DE102011016087A1 - Method for constructing coupling elements used as e.g. resonators for superposition transponder for analyzing biochemical materials, involves wrapping wires of normal coils, and providing combined coils by retention of normal coils - Google Patents

Method for constructing coupling elements used as e.g. resonators for superposition transponder for analyzing biochemical materials, involves wrapping wires of normal coils, and providing combined coils by retention of normal coils Download PDF

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    • HELECTRICITY
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Abstract

The method involves using coils (39, 52) such as air-core coils i.e. toroid coils, including center lines, which follow an original, real or virtual wire course. Wires of normal coils (29, 42) are wrapped by wires of the air-core coils. Combined coils are provided by retention of the normal coils. Coupling is carried out by electrical fields (22, 25) and magnetic fields (32, 35) by design of the air-core coils such that same or different frequencies are used. The air-core coils enclose surfaces of field diffusion, where the enclosed surfaces are not lie in a common plane. An independent claim is also included for an arrangement that is utilized as a coupling element and antenna for coupling and decoupling electromagnetic fields.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung von Kopplungselementen zur Ein- und Auskopplung elektromagnetischer Felder und auf Kopplungselemente zur Ein- und Auskopplung elektromagnetischer Felder bei Anwesenheit von Materie.The invention relates to a method for providing coupling elements for coupling and decoupling electromagnetic fields and coupling elements for coupling and decoupling electromagnetic fields in the presence of matter.

Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf Kopplungselemente, die

  • – als Spulen und/oder Antennen zur Energie- und Datenübertragung und/oder
  • – als Resonatoren und/oder
  • – als Kopplungselemente für eine Kopplung elektromagnetischer bzw. magnetischer und/oder elektrischer Felder in Anwesenheit von Materie, sowie
  • – zum Eintragen und zur Auskopplung von elektromagnetischer Energie in die Materie hinein
genutzt werden können und die zum Beispiel
  • – in Transpondern und/oder in elektronischen Markierungen genutzt werden können, wenn diese in problematischer Umgebung (z. B. in oder auf leitfähigen Materialien) eingesetzt werden sollen und/oder
  • – in einer problematischen Umgebung generell eine Energie- und/oder Datenübertragung mit elektromagnetischen Feldern verbessern können oder
  • – für unterschiedlichste analytische Zwecke elektromagnetische Felder in oder auf beliebige Materie einkoppeln können.
In particular, the invention relates to coupling elements, the
  • - As coils and / or antennas for energy and data transmission and / or
  • - As resonators and / or
  • - As coupling elements for coupling electromagnetic or magnetic and / or electric fields in the presence of matter, and
  • - For entering and extracting electromagnetic energy into matter
can be used and for example
  • - can be used in transponders and / or in electronic tags if they are to be used in problematic environments (eg in or on conductive materials) and / or
  • - in a problematic environment can generally improve energy and / or data transmission with electromagnetic fields or
  • - can couple electromagnetic fields into or onto any matter for a variety of analytical purposes.

Unter „Materie” soll hier jede nicht als Vakuum zu sehende stoffliche Substanz verstanden werden, d. h. Materie kann ein (physikalisch-chemisches) Element (Atom) sein, kann aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente (Moleküle) bestehen und/oder jede Kombination dieser Moleküle sein, was lebende und nichtlebende Materie einschließt. Materie kann in beliebiger Größe (mikroskopisch, makroskopisch) vorliegen, kann einen an sich beliebigen Ursprung haben (d. h. natürlich oder künstlich erschaffen sein) kann von beliebiger innerer Struktur sein (homogen/inhomogen, isotrop/anisotrop, kristallin, usw.), kann einen beliebigen Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig, usw.) aufweisen und kann in beliebiger Form (unregelmäßig, regelmäßig, kugelförmig, flach, usw.) auftreten.By "matter" is meant here any material substance not to be seen as vacuum, that is to say, "matter". H. Matter can be a (physico-chemical) element (atom), can consist of any combination of these elements (molecules), and / or any combination of these molecules, including living and non-living matter. Matter can be of any size (microscopic, macroscopic), can have any origin (ie, be created naturally or artificially), can be of any internal structure (homogeneous / inhomogeneous, isotropic / anisotropic, crystalline, etc.), one can have any state of aggregation (solid, liquid, gaseous, etc.) and can occur in any form (irregular, regular, spherical, flat, etc.).

