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Die Erfindung betrifft eine Anlage.
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Aus der
DE 44 46 779 ist eine Anlage zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, bei der ein Leckwellenleiter entlang der Primärleiter verlegt ist und auf diese Weise eine hochfrequenter Datenaustausch ermöglicht ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit verbessertem Datenaustausch auszubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anlage sind, dass sie einen Fahrwagen und eine stationär angeordnete Steuerung umfasst,
wobei die Steuerung und der Fahrwagen zum Datenaustausch vorgesehen sind,
wobei der Fahrwagen mit einem von ihm umfassten Antennenteil entlang eines in der Anlage verlegten Leckwellenleiter bewegbar ist,
wobei das Antennenteil im Nahfeld der aus dem Leckwellenleiter austretenden elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist und, insbesondere samt eines mit dem Antennenteil verbundenen Anpassnetzwerks, auf einen entsprechenden Wellenwiderstand angepasst ist.
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Statt des Fahrwagens oder zusätzlich sind auch andere Vorrichtungen in dieser Weise im Nahfeld anordenbar und zum Datenaustausch verbindbar. Dabei sind sie nicht notwendigerweise verfahrbar, wie der vorgenannte Wagen. Vorzugsweise sind sie als Client eines Master-Client-Systems ausgeführt.
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Von Vorteil ist dabei, dass elektromagnetische Funkwellen, die von anderen Sendern ausgesendet werden und als Fernfeld im Bereich des Antennenteils ankommen derart große Signalpegel erzeugen, dass der Empfang von der der aus dem Leckwellenleiter austretenden Strahlung bewirkten Signalpegel gestört ist. Die Signale dieser Fernfeld-Sender sind allerdings durch die Anpassung der Antenne auf das Nahfeld unterdrückt und somit nach Durchlauf des Anpassnetzwerks mit Antennenteil und insbesondere zusätzlichem Filter viel kleiner als das Signal, welches von der aus dem Leckwellenleiter im Nahfeld austretenden Strahlung zugeordnet ist. Störsender sind also abgeschwächt. Der Leckwellenleiter erzeugt in Relation zu einer Freifunkantenne ein schwaches Feld. Nur durch Fehlanpassung an das Fernfeld eines Störsenders und durch Anpassung an das Nahfeld des Leckwellenleiters hat das gewünschte Signal einen höheren Pegel als das Störsignal. Selbstverständlich gibt es auch Positionen des Fahrwagens, wo die Störsender so weit weg sind, dass ihr Signalpegel aufgrund der Entfernung geringer ist als der Signalpegel unmittelbar an der Leckwelle. Die Erfindung erlaubt aber auf jeden Fall sehr geringe Entfernungen zum Störsender und Störsender mit hoher Sendeleistung, solange sich das Antennenteil im Fernfeld dieser Störsender befindet. Je näher das Antennenteil am Leckwellenleiter und je mehr der zugehörige Wellenwiderstand abweicht vom Wellenwiderstand der sich im Umgebungsmedium ausbreitenden elektromagnetischen Wellen desto größer ist der Signalpegelabstand und somit desto besser sind die Signale entsprechend unterdrückbar.
