天线用的引导元件和用于制造这样的引导元件的方法与流程

本发明涉及一种物位测量设备的天线用的引导元件，其中，引导元件由介电材料构成并且用于形成、引导和辐射电磁辐射。此外，本发明涉及一种用于制造这样的引导元件的方法。

背景技术：

天线例如在根据雷达原理工作的物位测量设备中得到应用，其中在议论中的引导元件被用于所述天线。除了引导元件以外，天线也包括馈送元件。馈送元件发射电磁辐射并且给引导元件加载电磁辐射，所述引导元件于是形成、引导和辐射所述辐射。

引导元件本身(其例如可以是透镜)由介电材料制造。使用塑料、例如peek(聚醚醚酮)恰好适用于生产透镜。所使用的材料的介电特性通过其介电传导能力表征，所述介电传导能力也被称为介电性或介电常数。

通常，对于引导元件所使用的材料具有其介电特性的均匀分布，例如其方式是：简单地均匀地使用(einfachhomogeneingesetzt)材料。由此，在生产方面得到容易的(leichten)可生产性和可再生性的优点。于是，电磁波的形成基本上发生在引导元件的辐射区域中、也即在引导元件的介电材料与自由空间之间的过渡区域中，其中所述电磁波被馈入到引导元件中，然后在引导元件中被引导并且从引导元件被辐射到自由空间中。该过渡区域同时是介电常数的跳跃式变换并且引起电磁波的跳跃式折射。通过有针对性地在几何上设计辐射区域可以将该效应用于形成平面波前(参见例如ep2105991a1或de102008008715a1)。

然而在一些情况下必要的是，实现介电特性的不同层化(schichtungen)，例如以便总体上引起比利用仅一个唯一的边界层可能引起的折射更大的折射。这通常通逐层地施加不同的介电材料来发生，这前提是给出相应的材料可用性。此外，不是任意材料都可以彼此连接，相反地在拼合不同的材料时必须考虑材料的机械、热和化学特性。

因此，这样的制造可能是麻烦的且耗费的，因为所述制造由很多工作步骤和材料选择组成，它们必须彼此准确地协调。

此外，在使用层化的情况下得出如下缺点，即，引导元件的非任意形成的区域和尤其定位在引导元件的内部中的区域可能具有另外的介电常数。

技术实现要素：

因此，本发明所基于的任务是，说明一种引导元件(führungselement)，其中(至少最大程度上)消除了由现有技术已知的缺点。此外，本发明的任务是，说明一种用于制造引导元件的方法。

在根据本发明的引导元件中，该任务首先并且基本上通过如下方式来解决，即，为了有针对性地形成电磁辐射，引导元件具有在引导元件的空间延展上可变的介电常数走向，所述介电常数走向通过介电材料的材料密度的空间分布来实现，其中，材料密度通过对于每个预先给定大小的基本单元而言介电材料的份额来确定。

因此，根据本发明的引导元件首先具有如下优点，即所述引导元件由仅一种材料制成。为了改变介电常数，根据本发明不动用另外的材料，而是改变所述一种介电材料的材料密度。因此，通过将两种不同材料彼此叠置(aufeinanderbringen)可能出现的所有缺点取消。因此，既不必特别地考虑所使用的材料的热特性，也不必特别地考虑其化学或机械特性，这是因为不使用具有不同特性的第二材料。

此外，根据本发明的引导元件具有如下优点，即，介电材料的材料密度在引导元件的整个空间延展上可以是改变的。因此，材料密度在引导元件内部中的一个区域中可能不同于在邻接的区域中或在处于引导元件的外侧/表面处的区域中。因此在根据本发明的引导元件情况下，电磁波的形成部分地(zueinemteil)已经可以完全不受约束地在引导元件中被实现，而不仅在引导元件的外边界上处才能实现。如果介电材料的材料密度连续地被改变，则所引导的电磁波的相位波前实际上可以连续地被形成，所述相位波前不在硬的边界处被折射，而是在准连续的过渡处以期望形式被弯曲。

