CN108987869A - 用于信号传输的耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无接触式信号传输的耦合器(6)，其包括具有第一传输元件(12、12a‑d)的第一耦合器元件(8)和具有第二传输元件(18、18a‑d)的第二耦合器元件(10)，在第一传输元件的第一端部(30)上布置有用于连接信号导线(16)的第一信号触头(14)，在第二传输元件的第一端部(42)上布置有用于连接信号导线(4)的第二信号触头(20)，第一传输元件在第一端部(30)与第二端部(32)之间形成多个U形的第一曲线(37)，第二传输元件在第一端部(42)与第二端部(44)之间形成多个U形的第二曲线(37)，其中，第一传输元件设置用于在运行中将在第一信号触头处馈送的信号借助定向耦合传输至第二传输元件，并且其中，第二传输元件设置用于在运行中从第一传输元件接收信号并且通过第二信号触头输出信号。

Description

用于信号传输的耦合器
技术领域
本发明涉及一种用于信号传输的耦合器，其包括具有第一传输元件的第一耦合器元件和具有第二传输元件的第二耦合器元件，其中，在第一传输元件的第一端部上布置有用于连接信号导线的第一信号触头，其中，在第二传输元件的第一端部上布置有用于连接信号导线的第二信号触头，其中，第一传输元件设置用于在运行中将在第一信号触头处馈送的信号传输至第二传输元件，并且其中，第二传输元件设置用于在运行中从第一传输元件接收信号并且通过第二信号触头输出信号。
背景技术
在多个不同应用中出现这样的要求，即在技术过程中生成数据时，以尽可能高的数据速率将所产生的数据从生成数据的设备部件传输至处理数据的设备部件，所述处理数据的设备部件在空间上与生成数据的部件分隔开。与生成数据的类型以及与其继续处理的类型和用途无关，这种要求出现在多个技术领域中。在此，在很多情况下，数据传输的实现完全与上级技术工艺协调适配，也就是开发了独立的数据传输技术方案，尤其在需要实现特别高的数据速率时，并且大多为了嵌入到标准化传输协议中所要求的数据预处理在数据生成中是不期望的或者是单纯不可行的。
这恰恰在成像医疗技术中是经常出现的情况，在成像医疗技术中，在非常短的时间内生成相对较大数据量的图像数据，所述图像数据需要从经常移动的设备部件传输至执行相应的重建算法的计算单元。由于增长的成像物理可能性而在每个生成的单独图像中趋向于越来越高的图像分辨率以及每次拍摄的趋向于尽可能越来越短的顺序加剧了在所述数据传输时的挑战，以便避免由于身体运动而造成的失误。在磁共振成像(MRT)中，例如需要将独有的数据信号从局部线圈传输至患者床。传输过程的另一个例子是超声波设备的在声波探头中产生的接收信号。
对于所述应用，由于待传输的数据量较大，通常使用成本高的、体积大的插头和相应较厚的线缆。这种插头和线缆由于不利的可操作性和较大重量在与成像医疗设备的运行中带来缺点。MRT的局部线圈例如由于使用的传输线缆的较大重量而必须被额外地固定，以使其不会由于线缆而移动。所使用的插头还通常具有大量触头，因为非常多的单独通道需要被传输，其中，这些触头通常难以清洁，并且通常也不具有高插接循环能力。在此尤其需要考虑的是，即使在传输协议中设置了冗余通道，在一些触头损坏时，插头可能不能再确保数据传输。
在此，所述要求不只限于作为传输器件的插头，而是能够延伸到几乎每种用于在较高数据速率中传输信号的耦合器上。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于信号传输的耦合器，其具有尽可能高的数据速率，其耦合性能尽可能不易受到机械公差的影响，并且其允许尽可能紧凑的构造方式。
该技术问题按本发明通过一种用于无接触式信号传输的耦合器解决，其包括具有第一传输元件的第一耦合器元件和具有第二传输元件的第二耦合器元件，其中，在第一传输元件的第一端部上布置有用于连接信号导线的第一信号触头，其中，在第二传输元件的第一端部上布置有用于连接信号导线的第二信号触头，其中，第一传输元件在第一端部与第二端部之间形成多个U形的第一曲线，其中，第二传输元件在第一端部与第二端部之间形成多个U形的第二曲线，其中，第一传输元件设置用于在运行中将在第一信号触头处馈入的信号借助定向耦合传输至第二传输元件，并且其中，第二传输元件设置用于在运行中从第一传输元件接收信号并且通过第二信号触头输出信号。有利的和本身具有创造性的设计方案在以下的说明中阐述。
