Zur Vermeidung eines Empfangsverlustes durch die Richtcharakteristiken der Sende- und Empfangsspule bei einer Signalübertragung mit magnetischem Feld sind als Massnahmen eine drehbare Sendespule oder drehbare Empfangsspule oder ein Kreuzrahmen oder eine Verwendung mehrerer Sendespulen bekannt.
Nachteil der drehbaren Sende- oder Empfangsspule ist eine komplizierte mechanische Ausführung, Notwendigkeit einer Bedienung und die zur Einstellung der Achse der Spule notwendige Zeit, eine schnelle und kurzzeitige Signalübertragung ist meistens nicht möglich. Bei einer Signalübertragung im Fernfeld müssen die Richtungen der geometrischen Achsen bei beiden Spulen einstellbar sein und Positionen beiden Spulen müssen bekannt sein, denn auch die Richtdiagramme der Sendespule sind zwei mit einer Null und mit einem Bereich einer Nullausstrahlung wie bei einem Dipol.
Eine Verwendung mehrerer Sendespulen mit zugelassenen beliebigen Richtungen ihrer Achsen im Raum, aber mit gegenseitig unterschiedlichen und fest gegebenen Richtungen ihrer geometrischen Achsen, so dass das signalübertragende magnetische Feld von mindestens einer Sendespule in der Empfangsspule bei einer beliebigen Richtung ihrer elektrischen Achse eine Signalspannung induzieren muss, hat einige solche Nachteile, nicht aber die Information muss mit jeder Sendespule mindestens einmal ausgestrahlt werden und der Zeitaufwand ist auch grösser als für nur eine Ausstrahlung der Information notwendig ist, und es muss für die mehreren Sendespulen notwendiger Raum vorhanden sein.
Diese Nachteile hat die Einrichtung, die hier beschrieben wird und die für eine induktive Signalübertragung oder für eine Signalübertragung im Nahbereich geeignet ist, nicht.
Zur Erregung des signalübertragenden magnetischen Feldes wird eine Sendespule verwendet und entsprechend der Kombination der verwendeten Empfangsspulen kann die Richtung ihrer Achse im Raum oder mindestens in einer Ebene beliebig sein dürfen. Zum Empfang ihres Feldes werden mehrere, aber mindestens zwei Empfangsspulen mit einem bestimmten, durch die Anzahl der Empfangsspulen und Verwendungszweck der Einrichtung gegebenen, festen Winkel alpha zwischen ihren geometrischen Achsen, aber einer beliebigen Richtung ihrer Achsen im Raum oder mindestens in einer Ebene verwendet.
Die in einer Empfangsspule induzierte Spannung "U" ist eine Funktion des Winkels @ zwischen der Senkrechten durch die Mitte der Empfangsspule zu ihrer Ebene der elektrischen Achse und der Richtung des magnetischen Feldes und ist U = A.cos @ und ist maximal bei @ = 0.
Die Senkrechte durch die Mitte der Empfangsspule zu ihrer Ebene der elektrischen Achse ist identisch mit der geometrischen Achse der Empfangsspule, die Konstante "A" ist abhängig von der Intensität des magnetischen Feldes durch die Empfangsspule und von ihrer Ausführung.
Die Anzahl der Empfangsspulen und der Winkel alpha zwischen ihren geometrischen Achsen sind so gewählt, dass bei einer gewünschten beliebigen Richtung der Achse der Sendespule entweder in einer Ebene oder im Raum die Ebene der elektrischen Achse bei mindestens einer Empfangsspule gegenüber dem signalübertragenden magnetischen Feld solche Richtung hat, dass in ihr eine Signalspannung induziert werden muss.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Eingangsschaltung mit zwei Empfangsspulen;
Fig. 2 Eingangsschaltung mit drei Empfangsspulen;
Fig. 3 zwei Empfangsspulen gegenseitig senkrechter Achsen im Feld liegend senkrecht zur geometrischen Achse der Sendespule;
Fig. 4 zwei Empfangsspulen gegenseitig senkrechter Achsen im Feld liegend auf der geometrischen Achse der Sendespule;
Fig. 5 Einordnung fünf Empfangsspulen in zwei gegenseitig senkrechten Ebenen;
Fig. 6 Einordnung fünf Empfangsspulen mit unterschiedlichen Richtungen ihrer Achsen im Raum, aber liegenden, in einer Ebene;
Fig. 7 Schnitt zu Fig. 6;
Fig. 8 Blockschaltung mit zwei Empfangsspulen und einem gemeinsamen Verstärker;
Fig. 9 Blockschaltung mit drei Empfangsspulen und einem gemeinsamen Verstärker;
Fig. 10 Einordnung zwei Ferrit- und einer Rahmenantenne;
Fig. 11 Impulsdiagramm zur Schaltung in Fig. 8;
Fig. 12 Impulsdiagramm zur Schaltung in Fig. 9;
Fig. 13 Impulsdiagramm zur Schaltung in Fig. 9 und bei einer wiederholten Informationsausstrahlung;
Fig. 14 Impulsdiagramm zur Schaltung in Fig. 9 bei nicht idealen Schaltern.
