DE102005056049A1

DE102005056049A1 - Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen mit verminderter Störstrahlung

Info

Publication number: DE102005056049A1
Application number: DE102005056049A
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Dr. Popescu; Marco Dr. Leone
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: US20070040635A1; US7421058B2; CN1935088A; JP2007037999A; DE102005056049C5; DE102005056049B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen, bei dem auf einem der beiden Teile (1) zumindest ein Streifenleitungspaar (11) zur symmetrischen Signalübertragung angebracht ist, in das die elektrischen Signale von einem Sendemodul (10) zur differentiellen Signalübertragung eingespeist werden. Auf dem anderen der beiden Teile (2) ist zumindest ein Empfangselement angebracht, das sich während der relativen Bewegung der beiden Teile in geringem Abstand entlang zumindest eines Abschnitts des Streifenleitungspaars (11) bewegt und mit einem Empfangsmodul (6) verbunden ist. Bei der vorliegenden Vorrichtung ist das Streifenleitungspaar (11) mit einer oder mehreren Komponenten (15, 19-23) zur Verringerung eines Gleichtaktsignalanteils versehen. Weiterhin oder alternativ sind in Ausgangsleitungen (13) des Sendemoduls (10) Kompensationselemente (18) zur Anpassung eines Zeitversatzes zwischen Signalen auf den Ausgangsleitungen (13) angeordnet. Mit der vorliegenden Vorrichtung wird eine verringerte elektromagnetische Störstrahlung bei der kontaktlosen Signalübertragung mittels kapazitiver HF-Kopplung erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen, bei der auf einem ersten der beiden Teile zumindest ein Streifenleitungspaar zur symmetrischen Signalübertragung angebracht ist, in das die elektrischen Signale von einem Sendemodul zur differentiellen Signalübertragung eingespeist werden, und bei der auf einem zweiten der beiden Teile zumindest ein Empfangselement angebracht ist, das sich während der relativen Bewegung der beiden Teile in geringem Abstand entlang zumindest eines Abschnitts des Streifenleitungspaars bewegt und mit einem Empfangsmodul verbunden ist. Die Vorrichtung ist insbesondere für die kontaktlose Übertragung von Daten zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil eines Computer-Tomographen geeignet.

Beim Betrieb eines Computer-Tomographen müssen die von den Röntgendetektoren erfassten Daten vom rotierenden Teil an den stationären Teil des Computer-Tomographen übertragen werden, um sie dort weiter zu verarbeiten. Mit der Weiterentwicklung der Computer-Tomographen, insbesondere von Computer-Tomographen der dritten Generation, steigt die zu übertragende Datenmenge pro Zeiteinheit ständig an. Die für die Datenübertragung verfügbaren Einrichtungen zur Datenübertragung, wie beispielsweise die bekannten kontaktlos arbeitenden Schleifringe, sind in der Übertragungsrate jedoch begrenzt. Daher besteht der Wunsch, mehrere dieser Schleifringe nebeneinander einzusetzen, um durch eine gleichzeitige Datenübertragung in Echtzeit eine erhöhte Übertragungsrate zu erreichen.

Bei der kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale über Schleifringe wird das evaneszente Feld genutzt, das sich bei Einspeisung elektrischer Signale am Schleifring ausbildet. Durch in der Regel kapazitive Kopplung können diese Signale in ein Empfangselement gekoppelt werden, an dem sich der Schleifring in geringem Abstand vorbei bewegt. Dieses Empfangselement ist am stationären Teil des Computer-Tomographen angeordnet und mit einem Empfangsmodul zur Decodierung der empfangenen Signale verbunden. Ein Schleifring ist dabei in der Regel als Streifenleiter ausgebildet, in dem sich das mit den eingespeisten elektrischen Signalen modulierte elektrische Feld ausbreiten kann. Ein derartiger Streifenleiter führt jedoch auch zu einer unerwünschten elektromagnetischen Abstrahlung, die als elektromagnetische Störstrahlung bezeichnet wird. Diese Störstrahlung summiert sich beim Einsatz mehrerer Streifenleiter, wie sie für eine hohe Datenübertragungsrate benötigt werden. Dies kann dazu führen, dass die für medizinische Geräte vorgeschriebene elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht mehr eingehalten werden kann. Die Störstrahlung variiert dabei bereits aufgrund von Herstellungstoleranzen von Bauteil zu Bauteil sehr stark und hängt zudem von der spektralen Zusammensetzung der übertragenen Signale ab.

Zur Verminderung der elektromagnetischen Störstrahlung bei der kontaktlosen Datenübertragung in Computer-Tomographen ist es beispielsweise aus der EP 1 051 816 B1 bekannt, die zu übertragenden Signale spektral stark aufzuspreizen, um durch die Absenkung der mittleren spektralen Leistungsdichte die abgestrahlten Störpegel zu verringern. Für die serielle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ist diese Technik jedoch nicht anwendbar, da die Anforderungen an die Jitter-Freiheit der eingesetzten Bauteile mit höheren Datenraten zu hoch werden.

Eine Abschirmung der Streifenleitung, wie sie in der US 5,530,425 A vorgeschlagen wird, arbeitet bei hohen Datenraten nicht effizient genug, um den dafür erforderlichen Aufwand und die resultierenden Kosten zu rechtfertigen.