Interaktionen zwischen elektromagnetischen Feldern und Materie werden im Rahmen der Elektrodynamik durch Materialkonstanten behandelt. Im erfindungsgemäßen Umfeld geschieht das in dem Sinne, dass die Beziehung zwischen einer ursächlichen Größe und einer daraus sich ergebenden Wirkungsgröße durch ein Proportionalitätsfaktor dargestellt wird, dessen Größe durch die anwesende Materie zumindest moduliert wird. Im erfindungsgemäßen Rahmen betrifft das im Wesentlichen die

  • – Permittivität ε der Materie (z. B. im Verschiebungsstrom D: D = εE),
  • – Leitfähigkeit κ der Materie (z. B. in der Stromdichte j: j = κE) und
  • – Permeabilität μ der Materie (z. B. in B = μH).
In the context of electrodynamics, interactions between electromagnetic fields and matter are treated by material constants. In the environment according to the invention, this is done in the sense that the relationship between a causative variable and a resulting magnitude of effect is represented by a proportionality factor whose size is at least modulated by the matter present. In the context of the invention, this essentially relates to the
  • Permittivity ε of the matter (eg in the displacement current D: D = εE),
  • - Conductivity κ of matter (eg in the current density j: j = κE) and
  • Permeability μ of the matter (eg in B = μH).

Es sei an dieser Stelle festgelegt, dass mit der Bezeichnung „elektromagnetisches Feld” stets das ganze bekannte Spektrum elektromagnetischer Felder umfassend bezeichnet werden soll, d. h., dass hohe Frequenzen vorkommen können, aber auch, dass

  • – z. B. nur ein magnetisches Feld vorliegen kann, d. h. ein Feld, das auf Grund einer niedrigen Frequenz von nur sehr geringen oder gar keinen elektrischen Feldkomponenten begleitet wird (z. B. statische Felder), oder
  • – z. B. nur elektrisches Feld vorliegen kann, d. h. als ein Feld, das auf Grund einer niedrigen Frequenz nur von sehr geringen oder keinen magnetischen Feldkomponenten begleitet wird (z. B. statische Felder),
  • – z. B. Felder in einer beliebigen Form (moduliert oder unmoduliert usw.) und/oder mit beliebigen Frequenzkomponenten vorliegen können,
wobei spezielle Frequenzbereiche mit ihren jeweils speziellen Eigenschaften abgegrenzt werden können und sollen, wenn diese explizit benannt werden (z. B. Licht von Infrarot bis Ultraviolett, verschieden definierte Frequenzbereiche z. B. ISM-Frequenzen, RF, UHF, usw.).It should be noted at this point that the term "electromagnetic field" should always be used to comprehensively designate the entire known spectrum of electromagnetic fields, ie that high frequencies can occur, but also that
  • - z. B. only one magnetic field can be present, ie a field which is accompanied by a low frequency of only very little or no electric field components (eg static fields), or
  • - z. B. only electric field can be present, ie as a field that is accompanied due to a low frequency of only very little or no magnetic field components (eg static fields),
  • - z. B. fields in any form (modulated or unmodulated, etc.) and / or may be present with any frequency components,
whereby specific frequency ranges with their respective special properties can and should be delimited if they are explicitly named (eg light from infrared to ultraviolet, differently defined frequency ranges eg ISM frequencies, RF, UHF, etc.).

