Hochfrequenzabtastung

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennen- anordnung zur Hochfrequenzabtastung mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger, wie sie bspw. zur Abtastung von Materialproben auf einem

Fließband eingesetzt werden kann, sowie eine Abtast ^¬ einrichtung mit einer derartigen Antennenanordnung. Eine derartige Antennenanordnung wird in der Regel mit einer Sendeeinrichtung betrieben, über die Hochfrequenzsignale erzeugt und über eine Hochfrequenzdreh ^¬ kupplung den am rotierbaren Antennenträger angeordneten Hochfrequenzantennen zugeführt werden. Von den Hoch- frequenzantennen der gleichen oder einer zweiten

Antennenanordnung, die in gleicher Weise aufgebaut ist, werden die an den Materialproben reflektierten bzw. durch die Materialproben transmittierten Hochfrequenzsignale wieder empfangen und über die Hochfrequenzdreh- kupplung der Antennenanordnung einer Empfangseinrichtung zugeleitet, so dass sie ausgewertet werden können .

Stand der Technik

Aus der Veröffentlichung von der Fraunhofer- Allianz Vision „Qualitätskontrolle mit bildgebendem Radar"

(http : / /www .vision . fraunhofer .de/de/presse/502. html ) ist eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung bekannt, die einen um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger mit einem Antennenarm aufweist. Der Antennenarm geht von einem zentralen Bereich des

Antennenträgers aus, durch den die Rotationsachse verläuft. Am Ende des Antennenarms ist eine Hoch ^¬ frequenzantenne angeordnet, die über eine Hochfrequenz ^¬ leitung entlang des Antennenarms und eine Hochfrequenzdrehkupplung im zentralen Bereich des Antennenträgers mit einer Sende- bzw. Empfangseinheit verbunden werden kann. Ein derartiges System arbeitet nach dem Grund ^¬ prinzip, dass das zu untersuchende Material bzw. die zu analysierende Materialprobe zwischen den beiden

rotierenden Antennenarmen von zwei derartigen Antennenanordnungen hindurchbewegt wird. Die Hochfrequenz- antennen bzw. Sonden an den Enden der Antennenarme vollführen dabei eine Kreisbewegung, während die

Materialprobe, z.B. auf einem Fließband, mittels einer Linearbewegung zwischen den beiden Antennenarmen verfahren wird. Durch die Kombination aus linearer Probenbewegung und kreisförmiger Sondenbewegung wird die Probe flächig abgetastet.

Derartige Systeme arbeiten im Wesentlichen im CW- Betrieb (CW: continuous wave) . Beim CW-Betrieb wird die Probe mit einer konstanten Frequenz durchleuchtet.

Grundsätzlich sind auch frequenzmodulierte Signal ^¬ formen, wie FMCW (frequency modulated continuous wave) , Stepped Frequency, Rauschradar- oder Pulsradarkonzepte für die Abtastung möglich.

Um bei schnellem Vorschub der Materialproben auf dem Fließband noch eine ausreichend genaue Abtastung der Proben zu gewährleisten, muss neben der Bandgeschwindigkeit sowohl die Drehrate des Antennenarms als auch die Abtastrate der Hochfrequenzantenne erhöht werden. Während die Abtastrate für CW-Signale relativ einfach gesteigert werden kann, stellt die hohe Dreh ^¬ rate für den Antennenarm ein größeres Problem dar.

Dabei treten im Wesentlichen zwei Herausforderungen auf. Zum einen steigt die mechanische Belastung durch die auftretenden Fliehkräfte, was zu einem mechanisch stabileren Design und somit höherem Gewicht der

Antennenanordnung führt. Zum anderen steigt der

Verschleiß der Hochfrequenzdrehkupplungen bei höherer Rotationsgeschwindigkeit . Die Erzeugung der Hochfrequenzsignale bzw. der

Arbeitsfrequenz erfolgt in den aktuell eingesetzten Scannern auf dem mechanisch bewegten Teil des

Antennenträgers. Die erzeugten Speisefrequenzsignale werden zusammen mit der Spannungsversorgung über die Hochfrequenzdrehkupplung auf den rotierenden Antennenträger übertragen und dort über Vervielfacherstufen auf die Arbeitsfrequenz erhöht. Auf dem Antennenarm

befindet sich eine Hochfrequenzleitung, z.B. ein

Hochfrequenzkabel, ein Hohlleiter oder eine Freistrahl- strecke, mit der das über die Drehkupplung eingespeiste und auf dem Antennenträger erhöhte Hochfrequenzsignal zum äußeren Ende des Antennenarms geleitet wird. Dort wird es über die Hochfrequenzantenne abgestrahlt.

