CH677299A5

CH677299A5 - Signal transmission device using magnetic fields

Info

Publication number: CH677299A5
Application number: CH2894/85A
Authority: CH
Inventors: Svaetopluk Radakovic
Original assignee: Svaetopluk Radakovic
Priority date: 1985-07-05
Filing date: 1985-07-05
Publication date: 1991-04-30
Also published as: GB8615978D0; DE3622010A1; DE3622010C2

Description

In vielen Fällen bringt eine Signalübertragung ausschliesslich mit magnetischem Feld Vorteile, so zum Beispiel die Signaldämpfung bei einem Durchgang durch nicht-magnetische Metalle oder andere elektrisch leitende Stoffe ist wesentlich kleiner als der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes. Ein Nachteil dabei sind die Richtcharakteristiken der zur Ausstrahlung und Empfang des signalübertragenden magnetischen Feldes verwendeten Sende- und Empfangsspulen. Diese Richtcharakteristiken sind ringförmig, wichtig sind die Richtdiagramme in dem Schnitt dieser Richtcharakteristik mit der Ebene der elektrischen Achse der Spule und in dem Schnitt mit einer zu der Ebene der elektrischen Achse senkrechten und durch die Spule gehender Ebene.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Richtdiagramme einer Sendespule;
Fig. 2 Richtdiagramme einer Empfangsspule;
Fig. 3 Richtdiagramme unterschiedlicher Feldstärke einer Sendespule in einer Ebene senkrechten zu der Ebene ihrer elektrischen Achse,
Fig. 4 Signalübertragung mit einer Ausschliessung der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule in einer Ebene durch einen Empfang mit zwei Empfangs spulen gegenseitig senkrechter Ebene ihrer elektrischen Achsen;
Fig. 5 Blockschaltung einer Einrichtung mit einer Ausschliessung der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule durch einen Empfang mit zwei Empfangsspulen;

Fig. 6 Signalübertragung mit einer Ausschliessung der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule in einer Ebene durch gleichzeitige Ausstrahlung mehrerer signalübertragender magnetischer Felder gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Richtungen ihrer Ausbreitung;
Fig. 7 Signalübertragung mit einer Ausschliessung der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule in einer Ebene durch gleichzeitige Ausstrahlung mehrerer signalübertragender magnetischer Felder verschiedener Frequenzen und unterschiedlicher Richtungen;
Fig. 8 Blockschaltung einer Einrichtung mit einer Ausschliessung der Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule durch gleichzeitige Ausstrahlung mehrerer signalübertragender magnetischer Felder verschiedener Frequenzen und unterschiedlicher Richtungen ihrer Ausbreitung;

Fig. 9 Ausgleichung der durch unterschiedliche Winkel @ verursachten Schwankungen im Pegel des summierten Signals UsNF mit einem Glied regulierbaren Dämpfung.

In Fig. 1 sind Richtdiagramme einer Sendespule "Ls" dargestellt, im Anriss liegt das Richtdiagramm "Rdsv" in der vertikalen Ebene "Vs", im Grundriss das Richtdiagramm "Rdse" in der horizontal liegenden Ebene der elektrischen Achse. In Fig. 2 sind Richtdiagramme einer Empfangsspule "Le" dargestellt, im Anriss liegt das Richtdiagramm "Rdev" in der vertikalen Ebene "Ve", im Grundriss das Richtdiagramm "Rdee" in der horizontal liegenden Ebene "Ee" der elektrischen Achse. Die in einem Punkt im Feld "H" in einer Empfangsspule in Abhängigkeit von dem Winkel @ zwischen der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule und der Tangente zu der Richtung der Ausbreitung des magnetischen Feldes induzierte Spannung beträgt U=K.sin@, wobei "K" eine mit der Feldstärke in diesem Punkt und mit der Ausführung der Empfangsspule gegebene Konstante ist.

Nur in der Ebene der elektrischen Achse "Es" der Sendespule "Ls" und in der Ebene der elektrischen Achse "Ee" der Empfangsspule "Le" sind die Richtdiagramme "Rdse" und "Rdee" Kreise (Fig. 1, Fig. 2), die Bedingung der Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule gegenüber der Richtung der Ausbreitung des magnetischen Feldes muss auch hier erfüllt werden.

Eine Signalübertragung bei einem ununterbrochenen Informationsfluss, wo eine Voraussetzung ein ständiger Empfang des Signals ist, zum Beispiel bei der Sprache, ist also nur dann möglich, wenn die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule gegen die Richtung der Ausbreitung des signalübertragenden magnetischen Feldes ändert sich während der Signalübertragung nicht oder nur wenig. Auch bei einer nicht bekannten, aber stabilen oder nur langsam sich ändernden Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Sendespule, aber bei einer veränderlichen und einstellbaren Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule "Le" ist eine Verfolgung der Richtung des signalübertragenden magnetischen Feldes möglich.

Eine Signalübertragung ist auch nicht möglich, wenn die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule nicht einstellbar sein kann und muss beliebig sein dürfen.

Es sind Einrichtungen bekannt, die folgende ist geeignet für den Betrieb im Nahfeld, bei welchen dieses Problem teilweise gelöst ist mit einem Empfang des signalübertragenden magnetischen Feldes mit mehreren, aber mindestens zwei Empfangsspulen (Fig. 4, Fig. 5), welche Ebenen der elektrischen Achsen gegenseitig einen bestimmten Winkel alpha , es kann auch ein rechter Winkel sein, schliessen, so dass der Raum dauernd auf magnetische Felder bestimmten Richtungen überwacht wird, und die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Sendespule kann im Raum, aber mindestens in einer Ebene beliebig sein. Zum Beispiel bei drei Empfangsspulen gegenseitig senkrechter Ebenen der elektrischen Achsen wird der Raum überwacht auf drei Felder gegenseitig senkrechter Richtungen ihrer Ausbreitung, und die Richtung der Ebene der elektrischen Achse der Sendespule kann im Nahfeld im Raum beliebig sein.

Mindestens bei einer Empfangsspule wird der Winkel @ zwischen der Richtung der Ausbreitung des Feldes und der Ebene der elektrischen Achse so gross sein, dass in der Empfangsspule eine Signalspannung induziert wird. Feldlinien einer Sendespule im Nahfeld sind in Fig. 3 dargestellt, es ist ersichtlich, dass im Gegensatz einem Fernfeld (Fig. 1) auch in einer senkrechten durch die Sendespule zu ihrer Ebene der elektrischen Achse die Feldstärke ausreichend gross ist. Bei einem Kreuzrahmen sind die Ebenen der elektrischen Achsen beider Empfangsspulen senkrecht und beide Spulen sind in Serie geschaltet, und es wird die Summe beider induzierter Spannungen abgenommen. Bei anderen Systemen (Fig. 4, Fig. 5) werden die in den einzelnen Empfangsspulen Le1, Le2 ... Len induzierte Spannungen U1, U2 ... Un einzeln in den Verstärkern A1, A2 ...

An verstärkt, und bei kleinen Phasenunterschieden zwischen ihnen können die Ausgangsspannungen aller Verstärker in ein einziges Ausgangssignal addiert werden. Wenn die Phasenunterschiede zwischen den induzierten Spannungen gross sind, können nach Demodulation in Demodulatoren D1, D2 ... Dn die NF-Signale U1NF, U2NF ... UnNF mit einem summierenden Verstärker "As" zu einem Ausgangssignal "UsNF" addiert werden. Eine Voraussetzung bei solcher Einrichtung ist, dass entweder die Empfangsspulen Le1 Le2 ... Ln nicht gleichzeitig Induktivitäten auf die Senderfrequenz abgestimmten Resonanzkreise sind, oder, wenn sie Induktivitäten solcher Resonanzkreise sind, dass die Entfernungen zwischen ihnen so gross sind, dass sich die Resonanzkreise gegenseitig nicht beeinflussen können.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, dass mit Rücksicht auf die Felddiagramme (Fig. 1, Fig. 3) sie vorwiegend im Nahfeld brauchbar ist, im Fernfeld besteht das Richtdiagramm der Sendespule aus zwei Kreisen mit einer gemeinsamen Zentrallinie (Fig. 1), und in der Richtung der Senkrechten "sp" durch die Sendespule "Ls" zu der Ebene ihrer elektrischen Achse "Es" ist keiner oder nur ein schlechter Empfang möglich, nur im Nahfeld kann auch hier ein ausreichendes Signal empfangen werden.