Eine weitere bekannte Technik zur Verminderung elektromagnetischer Störstrahlung ist der Einsatz eines Streifenleitungspaars, über das die elektrischen Signale differentiell übertragen werden. Hierbei wird die Kopplung zwischen zwei nahe beieinander liegenden Streifenleitungen ausgenutzt, die die Ausbreitung von geführten elektromagnetischen Wellen im Gegentakt-Betrieb (differentieller Betrieb) oder im Gleichtakt-Betrieb ermöglichen. Bei der differentiellen Signalübertragung werden die zu übertragenden Signale um 180° in der Phase versetzt in beide Streifenleitungen des Streifenleitungspaars eingekoppelt. Dies führt zu einer Differenzspannung zwischen den beiden Streifenleitungen, die der doppelten Signalamplitude entspricht. Bei der Gleichtakt-Signalübertragung wird das Signal mit gleicher Phase in die beiden Streifenleitungen eingekoppelt, so dass keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Streifenleitungen besteht.

Die differentielle Signalübertragung hat den Vorteil, dass sich im Idealfall die von den beiden Streifenleitungen des Streifenleitungspaars abgestrahlten elektromagnetischen Wellen im Fernfeld gegenseitig kompensieren und somit keine oder nur eine sehr geringe Störstrahlung auftritt. Die differentielle Signalübertragung über ein Streifenleitungspaar wird daher in der US 5,530,422 A genutzt, um eine kontaktlose Signalübertragung zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil eines Computer-Tomographen mit verminderter Störstrahlung zu realisieren. Die differentielle Impedanz eines symmetrischen Streifenleitungspaars entspricht dem doppelten der Impedanz der einzelnen Streifenleitung abzüglich der Impedanz, die sich aufgrund der elektromagnetischen Kopplung der beiden Streifenleitungen ergibt. Eine starke Kopplung durch eine enge Anordnung der beiden Streifenleitungen verringert die differenzielle Impedanz, erhöht jedoch auch die Gleichtakt-Impedanz. Auf der anderen Seite nähert sich die differentielle Impedanz der Summe der beiden Einzelimpedanzen der Streifenleitungen an, wenn lediglich eine sehr schwache Kopplung der beiden Streifenleitungen besteht. In der bereits genannten US 5,530,422 A wird eine parallele Terminierung für die beiden Streifenleitungen realisiert. Diese Terminierung kann einen guten Abschluss für die differentielle Signalübertragung bieten, nicht jedoch für Gleichtaktsignale.

Ein Problem bei der Nutzung der Technik der differentiellen Signalübertragung besteht darin, dass aufgrund von Toleranzen der Bauteile des einspeisenden Sendemoduls oder aufgrund unterschiedlicher Längen oder Materialinhomogenitäten der beiden Streifenleitungen des Streifenleitungspaars keine ideale Kompensation der abgestrahlten elektromagnetischen Felder im Fernfeld erreicht wird. Die elektromagnetische Störstrahlung kann vielmehr aufgrund derartiger Toleranzen noch immer unerwünscht hohe Werte annehmen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen anzugeben, mit der eine verringerte elektromagnetische Störstrahlung erreicht wird.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei der vorliegenden Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen ist auf einem ersten der beiden Teile zumindest ein Streifenleitungspaar zur symmetrischen Signalübertragung angebracht, in das die elektrischen Signale von einem Sendemodul zur differentiellen Signalübertragung eingespeist werden. Auf dem zweiten der beiden Teile ist zumindest ein Empfangselement angebracht, das sich während der relativen Bewegung der beiden Teile in geringem Abstand entlang zumindest eines Abschnitts des Streifenleitungspaars bewegt und mit einem Empfangsmodul verbunden ist. Die vorliegende Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Streifenleitungspaar mit ein oder mehreren Komponenten zur Verringerung eines Gleich taktsignalanteils versehen ist und/oder in Ausgangsleitungen des Sendemoduls Kompensationselemente zur Anpassung eines Zeitversatzes zwischen Signalen auf den Ausgangsleitungen angeordnet sind.

Bei der vorliegenden Vorrichtung wurde erkannt, dass bei der differentiellen Signalübertragung ein parasitärer Gleichtaktsignalanteil eine wesentliche Ursache für die elektromagnetische Störstrahlung im Fernfeld des Streifenleitungspaars darstellt. Selbst sehr kleine unerwünschte Asymmetrien bei der differentiellen Signalübertragung führen zu stehenden Gleichtaktwellen im Streifenleitungspaar, die elektromagnetische Störstrahlung verursachen. Zur Verringerung dieser elektromagnetischen Störstrahlung wird daher das Streifenleitungspaar mit ein oder mehreren Komponenten zur Verringerung des parasitären Gleichtaktsignalanteils versehen und/oder bereits im Sendemodul über die vorgeschlagenen Kompensationselemente erreicht, dass der durch das Sendemodul in das Streifenleitungspaar eingespeiste Gleichtaktsignalanteil minimiert wird. Durch diese Maßnahmen wird die elektromagnetische Störstrahlung bei Nutzung der differentiellen Signalübertragung deutlich verringert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfassen die ein oder mehreren Komponenten zur Verringerung des parasitären Gleichtaktsignalanteils Abschlusswiderstände, mit denen das Streifenleitungspaar sowohl für den Gleichtaktsignalanteil als auch für die Gegentaktsignale abgeschlossen ist. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass ein nicht optimaler Abschluss gegenüber Gleichtaktsignalen zu resonanten stehenden Wellen im Streifenleitungspaar führt, die Störstrahlung verursachen. Während bei der differentiellen Signalübertragung gemäß dem Stand der Technik, wie dies bereits im Zusammenhang mit der US 5,530,422 A erläutert wurde, eine parallele Terminierung für einen guten Abschluss der differentiellen Signalanteile eingesetzt wird, sorgt die vorliegende Ausgestaltung zusätzlich auch für einen optimalen Abschluss eventueller parasitä rer Gleichtaktsignalanteile. Der Abschluss des Streifenleitungspaars erfolgt bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise über ein Abschlusswiderstandsnetzwerk aus zumindest drei T-förmig verschalteten Widerständen, kann jedoch auch durch andere Netzwerkstrukturen, beispielsweise eine π-Struktur, realisiert sein.

In einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltungen sind die Abschlusswiderstände an der Unterseite einer bedruckten Leiterplatte (PCB: Printed Circuit Board) angebracht und über in der Impedanz angepasste Durchkontaktierungen, so genannte Vias, mit den Streifenleitungen auf der Oberseite der Leiterplatte verbunden. Derartige Vias mit angepasster Impedanz vermindern an dieser Stelle Reflexionen, die zu einer erhöhten elektromagnetischen Störstrahlung führen können. Ein Beispiel für das Design derartiger, in der Impedanz angepasster Vias kann der Veröffentlichung von T. Neu, „Designing Controlled-Impedance Vias", Electronic Design News, October 2, 2003, Seiten 67–72 entnommen werden. Derartige in der Impedanz angepasste Vias werden vorzugsweise bei sämtlichen mit den Streifenleitungen verbundenen Durchkontaktierungen der vorliegenden Vorrichtung, auch in Verbindung mit den nachfolgenden Ausgestaltungen, eingesetzt.

In einer weiteren Ausgestaltung oder Weiterbildung der vorliegenden Vorrichtung ist das Streifenleitungspaar in mehrere getrennte Segmente unterteilt, die über Gleichtaktdrosseln miteinander verbunden sind. Die Gleichtaktdrosseln dämpfen eventuelle Gleichtaktsignalanteile, so dass diese nicht über die gesamte Länge des Streifenleitungspaars akkumulieren können.

Eine Minimierung des Gleichtaktsignalanteils im Streifenleitungspaar kann auch durch andere Komponenten erreicht werden. So ist das Streifenleitungspaar in einer weiteren Ausgestaltung oder Weiterbildung von ein oder mehreren Elementen aus einem Ferritmaterial zumindest teilweise umschlossen. Diese Elemente können sich über die gesamte Länge des Streifenlei tungspaars erstrecken oder auch entlang des Streifenleitungspaars verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise werden hierzu ein oder mehrere U-förmige Elemente eingesetzt, in deren U-förmigem Kanal das Streifenleitungspaar angeordnet ist. Diese Elemente aus Ferrit-Material wirken als Gleichtaktsignaldrosseln, so dass sie ebenfalls den Aufbau eines größeren Gleichtaktsignalanteils bei der differentiellen Signalübertragung verhindern. Vorzugsweise ist auf dem mit dem Empfangselement versehenen (zweiten) Teil ein korrespondierender Streifen aus Ferrit-Material angebracht, der sich bei der Relativbewegung der beiden Teile über dem Streifenleitungspaar bzw. der Öffnung der U-förmigen Elemente befindet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der ebenfalls der Aufbau eines größeren Gleichtaktsignalanteils verhindert wird, sieht Strukturen auf der bedruckten Leiterplatte vor, die als kapazitiv abgeschlossene und stark gekoppelte mit dem Streifenleitungspaar verbundene Stichleitungen ausgebildet sind. Diese stark gekoppelten Stichleitungen verhalten sich ebenfalls wie Gleichtaktdrosseln. Der kapazitive Abschluss kann durch relativ große, beispielsweise rechteckige, metallische Flächen auf der Leiterplatte realisiert sein.

In einer weiteren Ausgestaltung oder Weiterbildung der vorliegenden Vorrichtung umfassen die ein oder mehreren Komponenten zur Verringerung des Gleichtaktsignalanteils zumindest eine Gleichtaktdrossel, die an einem eingangsseitigen Ende des Streifenleitungspaars angeordnet ist. Diese Gleichtaktdrossel befindet sich somit in direkter Verbindung zum Streifenleitungspaar zwischen dem Streifenleitungspaar und dem Verbinder mit dem Sendemodul. Auf diese Weise können Gleichtaktsignalanteile, die aus der Verbindung der Streifenleitungen mit dem Sendemodul resultieren, verringert werden. Vorzugsweise wird hierbei eine Gleichtaktdrossel eingesetzt, die eine relativ geringe Impedanz aufweist und somit weniger effektiv arbeitet als eine Gleichtaktsignaldrossel mit hoher Impedanz. Gleichtaktsignaldrosseln mit hoher Impedanz unter drücken zwar Gleichtaktsignalanteile stärker, verzerren jedoch die Signalqualität von Hochgeschwindigkeitssignalen. Die Impedanz der Gleichtaktdrossel wird daher vorzugsweise so gewählt, dass in Verbindung mit anderen in dieser Patentanmeldung vorgestellten Maßnahmen die elektromagnetischen Verträglichkeitsanforderungen der Vorrichtung an die Signalübertragung gerade erreicht werden.

Neben den Komponenten zur Verringerung des Gleichsignalanteils am Streifenleitungspaar wird bei der vorliegenden Vorrichtung zusätzlich oder alternativ ein Sendemodul mit Kompensationselementen eingesetzt, mit denen ein unerwünschter Zeitversatz zwischen den beiden Ausgangsleitungen des Sendemoduls minimiert wird. Im Idealfall werden die für die differentielle Signalübertragung auf den beiden Ausgangsleitungen bereitgestellten elektrischen Signale exakt um 180° phasenverschoben. Aufgrund von Toleranzen und Bauteilstreuung entsteht jedoch häufig ein unerwünschter Zeitversatz zwischen den beiden Ausgangsleitungen. Bei der vorliegenden Vorrichtung sind daher in dieser Alternative Kompensationselemente in den beiden Ausgangsleitungen vorgesehen, die bereits bei der Herstellung des Sendemoduls den unerwünschten Zeitversatz kompensieren. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um geeignete Verzögerungsabschnitte in den Ausgangsleitungen, die bei der Herstellung hinsichtlich der von ihnen erzeugten Verzögerung angepasst werden können (Tuning).