Hochfrequenzdrehkupplungen sind in der Regel nicht verschleißfrei aufgebaut und besitzen damit eine begrenzte Lebensdauer. Wird dann mit einem erhöhten Vorschub der Materialprobe auch die Drehrate der

Hochfrequenzdrehkupplung gesteigert, sinkt die maximale Standzeit der Drehkupplung, so dass diese in kürzeren Zeitintervallen ausgetauscht werden muss. Damit wird das System jedoch insbesondere für Inline-PrüfSysteme unwirtschaftlich. Eine Alternative bieten verschleiß- freie Drehkupplungen, die außerdem direkt die

notwendige Arbeitsfrequenz übertragen. Bei diesen gleitet die Hochfrequenzdrehkupplung in der Regel auf einem Luftpolster. Der Nachteil dieser Drehkupplungen besteht jedoch in der notwendigen Versorgung mit

Druckluft sowie der deutlich größeren Bauform im

Vergleich zu klassischen Hochfrequenzdrehkupplungen.

Eine weitere Möglichkeit, eine größere Vorschub ^¬ geschwindigkeit der Proben zu ermöglichen, besteht in der Nutzung eines Antennenträgers mit mehreren in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzten Antennenarmen. Damit ließe sich auch bei einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit des Antennenträgers eine sehr enge kreisförmige Abtastung durchführen. Allerdings sind keine oder nur mit einer sehr begrenzten Kanalanzahl ausgestattete Hochfrequenzdrehkupplungen verfügbar, über die die Hochfrequenzantennen des Antennenträgers mit Hochfrequenzsignalen versorgt werden könnten. Eine zentrale Frequenz- erzeugung auf dem Antennenträger selbst, mit aktiver Schaltung der einzelnen Antennen, würde wiederum zu einer schwereren Auslegung der Antennenanordnung führen . Aus der EP 1984758 Bl ist eine Abtasteinrichtung zur Hochfrequenzabtastung von Prüfobjekten bekannt, bei der eine Sende- und eine Empfangsantenne um das still ^¬ stehende Prüfobjekt rotieren, um es entlang seines Umfanges mit Millimeterwellen zu beleuchten. Die Sende- und die Empfangsantenne sind dabei auf einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger angeordnet.

Die US 9029778 Bl beschreibt eine Hochfrequenz- abtsteinrichtung zur Abtastung eines stillstehenden Objekts, bei der mehrere Antennen um das Objekt herum angeordnet sind. Die Antennen sind auf Führungsschienen um das Objekt bewegbar, so dass sie während der

Abtastung Teilkreise um das Objekt vollführen können.

Die WO 2014/173831 A2 zeigt eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne auf zwei rotierbaren

Antennenträgern angeordnet sind. Zwischen den beiden Antennenträgern werden die abzutastenden Objekte hindurch bewegt. Auf jedem der rotierbaren Antennenträger ist jeweils eine Sendeantenne bzw. eine

Empfangsantenne angeordnet, die während der Abtastung durch Rotation der Antennenträger kreisförmige

Bewegungen vollführen.

D. Nüßler et al . , „A Millimeter Wave Imaging

System", In: Microwave Conference (GeMIC) 2008, Seiten 400 bis 403, beschreiben ein Millimeterwellen-Bild- gebungssystem, mit dem nichtmetallische Einschlüsse in verpackten Produkten visualisiert werden können. Die Veröffentlichung geht nur auf einer Stelle kurz auf eine Ausgestaltung einer entsprechenden Abtasteinrichtung ein, die auf Basis von drei Linearstufen arbeitet, mit denen die Abtastantennen verschoben werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger anzugeben, die die obigen Nachteile vermeidet und eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit der zu untersuchenden Proben bei der Abtastung ohne erhöhten Verschleiß und ohne hohen technischen Aufwand ermög ^¬ licht .

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Antennenanordnung gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 5 gibt eine Abtasteinrichtung an, die eine derartige Antennenanordnung nutzt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der

Antennenanordnung und Abtasteinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorgeschlagene Antennenanordnung weist einen um eine Rotationsachse rotierbaren Antennenträger auf, der mehrere in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzte Antennenarme aufweist, die von einem zentralen Bereich des Antennenträgers ausgehen, durch den die Rotationsachse verläuft. Die Antennenarme können senkrecht oder auch unter einem anderen Winkel zur Rotationsachse verlaufen. An den Antennenarmen sind Hochfrequenzantennen angeordnet, die über entlang der Antennenarme verlaufende Hochfrequenzleitungen mit Hochfrequenzsignalen gespeist werden können bzw. über die Hochfrequenzsignale empfangen und über die Hochfrequenzleitungen zum zentralen Bereich des Antennenträgers weitergeleitet werden können. Im zentralen Bereich des Antennenträgers ist eine Hoch ^¬ frequenzdrehkupplung angeordnet, über die Hochfrequenzsignale in die Hochfrequenzleitungen des rotierbaren Antennenträgers eingespeist oder von den Hochfrequenz- leitungen abgeleitet werden können. Die Hochfrequenzleitungen weisen bei der vorgeschlagenen Antennenanordnung Frequenzfilter auf, die jeweils nur einen

Frequenzteilbereich des vorhandenen Frequenzbandes passieren lassen, wobei die Frequenzfilter der Hoch- frequenzleitungen in unterschiedlichen Antennenarmen unterschiedliche Frequenzbereiche passieren lassen, die nicht überlappen. Die Durchlassbereiche der Filter überlappen somit nicht, wobei unter dem Durchlass ^¬ bereich derjenige Frequenzbereich eines Frequenzfilters zu verstehen ist, innerhalb dessen dieser die in einem elektrischen Signal enthaltenen Frequenzen passieren lässt. Als Grenze des Durchlassbereiches wird üblicher ^¬ weise eine Dämpfung von 3 dB bzw. der Leistungsabfall des Signalpegels auf 50% definiert.

Die vorgeschlagene Antennenanordnung ermöglicht den Betrieb aller Antennenarme bzw. Hochfrequenzantennen Einsatz mit einer herkömmlichen Hochfrequenzdrehkupplung. Auf diese Weise kann ohne erhöhten

Verschleiß der Hochfrequenzdrehkupplung gegenüber einer Anordnung mit nur einem Antennenarm und ohne großen technischen Aufwand die Vorschubgeschwindigkeit der Proben bei der Abtastung erhöht werden. Die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit skaliert dabei mit der Anzahl der für die Abtastung genutzten Antennenarme.

Die Erfindung basiert auf einer modifizierten Frequenz- Ortstransformation. Um den technischen Aufwand

möglichst gering zu halten, wird auf Elektronik auf dem Antennenträger komplett verzichtet. Bei Nutzung der vorgeschlagenen Antennenanordnung in einer Abtasteinrichtung werden vielmehr mit einer zentralen

Frequenzerzeugung in einer Sendeeinrichtung mehrere Frequenzlinien parallel erzeugt und über die

Hochfrequenzdrehkupplung eingespeist. Alternativ kann auch eine Frequenzrampe erzeugt werden. Die

Frequenzerzeugung ist dabei auf die in den Hochfrequenzleitungen der einzelnen Antennenarme einge- setzten Filter abgestimmt. Jede Hochfrequenzantenne erhält damit nur eine für diese Hochfrequenzantenne vorgesehene Frequenzlinie, die durch den Filter in der Hochfrequenzleitung für diese Antenne durchgelassen wird. Als Hochfrequenzleitungen sind dabei grundsätz- lieh alle Leitungstypen möglich, bspw. Hohlleiterkabel oder Mikrostreifenleitungen . Diese passiven Leitungselemente mit den (passiven) Filtern benötigen keine zusätzlichen Steuersignale und blocken jeweils einen Teil des ausgesendeten bzw. eingespeisten Frequenz- Spektrums. Damit enthält jeder der Antennenarme bzw. die auf dem jeweiligen Antennenarm angeordnete Hochfrequenzantenne eine Frequenzcodierung. Alle Antennenarme senden oder empfangen somit gleichzeitig - oder im Falle einer eingespeisten Frequenzrampe unmittelbar nacheinander -, aber bei einer unterschiedlichen

Frequenzlinie. Die über die Hochfrequenzantennen empfangenen Hochfrequenzsignale werden bei einer derartigen Antennenanordnung in gleicher Weise wieder über die Hochfrequenzleitungen zurück zur Hochfrequenz- drehkupplung in eine Empfangseinrichtung geleitet.

Durch die Frequenzcodierung können diese Signale jederzeit dem entsprechenden Antennenarm zugeordnet und somit die für die Auswertung erforderliche Orts ^¬ codierung erhalten werden.

In einer einfachen Ausgestaltung kann die vorge- schlagene Antennenanordnung auch lediglich zwei

Antennenarme umfassen, die sich vorzugsweise gegen ^¬ überliegen, d.h. um 180° in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse winkelversetzt gegeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird gegenüber einer einarmigen Anordnung bereits eine Verdoppelung der Vorschubgeschwindigkeit bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit des Antennenträgers erreicht. Vorzugsweise wird jedoch eine höhere Anzahl an Antennenarmen eingesetzt, wobei der Winkelversatz zwischen den Antennenarmen bei N Antennenarmen vorzugsweise 360°/N beträgt. An jedem der Antennenarme ist dabei vorzugsweise eine Hochfrequenz ^¬ antenne am Ende des jeweiligen Antennenarmes

angeordnet. Die Hochfrequenzantennen können sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Hochfrequenzsignale genutzt werden, falls die Proben in Reflexion

abgetastet werden.

Vorzugsweise werden jedoch zwei derartige

Antennenanordnungen mit gleicher Anzahl und Anordnung der Antennenarme für die Abtastung eingesetzt, von denen eine Antennenanordnung zum Aussenden der

Hochfrequenzsignale und die andere Antennenanordnung zum Empfangen der durch die Proben transmittierten Hochfrequenzsignale genutzt wird. Die beiden Antennen- anordnungen sind dann über ihre Hochfrequenzdrehkupplungen mit einer Sendeeinrichtung bzw. mit einer Empfangseinrichtung verbunden. Es kann auch eine kombinierte Sende- und Empfangseinrichtung eingesetzt werden. Bei einer derartigen Abtasteinrichtung mit zwei Antennenanordnungen werden beide Antennenträger

synchron um die gleiche Rotationsachse so gedreht, dass die Antennenarme bei der Rotation jeweils in der

Winkelposition übereinstimmen, sich also genau

gegenüberliegen. Die beiden Antennenanordnungen sind dabei lediglich in Richtung der Rotationsachse

gegeneinander versetzt angeordnet, so dass die Proben zwischen den beiden Antennenanordnungen hindurchgeführt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Antennenanordnung wird

nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in

Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher

erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung mit zwei Antennenarmen bei der Abtastung von Proben;

Fig. 2 ein Beispiel für die Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung mit vier Antennenarmen; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines

Beispiels einer Abtasteinrichtung mit der vorgeschlagenen Antennenanordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung Bei der vorgeschlagenen Antennenanordnung weist der Antennenträger im einfachsten Fall zwei Antennenarme mit entsprechenden Hochfrequenzantennen auf, die vorzugsweise 180° zueinander winkelversetzt sind. Mit einer derartigen Antennenanordnung kann eine

Verdopplung der Vorschubgeschwindigkeit der Proben bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit und Abtastrate gegenüber einer bekannten Anordnung mit nur einem

Antennenarm erreicht werden. Figur 1 zeigt hierzu eine Draufsicht auf ein Fließband 1 mit zu untersuchenden

Proben 2, die durch eine derartige Antennenanordnung 3 abgetastet werden. Die Antennenanordnung 3 weist in diesem Beispiel den Antennenträger mit dem zentralen Bereich 4 auf, von dem die beiden Antennenarme 5 ausgehen. Der zentrale Bereich 4 ist um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Rotationsachse rotierbar, wie dies durch die beiden gekrümmten Pfeile angedeutet ist. An den Enden der Antennenarme 5 befindet sich jeweils eine Hochfrequenzantenne 6. Durch geeignet schnelle Rotation des Antennenträgers werden bei

Vorschub des Fließbandes 1 in der mit dem geraden Pfeil dargestellten Richtung und um eine der Pfeillänge entsprechende Distanz eng beieinander liegende Abtast ^¬ bahnen 7 erreicht, mit denen die Proben 2 abgetastet werden. Durch Erhöhung der Anzahl der Antennenarme mit Hochfrequenzantennen kann die Vorschubgeschwindigkeit für eine vergleichbare Abtastung weiter erhöht werden.

