EP2319124B1

EP2319124B1 - Elektrogerät

Info

Publication number: EP2319124B1
Application number: EP09782019.5A
Authority: EP
Inventors: Reiner Krapf; Heiko Braun; Tobias Zibold; Christoph Wieland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: DE102008041651A1; US20110181483A1; CN102197536A; WO2010023152A1; US9553372B2; EP2319124A1; CN102197536B

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem handgeführten Ortungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bereits ein Elektrogerät, insbesondere ein Ortungsgerät, bekannt mit einer LCR-Antennenvorrichtung, die eine Antenneneinheit mit einer ersten Polarisationsrichtung aufweist und die zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals mit der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen ist.
Aus der US 2001/0033607 A1 ist eine stationäre Vorrichtung und Schaltung zur Lokalisierung von Transceivern im Bereich der Radio Kommunikationsmittel bekannt. Das System der US 2001/0033607 A1 verwendet eine Antennenanordnung mit einer LCR-Antenne in der Größenordnung von ca. 30cm, wobei ein breitbandiges Spektrum zur Lokalisierung der Transceiver verwendet wird. In einer speziellen Ausführungsform besitzt die Antennenvorrichtung der US 2001/0033607 A1 ein LCR-Antennenelement in Form einer ebenen, quadratischen Platte, die ein Messsignal mit zwei Polarisationsebenen, die unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, aussendet. Die Anbindung des Strahlerelementes an den Signalerzeugungskreis erfolgt dabei durch vier, im Wesentlichen dreickförmige Abschnitte, die an ihrer spitzen Seite mit der Leiterplatte des Signalerzeugungskreises elektrisch kontaktiert sind.
Aus der DE 10 2005 052 367 A1 , sowie der DE 10 2005 062 874 A1 sind des Weiteren handgeführte Ortungsgeräte bekannt, die mit orthogonal polarisierten Antennensystemen arbeiten.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Elektrogerät, einem handgeführten Ortungsgerät, mit einer LCR-Antennenvorrichung, die eine Antenneneinheit mit einer ersten Polarisationsrichtung aufweist und die zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals mit der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Antenneneinheit zumindest eine zweite Polarisationsrichtung zu einem Aussenden und/oder Empfangen des Messsignals aufweist. In diesem Zusammenhang soll unter "vorgeschen" insbesondere speziell ausgestattet und/oder speziell ausgelegt verstanden werden. Des Weiteren soll unter einer, LCR-Antennenvorrichtung (Large-Current-Radiator-Antennenvorrichtung)" eine Antennenvorrichtung verstanden werden, die ein Abstrahlelement aufweist, durch welches im Betrieb ein großer Strom fließt. Vorzugsweise ist die Antenneneinheit symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene ausgerichtet, wobei die Symmetrieebene senkrecht zu dem Abstrahlelement ausgerichtet ist. Die Antenneneinheit ist vorteilhafterweise zumindest teilweise von einem korrosionsbeständigen Metallblech, insbesondere von einem gebogenen Metallblech, gebildet, wie beispielsweise einem Metallblech aus einem Edelstahl und/oder ein verzinktes und/oder ein vergoldetes Blech usw. Alternativ ist eine Ausbildung der Antenneneinheit als Kunststoffkörper denkbar, wobei Flächen und/oder Teilbereiche, insbesondere zur Leitung von Signalen, zumindest teilweise metallisiert sind, wobei eine spezifische Dielektrizitätskonstante des Kunststoffkörpers bei einer Konstruktion und/oder Berechnung der Antenneneinheit zu berücksichtigen ist. Unter einem "Messsignal" soll hierbei insbesondere ein elektromagnetisches Signal verstanden werden, das vorzugsweise von einem breitbandigem Signal, insbesondere von einem Ultrabreitbandsignal (oder Ultra Wide Band Signal oder UWB-Signal) gebildet ist, wobei das Ultrabreitbandsignal einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittelfrequenz im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist. Das Ultrabreitbandsignal weist besonders vorteilhaft eine spektrale Leistungsdichte von maximal -41,3 dBm/MHz auf. Es können hierbei vorteilhaft Signale bzw. elektromagnetische Wellen zumindest teilweise unabhängig von ihrer Polarisationsrichtung empfangen werden. Ferner kann das Aussenden des Messsignals unabhängig von einem Empfangen eines Messsignals erfolgen, indem das Aussenden entlang der ersten Polarisationsrichtung und das Empfangen entlang der zweiten Polarisationsrichtung erfolgen können.