Die vorgenannten Ausgestaltungen lassen sich in drei unterschiedliche Kategorien unterteilen. In einer ersten Kategorie wird ein unerwünschter Gleichtaktsignalanteil bereits im Sendemodul oder unmittelbar vor der Einspeisung in das Streifenleitungspaar minimiert. Dies erfolgt durch die Kompensationselemente im Sendemodul sowie die Gleichtaktsignaldrossel(n) unmittelbar am eingangsseitigen Ende des Streifenleitungspaars. In einer zweiten Kategorie wird die Entstehung stehender Gleichtaktwellen im Streifenleitungspaar unterdrückt, indem dieses geeignet sowohl gegenüber den differentiellen Sig nalen als auch gegenüber dem Gleichtaktsignalanteil abgeschlossen wird. In einer dritten Kategorie wird der Gleichtaktsignalanteil auf dem Streifenleitungspaar gedämpft, der sich beispielsweise aufgrund von Inhomogenitäten entlang der Leitungen ausbilden kann, indem entsprechende Dämpfungselemente für diesen Gleichtaktsignalanteil in oder am Streifenleitungspaar angeordnet werden. Die einzelnen Maßnahmen können hierbei für sich alleine oder auch in beliebiger Kombination bei der vorliegenden Vorrichtung umgesetzt werden.

Die Vorrichtung eignet sich vor allem für die kontaktlose kapazitive HF-Signalübertragung zwischen dem rotierenden Teil und dem stationären Teil eines Computer-Tomographen. Selbstverständlich lässt sich die Vorrichtung jedoch auch in allen anderen Anwendungsgebieten einsetzen, bei denen eine Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen stattfinden soll, die sich während der Relativbewegung nahe beieinander befinden. Beispiele hierfür sind industrielle Scanner oder Gepäckscanner, wie sie für die Sicherheitskontrolle in Flughäfen eingesetzt werden.

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 in schematischer Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Computer-Tomographen, in dem die vorliegende Vorrichtung einsetzbar ist;

2 ein Beispiel für die Terminierung eines differentiellen Streifenleitungspaars gemäß dem Stand der Technik;

3 ein Beispiel für die Terminierung des differentiellen Streifenleitungspaars gemäß der vorliegenden Erfindung;

4A–4C ein Beispiel für die Verbindung der Abschlusswiderstände mit dem Streifenleitungspaar;

5 ein Beispiel für eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung mit einer eingangsseitigen Gleichtaktdrossel;

6 ein Beispiel für eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit zwei voneinander unabhängigen Streifenleitungstreibern;

7A–7C ein Beispiel für die Verbindung der eingangsseitigen Gleichtaktdrossel mit dem Streifenleitungspaar;

8 ein Beispiel für die Ausgestaltung des Sendemoduls mit Kompensationselementen;

9A–9D ein Beispiel für die Ausgestaltung eines Kompensationselementes;

10 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Gleichtaktdrosseln im Streifenleitungspaar;

11A–11C ein Beispiel für die Verbindung der Gleichtaktdrosseln mit dem Streifenleitungspaar;

12 ein Beispiel für den Einsatz von Elementen aus einem Ferrit-Material; und

13A–13B ein Beispiel für den Einsatz von Gleichtaktdrosseln in Form geeigneter Strukturen auf der Leiterplatte.

1 zeigt in schematisierter Darstellung einen Computer-Tomographen mit einer Signalübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Messdaten vom rotierenden Teil 1 auf den stationären Teil 2 der Gantry. Ein Computertomograph umfasst unter anderem eine Röntgenröhre 3, zeilenförmig angeordnete Röntgendetektoren 4 und einen Patientenlagerungstisch 9. Die Röntgenröhre 3 und die Röntgendetektoren 4 sind am rotierenden Teil 1 der Gantry angeordnet, der um den Patientenlagerungstisch 9 bzw. eine parallel zu diesem verlaufende Untersuchungsachse Z rotiert. Der Patientenlagerungstisch 9 ist in der Regel relativ zur Gantry entlang der Untersuchungsachse verschiebbar. Die Röntgenröhre 3 erzeugt ein in einer Schichtebene senkrecht zur Untersuchungsachse fächerförmig aufgeweitetes Röntgenstrahlbündel, das bei Untersuchungen in der Schichtebene eine Schicht eines Objektes, beispielsweise eine Körperschicht eines Patienten, der auf dem Patientenlagerungstisch 9 gelagert ist, durchdringt und auf die der Röntgenröhre 3 gegenüberliegenden Röntgendetektoren 4 auftrifft. Der Winkel, unter dem das Röntgenstrahlbündel die Körperschicht des Patienten durchdringt, und gegebenenfalls die Position des Patientenlagerungstisches 9 relativ zur Gantry verändern sich während der Bildaufnahme mit dem Computer-Tomographen kontinuierlich. Während der Bildaufnahme liefern die Röntgendetektoren 4 daher eine große Menge an Messdaten, die zur Rekonstruktion eines zweidimensionalen Schnittbildes oder eines dreidimensionalen Bildes des Körpers des Patienten ausgewertet werden müssen. Die Auswertung erfolgt in der Regel in einem stationären Rechnersystem 8, das mit dem Computer-Tomographen verbunden ist.