Im gegebenen Rahmen besteht im Zusammenhang mit „elektromagnetischen Feldern” bezüglich einer Kopplung ein Darstellungsproblem, das mit der folgenden Sichtweise umgangen werden soll: Üblicherweise wird eine Kopplung mit Spulen als „induktiv” angesehen. Dadurch soll ausgedrückt werden, dass die primäre Kopplung bei einer spulenartigen Anordnung durch die magnetische Komponente eines Feldes erfolgt, das eine Fläche durchflutet, die von einem (zur Spule gewickelten) Draht umrandet wird. Unabhängig von einer solchen Sichtweise ist aber völlig klar, dass in „elektromagnetischen Feldern” mit Frequenzen, die nicht nahe bei Null liegen (also fast immer) elektrische und magnetische Felder in enger Kombination zugleich vorhanden sind. Dies einfach deshalb, weil ein sich änderndes magnetisches Feld ein elektrisches Feld erzeugt und umgekehrt. Der Zusammenhang zwischen den beiden Feldarten wird durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben, was in differentieller Form ausgedrückt werden kann durch rot H = dD/dt + j und rot E = –dB/dt. (mit E = elektrisches Feld, D = elektrische Flussdichte bzw. elektrische Verschiebungsdichte, J = elektrische Stromdichte, H = magnetische Feldstärke und B = magnetische Flussdichte bzw. magnetische Induktion).In the given context, in connection with "electromagnetic fields" with regard to a coupling, there is a representation problem that should be avoided with the following viewpoint: Usually a coupling with coils is regarded as "inductive". This is to express that the primary coupling in a coil-like arrangement is by the magnetic component of a field that traverses a surface surrounded by a wire (wound into a coil). Regardless of such a view, however, it is quite clear that in "electromagnetic fields" with frequencies that are not close to zero (ie, almost always) electrical and magnetic fields are present in close combination at the same time. This is simply because a changing magnetic field creates an electric field and vice versa. The relationship between the two types of field is described by Maxwell's equations, which can be expressed in differential form by red H = dD / dt + j and red E = -dB / dt. (with E = electric field, D = electrical flux density or electrical shift density, J = electric current density, H = magnetic Field strength and B = magnetic flux density or magnetic induction).

Da der Verschiebungsstrom D(D = εE, mit ε = Permittivität) und die Stromdichte j(j = κE, mit κ = Leitfähigkeit) durch das am Ort gegebene elektrische Feld E erzeugt bzw. „getragen” werden und die magnetische Flussdichte B und die magnetische Spannung H verbunden sind durch B = μH (mit μ = Permeabilität), liegen magnetisches und elektrisches Feld aus den angegebenen Gleichungen heraus in einer gewissen, räumlich und zeitlich zu sehenden Symmetrie verkoppelt vor. Lediglich der Schwerpunkt bei einer Kopplungsbetrachtung bzw. die Übertragungsart wird, durch die verwendeten koppelnden Elemente (Induktivität, Kapazität) bedingt, einmal eher durch die magnetische Feldkomponente, ein anderes Mal eher durch die elektrische Feldkomponente als primär gegeben angesehen. Eine Kopplung kann aber an sich sowohl durch die magnetische Feldkomponente, als auch durch die elektrische „getragen” werden.Since the displacement current D (D = εE, with ε = permittivity) and the current density j (j = κE, with κ = conductivity) are generated by the localized electric field E and the magnetic flux density B and the magnetic voltage H are connected by B = μH (with μ = permeability), are magnetic and electric field from the given equations out in a certain, spatially and temporally visible symmetry before coupled. Only the center of gravity in a coupling consideration or the type of transmission, due to the coupling elements used (inductance, capacitance), is considered to be given by the magnetic field component, sometimes by the electric field component rather than primarily. However, a coupling can be "carried" in itself both by the magnetic field component, as well as by the electrical.