Diese Nachteile hat die Einrichtung, die Gegenstand dieser Erfindung ist, nicht.

Das signalübertragende magnetische Feld wird hier nicht mit einer Sendespule, aber gleichzeitig mit mehreren Ls1, Ls2 ... Lsn (Fig. 6), aber mindestens zwei Sendespulen mit gegenseitig bestimmten Richtungen ihrer Ebenen der elektrischen Achsen erregt. Mindestens das Feld einer Sendespule muss gegen die Ebene der elektrischen Achse der Empfangsspule solche Richtung haben, dass der Winkel @ zwischen der Tangente zu der Feldlinie und der Ebene der elektrischen Achse ausreichend gross ist und in der Empfangsspule eine Signalspannung induziert wird. Im Beispiel in Fig. 6 liegen alle Sendespulen Ls1, Ls2 ... Lsn in horizontaler Ebene und zwischen ihren Ebenen der elektrischen Achsen Es1, Es2 ... Esn liegt immer derselbe Schnittwinkel alpha .

Alle Felder können mit einer und derselben Frequenz und mit einem von demselben Oszillator abgeleiteten Strom erregt werden, dann genügt nur eine Empfangsspule "Le". In Fällen, wo die Gefahr besteht, dass sich diese Felder in bestimmten Entfernungen und in bestimmten Punkten im Raum kompensieren können, dort muss (Fig. 7, Fig. 8) jedes signalübertragende magnetische Feld H1, H2 ... Hn auf einer andere Sendefrequenz omega 1 NOTEQUAL , omega z NOTEQUAL ... NOTEQUAL omega n erregt werden, dabei muss der gegenseitige Abstand der Sendefrequenzen einen minimalen Wert haben. In diesem Fall zum Empfang der signalübertragenden magnetischen Felder werden mehrere Le1, Le2 ...

Len, aber mindestens zwei Empfangsspulen mit in ausreichend kleiner Distanz parallel liegenden Ebenen der elektrischen Achse verwendet, diese Spulen sind gleichzeitig Induktivitäten der auf die einzelnen Sendefrequenzen abgestimmten Empfangsresonanzkreise, diese können sich auch bei kleinen gegenseitigen Distanzen nicht stören, die Anzahl der Empfangsspulen ist gleich der Anzahl der Sendespulen. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass das Feld "H" von mindestens einer Sendespule "Ls" und einer Frequenz omega gegenüber seiner Empfangsspule "Le" solche Richtung haben muss, dass der Winkel @ NOTEQUAL 0 und in der Empfangsspule eine Signalspannung induziert wird.

Bei solcher Einordnung dürfen dann die Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen, oder der Empfangsspulen, oder beiden im Raum, aber mindestens in einer Ebene beliebig sein, und eine Signalübertragung auch bei einem ununterbrochenen Informationsfluss ist möglich. Bei einer Signalübertragung bei einem ununterbrochenen Informationsfluss wird in jedem Zeitpunkt mit jedem signalübertragenden magnetischen Feld ein und derselbe Informationsinhalt übertragen. Als Ausgangssignal der Einrichtung wird nach Demodulation der einzelnen Signale die Summe der einzelnen NF-Signale verwendet.

In allen Fällen, wo es sich um keine ausgesprochene Informationsübertragung handelt, aber das Feld der einzelnen Sendespulen soll, zum Beispiel zu Ortungszwecken, verfolgt werden, kann jede Sendespule mit einem Zeichen, einer Ziffer oder einem Buchstaben oder einer Kombination von beiden bezeichnet werden und dieses mit einem geeigneten Code, zum Beispiel mit einem NF-Frequenzcode übertragen werden. Im Gegensatz zu einer echten Informationsübertragung trägt hier jedes von den gleichzeitig ausgestrahlten signalübertragenden magnetischen Feldern einen anderen Informationsinhalt. In Fig. 7, Fig. 8 ist ein Beispiel "n" Sendespulen Ls1, Ls2 ... Lsn und "n" Empfangsspulen Le1, Le2 ... Len mit in vertikaler Richtung liegenden Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen Es1, Es2 ... Esn und der Empfangsspulen Ee1, Ee2 ... Een.