Während der Messdatenerfassung rotiert der rotierende Teil 1 der Gantry innerhalb des stationären Teils 2. Die von den Röntgendetektoren 4 erfassten Messdaten werden mit einer rotierenden Sendeeinrichtung 5, die am rotierenden Teil 1 der Gantry befestigt ist, an eine stationäre Empfangseinrichtung 6 am stationären Teil 2 des Computer-Tomographen übertragen. Von der stationären Empfangseinrichtung 6 werden die Daten dann in der Regel über eine Kabelverbindung einem Empfänger 7 des Bildrechners 8 zur Auswertung zugeführt. Die Sendeeinrichtung 5 und die Empfangseinrichtung 6 sind in dieser Figur nur schematisch dargestellt. Die Sendeeinrichtung 5 umfasst bei der vorliegenden Vorrichtung ein oder mehrere Paare von Streifenleitern, insbesondere Mikrostreifenleitern, am rotierenden Teil 1, die sich um den gesamten rotierenden Teil 1 herum erstrecken. Die Empfangseinrichtung 6 umfasst zumindest ein als Empfangsantenne wirkendes Element, beispielsweise ein kurzes Stück eines Streifenleiters, das sich während der rotierenden Bewegung der Gantry in unmittelbarer Nähe über dem Streifenleitungspaar der Sendeeinrichtung 5 befindet. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen auch als Schleifring bezeichneten Signalübertragungseinrichtung ist aus dem Stand der Technik bekannt.

2 zeigt ein Beispiel für den elektrischen Aufbau des senderseitigen Teils einer derartigen Übertragungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik. Das Streifenleitungspaar 11 ist hierbei an beiden Enden über jeweils zwei Widerstände R₁ parallel abgeschlossen. Die zu übertragenden Signale werden vom Sendermodul 10 in das Streifenleitungspaar 11 eingespeist. Hierzu werden die zu übertragenen Signale von einem differentiellen Treiber 12 um 180° phasenversetzt auf die beiden Ausgangsleitungen 13 des Sendemoduls 10 gegeben. Zur Minimierung eines kaum vermeidbaren Gleichtaktsignalanteils ist zwischen dem Verbinder 14 mit dem Streifenleitungspaar 11 und dem differentiellen Treiber 12 eine Gleichtaktdrossel 15, in der Regel ein stromkompensierter Transformator, geschaltet. Diese Gleichtaktdrossel 15 schwächt den Gleichtaktsignalanteil, der aus Bauteiltoleranzen und Asymmetrien innerhalb des Sendemoduls 10 resultiert. Da das Sendemodul 10 allerdings über den Verbinder 14 mit dem Streifenleitungspaar 11 verbunden ist, können zusätzliche Asymmetrien aus dem Aufbau und aus Widerstandssprüngen im Verbinder 14 resultieren.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, wie sie in 5 dargestellt ist, wird daher eine Gleichtaktdrossel 15 direkt mit dem eingangsseitigen Ende des Streifenleitungspaars 11 verbunden. Diese Gleichtaktdrossel 15 ist somit hinter dem Verbinder 14 angeordnet, so dass sie auch durch den Verbinder erzeugte Gleichtaktsignalanteile unterdrückt, bevor diese in das Streifenleitungspaar 11 eingekoppelt werden.

6 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem zwei getrennte differentielle Streifenleitungspaare 11 eingesetzt werden. Diese Streifenleitungspaare 11 sind über getrennte Gleichtaktdrosseln 15 mit getrennten differentiellen Treibern 12 im Sendemodul 10 verbunden, wie dies aus der Figur ersichtlich ist.

Die Verbindung der Gleichtaktdrosseln 15 mit dem jeweiligen Streifenleitungspaar 11 erfolgt über Durchkontaktierungen (Vias) 16 mit angepasster Impedanz durch die Leiterplatte 17 hindurch, auf deren Vorderseite die Streifenleiter 11 aufgebracht sind. Sowohl der Verbinder 14 wie auch die Gleichtaktdrosseln 15 sind hierbei auf der Rückseite der Leiterplatte 17 angeordnet. Die 7 zeigt hierzu die Oberseite der Leiterplatte (Teilabbildung A), einen Querschnitt durch die Leiterplatte (Teilabbildung B) sowie eine Ansicht von der Unterseite (Teilabbildung C). Im Gegensatz zum üblichen Einsatz einfacher Durchkontaktierungen oder Nutverbindungen eliminieren die im vorliegenden Beispiel verwendeten Durchkontaktierungen 16 mit angepasster Impedanz Reflexionen, die durch Widerstandsprünge an diesen Durchkontaktierungen entstehen und zu höheren Gleichtaktsignalanteilen führen können. Zwar sind Gleichtaktdrosseln hoher Impedanz zur Unterdrückung von Gleichtaktwellen effizienter, sie verzerren jedoch die zu übertragenden Hochgeschwindigkeitssignale. Mit zunehmender Impedanz der Gleichtaktdrosseln wächst diese Verzerrung. Für den Einsatz in der vorliegenden Vorrichtung muss daher eine Gleichtaktdrossel mit einer Impedanz gewählt werden, die gerade das notwendige Maß an Gleichtaktwellenunterdrückung liefert, das für die Einhaltung der EMV-Verträglichkeit der jeweiligen Anwendung erforderlich ist. Dies kann durch geeignete Wahl der elektrischen und mechanischen Teile der Gleichtaktdrossel erreicht werden. Vorzugsweise wird eine Gleichtaktdrossel mit niedriger Impedanz eingesetzt, wobei dann jedoch weitere Maßnahmen zur Reduzierung des Gleichsignalanteils im Sendermodul 10 durchgeführt werden.

