlichen dielektrischen Rod bekannt, um eine weiter erhöhte Richtwirkung zu erreichen. Siehe hierzu beispielsweise M. Blech, T. Eibert in "A Directive Ultra- Wideband Dipole Antenna with Dielectric Rod and Reflector", 2nd International ITG Conference on Antennas, 2007 sowie T. F. Eibert, "Ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor", German Patent Application, Nr. 10 2006 036 325.6-55, Aug. 2006
Eine flache und ultrabreitbandige Antenne, deren Aperturbelegung durch Speisung einzelner rechteckiger Dipolelemente auf einem Substrat erzeugt wird, ist aus R. N.
Foster, T.W. Hee, P.S. Hall, "Ultra wideband dual polarised arrays" IEEE International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, pp. 219-222, 2006 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in einer Verbesserung der aus dem Stand der Technik bekannten Antennen.
Vorteile der Erfindung
Um die dielektrische Konstante eines Materials (z.B. Betonwand, Holz, Plastik, menschliches Gewebe etc.) und somit beispielsweise auch die Anwesenheit einer Hand oder die Feuchte einer Wand ermitteln zu können, sind für die Anwendung eines breitbandigen (UWB) Radarverfahrens eine genügend große Frequenzbandbreite und eine hohe Bündelung (Richtwirkung) der von einer Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen gefordert. Gerade bei dicken und feuchten Proben, bei denen die dielektrischen Verluste im Material sehr hoch werden können, ist eine stark gerichtete Antenne von Vorteil. Ein sehr kleine Messbereich oder Messfleck kann andererseits auch dazu dienen, nur gezielt in einem definierten Bereich die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen.
Diese Materialien werden von der Antenne durch Änderung ihrer Eingangsimpedanz bzw. Verstimmung erfasst, d.h. die Materialien befinden sich im abstrahlendem Nahfeld der Antenne. Im Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen, kann durch den Messbereich bzw. durch den Messfleck die Schutzzone z.B. unmittelbar vor einem Sägeblatt beobachtet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, besteht aus einer insbesondere planaren, ultrabreitbandigen (UWB) Antennenstruktur, bestehend aus einer Mehrzahl von Dipolelementen, wobei jedes Dipolelement zwei Pole mit im wesentlichen elliptischer Grundform besitzt.
Eine derartige Antennenstruktur ermöglich in vorteilhafter Weise eine geringe Bauhöhe bei gleichzeitig deutlich reduzierter Tendenz zum Überkoppeln der Strahlerelemente (Dipole). Im Vergleich zu einer breitbandigen Schlitzantenne, die eine Bautiefe von 80 mm oder mehr im Frequenzbereich 2,2 - 9 GHz besitzen kann, wird bei dem erfindungsgemäßen Antennenkonzept die Tiefe durch den Abstand der Strahlerelemente (Dipole) zu dem Reflektorelement festgelegt und liegt üblicherweise im Bereich von λ/4 bei der Mittenfrequenz der Antenne. Im selbe, oben genannten Frequenzbereich ergibt sich dabei eine relativ kurze Bauhöhe von ca. 10 mm.
Breitbandige Dipole mit einer rechteckiger oder triangulärer Grundform, inbesondere einer solchen elongierten Grundform sind prinzipiell ebenso vorstellbar. - A -
In vorteilhafter Weise lässt sich eine breitbandige und zudem dual polarisierbare Antennenstruktur realisieren, indem mehrere Strahlerelemente (Dipole) vorhanden sind. Dazu können die Dipole in zwei Vorzugsrichtungen angeordnet werden und mit einem entsprechen elektrischen Signal gespeist werden.
Auf einfache Weise ist die Realisierung einer dual polarisierten Antenne möglich, in dem weitere Dipolelemente um 90 Grad gedreht der Anordnung hinzugefügt werden. Die Anordnung der einzelnen Dipolelemente (z.B. zwei Dipole, die um 90 Grad zueinander gedreht sind, werden in ihrem gemeinsamen Zentrum gespeist oder sind zueinander versetzt und haben keinen gemeinsamen Speisepunkt) ist dabei beliebig wählbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale ist die gezielte Einstellung der Strombelegung eines jeden einzelnen Dipolelements. Durch geschickte Wahl der
Amplituden- und Phasenbeziehungen der Dipole untereinander kann eine gezielte Aperturbelegung der gesamten Antennenstruktur vorgenommen werden. Der Öffnungswinkel der Antenne in der E- und H- Ebene im Fernfeld, die Größe des Messflecks, als auch die Nebenkeulendämpfung ist dadurch beeinflussbar.
