BESCHREIBUNG
Bei einer Signalübertragung, die ausschliesslich mit dem magnetischen Feld erfolgt, haben die zur Erregung des magnetischen Feldes verwendete Sendespule und die zum Empfang verwendete Empfangsspule, die z.B. Rahmenantennen sein können, ausgeprägte Richtwirkungen.
Die durch den Anspruch 1 vorgeschlagene Erfindung ermöglicht eine Signalübertragung, die ausschliesslich mit dem magnetischen Feld erfolgt, und zwar auch bei beliebigen und nicht definierten Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen und/oder der Empfangsspule.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise erörtert. Dabei zeigt:
Fig. 1 das Richtdiagramm Rd einer Rahmensendeantenne Ls in der Ebene E ihrer elektrischen Achse,
Fig. 2 das Richtdiagramm Rd einer Rahmensendeantenne Ls in einer Ebene Dr, die senkrecht zur Ebene E ihrer elektrischen Achse ist, und Darstellung der geometrischen Achse g der Sendespule,
Fig. 3 die Richtcharakteristik Rc einer Rahmensendeantenne Ls, in Grundriss, Aufriss und Schnitt,
Fig. 4 eine Rahmenempfangsantenne Le im magnetischen Feld H und den Winkel T zwischen der Richtung des magnetischen Feldes und der Senkrechten sp zur Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule, wobei die Senkrechte sp identisch mit der geometrischen Achse g ist,
Fig.
5 eine Darstellung der Feldlinien fj,k,(a)(b), des magnetischen Feldes einer Rahmensendeantenne Ls, ihrer Mittelpunkte Mj,k,(a)(b), ihrer Radien rj,k,(a)(b) und ihrer Zentrallinie zl, die identisch mit der elektrischen Achse el ist,
Fig. 6 eine Anordnung mit J = 3 Sendespulen L1, L2, L5 in der horizontalen Ebene mit einem Winkel a = 60 zwischen den Ebenen ihrer elektrischen Achsen und eine Darstellung der maximalen Reichweite dmax dieser Anordnung,
Fig. 7 den Punkt P1 gemäss Fig.
6 mit den ihm zugeordneten Feldlinien f2ia, f3la, ihren Mittelpunkten M2la, Mal,, Zentrallinien Z2, Z3, Normalen n2lal, n3lal, Tangenten t2lal, t3lal, dem Schnittwinkel (p beider Tangenten und dem Ergänzungswinkel ,
Fig. 8 den Vollwinkel 360" beim Punkt P1 nach Fig. 7 in einer Rahmenempfangsantenne Le mit ihrer Senkrechten sp, die in der ungünstigsten Richtung liegt, wobei die beiden Winkel T ihre gleichzeitig möglichen Maximalwerte 731au = T2lai = 600 aufweisen,
Fig.
9 eine Anordnung mit J = 3 Sendespulen L1, L2, L3 in einer horizontalen Ebene und in Winkeln von a = 60 , mit einer Empfangsspule Le in maximaler Reichweite dmax und mit einer in den Punkten P1, P2 ungünstigsten, im Punkt P3 günstigsten Richtung ihrer jeweiligen Senkrechten sp gegenüber dem magnetischen Feld,
Fig. 10 eine übersichtlichere Darstellung der dem Punkt P2 nach Fig. 9 zugeordneten Feldlinien, Tangenten und Empfangsspule,
Fig. 11 eine Anordnung mit J = 4 Sendespulen L1, L2, L3, L4 in der horizontalen Ebene und dem Winkel a = 45 , mit einer Empfangsspule Le in maximaler Reichweite dmax und mit der in den Punkten P1, P2 ungünstigsten, im Punkt P3 günstigten Richtung ihrer jeweiligen Senkrechten sp gegenüber dem magnetischen Feld,
Fig. 12 eine übersichtlichere Darstellung der dem Punkt P2 nach Fig.
11 zugeordneten Feldlinien, Tangenten und Empfangsspule,
Fig. 13 das Feld und die Feldlinien einer Sendespule Ls bei einer x a und einem Verhältnis D/l = 1, worin D der Durchmesser und 1 die Länge der Sendespule ist,
Fig. 14 einzelne Richtcharakteristiken Rcl, Rc2, Rc3 in der vertikalen Ebene bei a = 60 ,
Fig. 15 die Ergänzung der einzelnen Richtcharakteristiken Rcl, Rc2, Rc3 der Sendespulen L1, L1, L3 in den Zeitpunkten T1, T2, T3 zu einer zeitlich veränderlichen Richtcharakteristik mit maximaler Reichweite drnax, und
Fig.
16 ein Beispiel mit J = 3 Sendespulen L1, L2, L3, die mit Kondensatoren C1, C2, C3 zu Resonanzkreisen ergänzt und auf die Sendefrequenz abgestimmt sind, welche über elektronische Schalter Ql, Q2, Q3 mit einer gemeinsamen Endstufe Q7 verbindbar und über elektronische Schalter kurzschliessbar sind.
Die im weiteren als Ebene E der elektrischen Achse der Sende- und Empfangsspule bezeichnete Ebene ist gleichzeitig die Ebene der Windungen einer Spule. In dieser Ebene E liegt die elektrische Achse e der Sendespule oder der Empfangsspule; die geometrische Achse g dieser Spulen ist wie gewöhnlich die Längsachse. Die elektrische Achse e bezieht sich immer auf ein Richtdiagramm, und sie ist die Schnittlinie der Ebene E der elektrischen Achse mit der Ebene Dr des Richtdiagramms (Fig.
1, 2und3).
In der Ebene E der elektrischen Achse ist das Richtdiagramm einer Rahmenantenne Ls ein Kreis mit dem Mittelpunkt im Zentrum der Rahmenantenne; die Rahmenantenne hat in der Ebene E keine Richtwirkung (Fig. 1). In der Ebene, welche senkrecht zu der Ebene E ist und als Ebene Dr des Richtdiagramms bezeichnet wird, besteht das Richtdiagramm aus zwei Kreisen Rd, deren Zentren die elektrische Achse der Spule bestimmen. Die zwei Kreise haben in der Mitte der Rahmenantenne einen Berührungspunkt; die elektrische Achse e ist gleichzeitig die Zentralline z von beiden Kreisen (Fig. 2). Bei einer Sendespule liegt das Maximum der Feldstärke in der Richtung der Ebene E der elektrischen Achse, und das ist auch die Hauptstrahlrichtung; das Minimum liegt in der Senkrechten sp zum Mittelpunkt der elektrischen Achse e des Senderahmens (Fig. 3, 2).
Die in der Empfangsspule induzierte Spannung UO ist eine Funktion der Feldstärke und des Winkels T zwischen der Senkrechten sp zur elektrischen Achse in ihrem Mittelpunkt, die auch die Richtung des magnetischen Feldes für die maximal in der Empfangsspule induzierte Spannung UO angibt, und der wirklichen Richtung des magnetischen Feldes (Fig. 4).
Die induzierte Spannung U0 ist: U0 = A # cos # # 1/r. Sie kann zwischen einem minimalen Wert gleich Null bei # = 90 und einem maximalen Wert UO = max bei T = 0" schwanken. Unter der Konstante A sind die Konstanten der Empfangsspule zusammengefasst. Im Fernfeld ist die induzierte Spannung UO umgekehrt proportional zur Entfernung r von der Sendespule.