In Fig. 1 ist ein Beispiel zwei Empfangsspulen Lx, Ly, welcher geometrische Achsen "xg" und "yg" in horizontaler Ebene liegen, und der Winkel zwischen ihren geometrischen Achsen beträgt alpha = 90 DEG . Diese Einordnung ermöglicht, wie in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt ist, einen Signalempfang bei einer beliebigen Richtung der geometrischen Achse der Sendespule in der horizontalen Ebene und einer beliebigen Richtung der geometrischen Achsen der Empfangsspulen in horizontaler Ebene. Dies ist im Bereich der induktiven Übertragung und im Nahbereich möglich, weil das signalübertragende magnetische Feld der Sendespule "Ls" gleich ist, oder mindestens nähert es sich dem Feld eines Solenoides.
Der Winkel @ x = 0 DEG und ist minimal zwischen der Tangente zu einer Feldlinie "tx" und der geometrischen Achse "xg" der Empfangsspule Lx, und die Signalspannung wird nur in der Spule "Lx" induziert, bei der Spule "Ly" ist der Winkel @ y = 90 DEG und die induzierte Signalspannung U = 0. Bei einer um 90 DEG gedrehten geometrischen Achse "sg" der Sendespule L"LS" wie in Fig. 4 dargestellt, beträgt der Winkel @ y = 0 DEG zwischen der Tangente "ty" und der geometrischen Achse "yg" der Empfangsspule "Ly", die Signalspannung wird nur in der Empfangsspule "Ly" induziert und U = 0 in der Spule "Lx". Jede Empfangsspule ist Induktivität eines auf die Sendefrequenz abgestimmten Resonanzkreises, von welchem dann die Signalspannung abgenommen wird. Beide Resonanzkreise sind galwanisch entkoppelt, jeder Resonanzkreis ist zu einem eigenen Verstärker "A" angeschlossen.
Die magnetische Kopplung zwischen den Resonanzkreisen muss auch klein sein, die Resonanzkreise dürfen sich nicht beeinflussen. Wenn die Phasenunterschiede beider induzierten Signalspannungen klein sind, dann kann auf den durch die Widerstände "R" entkoppelten und parallel geschalteten Ausgängen beider Verstärker "A" die Signalspannung abgenommen werden.
In Fig. 2 ist Schema einer Einordnung drei Empfangsspulen "Lx", "Ly", "Lz" mit gegenseitig senkrechten geometrischen Achsen, dann kann die Richtung der geometrischen Achse der Sendespule im Raum beliebig sein dürfen. Jede Empfangsspule ist Induktivität eines auf die Senderfrequenz abgestimmten Resonanzkreises und jeder Resonanzkreis ist zu einem eigenen Signalverstärker "A" angeschlossen. Es ist gleichzeitig Beispiel eines Falles, wo die in Resonanzkreisen induzierten Signalspannungen verschiedene Phasen haben, und erst die mit Widerständen "R" entkoppelten Ausgänge der Signalgleichrichter "G" können parallel geschaltet und dort kann die demodulierte Signalspannung abgenommen werden.
In Fig. 5 ist dargestellt eine Einordnung fünf Empfangsspulen, deren geometrische Achsen in zwei gegenseitig senkrechten Ebenen liegen, in der horizontalen Ebene "X" und in der vertikalen Ebene "Y". Die geometrische Achse der Sendespule "Ls" darf dann im Raum eine beliebige Richtung haben, und ein Vorteil dieser Einordnung der Empfangsspulen sind kleinere Schwankungen der am Ausgang der Einrichtung abgegebenen Signalspannung als Funktion der Richtung der geometrischen Achse der Sendespule "Ls". In jeder Ebene sind für Signalempfang drei Empfangsspulen verwendet, in der Ebene "X" sind es "Lx1", "Lx2", "Lxy", in der Ebene "Y" sind es Empfangsspulen "Ly1", "Ly2", "Lxy". Die Empfangsspule "Lxy" ist gemeinsam für beide Ebenen. Der Winkel alpha zwischen zwei in einer Ebene liegenden geometrischen Achsen zwei benachbarter Empfangsspulen beträgt alpha = 60 DEG .
Es sind nur die Richtungen der geometrischen Achsen der Empfangsspulen gegenüber der Richtung der Ausbreitung des signalübertragenden magnetischen Feldes wichtig und diese bleiben beibehalten, auch wenn sich die "Lx" Empfangsspulen zum Beispiel in einer Linie befinden, wie in Fig. 6 dargestellt, oder wenn sich auch die "Ly" Empfangsspulen, also alle Empfangsspulen in der horizontalen Ebene befinden Fig. 6, Fig. 7.
In Einrichtungen, wo die Empfangsspulen aus Raumgründen sich in kleinen Distanzen nebeneinander befinden müssen und ihre gegenseitige induktive Kopplung kann nicht eliminiert werden, aber die Resonanzkreise dürfen sich nicht beeinflussen, dort ist es möglich, diese Schwierigkeiten damit zu umgeben, dass in einem Zeitpunkt und während eines Zeitabschnittes Länge "te" die Signalspannung nur von einem Resonanzkreis abgenommen wird, und nur dieser wird mit einem elektronischen Schalter zu dem Signalverstärker angeschlossen, die übrigen Resonanzkreise können dann mit elektronischem Schalter kurzgeschlossen, oder mindestens verstimmt werden.
