CN101502195B - 调制解调器、尤其是用于海底电力线通信的调制解调器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调制解调器，尤其是用于海底电力线通信的调制解调器，其包含在电路板上的电子元件和金属封装，其中，所述封装形成由至少一个壁分隔开的至少两个腔，其中所述腔中的每一个包围所述电子元件中的至少一个。
Description
本发明涉及一种调制解调器、尤其是用于海底电力线通信的调制解调器，该调制解调器包含在电路板上的电子元件和金属封装(metalencapsulation)。
海底电力线通信是一种水下通信的特殊形式。它优选地被用于勘探和开采位于海床的油气田，海底通信例如用于在顶部控制点与海底井口之间传输各种数据。往往把使用电子通信向井口或者其它电子装备勘探或者开采的油气田称为“电子田”(e-fields)。
在现有技术中公开了不同的海底通信技术。一方面是有线的电连接或者光连接，另一方面是无线的连接。有线的连接可以进一步划分成为与电力线分离开的电连接或者光连接提供通信线路的第一组；以及利用电力线进行电子通信的第二组。后一情况的有利之处在于不需要单独的通信线路。
例如，在US 2005/0243983A1中说明了用于从一个导体接收和该导体传输数据的调制解调器。它包含用于向所述导体传输数据的输出驱动器和用于从所述导体接收数据的接收器以及用于匹配接收器输入阻抗与所述导体阻抗的阻抗匹配装置。可以在该调制解调器调节所述输出驱动器的增益、接收器的增益和所述接收器输入阻抗。
调制解调器典型地采用其上安装有诸如集成电路(IC)之类电子元件的印刷电路板(PCB)。这些元件一般对电磁辐射灵敏，尤其是对射频(RF)范围的电磁辐射灵敏，因而造成电子干扰和噪音。其后果是：调制解调器连接的比特率和工作范围受这些电子元件所受辐射程度的影响。当连接所述电子元件的轨迹(track)起到接收天线的作用时辐射的负面影响甚至还要增加。因此人们力图对这些电子部件和印刷电路板进行屏蔽来防止辐射。
公知的用于海底电力线通信的调制解调器使用完全包围印刷电路板金属盒对这些电子元件以及其间的轨迹进行屏蔽来防止外部的射频辐射。然而由于所述金属盒封装的有限屏蔽特性，因而这些调制解调器的可能的比特率和可能的工作范围受到限制。
本发明的技术问题是提出一种改善了屏蔽特性从而显著减少电子干扰和/或噪音的调制解调器。
该技术问题由包含权利要求1中所限定特征的调制解调器得以解决。
本发明有利的实施方式在从属权利要求中进行了说明。
本发明提出：所述封装形成由至少一个壁分隔开的至少两个腔，其中所述腔中的每一个腔包围所述电子元件中的至少一个电子元件。由于该技术方案，分隔所述腔的壁也分隔包含在不同腔中的电子元件，因而提供了改善的屏蔽特性。有些电子元件本身发射会影响其它元件的射频辐射，因而造成电子干扰和噪音，如前文所述。对于使用正交频分复用(OFDM)调制解调器的调制解调器这种影响尤为显著。本发明提出的封装不仅对电子元件进行屏蔽来防止外部的射频辐射而且还相互进行屏蔽，也就是说，为防止内部的射频辐射而进行屏蔽。其结果在于：根据本发明的调制解调器的连接比特率和工作范围相对现有技术得到显著提高。
在一个有利的实施方式中，这些腔被安排在所述电路板的第一侧。这提供了所述封装的一种简单结构和所述调制解调器的一种简单结构。
在一个有利的实施方式中，所述腔中的至少一个腔在所述电路板的一个第二侧延续。这意味着该分隔壁也在所述第二侧延续，并且意味着所述电路板把所述延续的腔进一步划分成两个部分。从而所述腔以法拉第罩的方式完全包围至少一个相应的元件。这提高了防止射频辐射的屏蔽特性。此外，由于从两侧支撑所述印刷电路板，因而可以紧凑地构成所述封装和调制解调器。
利用一个实施方式可以实现一种最佳屏蔽，其中至少一个分隔壁与所述电路板紧密接触。取决于发出辐射的实际频率，屏蔽的质量随着所述封装中的孔或者缝隙而退化。通过所述分隔壁或者甚至是整个封装与所述电路板紧密接触实现了一种强屏蔽。
对于一种最佳屏蔽，所述电路板在其表面设有至少一个对至少所述分隔壁的金属连接区。所述电路板在其内层可以具有平行于所述区并且与之接触的导电轨迹以更加提高屏蔽性。以此方式，就连电路板也改善了屏蔽。
在一个优选的实施方式中，所述封装包含前盖、所述电路板的第一侧的整体的前框架、所述电路板的第二侧的整体的后框架、后盖。这种封装是稳定的，易于制造并且当把它安装到所述电路板上时易于操作。此外，它提供了一种高质量的法拉第罩。
有利的是，这些框架中的每一个框架的一个平面侧与所述电路板紧密地接触。由于所述封装对所述电路板起加强件的作用，这使之能够有所述调制解调器的一种稳定和紧凑结构。