根据本发明，材料密度通过对于每个预先给定大小的基本单元而言材料的份额来确定。

在这里，材料的份额通过材料在基本单元的体积方面的体积份额来定义，并且在整个基本单元上取平均。在这里，基本单元首先是引导元件的设想的(gedacht)体积区域，在该体积区域中实现介电常数。可变的介电常数走向通过不同介电常数的多个并排布置的基本单元来实现。因此，基本单元不必与所实现的材料结构相一致。

因此，通过基本单元将引导体或引导体的一部分分成(平均地)相同的介电常数的区域。如果使用相同的基本单元，则所述基本单元构成由引导元件所要求的体积的规则空间填充。

引导元件或至少引导元件的部分被划分成多个基本单元。在此情况下，基本单元不必都具有相同的大小。同样可设想的是(并且在一些情形下甚至有利的是)，不同大小的基本单元并排地布置，或者基本单元的大小视材料密度和/或材料在基本单元中的布置而定地变化。这是优选实施例的主题。

材料可以不同地布置在基本单元中，其中，材料的布置可以逐基本单元地变化。下面应该观察材料在唯一基本单元中的布置。

根据本发明的引导元件的一种设计方案通过以下来表征：即材料至少在基本单元的一部分中以不规则结构布置。如果提到不规则结构，则这意味着，结构不具有周期性并且在结构中不能找到秩序。针对不规则结构的示例是海绵状或多孔结构。因此，基本单元中的材料例如可以具有预先给定的孔隙度。在此情况下，材料可以具有开放孔隙度，也即彼此连接的空腔。但是，材料也可以具有封闭孔隙度，也即不彼此连接的空腔。空腔以统计学或随机的方式分布在材料中，使得存在不规则结构。

在根据本发明的引导元件的一种设计方案中规定，材料至少在基本单元的一部分中以规则结构布置。规则结构例如可以通过使多面体排列成行来实现，也即例如通过使立方体排列成行或通过使棱锥体或棱柱排列成行来实现。可以无间隙地排列成行并且从而实现完全空间填充的每种多面体是可设想的。当然，也可以使用多个各种各样的空间体，所述空间体彼此构成完全的空间镶嵌。在此情况下，一方面通过选择多面体，另一方面在所涉及的多面体选择时通过多面体的壁厚和/或大小可以改变材料密度。

要注意的是，多面体从内部是空心的。有序结构的另外的实现可以通过如下来出现，即以二维基本结构为基础，所述二维基本结构于是朝第三空间方向被“提升”，也即例如被提升成空心柱的蜂窝结构。例如所有斜角、直角、六角形或方形的基本结构适合作为二维基本结构。

在选择结构和结构的大小(不仅不规则结构而且规则结构)时，优选地要注意的是，结构不具有空间周期性，其中所述空间周期性影响辐射，使得例如出现干涉效应。辐射的形成应仅通过改变了的材料密度以及从而改变了的有效介电常数来进行。

材料规则地布置于其中的基本单元可以位于其中材料具有不规则结构的基本单元附近。

对于接着的特性，不应再观察基本单元本身，而是应观察整个引导元件。

根据本发明的引导元件的一种优选设计方案的特征在于，介电常数走向至少在引导元件的空间延展的一部分上是持续的。介电常数例如可以在空间延展的该部分上线性升高或线性下降。同样可设想的是，介电常数在空间延展的一部分上指数升高或下降。根据本发明，因此可以实现介电常数的梯度。这例如可以通过材料的孔隙度走向来实现。介电常数走向可以遵从每种任意的持续函数。因此，根据本发明的引导元件具有可以实现任意的介电常数走向的优点。

根据本发明的引导元件的另外的设计方案的特征在于，介电常数走向至少在引导元件的空间延展的一部分上是不持续的。因此，例如可以实现介电常数的分级和突然过渡，而不必改变所使用的材料。