Um die Richtwirkung der Antenne in einer Halbebene zu verbessern ist ein Reflektor vorgesehen. Ein derartiger - insbesondere metallischer - Reflektor ist dann in vorteilhafter Weise entgegen der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung angebracht und kann unterhalb der Struktur der abstrahlenden Dipole positioniert sein.
Der Reflektor kann beispielsweise als ein im Wesentlichen ebenes, metallisches Reflektorelement oder aber auch als eine metallisierte Schicht einer Leiterplatte ausgebildet sein.
Das Reflektorelement sollte dabei dann im Wesentlichen senkrecht auf der
Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung stehen.
Ein weiterer Vorteil dieser Antennengeometrie ist die Ausführung des Reflektors mittels einer Leiterplatte, wobei die elektrisch leitende Ebene durch eine auf der Top- bzw. Bottom- Lage befindlichen Kupferfläche (z.B. Vcc oder GND) realisiert wird. Sehr platzsparend können Bauteile zur Realisierung eines Sensors (Signalauswertung) sowie die Ansteuerung der einzelnen Dipolelemente auf der Platine angeordnet sein. Verbindungskabel von der Antennenstruktur zu einer Auswerteelektronik entfallen dadurch.
In vorteilhafter Weise kann der Reflektor noch dichter an die Dipolelemente herangeführt werden, indem der Reflektor für gewisse Frequenzbandbreiten magnetisch leitend (Reflexionsfaktor +1) durch Elektromagnetische Bandgapstrukturen (EBG-Structures) realisiert wird. Die reflektierte Welle ist dabei in Phase zur Hinlaufenden, wodurch der Abstand reduziert werden kann. Nachteilig ist jedoch eine Erhöhung des Eingangsreflektionsfaktors bei jedem Einzeldipol.
Die Speisung der einzelnen Dipolelemente erfolgt über geeignete Symmetrieglieder, wie einen getaperten Mikrostrip-Balun bzw. einen Symmetrieglied nach Marchand (Mikrostreifenleitung auf Schlitzleitungsübergang). Die Symmetrieglieder können entweder zwischen den Dipolelementen auf dem Substrat und dem Reflektor, unterhalb des Reflektors, integriert auf einer Platine, die gleichzeitig als Reflektor dient, angebracht oder als separates Bauelement ausgeführt sein.
In vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Antenne daher als
Bestandteil eines Sensors für ein Messgerät, wie beispielsweise einem Ortungsbzw. Materialbestimmungsgerät.
Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Antenne in vorteilhafter Weise ebenfalls als Bestandteil eines Sensors einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung
Im Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen kann durch den Messbereich bzw. Messfleck die Schutzzone z.B. unmittelbar vor dem Sägeblatt einer Kreis- oder Bandsäge beschrieben und beobachtet werden.
Durch die Bildung von Array-Zellen, die jeweils aus einer Mehrzahl von Dipolen bestehen, kann eine großflächige Überwachung des Arbeitsbereichs einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Säge, erreicht werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antenne gemäß den abhängigen Ansprüchen.
Zeichnung
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung , eines erfindungsgemäßen Messgerätes sowie einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung dargestellt. Die Beschreibung, die zugehörige Figur sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Form der Dipole sowie die prinzipielle Anordnung der Dipole der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Trägerstruktur mit erfindungsgemäßen Dipolen sowie zugeordnetem Reflektormittel,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung inklusive Teilen der Speiseelektronik,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ortungs- und Materialbestimmungsgerät mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Werkzeugmaschinenüber- wachungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt in einer Aufsicht ein mögliche Anordnung von einzelnen Dipolmomenten, d.h. die Antennenstruktur 10 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale. Die
Antennenstruktur 10 besteht aus einer Mehrzahl von Strahlerelementen in Dipolform. Die Dipole 12, im folgenden auch Dipolelemente genannt, sind auf einem Trägerelement 18 als metallische Strukturen aufgebracht und besitzen jeweils eine Achse 15 entlang der die Pole angeordnet sind. Das Trägerelement 18 im Ausführungsbeispiel der Figur 1 hat eine ebene Struktur und kann beispielsweise eine Leiterplatte (Platine) mit entsprechender Isolationsschicht sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Dipolarray anstelle einer Platine beispielsweise auch auf einer dielektrischen Folie (z.B. Kapton der Firma DuPont), realisiert werden. Durch die Flexibilität solcher Folien ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen der erfindungsgemäßen Antennenstruktur.