耦合器尤其可以设置用于双向的信号传输，因此第二传输元件设置用于在运行中将在第二信号触头处馈入的信号借助定向耦合传输至第一传输元件，并且第一传输元件设置用于在运行中从第二传输元件接收信号并且通过第一信号触头输出信号。
在此，耦合器一般包括双元件式的设备，所述设备设置用于在运行中在两个元件之间传输信号，其中，两个元件设计为能够可逆地彼此分隔开。优选地，第一传输元件和第二传输元件分别设计为，使得能够局部地定义优选方向，从而在局部相对于所述优选方向实现定向耦合，所述优选方向在相应的传输元件内部也确定信号路径。局部的优选方向分别从布置在相关传输元件的第一端部上的信号触头沿着传输元件延伸至第二端部。
U形曲线在此一般包括相关传输元件的每个180°的弯曲部，即尤其也包括在不具有朝向真正弯曲部或背离该弯曲部地笔直导入或者导出的区段的情况下的曲线。通过两个传输元件之一在其第一端部和其第二端部之间形成多个U形曲线在此尤其理解为，通过相关传输元件的局部优选方向的整体在第一端部与第二端部之间形成线条走向，其中，所述线条例如可以通过传输元件沿局部垂直于优选方向的空间方向的局部边界给出，并且线条走向具有相应的U形曲线。
在此，多个U形曲线一方面可以总是具有相同的弯曲方向，例如对于螺旋的情况，或者另一方面弯曲方向也可以交替变化，由此形成蛇曲形的线条走向。在此，各个单独的U形曲线彼此间尤其可以通过相应传输元件的线条走向中的笔直区段相互分隔开并且各个单独的U形曲线尤其也可以在各自曲线的起点和终点之间具有一些笔直区段，而不具有优选方向或者线条导引的弯曲，因此起点和终点之间的总弯曲部相加为180°。同样可行的是，传输元件在其线条走向中不具有笔直区段，而是通过U形曲线的连续排列构成，U形曲线本身分别具有连续的曲率。这种情况例如是设计为螺旋的传输元件，或者沿着锥形外表面卷绕的传输元件，或者围绕柱形外表面卷绕的传输元件。在此，第二传输元件的第二U形曲线特别优选地在其空间定向上模仿第一传输元件的第一U形曲线。
在此，定向耦合尤其理解为两个在空间上直接相邻、但相互不导电接触的电导体的相互串扰。通过应用这种定向耦合，在按照本发明的耦合器中能够舍弃第一传输元件与第二传输元件之间的物理接触。在这种物理接触中，通常根据数据传输的类型和必要时根据传输协议的类型，大量的单独的传输通道需要在按照现有技术的耦合器的第一传输元件和第二传输元件上单独地接触。这导致相应耦合器的不利尺寸设计，或者导致特别小的接触部位，这些接触部位在两个耦合器元件彼此经常分离时可能由于物理接触而容易磨损。
使用在高频技术中的定向耦合器在此作为传输元件大多使用两个平坦的条形导体，其中，在两个导体中起到信号传输作用的部段通常处于待传输信号的波长的四分之一的数量级。即使在此由于一些结构设计方案，例如针对两个导体在传输期间的距离或者在两个导体之间使用介电基底而存在一些构造余地，但不会由此影响传输部段的原则上的数量级。
然而，对于多个应用，尤其是两个耦合器元件经常需要相互分离的应用，还有成像医疗技术领域中的应用，由于彼此成本耗费高的定位、由于相对机械公差的较高敏感度并且由于传输部段的相对长度，将平坦的条形导体用作传输元件是不实际的。在使用定向耦合器时的这个问题现在通过本发明由此解决，即第一传输元件和第二传输元件通过相应的U形曲线“展开”，由此一方面可以显著减少空间需求，并且另一方面由于显著改善的相对偏差的稳定性，两个传输元件彼此相对的定位能以明显更少的耗费实现。由于两个传输元件通过U形曲线分别获得了面状的延展，所以为了充分利用定向耦合器效应，不再需要将两个条形导体彼此相对定位，而是基本上将两个面彼此定向，这通常是明显更简单的。为了耦合器的运行，第一耦合器元件与第二耦合器元件的固定在此还可以完全与信号传输分隔开地设计，并且必要时在磨损时也可以单独地由其更换，这附加地提高了耦合器的使用寿命。
在此，第一传输元件和第二传输元件优选分别处于平面中，或者第一传输元件和第二传输元件沿着彼此互补的旋转面延伸。旋转面在此是通过平的曲线围绕处于相同平面中的旋转轴旋转形成的面。在此尤其也包括柱体表面。在此，旋转面有利地在旋转轴的方向上以与旋转轴单调增大的距离延伸。通过所描述的分别在平面中或者沿着互补旋转面的延伸，第一传输元件和第二传输元件能够特别简单地彼此定向，其中，通过沿着互补旋转面的延伸可以附加地确保第一传输元件和第二传输元件在运行中至少区段性地彼此具有有利于无接触式传输的较小距离。