Das Elektrogerät ist von einem handgeführten Ortungsgerät gebildet, das zu einer Ortung eines in einem Untersuchungsgegenstand angeordneten Objekts vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das empfangene Messsignal von einem Reflexionssignal gebildet, das von dem Objekt und/oder dem Untersuchungsgegenstand reflektiert wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die erste Polarisationsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur zweiten Polarisationsrichtung ausgerichtet ist. Hierbei soll unter "im Wesentlichen orthogonal" insbesondere eine zur ersten Polarisationsrichtung senkrechte Ausrichtung der zweiten Polarisationsrichtung mit einer maximalen Abweichung von 20°, vorteilhaft von maximal 10° und besonders bevorzugt von maximal 1° verstanden werden. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung können Signale bzw. Wellen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung und/oder zirkular und/oder elliptisch polarisierte Signale bzw. Wellen abgestrahlt werden. Zudem können linear polarisierte Wellen mit einem beliebigen Winkel zu einer der beiden Polarisationsrichtungen abgestrahlt werden. Besonders vorteilhaft kann dies bei Ortungsgeräten eingesetzt werden, da hier elektromagnetische Wellen nur von anisotropen Objekten reflektiert werden und damit Objekte von einem homogenen Untersuchungsgegenstand, wie beispielsweise einer isotropen Wandoberfläche, vorteilhaft unterschieden werden können bzw. als solche erkannt werden können.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die LCR-Antennenvorrichtung zumindest zwei erste Anschlusselemente, die zu einer Einspeisung eines Signals der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen sind, und zumindest zwei weitere Anschlusselemente aufweist, die zu einer Einspeisung eines Signals der zweiten Polarisationsrichtung vorgesehen sind. Es können hierdurch unterschiedliche Signale für die beiden Polarisationsrichtungen in die Antenneneinheit eingeleitet werden, wie beispielsweise zueinander phasenverschobene Signale und/oder Signale mit unterschiedlichen Amplituden usw. Zudem können auszusendende Signale und Empfangssignale entlang der beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen getrennt voneinander dem Antennenelement zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass an einem der Anschlusselemente einer der Polarisationsrichtungen ein um 180° phasenverschobenes Signal gleicher Amplitude bezüglich einem Signal des weiteren Anschlusselements der Polarisationsrichtung in wenigsten einem Betriebsmodus angelegt ist. Hierbei kann vorteilhaft ein Potential gleich null an einer Symmetrieebene zwischen den beiden Anschlussstellen erzielt werden, wobei in der Symmetrieebene die beiden weiteren Anschlusselemente der zweiten Polarisationsrichtung angeordnet sind und so die beiden Polarisationsrichtungen bzw. Signale der beiden Polarisationsrichtungen linear unabhängig voneinander ausgebildet sein können. Zudem können durch eine simultane Einleitung von Signalen in beide Polarisationsrichtungen hierbei vorteilhaft zirkulare oder elliptische polarisierte Wellen mittels der Antenneneinheit abgestrahlt werden. Vorteilhafterweise sind hierfür die beiden Polarisationsrichtungen phasenverschoben bzw. diese weisen unterschiedliche Amplituden auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ortungsgerät, vorgeschlagen mit einer LCR-Antennenvorrichtung, die ein Massenflächenelement und eine Antenneneinheit aufweist, die eine erste Polarisationsrichtung und vier untere Leiterelemente umfasst und die zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals mit der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen ist, wobei ein Abstand der Leiterelemente zu dem Massenflächenelement entlang einer Richtung von einem jeweiligen Anschlusselement der Leiterelemente zu einem den Anschlusselementen abgewandten Bereich der Leiterelemente kontinuierlich zunimmt. Hierbei soll unter einem "unteren Leiterelement" insbesondere ein Leiterelement der Antenneneinheit verstanden werden, das insbesondere einen kürzesten Abstand zu dem Massenflächenelement, der kleiner ist als ein kürzester Abstand weiterer Bauteile der Antenneneinheit, und das insbesondere ein Anschlusselement zu einer Zuleitung eines Signals aufweist. Des Weiteren soll unter einem "Massenflächenelement" insbesondere ein Element verstanden werden, das im Wesentlichen parallel zu einem Abstrahlelement der Antenneneinheit angeordnet ist und vorzugsweise in einem Bereich neben der Antenneneinheit zu einer Abschirmung von Signalen und/oder Wellen und/oder besonders vorteilhaft zu einer Reflexion von Signalen und/oder Wellen in eine gewünschte Abstrahlrichtung, die von der Antenneneinheit in eine unerwünschte Richtung, insbesondere in Richtung des Massenflächenelements, abgestrahlt werden. Es kann hierbei vorteilhaft zumindest teilweise ein kontinuierlicher Übergang von einem niedrigen Wellenwiderstand, wie beispielsweise ein Wellenwiderstand von 50 Ω bei Bauteilen und Leitungen von Hochfrequenzschaltungen, in einen hohen Wellenwiderstand, wie beispielsweise ein Wellenwiderstand von 377 Ω für einen Abstrahlraum der Antenneneinheit, erfolgen. Zudem können hierbei abrupte Stufen in den unteren Leitern vermieden werden und damit einhergehend Reflexionen einer elektromagnetischen Welle in der Antenneneinheit zumindest reduziert bzw. unterbunden werden.
Es werden über das untere Leiterelement Signale bzw. Wellen von den Anschlusselementen auf seitliche Leiterelemente der Antenneneinheit und von diesen auf das Abstrahlelement der Antenneneinheit im Betrieb des Elektrogeräts geleitet.