Die beiden Pole 14 bzw. 16 der Dipole 12 besitzen jeweils eine im wesentlichen elliptische, flächige Struktur, die im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls eben ist. Eine leichte Abweichung von der reinen Ellipsenform gibt es jeweils an den axialen Enden der Dipole 12. Um einerseits die axiale Ausdehnung der Dipole 12 möglichst groß zu halten, andererseits aber einen Mindestabstand der Dipole 12 zueinander zu garantieren, wechselt die Krümmung der Form der Pole 14 bzw. 16 der Dipole 12 an ihren axialen Enden von einer konvexen Form auf eine konkave Form. Insbesondere entspricht die konkave Krümmung an den axialen Enden der Pole 14 bzw. 16 der konvexen Krümmung an dem inneren, d.h. dem Speisepunkt
20 zugewandten Ende der Pole. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein - insbesondere konstanter - Abstand zwischen den axialen und inneren Enden verschiedener Pole und damit der Dipole 12 zueinander eingehalten werden kann. Diese Formabweichung von der reinen Ellipsenform am jeweiligen axialen Ende der Pole 14 bzw. 16 soll jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Gegenstandes als
„im wesentlichen ellipsenförmig" angesehen werden. Durch die Einhaltung eines Mindestabstandes zwischen den Polen der Dipole kann das Übersprechen bzw. Überkoppeln der Dipole reduziert und optimiert werden. Die elliptische Form der Pole 14, 16 der Dipole 12 der Antennenstruktur 10 führt in vorteilhafter Weise zu einer starken Unterdrückung von Nebenkeulen in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne. Die elliptische Grundform der Dipole 12, die eine relativ große axiale Ausdehnung bei einer stark reduzierten Breite der Strahlerelemente bedeutet, führt zu einer vorteilhaften Strombelegung dieser
Elektroden, so dass keine höheren Moden angeregt werden, wie dies beispielsweise bei der auf einem Rautenraster basierenden Antennenstruktur nach R.N. Foster, T.W. Hee, P.S. Hall, ("Ultra wideband dual polarised arrays" I EEE International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, pp. 219-222, 2006) der Fall ist.
Darüber hinaus ermöglicht die elliptische Ausbildung der Strahlerelemente eine Verbesserung der Bandbreite der Antennenstruktur 10, da mit zunehmender Länge des Strahlerelementes untere Grenzfrequenz der Antenne absinkt. Ein auf den Dipolelementen 12 zusätzlich aufgebrachtes Dielektrikum, z.B. ein weiteres Substrat gleicher Materialdicke, kann die untere Grenzfrequenz der Dipole 12 weiter herabsetzen und somit die Breitband igkeit der Antennenstruktur 10 weiter erhöhen. Die Struktur wirkt bei gleichen Dipolabmessungen elektrisch länger.
Die Dipole 12 der Antennenstruktur 10 sind in zwei Vorzugsrichtungen angeordnet.
Die Vorzugsrichtungen X, Y im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind orthogonal zueinander ausgerichtet, so dass auch die Dipole 12 in zwei Gruppen senkrecht zueinander angeordnet sind. Die Vorzugsrichtungen können beispielsweise durch die Begrenzungsgeometrie, wie die Begrenzungskanten 34, 36 des Träger- elementes 18 definiert sein.
In Ausführungsbeispiel der Figur 1 besitzt die Antennenstruktur fünf Dipole, die in X- Richtung orientiert sind, sowie vier Dipole, die in Y- Richtung orientiert sind. Eine derartige Anzahl und Aufteilung stellt im wesentlichen ein Optimum hinsichtlich Kompaktheit und dem möglichen Überwachungsbereich der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dar.