Die Richtung des magnetischen Feldes in einem Punkt innerhalb der Reichweite der Sendeantenne ist durch die Richtung der Ebene E der elektrischen Achse und die Entfernung von der Sendespule gegeben. Bei einer allgemeinen Richtung der Ebene E der elektrischen Achse der Empfangsspule, aber auch bei einer einstellbaren Richtung der Ebene E der Empfangsspule kann die Ebene E der elektrischen Achse der Sendespule nicht eine beliebige Richtung haben; die Empfangsspule muss sich innerhalb der Richtcharakteristik der Sendespule befinden. eine gewisse Abhilfe kann die Verwendung des Kreuzrahmens als Sendespule bringen.
Schwierigkeiten bereitet aber die gegenseitige Beeinflussung der magnetischen Felder beider Sendespulen, da in der Richtcharakteristik kleine Minima entstehen.
Wenn also die Empfangsspule oder die Sendespule zu Geräten mit nicht festem Standort gehören, oder wenn die Empfangsspule Signale aus verschiedenen Richtungen empfangen muss, oder wenn die Sendesignale in verschiedenen Richtungen empfangen werden müssen, muss die Richtung der elektrischen Achse der Ebene E einstellbar sein.
Wenn aber die Richtung der Ebene E der elektrischen Achse der Sendespule oder der Empfangsspule oder der beiden nicht einstellbar ist und die Geräte sich in einer beliebigen, nur zufälligen Lage und in einem beliebigen Punkt in einem Raum innerhalb der Reichweite der Einrichtung befinden, dann kann auch der Winkel T nur zufällig sein, und die in der Empfangsspule induzierte Spannung UO kann gleich Null sein. In solchen Fällen ist mit den bekannten Systemen eine Signalübertragung mit dem magnetischen Feld nicht brauchbar.
Eine Signalübertragung, die ausschliesslich mit dem magnetischen Feld zu erfolgen hat, weist jedoch in vielen Fällen und besonders im Bereich der niedrigeren Übertragungsfrequenzen im akustischen- bis Langwellenbereich Vorteile auf. So ist z.B.
beim Durchgang durch gewisse Medien inklusive nichtmagnetischer Metalle die Signaldämpfung wesentlich kleiner als bei einer Übertragung mit der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes. Der mögliche und unvermeidbare Empfangsverlust infolge der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsantenne ist als nicht definierbare Eigenschaft ein entscheidender Nachteil.
Dieser Nachteil wird durch die hier vorgeschlagene und beschriebene Erfindung vermieden.
Da die Einrichtung sich allgemein auf Systeme für eine Signalübertragung mit magnetischem Feld bezieht, wird im folgenden allgemein von einer Sendespule und einer Empfangsspule gesprochen.
Das allgemeine Prinzip der Einrichtung wird aber zuerst anhand einer Einrichtung mit einer Sende- und Empfangsrahmenantenne erklärt, da diese allgemein bekannte Richtcharakteristiken aufweist.
Die Empfangs spule entspricht einer gewöhnlichen Ausführung einer Rahmenantenne. Zur Vereinfachung wird zuerst der Fall erklärt, bei dem die Ebene E der elektrischen Achsen der Empfangsspule vertikal verläuft, so dass ihre Richtung und damit auch die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit nur in der horizontalen Ebene variabel ist. Die Empfangsspule muss wie gewöhnlich mit einem magnetischen Feld mit einer solchen Richtung erreicht werden, dass der Winkel T ausreichend klein ist. Dazu sollen zum Erregen des magnetischen Feldes statt wie üblich eine oder zwei Sendespulen wie beim Kreuzrahmen, mehrere, J -Sendespulen L1, L2,...Lj in einer räumlichen Anordnung, die weiter unten beschrieben wird, verwendet werden.
Die einer beliebigen Sendespule Lj zugeordneten Bezeichnungen sind in der Fig. 5 angegeben.
Die von der j-ten Sendespule ausgehenden Feldlinien werden mit fj, die entsprechenden Zentrallinien mit zj, und die elektrischen Achsen mit e, bezeichnet, wobei j = 1, 2,... ist.
Die erste, zweite,...k-te zu ein und derselben Sendespule und zu ein und demselben magnetischen Feld zugeordnete Feldlinie wird mit fj,k mit k = 1, 2,...k bezeichnet, wobei die obere oder die rechte Hälfte der Feldlinien als a-te Hälfte und die Feldlinien mit fj.k,a bezeichnet werden, und wobei die untere oder die linke Hälfte als b-te Hälfte der Feldlinien und die Feldlinien mit fj,k,b bezeichnet werden. Die zu den Feldlinien zugeordneten Mittelpunkte werden analog mit Mj,k,(a)(b), worin (a)(b) die Bedeutung a oder b hat, und die Radien mit rj,k,(a)(b) bezeichnet werden. Die erregten magnetischen Felder gleicher Feldstärke sind mit Feldlinien in Form von Kreisen mit gleichem Radius dargestellt.
Die im Text gebrauchten Normalen, Tangenten, Winkel T und induzierten Spannungen U beziehen sich immer auf einen bestimmten Punkt Pj im magnetischen Feld der Sendespulen und tragen den Index i, mit i = 1, 2,...i. Die Normalen sind mit nj,k,(a)(b),is die Tangenten mit tj,k,(a)(b),i, der Winkel T mit Tj,k,(a)(b),i und die induzierte Spannung mit Uj,k,(a)(b),i bezeichnet.
Die Sendespulen haben eine kleine Distanz zueinander und befinden sich alle in einer, in diesem Beispiel horizontalen Ebene. Die geometrischen Achsen g der Sendespulen liegen in ein und derselben Ebene; anderenfalls können die senkrechten Parallelprojektionen der geometrischen Achsen in einer zu allen geometrischen Achsen parallel liegenden Ebene, der Ebene G der geometrischen Achsen, liegen, zu der die Ebenen E der elektrischen Achsen senkrecht stehen. Mit anderen Worten: die geometrischen Achsen aller Sendespulen müssen sich entweder in einer Ebene G befinden oder alle parallel zur Ebene G der geometrischen Achsen liegen. Die Ebenen der elektrischen Achsen Es, E2, . .Ej aller Sendespulen haben in diesem Fall eine vertikale Richtung. Die Ebenen der elektrischen Achse zweier benachbarter Sendespulen haben einen Schnittwinkel a.
Um diesen Winkel a sind die elektrischen Achsen ei, e2,...q und die geometrischen Achsen gl, g2,...gj gegeneinander gedreht, und um denselben Winkel a sind dann auch ihre magnetischen Fel der in dem Raum gedreht. Ein Beispiel von drei Sendespulen mit einem Winkel a = 60 ist in Fig. 6 dargestellt.