在一个特定的实施方式中，所述封装包含一个包围功率放大器(PA)器件的金属本体。功率放大器发出大量不需要的热量。通过所述金属本体包围所述功率放大器，可以既冷却又附加地屏蔽所述功率放大器。所述金属本体把不需要的热量传导到所述封装的外表面。除了与所述功率放大器完全没有电接触的所述金属本体之外，所述功率放大器可以通过一个不接触所述金属本体的热沉或者导热管直接与外面的封装连接。该导热管与所述外面的封装电绝缘。
一个高度优选的实施方式包含至少三个腔，其中所述第一腔包围模拟的发射元件和接收元件，所述第二腔包围模数转换器元件和数模转换器元件，并且所述第三腔包含高频数字处理器、现场可编程的门阵列和DC/DC电源。在该实施方式中，通过严格地分隔多数电路元件达到最小的电子干扰。有利的是所述封装包含铝，这提供了一种拥有低调制解调器总重量的高质量的法拉第罩。
为了拥有封装的强屏蔽特性和高稳定性，所述封装优选的厚度为至少2mm。
下面结合附图进一步详细地说明本发明。
图1示出一个基本的封装的示意性前视图。
图2示出一个海底电力线的方框图。
图3示出所述海底电力线调制解调器的一个示意性前视图。
图4示出所述海底电力线的示意性后视图。
在所有附图中，对应的部件采用相同的附图标记指代。
图1说明本发明的原理，该图大致示出一个调制解调器1，其包含印刷电路板2，所述印刷电路板2装备具有高频数字信号处理器3(DSP)和功率放大器4。这两个电子器件都对电磁射频辐射灵敏，然而其本身还发射出大量的电磁辐射。其表面在该图中是开放的一个完全包围印刷电路板2的金属封装5。该封装5由两个互为镜像的壳(在图中看不到)构成。这两个壳都各自包含一个杆，如果按照图中所示，装配了所述壳，那么所述杆形成一个壁6。壁6连续地与所述印刷电路板的一个通孔(图中看不到)脱离开。从而，如果围绕印刷电路板2组装后，所述封装5形成由壁6分隔开的第一腔7和第二腔8。每一个腔7、8既包围印刷电路板2的前侧也包围其后侧。印刷电路板2由一些柱(图中未示出)和所述杆固定在所述壳之间，所述柱是封装5壳的一部分。
封装5包含壁6，所述壁6起到法拉第罩的作用，对数字信号处理器3进行屏蔽来防止第二腔8中的功率放大器4发出的辐射，并且反之亦然。此外，封装5既对数字处理器3也对功率放大器4进行屏蔽来防止外部的电磁辐射。因此显著降低了这些电子元件中受到电子干扰和噪音的风险。
在图2中示出了一个海底电力线调制解调器的方框图。调制解调器1包含现场可编程的门阵列9(FPGA)、数字信号处理器3、模数处理线10和数模处理线11。模数转换器12(ADC)和低噪音放大器13(LNA)是所述模数处理线10的一部分。数模转换器14(DAC)和功率放大器4是数模处理线11的一部分。这两个处理线10和11都经不同的接口(图中未示出)与一个双工器16连接。通过该双工器16，所述调制解调器可以与所述海底电力线(图中未示出)连接。所述现场可编程的门阵列9提供两个独立的双向外部串行接口，一个是可以与用于二进制有效负荷数据的所谓PROFIBUS连接的RS-485连接17，而一个是用于诊断数据的RS-232连接18。这些部件都安装在单个的六层印刷电路板(图中未示出)的双侧。
一个方面，所述现场可编程的门阵列9从RS-485连接17得到的二进制数据来产生OFMD调制的信号，并且如果需要，从RS-232连接18得到的信号来产生所述OFMD调制的信号。这些数据被调制在所述电力线的电信号上。另一个方面，所述现场可编程的门阵列9把经双工器16从电力线得到的一种OFDM调制的信号解调成二进制的有效负荷数据，并且如果需要解调成诊断数据，这两种数据分别输出到RS-485连接17和RS-232连接。由于OFDM的计算开销高，所述现场可编程的门阵列9对调制和解调两者都采用数字信号处理器3。双工器16能够把射频调制解调器1连接到一个电力线电缆的两端使得：两个调制解调器1能够相互通信，而与此同时，所述电缆还能够用于电力配送。
利用从电视广播技术公知的OFDM所发射的调制解调器以被称为载波频带或者信道的多个不同的正交频率发送。如果两个载波频带在其相互相位关系上相互独立，那么这两个载波频带就被称为是正交的。所述二进制数据以所谓的OFDM符号的形式调制在所述电信号上。
在图3中，示出图2所示的调制解调器的一个示意性前视图。电子部件安装在所述六层印刷电路板2的两侧，该六层印刷电路板2的尺寸例如是100mm×160mm并且超出封装5的横截面。只有两个D-SUB端口19和20安排在封装5的外侧。它们在外部提供RS-485连接和RS-232连接(该图中未示出)。