In Fig. 8 ist Beispiel einer Einrichtung mit zwei Empfangsspulen "Lx", "Ly" mit gegenseitig senkrechten geometrischen Achsen "xg" und "yg", die in horizontaler Ebene liegen, die Richtung der geometrischen Achse "sg" der Sendespule "Ls" kann dann in horizontaler Ebene beliebig sein dürfen. Der elektronische Schalter "Sch.X" zum Anschliessen des Resonanzkreises mit der Empfangsspule "Lx", während einer Empfangszeit "te" zu dem Signalverstärker "A", oder zum Kurzschliessen dieses Resonanzkreises und der elektronische Schalter "Sch.Y" mit ähnlicher Funktion zu dem Resonanzkreis mit der Empfangsspule, sind mit der Schaltersteuerung (070) betätigt.
Die Signalspannung wird von den Resonanzkreisen in einem sich periodisch wiederholenden Empfangszyklus abgenommen und jeder Reso nanzkreis wird während dieses Empfangszyklus mit seinem elektronischen Schalter in einem nur ihm zugeordneten Zeitpunkt und während einer Empfangszeit "te" zu einem Signalverstärker "A" einmal angeschlossen. Dieser Empfangszyklus wiederholt sich periodisch, nach der Abnahme der Signalspannung von dem letzten Resonanzkreis wird die Signalspannung wieder von dem ersten Resonanzkreis abgenommen. Die Länge "tez" eines Empfangszyklus ist abhängig von der Art der ausgestrahlten Information und von der Art der Ausstrahlung dieser Information. In Fig. 11 sind die Impulsdiagramme der Einrichtung von Fig. 8, die Information wird in Form eines nichtmodulierten HF-Impulses von einer Länge "ts" ausgestrahlt.
Die Empfangsspule "Lx" befindet sich in einer Lage, bei welcher "x" = 0 DEG und die in ihr induzierte Spannung "Ux" ist maximal, die Empfangsspule "Ly" muss sich gleichzeitig in einer Lage, bei welcher "y" = 0 DEG befinden und die in ihr induzierte Spannung "Ux" ist gleich Null, Ux = 0.
Die Länge "tez" eines Empfangszyklus ist gegeben mit der Anzahl "a" der Empfangsspulen, mit der Empfangszeit "te" notwendigen zum sicheren Empfang der mit dem HF-Impuls übertragenen Information mit einer beliebigen Empfangsspule und bei einer beliebigen Position des HF-Impulses gegenüber dem Empfangszyklus, und mit der Zeit "toe", was die Zeit ohne Empfang ist, und das ist die Zeit zwischen zwei nacheinander folgenden Empfangszeiten "te" zweier Empfangsspulen. Die minimal notwendige Länge eines Empfangszyklus ist dann tez = a.te min + (a-1).toe. Die minimal notwendige Empfangszeit mit einer beliebigen Emp fangsspule ist: temin = 2.tiemin + toe, wobei tiemin die zum sicheren Empfang der übertragenen Information mit einer beliebigen Empfangsspule minimal notwendige Zeit ist.
Diese Zeit "tiemin" ist bestimmt mit der übertragenen Information, mit den Schaltzeiten der elektronischen Schalter und Ansprechzeiten des Verstärkers "A". Die Empfangszeit "temin" muss dann die Länge temin = 2.tiemin + toe haben, weil, wie in Fig. 11, Zeile "Ind. Spannung in Spule und Zyklus", in dem Zyklus "n" und in dem Zyklus "n+1" dargestellt, die "tiemin" muss auch bei einer ungünstigsten Position des HF-Impulses zu den Empfangszyklen gesichert bleiben. Aus den Impulsdiagrammen in Fig. 11 ist auch sichtbar, dass jeder in einem beliebigen Zeitpunkt gesendete HF-Impuls mit mindestens einem Empfangszyklus "tez" empfangen wird und jedesmal in dem Resonanzkreis mit der Empfangsspule "Lx" eine Signalspannung während eines Zeitabschnittes Länge: tind = tiemin induziert wird. Die Länge des HF-Impulses ist: ts = tez.
Wenn ein ausgestrahlter HF-Impuls während zu zwei nacheinander folgenden Empfangszyklen gehörenden Empfangszeiten "te" eines Resonanzkreises empfangen wird, wird während dieses HF-Impulses Länge "ts" die Signalspannung in diesem Resonanzkreis zweimal induziert. In Fig. 11 ist das der Fall bei dem HF-Impuls "m", der während des n-ten und (n+1)-ten Empfangszyklus empfangen wird. Mit einem HF-Impuls einer bestimmten Länge "ts" kann nur ein Informationsinhalt einer bestimmten Länge "ti" übertragen werden, zur Übertragung eines Informationsinhaltes einer Länge k.ti sind mindestens k-HF-Impulse und k-Empfangszyklen notwendig.
Eine Einrichtung mit drei Empfangsspulen "Lx", "Ly", "Lz", gegenseitig senkrechter geometrischer Achsen "xg", "yg", "zg", die eine Signalübertragung bei einer beliebigen Richtung der geometrischen Achse "xg" der Sendespule "Ls" im Raum ermöglicht, ist in Fig. 9 dargestellt. Die Induktivitäten "Lx", "Ly", "Lz" der drei Resonanzkreise haben einen gemeinsamen Abstimmkondensator "C", zu diesem und gleichzeitig zu dem Verstärker "A" werden während eines Empfangszyklus die Empfangsspulen mit elektronischen Schaltern "Sch.X", "Sch.Y", "Sch.Z" in einzelnen, jeweils nur einer Empfangsspule zugeordneten Zeitpunkten angeschlossen, die Resonanzkreise werden gebildet und die Signalspannung wird abgenommen. Da durch die Empfangsspulen ein Zirkulationsstrom der Resonanzkreise fliesst, sind als Schalter Feldeffekttransistoren verwendet.