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Unter Nahfeld wird ein Abstand zwischen Sender und Empfänger von etwa einer Wellenlänge verstanden. Bei größeren Abständen liegt Fernfeld vor.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung unterscheidet sich der entsprechende Wellenwiderstand um mehr als 2 %, insbesondere mehr als 10 %, von demjenigen naturgemäßen Wellenwiderstand, welcher zur Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen in dem den Leckwellenleiter umgebenden Medium im Fernfeld gehört. Von Vorteil ist dabei, dass schon bei mehr als 2% oder auch 10% eine deutliche Abschwächung der Störsender-Strahlung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das umgebende Medium Luft ist und/oder beträgt der naturgemäße Wellenwiderstand im Wesentlichen 377 Ohm. Von Vorteil ist dabei, dass dieser Wellenwiderstand für die Ausbreitung von Wellen in Luft einen festen Wert hat und somit das Antennenteil derart abzustimmen ist, dass der entsprechende abgestimmte Wert von diesem naturgemäßen Wert möglichst stark abweicht. Selbstverständlich bleibt das Antennenteil mit Anpassnetzwerk weiterhin mit seiner Resonanzfrequenz im Wesentlichen auf die Frequenz der aus dem Leckwellenleiter austretenden Strahlung angepasst.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Wellenwiderstand weniger als 350 Ohm, insbesondere weniger als 320 Ohm, oder mehr als 400 Ohm, insbesondere mehr als 420 Ohm. Von Vorteil ist dabei, dass bei dieser Dimensionierung gute Ergebnisse der Unterdrückung erzielbar sind. Dabei zeigen die angegebenen Werte den für die Erfindung und Erzielung eines guten Störabstandes vorteilhaften Bereich an Werten an, wobei als Umgebungsmedium Luft mit Normaldruck vorgesehen ist. Bei Verwendung anderer Umgebungsmedien für die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung sind die entsprechenden Abstände zum naturgemäßen Wellenwiderstand des Fernfeldes vorzusehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anpassnetzwerk mit einem Filter zur Unterdrückung von Signalen verbunden, welche von störenden Sendern als Fernfeld gesendet werden und zusätzlich zum Nutzsignal empfangen werden. Insbesondere ist der entsprechende Wellenwiderstand derart gewählt und das Filter ist derart ausgelegt, dass am Ausgang das Antennenteil, das Anpassnetzwerk und das Filter umfassenden Schaltungsteils das vom Leckwellenleiter stammende Nutzsignal als einziges Signal das Rauschen überragt. Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise nur das Nutzsignal herausfilterbar ist. Denn die Störsendesignale liegen auf diese Weise im Bereich des Rauschens und sind somit zusammen mit diesem mittels des Filters unterdrückbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Fahrwagen, insbesondere umfassend seinem Antrieb und einer elektronischen Schaltung, eine Sekundärspule, die induktiv gekoppelt ist an ein in der Anlage verlegtes Primärleitersystem, in das ein mittelfrequenter Strom, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz, eingeprägt ist, wobei die Sekundärspule mit einem Kondensator derart parallel oder in Reihe beschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des mittelfrequenten Stromes entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass zwar große Ströme als Primärstrom erlaubt sind, beispielsweise mehr als 1, 10 oder 100 Ampere, und nur ein geringer Abstand eingehalten werden muss vom Leckwellenleiter und Antennenteil. Aber trotzdem ist keine wesentliche Störung der Datenübertragung des Leckwellenleiters zum Antennenteil vorhanden. Denn die Frequenz der Datenübertragung ist viel höher gewählt als die Mittelfrequenz des Primärstromes. Außerdem ist durch die resonante Übertragung eine enorme Leistung, beispielsweise von 300 Watt, 1 kW und mehr übertragbar. In Weiterbildung lassen sich sogar auf den Primärstrom höher frequente Stromanteile aufmodulieren, die mittels der Sekundärspule als Empfangsmittel zur Datenübertragung nutzbar ist. Hierbei werden aber vorteiligerweise nur Frequenzen unter 1 oder 10 MHz verwendet, was zu geringen Datenübertragungsraten führt. Wenn also die Datenübertragung mittels Leckwellenleiter in den Bereich von Mikrowellen oder Zentimeterwellen mit einer Wellenlänge zwischen 1 und 100 cm gelegt wird, ist auch hierbei keine Störung der Leistungsübertragung oder Datenübertragung vorhanden. Die aufmodulierten Daten lassen sich beispielsweise für Sicherheitsbezogene Informationen verwenden. Somit ist ein redundantes Datenübertragungssystem herstellbar. Wenn also die Leckwellenleiter