通过两个平面的固有的旋转对称性或者通过两个彼此互补的旋转面的旋转对称性还可行的是，第一传输元件和第二传输元件分别设计为，使得相对于共同的对称轴的旋转只对于定向耦合的耦合强度发挥有限的作用。这特别有利于第一耦合器元件相对于第二耦合器元件的定位。
在此相宜地，第一耦合器元件旋转对称地设计，并且第二耦合器元件与第一耦合器元件互补地设计。在此优选地，第一耦合器元件的旋转对称的形状通过第一传输元件在其中延伸的相应面预设。通过旋转对称性和互补的设计，第一耦合器元件和第二耦合器元件可以在机械上特别简单地相互连接。
第一传输元件以有利的方式在第一端部与第二端部之间形成螺旋。在此，螺旋尤其在平面中或者沿着一个锥形外表面延伸。第二传输元件优选在其第一端部与其第二端部之间形成螺旋，所述螺旋特别优选地与第一传输元件的螺旋一致。恰恰在这种设计方案中，还能够在第一传输元件相对于第二传输元件关于共同的螺旋中心显著扭转时确保较大程度的空间重叠并且因此确保用于定向耦合的较高耦合强度。
在另一有利的设计方案中，第一传输元件在第一端部与第二端部之间蛇曲形地盘绕。在此优选地，第二传输元件也在其第一端部与其第二端部之间蛇曲形地盘绕，其中特别优选的是，第二传输元件的回旋与第一传输元件的回旋一致。传输元件的蛇曲形设计方案尤其在平面的实施形式中在以下情况下是有利的，即附加地在相关平面中由于耦合元件的构造还存在附加的优选方向，即在例如基本上呈矩形的耦合器元件中。在此，通过相应传输元件的蛇曲形设计方案，能够更好地充分利用可供使用的空间。
业已证明还有利的是，第一传输元件围绕圆柱的外壳面卷绕。在此优选的是，第二传输元件也以与第一传输元件相应的方式围绕圆柱的外壳面卷绕。通过这种设计方案，两个传输元件可以作为共轴的圆柱成型，其中，为了耦合器的运行，将圆柱形的耦合器元件引入相应的由另一耦合器元件形成的圆柱形套筒中。由此在两个耦合器元件彼此分开时，处于圆柱形套筒中的传输元件特别好地受到防止外部因素影响的保护。
业已证明还有利的是，第一传输元件和/或第二传输元件至少区段性地在局部设计为面状。这尤其包括条状的设计方案。在此，局部的面状应理解为，垂直于相关传输元件中的局部优选方向在局部沿一个方向压扁，然而沿垂直于局部优选方向的另一空间方向进行扩展。在此，压扁和扩展尤其相对于总横截面是显著的。由此优选在局部形成基本上呈矩形或者椭圆形的横截面，其两个空间方向彼此相差至少一个数量级。通过第一传输元件和/或第二传输元件的至少区段性的局部面状特性，能够改善定向耦合的耦合强度。第一传输元件和第二传输元件尤其分别沿着它们通过相应的线条引导定义的完整长度局部呈面状地分别设计在第一和第二端部之间。
优选地，第一传输元件敷设在介电基底上，所述介电基底形成第一耦合器元件的表面。特别优选的是，第二传输元件也敷设在介电基底上，所述介电基底形成第二耦合器元件的表面。在此，作为介电基底尤其可以使用FR4。介电基底尤其可以通过电绝缘体形成。使用这种介电基底允许为了耦合器的运行而以特别简单的方式控制第一传输元件与第二传输元件之间的距离，通过所述介电基底朝向相应的耦合器元件表面地覆盖第一传输元件或者第二传输元件。两个耦合器元件优选形状配合地接触，因此介电基底在相应表面上实现两个传输元件的正确间隔。这尤其在以下背景下是有意义的，即在定向耦合器中，传输元件彼此的间距对于耦合强度和频率特性具有显著影响。
业已证明还有利的是，在第一耦合器元件中布置有用于感应式能量传输的第一线圈，并且在第二耦合器元件中布置有用于感应式能量传输的第二线圈，其中，第一线圈和第二线圈设置用于在耦合器的运行中将能量从第一耦合器元件传输至第二耦合器元件和/或从第二耦合器元件传输至第一耦合器元件。这实现了不只将耦合器用于信号传输，而且也用于能量传输，由此在上级应用中可以取消单独的能量传输部段。在此，尤其以有利的方式充分利用了以下情况，即感应式能量传输不以值得一提的方式与使用在用于信号传输的耦合器中的定向耦合相干涉。
相宜地，第一耦合器元件和第二耦合器元件分别具有电磁吸收器。这尤其在以下情况下是有利的，即在第一耦合器元件中和在第二耦合器元件中分别布置有至少一个用于感应式能量传输的线圈，因此在耦合器运行中可以通过相应的电磁吸收器来屏蔽通过相关线圈进行的感应式能量传输，并且因此不与上级应用相干涉。
优选地，所述耦合器设置用于在200MHz至4GHz的频率范围内、特别优选在300MHz至2.5GHz的频率范围内传输信号。为了借助定向耦合在所述频率范围内传输信号，要求有效的耦合长度，所述耦合长度可能从厘米范围到分米范围。对于这种有效耦合长度，所建议的第一传输元件和第二传输元件借助相应的U形曲线的“卷绕”特别有利于耦合器的尺寸。