Die gegenseitigen Richtungen der Ebenen E der elektrischen Achsen der Sendespulen sind also fest gegeben, aber ihre Richtung gegenüber der Empfangsspule darf jetzt beliebig sein. Zur Erzeugung der magnetischen Felder werden die Sendespulen nicht gleichzeitig erregt, aber jede Sendespule L1,2,...j wird in einem anderen, nur ihr zugeordneten Zeitpunkt T1, T2,...Tj erregt; der Sendespule L1 ist der Zeitpunkt T1, der L2 der T2, usw. und der Lj der Zeitpunkt Tj zugeordnet, so dass diese Zeitpunkte nicht zusätzlich in den Zeichnungen und Berechnungen erwähnt werden müssen. Zur Vereinfachung der Darstellung und der Berechnung können die von verschiedenen Sendespulen L1, L2.,,,Lj und in verschiedenen Zeitpunkten T1, T2,...Tj erregten magnetischen Felder in einem einzigen Bild gezeichnet werden.
Fig. 6 ist eine prinzipielle Darstellung einer Ausführung mit J = 3 Sendespulen und a = 60 und der zugeordneten Feldlinien.
Die Impulsdauer der Erregung einer Sendespule Lj ist für alle Sendespulen konstant, d.h. Ter = konst. Die Erregungszeit Ter ist durch die Übertragungsfrequenz und den während einer Erregung der Sendespule übertragenen Informationsinhalt bestimmt; Ter soll so kurz wie möglich sein.
Die Empfangsspule Le wird in einem Zeitpunkt Tj mit dem magnetischen Feld nur einer Sendespule durchflossen. Die von den verschiedenen magnetischen Feldern in der Empfangs spule induzierten Spannungen können sich nicht gegenseitig kompensieren. In der Richtcharakteristik können aus diesem Grund auch keine Minima oder Nullstellen entstehen. Eine Informationsübertragung besteht aus einer mit der übertragenen Information gegebenen Folge von Signalübertragungszyklen, und in jedem Signalübertragungszyklus kann ein unterschiedlicher Informationsinhalt übertragen werden.
Während eines Signalübertragungszyklus wird, wie schon erwähnt, jede Sendespule einmal erregt. Nach der Erregung der letzten Sendespule und dem Ende eines Signalübertragungszyklus wird wieder die erste Sendespule erregt, und der nächste Zyklus fängt an. Während eines Signalübertragungszyklus muss in einem beliebigen Punkt Pi innerhalb der maximalen Reich- weite der Einrichtung die Empfangsspule von magnetischen Feldern ausreichender Feldstärke aus mindestens zwei Sendespulen erreicht werden, und diese Felder sind gegeneinander um den Winkel s oder s = k @α (k = 1, 2,...) gedreht (Fig. 6).
Die in der Empfangsspule die Spannung Uj,k,(a)(b).i induzierenden Feldlinien müssen nicht von zwei benachbarten Sendespulen erregt werden; bei zwei benachbarten Sendespulen ist der Koeffizient k = 1, und die Felder sind um den Winkel a gedreht; bei zwei gerad- oder ungeradzahligen Sendespulen ist k = 2, und diese Felder sind um den Winkel E = 2 a gedreht (Fig. 6 und 7).
Die maximale Reichweite dmax der Einrichtung bei einer bestimmten Feldstärke ist die kleinste maximale Entfernung eines Punktes P1 von den Sendespulen, in welcher die Empfangsspule von mindestens zwei Feldern dieser Feldstärke noch durchflossen wird (Fig. 6 und 7).
Der Winkel T hat jetzt in einem Punkt Pi mehrere aber mindestens zwei Werte Tj.k,(a)(b),i (Fig. 8). Jetzt ist aber mindestens einer von den mehreren Winkeln T klein genug, so dass in der Empfangsspule eine Spannung
1 Uj,k,(a)(b) = A # cos #j,k,(a)(b),i # induziert wird. Diese rj,k,(a)(b),i Spannung ist dem Radius rj,k,(a)(b) der die Empfangsspule durchfliessenden Feldlinie umgekehrt proportional.
Die möglichen Maximalwerte des Winkels T und die maximale Reichweite dmax der Einrichtung ist durch die frei wählbare Anzahl J der Sendespulen und den Winkel a bestimmt. Die maximale Reichweite einer Einrichtung mit J Sendespulen und dem Winkel a wird mit dmax J/a bezeichnet. Damit die unterschiedlichen Werte von das bei variablen J und a vergleichbar bleiben, wird immer derselbe Radius einer Feldlinie rj,k,(a)(b) als Einheitsradius rein = 1 eingesetzt.
Die möglichen Maximalwerte der Winkel T und damit auch die induzierte Minimalspannung U in einem Punkt P1 innerhalb der Reichweite können bestimmt werden, wenn die Richtungen der magnetischen Felder in diesem Punkt bekannt sind, wenn im Punkt Pi die Tangenten tj,k,(a)(b),i zu den Feldlinien fj,k,(a)(b),i bestimmt werden können und die ungünstigste Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule zu den Tangenten vorausgesetzt wird. Dies ist möglich in einer Darstellung, bei der Feldlinien aller Sendespulen oder mindestens die den Punkt Pi durchfliessenden Feldlinien gezeichnet sind.
Ein beliebiger Punkt P1 innerhalb der Reichweite dmax der Einrichtung ist gleichzeitig ein Schnittpunkt der Feldlinien fj,k,(a)(b),i, der den Feldlinien zugeordneten Tangenten tj,k,(a)(b),i und der Normalen nj,k,(a)(b),i, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei in Fig. 7 der Punkt Pi von Fig. 6 mit den ihm zugeordneten die Ui induzierenden Feldlinien, Normalen, Tangenten und Winkeln ohne allgemeine Bezeichnung noch einmal dargestellt ist. Der Vollwinkel im Punkt Pi und die ihm zugeordneten Winkel sind in Fig. 8 dargestellt.
Der Winkel E ist, wie erwähnt, der Winkel e = k α zwischen den Zentrallinien Z1,2,...j der Feldlinien, die die Empfangsspule im Punkt Pi durchfliessen und für welche die maximalen Werte der Winkel Tj,k,(a)(b),i bestimmt werden sollen.
Der Winkel ss zwischen den Normalen nj k,(a)(b)i ist gleich dem Winkel ±. Der Schnittwinkel 63 der Tangenten tj,k,(a)(b),i ist 63 = 180 - ss und der Ergänzungswinkel Ml = 1800 - 63 = . Die Empfangsantenne kann im Punkt Pi eine solche Richtung haben, dass die Summe der beiden Winkel Tjl,kl,(a)(b)i + Tj2,k2,(a)(b),i = (p oder Tjl,ks (a)(b)i + Tj2,k2,(a)(b),i = W ist.
In einem Punkt Pi innerhalb der Reichweite der Einrichtung haben die beiden Winkel #j1,k1,(a)(b),i und #j2,k2,(a)(b),i die maximalen Werte, die gleichzeitig möglich sind, wenn Tji,kI,(a)(b),i = #j2,k2,(a)(b),i ist und bei einer der ungünstigsten Richtungen der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule. Bei einer solchen Richtung ist die Senkrechte sp die Winkelhalbierende des grösseren von den beiden Winkeln 63 oder Ml und dann ist
63 Tji.ki,(a)(b).i max = Tj2,k2,(a)(b),i max = - max oder
2
Ml #j2,k2,(a)(b),i max = #j2,k2,(a)(b),i max = ¸ max.