Bei der Integration bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer
Erkennungseinheit einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung, wie sie beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist, kann eine Vorzugsrichtung aber auch durch die Orientierung des Arbeitsmittels bzw. Werkzeuges vorgegeben sein. So kann beispielsweise eine Vorzugsrichtung die Vorschubrichtung einer Säge sein. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts ist in Figur 1 zusätzlich schematisch ein Arbeitsmittel 60 in Form eines Sägeblatts angedeutet. Die Antennenstruktur 10 ist direkt dabei vor dem Sägeblatt 60 angeordnet. Das Arbeitsmittel 60 ist in Figur 1 nur zur Verdeutlichung einer Anwendungsmöglichkeit eingezeichnet und beschränkt weder die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antennenstruktur noch die Anwendungsmöglichkeiten der beanspruchten Vorrichtung.
Die Dipolelemente 12 der erfindungsgemäßen Antennenstruktur sind derart angeordnet, dass jeweils vier Pole von vier benachbarten Dipolen im wesentlichen eine Ringstruktur 22 bilden. Dabei muss die Ringstruktur nicht zwangsläufig kreisförmig sein. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Anordnung der Dipolelemente 12 ein derartige Ringstruktur 22 auf, die ein „Auge" 24 erzeugt, d.h. es ergibt sich ein - nicht unwesentlicher - Bereich der Antennenstruktur 10, der nicht von einer metallischen Elektrode eines Strahlerelemente belegt ist. Im Vergleich zu quadratischen oder rautenförmigen Dipolelementen ist dieser Bereich der Nicht- Elektrodenbedeckung deutlich größer ausgebildet. Der auf diese Weise erzeugte Parallelabstand der Dipolelemente verhindert in vorteilhafter Weise ein Überkoppeln der Signale verschiedener Dipole.
Auf einfache Weise ist damit die Realisierung einer dual polarisierten Antenne möglich, in dem die um 90 Grad gedrehten, bzw. entlang der beiden Vorzugsrichtungen X und Y ausgerichteten Dipole, mit einem entsprechenden Signal gespeist werden. Die Dipole einer Vorzugsrichtung strahlen dann jeweils eine
Polarisationsrichtung ab. Die Speisung der einzelnen Dipolelemente (z.B. zwei Dipole, die um 90 Grad zueinander gedreht sind, werden in ihrem gemeinsamen Zentrum gespeist oder sind zueinander versetzt angeordnet und haben keinen gemeinsamen Speisepunkt) ist dabei nahezu beliebig wählbar.
In vorteilhafter Weise ist eine gezielte Einstellung der Strombelegung eines einzelnen Dipolelements möglich. Durch geschickte Wahl der Amplituden- und Phasenbeziehungen der Dipole untereinander, kann eine gezielte Aperturbelegung der gesamten Antenne/Antennenstruktur vorgenommen werden. Der Öffnungswinkel der Antenne in der E- und H- Ebene im Fernfeld, die Größe des Messflecks als auch die Nebenkeulendämpfung ist dadurch beeinflussbar.
Der mit der Antennenstruktur bzw. dem Array aus Figur 1 realisierte Überwachungsbereich, nachfolgend als Array-Zelle 32 bezeichnet, kann durch
Duplizieren oder Vervielfachen dieser Grundstruktur erweitert werden. Durch mehrere, nebeneinander platzierter Array-Zellen sowie einer kombinatorische
Ansteuer- Logik können einzelne Dipolelemente bzw. einzelne Dipolzellen gezielt gespeist werden. Die Überlagerung der von den Dipolen erzeugten Feldern ergeben einen neuen Messbereich, der insbesondere auch durch eine nicht stationäre
Ansteuerung verändert, beispielsweise einem Werkstück nachgeführt werden kann.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Trägerelement 18, einer Antennenstruktur 10 und einem zusätzlichen Reflektorelement 28, welches unterhalb der Antennenstruktur 10, also entgegengesetzt zur Hauptabstrahlungsrichtung Z angeordnet ist. Das Reflektorelement 28 kann eine metallische oder metallisierte Platte sein. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist das Reflektorelement 28 eine Leiterplatte (Platine), wobei die elektrisch leitende Ebene durch eine auf der Top- bzw. Bottom- Lage befindlichen Kupferfläche (z.B. Vcc oder GND) realisiert sein kann. Sehr platzsparend können elektronische als auch mechanische Bauteile zur Realisierung eines Sensors (Signalauswertung) sowie die Ansteuerung der einzelnen Dipolelemente auf dieser Platine angeordnet sein. Verbindungskabel von der Antennenstruktur zu einer Auswerteelektronik entfallen dadurch.