Zwischen den Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen liegt ein Schnittwinkel alpha . Jedes empfangene HF-Signal U1, U2 ... Un wird einzeln mit einem eigenen Verstärker A1, A2 ... An verstärkt und Demodulatoren D1, D2 ... Dn demoduliert, die einzelnen NF-Signale U1NF, U2NF ... UnNF werden in einem Summierungsverstärker "As" zu einer NF-Ausgangsspannung UsNF = U1NF + U2NF + ...UnNF addiert. Die Grösse dieser Summe UsNF ist abhängig von den Richtungen der signalübertragenden magnetischen Felder gegen die Ebenen der elektrischen Achsen der Empfangsspulen, ist also auch abhängig von der Anzahl der verwendeten Sendefrequenzen und der Sende- und Empfangsspulen.

Wenn diese Schwankungen nicht stören, zum Beispiel bei einer Sprachübertragung und schnell sich ändernden Richtungen der Achsen der Sendespulen und Empfangsspulen, dann kann auch eine Summe U=s- der Gleichstromkomponenten U<=>1, U=2 ... U=n der demodulierten HF-Signale gebildet werden, U=s = U=1 + U=2 +...+U=n und mit dieser kann dann die Verstärkung eines die Summenspannung UsNF verstärkenden NF-Verstärkers oder eine Dämpfung eines Dämpfungsgliedes reguliert werden. Eine Voraussetzung dabei ist, dass in jeder Empfangsspule Le1, Le2 ... Len bei einer gleichen Feldstärke und bei einem gleichen Winkel @ eine gleiche Signalspannung U1 = U2 = ... = Un induziert wird. Kleinere Unterschiede können mit der Verstärkung der einzelnen Signalverstärker A1, A2 ... An ausgeglichen werden.

Wenn die Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen und der parallel liegenden Ebenen der elektrischen Achsen der Empfangsspulen nicht lediglich in einer Ebene, aber im Raum beliebig sein müssen, dann werden die Sendespulen in zwei Gruppen geteilt, und in jeder Gruppe sind die Ebenen der elektrischen Achsen gegen den zu dieser Gruppe zugeordneten Ebenen der geometrischen Achsen senkrecht, und zwischen den benachbarten Ebenen elektrischen Achsen liegt ein Schnittwinkel immer desselben Wertes. Die Ebene der geometrischen Achsen ist die Ebene, zu welcher die geometrischen Achsen der zu dieser Ebene geometrischen Achsen gehörenden Spulen parallel liegen. Die beiden Ebenen der geometrischen Achsen sind gegenseitig senkrecht.

Bei einer Einordnung der Sende- und Empfangsspulen, welche Gegenstand dieser Erfindung ist, die gegenseitige Richtungen der Ebenen der elektrischen Achsen der Sendespulen sowie die gegenseitige Richtung der Ebenen der elektrischen Achsen der Empfangsspulen sind definiert, aber ihre Richtung im Raum oder mindestens in einer Ebene kann beliebig sein, und eine Signalübertragung auch bei einem ununterbrochenen Informationsfluss ist möglich.

Claims

1. Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung ausschliesslich mit magnetischem Feld und zur Minderung des Signalverlustes durch die Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule bei nicht einstellbaren Richtungen der elektrischen Achsen der Sende und/oder Empfangsspulen im Raum, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sendespulen vorhanden sind, deren elektrische Achsen einen nicht veränderlichen Winkel miteinander bilden.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen an eine einzige oder mehrere Stromquellen, die gleiche Frequenz und Phase haben, angeschlossen sind.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sendespule an eine Stromquelle einer anderen Frequenz angeschlossen ist.

4.

Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sendespulen mit einem Signal eines individuellen Codes beaufschlagt wird, so dass das Feld dieser Sendespule identifiziert werden kann.

5. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Code ein Frequenzcode ist.

6. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in demselben Zeitpunkt mit jeder Sendespule ein- und derselbe Informationsinhalt übertragen wird.

7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Achsen der Sendespulen, oder deren Projektionen in einer Ebene, symmetrisch angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sendespulen mit gegenseitig senkrechten elektrischen Achsen vorhanden sind.

9.

Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittwinkel ( alpha ) zwischen zwei benachbarten elektrischen Achsen der Sendespulen 60 DEG beträgt.

10. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Sendespulen, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen, vorhanden sind.

11. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen in zwei in gegenseitig senkrechten Ebenen liegenden Gruppen geteilt sind.

12. Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Empfangsspulen mit parallelen elektrischen Achsen vorhanden sind.

13. Einrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen die Induktivitäten von auf die einzelnen Empfangsfrequenzen abbgestimmten Resonanzkreisen sind.

14.

Einrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Demodulation der einzelnen Signale die von allen Demodulatoren erhaltenen Niederfrequenzsignale zu einem einzigen NF-Signal addiert werden.

15. Einrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von allen Demodulatoren nach Demodulation erhaltenen Gleichstromkomponenten zu einer einzigen Gleichspannung addiert werden.

16. Einrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen im Pegel des summierten Empfangssignales mit einem einstellbaren Dämpfungsglied oder einem einstellbaren Verstärker ausgeglichen werden.

17. Einrichtung nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Dämpfung oder Verstärkung dieses Gliedes die durch Summierung der Gleichstromkomponenten der demodulierten Signale gewonnene Gleichspannung dient. 1. Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung ausschliesslich mit magnetischem Feld und zur Minderung des Signalverlustes durch die Richtwirkungen der Sende- und Empfangsspule bei nicht einstellbaren Richtungen der elektrischen Achsen der Sende und/oder Empfangsspulen im Raum, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sendespulen vorhanden sind, deren elektrische Achsen einen nicht veränderlichen Winkel miteinander bilden. 2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen an eine einzige oder mehrere Stromquellen, die gleiche Frequenz und Phase haben, angeschlossen sind. 3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sendespule an eine Stromquelle einer anderen Frequenz angeschlossen ist. 4.

Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sendespulen mit einem Signal eines individuellen Codes beaufschlagt wird, so dass das Feld dieser Sendespule identifiziert werden kann. 5. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Code ein Frequenzcode ist. 6. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in demselben Zeitpunkt mit jeder Sendespule ein- und derselbe Informationsinhalt übertragen wird. 7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Achsen der Sendespulen, oder deren Projektionen in einer Ebene, symmetrisch angeordnet sind. 8. Einrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sendespulen mit gegenseitig senkrechten elektrischen Achsen vorhanden sind. 9.

Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittwinkel ( alpha ) zwischen zwei benachbarten elektrischen Achsen der Sendespulen 60 DEG beträgt. 10. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Sendespulen, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen, vorhanden sind. 11. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen in zwei in gegenseitig senkrechten Ebenen liegenden Gruppen geteilt sind. 12. Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Empfangsspulen mit parallelen elektrischen Achsen vorhanden sind. 13. Einrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen die Induktivitäten von auf die einzelnen Empfangsfrequenzen abbgestimmten Resonanzkreisen sind. 14.

Einrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Demodulation der einzelnen Signale die von allen Demodulatoren erhaltenen Niederfrequenzsignale zu einem einzigen NF-Signal addiert werden. 15. Einrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von allen Demodulatoren nach Demodulation erhaltenen Gleichstromkomponenten zu einer einzigen Gleichspannung addiert werden. 16. Einrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen im Pegel des summierten Empfangssignales mit einem einstellbaren Dämpfungsglied oder einem einstellbaren Verstärker ausgeglichen werden. 17. Einrichtung nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Dämpfung oder Verstärkung dieses Gliedes die durch Summierung der Gleichstromkomponenten der demodulierten Signale gewonnene Gleichspannung dient.