Die Empfangsspule "Lz" ist eine Rahmentenne und ihre Induktivität wird mit der Abgleichspule "La" auf die Resonanzfrequenz abgeglichen. In Fig. 10 sind die Empfangsspulen abgebildet, "Lx" und "Ly" sind Ferritantennen und die "Lz" eine Rahmantenne, diese Kombination ist flach und ermöglicht auch eine flache Ausführung eines Gerätes, was besonders bei tragbaren und Taschengeräten von Vorteil ist. In Fig. 12 sind die zu der Einordnung von Fig. 9 gehörende Impulsdiagramme.
Eine Voraussetzung bei einem Empfang mit dem Ablauf, wie in den Impulsdiagrammen Fig. 11 und Fig. 12 dargestellt, ist einer während der ganzen Zeit "ts" der Ausstrahlung des HF-Impulses sich nicht ändernde Informationsinhalt, so dass mit einer beliebigen Empfangsspule während einer Empfangszeit "tiemin" in einem beliebigen Abschnitt des HF-Impulses immer der vollständige Informationsinhalt empfangen wird.
Wenn sich der Informationsinhalt während einer Ausstrahlungszeit "ti" ändern wird und muss während seiner ganzen Ausstrahlungszeit Länge "ti" ohne Unterbruch und vollständig empfangen werden, dann muss dieser Informationsinhalt während mindestens eines Empfangszyklus mit mindestens einer Empfangsspule vollständig und während seiner ganzen Länge "ti" ohne Untebruch empfangen werden. Das ist mit vorgeschlagener Einrichtung möglich, wenn während des HF-Impulses dieser Informationsinhalt w-mal wiederholt ausgestrahlt wird. Impulsdiagramme solchen Ablaufes einer Ausstrahlung eines solchen Informationsinhaltes "ti" sind in Fig. 13 und Fig. 14 dargestellt und beziehen sich auf die Einrichtung in Fig. 9.
Zur Vereinfachung ist in dem Impulsdiagramm Fig. 13 ein Idealfall angenommen, dass die Ansprech- und Abfallzeiten "ta" der elektronischen Schalter vernachlässigbar klein sind, dagegen in Fig. 14 sind diese Zeiten berücksichtigt.
Die Anzahl "a" der Empfangsspulen ist auch in diesem Fall mit den geforderten und zugelassenen Änderungen der Richtungen der geometrischen Achsen der Empfangsspulen und der Sendespule "Ls" und mit den zugelassenen Schwankungen der in den Empfangsspulen induzierten Signalspannung bestimmt.
Es gelten dieselben Regeln wie in dem vorher beschriebenen Fall einer Übertragung mit einem nicht modulierten, oder mit einem sich nicht ändernden Informationsinhalt modulierten HF-Impuls einer Länge "ts". Dass ein sich ändernder Informationsinhalt einer Länge "ti" während eines HF-Impulses einer Länge "ts" w-mal wiederholt, wobei die Anzahl "w" der Wiederholungen w = 2a, ausgestrahlt werden muss, ist aus der Fig. 14 sichtbar. In dem Beispiel in Fig. 1, Fig. 14 lediglich bei der Empfangsspule "Lx" befindet sich die geometrische Achse "xg" gegen dem signalübertragenden magnetischen Feld in solcher Richtung, dass in der Empfangsspule "Lx" eine Signalspannung induziert wird. Der HF-Impuls einer Länge "ts" ist in der Zeile 4 befindet sich gegen den Empfangszyklen (n-1),n, und (n+1) Zeile 5 in einer ungünstigen Position.
Der mit dem HF-Impuls "ts" (1) übertragene Informationsinhalt "ti" wird bei seiner (1) Ausstrahlung während des zu dem n-ten Empfangszyklus gehörenden Einschalten und bei seiner (6) Wiederholung während des zu dem (n+1) Empfangszyklus gehörenden Einschalten der Spule "Lx" in seiner vollständigen Länge "ti" empfangen, Zeilen 5, 6. Während des n-ten Empfangszyklus Zeile 5, 6 empfängt die Empfangsspule "Lx" vollständig auch die (6) Wiederholung des mit dem HF-Impuls "ts(0)" übertragenen Informationsinhaltes. Während des (n+1) Empfangszyklus empfängt die "Lx" Spule vollständig auch die (1) Ausstrahlung des mit dem HF-Impuls "ts(2)" übertragenen Informationsinhaltes.
Bei einer Verschiebung des HF-Impulses "ts(1)" noch weiter nach rechts, wird der mit ihm übertragene Informationsinhalt bei seiner (1) Ausstrahlung nicht mehr vollständig empfangen, wird aber während seiner (6) Wiederholung in demselben HF-Impuls "ts(1)" und während des (n+1) Empfangszyklus mit der Spule "Lx" vollständig empfangen.
Es muss weiter die zu einem sicheren Empfang eines ausgestrahlten Informationsinhaltes einer Länge "ti" und bei einer gegebenen Anzahl "a" der Empfangsspulen mit einer beliebigen Empfangsspule und bei einer beliebigen Position des HF-Impulses zu den Empfangszyklen minimal notwendige Länge "ts" des HF-Impulses und die minimal notwendige Länge "tez2" des Empfangszyklus bestimmt werden.