Im Vergleich zu einer breitbandigen Schlitzantenne, die - in einem Frequenzbereich 2,2 - 9 GHz - eine Bautiefe von 80 mm oder mehr besitzen kann, wird bei dem erfindungsgemäßen Antennenkonzept die Tiefe durch den Abstand der Trägerstruktur 18 der Strahlerelemente 12 zu dem Reflektorelement 28 festgelegt und liegt üblicherweise im Bereich von λ/4 bei der Mittenfrequenz. Im dem oben genannten Frequenzbereich ergibt sich damit eine relativ kurze Bauhöhe von z.B. 10 mm (Länge / Höhe der Speisung nicht mit inbegriffen).
In weiteren Ausführungsformen kann der Reflektor 28 der Antennenanordnung noch dichter an die Dipolelemente herangeführt werden, indem der Reflektor für gewisse Frequenzbandbreiten magnetisch leitend (Reflexionsfaktor +1) durch elektromagnetische Bandgapstrukturen (EBG-Structures) realisiert wird. Die reflektierte Welle ist dabei in Phase zur Hinlaufenden, wodurch der Abstand der Strukturen reduziert werden kann. Nachteilig ist jedoch eine Erhöhung des Eingangsreflektionsfaktors bei jedem Einzeldipol.
Figur 2 zeigt zudem einen Teil der Speisestruktur der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung. Auf die Speisung der Antenne wird im Zusammenhang mit Figur 3 eingegangen werden.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 50 in Form eines dualpolarisierten, ultrabreitbandigen Dipolarrays 10 mit metallischem Reflektorelement 28 und Symmetriegliedern nach Marchand (62) zur Speisung. Der Reflektor 28 befindet sich dabei in einem Abstand von ca. 10 mm zu den Dipolelementen 12. Der Frequenzbereich dieser Antenne im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 beträgt ca.
2,2 GHz - 8,5 GHz. Die Substrat- und Reflektorgröße beträgt ca. 72 mm x 72 mm.
Die Speisung eines Dipols 12 erfolgt über eine Schlitzleitung 30, die durch das Substrat 18 der Dipolelemente 12 ragt und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Am anderen Ende der Schlitzleitung 30 findet die symmetrische Speisung durch ein Symmetrieglied (62) nach Marchand (Mikrostreifenleitung auf Schlitzleitungsübergang) statt, dem zusätzlich ein breitbandiges Anpassnetzwerk zur Transformation von ca. 73 Ohm an den Wellenwiderstand von ZL=50 Ohm angefügt ist.
Die Verteilung der Leistung auf Dipole der beidem Vorzugsrichtungen X bzw. Y erfolgt über ein Leistungsteilernetzwerk, das z.B. aus Wilkinson-Dividern oder getaperten Leistungsteilern oder dergleichen bestehen kann. Insgesamt stehen zwei Speiseports zur Verfügung. Mit Port 1 werden die 4 vertikalen (Y- Richtung) Dipole dieses Ausführungsbeispiels, mit Port 2 die 5 horizontalen (X- Richtung) Dipole dieses Ausführungsbeispiels gespeist, wobei eine ausreichende Richtwirkung bereits durch Speisung der 4 äußeren Dipole erreicht werden kann.
Das sich so ergebende Array 32 besitzt desweiteren einen Reflektor 28, um überwiegend nur in eine Halbebene abzustrahlen (Z- Richtung in Figur 3). In einer weiteren Ausführungsform können weitere Dipolelemente, die unmittelbar mit dem Wellenwiderstand ZL=73 Ohm abgeschlossen sind, direkt neben den gespeisten und abstrahlenden Dipolelementen 12 angeordnet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass jeder gespeiste Dipol 12 mit denselben metallischen Strukturen umgeben ist und seine Eingangsimpedanz identisch mit allen weiteren, gespeisten Dipolen ist. Der Designaufwand der Speisung (Slotline + Symmetrieübertrager) wird dadurch reduziert, da er für alle gespeisten Dipole identisch ist.