In zwei identischen Feldern, die immer von denselben sendespulen erregt sind, haben der Schnittwinkel 63, der Ergänzungswinkel v und der maximale Winkel T von den Radien der Feldlinien fj,k,(a)(b),i, die der Entfernung von den Sendespulen entsprechen, einen konstanten Wert.
Zur Bestimmung der maximalen Reichweite der Einrichtung kann noch präzisiert werden, dass die maximale Reichweite dmax bei einer bestimmten Feldstärke, die einem bestimmten Radius der Feldlinien entpricht, die kleinste maximale Entfernung von den Sendespulen ist, in welcher die Empfangsspule von mindestens zwei Feldern dieser bestimmten Feldstärke noch erreicht wird, dies entspricht zwei Feldlinien mit diesem bestimmten Radius, wie in Fig. 7 dargestellt, wobei dmax = 2 cos - j.k,(a)(b),i
2 und rj.k.(a)(b)i der Radius einer Feldlinie mit dem Schnittpunkt der Geraden im Punkt Pi ist.
Damit bei verschiedenen frei wählbaren Grössen für die Anzahl der Sendespulen und für die Winkel a, aber bei derselben Feldstärke, die den Feldlinien mit demselben Radius entspricht, die erreichten maximalen Reichweiten dmax vergleichbar bleiben, muss der Radius einer Feldli nie derselben Feldstärke als Einheitsradius rein = l eingestellt und eine maximale Reichweite als Einheitsmaximalreichweite dmax ein gewählt werden.
Die allgemeine maximale Reichweite wird dann als Produkt aus einem Koeffizienten a und der Einheitsmaximalreichweite das ein ausgedrückt und mit dmax J/α bezeichnet, so dass drnnx J/α = a dmax ein mit
EMI4.1
Als Einheitsmaximalreichweite dmax ein wird die maximale Reichweite bei J = 3 Sendespulen und a = 60 , ± = 1200 und einer Einheitsfeldlinie mit rein = 1 gewählt.
Dann ist: dmax ein = 2 cos #/2 # rein dmax ein = 2 # cos 60 # rein = 2 # 0,5 # rein dmaxein = 1
Der Koeffizient a kann nun wie folgt berechnet werden:
EMI4.2
Der Einfluss der Anzahl J der Sendespulen und des Winkels a auf die Schwankungen der maximalen Reichweite dmax, der möglichen Maximalwerte der Winkel T und der induzierten Spannung Ui in der Entfernung der maximalen Reichweite dmnx wird anhand von drei Beispielen gezeigt.
Damit die induzierten Spannungen vergleichbar bleiben, wird eine Einheitsinduziertspannung bei T = 0 und rein = 1 als Uein = 1 gewählt und rj,k,(a)(b),i als rj,k,(a)(b),i = a # rein eingesetzt.
Beispiel I
Zur Erzeugung der magnetischen Felder werden J = 3 Sendespulen mit einem Winkel a = 60 verwendet (Fig. 9 und 10).
In der Fig. 10 ist der Punkt P2 und die ihm zugeordneten Feldlinien, Tangenten und Winkel übersichtlicher dargestellt.
Die maximale Reichweite ist dmnn 3/60 = rein = 1.
Im Punkt P1 ist # = 60 , # = 1200, #21a1 = #11a1 = max #/2 = max 60
1 min U21a1 = U11a1 = cos 60 # 0,5 Uein rein
Im Punkt P2 ist # = 120 , # = 60 , r12b2 = r32b2 = 0,59 rein #12b2 = #32b2 = max #/2 = max 60
1 min U12b2 = min U32b2 = cos 60 = 0,848 Uein
0,59 rein
Im Punkt P3 ist #22b3 = 0 , r22b3 = 0,5 rein
1 max U22b3 = cos 0 = 2 Uein.
0,5
Die möglichen Maximalschwankungen Uj,k,(a)(b),i in einer Entfernung dmax sind:
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Beispiel 2
Zur Erzeugung der magnetischen Felder werden J = 4 Sendespulen mit einem Winkel a = 45 verwendet (Fig. 11 und 12).
In der Fig. 12 ist der Punkt P2 mit den ihm zugeordneten Feldlinien, Tangenten und Winkeln übersichtlicher dargestellt.
Die maximale Reichweite dmax 4/45 = 2 # cos #/2 # 1, # = 90 drna,c = 2 cos 45 = 2 0,707 = 1,41 dein
In dem Punkt P1 ist # = 900, # = 900 #31a1 = #11a1 = max #/2 = max 45
1 min U31a1 = min U11a1 = cos 45 = 0,707 Uein rein
In dem Punkt P2 ist # = 1350, Ml = 45 63 x32a2 = T22b2 = max - = max 67,5
2 r22b = r32a = 0,765 rein
1 min U32a2 = min U22b2 = cos 67,5 # = 0,5 Uein
0,765
In dem Punkt P3
ist T = 00, r32b = 0,7 rein 1 max U23b3 = cos 0 # = 1,34 Uein
0,7
Die möglichen maximalen Schwankungen Uj,k,(a)(b),i in einer Entfernung dmax sind:
EMI4.4
Beispiel 3
Zur Erregung der magnetischen Felder werden J = 5 Sendespulen mit dem Winkel a = 360 verwendet.
Die maximale Reichweite dmnn 5/36D = 1,62 dmax ein
Der Winkel variiert zwischen Tm10 = 0 und Tmnx = 72
Die induzierte Spannung Uj,k,(a)(b),i in einer Entfernung dmax schwankt zwischen Uj,k,(a)(b),i min = 0,31 Uein und Uj,k,(a)(b),i max = 1, = 3,22 = 10dB.
0,31
Im allgemeinen Fall soll die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule nicht nur in der horizontalen, sondern auch in der vertikalen Richtung geändert werden können. Die Sendespulen müssen dann in mindestens zwei senkrecht liegenden Ebenen angeordnet sein, wobei in jeder Ebene drei, vier oder fünf Sendespulen mit den entsprechenden Winkeln a zwischen den Ebenen der elektrischen Achsen verwendet werden können.
In der Fig. 14 sind die einzelnen Richtcharakteristiken Rcj von drei in der vertikalen Ebene liegenden Sendespulen L1, L2, L3 mit dem Winkel a = 60 dargestellt. In der Fig. 15 ist eine Ergänzung der einzelnen Richtcharakteristiken Rcl, Rc2, Rc3 der Sendespulen LI, L2, L3 in den Zeitpunkten T1, T2, T3 zu einer gemeinsamen, zeitlich veränderlichen Richtcharakteristik mit der maximalen Reichweite dmnn dargestellt. Die Empfangsspule kann sich dann innerhalb der Reichweite der Einrichtung in einem beliebigen Punkt eines Kugelraumes befinden, und die Richtung der Ebene der elektrischen Achse und die Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen dürfen jetzt beliebig sein.
Die Schwankungen des Winkels T und des Wertes von cos T sind nicht grösser, als wenn die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule nur in einer Ebene beliebig ge wählt werden könnte und die Sendespulen nur in einer Ebene angeordnet sein würden.