封装5由水力喷射切割铝构成，其包含五个部分：整体的前框架5.1、前盖(图中未示出)、整体的后框架5.2(在该图中隐藏在印刷电路板2的后面-参见图4)、后盖(图中未示出)和整体的金属本体5.3。所有这些部分都设有用螺丝对印刷电路板2固定它们的孔22。前框架5.1展现中间壁6，所述中间壁6把前框架5.1的内部分进一步划分成三个分开的腔7、8和21。第一腔7包围模拟的发射部件，譬如功率放大器4，和接收部件，譬如低噪音放大器13。第二腔8包围模数转换器12和数模转换器14以及一个低噪音放大器13。第三腔21包围数字信号处理器3、现场可编程的门阵列9和DC/DC电源23。金属本体5.3只在第一腔7内包围功率放大器4。
前框架5.1、后框架5.2和所述盖具有至少2mm的厚度。前框架5.1的高度例如为20mm。后框架5.2的高度例如5mm。前框架5.1通过完全穿过后盖、后框架5.2、印刷电路板2的孔22并且进入前框架5.1坚固的螺丝安装。因此两个框架5.1和5.2都完全与印刷电路板2紧密接触。所述前盖通过穿过所述前盖的孔22进入前框架5.1的孔的螺丝直接安装在前框架5.1上。一个导热垫应该刚好安装在金属本体5.3达到前盖处。金属本体5.3通过穿过印刷电路板2并且进入金属5.3的螺丝围绕所述功率放大器安装。印刷电路板2在分隔壁6接触它之处设置有金属接触区。可以用印刷电路板2的印刷卡设计简单地制造封装5的铝部分。
如在图4中所示，印刷电路板2的背侧上后框架5.2对前框架5.1是一个镜像配对。从而三个腔7、8、21延续到印刷电路板2的背侧。如上所述，如果安装前盖和后盖，包含腔7、8、21的封装5和金属本体5.3起到有效法拉第罩作用。
Claims (10)
1.一种用于海底电力线通信的调制解调器(1)，所述调制解调器(1)包含电路板(2)上的电子元件(3、4)和金属封装(5)，
其特征在于，
所述封装(5)形成由至少一个壁(6)进行分隔开的至少两个腔(7、8)，其中所述至少两个腔(7、8)中的每一个腔包围所述电子元件(3、4)中的至少一个电子元件，
其中，至少一个所述的分隔开的壁(6)与所述电路板(2)紧密接触，
其中，所述电路板(2)在其表面设有至少一个针对所述分隔开的壁(6)的金属连接区，以及
其中，在所述电路板(2)的内层设置平行于所述金属连接区并且与之接触的导电轨迹。
2.根据权利要求1所述的调制解调器(1)，其中，
所述至少两个腔(7、8)安排在所述电路板(2)的第一侧。
3.根据权利要求2所述的调制解调器(1)，其中，
所述至少两个腔(7、8)中的至少一个腔在所述电路板(2)的第二侧延续。
4.根据权利要求3所述的调制解调器(1)，其中，
所述电路板(2)把所述延续的腔(7、8)进一步划分为两个部分。
5.根据权利要求1-4之一所述的调制解调器(1)，其中，
所述封装(5)包含：前盖、所述电路板(2)的第一侧的整体的前框架(5.1)、所述电路板(2)的第二侧的整体的后框架(5.2)、后盖。
6.根据权利要求5所述的调制解调器(1)，其中，
所述框架(5.1、5.2)中的每一个框架的平面侧与所述电路板(2)完全紧密接触。
7.根据权利要求1-4之一所述的调制解调器(1)，其中，
所述封装(5)包含包围功率放大器(4)器件的金属本体(5.3)。
8.根据权利要求1-4之一所述的调制解调器(1)，所述调制解调器(1)包含至少三个腔(7、8、21)，其中
所述至少三个腔(7、8、21)中的第一腔(7)包围模拟的发射元件和接收元件(4)，而所述至少三个腔(7、8、21)中的第二腔(8)包围模数转换器元件和数模转换器元件(12、14)，并且所述至少三个腔(7、8、21)中的第三腔(21)包围高频的数字处理器(3)、现场可编程的门阵列(9)和DC/DC电源。
9.根据权利要求1-4之一所述的调制解调器(1)，其中，
所述封装(5)包含铝。
10.根据权利要求1-4之一所述的调制解调器(1)，其中，
所述封装(5)的厚度为至少2mm。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20210512 Address after: Oslo Patentee after: Siemens Energy Co.,Ltd. Address before: Munich, Germany Patentee before: SIEMENS AG |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111123 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |