WO2009089934A1 - Vorrichtung zum senden und/oder empfangen elektromagnetischer hf-signale - Google Patents

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WO2009089934A1
WO2009089934A1 PCT/EP2008/065263 EP2008065263W WO2009089934A1 WO 2009089934 A1 WO2009089934 A1 WO 2009089934A1 EP 2008065263 W EP2008065263 W EP 2008065263W WO 2009089934 A1 WO2009089934 A1 WO 2009089934A1
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antenna
signals
main beam
reflector
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PCT/EP2008/065263
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Heiko Braun
Juergen Hasch
Alexander Werner Hees
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/24—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave constituted by a dielectric or ferromagnetic rod or pipe
    • 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
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    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/104—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces using a substantially flat reflector for deflecting the radiated beam, e.g. periscopic antennas

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals, in particular from a U WB antenna.
  • An ultra-wide-band (UWB) antenna is to be understood in this context in particular as an antenna 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 a constant power electromagnetic wave is used e.g. is radiated or received in azimuthal direction at a certain level.
  • radar applications should be targeted in one direction.
  • antennas with directivity so directed antennas are used.
  • the object underlying the invention is to improve the known from the prior art antennas.
  • the inventive device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals which is designed in particular as a U WB antenna, is designed in the so-called "tapered slot" construction (TSA) and has a substantially planar metallic structure, as In the main beam direction of the tapered-slot antenna - in
  • German also called "wedge slot antenna” - there is an additional waveguide for the high frequency signals.
  • This additional waveguide leads advantageously to an increased directivity of the emitted high frequency signal.
  • a broad bandwidth radar method requires a sufficiently large frequency bandwidth and a high concentration of the electromagnetic wave radiated from an antenna. Especially with thick and wet samples where the dielectric
  • Losses in the material can be very high, a highly directed antenna is an advantage.
  • the resulting, very small measuring spot can also serve to determine the dielectric constant of a material only selectively in a defined range.
  • the antenna according to the invention is therefore suitable as part of a sensor for a location or material determination device.
  • the antenna according to the invention is also advantageously suitable as part of a sensor of a machine tool monitoring device
  • Protection zone e.g. be described immediately before the saw blade of a circular or band saw.
  • the waveguide is formed as a circular, dielectric waveguide.
  • the waveguide can be constructed at least partially as a cylinder, in particular a solid cylinder made of a dielectric.
  • the waveguide advantageously has at least one region that narrows in diameter.
  • an additional reflector may be provided. Such a reflector is then provided in an advantageous manner opposite to the main beam direction of the device.
  • the reflector may be formed, for example, as a substantially planar, metallic reflector element.
  • the reflector element should then be substantially perpendicular to the main beam direction of the device.
  • the diameter-tapering region is then formed on the side of the waveguide facing away from the reflector.
  • the metallic structure of the antenna element is slotted transversely to the main beam direction at the edges facing away from the emission slot
  • the surface currents at the lateral edges of the metallic structure can be reduced, which would otherwise cause side lobes as well as a reduced gain in the main radiation direction.
  • the slots should advantageously have different lengths and widths depending on the wavelength of the radiated signal to produce a phase shift of 180 degrees at the respective frequency component of the surface current.
  • Figure 1 is a tapered slot antenna in a simplified schematic
  • FIG. 2 shows a device according to the invention with waveguide and reflector in a simplified, schematic representation
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention with waveguide and reflector in a simplified, schematic representation
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the invention
  • FIG. 8 The embodiment of the device according to the invention according to
  • FIG. 7 with the waveguide removed
  • Figure 9 shows an embodiment of an inventive locating
  • Figure 10 An embodiment of a machine tool monitoring device according to the invention. Description of exemplary embodiments
  • Figure 1 shows a possible embodiment of a wideband "Tapered Slot” or “Wedge Slot” antenna (TSA).
  • TSA Wideband Slot
  • a metallic structure 10 hatchched drawn
  • substrate 12 layered.
  • the carrier material consists for example of a printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the serving as a radiating element metallic structure or layer 10 has a widening in the main beam direction 18 slit-shaped region 14, in which form the waves to be transmitted 16 and then also detach, as shown schematically in Figure 1.
  • the electromagnetic waves are predominantly emitted in a spatial direction, the main radiation direction 18. Therefore, the TSA is assigned to the directional antennas.
  • the feeding of the antenna takes place at the narrow end of the slot line 14 by means of a feed point 20.
  • the metallic structure 10 is electrically connected through the carrier material 12 through a feed network not shown.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a device according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals.