Da die Einrichtung vorwiegend für mobile und tragbare Geräte vorgesehen ist, müssen die Abmessungen der Sendespule gegenüber der Wellenlänge sehr klein sein, so dass die Richtcharakteristik wesentlich anders als im Idealfall einer Rahmenantenne ist. Die Richtcharakteristik nähert sich dann der Feldcharakteristik eines Solenoides und weist daher kein stark ausgeprägtes Maximum oder Minimum auf. Wenn die Länge der Sendespule nicht wesentlich grösser als der Durchmesser der Sendespule ist, können die Feldlinien eines Richtdiagramms als Kreise mit den Mittelpunkten auf der elektrischen Achse und mit einem gemeinsamen Berührungspunkt in der Mitte der Sendespule dargestellt werden (Fig. 13). Das Richtdiagramm der Sendespule ist dann ein Kreis und die Richtcharakteristik nähert sich einer Kugel.
Wenn die Richtungen der Ebene der Empfangs- und Sendespulen nur in einer Ebene, z.B. in der horizontalen Ebene geändert werden, genügen zur Erregung der magnetischen Felder zwei Sendespulen mit kugelförmiger Richtcharakteristik, die in einer Ebene angeordnet sind und einen Winkel a = 90" zwischen den Ebenen ihrer elektrischen Achsen aufweisen.
Anderenfalls, wenn die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule oder die Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen beliebig im Raum gewählt werden können müssen, wenn die Empfangsspule sich in einem beliebigen Punkt innerhalb eines mit der Reichweite der Einrichtung gegebenen Kugelraumes befinden können muss, und wenn die Sendespulen eine kugelförmige Richtcharakteristik haben, genügen zur Erregung der magnetischen Felder drei Sendespulen mit gegeneinander senkrecht liegenden geometrischen Achsen, wobei diese Achsen dann in den x, y, z Koordinaten eines Raumes liegen. Die drei Sendespulen erzeugen im Raum drei magnetische Felder die gegeneinander immer um 90 gedreht sind.
In gewissen Fällen kann es wünschbar sein, das Signal einer Sendespule, oder auch das Signal jeder einzelnen Sendespule, unabhängig von den anderen zu verfolgen. Dazu können bestimmte Sendespulen, oder auch jede Sendespule, mit einem Zeichen, z.B. einer Zahl, oder einem Buchstaben, oder einer Kombination von beiden bezeichnet werden. Diese Bezeichnung wird während jeder Erregung dieser Sendespulen in einem geeigneten Code, z.B. einem Frequenzcode, übertragen, so dass die Signale der bezeichneten Sendespulen erkannt und verfolgt werden können.
Während eines Signalübertragungszyklus wird mit dem signalübertragenden magnetischen Feld jeder Sendespule neben der Bezeichnung der Sendespulen nur ein und derselbe Informationsinhalt übertragen. Die Anzahl der Signalübertragungszyklen ist mit der übertragenen Information gegeben.
In den Geräten, bei denen eine rasche Änderung ihrer Lage und damit auch der Richtung der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen möglich ist, muss während eines Signal übertragungszyklus nach der beendeten Erregung einer Sendespule der Anfang der Erregung der folgenden Sendespule immer in einem möglichst kurzen Zeitabstand folgen. Aus demselben Grund muss die Erregungszeit Ter einer Sendespule so kurz wie möglich sein. Dann können sich während eines Signalübertragungszyklus die Richtungen der Achsen der Sendespulen nur unwesentlich ändern. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit der Informationsübertragung kann in mehreren Signalübertragungszyklen ein und dieselbe Information übertragen werden.
Eine Verminderung des Stromverbrauches bei bleibender Sende-Leistung ist bei einer Übertragung bestimmter Informationen möglich, bei der eine dauernde Wiederholung der Ausstrahlung der Information notwendig ist, bis beispielsweise die Information empfangen und erkannt wird. Bei der Übertragung solcher Informationen kann nach dem Ende jeder Ausstrahlung der übertragenen Information und vor dem Anfang der folgenden Ausstrahlung, oder auch nach dem Ende jedes Signalübertragungszyklus und vor dem Anfang des folgenden Signalübertragungszyklus, eine Sendepause liegen. Die Länge dieser Pause ist ein vom Stromverbrauch zu bestimmender Faktor.
Zur Erregung können einige oder alle Sendespulen eine gemeinsame Endstufe (Fig. 16), oder jede Sendespule ihre eigene Endstufe haben. An eine gemeinsame Endstufe kann jede Sendespule einzeln mit einem elektrischen Schalter Ql, Q2 Q3 angeschlossen werden. Bei grösseren Leistungen können die Sendespulen nicht mehr verlustarm umgeschaltet werden, aber jede Sendespule kann eine eigene Endstufe haben und umgeschaltet werden. Die Steuerleistungen werden von ein und demselben Oszillator abgegeben. Zur Erregung der magnetischen Felder mit Zirkulationsstrom können die Sendespulen mit Kondensatoren C1, C2, C3, als Resonanzkreise auf der Sendefrequenz abgestimmt werden.
Die nicht erregten Resonanzkreise dürfen aus der gerade erregten Sendespule keine Energie aufnehmen und sollen daher über die Schalter Q4 Q5, Q6 verstimmt oder kurzgeschlossen werden (Fig. 16).
DESCRIPTION
In the case of signal transmission which takes place exclusively with the magnetic field, the transmitter coil used to excite the magnetic field and the receiver coil used for reception, e.g. Loop antennas can be pronounced directional effects.
The invention proposed by claim 1 enables a signal transmission that takes place exclusively with the magnetic field, even with any and undefined directions of the planes of the electrical axes of the transmitting coils and / or the receiving coil.
In the following, the invention will be discussed with reference to drawings, for example. It shows:
1 shows the directional diagram Rd of a frame transmission antenna Ls in the plane E of its electrical axis,
2 shows the directional diagram Rd of a frame transmission antenna Ls in a plane Dr, which is perpendicular to the plane E of its electrical axis, and illustration of the geometric axis g of the transmission coil,
3 shows the directional characteristic Rc of a frame transmission antenna Ls, in plan, elevation and section,
4 shows a frame receiving antenna Le in the magnetic field H and the angle T between the direction of the magnetic field and the perpendicular sp to the plane of the electrical axis of the receiving coil, the perpendicular sp being identical to the geometric axis g,
Fig.
5 shows the field lines fj, k, (a) (b), the magnetic field of a frame transmitting antenna Ls, its centers Mj, k, (a) (b), their radii rj, k, (a) (b) and their Central line zl, which is identical to the electrical axis el,
6 shows an arrangement with J = 3 transmitter coils L1, L2, L5 in the horizontal plane with an angle a = 60 between the planes of their electrical axes and a representation of the maximum range dmax of this arrangement,
7 the point P1 according to FIG.
6 with the field lines f2ia, f3la assigned to it, their centers M2la, Mal ,, central lines Z2, Z3, normals n2lal, n3lal, tangents t2lal, t3lal, the intersection angle (p of both tangents and the supplementary angle,
8 the full angle 360 "at point P1 according to FIG. 7 in a frame receiving antenna Le with its perpendicular sp, which lies in the most unfavorable direction, the two angles T having their simultaneously possible maximum values 731au = T2lai = 600,
Fig.