Die 8 und 9 zeigen ein Beispiel für eine weitere Maßnahme. Hierbei werden Kompensationselemente 18 zur Kompensation einer unerwünschten Zeitverzögerung zwischen den beiden Ausgangsleitungen 13 des Sendemoduls 10 eingesetzt. Im Idealfall ist die Zeitverzögerung zwischen den beiden Ausgangsleitungen 0, so dass die beiden Signalanteile auf den beiden Ausgangsleitungen 13 für die differentielle Signalübertragung exakt um 180° phasenverschoben sind. In der Praxis tritt zwischen den beiden Ausgangsleitungen 13 jedoch ein Zeitversatz auf. Dieser Zeitversatz führt zur Generierung von kurzen Gleichtaktpulsen, die Gleichtaktwellen im Streifenleitungspaar koppeln und somit zu erhöhter elektromagnetischer Störstrahlung führen. Durch Fertigungstoleranzen der Bauteile, inhärente Asymmetrien im Layout der eingesetzten Leiterplatten oder im Ausgangsverbinder lässt sich die unerwünschte Asymmetrie auch bei sorgfältiger Auswahl der eingesetzten Komponenten nicht vollständig beseitigen. Der unerwünschte Zeitversatz führt zu einer Modenkonversion, bei der ein Teil der Signalleistung des differentiellen Signals in Signalleistung für das Gleichtaktsignal gewandelt wird. Selbst wenn die beiden Ausgangsleitungen exakt übereinstimmende Längen aufweisen, so kann der Zeitversatz dennoch durch den differentiellen Treiber verursacht werden. In vielen Fällen ist die Treiberasymmetrie nicht spezifiziert. In diesen Fällen kann davon ausgegangen werden, dass der zeitliche Versatz zumindest 10% der Signalanstiegszeit beträgt. So weist beispielsweise ein 2,5 Gbit/s- Treiber mit einer Anstiegszeit von 200 ps einen Ausgangsversatz von zumindest ca. 20 ps auf, kann jedoch auch deutlich schlechter ausfallen.

In der Ausgestaltung der 8 werden daher die Kompensationselemente 18 in die Ausgangsleitungen 13 eingebracht, mit denen ein Zeitversatz zwischen den beiden Ausgangsleitungen kompensierbar ist. Diese Kompensationselemente stellen Verzögerungsleitungen mit einstellbarer Verzögerung dar. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Mikrostrip-Leitungen, die bereits bei der Herstellung des Sendermoduls 10 geeignet in der Verzögerung eingestellt werden.

9 zeigt ein Beispiel für derartige als Mikrostreifenleitungen ausgebildete Kompensationselemente 18. In der oberen Teilabbildung A) ist hierbei das Kompensationselement 18 mit unterschiedlichen Verzögerungsabschnitten zu erkennen. Solange die einzelnen Verzögerungsabschnitte durch den geradlinigen Leitungsabschnitt kurzgeschlossen werden, bewirken sie keine zusätzliche Verzögerung des Signals. Durch Auftrennen einzelner korrespondierender Abschnitte des geradlinigen Leitungsabschnitts können unterschiedliche Leitungslängen und somit unterschiedliche Verzögerungen erzeugt werden. Hierzu wird der geradlinige Leitungsabschnitt an den entsprechenden Stellen bei der Herstellung durchtrennt, beispielsweise chemisch durch Ätzen, mechanisch, durch Laser- oder Ultraschallablation oder mit anderen Mitteln. Teilabbildung B) zeigt hierzu die Realisierung einer einzelnen Verzögerungsstrecke (Δt), Teilabbildung C) die Realisierung von drei Verzögerungsstrecken (3 × Δt) und Teilabbildung D) die Realisierung von fünf Verzögerungsstrecken (5 × Δt), d.h. der mit dem dargestellten Kompensationselement maximal möglichen Verzögerung. Die Länge der Verzögerung, die in dem jeweiligen Kompensationselement 18 eingestellt wird, wird abhängig von der mit dem Sendemodul zu übertragenden Datenrate (Signalübertragungszeit) gewählt. Selbstverständlich lassen sich derartige variable Verzögerungen auch in anderer Weise realisieren, beispielsweise durch eine andere Anzahl an Verzögerungsabschnitten oder unterschiedliche Geometrien des Kompensationselementes. Bevorzugt ist jedoch eine Streifenleitungsstruktur auf einer gedruckten Leiterplatte, die in einem abschließenden Ätzschritt bearbeitet werden kann, um die gewünschte Verzögerung einzustellen (Tuning). Diese Verzögerung wird selbstverständlich genau so gewählt, dass der von den anderen Bauteilen des Sendemoduls erzeugte unerwünschte Zeitversatz zumindest annähernd so kompensiert wird, dass er am Ausgang des Verbinders 14 minimiert ist.