Die Länge "ts" des HF-Impulses, bei einer w-mal wiederholten Ausstrahlung eines Informationsinhaltes Länge "ti", besteht aus der "w.ti" langen Ausstrahlungszeit der Information und aus einer (w-1).toi langen Zeit ohne Ausstrahlung der Information und ist: ts = w.ti + (w-1).toi. Die Zeit "ti" wird als Grösse einer einmal gegebenen maximalen Länge "ti" angenommen, die Zeit "toi" ohne Ausstrahlung einer Information ist die Zeit zwischen zwei benachbarten Ausstrahlungen der Information und auch die Zeit zwischen zwei benachbarten HF-Impulsen. Die Zeit "toi" hat eine mit der Konzeption des Senders bedingte minimale Länge, die nicht unterschritten werden kann, aber oberhalb dieser Grenze ist sie frei wählbar und wird zur Anpassung der Länge "ts" des HF-Impulses auf seine notwendige Länge verwendet.
Die Länge "tez" eines Empfangszyklus ist: tez = a.te + (a-1).toe, die Zeit "te" ist die bei einer gegebenen Zeit 2 "ti" und "toi" minimal notwendige Empfangszeit mit einer beliebigen Empfangsspule, und bei einer beliebigen Position des HF-Impulses zu den Empfangszyklen zu einem vollständigen Empfang des ausgestrahlten Informationsinhaltes Länge "ti". Die Zeit "toe" ist die Zeit ohne Empfang, und das ist die Zeit zwischen zwei benachbarten Empfangszeiten "te" zweier Empfangsspulen.
Die minimal notwendige Empfangszeit "te" mit einer beliebigen Empfangsspule ist, wie in Fig. 14, Zeile 1, "HF-Impulse", Zeile 2, "Empfangszyklen" und Zeile 3, "Induzierte Spannung in Spule während Zyklus" sichtbar, gegeben mit einer zu einem einfachen und einzigen Empfang des ausgestrahlten Informationsinhaltes einer Länge "ti" notwendigen Empfangszeit "tie" und diese ist: tie = ti, wobei die längste noch erwartete Zeit "ti" eingesetzt wird, weiter mit der Länge der Zeit "toi" und mit den Ansprech- und Abfallzeiten "ta" des verwendeten elektronischen Schalters. Die minimal notwendige Empfangszeit "te" mit einer Empfangsspule ist dann: te = 2tie + toi + 2ta. Die notwendige Zeit "toi" ist: toi = 2ta + toe. Als "toe" wird die längste tatsächliche Zeit "toe" eingesetzt, diese beeinflusst die Länge "ts" des HF-Impulses und wird so kurz wie möglich gehalten.
Die notwendige Länge "ts" des HF-Impulses beträgt: ts = w.ti + (w-ti).toi, und die Länge "tez" eines Empfangszyklus beträgt: tez = a.te + (a-1).toe. Bei einer Ausstrahlung eines kürzeren Informationsinhaltes "ti" als maxi mal vorgesehen, muss die Zeit "toi" verlängert werden, damit die Länge "ts" des HF-Impulses unverändert bleibt oder muss auch die Länge "tez" des Empfangszyklus neu besitmmt werden. In den Impulsdiagrammen in Fig. 13 ist angenommen, dass die Ansprech- und Abfallzeiten des elektronischen Schalters vernachlässigbar kurz sind und dann ist: Ttoi = toe.
Statt eines HF-Impulses einer Länge "ts" mit einem w-mal aufmodulierten Informationsinhalt einer Länge "ti" können auch "w" HF-Impulse jeder einer Länge "ti" mit jeweils einmal aufmodulierten demselben Informationsinhalt einer Länge "ti" verwendet werden, und die Zeit "toi" zwischen zwei benachbarten HF-Impulsen bleibt gleicher Länge wie die Zeit "toi" zwischen zwei benachbarten Aufmodulierungen des Informationsinhaltes bei einer Übertragung mit einem HF-Impuls Länge "ts".
Die beschriebene Einrichtung ermöglicht bei einer Signalübertragung ausschliesslich mit magnetischem Feld und in den Bereichen einer induktiven Übertragung und einer Übertragung im Nahbereich, auch wenn die Richtung der Achse der Sendespule nicht bekannt ist, und muss beliebig sein dürfen und auch wenn die Richtungen der Achsen der Empfangsspulen nicht frei bestimmt werden können einen zuverlässigen Signalempfang, so dass es auch in solchen Bedindungen möglich ist, die Vorteile dieser Signalübertragung auszunützen.
In order to avoid a loss of reception due to the directional characteristics of the transmission and reception coil in the case of signal transmission with a magnetic field, measures are known to be a rotatable transmission coil or rotatable reception coil or a cross frame or the use of a plurality of transmission coils.
Disadvantages of the rotatable transmitter or receiver coil are a complicated mechanical design, the need for operation and the time required to set the axis of the coil, and fast and short-term signal transmission is usually not possible. In the case of signal transmission in the far field, the directions of the geometric axes for both coils must be adjustable and the positions of both coils must be known, since the directional diagrams of the transmitter coil are also two with a zero and with a range of zero radiation as in the case of a dipole.
