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Stand der Technik
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Senden und oder Empfangen
elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere von einer eine UWB-Antenne.
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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.
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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.
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Als
Ultrabreitband-Antennentypen mit Richtwirkung ist aus der Veröffentlichung
von
P. Li, J. Lang, X. Chen, "UWB Tapered-Slot-Fed Antenna", IET
Seminar an Ultra Wideband Systems, Technologies and Applications",
20 April 2006 beispielsweise die Tapered Slot Antenna (TSA)
bekannt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in einer Verbesserung
der aus dem Stand der Technik bekannten Antennen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder
Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, die insbesondere als eine
UWB-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.
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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.
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In
vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße
Antenne daher als Bestandteil eines Sensors für ein Ortungs-
bzw. Materialbestimmungsgerät.
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Darüber
hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Antenne
in vorteilhafter Weise ebenfalls als Bestandteil eines Sensors einer
Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung
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Im
Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen kann durch den Messfleck
die Schutzzone z. B. unmittelbar vor dem Sägeblatt einer
Kreis- oder Bandsäge beschrieben werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Antenne gemäß den
abhängigen Ansprüchen.
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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.
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Zur
Bündelung des abgestrahlten HF-Signals weist der Wellenleiter
in Vorteilhafter Weise zumindest einen sich im Durchmesser verjüngenden Bereich
aufweist.
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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.
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Der
Reflektor kann beispielsweise als ein im Wesentlichen ebenes, metallisches
Reflektorelement ausgebildet sein.
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Das
Reflektorelement sollte dabei dann im Wesentlichen senkrecht auf
der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung steht.
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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.
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Um
die Richtwirkung der Antenne noch weiter zu verbessern und insbesondere
das Auftreten von sogenannten „Nebenkeulen" in der Abstrahlung zu
verringern, ist in einer vorteilhaftern 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.
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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 2/4 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.
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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.
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Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw.
des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus
den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels.
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Zeichnung
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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.
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Es
zeigt:
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1 eine
Tapered-Slot-Antenne in einer vereinfachten schematischen Darstellung,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit Wellenleiter
und Reflektor in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
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3 bis 5 Elemente
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Bemaßung
entsprechend einem möglichen Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ebenfalls
vereinfachten, schematischen Darstellung,
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6 eine
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit Wellenleiter und Reflektor in einer vereinfachten,
schematischen Darstellung,
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7 eine
alternative Ausführungsform zur erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß 6, in einer
vereinfachten, schematischen Darstellung,
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8 Die
Ausführungsform der erfindungsgemäße
Vorrichtung gemäß 7 bei entferntem Wellenleiter,
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9 Ein
Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Ortungs- und Materialbestimmungsgerät,
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10 Ein
Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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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.
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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 1 schematisch
angedeutet ist.
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Die
elektromagnetischen Wellen werden dabei überwiegend in
eine Raumrichtung, die Hauptstrahlrichtung 18 abgestrahlt.
Daher wird die TSA den gerichteten Antennen zugeordnet.
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Die
Speisung der Antenne erfolgt am schmalen Ende der Schlitzleitung 14 mittels
eines Speisepunktes 20.
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An
diesem Speisepunkt 20 ist die metallische Struktur 10 durch
das Trägermaterial 12 hindurch elektrisch mit
einem nicht weiter dargestellten Speisenetzwerk verbunden.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale. Neben den
in 1 dargestellten Elementen weist diese Vorrichtung
zumindest einen Wellenleiter und gegebenenfalls auch ein Reflektorelement 24 auf.
Der Wellenleiter 22, der im Ausführungsbeispiel
der 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
zirkulare, 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.
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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.
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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.
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Der
Reflektor 24 kann beispielsweise aus einem ebenen, metallischen
Reflektorelement bestehen, welches senkrecht zur Hauptstrahlrichtung 18 angeordnet
ist.
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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.
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Die 3 bis 5 zeigen
ein bemaßtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bzw. ihrer wesentlichen Komponenten.
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Dabei
zeigt die 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 67 mm (speiseleitungsseitige Breite), 73 mm (Ausdehnung
in Hauptstrahlrichtung), 100 mm (abstrahlungsseitige Breite) aufweisen.
Die 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.
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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.
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Neben
den in den 3 bis 5 gezeigten Größenverhältnissen
sind für spezielle Anwendungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung selbstverständlich auch andere Maße
der technischen Elemente der Vorrichtung möglich.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Diese Ausführungsform ist – abgesehen
von den noch zu beschreibenden Besonderheiten – prinzipiell
analog zu der Vorrichtung gemäß 2 aufgebaut.
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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.
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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 2/4 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.
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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 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.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren
speziellen Ausführungsform. Die Darstellung der 8 zeigt
zur Verdeutlichung der Weiterbildung die Vorrichtung gemäß 7,
jedoch ohne Wellenleiter 22.
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Die
Abmessungen des Substrats der Vorrichtung gemäß 7 bzw. 8 betragen
typischerweise ca. 97 mm × 93 mm, die des metallischen Reflektors
typischerweise ca. 67 mm × 60 mm, in einem konkreten Ausführungsbeispiel
wurden die Maße 67,1 mm × 60 mm bzw. 97,1 mm × 93
mm verwendet. Das Rod (der Wellenleiter) hat dieselben Abmessungen
wie das in 5 dargestellte, besitzt jedoch
einen verlängerten Schlitz 38 zur Aufnahme des Trägerelementes 12,
also beispielsweise der Träger-Platine. Ein Vorteil der
in 7 bzw. 8 dargestellten Antenne gegenüber
der Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Antenne nach 2 bzw. 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 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.
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Die
Richtcharakteristik einer Antenne ist für diverse Anwendungen
von entscheidender Bedeutung.
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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.
9 zeigt
in einer schematischen Ansicht, ein Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät
42 mit
der erfindungsgemäßen Antenne bzw. Vorrichtung
50,
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
A1 vorgestellt ist, und deren Inhalt damit als hier ebenfalls offenbart
anzusehen ist.
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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.
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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 A1 verwiesen, deren Inhalt damit als hier ebenfalls
offenbart anzusehen ist.
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Die
Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Rahmen einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung ist
jedoch nicht auf Sägen und insbesondere auf Kreissägen
beschränkt.
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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.
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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 elektromagnetischen
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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10207424
A1 [0053]
- - EP 07110067 A1 [0055]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - P. Li, J.
Lang, X. Chen, "UWB Tapered-Slot-Fed Antenna", IET Seminar an Ultra
Wideband Systems, Technologies and Applications", 20 April 2006 [0004]