bewirkte Datenübertragung fehlerhaft wird, wird im Notfall eine Datenübertragung für sicherheitsgerichtete Funktionen per Aufmodulation ausführbar. In Weiterbildung ist sogar ein ständiges Übertragen von Prüfziffern oder Prüfbits per Aufmodulation ausführbar. Somit ist eine kontinuierliche Kontrolle des Datenstromes des Leckwellenleiters ausführbar und eine zusammenbrechen oder eine Fehlfunktion der vom Leckwellenleiter bewirkten Datenübertragung feststellbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zum Datenaustausch verwendete elektromagnetische Strahlung eine höhere, insbesondere mindestens zehnmal oder hundertmal höhere, Frequenz auf als die Mittelfrequenz. Von Vorteil ist dabei, dass die gegenseitige Beeinflussung verringert ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Antennenteil mit zugehörigem Anpassnetzwerk an den Wellenwiderstand des Nahfeldes des strahlenden Leckwellenleiters, insbesondere Koaxialleiter mit Ausnehmungen in Leiterrichtung, angepasst und/oder es ist eine Fehlanpassung an das Fernfeld der Störsender vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass eine Erhöhung der Signalpegeldifferenz zwischen dem Nahfeld und dem Fernfeld ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Fahrwagen Sende- und Empfangsmittel zum Datenaustausch mit stationär vorgesehenen Sendern, insbesondere Störsendern. Von Vorteil ist dabei, dass ein Datenaustausch bei Eintritt oder Aufenthalt in vorgebbaren Bereichen der Anlage ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Antennenteil im Nahfeld, also im Abstand einer Wellenlänge entfernt, von den Sende- und Empfangsmittel angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass trotz der nahen Anordnung keine störende Beeinflussung auftritt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Antennenteil mit verbundenem Anpassnetzwerk besser angepasst an das aus dem Leckwellenleiter austretende Nahfeld als an das aus den Sendemitteln austretende Nahfeld. Insbesondere ist das Antennenteil mit zugehörigem Anpassnetzwerk an den Wellenwiderstand des Nahfeldes des strahlenden Leckwellenleiters besser angepasst als an das aus den Sendemitteln austretende Nahfeld, insbesondere also der Widerstandswert des Antennenteils samt Anpassnetzwerk eine kleinere Differenz zum Wellenwiderstand des aus dem Leckwellenleiter austretenden Nahfeldes als zu dem aus den Sendemitteln austretenden Nahfeld aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Signalpegeltrennung in einfacher Weise durch Dimensionierung der elektronischen Bauteile und Festlegen geometrischer Daten des Antennenteils ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Antennenteil einen Antennenstab auf, der parallel zu einer Metallfläche, insbesondere Metallfolie oder Blech, insbesondere eben verlegte Metallfolie oder ebenes Blech, des Antennenteils verlegt ist,
insbesondere wobei die Metallfläche eine größere Längenausdehnung aufweist als der Antennenstab, insbesondere in Stabrichtung. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders optimale Feldlinienkonstellation erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Antennenteil derart angeordnet, dass der Antennenstab zwischen der Metallfläche und dem Leckwellenleiter angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass äußere Felder besser abschirmbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wellenlänge, auf die das Antennenteil abgestimmt, größer ist als
- (i) der Antennenstab,
- (ii) der Abstand zwischen Antennenstab und Metallfläche und/oder
- (iii) jede Längenausdehnung der Metallfläche.
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Von Vorteil ist dabei, dass
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antennenteil
- 2
- Anpassglied
- 3
- Dämpfungsglied
- 4
- Signalelektronik
- 20
- Gehäuseunterteil
- 21
- Befestigungslaschen
- 22
- Metallfolie
- 23
- Antennenstab
- 24
- Leckwellenleiter
- 25
- Deckel
- 26
- elektrischer Anschluss
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist ein Teil der elektronischen Schaltung gezeigt, welcher auf einem Fahrwagen vorgesehen ist. Dabei ist am Wagen ein Antennenteil 1 montiert, welches entlang einem in der Anlage stationär verlegten Leckwellenleiter verfahren wird. Die zur Informationsübertragung verwendeten Funkwellen sind in einem derartigen Frequenzbereich vorgesehen und das Antennenteil weist einen derart geringen Abstand zum Leckwellenleiter auf, dass für die Wellenausbreitung zwischen Leckwellenleiter und Antennenteil im Wesentlichen der Nahfeldbereich überwiegt.