The use of several transmitter coils with any permitted directions of their axes in space, but with mutually different and fixed directions of their geometric axes, so that the signal-transmitting magnetic field of at least one transmitter coil in the receiver coil must induce a signal voltage in any direction of its electrical axis, has some such disadvantages, but the information does not have to be broadcast at least once with each transmitter coil and the time required is also greater than is necessary for only one broadcast of the information, and there must be space available for the multiple transmitter coils.
The device described here, which is suitable for inductive signal transmission or for signal transmission in the short range, does not have these disadvantages.
A transmitter coil is used to excite the signal-transmitting magnetic field and, depending on the combination of the receiver coils used, the direction of its axis may be arbitrary in space or at least in one plane. For the reception of their field, several, but at least two, reception coils with a certain fixed angle alpha, given by the number of reception coils and the intended use of the device, are used between their geometric axes, but any direction of their axes in space or at least in one plane.
The voltage "U" induced in a receiving coil is a function of the angle @ between the perpendicular through the center of the receiving coil to its plane of the electrical axis and the direction of the magnetic field and is U = A.cos @ and is at a maximum at @ = 0 .
The perpendicular through the center of the receiving coil to its plane of the electrical axis is identical to the geometric axis of the receiving coil, the constant "A" is dependent on the intensity of the magnetic field through the receiving coil and on its design.
The number of receiving coils and the angle alpha between their geometric axes are chosen so that, in any desired direction of the axis of the transmitting coil, either in a plane or in space, the plane of the electrical axis in at least one receiving coil has such a direction with respect to the signal-transmitting magnetic field that a signal voltage must be induced in it.
The drawings show:
Fig. 1 input circuit with two receiving coils;
Fig. 2 input circuit with three receiving coils;
3 two receiving coils with mutually perpendicular axes lying in the field perpendicular to the geometric axis of the transmitting coil;
4 shows two receiving coils with mutually perpendicular axes lying in the field on the geometric axis of the transmitting coil;
Fig. 5 classification of five receiving coils in two mutually perpendicular planes;
Fig. 6 classification five receiving coils with different directions of their axes in space, but lying, in one plane;
Fig. 7 section to Fig. 6;
8 block circuit with two receiving coils and a common amplifier;
9 block circuit with three receiving coils and a common amplifier;
Fig. 10 classification two ferrite and a loop antenna;
Fig. 11 is a timing diagram for the circuit in Fig. 8;
Fig. 12 pulse diagram for the circuit in Fig. 9;
FIG. 13 shows a pulse diagram for the circuit in FIG. 9 and for repeated information broadcasting;
Fig. 14 pulse diagram for the circuit in Fig. 9 with non-ideal switches.
In Fig. 1 is an example of two receiving coils Lx, Ly, which have geometric axes "xg" and "yg" in the horizontal plane, and the angle between their geometric axes is alpha = 90 °. This arrangement enables, as shown in FIGS. 3 and 4, signal reception in any direction of the geometrical axis of the transmitting coil in the horizontal plane and any direction of the geometrical axes of the receiving coil in the horizontal plane. This is possible in the area of inductive transmission and in the close range because the signal-transmitting magnetic field of the transmitting coil "Ls" is the same, or at least it approaches the field of a solenoid.
The angle @ x = 0 ° and is minimal between the tangent to a field line "tx" and the geometric axis "xg" of the receiving coil Lx, and the signal voltage is only induced in the coil "Lx", where the coil is "Ly" the angle @ y = 90 ° and the induced signal voltage U = 0. With a geometric axis "sg" of the transmitter coil L "LS" rotated by 90 ° as shown in FIG. 4, the angle @ y = 0 ° between the tangent "ty" and the geometric axis "yg" of the receiving coil "Ly", the signal voltage is only induced in the receiving coil "Ly" and U = 0 in the coil "Lx". Each receiving coil is inductance of a resonance circuit tuned to the transmission frequency, from which the signal voltage is then taken. Both resonance circuits are galvanically decoupled, each resonance circuit is connected to its own amplifier "A".
The magnetic coupling between the resonance circuits must also be small, the resonance circuits must not influence each other. If the phase differences between the two induced signal voltages are small, then the signal voltage can be taken from the outputs of both amplifiers "A" which are decoupled by the resistors "R" and connected in parallel.
2 is a diagram of an arrangement of three receiving coils "Lx", "Ly", "Lz" with mutually perpendicular geometric axes, then the direction of the geometric axis of the transmitter coil may be arbitrary in space. Each receiving coil is inductance of a resonance circuit tuned to the transmitter frequency and each resonance circuit is connected to its own signal amplifier "A". It is also an example of a case where the signal voltages induced in resonant circuits have different phases, and only the outputs of the signal rectifiers "G" decoupled with resistors "R" can be connected in parallel and there the demodulated signal voltage can be taken off.
5 shows an arrangement of five receiving coils, the geometrical axes of which lie in two mutually perpendicular planes, in the horizontal plane “X” and in the vertical plane “Y”. The geometric axis of the transmitting coil "Ls" can then have any direction in space, and an advantage of this arrangement of the receiving coils is the smaller fluctuations in the signal voltage output at the device output as a function of the direction of the geometric axis of the transmitting coil "Ls". In each level three reception coils are used for signal reception, in the level "X" there are "Lx1", "Lx2", "Lxy", in the level "Y" there are reception coils "Ly1", "Ly2", "Lxy" . The reception coil "Lxy" is common to both levels. The angle alpha between two geometrical axes lying in one plane and two adjacent receiving coils is alpha = 60 °.
