CN112005431A - 用于借助波导传输信号的设备 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于在旋转系统中借助波导来传输信号的设备，所述设备包括至少一个发送波导(WLS1；WLS2)和至少一个接收波导(WLE1；WLE2)，其中，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)和所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)划分成多个径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b；WLS1a，WLS1b；WLS2a，WLS2b)，并且所述设备的特征在于，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b)分别具有抽头，并且，设置有用于相加的装置(ADD)，所述用于相加的装置用于将借助所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b)的所述抽头所获得的信号相加。

Description

用于借助波导传输信号的设备
技术领域
本发明涉及一种用于在旋转系统中借助波导传输信号的设备，所述设备包括至少一个发送波导和至少一个接收波导，其中，所述至少一个接收波导和所述至少一个发送波导划分成多个径向分布的部段。
背景技术
在各种各样的应用情况中，需要在连续旋转的区域与静止的区域之间进行数据传输。例如风力涡轮机、计算机断层扫描仪、机器人和旋转激光雷达。对于大于几Mbit/s的数据速率，在此，无损耗的、无接触的方法优于使用传统滑环的方法。一种可能的无接触方法基于对置的波导的近场中的数据传输。
例如在DE 195 43 558 B4中描述这种传输方法的原理。在此，信号源连接到发送器波导对上，其中，待传输信号以电磁方式过耦合(überkoppeln)到平行延伸的第二波导对上，该平行延伸的第二波导对因此用作接收器。接收器的波导对通常比发送器的波导对短。为了实现对电磁辐射不敏感且此外在远场中发射很少电磁辐射的传输，通常选择发送器和接收器的对称结构。这意味着，电流至接收器的去程及其返程通过相同实施的结构。因此，用于发送的波导对中的两个波导和用于接收的波导对中的两个波导必须分别具有相同的面积。
此外，由DE 195 43 559 A1已知一种波导耦合器的信号变化过程，该信号变化过程在传输期间的不同位置处示出。因此，输入数据信号具有矩形形状，其中，借助比较器增加该信号的边缘陡度(Flankensteilheit)。借助等式λmin＝c2πτ，在此可以基于边缘的上升时间τ和波的传播速度c来估计最小相关波长λmin。通过发送波导对和接收波导对的电磁耦合实现输入信号的高通滤波，该高通滤波导致以下输出信号：该输出信号由在输入信号的信号边缘区域中出现的脉冲组成。在穿过波导耦合器之后，通过具有滞后的积分器或比较器来恢复矩形信号。
此外，由DE 195 33 820 B4已知一种基于波导的旋转发射器(Drehübertrager)，在该旋转发射器中，数据传输对于接收器相对于发送器的每个角度都正常工作。为了避免由待传输信号引起的反射，波导具有限定的波阻，借助匹配电阻将旋转发射器设置为该波阻。此外避免接收天线中的反射，其方式为：将接收天线实施成比出现的最小波长λmin小得多。
根据现有技术，以两个对置的电路板的形式给出用于旋转传输的系统的特别简单的结构类型，其中，所使用的波导以微带线(Mikrostreifenleitung)的形式实施。
在所提及的由现有技术已知的解决方案中，以下视为不利：目前的波导旋转发射器具有接收波导，该接收波导比在信号中出现的最小波长λmin短得多。由此，在高传输速率的情况下，接收波导显著小于发送波导的周长。由于由此导致的低的耦合面积，耦合效率如此低，使得在发送器和接收器处都需要附加的放大器。这一方面增加发送器的发射，另一方面增加波导旋转发射器的成本和能量消耗。
这种布置的另一缺点在于，接收到的信号幅度取决于接收波导与发送波导之间的间距。如果将系统构造成两个对置的电路板的形式，则电路板彼此之间的轻微倾斜或电路板的不平坦就导致信号幅度在一个旋转期间变化如此之大，使得取决于旋转角度有时在数据传输中会出现故障。
基于反馈机制，接收器可以补偿变化的信号幅度。例如在US 2004/0116099 A1中对此进行描述，其中，相应于一种优选的方法，设置使用具有可设置的增益的放大器。然而，这种放大器成本高并且需要很多能量。
发明内容