Die erfindungsgemäß darzustellende Technik nutzt im hier gegebenen Rahmen die stets vorhandene Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern (im Folgenden oftmals als „Feldarten” bezeichnet), auch wenn mal die eine Sichtweise, mal die andere in den Vordergrund gerückt wird. Dies vor allem deshalb, weil gerade auf eine gemeinsam getragene Übertragung durch die elektrischen und magnetischen Felder Wert gelegt wird. Die Beziehungen zwischen den zu unterscheidenden Feldarten sind, wie noch dargestellt wird, durch den symmetrischen Aufbau der Feldbeziehungen geprägt.In the context given here, the technique to be represented according to the invention utilizes the ever-present combination of electric and magnetic fields (hereinafter often referred to as "field types"), even if one viewpoint, the other is emphasized. This is mainly because of the importance of shared transmission through the electric and magnetic fields. The relationships between the types of field to be distinguished are characterized, as will be seen, by the symmetrical structure of the field relationships.

Für das Folgende gelten über das bisher definierte hinaus (soweit im jeweiligen Zusammenhang nicht anderes explizit angegeben ist) die folgenden Definitionen:

  • – „Resonatoren” bestehen für spezifische Arbeitsfrequenzen (nicht immer und evtl. nicht nur) aus Induktivitäten und Kapazitäten und haben i. a. keinen galvanischen Kontakt zu anderen Teilen einer Schaltung. Die besondere Eigenschaft, dass sie in gewissem Sinne nur dazu da sind, um zu schwingen und in diesen Schwingungen Energie anzusammeln, grenzt ihre Funktion von einem „normalen Schwingkreis” ab. Obwohl Resonatoren also an sich ebenfalls Schwingkreise darstellen, werden sie zur Abgrenzung dieser Eigenschaft als „Resonatoren” bezeichnet. Wesentlich im erfindungsgemäßen Umfeld ist, dass eine Kopplung von Resonatoren meist über die magnetische Feldkomponente erfolgt, womit auf dem Stand der Technik die im Zusammenhang zu sehenden Probleme bzgl. einer Anwesenheit leitender Materie gegeben sind.
  • – „Übertragungsstrecken” sind von beliebiger Art und dienen der Übertragung von Signalen und/oder Energie. Dabei ist es unerheblich, auf welche Weise diese transportiert werden und über welche Übertragungsstrecken das erfolgt, also ob sie – nicht an Leitungen gebunden – unter Nutzung eines beliebigen Trägermediums (z. B. Vakuum, Luft, Flüssigkeit, feste Materialien, usw.) oder – unter Nutzung eines beliebigen Trägers (z. B. Licht, elektromagnetische Felder, Schall, Vibrationen, usw.) übertragen werden oder – über Leitungen übertragen werden, also durch oder entlang Materie, z. B. durch geführte Strecken, die – aus beliebigem Material (Metall, Holz, Kunststoff, Stein, usw.) und/oder – von beliebiger Form (linienförmige Drähte oder Kernmaterialen z. B. als magnetische Leiter oder flächige Leiter oder Volumenleiter, Rund, Hohl wie z. B. Rohre, rechteckigförmig und/oder Mikrowellen-Hohlleiter, quaderförmig, Vollmaterialien, beliebige Kabelformen, usw.) und/oder – eine beliebige andere Eigenschaften (leicht, schwer, warm, kalt, usw.) haben können, geleitet werden.
  • – Als „Sendeschaltung” soll jede Einheit zur Erzeugung eines Signals verstanden werden, das auf eine Übertragungsstrecke geschickt werden soll, auch z. B. nur eine einfache Generatorschaltung (vgl. )(3), wenn diese ein Trägersignal generiert.