Ein besonders vorteilhafter kontinuierlicher Übergang von dem niedrigen Wellenwiderstand in den hohen Wellenwiderstand kann erreicht werden, wenn die beiden unteren Leiterelemente eine Breite aufweisen, die entlang der Richtung zunimmt. Vorzugsweise sind hierbei die unteren Leiterelemente symmetrisch, insbesondere trapezförmig, ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Ortungsgerät, mit einer LCR-Antennenvorrichtung, die eine Antenneneinheit mit einer ersten Polarisationsrichtung aufweist und die zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals mit der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen ist, vorgeschlagen, wobei die LCR-Antennenvorrichtung eine die Antenneneinheit in zumindest eine Richtung umgebende Umhüllung aufweist, die einen Hohlraum um die Antenneneinheit bildet. Vorzugsweise umgibt die Umhüllung die Antenneneinheit entlang einer Umfangsrichtung eines Abstrahlelements, wobei die Umhüllung vorzugsweise mit einem Abstand zur Antenneneinheit um diese angeordnet ist, so dass zwischen der Antenneneinheit und der Umhüllung der Hohlraum bzw. ein Freiraum gebildet ist, in dem insbesondere Signale und/oder Wellen vorteilhaft in eine gewünschte Richtung umgelenkt werden können. Es kann eine Abstrahlung in unerwünschte Richtungen zumindest teilweise verhindert werden und eine Abstrahlung, insbesondere senkrecht zu einer Messfläche bzw. einem Abstrahlelement, und damit einhergehend eine Effizienz der LCR-Antennenvorrichtung aufgrund einer Umlenkung der Wellen in eine gewünschte Richtung vorteilhaft erhöht werden. Besonders vorteilhaft kann dies erreicht werden, wenn die Umhüllung zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material gebildet ist. Die Umhüllung kann hierbei aus einem Metall gebildet sein und/oder aus einem Kunststoffkörper mit einer metallischen Beschichtung gebildet sein und/oder aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial, das beispielsweise metallähnliche Eigenschaften aufweist, gebildet sein.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Umhüllung zumindest eine Induktionsspule aufweist, wodurch zusätzliche metallische und/oder leitfähige Bauteile und/oder Elemente der Umhüllung eingespart werden können. Zusätzlich kann die Induktionsspule als Induktivsensor Verwendung finden, so dass zusätzlich zu einer Detektion mittels der Antenneneinheit eine Erfassung von Objekten, insbesondere metallischen Objekten, in dem Untersuchungsgegenstand vorteilhaft erreicht werden kann.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Umhüllung eine Form aufweist, die symmetrisch zu zumindest einer Symmetrieebene der Antenneneinheit ausgerichtet ist, wodurch eine negative Beeinflussung einer Signalabstrahlung und/oder eines Empfangens eines Signals entlang der Polarisationsrichtung der Antenneneinheit vorteilhaft verhindert werden kann. Vorzugsweise weist die Antenneneinheit zwei Symmetrieebenen auf, wobei die Umhüllung insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der beiden Symmetrieebenen angeordnet ist. Beispielsweise kann die Umhüllung bei einer Antenneneinheit mit zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen einen achteckigen Querschnitt aufweisen, so dass eine besonders Platz sparende Montage der LCR-Antennenvorrichtung erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird ein Ortungsgerät, mit einer LCR-Antennenvorrichtung, die eine Antenneneinheit mit einer ersten Polarisationsrichtung aufweist und die zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals mit der ersten Polarisationsrichtung vorgesehen ist, vorgeschlagen, wobei die LCR-Antennenvorrichtung ein Halteelement aufweist, das zu einer Fixierung der Antenneneinheit, insbesondere in dem Elektrogerät, vorgesehen ist. Es kann hierbei eine Positionierung der Antenneneinheit unverändert beibehalten werden, wobei eine Position bzw. ein Positionsparameter der Antenneneinheit für eine Kalibrierung und/oder eine Isolation zwischen insbesondere zwei Polarisationsrichtungen genutzt werden kann. Vorzugsweise ist das Haltelement aus einem Kunststoff gebildet, so dass eine Polarisationsrichtung der Antenneneinheit durch das Halteelement im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Vorteilhafterweise ist das Halteelement mit einem Gehäuse des Elektrogeräts verschraubt und mit der Antenneneinheit mittels Kunststoffzapfen befestigt. Alternativ kann das Halteelement mit der Antenneneinheit verklebt, verklemmt, usw. sein. Eine Befestigung des Halteelements mit der Antenneneinheit erfolgt vorzugsweise in einem Bereich und/oder an einer Position der Antenneneinheit, die eine vorzugsweise in einem geringen Maße zu einer insbesondere hochfrequenten Abstrahlung beitragen, wie beispielsweise in Bereichen mit einem geringen Stromfluss.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ortungsgerät eine Führungseinheit mit einer Verfahrrichtung aufweist, wobei das Halteelement die Antenneneinheit mit einem Winkel einer Symmetrieebene der Antenneneinheit zu der Verfahrrichtung von ca. 45° anordnet. In diesem Zusammenhang soll unter einer "Führungseinheit" insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zu einem Führen des Ortungsgeräts auf einer Oberfläche des Untersuchungsobjekts bzw. beabstandet zu der Oberfläche des Untersuchungsobjekts vorgesehen ist. Vorzugsweise erfolgt eine Führung des Ortungsgeräts in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Untersuchungsobjekts. Des Weiteren soll unter einer "Verfahrrichtung" insbesondere eine Richtung verstanden werden, entlang welcher das Ortungsgerät bevorzugt auf oder parallel zu einer Oberfläche des Untersuchungsobjekts bewegt wird, insbesondere von einem Bediener des Ortungsgeräts. Die Verfahrrichtung kann hierbei abhängig von einer Rollrichtung von Rollkörpern der Führungseinheit und/oder von einer bevorzugten, insbesondere einer horizontalen Handbewegungsrichtung sein, die vorzugsweise senkrecht zu einer Schwerkraft und/oder parallel zu einer Bodenfläche ausgerichtet ist. Es kann durch diese Ausgestaltung vorteilhaft eine Ausrichtung von ca. 45° einer oder mehreren Symmetrieebenen und/oder Polarisationsrichtungen zu einem zu detektierenden Objekt erreicht und hierdurch eine vorteilhafte Trennung von Sendesignal und Empfangssignal erreicht werden. Das Sendesignal kann hierbei entlang einer ersten Polarisationsrichtung abgestrahlt werden und eine zur ersten Polarisationsrichtung orthogonal ausgerichtete Polarisationsrichtung zu einem Empfangen eines von dem Objekt reflektierten Signals herangezogen werden, wobei hierbei das ausgesandte Signal bei der Reflexion eine Polarisationsdrehung erfährt.
Es können besonders vorteilhaft weitere Bauteile und Montageaufwand eingespart werden, wenn das Halteelement zu einer Aufnahme einer Umhüllung der Antenneneinheit vorgesehen ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass das Halteelement Ausnehmungen aufweist, die zu einer Führung von Anschlusselementen der Antenneneinheit vorgesehen sind. Es kann hierbei eine konstruktiv einfache Montage der LCR-Antennnenvorrichtung erreicht werden, und zwar indem die Anschlusselemente durch die Ausnehmungen geführt werden können und anschließend auf einer Platine angelötet werden können.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Ortungsgerät mit einer LCR-Antennenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2: das Ortungsgerät zusammen mit einem Untersuchungsobjekt in einer schematischen Ansicht,
Fig. 3: die LCR-Antennenvorrichtung mit einer Antenneneinheit in einer schematischen Darstellung,
Fig. 4: eine Seitenansicht der Antenneneinheit aus Figur 3,
Fig. 5: eine Ansicht der Antenneneinheit von unten,
Fig. 6: die LCR-Antennenvorrichtung mit einer Umhüllung der Antenneneinheit in einer schematischen Darstellung,
Fig. 7: die LCR-Antennenvorrichtung mit einem Halteelement in einer schematischen Darstellung,
Fig. 8: die LCR-Antennenvorrichtung mit dem Halteelement in einer Ansicht von unten und
Fig. 9: eine alternative Ausgestaltung der Umhüllung der Antenneneinheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein von einem handgeführten Ortungsgerät 12 gebildetes Elektrogerät 10 dargestellt. Das Ortungsgerät 12 ist zu einer Ortung bzw. Erfassung von Objekten 74, wie beispielsweise Leitungen usw., in einem Untersuchungsgegenstand 76, wie beispielsweise einer Wand, vorgesehen (Figur 2). Das Ortungsgerät 12 ist hierzu von einem Bediener über eine Oberfläche 78 des Untersuchungsgegenstands 76, wie beispielsweise eine Wandoberfläche, entlang einer bevorzugten Verfahrrichtung 68 bewegbar. Hierzu weist das Ortungsgerät 12 eine Führungseinheit 66 auf, mittels der das Ortungsgerät 12 von einem Bediener auf der Oberfläche 78 bewegt werden kann. Die bevorzugte Verfahrrichtung 68 ist im Wesentlichen senkrecht zu einer auf das Ortungsgerät 12 wirkenden Gewichtskraft ausgerichtet und entspricht im Wesentlichen einer Schwenkbewegung eines Arms des Bedieners. Das Ortungsgerät 12 weist eine Ortungseinheit 80 auf, die zu einem Aussenden und einem Empfangen eines Messsignals 48 vorgesehen ist. Das Messsignal 48 ist hierbei von einem Ultrabreitbandsignal gebildet. Das Ultrabreitbandsignal wird von der Ortungseinheit 80 generiert, die hierfür eine nicht näher dargestellte Signalerzeugungseinheit aufweist, und über eine LCR-Antennenvorrichtung 14 des Ortungsgeräts 12 abgestrahlt. Die LCR-Antennenvorrichtung 14 ist neben einem Abstrahlen des Messsignals 48 bzw. des Ultrabreitbandsignals zu einem Empfangen des von dem Untersuchungsgegenstand und/oder von dem Objekt 74 reflektierten Ultrabreitbandsignals vorgesehen. Die LCR-Antennenvorrichtung 14 weist hierfür eine Antenneneinheit 16 auf mit einer ersten Polarisationsrichtung 18 zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals 48. Zudem weist die Antenneneinheit 16 eine zweite Polarisationsrichtung 20 zu einem Aussenden und/oder Empfangen des Messsignals 48 auf.