Für eine Abtastung in Transmission werden zwei Antennenanordnungen eingesetzt, von denen eine die

Hochfrequenzsignale aussendet und die zweite die durch die Proben und das Fließband transmittierten Hochfrequenzsignale wieder empfängt. In der Figur 2 ist der Aufbau einer beispielhaften Ausgestaltung von zwei Antennenanordnungen für eine Abtastung in Transmission dargestellt. Die beiden Antennenanordnungen weisen jeweils vier Antennenarme auf und sind identisch ausgebildet. Die obere Antennenanordnung stellt hierbei die sendende Antennenanordnung, die untere Antennenanordnung die empfangende Antennenanordnung dar. Die Antennenanordnungen 3 weisen jeweils einen zentralen Bereich 4 mit einer Hochfrequenzdrehkupplung 8 auf. Von diesem zentralen Bereich 4 gehen vier Antennenarme 5 aus, die im vorliegenden Beispiel um 90° zueinander winkelversetzt sind. Am Ende der Antennenarme 5

befindet sich jeweils eine Hochfrequenzantenne 6, die über eine Hochfrequenzleitung 9 mit der Hochfrequenz- drehkupplung 8 verbunden ist. In jeder dieser Hochfrequenzleitungen 9 einer Antennenanordnung ist ein anderes Hochfrequenzfilter 10a, 10b, 10c, lOd

ausgebildet, das einen jeweils unterschiedlichen

Frequenzbereich der eingespeisten oder empfangenen Hochfrequenzsignale durchlässt. Im vorliegenden Fall werden mit der nicht dargestellten Sendeeinrichtung vier Frequenzlinien erzeugt und über die Hochfrequenzdrehkupplung 8 auf die vier rotierenden Antennenarme 5 der oberen Antennenanordnung eingespeist. Die

Leistungsaufteilung auf die vier Antennenarme 5 wird dabei über einen passiven Leitungsteiler realisiert. In allen vier Antennenarmen liegen somit dieselben vier Frequenzlinien an. Durch die passiven Filterstrukturen bzw. Filter 10a, 10b, 10c, lOd in den Hochfrequenz- leitungen 9 wird in jedem der Antennenarme 5 jeweils nur eine Frequenzlinie zur Hochfrequenzantenne 6 durchgelassen, alle anderen werden geblockt. So lässt das Filter 10a des ersten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz fi, das Filter 10b des zweiten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f_ 2 , das Filter 10c des dritten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f3 und das

Filter lOd des vierten Antennenarms nur die Frequenzlinie mit der Frequenz f ₄ zur jeweiligen Hochfrequenzantenne durch. Da für jeden der Antennenarme 5 jeweils eine andere Frequenzlinie durchgelassen wird, erhält jeder Antennenarm 5 eine Frequenzcodierung. Alle

Antennenarme senden bzw. empfangen somit gleichzeitig aber bei einer unterschiedlichen Frequenzlinie. Die an gleicher Winkelposition lediglich entlang der

Rotationsachse versetzt angeordneten Antennenarme 5 der empfangenden unteren Antennenanordnung nehmen die jeweiligen Signale über die daran angeordneten

Hochfrequenzantennen 6 wieder auf, führen sie über die Hochfrequenzleitungen 9 mit den entsprechenden Filtern 10a, 10b, 10c, lOd über einen Leistungskombinierer wieder zusammen und leiten sie über die einkanalige Hochfrequenzdrehkupplung 8 zum nicht dargestellten Empfänger der Sende- und Empfangseinrichtung. Im

Empfänger werden die Signale über einen breitbandigen I /Q-Demodulator oder Mischer in den ZF-Bereich

umgesetzt. Da die Sendefrequenzen unterschiedlich waren, landen die Frequenzen bei einer konstanten LO- Frequenz bei verschiedenen ZF-Frequenzen, die zusammen oder einzeln durch A/D-Wandler digitalisiert und anschließend ausgewertet werden können. Durch die unterschiedlichen Sendefrequenzen bleibt die

Ortskodierung der Antennenarme bzw. Antennen erhalten und die Signale können separat ausgewertet und örtlich zugeordnet werden. Figur 3 zeigt hierzu in stark schematisierter Darstellung nochmals die beiden Antennenanordnungen die über ihre Hochfrequenzdrehkupplung mit der Sendeeinrichtung 11 bzw. der Empfangseinrichtung 12 verbunden sind. Die sendende Antennenanordnung ist hierbei oberhalb, die empfangende Antennenanordnung unterhalb des Transportmediums 1 für die zu

vermessenden Proben angeordnet.

Bezugs zeichenliste

I Fließband

2 Proben

3 Antennenanordnung

4 zentraler Bereich des Antennenträgers

5 Antennenarme

6 Hochfrequenzantenne

7 Abtastbahnen

8 Hochfrequenzdrehkupplung

9 Hochfrequenzleitungen

lOa-d Filter

II Sendeeinrichtung

12 Empfangseinrichtung