  • – Unter „Sendestation” (1) wird eine Sendeschaltung (3), eingeschlossen aller Maßnahmen und Mittel zur Auskopplung von Signalen (z. B. Antennen, Spulen (4), Resonatoren, usw.) bzw. zur Einkopplung von Signalen auf eine Übertragungsstrecke, verstanden.
  • – Als „Empfangsstation” (2) wird die Kombination aus einer Anordnung zur Signalaufnahme, z. B. von Signalen aus einer Übertragungsstrecke (Antenne, Spule (6), Resonator, usw., aber auch z. B. Lichtempfänger) und einer Empfangsschaltung (7) gesehen.
  • – Unter „Empfangsschaltung” (7) soll jede Einheit zur Nutzung eines Signals gesehen werden, speziell von Signalen, die über eine Übertragungsstrecke kommen und mittels einer geeigneten Anordnung aufgenommen worden ist. Als Empfangsschaltung kann auch einfach nur ein ohmscher Widerstand (7) gesehen werden.
For the following, the following definitions apply beyond what has been defined so far (unless explicitly stated otherwise in the respective context):
  • - "resonators" are made for specific operating frequencies (not always and possibly not only) of inductances and capacitances and generally have no galvanic contact with other parts of a circuit. The special property that in a sense they are only there to vibrate and accumulate energy in these vibrations, distinguishes their function from a "normal resonant circuit". Although resonators therefore also represent oscillating circuits, they are referred to as "resonators" in order to delimit this property. It is essential in the context according to the invention that a coupling of resonators usually takes place via the magnetic field component, whereby the problems which can be seen in connection with the presence of conductive matter are given in the prior art.
  • - "Transmission links" are of any type and are used to transmit signals and / or energy. It does not matter in which way they are transported and via which transmission links this takes place, that is, whether they are not bound to lines using any carrier medium (eg vacuum, air, liquid, solid materials, etc.) or - be transmitted using any carrier (eg light, electromagnetic fields, sound, vibrations, etc.) or - be transmitted via lines, so by or along matter, for. B. by guided routes, the - of any material (metal, wood, plastic, stone, etc.) and / or - of any shape (linear wires or core materials, for example, as magnetic conductors or planar conductors or volume conductors, round, Hollow such as tubes, rectangular and / or microwave waveguide, cuboid, solid materials, any cable shapes, etc.) and / or - any other properties (light, heavy, warm, cold, etc.) may have passed become.
  • - As a "transmission circuit", each unit should be understood to generate a signal to be sent on a transmission path, including z. B. only a simple generator circuit (see. () 3 ), if this generates a carrier signal.
  • - Under "Broadcasting Station" ( 1 ) is a transmission circuit ( 3 ), including all measures and means for decoupling signals (eg antennas, coils ( 4 ), Resonators, etc.) or for coupling signals to a transmission path, understood.
  • - As a "receiving station" ( 2 ), the combination of an arrangement for signal recording, z. B. signals from a transmission path (antenna coil ( 6 ), Resonator, etc., but also z. B. light receiver) and a receiving circuit ( 7 ) seen.
  • - Under "receive circuit" ( 7 ), each unit should be seen to use a signal, especially signals coming over a link and picked up by a suitable arrangement. As a receiving circuit can also simply just a resistor ( 7 ) be seen.