Ein auf den Dipolelementen zusätzlich aufgebrachtes Dielektrikum, z.B. ein weiteres
Substrat gleicher Materialdicke, kann die untere Grenzfrequenz der Dipole weiter herabsetzen und somit die Breitbandigkeit der Struktur weiter erhöhen. Die Struktur wirkt bei gleichen Dipolabmessungen elektrisch länger.
Zur Reduzierung der Seitenabstrahlung kann in vorteilhafter Weise das Array 32 seitlich und unterhalb mit einer Cavity, beispielsweise in Form einer Metallumrandung (in Figur 3 der Übersicht halber nicht dargestellt) umgeben werden bzw. mit Absorbermaterial versehen sein. Einflüsse durch seitlich befindliche, sich bewegende Teile auf die Eigenschaften der Antenne (z.B. Änderung der Eingangsimpedanz), werden dadurch reduziert.
Die Steigerung der Richtwirkung des dual polarisierten Dipolarrays kann durch gezielte Führung der Wellen in einem dielektrischen Wellenleiter, kurz auch Rod genannt, erfolgen. Das dielektische Material des Rods wird dabei auf die Dipole gebracht. Die Ablösung der Wellen findet in Abhängigkeit der sich ergebenden
Wellenlänge im vorderen Bereich des Rods statt, das zylindrisch ausgeführt sein sollte. Mit abnehmendem Durchmesser des Wellenleiters werden Wellen höherer Frequenzen abgelöst.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Dipolarray anstelle auf einer Platine beispielsweise auch auf einer dielektrischen Folie (z.B. Kapton der Firma Du Pont), realisiert werden. Durch die Flexibilität dieser Folie können Dipolelemente inkl. der Speiseleitungen aufgebracht werden; quasi 90 Grad Winkel der Speiseleitungen zum Reflektor hin sind damit möglich. Desweiteren ist auch die Ausführung eines Dipolelements inkl. Speisung aus einem einzigen Metallteil, z.B. aus Kupfer denkbar.
Der mit dem Array aus Abbildung 3 realisierte Überwachungsbereich, nachfolgend als Array-Zelle 32 bezeichnet, kann durch Duplizieren oder Vervielfachen dieser
Grundstruktur erweitert werden. Durch mehrere, nebeneinander platzierte Array-
Zellen sowie einer kombinatorische Logik können einzelne Dipolelemente bzw. einzelne Dipolzellen gezielt gespeist werden. Die Überlagerung der von den Dipolen
12 erzeugten Feldern ergeben wieder einen neuen Messbereich bzw. Messfleck. Der Messfleck wandert daher auf der Substratoberfläche in Abhängigkeit von den jeweils gespeisten Dipolelementen.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Ansicht, ein Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät 42 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50, als Bestandteil eines UWB-Sensors 58. Das Messgerät wird im Betrieb über eine Wand 44 oder ein anderes Material verfahren. Mit einem solchen Gerät 42 ist beispielsweise die Ortung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten 46 oder aber auch die Bestimmung von Materialparameter, wie beispielsweise die Feuchte eine Wand 44 möglich, wie dies grundsätzlich in der DE 102 07 424 Al vorgestellt ist, und deren Inhalt damit als hier ebenfalls offenbart anzusehen ist.
Eine alternative Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale bietet der Bereich der Schutzsensoren. So kann beispielsweise mit einer entsprechenden Antennen Struktur ein Detektor zur „Pre- Impact Detection" realisiert werden.
Ein weiterer wichtige Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich durch den Vorteil einer guten Bündelung und Ausrichtbarkeit des Messsignals. Auf diese Weise kann eine zu überwachende Schutzzone beispielsweise unmittelbar vor einem Sägeblatt oder Sägeband (vergleiche Figur 1) genauer abgesichert werden.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung, die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart, insbesondere von Gewebe, wie dem menschlichen Gewebe einer Hand, vorgesehen ist, am Beispiel einer Kreissäge 48. Die Kreissäge 48 weist eine Erkennungsvorrichtung 52 auf, die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart 54, insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich 56 vorgesehen ist. Die Erkennungsvorrichtung 52 weist zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung 50 zum Senden elektromagnetischer HF-Signale auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 50 kann in einer Ebene oberhalb des Arbeitsbereiches der Werkzeugmaschine installiert sein, wie dies in Figur 5 angedeutet ist. Alternativerweise kann die Vorrichtung 50 auch direkt im Arbeitstisch 40 integriert werden. Beide Möglichkeiten können sowohl einzeln, als auch gleichzeitig realisiert sein, wie dies in Figur 5 beispielhaft dargestellt ist.