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Als Leckwellenleiter ist beispielhaft ein Koaxialkabel verwendbar, das in Kabelrichtung vorgesehene Ausnehmungen aufweist, so dass ein Teil der im Koaxialkabel vorgesehenen elektromagnetische Strahlung in die Umgebung des Kabels heraustritt. Auch der umgekehrte Fall, also das Einstrahlen von Strahlung ins Kabelinnere ist vorgesehen. Die Ausnehmungen sind als Schlitz in Kabelrichtung oder als in Kabelrichtung regelmäßig oder unregelmäßig angeordnete kleine Schlitze oder Öffnungen vorsehbar.
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Das Antennenglied 1 umfasst die Antenne und gegebenenfalls zugehörige Komponenten. Beispielsweise ist ein einem Antennendraht zugeschalteter Kondensator oder Komponenten zur Bildung einer aktiven Antenne 2 vom Antennenteil umfasst. Das Ausgangssignal des Antennenteils 1 wird einem Anpassglied 2 zugeführt. Somit sind die Innenwiderstände des Antennenglieds an die nachfolgenden Schaltungsteile anpassbar.
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Das Anpassglied ist beispielhaft derart ausgelegt, dass es die antennenseitigen Wellenwiderstände auf ein seiner Ausgangsseite zugeordnetes Koaxialkabel mit beispielsweise 50 Ohm anpasst.
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Am Ausgang des Anpassglieds 2 ist auch ein Dämpfungsglied 3 vorgesehen, das zur Abdämpfung der von Störquellen stammenden Signale vorgesehen ist. Selbstverständlich wird auch das Nutzsignal gedämpft. Jedoch ist der zugehörige Pegel höher und übertrifft auch der Bedämpfung den Rauschpegel, in welchen die Störsender-Pegel gedrückt werden. Somit ist der nachfolgenden Signalelektronik 4 ein ungestörtes und somit fehlerfreies oder zumindest nur wenig Fehler behaftetes Signal zuführbar.
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Antennenteil und Anpassglied sind erfindungsgemäß derart ausgeführt und dimensioniert, dass die Signalübertragung auf Nahfeldübertragung abgeglichen und angepasst ist.
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Bei einem Abgleich auf das Fernfeld wäre das Antennenteil mit Anpassglied auf einen Wellenwiderstand von 377 Ohm angepasst. Bei der Erfindung weicht der Wert davon stark ab.
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Denn das Antennenteil mit Anpassglied ist auf das Nahfeld angepasst und somit auf einen Wellenwiderstand angepasst, der mehr als 10 Ohm abweicht von dem Wert von 377 Ohm.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde bei einer Anpassung auf 350 Ohm eine gute Unterdrückung von störenden Signalquellen erreicht, welche weiter entfernt sind und deren Strahlung somit als Fernfeld empfangen wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen waren Anpassungen auf weniger als 360 Ohm, beispielsweise 320 Ohm und auch Anpassungen auf mehr als 400 Ohm vorteilhaft. Durch die große Abweichung von dem für Luftausbreitung üblichen Wert von etwa 377 Ohm werden somit Störsignale viel schlechter empfangen als die Signale des Nahfeldes aus dem Leckwellenleiter.
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Mittels des Dämpfungsgliedes werden die Signale der störenden Sender sogar derart unterdrückt, dass sie in das Rauschen fallen. Somit ist das einzige Nutzsignal, das detektierbar ist, das aus dem Leckwellenleiter austretende Signal. Je besser die Anpassung der Antenne an das Nahfeld der aus dem Leckwellenleiter austretenden elektromagnetischen Strahlung ist, desto besser ist der Signal-Rausch-Abstand vorsehbar.
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Als Störsender treten beispielsweise WLAN-Sendegeräte oder andere Sendegeräte auf, die im gleichen Frequenzband oder in nahe liegenden Frequenzbändern senden wie die aus dem Leckwellenleiter austretende elektromagnetische Strahlung.