Die Antenneneinheit 16 ist einteilig ausgebildet und von einem gebogenen Blechbauteil 82 gebildet (Figur 3). Vorzugsweise ist eine Dicke des Blechbauteils 82 derart ausgebildet, dass ein unerwünschter Skin-Effekt, der eine Abstrahleigenschaft der Antenneneinheit 16 reduziert, verhindert ist. Ferner weist die Antenneneinheit 16 ein Abstrahlelement 84, vier seitliche Leiterelemente 86, 88, 90, 92 und vier untere Leiterelemente 32, 34, 36, 38 mit jeweils einem Anschlusselement 22, 24, 26, 28 auf. Das Abstrahlelement 84 ist quadratisch mit vier gleich großen Seiten 94 ausgebildet und symmetrisch bezüglich zwei Symmetrieebenen 58, 60, die senkrecht zum Abstrahlelement 84 und senkrecht zueinander ausgerichtet sind. An den vier gleich großen Seiten 94 schließt sich jeweils symmetrisch eines der vier seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 an, die jeweils ein erstes Teilflächenelement 96 aufweisen, das trapezförmig ausgebildet ist und bezüglich des Abstrahlelements 84 geneigt angeordnet ist. Die trapezförmigen ersten Teilflächenelemente 96 erstrecken sich verjüngt von dem Abstrahlelement 84 weg, wobei eine Seitenlänge 100 des Abstrahlelements einer großen Grundlinienlänge 98 der trapezförmigen ersten Teilflächenelemente 96 entspricht. Die seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 weisen zudem ein zweites, rechteckiges Teilflächenelement 102 auf, das sich an dem ersten trapezförmigen Teilflächenelement 96 der seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 anschließt. Eine Breite 104 der zweiten rechteckigen Teilflächenelemente 102 entspricht dabei einer kleinen Grundlinienlänge 106 der trapezförmigen ersten Teilflächenelemente 96. Die zweiten, rechteckigen Teilflächenelemente 102 sind an einer dem Abstrahlelement 84 abgewandten Seite der ersten trapezförmigen Teilflächenelemente 96 angeordnet. Zudem ist ein Flächennormalenvektor 108 der zweiten rechteckigen Teilflächenelemente 102 im Wesentlichen senkrecht zu einem Flächennormalenvektor 110 des Abstrahlelements 84 ausgerichtet.
An die vier seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 schließen sich jeweils die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 an, die ebenfalls trapezförmig ausgebildet sind (Figuren 3 und 5). Die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 erstrecken sich jeweils entlang einer Richtung 112 von dem sich direkt an dem jeweiligen unteren Leiterelement 32, 34, 36, 38 anschließenden seitlichen Leiterelement 86, 88, 90, 92 zu dem gegenüberliegenden seitlichen Leiterelement 86, 88, 90, 92, so dass die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 kreuzförmig aufeinander zulaufend angeordnet sind. Die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 sind jeweils beabstandet zueinander entlang der Richtung 112 von dem gegenüberliegenden unteren Leiterelement 32, 34, 36, 38 angeordnet, so dass in einem mittleren Bereich 114 zwischen Endbereichen 116 der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38, die den vier seitlichen Leiterelementen 86, 88, 90, 92 abgewandt sind, ein Freiraum 118 vorhanden ist. Zudem nimmt eine Breite 46 der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 entlang der Richtung 112 stetig ab. Die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 weisen zudem bezüglich des Abstrahlelements 84 eine Neigung auf, wobei ein kürzester Abstand 120 der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 bezüglich einer Erstreckungsebene des Abstrahlelements 84 entlang der Richtung 112 zunimmt (Figur 4).
Die vier unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 umfassen die vier Anschlusselemente 22, 24, 26, 28, die jeweils von einem Anschlusspin gebildet sind. Die vier Anschlusspins erstrecken sich entlang einer Richtung 122, die im Wesentlichen parallel zu dem Flächennormalenvektor 110 des Abstrahlelements 84 und zudem von dem Abstrahlelement 84 zu den unteren Leiterelementen 32, 34, 36, 38 ausgerichtet ist. Des Weiteren weist die LCR-Antennenvorrichtung 14 ein Massenflächenelement 30 auf, das parallel zu dem Abstrahlelement 84 ausgerichtet ist (Figuren 3 und 4). Das Massenflächenelement 30 ist dazu vorgesehen, von der Antenneneinheit 16 abgestrahlte Signale bzw. Wellen in Richtung des Massenflächenelements 30 zu reflektieren und damit in eine gewünschte Abstrahlrichtung umzuleiten. Ferner weist das Massenflächenelement vier Ausnehmungen 124 auf, durch die die vier Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 geführt sind. Ein Abstand 40 der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 zu dem Massenflächenelement 30 entlang einer Richtung 42 von einem jeweiligen Anschlusselement 22, 24, 26, 28 des unteren Leiterelements 32, 34, 36, 38 zu einer dem jeweiligen Anschlusselement 22, 24, 26, 28 abgewandten Bereich 44 der Leiterelemente 32, 34, 36, 38 nimmt stetig zu. Die vier Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 sind zu einer Zuführung eines Signals vorgesehen, wobei zwei erste Anschlusselemente 22, 26 der ersten Polarisationsrichtung 18 zugeordnet und die zwei weiteren Anschlusselemente 24, 28 der zweiten Polarisationsrichtung 20 zugeordnet sind. Die einer Polarisationsrichtung 18, 20 zugeordneten Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 sind an sich gegenüberliegenden unteren Leiterelementen 32, 34, 36, 38 angeordnet.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es zudem denkbar, dass das Antennenelement 16 auch von einem stufenlosen, kontinuierlich gebogenen Blechbauteil gebildet sein kann, so dass die einzelnen Leiterelemente 32, 34, 36, 38, 86, 88, 90, 92 stufenlos ineinander übergehen können.