Durch mehrere, nebeneinander platzierte Array-Zellen 32, die insbesondere in dem oder unter dem Arbeitstisch 40 der Werkzeugmaschine angeordnet sind, sowie durch eine kombinatorische Logik ist es mit der erfindungsgemäßen Antennenstruktur in vorteilhafter Weise möglich, einen großflächigen Bereich um das Arbeitsmittel der Werkzeugmaschine, beispielsweise ein Sägeblatt, herum abzusichern. Die erfindungsgemäße Antennenstruktur hat den Vorteil, dass diese sehr nah an das Arbeitsmittel herangeführt werden kann (vergleiche hierzu die Darstellung in Figur 1) und gleichzeitig einen großen Überwachungsbereich abdecken kann, insbesondere, wenn mehrere Array-Zellen 32 verwendet werden.
Hinsichtlich des zugrunde liegenden Messverfahrens sowie einer möglichen Ausgestaltung einer solchen Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung sei auf die EP 0711 0067 Al verwiesen, deren Inhalt damit als hier ebenfalls offenbart anzusehen ist.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung ist jedoch nicht auf Sägen und insbesondere auf Kreissägen beschränkt.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch nicht auf die Verwendung als Bestandteil einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung beschränkt. Neben der beschriebenen Verwendung im einem Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät, erkennt der Fachmann die weiteren Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (50) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer
H F-Signale, insbesondere eine U WB- Antenne, mit einer ultrabreitbandigen (UWB), insbesondere planaren, Antennenstruktur (10), bestehend aus einer Mehrzahl von Dipolelementen (12), dadurch gekennzeichnet, dass jedes Dipolelement (12) zwei Pole (14,16) mit im wesentlichen elliptischer Grundform besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dipole (12) auf oder in einer ebenen Trägerstruktur (18) ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (15) eines jeden Dipols (12) parallel zu einer von zwei Vorzugrichtungen (X, Y) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Vorzugsrichtungen (X, Y) senkrecht aufeinander stehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Vorzugsrichtungen (X, Y) parallel zu zumindest zwei Kanten (34,36) der Trägerstruktur (18) verlaufen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Pole (14, 16) von vier benachbarten Dipolen (12) eine ringförmige Struktur (22) bilden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Dipolelementen (12) eine Array-Zelle (32) bilden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Array-Zellen (32) vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dipolelemente (12) über zumindest eine Schlitzleitung (30) gespeist sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Symmetrieglied nach Marchand (62) zur Speisung, insbesondere zur symmetrischen Speisung, der Schlitzleitung (30) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektorelement (28) vorgesehen ist, welches im wesentlichen parallel zur Trägerstruktur (18) der Dipole (12) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Reflektorelements (28) zur Trägerstruktur (18) der Dipole (12) im wesentlichen gleich einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) bei der Mittenfrequenz der Antenne ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (28) als im Wesentlichen ebener, metallischer oder metallisierter Reflektor ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (28) von einer Leiterplatte gebildet ist.
15. Messgerät, insbesondere ein Ortungs- und / oder Materialbestimmungsgerät (42) zur Bestimmung von in einem Medium (44) eingeschlossenen Objekten (46) und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, insbesondere zur Bestimmung der Feuchte eines Materials, mit zumindest einem UWB-Sensor (58), dadurch gekennzeichnet, das der Sensor (58) zumindest eine Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
16. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungs- Vorrichtung (52), die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart (54), insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich
(56) vorgesehen ist, sowie mit einem Arbeitsmittel (60), dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsvorrichtung (52) eine
Sensoreinheit mit zumindest einer Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
17. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Säge (48), insbesondere eine Standsäge ist.
18. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Array-Zelle (32) benachbart zum Arbeitsmittel (60) angeordnet ist.
19. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Array-Zelle (32) um das Arbeitsmittel (60) herum angeordnet sind.
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