Der 8 ist auch eine weitere Maßnahme zur Verringerung des Gleichtaktsignalanteils auf dem Streifenleitungspaar zu entnehmen, eine optimierte Terminierung 19 des Streifenleitungspaars. Diese optimierte Terminierung ist in einer möglichen Ausgestaltung auch aus den 3, 5 und 6 zu entnehmen. Das auf dem Streifenleitungspaar 11 entstehende Gleichtaktsignal stellt einen wesentlichen Faktor dar, wenn die Leitungsverzögerung sich einem Viertel der Signalperiode annähert. In diesem Falle bauen sich kleine Gleichtaktartefakte von jeder Signalkante auf und überlagern sich, Periode für Periode, zu einem ansteigenden Gleichtaktsignalrauschen am Empfänger, das zu einer Vergrößerung der Störstrahlung führt. Dieses Problem wird auch als Gleichtaktresonanz bezeichnet. Um diese Gleichtaktresonanz zu vermeiden, muss jedes Streifenleitungspaar zwei Terminierungen aufweisen, zum einen einen guten differentiellen Abschluss an einem oder dem anderen Ende, um eine gute differentielle Signalqualität zu erhalten, zum anderen einen geeigneten Gleichtaktsignalabschluss an einem oder dem anderen Ende, um eine Gleichtaktresonanz zu vermeiden. Ein ECL-Treiber (ECL: Emitter Coupled Logic), wie er im Sendemodul häufig eingesetzt wird, bewirkt keinen guten Gleichtaktabschluss auf der Eingangsseite. Daher ist bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung ein geeigneter Gleichtaktsignalabschluss am Ende des Streifenleitungspaars vorgesehen.

Somit werden bei der vorliegenden Vorrichtung die Streifenleitungen vorzugsweise nicht nur für differentielle Signale sondern auch für Gleichtaktsignale geeignet abgeschlossen. Ein Beispiel für eine geeignete Terminierung 19 zeigt 3, bei der ein Widerstandsabschlussnetzwerk aus drei Widerständen, zweimal R₁ und einmal R₂, gebildet wird. Dieses T-förmige Netzwerk aus drei Widerständen wird so gewählt, dass R₁ + R₁ = Z_D und R₁/2 + R₂ = Z_CM gilt. Z_D stellt den differentiellen Widerstand der Übertragungsleitung (d.h. des Streifenleitungspaars) dar, Z_CM den Gleichtaktwiderstand der miteinander verbundenen Streifenleitungen des Streifenleitungspaars.

Vorzugsweise sind die Widerstände R₁, R₂ des Widerstandsnetzwerks als SMD-Widerstände mit möglichst geringer Toleranz ausgebildet und an der Unterseite einer bedruckten Leiterplatte 17 angebracht, auf der die Streifenleitungen 11 verlaufen. Die Verbindung zwischen den Widerständen R₁, R₂ und dem Streifenleitungspaar 11 erfolgt auch hier über in der Impedanz angepasste Durchkontaktierungen 16, auf die bereits im Zusammenhang mit 7 hingewiesen wurde. Die Teilabbildungen A), B) und C) der 4 zeigen hierzu eine Draufsicht, einen Querschnitt sowie eine Unteransicht eines Abschnitts der Leiterplatte 17 mit den entsprechenden Streifenleitungen 11, Durchkontaktierungen 16 und Widerständen R₁, R₂.

Die 10 bis 13 zeigen schließlich eine weitere Maßnahme zur Minimierung des Gleichtaktsignalanteils auf dem Streifenleitungspaar und somit zur Minimierung der elektromagnetischen Störstrahlung. Hierbei werden Elemente eingesetzt, die den Gleichtaktsignalanteil auf dem Streifenleitungspaar stark unterdrücken. Ein Beispiel für eine Realisierung dieser Elemente zeigt 10. In dieser Figur ist das Streifenleitungspaar 11 in einzelne Segmente unterteilt, die über die Elemente 20 zur Gleichtaktsignalunterdrückung miteinander verbunden sind oder die von diesen Elementen 20 zumindest teilweise umschlossen sind.

Ein Beispiel für derartige Elemente sind Gleichtaktsignaldrosseln 15, die die einzelnen Segmente des Streifenleitungspaars 11 miteinander verbinden. Diese Gleichtaktsignaldrosseln 15 sind vorzugsweise auf der Unterseite der bedruckten Leiterplatte 17 angebracht, auf denen sich die Streifenleitungen 11 befinden. Auch hier erfolgt die elektrische Verbindung über in der Impedanz angepasste Durchkontaktierungen 16, wie dies bei der Verbindung zweier Segmente des Streifenleitungspaars 11 in der 11 in Draufsicht, im Querschnitt und in der Unteransicht dargestellt ist. Die Gleichtaktsignaldrosseln 15 sind hierbei vorzugsweise als in SMD-Elemente realisiert, die das im jeweils vorangehenden Segment akkumulierte Gleichtaktsignal stark schwächen.

Eine weitere Möglichkeit in der Realisierung derartiger Elemente 20 zur Gleichtaktsignalunterdrückung besteht im Einsatz von Ferrit-Ringen, die das Streifenleitungspaar zumindest teilweise umschließen. 12 zeigt ein Beispiel für eine derartige Maßnahme, bei der ein U-förmiges Element 21 aus einem Ferrit-Material das Streifenleitungspaar zumindest teilweise umschließt. Das Streifenleitungspaar ist hierbei am rotierenden Teil 1 eines Computer-Tomographen befestigt. Am stationären Teil 2 ist in unmittelbarer Nähe des Streifenleitungspaars ein Streifen 22 aus einem Ferrit-Material angebracht, der den durch das U-förmige Element 21 gebildeten Kanal zumindest annähernd abdeckt. Die einzelnen U-förmigen Elemente 21 wirken wie Gleichtaktdrosseln und verbessern somit die Symmetrie des differentiellen Signals. Die Ausgestaltung der 12 wirkt besonders effektiv gegen Gleichtaktströme, die in anderen passiven Metallteilen in unmittelbarer Nähe des Streifenleitungspaars 11 induziert werden. Hierbei kann es sich beim Einsatz in einem Computer-Tomographen um andere Schleifringe handeln, bei denen Energie zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil über Kohlebürsten übertragen wird. Durch die Vermeidung einer Einkopplung von Gleichtaktsignalströmen in diese weiteren Schleifringe wird eine unkontrollierte parasitäre Emission von Störstrahlung durch diese Ringe vermieden.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung oder Unterdrückung des Gleichtaktsignalanteils auf dem Streifenleitungspaar besteht in der Realisierung von metallischen Strukturen in Form von kapazitiv abgeschlossenen und stark gekoppelten Stichleitungen 23 auf der gedruckten Leiterplatte. Dies ist aus der 13 ersichtlich, bei der diese Stichleitungen 23 durch relativ große rechteckige Flächen 24 auf der gedruckten Leiterplatte kapazitiv abgeschlossen werden. Diese Stichleitungen 23 wirken als Drosseln für das Gleichtaktsignal. Durch den Abschluss dieser Stichleitungen 23 mit relativ großen Flächen 24 wird zudem eine effiziente kapazitive Kopplung zum Empfangselement erreicht. Der linke Teil der 13 (Teil abbildung A) zeigt hierbei einen Abschnitt des Streifenleitungspaars 11 mit den dazwischen ausgebildeten Stichleitungen 23. Teilabbildung B) zeigt ein Ersatzschaltbild dieser Ausgestaltung.