Only the directions of the geometrical axes of the receiving coils are important in relation to the direction of the propagation of the signal-transmitting magnetic field and these are retained even if the "Lx" receiving coils are in a line, for example, as shown in FIG. 6, or if they are The "Ly" receiving coils, that is to say all the receiving coils in the horizontal plane, are also shown in FIGS. 6 and 7.
In facilities where the reception coils have to be located at short distances next to each other for space reasons and their mutual inductive coupling cannot be eliminated, but the resonant circuits must not influence each other, it is possible to surround these difficulties with that at one point in time and during a period of time "te" the signal voltage is only taken from a resonance circuit, and only this is connected to the signal amplifier with an electronic switch, the other resonance circuits can then be short-circuited with an electronic switch, or at least detuned.
8 shows an example of a device with two receiving coils "Lx", "Ly" with mutually perpendicular geometric axes "xg" and "yg", which lie in the horizontal plane, the direction of the geometric axis "sg" of the transmitting coil "Ls" can then be any in the horizontal plane. The electronic switch "Sch.X" for connecting the resonance circuit to the receiving coil "Lx", during a reception time "te" to the signal amplifier "A", or for short-circuiting this resonance circuit and the electronic switch "Sch.Y" with a similar function the resonance circuit with the receiving coil are operated with the switch control (070).
The signal voltage is taken from the resonance circuits in a periodically repeating reception cycle and each resonance circuit is connected during this reception cycle with its electronic switch at a time assigned to it and during a reception time "te" to a signal amplifier "A" once. This reception cycle is repeated periodically; after the signal voltage has been removed from the last resonance circuit, the signal voltage is removed again from the first resonance circuit. The length "tez" of a reception cycle depends on the type of information broadcast and on the type of transmission of this information. In Fig. 11 are the pulse diagrams of the device of Fig. 8, the information is broadcast in the form of a non-modulated RF pulse of length "ts".
The receiving coil "Lx" is in a position in which "x" = 0 ° and the voltage "Ux" induced in it is maximum, the receiving coil "Ly" must be in a position in which "y" = 0 DEG and the voltage "Ux" induced in it is zero, Ux = 0.
The length "tez" of a reception cycle is given with the number "a" of the reception coils, with the reception time "te" necessary for the safe reception of the information transmitted with the HF pulse with any reception coil and at any position of the HF pulse the reception cycle, and with the time "toe", which is the time without reception, and that is the time between two successive reception times "te" of two reception coils. The minimum required length of a receive cycle is then tez = a.te min + (a-1) .toe. The minimum required reception time with any reception coil is: temin = 2.tiemin + toe, where tiemin is the minimum time required for the secure reception of the transmitted information with any reception coil.
This time "tiemin" is determined with the information transmitted, with the switching times of the electronic switches and response times of the amplifier "A". The reception time "temin" must then have the length temin = 2.tiemin + toe, because, as in FIG. 11, line "Ind. Voltage in coil and cycle", in the cycle "n" and in the cycle "n + 1 ", the" minimum "must remain secured even in the most unfavorable position of the RF pulse in relation to the receive cycles. It can also be seen from the pulse diagrams in FIG. 11 that each RF pulse transmitted at any time is received with at least one receive cycle "tez" and each time in the resonance circuit with the receive coil "Lx" a signal voltage during a period of length: tind = is induced. The length of the RF pulse is: ts = tez.
If an emitted RF pulse is received during reception times "te" of a resonance circuit belonging to two successive reception cycles, the signal voltage is induced twice in this resonance circuit during this RF pulse length "ts". In Fig. 11, this is the case with the RF pulse "m" received during the nth and (n + 1) th reception cycle. Only one information content of a certain length "ti" can be transmitted with an RF pulse of a certain length "ts", at least k RF pulses and k reception cycles are necessary to transmit an information content of a length k.ti.
A device with three receiving coils "Lx", "Ly", "Lz", mutually perpendicular geometric axes "xg", "yg", "zg", which transmit signals in any direction of the geometric axis "xg" of the transmitting coil "Ls "Enabled in space is shown in Fig. 9. The inductors "Lx", "Ly", "Lz" of the three resonance circuits have a common tuning capacitor "C", to this and at the same time to the amplifier "A" the receiving coils with electronic switches "Sch.X", " Sch.Y "," Sch.Z "at individual times, each associated with only one receiving coil, the resonance circuits are formed and the signal voltage is removed. Since a circulating current of the resonant circuits flows through the receiving coils, field-effect transistors are used as switches.
The reception coil "Lz" is a frame antenna and its inductance is adjusted to the resonance frequency with the adjustment coil "La". In Fig. 10 the receiving coils are shown, "Lx" and "Ly" are ferrite antennas and the "Lz" a frame antenna, this combination is flat and also enables a flat design of a device, which is particularly advantageous for portable and pocket devices. In Fig. 12 are the pulse diagrams belonging to the arrangement of Fig. 9.
A prerequisite for reception with the sequence, as shown in the pulse diagrams of FIGS. 11 and 12, is that the information content does not change during the entire time "ts" of the emission of the RF pulse, so that with any reception coil during a Receive time "tiemin" in any section of the RF pulse, the complete information content is always received.