9 shows an arrangement with J = 3 transmitting coils L1, L2, L3 in a horizontal plane and at angles of a = 60, with a receiving coil Le within a maximum range dmax and with a direction which is most unfavorable in points P1, P2 and most favorable in point P3 respective perpendicular sp relative to the magnetic field,
10 shows a clearer representation of the field lines, tangents and receiving coil assigned to point P2 according to FIG. 9,
11 shows an arrangement with J = 4 transmitting coils L1, L2, L3, L4 in the horizontal plane and the angle a = 45, with a receiving coil Le in maximum range dmax and with the least favorable in points P1, P2 in point P3 favored direction of their respective perpendicular sp relative to the magnetic field,
12 shows a clearer representation of the point P2 according to FIG.
11 assigned field lines, tangents and receiving coil,
13 shows the field and the field lines of a transmitter coil Ls at an x a and a ratio D / l = 1, where D is the diameter and 1 the length of the transmitter coil,
14 individual directional characteristics Rcl, Rc2, Rc3 in the vertical plane at a = 60,
15 the addition of the individual directional characteristics Rcl, Rc2, Rc3 of the transmission coils L1, L1, L3 at times T1, T2, T3 to a time-varying directional characteristic with a maximum range drnax, and
Fig.
16 shows an example with J = 3 transmitter coils L1, L2, L3, which are supplemented with capacitors C1, C2, C3 to form resonant circuits and are tuned to the transmit frequency, which can be connected to a common output stage Q7 via electronic switches Q1, Q2, Q3 and via electronic ones Switches can be short-circuited.
The plane referred to hereinafter as plane E of the electrical axis of the transmitting and receiving coil is simultaneously the plane of the turns of a coil. The electrical axis e of the transmitter coil or the receiver coil lies in this plane E; the geometric axis g of these coils is, as usual, the longitudinal axis. The electric axis e always refers to a directional diagram and it is the intersection of the plane E of the electrical axis with the plane Dr of the directional diagram (Fig.
1, 2 and 3).
In plane E of the electrical axis, the directional diagram of a loop antenna Ls is a circle with the center in the center of the loop antenna; the loop antenna has no directionality in plane E (Fig. 1). In the plane which is perpendicular to plane E and is referred to as plane Dr of the directional diagram, the directional diagram consists of two circles Rd, the centers of which determine the electrical axis of the coil. The two circles have a point of contact in the middle of the loop antenna; the electrical axis e is simultaneously the central line z of both circles (Fig. 2). In the case of a transmission coil, the maximum of the field strength lies in the direction of the plane E of the electrical axis, and this is also the main beam direction; the minimum lies in the vertical sp to the center of the electrical axis e of the transmitter frame (Fig. 3, 2).
The voltage UO induced in the receiving coil is a function of the field strength and the angle T between the perpendicular sp to the electrical axis at its center, which also indicates the direction of the magnetic field for the maximum voltage UO induced in the receiving coil, and the actual direction of the magnetic field (Fig. 4).
The induced voltage U0 is: U0 = A # cos # # 1 / r. It can fluctuate between a minimum value of zero at # = 90 and a maximum value of UO = max at T = 0 ". The constants of the receiving coil are summarized under constant A. In the far field, the induced voltage UO is inversely proportional to the distance r from the transmitter coil.
The direction of the magnetic field at a point within the range of the transmitting antenna is given by the direction of the plane E of the electrical axis and the distance from the transmitting coil. With a general direction of the plane E of the electrical axis of the receiver coil, but also with an adjustable direction of the plane E of the receiver coil, the plane E of the electrical axis of the transmitter coil cannot have any direction; the receiver coil must be within the directional characteristic of the transmitter coil. the use of the cross frame as a transmitter coil can bring some relief.
However, the mutual influencing of the magnetic fields of the two transmission coils presents difficulties, since small directional characteristics result in small minima.
Thus, if the receiving coil or the transmitting coil belong to devices with a non-fixed location, or if the receiving coil has to receive signals from different directions, or if the transmitting signals have to be received in different directions, the direction of the electrical axis of the plane E must be adjustable.
However, if the direction of the plane E of the electrical axis of the transmitting coil or the receiving coil or the two is not adjustable and the devices are in any random position and at any point in a room within the range of the device, then also the angle T can only be random, and the voltage UO induced in the receiving coil can be zero. In such cases, signal transmission with the magnetic field cannot be used with the known systems.
However, a signal transmission that has to take place exclusively with the magnetic field has advantages in many cases and especially in the range of the lower transmission frequencies in the acoustic to long-wave range. For example,
When passing through certain media, including non-magnetic metals, the signal attenuation is significantly lower than when transmitting with the electrical component of the electromagnetic field. The possible and unavoidable loss of reception due to the directional effects of the transmitting and receiving antenna is a crucial disadvantage as an undefinable property.
This disadvantage is avoided by the invention proposed and described here.
Since the device relates generally to systems for signal transmission with a magnetic field, the following is generally referred to as a transmitter coil and a receiver coil.
However, the general principle of the device is first explained on the basis of a device with a transmitting and receiving antenna, since this has generally known directional characteristics.
The receiving coil corresponds to an ordinary version of a loop antenna. For the sake of simplicity, the case is first explained in which the plane E of the electrical axes of the receiving coil runs vertically, so that its direction and therefore also the direction of its maximum sensitivity can only be varied in the horizontal plane. As usual, the receiving coil must be reached with a magnetic field with a direction such that the angle T is sufficiently small. For this purpose, to excite the magnetic field, instead of one or two transmitter coils as in the cross frame, several, J transmitter coils L1, L2, ... Lj should be used in a spatial arrangement, which is described further below.
The designations assigned to any transmitter coil Lj are shown in FIG. 5.
The field lines emanating from the jth transmitter coil are denoted by fj, the corresponding central lines by zj, and the electrical axes by e, where j = 1, 2, ....
The first, second, ... kth field line assigned to one and the same transmitter coil and to one and the same magnetic field is denoted by fj, k by k = 1, 2, ... k, the upper or the right half of the field lines are designated as the a-th half and the field lines are referred to as fj.k, a, and the lower or left half are referred to as the b-th half of the field lines and the field lines as fj, k, b. The center points assigned to the field lines are analogously denoted by Mj, k, (a) (b), in which (a) (b) has the meaning a or b, and the radii are denoted by rj, k, (a) (b) . The excited magnetic fields of the same field strength are shown with field lines in the form of circles with the same radius.
The normals, tangents, angles T and induced voltages U used in the text always refer to a specific point Pj in the magnetic field of the transmitter coils and have the index i, with i = 1, 2, ... i. The normals are with nj, k, (a) (b), is the tangents with tj, k, (a) (b), i, the angle T with Tj, k, (a) (b), i and the induced voltage designated Uj, k, (a) (b), i.
The transmitter coils are at a short distance from one another and are all in one plane, in this example horizontal. The geometric axes g of the transmitter coils lie in one and the same plane; otherwise, the vertical parallel projections of the geometric axes can lie in a plane lying parallel to all geometric axes, the plane G of the geometric axes, to which the planes E of the electrical axes are perpendicular. In other words: the geometric axes of all transmitter coils must either be located in a plane G or all lie parallel to the plane G of the geometric axes. The levels of the electrical axes Es, E2,. .Ej of all transmit coils in this case have a vertical direction. The planes of the electrical axis of two adjacent transmitter coils have an intersection angle a.
The electrical axes ei, e2, ... q and the geometric axes gl, g2, ... gj are rotated relative to each other by this angle a, and their magnetic fields in space are then rotated by the same angle a. An example of three transmitter coils with an angle a = 60 is shown in FIG. 6.
The mutual directions of the planes E of the electrical axes of the transmitting coils are thus fixed, but their direction with respect to the receiving coil can now be arbitrary. To generate the magnetic fields, the transmitter coils are not excited at the same time, but each transmitter coil L1, 2,... J is excited in a different time T1, T2,... the transmission coil L1 is assigned the time T1, the L2 the T2, etc. and the Lj the time Tj, so that these times need not be mentioned in the drawings and calculations. To simplify the representation and the calculation, the magnetic fields excited by different transmitter coils L1, L2. ,,, Lj and at different times T1, T2, ... Tj can be drawn in a single image.
6 is a basic illustration of an embodiment with J = 3 transmitter coils and a = 60 and the associated field lines.
The pulse duration of the excitation of a transmitter coil Lj is constant for all transmitter coils, i.e. Ter = const. The excitation time Ter is determined by the transmission frequency and the information content transmitted during excitation of the transmitter coil; Ter should be as short as possible.
The reception coil Le is traversed by the magnetic field of only one transmission coil at a time Tj. The voltages induced by the different magnetic fields in the receiving coil cannot compensate each other. For this reason, no minima or zeros can arise in the directional characteristic. Information transmission consists of a sequence of signal transmission cycles given with the transmitted information, and a different information content can be transmitted in each signal transmission cycle.
As already mentioned, each transmitter coil is excited once during a signal transmission cycle. After the last coil is energized and the end of a signal transmission cycle, the first coil is energized again and the next cycle begins. During a signal transmission cycle, the receiving coil of magnetic fields of sufficient field strength from at least two transmitter coils must be reached at any point Pi within the maximum range of the device, and these fields are mutually offset by the angle s or s = k @? (k = 1, 2, ...) rotated (Fig. 6).
The field lines inducing the voltage Uj, k, (a) (b) .i in the receiving coil need not be excited by two adjacent transmitter coils; in the case of two adjacent transmitter coils the coefficient is k = 1 and the fields are rotated by the angle a; in the case of two even or odd numbered transmission coils, k = 2, and these fields are rotated by the angle E = 2 a (FIGS. 6 and 7).
The maximum range dmax of the device at a certain field strength is the smallest maximum distance of a point P1 from the transmitting coils, in which the receiving coil is still traversed by at least two fields of this field strength (FIGS. 6 and 7).
The angle T now has several but at least two values Tj.k, (a) (b), i at a point Pi (FIG. 8). Now, however, at least one of the multiple angles T is small enough so that a voltage is present in the receiving coil
1 Uj, k, (a) (b) = A # cos # j, k, (a) (b), i # is induced. This rj, k, (a) (b), i voltage is inversely proportional to the radius rj, k, (a) (b) of the field line flowing through the receiving coil.
The possible maximum values of the angle T and the maximum range dmax of the device are determined by the freely selectable number J of the transmitter coils and the angle a. The maximum range of a device with J transmitter coils and the angle a is designated dmax J / a. So that the different values of that remain the same for variable J and a, the same radius of a field line rj, k, (a) (b) is always used as the unit radius pure = 1.
The possible maximum values of the angles T and thus also the induced minimum voltage U at a point P1 within the range can be determined if the directions of the magnetic fields at this point are known, if the tangents tj, k, (a) at point Pi b), i to the field lines fj, k, (a) (b), i can be determined and the most unfavorable direction of the plane of the electrical axis of the receiving coil to the tangents is assumed. This is possible in a representation in which field lines of all transmitter coils or at least the field lines flowing through point Pi are drawn.
Any point P1 within the range dmax of the device is also an intersection of the field lines fj, k, (a) (b), i, the tangents tj, k, (a) (b), i assigned to the field lines and the normal nj , k, (a) (b), i, as shown in FIGS. 6 and 7, wherein in FIG. 7 the point Pi of FIG. 6 with the associated field lines, normals, tangents and angles inducing the Ui without general Label is shown again. The full angle at point Pi and the angles assigned to it are shown in FIG. 8.
As mentioned, the angle E is the angle e = k? between the central lines Z1, 2, ... j of the field lines, which flow through the receiving coil at point Pi and for which the maximum values of the angles Tj, k, (a) (b), i are to be determined.
The angle ss between the normals nj k, (a) (b) i is equal to the angle ±. The intersection angle 63 of the tangents tj, k, (a) (b), i is 63 = 180 - ss and the supplementary angle Ml = 1800 - 63 =. The receiving antenna at point Pi can have such a direction that the sum of the two angles Tjl, kl, (a) (b) i + Tj2, k2, (a) (b), i = (p or Tjl, ks (a ) (b) i + Tj2, k2, (a) (b), i = W.
At a point Pi within the range of the device, the two angles # j1, k1, (a) (b), i and # j2, k2, (a) (b), i have the maximum values that are possible simultaneously if Tji, kI, (a) (b), i = # j2, k2, (a) (b), i and one of the most unfavorable directions of the plane of the electrical axis of the receiving coil. In such a direction, the vertical sp is the bisector of the larger of the two angles 63 or Ml and then
63 Tji.ki, (a) (b) .i max = Tj2, k2, (a) (b), i max = - max or
2nd
Ml # j2, k2, (a) (b), i max = # j2, k2, (a) (b), i max = ¸ max.
In two identical fields, which are always excited by the same transmitter coils, the intersection angle 63, the supplementary angle v and the maximum angle T of the radii of the field lines fj, k, (a) (b), i have that of the distance from the transmitter coils correspond to a constant value.
To determine the maximum range of the device, it can be specified that the maximum range dmax at a certain field strength, which corresponds to a certain radius of the field lines, is the smallest maximum distance from the transmitting coils, in which the receiving coil is at least two fields of this certain field strength is still achieved, this corresponds to two field lines with this particular radius, as shown in FIG. 7, where dmax = 2 cos-jk, (a) (b), i
2 and rj.k. (a) (b) i is the radius of a field line with the intersection of the straight line at point Pi.
So that the maximum range dmax achieved remains the same for different freely selectable sizes for the number of transmitter coils and for the angle a, but with the same field strength that corresponds to the field lines with the same radius, the radius of a field line must never have the same field strength as a unit radius = l and a maximum range can be selected as the unit maximum range dmax on.
The general maximum range is then expressed as the product of a coefficient a and the unit maximum range the one and dmax J /? denotes so that drnnx J /? = a dmax a with
EMI4.1
The maximum range for J = 3 transmit coils and a = 60, ± = 1200 and a unit field line with pure = 1 is selected as the unit maximum range dmax on.
Then: dmax on = 2 cos # / 2 # pure dmax on = 2 # cos 60 # pure = 2 # 0.5 # pure dmaxein = 1
The coefficient a can now be calculated as follows:
EMI4.2
The influence of the number J of transmitter coils and the angle a on the fluctuations of the maximum range dmax, the possible maximum values of the angles T and the induced voltage Ui at the distance of the maximum range dmnx is shown using three examples.