因此，根据本发明，提供一种用于在旋转系统中借助波导来传输信号的设备，该设备包括至少一个发送波导和至少一个接收波导，其中，该至少一个接收波导划分成多个径向分布的部段。根据本发明的设备的特征在于，至少一个接收波导的径向分布的部段分别具有抽头，并且设置有用于相加的装置，该用于相加的装置用于将借助至少一个接收波导的径向分布的部段的抽头获得的信号相加。
在此，波导可以优选为耦合波导，其中，特别优选地，在不均匀的电介质中使用耦合波导。
本发明的优点
根据本发明获得的波导旋转发射器具有以下优点：该波导旋转发射器在很大程度上对不平坦和倾斜不敏感。这通过以下方式实现：将接收波导划分成多个径向分布的部段，并将这些部段的接收信号相加。
通过将所有接收波导的信号相加，结果的幅度变得与角度位置无关，由此不必在接收器上对信号幅度进行费力的再调整。
根据本发明的一种优选的构型设置，至少一个接收波导的径向分布的部段的抽头彼此相对置。由此实现，部段的由于倾斜或不平坦而降低的接收幅度可以通过对置的部段的另一接收幅度来补偿，该另一接收幅度与此相反为高。
有利地，该设备包括用于耦合输入的装置，该用于耦合输入的装置用于将具有正极性的待传输信号耦合输入到至少一个发送波导的第一部段中，并且用于将具有负极性的待传输信号耦合输入到至少一个发送波导的第二部段中。在此优选设置，设置比较器作为用于耦合输入待传输信号的装置，该比较器具有同相和反相的输出端。由此实现，同相输出端将具有正极性的矩形输入信号耦合输入到第一发送波导中，并且反相输出端将具有负极性的相应的信号耦合输入到第二发送波导中，从而在传播时间期间，两个信号均能够沿着波导过耦合到接收波导中。
优选地，为了终止至少一个发送波导和/或至少一个接收波导的径向分布的部段的留出的末端，分别设置有电阻。以这种方式，接收波导尤其无反射地终止，并且可以比在信号中出现的最小波长λmin长得多，可以借助λmin＝c2πτ来计算在该信号中出现的最小波长作为最小相关波长。这是由于以下事实：在波导不匹配的情况下，如果波导的长度大于信号中出现的最大波长的约1/10，则已经可能出现进行干扰的反射。在现有的无接触的数据传输中，波导不长于最小波长，而是具有约等于最小相关波长的1/5的长度，从而这些波导不再比最小波长短得多并且决不长于最小波长。相反地，较长的波导会导致两个相邻的位之间的串扰。
根据本发明的一种实施方式，设置电阻性耦合器作为用于相加的装置。这例如可以是电阻性50/50耦合器，通过该电阻性50/50耦合器可以不取决于发送器相对于接收器的扭转角度获得具有高稳定性的信号，其方式为：将接收波导的所有部段的接收信号相加。
有利地，该设备还包括用于重构的装置，该用于重构的装置用于重构通过相加获得的信号。这具有以下优点：可以将在接收器上以脉冲形状存在的传输信号重构为原始的矩形信号。为此，优选设置具有滞后的积分器或比较器作为用于重构的装置。
根据本发明的一种优选的实施方式，设置半环作为用于至少一个发送波导和/或用于至少一个接收波导的部段。由此，以相对较低的构造开销仍然实现根据本发明给出的优点。
此外，替代地，设置缩短的接收环作为用于至少一个发送波导和/或用于至少一个接收波导的部段，该接收环具有对置的耦合输出点。这具有以下优点：以这种方式，可以实现较低的信号传播时间，并且由此能够实现较高的比特率。
有利地，至少一个接收波导的部段的长度大于在待传输信号中出现的最小波长。由此可以实现，接收波导可以构造得显著大于现有技术至今已知的实现方案，这导致更高的耦合面积并且因此导致更高的耦合效率。
根据本发明的设备还能够实现，至少一个发送波导设置在转子上，并且至少一个接收波导设置在定子上。
根据本发明的另一实施方式设置，该设备包括用于划分的装置，该用于划分的装置用于为第一发送波导并且为第二发送波导划分待传输信号。以这种方式，可以获得对称实施的波导旋转发射器，在该对称实施的波导旋转发射器中，例如将一个信号划分到两个比较器输入端上，其中，一个比较器将信号耦合输入到左波导对中，而另一比较器将信号耦合输入到右波导对中。
有利地，在这种实施方式中，该设备包括第一接收波导和第二接收波导，其中，第一接收波导设置为用于检测借助第一发送波导传输的信号，第二接收波导设置为用于检测借助第二发送波导传输的信号。由此能够在接收器侧获得信号，该信号通过相加形成对称的信号，由该对称的信号能够恢复原始的矩形数据流。
本发明的有利扩展方案在从属权利要求中说明并且在说明书中描述。
附图说明
基于附图和以下描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据第一实施例的根据本发明的设备；
图2示出根据第二实施例的对称实施的根据本发明的设备。
具体实施方式