本发明还涉及一种磁共振成像装置，其具有局部线圈和前述耦合器，其中，耦合器的第一耦合器元件布置在局部线圈上。在此，针对耦合器和其扩展设计说明的优点可以相应地转用在磁共振成像装置上。
附图说明
以下根据附图详细阐述本发明的实施例。在附图中分别示意性地：
图1以剖视图示出具有耦合器的MRT的局部线圈；
图2以立体图示出按照图1的耦合器的两个平螺旋形的传输元件；
图3以立体图示出按照图1的耦合器的两个平蛇曲形的传输元件；
图4以侧视图示出耦合器的两个螺旋形传输元件，它们分别沿着锥形外表面延伸；并且
图5以侧视图示出耦合器的两个传输元件，它们分别沿着圆柱形外表面延伸。
彼此相应的部件和参数在所有附图中分别配设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示意性地以剖视图示出MRT2的局部线圈1，借助线缆4可以从MRT2的未显示的患者床通过耦合器6建立与局部线圈的能够可逆地断开的数据连接。耦合器6包括布置在局部线圈1上的第一耦合器元件8和布置在线缆4的端部上的第二耦合器元件10。第一耦合器元件8具有还将描述的带有第一信号触头14的第一传输元件12，所述第一信号触头与局部线圈1的信号线路16触点接通。第二耦合器元件10具有还将描述的带有第二信号触头20的第二传输元件18，在所述第二信号触头上触点接通线缆4的端部。此外，第一耦合器元件8和第二耦合器元件10分别具有用于借助感应式能量传输为局部线圈1供能的第一线圈22或者第二线圈24以及电磁吸收器26、28，以使感应式能量传输尽可能少地与MRT2的总体运行相干涉。在MRT2运行中，在局部线圈1中产生的医学图形数据借助定向耦合从第一耦合器元件8的第一传输元件12传输至第二耦合器元件10的第二传输元件18，并且局部线圈还通过线圈22、24提供功率。
在图2中以立体图示出按照图1的耦合器6的第一传输元件12a和第二传输元件18a。在第一传输元件12a的第一端部30上布置有第一信号触头14。第一传输元件12a螺旋形地延伸至其自由的第二端部32。在此，尤其可以分别在局部定义优选方向34a-d，所述优选方向通过在第一传输元件12a中的局部信号走向确定。因此，通过局部优选方向34a-d的整体36形成线条走向，其在此形成多个依次排列的弯曲方向相同的U形曲线37并且因此形成螺旋38。在垂直于局部优选方向34a的方向40a上，第一传输元件12a具有明显的空间延展，其中，在垂直于方向40a并且垂直于局部优选方向34a的空间方向(未示出)上，第一传输元件12a不具有明显的延展，并且因此形成局部面状的条形结构。
第二传输元件18a从其第一端部42到其自由的第二端部44模仿第一传输元件12a的螺旋形状。在第一端部42上布置有第二信号触头20，在第二信号触头上触点接通线缆4。第一传输元件12a和第二传输元件18a均安装在介电基底46、48上，所述介电基底在共同的接触区域中分别形成第一或第二耦合器元件8、10的表面。
通过第一和第二传输元件12a、18a的整体呈螺旋形、但局部面状或者条状的设计方案，一方面可以针对定向耦合实现比在具有类似于螺旋直径的长度的整体线形传输元件中明显更高的耦合强度。另一方面传输质量不易受到两个传输元件12a、18a关于共同的中心轴50的扭转的影响，因此相关的耦合器元件8、10可以旋转对称地设计，这简化了连接。
在图3中以立体图示出按照图1的耦合器6的第一传输元件12b和第二传输元件18b的另一实施形式。在此，两个传输元件12b、18b分别设计为蛇曲形，也就是分别确定两个传输元件12b、18b之一的线条走向36的U形曲线37不是连续地并且以相同的弯曲方向依次排列，而是弯曲方向交替，并且在此分别由笔直区段52相互间隔。如也在根据图2示出的实施例中那样，两个传输元件12b、18b在此分别处于平面54a、54b中，因此耦合器元件8、10的表面在相关区域中同样设计为平坦的，并且由相应的介电基底形成。
在图4中以侧视图示出耦合器6的传输元件12c、18c的另一实施形式。在此，两个传输元件12c、18c局部设计为条形，并且分别沿着具有相同张角的锥形56a、56b的彼此沿轴向移动的外表面螺旋形地卷绕。在此，通过传输元件12c、18c形成的条分别沿着锥形56a、56b的外表面延伸。
图5以侧视图示出类似的设计方案，其中，第一传输元件12d和第二传输元件18d分别设计为局部呈条形，并且分别沿着圆柱形58a、58b的共轴的外表面卷绕。在此，通过传输元件12d、18d形成的条分别沿着圆柱形58a、58b的外表面延伸。
在图4和图5所示的实施形式中，相关的第一耦合器元件8可以分别设计为一种套筒，第二耦合器元件10可以优选形状配合地引入所述套筒中，以按规定地传输信号。
尽管通过优选的实施例详细地进一步说明和描述了本发明，但本发明不受到所述实施例的局限。本领域技术人员可以由此推导出其它变型方案，只要不背离本发明的保护范围即可。

Claims (12)

1.一种用于无接触式信号传输的耦合器(6)，包括
具有第一传输元件(12、12a-d)的第一耦合器元件(8)和具有第二传输元件(18、18a-d)的第二耦合器元件(10)，
其中，在第一传输元件(12、12a-d)的第一端部(30)上布置有用于连接信号导线(16)的第一信号触头(14)，
其中，在第二传输元件(18、18a-d)的第一端部(42)上布置有用于连接信号导线(4)的第二信号触头(20)，
其中，第一传输元件(12、12a-d)在第一端部(30)与第二端部(32)之间形成多个U形的第一曲线(37)，
其中，第二传输元件(18、18a-d)在第一端部(42)与第二端部(44)之间形成多个U形的第二曲线(37)，
其中，第一传输元件(12、12a-d)设置用于在运行中将在第一信号触头(14)处馈入的信号借助定向耦合传输至第二传输元件(18、18a-d)，并且
其中，第二传输元件(18、18a-d)设置用于在运行中从第一传输元件(12、12a-d)接收信号并且通过第二信号触头(20)输出信号。
2.按权利要求1所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12、12a-d)和第二传输元件(18、18a-d)分别处于平面(54a、54b)中或者沿着彼此互补的旋转面(56a、56b、58a、58b)延伸。
3.按权利要求1或2所述的耦合器(6)，
其中，第一耦合器元件(8)旋转对称地设计，并且第二耦合器元件(10)与第一耦合器元件(8)互补地设计。
4.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12a、12c)在第一端部(30)与第二端部(32)之间形成螺旋。
5.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12b)在第一端部(30)与第二端部(32)之间蛇曲形地盘绕。
6.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12d)围绕圆柱形(58a)的外表面卷绕。
7.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12、12a-d)和/或第二传输元件(18、18a-d)至少区段性地在局部设计为面状。
8.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一传输元件(12、12a-d)安装在介电基底(46)上，所述介电基底形成第一耦合器元件(8)的表面。
9.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，在第一耦合器元件(8)中布置有用于感应式能量传输的第一线圈(22)，
其中，在第二耦合器元件(10)中布置有用于感应式能量传输的第二线圈(24)，并且
其中，第一线圈(22)和第二线圈(24)设置用于在耦合器(6)的运行中将能量从第一耦合器元件(8)传输至第二耦合器元件(10)和/或从第二耦合器元件(10)传输至第一耦合器元件(8)。
10.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，
其中，第一耦合器元件(8)和第二耦合器元件(10)分别具有电磁吸收器(26、28)。
11.按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，所述耦合器设置用于在200MHz至4GHz的频率范围内传输信号。
12.一种磁共振成像装置(2)，具有局部线圈(1)和按前述权利要求之一所述的耦合器(6)，其中，耦合器(6)的第一耦合器元件(8)布置在局部线圈(1)上。
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