  • this device has at least one waveguide and optionally also a reflector element 24.
  • Embodiment of Figure 2 is shown as a substantially cylindrical waveguide, serves to increase the directivity of a Tapered slot antenna by the targeted guidance of the waves.
  • the circular, dielectric waveguide, also called Rod is symmetrical to the metallic structure of the Antenna element arranged in such a way that the plane 26 of the metallic structure 10 divides the diameter of the rod.
  • the waveguide has a first cylindrical section 28 and a second, tapered section 30.
  • the tapered section 30 is arranged on the end facing away from the reflector 24 of the waveguide 22.
  • the detachment of the waves takes place in dependence on the resulting wavelength in the - seen in the main beam direction 18 - front portion of the rod 22 instead.
  • waves become higher
  • the metallic reflector 24 additionally attached in the exemplary embodiment reduces the unwanted wave propagation opposite to the main beam direction 18.
  • the reflector 24 may, for example, a flat, metallic
  • Reflector element consist, which is arranged perpendicular to the main radiation direction 18.
  • the reflector element can also deviate from the plane shape and by a special shape, such as a
  • Figures 3 to 5 show a dimensioned embodiment of the device according to the invention or its essential components.
  • FIG. 3 shows the metallic structure 10 serving as radiating element, including the feed line 32 for the high-frequency signal.
  • the dimensions represent approximate data.
  • the metallic structure which serves for the radiation for example, the dimensions 67mm (supply line side width), 73mm (extension in the main beam direction), 100mm
  • FIG. 4 shows a possible shape of the reflector element 24, which also has a connection bushing 33 for the feed line 32 and ggfls. has a connection for the potential adjustment of the reflector.
  • FIG. 5 shows a waveguide with an exemplary dimension.
  • the waveguide 22, which may for example be made in one piece from a dielectric material, has a slot 34 into which the carrier element 12 including the metallic transmission structure 10 is inserted.
  • the slot 34 is formed substantially centrally in the dielectric solid cylinder, so that the
  • Waveguide symmetrical to the radiation plane of the antenna which corresponds substantially to the plane of the metallic layer 10, is arranged.
  • the waveguide also sits symmetrically to the slot 14, which serves to replace the waves to be irradiated.
  • the waveguide can thus also increase the mechanical stability of the carrier element 12.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention. This embodiment is - apart from the peculiarities to be described - in principle constructed analogously to the device according to Figure 2.
  • Antenna element is the slitting of the metallic structure 10. Parts of the surface current enter the respective slot 38, which has a length of about ⁇ / 4 of the wavelength of the signal.
  • These slots 38 also called corrugation, which are incorporated transversely to the main beam direction 18 of the antenna in the metallic structure 10, allow a reduction of
  • the slots 38 may have different lengths and widths depending on the wavelength ⁇ of the signal, as shown in Figs. 6-8. This special configuration of the slots 38 causes a phase shift of 180 degrees to be generated at the respective frequency component of the broad frequency spectrum of the surface current.
  • FIG. 7 shows a device according to the invention in another specific embodiment
  • FIG. 8 shows the device according to FIG. 7, but without waveguide 22, for clarification of the further development.
  • the dimensions of the substrate of the device according to FIGS. 7 and 8 are typically approximately 97 mm ⁇ 93 mm, those of the metallic reflector typically approximately 67 mm ⁇ 60 mm, in a specific exemplary embodiment the dimensions were 67.1 mm ⁇ 60 mm or 97.1 mm x 93 mm used.
  • the rod (the waveguide) has the same dimensions as that shown in Figure 5, but has an elongated slot 38 for receiving the support member 12, so for example the carrier board.
  • An advantage of the antenna shown in Figure 7 or 8 over the embodiment of the antenna according to the invention according to Figure 2 and Figure 3 to 5 is the improved wave separation by the special design of the metallic structure 10 in the separation region of the waves.
  • the metallic structure 10 serving as the radiating element of the exemplary embodiment of FIGS. 7 and 8 has two substantially triangular shaped ones
  • the directional characteristic of an antenna is of crucial importance for various applications.
  • FIG. 9 shows, in a schematic view, a location or material constant determination device 42 with the antenna or device 50 according to the invention, as part of a UWB sensor 58, which is moved over a wall 44.
  • a location or material constant determination device 42 with the antenna or device 50 according to the invention, as part of a UWB sensor 58, which is moved over a wall 44.
  • An alternative application of the device according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals is provided by the range of protection sensors.
  • the range of protection sensors For example, in the case of protective sensors in power tools by the good concentration of the measuring signal to be monitored protection zone directly in front of a saw blade or saw band are hedged more accurately.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a machine tool monitoring device which is provided for detecting the presence of a type of material, in particular tissue, such as human tissue, using the example of a circular saw 48.
  • the circular saw 48 has a
  • Recognition device 52 which is provided for the presence detection 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.
  • Embodiment of such a machine tool monitoring device is referred to the EP 0711 0067 Al, the content of which is therefore also to be regarded as disclosed here.
  • 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 on the
  • the device according to the invention advantageously makes it possible to focus electromagnetic waves of a tapered slot antenna in the main beam direction through an additional dielectric rod. From this combination of a planar antenna structure to excite the electromagnetic wave with a dielectric tapering forward
  • Cylinders as waveguides yield a multitude of advantages.
  • a further increase in the directivity in the main beam direction and a significant reduction in the wave propagation in the rearward direction of the antenna is achieved by a metallic reflector.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine UWB-Antenne, in Tapered Slot Bauweise (TSA), mit einer als Abstrahlungselement dienenden planaren metallischen Struktur (10). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein zusätzlicher Wellenleiter (22) vorgesehen ist. Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Ortungs-bzw. Materialbestimmungsgerät zur Bestimmung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, mit einem UWB-Sensor, wobei der Sensor zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungsvorrichtung, die zur Anwesenheits-Erkennung einer Materialart, insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich vorgesehen ist, wobei die Erkennungsvorrichtung eine Sensoreinheit mit zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale
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 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 aus der Veröffentlichung von
P. Li, J. Liang, X. Chen, "UWB Tapered-Slot-Fed Antenna", I ET Seminar on Ultra Wideband Systems, Technologies and Applications", 20 April 2006 beispielsweise die Tapered Slot Antenna (TSA) 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
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, die insbesondere als eine U WB- Antenne ausgelegt ist, ist in der sogenannten „Tapered Slot" Bauweise (TSA) ausgelegt und weist eine im wesentlichen planare metallische Struktur auf, die als Abstrahlungselement dient. In Hauptstrahlrichtung der Tapered-Slot Antenne - im
Deutschen auch „Keilschlitzantenne" genannt - befindet sich ein zusätzlicher Wellenleiter für die Hochfrequenzsignale. Dieser zusätzliche Wellenleiter führt in vorteilhafter Weise zu einer verstärkten Richtwirkung des ausgesendeten Hochfrequenzsignals.
Um die dielektrische Konstante eines Materials (z.B. Betonwand, Holz, Plastik etc.) ermitteln zu können, werden für die Anwendung eines breitbandigen Radarverfahrens eine genügend große Frequenzbandbreite und eine hohe Bündelung der von einer Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle 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. Der resultierende, sehr kleine Messfleck kann auch dazu dienen, um nur gezielt in einem definierten Bereich die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen.
In vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Antenne daher als Bestandteil eines Sensors für ein Ortungs- bzw. 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 Messfleck die
Schutzzone z.B. unmittelbar vor dem Sägeblatt einer Kreis- oder Bandsäge beschrieben werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antenne gemäß den abhängigen Ansprüchen.
In vorteilhafter Weise wird der Wellenleiter als ein zirkularer, dielektrischer Wellenleiter ausgebildet. Der Wellenleiter kann dabei zumindest teilweise als Zylinder, insbesondere ein massiver Zylinder aus einem Dielektrikum aufgebaut sein.
Zur Bündelung des abgestrahlten HF-Signals weist der Wellenleiter in Vorteilhafter Weise zumindest einen sich im Durchmesser verjüngenden Bereich aufweist.
Um die Richtwirkung der Antenne zu verbessern kann ein zusätzlicher Reflektor vorgesehen sein. Ein derartiger Reflektor ist dann in vorteilhafter Weise entgegen der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung vorgesehen.
Der Reflektor kann beispielsweise als ein im Wesentlichen ebenes, metallisches Reflektorelement ausgebildet sein.
Das Reflektorelement sollte dabei dann im Wesentlichen senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung steht.
Um eine deutliche Richtwirkung und Bündelung des von der Vorrichtung abgestrahlten Signals zu erhalten, ist der sich im Durchmesser verjüngenden Bereich dann auf der dem Reflektor abgewandten Seite des Wellenleiters ausgebildet. Um die Richtwirkung der Antenne noch weiter zu verbessern und insbesondere das Auftreten von sogenannten „Nebenkeulen" in der Abstrahlung zu verringern, ist in einer vorteilhaftem Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne die metallische Struktur des Antennenelementes an den dem Aussendungsschlitz abgewandten Rändern quer zur Hauptstrahlrichtung geschlitzt. In vorteilhafter
Weise können damit die Oberflächenströme an den seitlichen Rändern der metallischen Struktur reduziert werden, die ansonsten Nebenkeulen sowie einen verminderten Gewinn in Hauptstrahlrichtung hervorrufen würden.
In vorteilhafter Weise weisen diese Schlitze zur Unterdrückung von
Oberflächenströmen unterschiedliche Längen - quer zur Hauptstrahlrichtung der Antenne - auf. Teile des Oberflächenstromes gelangen in den jeweiligen Schlitz, der in vorteilhafter Weise eine Länge von etwa λ/4 des HF-Signals besitzt. Durch diese gewählte Länge der Unterdrückungsschlitze haben hineinlaufende Ströme beim Austritt aus dem Schlitz eine Phasendrehung von ca. 180 Grad erfahren, wodurch der gesamte Oberflächenstrom reduziert wird.
Bei ultrabreitbandigen (UWB) Antennen, wie sie hier zugrunde gelegt werden, sollten die Schlitze in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Wellenlänge des abgestrahlten Signals unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen, um beim jeweiligen Frequenzanteil des Oberflächenstroms eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Zeichnung
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 Tapered-Slot-Antenne in einer vereinfachten schematischen
Darstellung,
Figur 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Wellenleiter und Reflektor in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
Figur 3 bis 5 Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Bemaßung entsprechend einem möglichen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ebenfalls vereinfachten, schematischen Darstellung,
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Wellenleiter und Reflektor in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
Figur 7 eine alternative Ausführungsform zur erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß Figur 6, in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
Figur 8 Die Ausführungsform der erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß
Figur 7 bei entferntem Wellenleiter,
Figur 9 Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ortungs- und
Materialbestimmungsgerät,
Figur 10 Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Abbildung 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer breitbandigen „Tapered Slot" bzw. „Keilschlitz" Antenne (TSA). Dabei ist eine metallische Struktur 10 (schraffiert eingezeichnet) auf einem Trägermaterial 12 schichtförmig aufgebracht.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht das Trägermaterial beispielsweise aus einer Leiterplatte (PCB). Auf diesen Träger kann dann die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur direkt oder indirekt aufgebracht werden und entsprechend über eine Speiseleitung kontaktiert werden.
Die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur bzw. Schicht 10 weist einen sich in Hauptstrahlrichtung 18 erweiternden schlitzförmigen Bereich 14 auf, in dem sich die auszusendenden Wellen 16 ausbilden und anschließend auch ablösen, wie dies in Figur 1 schematisch angedeutet ist.
Die elektromagnetischen Wellen werden dabei überwiegend in eine Raumrichtung, die Hauptstrahlrichtung 18 abgestrahlt. Daher wird die TSA den gerichteten Antennen zugeordnet.
Die Speisung der Antenne erfolgt am schmalen Ende der Schlitzleitung 14 mittels eines Speisepunktes 20.
An diesem Speisepunkt 20 ist die metallische Struktur 10 durch das Trägermaterial 12 hindurch elektrisch mit einem nicht weiter dargestellten Speisenetzwerk verbunden.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale. Neben den in Figur 1 dargestellten Elementen weist diese Vorrichtung zumindest einen Wellenleiter und gegebenenfalls auch ein Reflektorelement 24 auf. Der Wellenleiter 22, der im
Ausführungsbeispiel der Figur 2 als ein im wesentlichen zylindrischer Wellenleiter dargestellt ist, dient der Steigerung der Richtwirkung einer Tapered Slot Antenne durch die gezielte Führung der Wellen. Der zirkuläre, dielektrische Wellenleiter, kurz auch Rod genannt, ist symmetrisch zur metallischen Struktur des Antennenelementes in der Art angeordnet, dass die Ebene 26 der metallischen Struktur 10 den Durchmesser des Rods teilt.
Der Wellenleiter weist einen ersten, zylindrischen Abschnitt 28 sowie einen zweiten, sich verjüngenden Abschnitt 30 auf. Der sich verjüngende Abschnitt 30 ist dabei an dem dem Reflektor 24 abgekehrten Ende des Wellenleiters 22 angeordnet.
Die Ablösung der Wellen findet in Abhängigkeit der sich ergebenden Wellenlänge im - in Hauptstrahlrichtung 18 gesehen - vorderen Bereich des Rods 22 statt. Mit abnehmendem Durchmesser des Wellenleiters 22 werden Wellen höherer
Frequenzen abgelöst. Der im Ausführungsbeispiel zusätzlich angebrachte metallische Reflektor 24 reduziert zudem die ungewollte Wellenausbreitung entgegengesetzt zur Hauptstrahlrichtung 18.
Der Reflektor 24 kann beispielsweise aus einem ebenen, metallischen
Reflektorelement bestehen, welches senkrecht zur Hauptstrahlrichtung 18 angeordnet ist.
Darüber hinaus kann das Reflektorelement aber auch von der Ebenen- Form abweichen und durch eine spezielle Formgebung, wie beispielsweise eine
Krümmung auf den Wellenleiter angepasst sein.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen ein bemaßtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer wesentlichen Komponenten.
Dabei zeigt die Figur 3 die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur 10, inklusive der Speiseleitung 32 für das Hochfrequenzsignal. Die Maße stellen ungefähre Angaben dar. In einer konkreten Ausführungsform kann die metallische Struktur, welche der Abstrahlung dient, beispielsweise die Maße 67mm (speiseleitungsseitige Breite), 73mm (Ausdehnung in Hauptstrahlrichtung), 100mm
(abstrahlungsseitige Breite) aufweisen. Die Figur 4 zeigt eine mögliche Form des Reflektorelementes 24, das zudem eine Anschlussdurchführung 33 für die Speiseleitung 32 sowie ggfls. einen Anschluss für die Potentialanpassung des Reflektors aufweist. Figur 5 zeigt einen Wellenleiter mit einer beispielhaften Bemaßung. Der Wellenleiter 22, der beispielsweise einstückig aus einem dielektrischen Material gefertigt sein kann, weist einen Schlitz 34 auf, in den das Trägerelement 12 inklusive der metallischen Sendestruktur 10 eingeführt wird. Dabei ist der Schlitz 34 im Wesentlichen mittig in dem dielektrischen Vollzylinder ausgebildet, so dass der
Wellenleiter symmetrisch zur Abstrahlungsebene der Antenne, die im Wesentlichen der Ebene der metallischen Schicht 10 entspricht, angeordnet ist. Darüber hinaus sitzt der Wellenleiter auch symmetrisch zur Schlitz 14, der der Ablösung der anzustrahlenden Wellen dient. Der Wellenleiter kann somit zudem auch die mechanische Stabilität des Trägerelementes 12 erhöhen.
Neben den in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Größenverhältnissen sind für spezielle Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbstverständlich auch andere Maße der technischen Elemente der Vorrichtung möglich.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Ausführungsform ist - abgesehen von den noch zu beschreibenden Besonderheiten - prinzipiell analog zu der Vorrichtung gemäß Figur 2 aufgebaut.
Oberflächenströme, die sich im Betrieb der Antenne an den seitlichen Rändern 36 der metallischen Struktur 10 ausbilden können, verursachen so genannte Nebenkeulen in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne und führen somit zu einer verminderten Leistung in Hauptstrahlrichtung 18 der Antenne.
Eine Möglichkeit zur Verminderung dieser Oberflächenströme an den Rändern des
Antennenelementes ist das Schlitzen der metallischen Struktur 10. Teile des Oberflächenstromes gelangen in den jeweiligen Schlitz 38, der eine Länge von etwa λ/4 der Wellenlänge des Signals besitzt. Diese Schlitze 38, im Englischen auch Corrugation genannt, die quer zur Hauptstrahlrichtung 18 der Antenne in die metallische Struktur 10 eingearbeitet sind, ermöglichen eine Reduzierung der
Oberflächenströme und damit eine Vergrößerung der in Hauptstrahlrichtung abgestrahlten Sendeleistung der Antennenvorrichtung. Durch die speziell gewählte Länge der Schlitze 38 haben hineinlaufende Ströme beim Austritt aus dem jeweiligen Schlitz 38 eine Phasendrehung von ca. 180 Grad erfahren, interferieren daher destruktiv mit den verbliebenen Oberflächenströmen, wodurch der gesamte Oberflächenstrom reduziert wird.
Bei ultrabreitbandigen (UWB) Antennen können die Schlitze 38 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des Signals unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen, wie dies in den Figuren 6 bis 8 dargestellt ist. Diese spezielle Ausgestaltung der Schlitze 38 führt dazu, dass beim jeweiligen Frequenzanteil des breiten Frequenzspektrums des Oberflächenstroms eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen.
Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren speziellen
Ausführungsform. Die Darstellung der Figur 8 zeigt zur Verdeutlichung der Weiterbildung die Vorrichtung gemäß Figur 7, jedoch ohne Wellenleiter 22.
Die Abmessungen des Substrats der Vorrichtung gemäß Figur 7 bzw. 8 betragen typischerweise ca. 97 mm x 93 mm, die des metallischen Reflektors typischerweise ca. 67mm x 60 mm, in einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden die Maße 67,1 mm x 60 mm bzw. 97,1 mm x 93 mm verwendet. Das Rod (der Wellenleiter) hat dieselben Abmessungen wie das in Figur 5 dargestellte, besitzt jedoch einen verlängerten Schlitz 38 zur Aufnahme des Trägerelementes 12, also beispielsweise der Träger- Platine. Ein Vorteil der in Figur 7 bzw. 8 dargestellten Antenne gegenüber der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne nach Figur 2 bzw. Figur 3 bis 5 ist die verbesserte Wellenablösung durch die spezielle Gestaltung der metallischen Struktur 10 im Ablösebereich der Wellen. So weist die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur 10 des Ausführungsbeispiels der Figuren 7 und 8 zwei jeweils im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildete
Endbereiche 40 in Hauptstrahlrichtung 18 auf. Diese zusätzlichen beiden dreieckigen Metallflächen 40 führen zu einem verbesserten Ablöseverhalten der auszusendenden Wellen und verbessern damit die Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals.
Die Richtcharakteristik einer Antenne ist für diverse Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
Um die dielektrische Konstante eines Materials (z.B. Betonwand, Holz, Plastik etc.) ermitteln zu können, werden für die Anwendung eines breitbandigen Radarverfahrens eine genügend große Frequenzbandbreite und eine hohe Bündelung der von einer Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle 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. Der resultierende, sehr kleine Messfleck kann auch dazu dienen, um nur gezielt in einem definierten Bereich die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen. Figur 9 zeigt in einer schematischen Ansicht, ein Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät 42 mit der erfindungsgemäßen Antenne bzw. Vorrichtung 50, als Bestandteil eines UWB-Sensors 58, welches über eine Wand 44 verfahren wird. 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 im Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen durch die gute Bündelung des Messsignals die zu überwachende Schutzzone unmittelbar vor einem Sägeblatt oder Sägeband genauer abgesichert werden.
Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung, die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart, insbesondere von Gewebe, wie beispielsweise menschlichem Gewebe, 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. 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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Fokussierung von elektromagnetischen Wellen einer Tapered Slot Antenne in Hauptstrahlrichtung durch ein zusätzliches dielektrisches Rod. Aus dieser Kombination einer planaren Antennenstruktur zur Anregung der elektro- magnetischen Welle mit einem dielektrischen, sich nach vorne verjüngenden
Zylinder als Wellenleiter ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen. Eine weitere Erhöhung der Richtwirkung in Hauptstrahlrichtung sowie eine deutliche Reduzierung der Wellenausbreitung in rückwärtiger Richtung der Antenne wird durch einen metallischen Reflektor erzielt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine UWB-Antenne, in Tapered Slot Bauweise (TSA), mit einer planaren metallischen Struktur (10), dadurch gekennzeichnet, dass in Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein zusätzlicher Wellenleiter (22) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) ein zirkularer dielektrischer Wellenleiter ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) zumindest teilweise als Zylinder, insbesondere als Vollzylinder, aufgebaut ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) einen sich in seinem Durchmesser verjüngenden Bereich (30) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der
Durchmesser des Wellenleiters (22) in Hauptstrahlrichtung (18) verjüngt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (10) des Antennenelementes zumindest teilweise quer zur Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung Schlitze (38) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schlitze 38 unterschiedliche Längen aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (38) unterschiedliche Breiten aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein Reflektorelement (24) für elektromagnetische H F- Signale vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (24) als im Wesentlichen ebener, metallischer Reflektor ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (24) im Wesentlichen senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung steht.
12. Ortungs- bzw. Materialbestimmungsgerät (42) zur Bestimmung von in einem Medium (44) eingeschlossenen Objekten (46) und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, mit einem UWB-Sensor (58), dadurch gekennzeichnet, das der Sensor zumindest eine Vorrichtung
(50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
13. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungsvorrichtung (52), die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart (54), insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich (56) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsvorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
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