在图1中，以根据第一实施例的波导旋转发射器D的形式示出根据本发明的设备，该设备在很大程度上对不平坦和倾斜不敏感。为此目的，将接收波导WLE1划分为多个径向分布的部段WLE1a、WLE1b，借助加法器ADD将这些部段的接收信号相加。
例如，如果部段WLE1a的接收幅度由于倾斜或不平坦而降低，则对置的部段WLE1b的接收幅度高。通过将将接收波导WLE1的所有部段WLE1a、WLE1b的信号相加，使结果的幅度与角度位置无关，这使得不必在接收器E上对信号幅度进行费力的再调整。
在本文中，相应于图1，发送波导WLS1的部段WLS1a、WLS1b和接收波导WLE1的部段WLE1a、WLE1b实施为半环。在发送半环WLS1a、WLS1b的一侧耦合输入的信号相互反相。在发送半环WLS1a、WLS1b的另一侧存在终止电阻R。
接收波导WLE1的部段WLE1a、WLE1b的抽头A1、A2位于对置的位置，其中，留出的末端分别以电阻R终止。因此，接收波导WLE1的部段WLE1a、WLE1b无反射地终止，并且可以比信号中出现的最小波长λmin长得多。通过这种结构使得以下面积最大化：在该面积上，发送波导WLS1的电磁波能够过耦合到接收波导WLE1的电磁波上。这导致高的耦合效率，该高的耦合效率使得不必对信号进行前置或后置放大。同时，即使在通常为1Gbit/s的高数据速率下，这种布置也正常工作。
如在图1中进一步所示，在信号源SQ后面有比较器COMP1，该比较器增加矩形信号的边缘陡度。同相输出端0°将具有正极性的矩形信号耦合输入到发送波导WLS1的左部段WLS1a中，而反相输出端180°将具有负极性的相应信号耦合输入到发送波导WLS1的右部段WLS1b中。两个信号均沿着波导WLS1的部段WLS1a、WLS1b传播直至终止电阻R，并且在传播时间期间过耦合到接收波导WLE1的部段WLE1a、WLE1b中。
左接收波导上的抽头A1位于输入信号的传播路径的末端。反相的、经高通滤波的信号被接收。在输入信号上的陡峭信号边缘所在的位置处，输出信号因此具有窄的脉冲。
相反，接收波导WLE1的右部段WLE1b上的抽头A2位于输入信号的传播路径的始端。输出信号由在输入信号的信号边缘的位置处出现的脉冲组成，然而，信号的极性保持不变。脉冲宽度大于接收波导WLE1的左部段WLE1a的脉冲宽度，并且相当于输入信号沿着发送波导WLS1的右部段WLS1b和接收波导WLE1的右部段WLE1b的传播时间的总和。
在发送器相对于接收器扭转180°的情况下，将由接收波导WLE1的部段WLE1a、WLE1b耦合输出的信号互换。相反，不等于180°的扭转在接收波导WLE1的每个部段WLE1a、WLE1b上得出长脉冲和短脉冲的叠加。例如通过作为用于相加的装置ADD的电阻性50/50耦合器将两个所接收的信号相加。结果是与发送器相对于接收器的扭转角度无关地具有高稳定性的信号。借助用于信号重构的装置REC(例如呈具有滞后的积分器或比较器的形式)将脉冲形状的信号重构为原始的矩形信号。
图2示出根据第二实施例的对称实施的构型为波导旋转发射器D的根据本发明的设备。在此，从信号源SQ发出的输入信号分别被划分到两个比较器COMP2、COMP3的反相输入端180°和同相输入端0°上。
例如，比较器COMP3将信号耦合输入到由发送波导WLS1、WLS2的部段WLS1a、WLS2a组成的左波导对中。相反，根据该实施例，比较器COMP2将信号耦合输入到由发送波导WLS1、WLS2的部段WLS1b、WLS2b组成的右波导对中。在此同样能够考虑比较器输出端的其它接线。替代地，根据本发明也可以设置使用扇出缓冲器(Fan-Out-Buffers)。
在接收器侧，通过用于相加的装置ADD将在波导的外部部段WLE2a、WLE2b上所接收的两个信号相加。此外，以类似的方式，同样通过用于相加的装置ADD将在波导的内部部段WLE1a、WLE1b上所接收的两个信号相加。两个相加的结果形成对称的信号，通过用于信号重构的装置REC(当前呈具有滞后的比较器的形式)由该对称的信号恢复原始的矩形数据流。

Claims (14)

