DE102009000644A1

DE102009000644A1 - Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, sowie Messgerät und Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009000644A1
Application number: DE102009000644A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hasch; Alexander Werner Hees
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-19
Also published as: US20120025848A1; JP2012517169A; EP2394332A1; WO2010089164A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (50) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere UWB-Antenne, mti 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 ein 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 Erkennungsvorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist.

Description

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 UWB-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 an Antennas and Propagation, San Diego, USA, July 2008 sowie "Corrugated Tapered Slot Antenna with Dielectric Rod and Metallic Reflector", 2008 IEEE International Conference an 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 an 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 an 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.
Dies Materialien werden von der Antenne durch Änderung ihrer Eingangsimpedanz bzw. Verstimmung erfasst, d. h. die Materialien befinden sich im reaktivien 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 triangularer Grundform, inbesondere einer solchen elongierten Grundform sind prinzipiell ebenso vorstellbar.
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. V_cc 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 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 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:
1 eine schematische Darstellung der Form der Dipole sowie die prinzipielle Anordnung der Dipole der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht,
2 eine perspektivische Darstellung der Trägerstruktur mit erfindungsgemäßen Dipolen sowie zugeordnetem Reflektormittel,
3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung inklusive Teilen der Speiseelektronik,
4 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ortungs- und Materialbestimmungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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 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 das höhere Moden angeregt werden, als dies beispielsweise bei der auf einer Rautenrater basierenden Antennenstruktur nach R. N. Foster, T. W. Hee, P. S. Hall, ("Ultra wideband dual polarised arrays" IEEE International Workshop an 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 Breitbandigkeit 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 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 Trägerelementes 18 definiert sein.
In Ausführungsbeispiel der 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 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 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 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 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.
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 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. V_cc 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.
2 zeigt zudem einen Teil der Speisestruktur der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung. Auf die Speisung der Antenne wird im Zusammenhang mit 3 eingegangen werden.
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 3 beträgt ca. 2,2 GHz–8,5 GHz. Die Substrat- und Reflektorgröße beträgt ca. 72 mm × 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 Z_L = 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 3).
In einer weiteren Ausführungsform können weitere Dipolelemente, die unmittelbar mit dem Wellenwiderstand Z_L = 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 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 DuPont), 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 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.
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 A1 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 1) genauer abgesichert werden.
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 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 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 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 A1 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10207424 A1 [0061]
- EP 07110067 A1 [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. Hees, J. Hasch and J. Detlefsen, (”Tapered Slot Antenna with Dielectric Rod and Metallic Reflector”, 2008 IEEE International Symposium an Antennas and Propagation, San Diego, USA, July 2008 sowie ”Corrugated Tapered Slot Antenna with Dielectric Rod and Metallic Reflector”, 2008 IEEE International Conference an Ultra-Wideband, Hannover, Germany, September 2008) [0005]
- M. Blech, T. Eibert in ”A Directive Ultra-Wideband Dipole Antenna with Dielectric Rod and Reflector”, 2nd International ITG Conference an Antennas, 2007 [0006]
- T. F. Eibert, ”Ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor”, German Patent Application, Nr. 10 2006 036 325.6-55, Aug. 2006 [0006]
- R. N. Foster, T. W. Hee, P. S. Hall, ”Ultra Wideband dual polarised arrays” IEEE International Workshop an Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, pp. 219–222, 2006 [0007]
- R. N. Foster, T. W. Hee, P. S. Hall, (”Ultra wideband dual polarised arrays” IEEE International Workshop an Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, pp. 219–222, 2006) [0037]

Claims

Vorrichtung (50) zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine UWB-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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dipole (12) auf oder in einer ebenen Trägerstruktur (18) ausgebildet sind.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Vorzugsrichtungen (X, Y) senkrecht aufeinander stehen.
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.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Pole (14, 16) von vier benachbarten Dipolen (12) eine ringförmige Struktur (22) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Dipolelementen (12) eine Array-Zelle (32) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Array-Zellen (32) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dipolelemente (12) über zumindest eine Schlitzleitung (30) gespeist sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Symmetrieglied nach Marchand (62) zur Speisung, insbesondere zur symmetrischen Speisung, der Schlitzleitung (30) vorgesehen ist.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (28) als im Wesentlichen ebener, metallischer oder metallisierter Reflektor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (28) von einer Leiterplatte gebildet ist.
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.
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), dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsvorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Säge (48), insbesondere eine Standsäge ist.
Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Array-Zelle (32) benachbart zum Arbeitsmittel (60) angeordnet ist.
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.