在整个引导元件上来看，由介电常数的持续和不持续的区域组成的组合毫无问题地是可能的。

在引导元件的一种有利设计方案中规定，不规则结构或规则结构是基本单元的空间的沃罗诺伊镶嵌(voronoi-parkettierung)或德洛内镶嵌(delaunay-parkettierung)。所谈及的镶嵌本身是公知的并且允许基于预先给定的点分布对n维(和从而还有三维)空间进行划分。在沃罗诺伊分解的情况下，每个点是围绕该点的沃罗诺伊单元的中心。对于每个沃罗诺伊图存在对偶的(dual)德洛内图，所述德洛内图同样适合于有利地分解空间、也即通过一个基本单元也或多个基本单元限定的空间。

所观察的预先给定的中心点的沃罗诺伊单元包括整个空间的所有如下点，所述点比每个其他预先给定的中心点更靠近所观察的预先给定的中心点。通过该图形定律(bildegesetz)，出现非常紧凑的空间分解。有利地，基本单元的沃罗诺伊分解通过预先给定统计学上随机的点分布来执行。由此保证，出现的沃罗诺伊单元的壁同样在统计学上随机地定向。为了获得期望的介电常数，于是例如可以根据要获得的介电常数值来改变预先给定的中心点的密度。因此，通过在基本单元之内高的沃罗诺伊单元密度实现高的介电常数值。在该方案的情况下，可以利用保持相同的壁厚。在可替选的方案情况下，沃罗诺伊中心的平均点密度基本上保持恒定，然而壁厚根据要获得的介电常数值来改变。

本发明的一种有利设计方案因此在于，介电材料的材料密度的空间分布通过改变单元的壁厚来实现，其中基本单元的沃罗诺伊镶嵌或德洛内镶嵌由所述单元组成。

可替选的有利设计方案规定，介电材料的材料密度的空间分布通过改变单元的密度来实现，其中在单元的壁厚基本上保持相同的情况下，基本单元的沃罗诺伊镶嵌或德洛内镶嵌由所述单元组成。两个前述变型方案也可以被组合。

根据引导元件的一种优选设计方案规定，在引导元件的体积区域中的基本单元的大小取决于该体积区域中的介电常数走向的梯度。该设计原理遵循以下认识：介电常数的快速空间改变必须在构造上与介电常数的缓慢空间改变不同地被对待。与之相关联地尤其看出了：有意义的是，不是观察引导元件的体积区域中的介电常数走向的任何梯度，而是观察该体积区域中的介电常数走向的最大梯度。为此，以空间坐标系为基础，例如正交(orthogonales)坐标系或六角(hexagonales)坐标系，并且在每个空间方向上确定介电常数走向的梯度。在该体积单元中或引导元件的基本单元中的最大梯度确定基本单元的大小。随后描绘这可以根据哪些原理来进行。

根据引导元件的一种特别有利的设计方案规定，针对具有介电常数走向的最大的(最大)梯度的体积区域，最小地选择基本单元的大小，和/或针对具有介电常数走向的最小的(最小)梯度的体积区域，最大地选择基本单元的大小。因此，快速空间介电常数改变通过基本单元的快速变换来实现，使得在强烈可变的介电常数的区域之间的过渡仍然准连续地实现。

按照其他有利的设计方案，引导元件的特征在于，基本单元的大小统计平均地在引导元件的体积上取平均地在介电常数走向的梯度较小之处是较大的，而基本单元的大小统计平均地在引导元件的体积上取平均地(gemittelt)在介电常数走向的梯度较大之处是较小的。这在引导元件的完全特别有利的设计方案情况下如此实现，使得最大空间介电常数梯度被转化成比例空间点密度，并且所述点用作用于引导元件的体积的三维沃罗诺伊分解的展开点(entwicklungspunkte)。