1.一种用于在旋转系统中借助波导来传输信号的设备，所述设备包括至少一个发送波导(WLS1；WLS2)和至少一个接收波导(WLE1；WLE2)，其中，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)和所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)划分成多个径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b；WLS1a，WLS1b；WLS2a，WLS2b)，其特征在于，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b)分别具有抽头(A1，A2)，并且，设置有用于相加的装置(ADD)，所述用于相加的装置用于将借助所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b)的所述抽头(A1，A2)所获得的信号相加。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段(WLE1a，WLE1b；WLE2a，WLE2b)的所述抽头(A1，A2)彼此相对置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，所述设备还包括用于耦合输入的装置，所述用于耦合输入的装置用于将具有正极性的待传输信号耦合输入到所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)的第一部段(WLS1)中并且用于将具有负极性的待传输信号耦合输入到所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)的第二部段(WLS2)中。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，设置比较器(COMP1；COMP2，COMP3)作为用于耦合输入所述待传输信号的装置，所述比较器具有同相的(0°)和反相的(180°)输出端。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，为了终止所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)和/或所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述径向分布的部段的留出的末端，分别设置有电阻(R)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，设置电阻性耦合器作为用于相加的装置(ADD)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，所述设备还包括用于重构的装置(REC)，所述用于重构的装置用于重构通过相加所获得的信号。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，设置具有滞后的积分器或比较器作为用于重构的装置(REC)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，设置半环作为用于所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)和/或用于所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的部段。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，设置缩短的接收环作为用于所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)和/或用于所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的部段，所述接收环具有对置的耦合输出点。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)的所述部段的长度大于在待传输信号中出现的最小相关波长λmin＝c2πτ。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中，所述至少一个发送波导(WLS1；WLS2)设置在转子上，所述至少一个接收波导(WLE1；WLE2)设置在定子上。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中，设置用于划分的装置(COMP2，COMP3)，所述用于划分的装置用于为第一发送波导(WLS1)和第二发送波导(WLS2)划分待传输信号。
14.根据权利要求13所述设备，所述设备还包括第一接收波导(WLE1)和第二接收波导(WLE2)，其中，所述第一接收波导(WLE1)设置为用于检测借助所述第一发送波导(WLS1)所传输的信号，所述第二接收波导(WLE2)设置为用于检测借助所述第二发送波导(WLS2)所传输的信号。
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