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Die Störsender sind jedoch in bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch verwendbar, um in einem lokalen Bereich um den jeweiligen Störsender herum Daten zu übertragen zu einem Empfänger. Einerseits sind als Empfänger Geräte verwendbar, die stationär in der Maschine oder Anlage vorgesehen sind, andererseits sind als Empfänger auch Geräte verwendbar, die auf dem Wagen mitbewegbar sind. Somit ist in diesem Bereich ein zusätzlicher Datenstrom austauschbar und somit die Datenübertragungsrate erhöhbar beziehungsweise Datenaustausch zwischen Komponenten ausführbar, der nur in diesem Bereich notwendig ist. Beispielsweise werden während der Bewegung des Wagens Daten ausgetauscht, die im vom Leckwellenleiter gesendeten Datenstrom Fahrbefehle für den Wagen und im vom Leckwellenleiter empfangenen Datenstrom Positionsinformationen des Wagens enthalten. In einem Bereich um einen Störsender herum wird dann eine mitfahrende Steuerung mit einem großen Datenstrom vom Störsender versorgt, um eine komplexe Bewegung von Achsen in Echtzeit zu steuern oder regeln oder eine neue Software beispielsweise bei Wartung einzuspielen.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden anderen Umgebungsmedien als Luft verwendet. Hierbei wird statt des Wellenwiderstandes von 377 Ohm für das Fernfeld der entsprechende Wert für das jeweilige Medium eingesetzt. Entsprechend wird dann die Anpassung des Antennenteils 1 mit entsprechend großem Abstand zu diesem Wert ausgeführt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind Anpassglied, Dämpfungsglied und gegebenenfalls Komponenten des Antennenteils nicht hintereinander gemäß 1 sondern in anderer Reihenfolge und/oder vermischt angeordnet.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen gehört der Fahrwagen zu einem schienengebundenen fahrerlosen Bodentransportsystem oder einer Einschienenhängebahn. Aber auch andere schienengebundene oder schienenlose System sind vorsehbar mittels der Erfindung.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt des Fahrwagens oder zusätzlich stationär angeordnete Vorrichtungen, wie beispielsweise Weichenansteuerungen, aus dem Leckwellenleiter versorgt mit dem erfindungsgemäßen ans Nahfeld angepassten Antennenteil.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen trägt der Fahrwagen weitere Sendemittel, die aber zum Datenaustausch mit stationär angeordneten Empfangsmitteln vorgesehen sind. Insbesondere ist das Antennenteil mit zugehörigem Anpassnetzwerk an den Wellenwiderstand des Nahfeldes des strahlenden Leckwellenleiters besser angepasst als an das aus den Sendemitteln austretende Nahfeld, insbesondere also der Widerstandswert des Antennenteils samt Anpassnetzwerk eine kleinere Differenz zum Wellenwiderstand des aus dem Leckwellenleiter austretenden Nahfeldes als zu dem aus den Sendemitteln austretenden Nahfeld aufweist. Die Datenübertragung per Leckwellenleiter ist mit Wellenlängen zwischen 1 und 100 cm, vorzugsweise im Bereich von 10 cm, insbesondere zwischen 2 und 4 GHz ausführbar.
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In 2a ist ein konkretes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Nahfeldantennenteil gezeigt, wobei ein Gehäuseunterteil 20 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, mit Befestigungslaschen 21 ausgeführt ist und wie in 2b gezeigt mit einem Deckel 25 verschließbar ist. Ins Innere des Gehäuses ragt ein Antennenstab 23 hinein, der parallel zur Ebene des Gehäusebodens ausgerichtet ist, wobei auf dem Gehäuseboden eine Metallfolie 22 angeordnet ist.
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Der Leckwellenleiter 24 ist im Wesentlichen parallel zum Antennenstab angeordnet. In der Gehäusewand des Antennenteils ist ein elektrischer Anschluss 26 als angebracht, an den ein Koaxialkabel anschließbar ist, insbesondere mit dessen Koaxialsteckverbinderteil schraubverbindbar ist, dessen Mittelleiter mit dem Antennenstab 23 elektrisch verbunden ist und dessen Außenleiter mit der Metallfolie 22 elektrisch verbunden ist.
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Die geometrischen Dimensionierung des Antennenstabes 23 und der Metallfolie 22 ist derart ausgeführt, dass die Antenne auf das Nahfeld abgestimmt ist.