Die im Zusammenhang mit den 10 bis 13 erläuterten Maßnahmen dienen vor allem der Unterdrückung eines Gleichtaktsignalanteils, das sich ohne diese Maßnahmen während der Signalübertragung verstärken würde. Derartige Gleichtaktsignalanteile treten bereits auf, wenn durch Herstellungsinhomogenitäten im Material der Leiterplatte für die Streifenleitungen die Signalsymmetrie gestört wird, da das Signal über relativ große Abstände von typischerweise zwei bis drei Metern entlang des Streifenleitungspaars propagiert. Dies würde zu einer ständig anwachsenden Gleichtaktsignalkomponente führen, die sich durch die vorangehend beschriebenen Maßnahmen gar nicht erst aufbauen kann. Die elektromagnetische Störstrahlung, die durch derartige Gleichtaktsignalanteile erzeugt wird, wird damit wesentlich reduziert.

Claims

Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen, bei der auf einem ersten der beiden Teile (1) zumindest ein Streifenleitungspaar (11) zur symmetrischen Signalübertragung angebracht ist, in das die elektrischen Signale von einem Sendemodul (10) zur differentiellen Signalübertragung eingespeist werden, und auf einem zweiten der beiden Teile (2) zumindest ein Empfangselement angebracht ist, das sich während der relativen Bewegung der beiden Teile (1, 2) in geringem Abstand entlang zumindest eines Abschnitts des Streifenleitungspaars (11) bewegt und mit einem Empfangsmodul (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenleitungspaar (11) mit ein oder mehreren Komponenten (15, 19–23) zur Verringerung eines Gleichtaktsignalanteils versehen ist und/oder in Ausgangsleitungen (13) des Sendemoduls (10) Kompensationselemente (18) zur Anpassung eines Zeitversatzes zwischen Signalen auf den Ausgangsleitungen (13) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Komponenten (15, 19–23) Abschlusswiderstände (R1, R2) umfassen, mit denen das Streifenleitungspaar (11) sowohl für den Gleichtaktsignalanteil als auch für einen Gegentaktsignalanteil abgeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusswiderstände (R1, R2) ein Abschlusswiderstandsnetzwerk (19) aus zumindest drei T-förmig verschalteten Widerständen bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusswiderstände (R1, R2) über Durchkontaktie rungen (16) mit angepasster Impedanz durch eine bedruckte Leiterplatte (17) hindurch mit dem Streifenleitungspaar (11) verbunden sind, das auf der Leiterplatte (17) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenleitungspaar (11) in mehrere Segmente unterteilt ist, die über Gleichtaktdrosseln (15) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichtaktdrosseln (15) über Durchkontaktierungen (16) mit angepasster Impedanz durch eine bedruckte Leiterplatte (17) hindurch mit den Segmenten des Streifenleitungspaars (11) verbunden sind, das auf der Leiterplatte (17) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenleitungspaar (11) von ein oder mehreren Elementen (21, 22) aus einem Ferritmaterial zumindest teilweise umschlossen ist, die über die Länge des Streifenleitungspaars (11) verteilt angeordnet sind oder sich zumindest annähernd über die Länge des Streifenleitungspaars (11) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Elemente (21, 22) ein oder mehrere U-förmige Kanäle (21) auf dem ersten Teil (1), in denen das Streifenleitungspaar (11) angeordnet ist, sowie zumindest einen Streifen (22) auf dem zweiten Teil (2) bilden, der so angeordnet ist, dass er während der relativen Bewegung der beiden Teile (1, 2) über dem Streifenleitungspaar (11) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenleitungspaar (11) auf einer bedruckten Leiterplatte (17) aufgebracht und mit kapazitiv abgeschlossenen und eng gekoppelten Stichleitungen (23) auf der Leiterplatte (17) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitungen (23) durch metallische Flächen (24) auf der Leiterplatte (17) kapazitiv abgeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Komponenten (15, 19–23) zumindest eine Gleichtaktdrossel (15) umfassen, die an einem eingangsseitigen Ende des Streifenleitungspaars (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichtaktdrossel (15) über Durchkontaktierungen (16) mit angepasster Impedanz durch eine bedruckte Leiterplatte (17) hindurch mit dem Streifenleitungspaar (11) verbunden ist, das auf der Leiterplatte (17) aufgebracht ist.
Computer-Tomograph mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen einem rotierenden Teil und einem stationären Teil des Computer-Tomographen, wobei das Streifenleitungspaar (11) am rotierenden Teil (1) und das Empfangselement am stationären Teil (2) angeordnet sind.