优选地，引导元件通过生成式生产方法来制造。在口语中也被称为3d打印(3d-druck)方法的生成式生产方法中，层状地制造要制造的对象。通过生成式生产方法的制造适用于根据本发明的引导元件，因为因此以简单的方式可以实现材料密度分布，尤其是也在引导元件的内部中实现材料密度分布。

本发明同样涉及用于制造物位测量设备的天线用的引导元件的方法。

根据本发明的方法的特征在于，首先预先给定引导元件的空间延展中的介电常数分布，然后确定与预先给定的介电常数分布相对应的材料密度分布，然后确定实施材料密度分布的结构，并且然后通过生成式生产方法制造结构。

通过根据本发明的方法可以以特别有效的方式制造根据本发明的引导元件。在第一方法步骤中，预先给定引导元件的空间延展中的介电常数分布。所述介电常数分布例如可以具有持续的走向，或具有不持续的走向，也即例如具有介电常数的突然跳跃。由于介电常数取决于材料密度，因此在第二步骤中确定与介电常数走向相对应的材料密度分布。该材料密度分布通过不同的结构来实施，例如通过材料中的不同的孔隙度来实施。在确定了实施材料密度分布的结构之后，通过生成式生产方法制造结构并且从而制造引导元件。

在选择生成式生产方法时，必须注意事先确定的结构。因此，不是所有生成式生产方法都适用于所有结构。同样重要的是选择引导元件的材料，因为也不是每种生成式生产方法适用于每种材料。对于生成式生产方法来说共同的是，要生产的对象、也即当前引导元件逐层地被制造。三维对象被分成二维层，所述二维层然后相叠地被施加。在选择结构时要注意的是，通过结构本身不产生对辐射传播的影响，既不通过结构本身也不通过结构中的上级结构产生影响。对电磁辐射的影响应当仅由于变化的材料密度和从而变化的介电常数进行。例如适合的是(bietetessichan)，使结构逐层地旋转小的角度，也即彼此扭转地施加。

根据本发明的方法的一种优选实施方式的特征在于，为了确定实施材料密度分布的结构，将引导元件划分成基本单元。在此情况下，相邻基本单元的大小可以彼此变化。在此情况下，可以以不同的方式选择基本单元的大小。根据本发明的方法的一种特别优选的实施方式规定，基本单元的大小在一个体积区域中根据该体积区域中的介电常数走向的梯度来选择，尤其根据该体积区域中的介电常数走向的最大梯度来选择。

在根据本发明的方法中，在此情况下在一种特别优选的实施方式中规定，针对具有介电常数走向的最大的梯度的体积区域，最小地选择基本单元的大小，和/或针对具有介电常数走向的最小的梯度的体积区域，最大地选择基本单元的大小。

此外，根据本发明的方法的一种优选实施方式的特征在于，基本单元的大小统计平均地在引导元件的体积上取平均地在介电常数走向的梯度较小之处被选择得较大，而基本单元的大小统计平均地在引导元件的体积上取平均地在介电常数走向的梯度较大之处被选择得较小。在此情况下优选地如此进行，使得基本单元的大小被选择为使得最大空间介电常数梯度被转化成比例空间点密度，并且所述点用作用于引导元件的体积的三维沃罗诺伊分解的展开点。

根据本发明的方法的优选实施方式的与基本单元的大小的选择有关的优点已经在引导元件本身情况下得以表明并且相应地适用。

附图说明

现在详细存在对根据本发明的引导元件、根据本发明的用于制造引导元件的方法进行设计和改进的不同可能性。为此，参考从属于专利权利要求1和8的专利权利要求以及结合附图对优选实施例的描述。在所述附图中：

图1示出椭圆形透镜形式的根据本发明的引导元件；

图2a示出材料以不规则结构布置在其中的基本单元(elementarzelle)的第一示例；

图2b示出材料以不规则结构布置在其中的基本单元的第二示例；

图2c示出材料以规则结构布置在其中的基本单元的第一示例；

图2d示出材料以规则结构布置在其中的基本单元的第二示例；

图2e示出材料以规则结构布置在其中的基本单元的第三示例；

图3示出穿过透镜的横截面，用以演示透镜的部分区域中的持续的介电常数走向；

图4示出根据本发明的方法的流程图；

图5a、5b示出具有根据介电常数走向的梯度变化的基本单元大小的实施例；以及

图6a、6b示出具有如下结构单元的实施例，所述结构单元统计平均地在大基本单元中比在较小的基本单元中更大。

具体实施方式

在图1中示出了天线的椭圆形透镜2形式的根据本发明的引导元件1。透镜2通过馈送元件3被加载电磁辐射并且经由透镜表面4被辐射。透镜2由介电材料5制造。在透镜2中有区域6、7，在这些区域中，材料密度不同于透镜2的其余部分的材料密度。因此，透镜2在其空间延展(ausdehnung)上具有材料密度的空间分布。介电材料的介电常数取决于材料密度，使得透镜在其空间延展上具有可变的介电常数走向。材料密度通过对于每个预先给定大小的基本单元8而言材料5的份额来确定。

材料可以不同地布置在基本单元中。在图2a至图2e中示出了穿过基本单元的横截面，所述基本单元具有矩形横截面。基本单元的横截面不必被选择为矩形，相反地，基本单元的形状的选择是任意的。

图2a示出基本单元8的第一实施例，其中，材料5以无序结构布置。在此情况下，材料5具有封闭孔隙度，也即具有不彼此连接的空腔9。空腔9具有不同的大小并且随机地分布式地布置在材料5中。

图2b示出基本单元8的另外的示例，其中，材料5以无序结构布置。在这里，在材料5中实现了蠕虫状空腔10。空腔10同样随机地布置在材料5中，使得通过空腔10不出现上级有序结构。

作为用于以有序结构布置材料5的第一示例，在图2c中材料5以蜂窝11的形式布置。在有序结构的情况下必须注意的是，结构以如下大小来实现，该大小不导致对电磁辐射的意想不到的在结构上引起的影响。

图2d和2e示出基本单元8的横截面，其中，材料5以排列成行的立方体12的形式布置并且因此具有有序结构。例如可以通过立方体壁的厚度d来影响材料密度。因此，在图2d和2e中的基本单元中所选择的结构是相同的，但是图2e中的基本单元具有比图2d中的基本单元更高的材料密度。

示出的结构特别适合地通过生成式(generativ)生产方法来实现。在此情况下，生产方法的选择取决于所选择的结构和材料的选择。

在图3中示出透镜2的横截面13。该图示仅是示意性的并且应该用于阐明透镜中的介电常数走向p。为此，透镜在横截面上被划分成盒子盒子中的数字代表介电常数值，其中，数字10是最大可能的介电常数，而数字1是最小可能的介电常数。在中下部，透镜2具有最大可能的介电常数的区域，盒子用10标出。介电常数向透镜2的在该图中的上边缘下降。在此情况下，介电常数在该区域中从中下部出发直至透镜的上边缘记录线性走向。介电常数的该分布是针对在透镜2的空间延展的部分中连续的、持续的(stetigen)介电常数走向的示例。

同样示出如下区域，所述区域的特征在于介电常数的跳跃。在透镜2的在该图中示出的右下区域中的介电常数从介电常数值10直接下降到值2。仅示例性地在二维横截面中示出走向。在整个透镜上来看，介电常数走向p可以采取为每种任意的走向。

在图3中此外示出一些基本单元8。基本单元8以加粗框的方式示出。可以看到，基本单元8具有不同的大小。在此情况下，各自基本单元8的大小根据介电常数走向p的梯度被选择。

基本单元81是所示出的最大的基本单元。在基本单元81之内，介电常数在3与2之间变化，因此梯度是非常小的，使得可以选择大的基本单元。基本单元82具有较小的大小。在基本单元82之内，介电常数在6与4之间变化，使得在基本单元82之内的梯度也是小的。然而，该基本单元82例如在其上侧处由介电常数10的区域包围。在这里，因此存在大的梯度，使得介电常数10的区域不一起被围到基本单元82中。在透镜2的右边缘处的基本单元83具有介电常数7。然而在周围，介电常数以值1和2小得很多，使得存在大的梯度。基本单元83的大小因此被选择得非常小。

图5a和6a示出在未进一步示出的引导元件中根据仅一个位置坐标x的相同的介电常数走向p。介电常数首先对于小的x值在低平台(plateau)上伸展，随后在中间区域中陡峭地升高并且对于大的x值达到在高介电常数值上的平台。也定性地示出介电常数走向p的梯度g的属于介电常数走向p的走向。

在图5和6中示出的实施例用于阐述在不同大小的基本单元8之内的实现的不规则结构su的图形原理(bildeprinzip)。

在图5b中可以看出，基本单元8的大小在如下体积区域中取决于该体积区域中的介电常数走向p的梯度g，其中在这里仅示出所述体积区域的(vondem)在x轴和y轴上的平面延伸。为了更好地理解，同样在图5a和6a中依照并非是数学精确曲线的原理草绘梯度g。

图5b示出的是，针对具有介电常数走向p的最大的梯度g(中间的x值)的体积区域，最小地选择基本单元8的大小，并且针对具有介电常数走向p的最小的梯度(小的和大的x值)的体积区域，最大地选择基本单元8的大小。因此有意义地引起，介电常数走向的大的局部改变以精细分级的方式在引导元件中被着手研究(aufgegriffen)和实现。

图6b示出与介电常数走向相对应的材料密度空间分布的结构上的实现，其方式是：不规则结构su通过基本单元8的空间沃罗诺伊镶嵌(voronoi-parkettierung)来实现。在这里，介电材料5的材料密度的空间分布通过改变结构单元18的密度来实现，其中在结构单元的壁厚保持相同的情况下，基本单元8的沃罗诺伊镶嵌由所述结构单元组成。沃罗诺伊单元(voronoi-zellen)的通过点示出的中心的坐标可以通过数字随机过程来预先给定。因此，也可以产生随机点云的相应的预先给定的密度分布。

在当前情况下，不规则结构su通过相邻的结构单元18构成，所述结构单元是沃罗诺伊单元。结构单元18的大小根据基本单元8的大小改变，其中各自的结构单元18位于所述基本单元中。在这里，结构单元18统计平均地(imstatistischenmittel)在大的基本单元8中大于在较小基本单元8中的结构单元18。

在图4中示出根据本发明的方法的流程图，利用所述根据本发明的方法可以制造根据本发明的引导元件1。在第一步骤100中，预先给定在引导元件的空间延展中的介电常数分布。在这里，使介电常数分布与引导元件的使用相协调。

在另外的步骤110中，然后确定与预先给定的介电常数分布相对应的材料密度分布。为了能够实现材料密度分布，紧接着在另外的步骤120中确定实施材料密度分布的结构。

为了确定结构，首先将引导元件划分成基本单元8。

在最后的步骤130中，然后通过生成式生产方法制造结构。优选地，在确定结构时应注意的是，不出现上级结构，其中通过该上级结构意料不到地(ungewollt)影响电磁辐射，这是因为应仅通过改变了的材料密度和因此改变了的有效介电常数实现辐射的形成。

附图标记

1引导元件

2椭圆的透镜

3馈送元件

4透镜表面

5介电材料

6透镜中的区域

7透镜中的区域

8基本单元，81至83不同大小的基本单元

9空腔

10空腔

11蜂窝

12立方体

13透镜的横截面

14d立方体壁的厚度

15p介电常数走向

16su不规则结构

17sr规则结构

18结构单元

100预先给定介电常数分布

110确定对应的材料密度分布

120确定实施材料密度分布的结构

130通过生成式生产方法制造结构

140将引导元件划分成基本单元