So that the induced voltages remain comparable, a unit induced voltage at T = 0 and pure = 1 is chosen as Uein = 1 and rj, k, (a) (b), i as rj, k, (a) (b), i = a # purely used.
Example I
J = 3 transmitter coils with an angle a = 60 are used to generate the magnetic fields (FIGS. 9 and 10).
10, the point P2 and the field lines, tangents and angles assigned to it are shown more clearly.
The maximum range is dmnn 3/60 = pure = 1.
At point P1 is # = 60, # = 1200, # 21a1 = # 11a1 = max # / 2 = max 60
1 min U21a1 = U11a1 = cos 60 # 0.5 Uein in
At point P2 is # = 120, # = 60, r12b2 = r32b2 = 0.59 pure # 12b2 = # 32b2 = max # / 2 = max 60
1 min U12b2 = min U32b2 = cos 60 = 0.848 Uein
0.59 in
At point P3 # 22b3 = 0, r22b3 = 0.5 pure
1 max U22b3 = cos 0 = 2 Uein.
0.5
The possible maximum fluctuations Uj, k, (a) (b), i at a distance dmax are:
EMI4.3
Example 2
J = 4 transmitter coils with an angle a = 45 are used to generate the magnetic fields (FIGS. 11 and 12).
In FIG. 12, point P2 is shown more clearly with the field lines, tangents and angles assigned to it.
The maximum range dmax 4/45 = 2 # cos # / 2 # 1, # = 90 drna, c = 2 cos 45 = 2 0.707 = 1.41 dein
At point P1 is # = 900, # = 900 # 31a1 = # 11a1 = max # / 2 = max 45
1 min U31a1 = min U11a1 = cos 45 = 0.707 Uein in
At point P2 is # = 1350, Ml = 45 63 x32a2 = T22b2 = max - = max 67.5
2 r22b = r32a = 0.765 pure
1 min U32a2 = min U22b2 = cos 67.5 # = 0.5 Uein
0.765
At point P3
is T = 00, r32b = 0.7 pure 1 max U23b3 = cos 0 # = 1.34 Uein
0.7
The possible maximum fluctuations Uj, k, (a) (b), i at a distance dmax are:
EMI4.4
Example 3
J = 5 transmitter coils with the angle a = 360 are used to excite the magnetic fields.
The maximum range dmnn 5 / 36D = 1.62 dmax
The angle varies between Tm10 = 0 and Tmnx = 72
The induced voltage Uj, k, (a) (b), i at a distance dmax fluctuates between Uj, k, (a) (b), i min = 0.31 Uein and Uj, k, (a) (b) , i max = 1, = 3.22 = 10dB.
0.31
In the general case, the direction of the plane of the electrical axis of the receiving coil should not only be changeable in the horizontal but also in the vertical direction. The transmitter coils must then be arranged in at least two perpendicular planes, three, four or five transmitter coils with the corresponding angles a between the planes of the electrical axes being able to be used in each plane.
14 shows the individual directional characteristics Rcj of three transmitter coils L1, L2, L3 lying in the vertical plane with the angle a = 60. 15 shows a supplement to the individual directional characteristics Rcl, Rc2, Rc3 of the transmission coils LI, L2, L3 at times T1, T2, T3 to form a common, time-varying directional characteristic with the maximum range dmnn. The receiving coil can then be within the range of the device at any point in a spherical space, and the direction of the plane of the electrical axis and the directions of the planes of the electrical axes of the transmitter coils can now be arbitrary.
The fluctuations in the angle T and the value of cos T are no greater than if the direction of the plane of the electrical axis of the receiving coil could be chosen as desired in only one plane and the transmitter coils would only be arranged in one plane.
Since the device is primarily intended for mobile and portable devices, the dimensions of the transmitter coil must be very small compared to the wavelength, so that the directional characteristic is significantly different than in the ideal case of a loop antenna. The directional characteristic then approximates the field characteristic of a solenoid and therefore does not have a pronounced maximum or minimum. If the length of the transmitter coil is not significantly greater than the diameter of the transmitter coil, the field lines of a directional diagram can be represented as circles with the centers on the electrical axis and with a common point of contact in the center of the transmitter coil (Fig. 13). The directional diagram of the transmitter coil is then a circle and the directional characteristic approaches a sphere.
If the directions of the plane of the receiving and transmitting coils are only in one plane, e.g. are changed in the horizontal plane, two transmitter coils with spherical directional characteristics, which are arranged in one plane and have an angle a = 90 "between the planes of their electrical axes, are sufficient to excite the magnetic fields.
Otherwise, if the direction of the plane of the electrical axis of the receiving coil or the directions of the planes of the electrical axis of the transmitting coil must be able to be chosen anywhere in the room, if the receiving coil must be able to be located at any point within a spherical space given the range of the device , and if the transmitter coils have a spherical directional characteristic, three transmitter coils with mutually perpendicular geometric axes are sufficient to excite the magnetic fields, these axes then lying in the x, y, z coordinates of a space. The three transmitter coils generate three magnetic fields in the room, which are always rotated 90 degrees against each other.
In certain cases it may be desirable to track the signal of one transmitter coil, or the signal of each individual transmitter coil, independently of the others. For this purpose, certain transmit coils, or also each transmit coil, can be marked with a character, e.g. a number, or a letter, or a combination of both. This designation is given in a suitable code, e.g. a frequency code, so that the signals of the designated transmitter coils can be recognized and tracked.
During a signal transmission cycle, only one and the same information content is transmitted with the signal-transmitting magnetic field of each transmitter coil in addition to the designation of the transmitter coils. The number of signal transmission cycles is given with the information transmitted.
In devices in which a rapid change in their position and thus also the direction of the levels of the electrical axes of the transmitter coils is possible, the start of excitation of the following transmitter coil must always be as short as possible during a signal transmission cycle after the excitation of one transmitter coil has ended consequences. For the same reason, the excitation time Ter of a transmitter coil must be as short as possible. Then the directions of the axes of the transmitter coils can change only insignificantly during a signal transmission cycle. To further increase the security of the information transmission, the same information can be transmitted in several signal transmission cycles.
A reduction in the power consumption with a permanent transmission power is possible with the transmission of certain information, in which a continuous repetition of the transmission of the information is necessary until, for example, the information is received and recognized. When such information is transmitted, there may be a transmission pause after the end of each transmission of the transmitted information and before the start of the following transmission, or also after the end of each signal transmission cycle and before the beginning of the following signal transmission cycle. The length of this pause is a factor to be determined by the power consumption.
For excitation, some or all of the transmitter coils can have a common output stage (FIG. 16), or each transmitter coil can have its own output stage. Each transmitter coil can be individually connected to a common output stage with an electrical switch Q1, Q2, Q3. With higher powers, the transmitter coils can no longer be switched with little loss, but each transmitter coil can have its own power amplifier and be switched. The control services are provided by one and the same oscillator. To excite the magnetic fields with circulation current, the transmitter coils can be tuned with capacitors C1, C2, C3 as resonant circuits on the transmitter frequency.
The non-excited resonance circuits must not absorb any energy from the currently excited transmitter coil and should therefore be detuned or short-circuited via switches Q4, Q5, Q6 (Fig. 16).