If the information content changes during a transmission time "ti" and length "ti" must be received without interruption and completely during its entire transmission time, then this information content must be complete during at least one reception cycle with at least one reception coil and over its entire length "ti" can be received without interruption. This is possible with the proposed device if this information content is repeatedly broadcast w times during the RF pulse. Pulse diagrams of such a sequence of broadcasting such information content “ti” are shown in FIGS. 13 and 14 and relate to the device in FIG. 9.
For simplification, an ideal case is assumed in the pulse diagram in FIG. 13 that the response and fall times "ta" of the electronic switches are negligibly short, whereas in FIG. 14 these times are taken into account.
In this case too, the number "a" of the reception coils is determined by the required and permitted changes in the directions of the geometric axes of the reception coils and the transmission coil "Ls" and by the permitted fluctuations in the signal voltage induced in the reception coils.
The same rules apply as in the case of a transmission with an unmodulated or with an unchanging information content modulated RF pulse of length "ts". It can be seen from FIG. 14 that a changing information content of a length "ti" repeats w times during an RF pulse of a length "ts", the number "w" of the repetitions w = 2a. In the example in FIG. 1, FIG. 14 only for the reception coil "Lx", the geometric axis "xg" is located against the signal-transmitting magnetic field in such a direction that a signal voltage is induced in the reception coil "Lx". The RF pulse of length "ts" in line 4 is against the receive cycles (n-1), n, and (n + 1) line 5 in an unfavorable position.
The information content "ti" transmitted with the RF pulse "ts" (1) is transmitted when it is (1) transmitted during the switch-on belonging to the nth reception cycle and when it is (6) repeated during the (n + 1) Receiving cycle of switching on the coil "Lx" received in its entire length "ti", lines 5, 6. During the nth reception cycle lines 5, 6, the receiving coil "Lx" also completely receives the (6) repetition of the RF Pulse "ts (0)" transmitted information content. During the (n + 1) reception cycle, the "Lx" coil also completely receives the (1) transmission of the information content transmitted with the RF pulse "ts (2)".
If the RF pulse "ts (1)" is shifted even further to the right, the information content transmitted with it will no longer be completely received when it is (1) transmitted, but will be in the same RF pulse "ts during its (6) repetition (1) "and received completely with the coil" Lx "during the (n + 1) reception cycle.
There must also be the minimum length "ts" of the RF required for the secure reception of a broadcast information content of a length "ti" and for a given number "a" of the receive coils with any receive coil and for any position of the RF pulse in relation to the receive cycles Impulses and the minimum necessary length "tez2" of the reception cycle can be determined.
The length "ts" of the RF pulse, in the case of a w-repeated transmission of information content length "ti", consists of the "w.ti" long transmission time of the information and a (w-1) .toi long time without transmission of information and is: ts = w.ti + (w-1) .toi. The time "ti" is assumed to be the size of a given maximum length "ti", the time "toi" without broadcasting information is the time between two adjacent broadcasts of the information and also the time between two adjacent RF pulses. The time "toi" has a minimum length due to the design of the transmitter, which cannot be undercut, but above this limit it can be freely selected and is used to adjust the length "ts" of the RF pulse to its required length.
The length "tez" of a reception cycle is: tez = a.te + (a-1) .toe, the time "te" is the minimum necessary reception time for any given coil with a given time 2 "ti" and "toi", and at any position of the RF pulse to the reception cycles for a complete reception of the broadcast information content length "ti". The time "toe" is the time without reception, and that is the time between two adjacent reception times "te" of two reception coils.
The minimum necessary reception time "te" with any receiving coil is, as shown in FIG. 14, line 1, "RF pulses", line 2, "reception cycles" and line 3, "induced voltage in coil during cycle" a reception time "tie" necessary for a simple and single reception of the broadcast information content of a length "ti" and this is: tie = ti, the longest expected time "ti" being used, further with the length of the time "toi" and with the response and fall times "ta" of the electronic switch used. The minimum necessary reception time "te" with a reception coil is then: te = 2tie + toi + 2ta. The necessary time "toi" is: toi = 2ta + toe. The longest actual time "toe" is used as "toe", this influences the length "ts" of the RF pulse and is kept as short as possible.
The necessary length "ts" of the RF pulse is: ts = w.ti + (w-ti) .toi, and the length "tez" of a reception cycle is: tez = a.te + (a-1) .toe. If a shorter information content "ti" is provided than maximum times, the time "toi" must be extended so that the length "ts" of the RF pulse remains unchanged or the length "tez" of the reception cycle must also be redefined. In the pulse diagrams in FIG. 13, it is assumed that the response and fall times of the electronic switch are negligibly short and then: Ttoi = toe.
Instead of an RF pulse of a length "ts" with a information content of a length "ti" modulated w times, "w" RF pulses of a length "ti" each with the same information content of a length "ti" modulated once can be used, and the time "toi" between two adjacent RF pulses remains the same length as the time "toi" between two adjacent modulations of the information content in a transmission with an RF pulse length "ts".
The described device enables a signal transmission exclusively with a magnetic field and in the areas of inductive transmission and transmission in the near range, even if the direction of the axis of the transmitting coil is not known and must be arbitrary and also if the directions of the axes of the receiving coils Reliable signal reception cannot be freely determined, so that it is also possible in such conditions to take advantage of this signal transmission.