Im Betrieb der LCR-Antennenvorrichtung 14 wird im Wesentlichen über das Abstrahlelement 84 eine elektromagnetische Welle abgestrahlt, wobei eine Signalzuführung über die Anschlusselemente 22, 24, 26, 28, die unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 und die seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 zu dem Abstrahlelement 84 erfolgt. Des Weiteren wird im Betrieb der LCR-Antennenvorrichtung 14 bzw. in einem Betriebsmodus der LCR-Antennenvorrichtung 14 an jeweils den Anschlusselementen 22, 24, 26, 28 einer Polarisationsrichtung 18, 20 ein differentielles Signal angelegt. Die beiden Polarisationsrichtungen 18, 20 erstrecken sich jeweils zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten 94 des Abstrahlelements 84 und sind senkrecht zueinander ausgerichtet. Zur Erzeugung des differentiellen Signals wird an einem der beiden Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 für eine Polarisationsrichtung 18, 20 ein Signal zugeführt, das eine gleiche Amplitude aufweist wie ein an dem weiteren Anschlusselement 22, 24, 26, 28 für die gleiche Polarisationsrichtung 18, 20 zugeführtes Signal. Die beiden Signale sind zudem zueinander um 180° phasenverschoben. Dies hat zur Folge, dass zwischen den beiden Anschlusselementen 22, 24, 26, 28 ein Potential von gleich null an einer der Symmetrieebenen 58, 60 anliegt, wobei die beiden weiteren Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 der zweiten Polarisationsrichtung 18, 20 in dieser Symmetrieebene 58, 60 angeordnet sind. Es sind hierdurch die Signale der ersten Polarisationsrichtung 18, 20 linear unabhängig zu den Signalen der zweiten Polarisationsrichtung 18, 20.
Aufgrund einer linearen Unabhängigkeit der Signale der beiden Polarisationsrichtungen 18, 20 werden im Betrieb des Ortungsgeräts 12 entlang einer der beiden Polarisationsrichtungen 18, 20 Messsignale 48 ausgesendet und entlang der anderen Polarisationsrichtung 18, 20 von dem Objekt 74 bzw. dem Untersuchungsgegenstand 76 reflektierte Messsignale 48 empfangen. Des Weiteren ist es denkbar, dass im Betrieb mittels einer simultanen Signalzuführung für die beiden Polarisationsrichtungen 18, 20 zirkular oder elliptisch polarisierte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden können, wobei hierfür die Signale der beiden Polarisationsrichtungen 18, 20 phasenverschoben zueinander sein müssen bzw. eine unterschiedliche Amplitude aufweisen. Zudem können mittels der Antenneneinheit 16 linear polarisierte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden, deren Polarisationsebene einen beliebigen Winkel zu den beiden Symmetrieebenen 58, 60 einnehmen können.
Aufgrund des sich ändernden Abstands 40 der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 zu dem Massenflächenelement 30 und der trapezförmigen Ausbildung der unteren Leiterelemente 32, 34, 36, 38 wird im Betrieb ein Wellenwiderstand kontinuierlich geändert, wie beispielsweise von 50 Ω für Bauteile von Hochfrequenzschaltungen auf 377 Ω für einen Freiraum, in dem die Antenneneinheit 16 abstrahlt. Zudem werden von den unteren Leiterelementen 32, 34, 36, 38 abgestrahlte Wellen vorteilhaft zwischen dem Massenflächenelement 30 und den dem unteren Leiterelementen 32, 34, 36, 38 nach außen geleitet und anschließend in eine Abstrahlrichtung umgelenkt.
Die LCR-Antennenvorrichtung 14 weist zudem eine die Antenneneinheit 16 umgebende Umhüllung 52 auf, die einen Hohlraum 54 um die Antenneneinheit 16 bildet und die dazu vorgesehen ist, eine unerwünschte seitliche Abstrahlung, die senkrecht zu dem Flächennormalenvektor 110 des Abstrahlelements 84 erfolgt, der Antenneneinheit 16 zu reduzieren oder zu verhindern. Die Umhüllung 52 umgibt dabei die Antenneneinheit 16 entlang einer von einer Umfangsrichtung gebildeten Richtung 50, die senkrecht zu dem Flächennormalenvektor 110 des Abstrahlelements 84 und um diesen ausgerichtet ist, so dass eine Effizienz einer Abstrahlung von Wellen bzw. Signalen entlang des Flächennormalenvektors 110 des Abstrahlelements 84 erhöht wird, wobei die Umhüllung 52 seitlich abgestrahlte Signale und/oder Wellen vorteilhaft in die gewünschte Abstrahlrichtung umlenkt bzw. reflektiert. Zudem ist die Umhüllung 52 beabstandet zur Antenneneinheit 16 um diese angeordnet. Die Umhüllung 52 weist eine Form 56 bzw. Anordnung auf, die symmetrisch zu den beiden Symmetrieebenen 58, 60 der Antenneneinheit 16 ausgerichtet ist. Die Umhüllung 52 weist einen Kunststoffgrundkörper 126 mit einem achteckigen Querschnitt auf, der mit der Antenneneinheit 16 verbunden ist. Zudem ist die Umhüllung 52 teilweise aus einem leitfähigen Material gebildet und weist hierfür drei Induktionsspulen 62 auf, die um den Kunststoffgrundkörper 126 angeordnet sind, wobei der Kunststoffgrundkörper 126 als Trägerelement der Induktionsspulen 62 dient, die somit ebenfalls einen achteckigen Querschnitt aufweisen. Die Umhüllung 52 weist eine Höhe auf, die im Wesentlichen einem Abstand des Abstrahlelements 84 zu dem Massenflächenelement 30 entspricht (Figur 6).
Mittels der Induktionsspulen 62 werden im Betrieb zusätzlich zu der Antenneneinheit 16 Objekte 74 in dem Untersuchungsgegenstand 76 erfasst, indem diese insbesondere metallische Objekte 74 als solche erkennen.
Der Kunststoffgrundkörper 126 der Umhüllung 52 ist zusätzlich als Halteelement 64 ausgebildet, das zu einer Fixierung der LCR-Antennenvorrichtung 14 in dem Ortungsgerät 12 vorgesehen ist (Figuren 6 bis 8). Mittels des Halteelements 64 ist die Antenneneinheit 16 mit einem Winkel 70 von 45° einer Symmetrieebene 58, 60 der Antenneneinheit 16 zu der Verfahrrichtung 68 der Führungseinheit 66 bzw. zu einer Längsachse 128 des Ortungsgeräts 12 angeordnet (Figur 1). Hierdurch können im Betrieb des Ortungsgeräts 12 vorteilhaft ausgesandte Signale bzw. Wellen von einem Objekt 74, das vorzugsweise einen Winkel von im Wesentlichen 45° zu einer der Symmetrieebenen 58, 60 aufweist, reflektiert werden, wobei sich hierbei eine Polarisation des reflektierten Signals dreht, so dass entlang einer ersten Polarisationsrichtung 18, 20 des Abstrahlelements 84 Signale bzw. Wellen abgestrahlt werden und entlang der zweiten Polarisationsrichtung 18, 20 des Abstrahlelements 84 Signale bzw. Wellen empfangen werden.
Das Halteelement 64 weist vier Haltestreben 130 auf, wobei zwei Haltestreben 130 entlang einer Richtung 142 von der Umhüllung 52 nach innen aufeinander zulaufend angeordnet und orthogonal zu den beiden weiteren Haltestreben 130 ausgerichtet sind. Die Haltestreben 130 weisen eine Höhe auf, die einem Abstand einer dem Massenflächenelement 30 zugewandten Oberfläche des Abstrahlelements 84 zu einer dem Abstrahlelement 84 zugewandten Seite des Massenflächenelements 30 entspricht. Jede der Haltestreben 130 weist einen Zapfen 132 auf, der zu einer Fixierung des Abstrahlelements 84 mit den Haltestreben 130 vorgesehen ist (Figuren 7 und 8). Hierzu weist das Abstrahlelement 84 an einer dem Massenflächenelement 30 abgewandten Oberfläche 144 vier topfförmige Vertiefungen 134 auf mit jeweils einer mittig angeordneten Ausnehmung 136, wobei die Ausnehmung 136 einen kleineren Querschnitt aufweist wie ein Querschnitt der Vertiefung 134 (Figuren 3, 5 bis 7). Die Vertiefungen 134 sind jeweils in einem Bereich 138 des Abstrahlelements 84 angeordnet, in dem kleine Ströme fließen und damit eine Beeinträchtigung einer Abstrahlung minimiert werden kann. Diese Bereiche 138 können mittels einer Simulationsrechnung bestimmt werden. Diese Bereiche 138 sind jeweils in einem Randbereich bzw. einem Eckbereich entlang von Diagonalen des Abstrahlelements 84 angeordnet. Bei einer Montage werden die Zapfen 132 der Haltestreben 130 zu einer Fixierung der Antenneneinheit 16 durch die Ausnehmungen 136 des Abstrahlelements 84 geführt und anschließend mit dem Abstrahlelement 84 verstemmt bzw. breit gedrückt.
Zudem weist das Halteelement 64 zu einer Führung der Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 ein Ringelement 146 auf, das vier Ausnehmungen 72 aufweist. Das Ringelement 146 ist scheibenförmig ausgebildet und einteilig mit den vier Haltestreben 130 ausgebildet, so dass eine vorteilhafte Stabilität der Haltestreben 130 bzw. eine Fixierung der Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 erreicht wird. Das Ringelement 146 weist einen mittleren Radius 148 auf, der einen halben Abstand von einander gegenüberliegenden Anschlusselementen 22, 24, 26, 28 entspricht. Das Ringelement 146 ermöglicht zudem ein einfaches Befestigen, wie beispielsweise ein Löten, der Anschlusselemente 22, 24, 26, 28 mit einem weiteren Bauteil, wie beispielsweise einer Platine (Figur 8).
Zu einem Befestigen des Halteelements 64 weist dieses an einer der Antenneneinheit 16 abgewandten Seite 150 Fortsätze 152 auf, die senkrecht zu einer Oberfläche der Umhüllung 52 ausgerichtet sind. Die Fortsätze 152 weisen Ausnehmungen 154 auf, mittels denen eine Befestigung, wie beispielsweise ein Verschrauben, mit weiteren Bauteilen des Ortungsgeräts 12 erreicht wird (Figuren 6 bis 8).
Alternativ könnte die Umhüllung 52 vollständig aus einem leitfähigen Material gebildet sein, wie dies in Figur 9, einer alternativen Ausbildung der LCR-Antennenvorrichtung 14, dargestellt ist. Hier ist die Umhüllung 52 vollständig von einem metallischen Material gebildet und weist einen quadratischen Querschnitt auf. Die Ausbildung der Antenneneinheit 16 entspricht hierbei einer Ausbildung in den Figuren 1 bis 8.
In einer alternativen Ausgestaltung kann zu einer Änderung eines Abstrahlverhaltens, insbesondere eines Öffnungswinkels, der Antenneneinheit 16 diese mit einem speziell geformten Dielektrikum, wie beispielsweise einer Linse, versehen werden. Zudem kann die Antenneneinheit 16 zu einer Erniedrigung eines Frequenzbereichs an verschiedenen Stellen mit einem Dielektrikum versehen werden.
Alternativ kann ferner eine Bandbreite der Antenneneinheit 16 erhöht bzw. eine Eingangsanpassung der Antenneneinheit 16 verbessert werden, indem beispielsweise Widerstände an die Antenneneinheit 16 angebracht werden und/oder eine verlustbehaftete Beschichtung aufgebracht wird usw., so dass unerwünschte Ströme und/oder Wellen absorbiert werden können.

Claims

Handgeführtes Ortungsgerät (12), zur Ortung eines in einem Untersuchungsgegenstand angeordneten Objektes, mit einer Large Current Radiator, LCR, Antennenvorrichtung (14), die ein Massenflächenelement (30) und eine Antenneneinheit (16) aufweist, wobei die Antenneneinheit (16) vier untere Leiterelemente (32, 34, 36, 38) umfasst und zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals (48) mit einer ersten Polarisationsrichtung (18) vorgesehen ist, und
die Antenneneinheit (16) zumindest eine zweite Polarisationsrichtung (20) zu einem Aussenden und/oder Empfangen des Messsignals (48) aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung (18) im Wesentlichen orthogonal zur zweiten Polarisationsrichtung (20) ausgerichtet ist, wobei die LCR-Antennenvorrichtung (14) zumindest zwei erste Anschlusselemente (22, 26), die zu einer Einspeisung eines Signals der ersten Polarisationsrichtung (18) vorgesehen sind, und zumindest zwei weitere Anschlusselemente (24, 28) aufweist, die zu einer Einspeisung eines Signals der zweiten Polarisationsrichtung (20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (40) der Leiterelemente (32, 34, 36, 38) zu dem Massenflächenelement (30) entlang einer Richtung (42) von einem jeweiligen Anschlusselement (22, 24, 26, 28) der Leiterelemente (32, 34, 36, 38) zu einem den jeweiligen Anschlusselementen (22, 24, 26, 28) abgewandten Bereich (44) der Leiterelemente (32, 34, 36, 38) kontinuierlich zunimmt, wobei im Betrieb des Ortungsgeräts (12) über die unteren Leiterelemente (32, 34, 36, 38) Signale bzw. Wellen von den Anschlusselementen (22, 24, 26, 28) auf seitliche Leiterelemente (86, 88, 90, 92) der Antenneneinheit (16) und von diesen auf ein Abstrahlelement (84) der Antenneneinheit (16) geleitet werden, wobei das Massenflächenelement (30) parallel zu dem Abstrahlelement (84) ausgerichtet ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden unteren Leiterelemente (32, 34, 36, 38) eine Breite (46) aufweisen, die entlang der Richtung (42) zunimmt.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LCR-Antennenvorrichtung (14) eine die Antenneneinheit (16) in zumindest eine Richtung (50) umgebende Umhüllung (52) aufweist, die einen Hohlraum (54) um die Antenneneinheit (16) bildet.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (52) zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material gebildet ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (52) zumindest teilweise von einer Induktionsspule (62) gebildet ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), zumindest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (52) eine Form (56) aufweist, die symmetrisch zu zumindest einer Symmetrieebene (58, 60) der Antenneneinheit (16) ausgerichtet ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (52) einen achteckigen Querschnitt aufweist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LCR-Antennenvorrichtung (14) ein Halteelement (64) aufweist, das zu einer Fixierung der Antenneneinheit (16) vorgesehen ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Führungseinheit (66) mit einer Verfahrrichtung (68), wobei das Halteelement (64) die Antenneneinheit (16) mit einem Winkel (70) einer Symmetrieebene (58, 60) der Antenneneinheit (16) zu der Verfahrrichtung (68) von ca. 45° anordnet.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine Führungseinheit (66) mit einer Verfahrrichtung (68) aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung der Antenneneinheit (16) einen Winkel von ca. 45° zu der Verfahrrichtung (68) einnimmt.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (64) zu einer Aufnahme einer Umhüllung (52) der Antenneneinheit (16) vorgesehen ist.
Handgeführtes Ortungsgerät (12), zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (64) Ausnehmungen (72) aufweist, die zu einer Führung von Anschlusselementen (22, 24, 26, 28) der Antenneneinheit (16) vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben eines handgeführten Ortungsgerät (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Anschlusselemente (22, 24, 26, 28) einer der Polarisationsrichtungen (18, 20) ein um 180° phasenverschobenes Signal gleicher Amplitude bezüglich einem Signal des weiteren Anschlusselements (22, 24, 26, 28) der Polarisationsrichtung (18, 20) in wenigsten einem Betriebsmodus angelegt ist.