Unter Transponder soll im hier gegebenen Zusammenhang im Folgenden jede Art von Einheit verstanden werden, die

  • • zum Empfang oder zur Aufnahme von Signalen geeignet ist und die
  • • daraufhin im Sinne einer Antwort – zum Aussenden von Signalen oder – zur Weitergabe von Signalen oder – zu einer anderen erkennbaren Reaktion fähig ist.
In the context given here, transponders are to be understood in the following to mean any kind of unit which
  • • is suitable for receiving or recording signals and the
  • • then in the sense of an answer - for sending signals or - for passing on signals or - is capable of another recognizable reaction.

Das Kunstwort „Transponder”, gebildet aus „Transceiver” und „Responder”, beschreibt dies.The artificial word "transponder", formed of "transceiver" and "responder", describes this.

Dabei ist es unerheblich, wie die dabei auftretenden Signale transportiert werden und über welche Übertragungsstrecken das erfolgt.It is irrelevant how the occurring signals are transported and over which transmission lines that takes place.

Die Unterscheidung zwischen einem Transponder und einer Markierung ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung marginal. Transponder und Markierungen können u. U. gleich aufgebaut sein, können aber auch von unterschiedlicher Art und Funktion sein. Wesentlich ist im gegebenen Zusammenhang mit dieser Erfindung, dass die zu vermeidenden Probleme geprägt sind durch die Eigenschaften elektromagnetischer Felder in Bezug auf eine Gegenwart von Materie. Daher soll im Folgenden für Transponder oder Markierung jeweils beides gesehen und nur der Transponder genannt werden.The distinction between a transponder and a tag is marginal in the context of this invention. Transponders and markers can u. U. be the same, but can also be of different types and functions. It is essential in the context of this invention that the problems to be avoided are characterized by the properties of electromagnetic fields in relation to a presence of matter. Therefore, in the following for transponder or marking respectively, both should be seen and only the transponder may be mentioned.

Im so gegebenen Rahmen einer Anwendung elektromagnetischer Felder besteht das bereits aufgezeigte Problem, dass fast niemals ausschließlich elektrische oder magnetische Felder allein vorliegen, sondern stets elektrische und magnetische Felder kombiniert im Spiel sind. Lediglich der Schwerpunkt der Betrachtung des jeweils primären Übertragungsmechanismus wird einmal eher als ein von der magnetischen Feldkomponente, einmal als ein eher von der elektrischen Feldkomponente getragener Effekt gesehen und dargestellt. Die erfindungsgemäß darzustellende Technik will nun aber genau die Tatsache berücksichtigen, dass immer eine Kombination beider Felder vorliegt, auch wenn mal die eine Sichtweise, mal die andere in den Vordergrund geschoben wird.In the given context of an application of electromagnetic fields is the already indicated problem that almost never exclusively electric or magnetic fields are present, but always combined electrical and magnetic fields in play. Only the focus of consideration of the respective primary transmission mechanism is once seen and represented as an effect borne by the magnetic field component, rather than an effect, rather than the electric field component. However, the technique to be presented according to the invention now intends to take into account precisely the fact that there is always a combination of both fields, even if one point of view, the other is pushed into the foreground.

Es sei ausdrücklich betont, dass die folgenden Ausführungen keine exakten Darstellungen sein können, sondern nur Plausibilitätsdarstellungen für eine an sich viel komplexere Materie.It should be emphasized that the following statements can not be exact representations, but only plausibility representations for a much more complex matter in itself.

Wie die physikalische Lehre aufzeigt, werden die im hier gegebenen Rahmen interessierenden Eigenschaften eines Materials durch die Materialkonstanten μ und ε beschrieben. Wie die physikalische Lehre auch aufzeigt, wird durch die Materialkonstanten μ und ε (genauer durch die Beziehung (√(με))–1 i. a. die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetisch getragener Signale wiedergegeben; diese Geschwindigkeit ist eine im Wesentlichen konstante Größe für das jeweilige Material, wie z. B. die Lichtgeschwindigkeit für das Vakuum.As the physical teaching shows, the properties of a material of interest in the given framework are described by the material constants μ and ε. As the physical teaching also shows, the propagation velocity of electromagnetically carried signals is represented by the material constants μ and ε (more precisely by the relationship (√ (με)) -1 ia, this velocity being a substantially constant quantity for the respective material, such as e.g. B. the speed of light for the vacuum.

Wenn nun aber – auch in einem gegebenen Material – diese Geschwindigkeit eine im Wesentlichen konstante Größe ist, wird auch das Eindringverhalten von elektromagnetischen Feldern, die aus magnetischen und/oder elektrischen Feldkomponenten besteht, „etwas Konstantes” an sich haben. Es gilt, dieses „konstante” aus dem (konstanten) Produkt der Materialkonstanten με, in dem zugleich jeder Faktor, also μ bzw. ε, eine für jedes gegebene Material konstante (für das Material spezifische) Größe ist, der Anwendung zuzuführen.If, however, even in a given material, this velocity is a substantially constant quantity, the penetration behavior of electromagnetic fields, which consists of magnetic and / or electrical field components, will also have "something constant" per se. It applies that this "constant" from the (constant) product of the material constant με, in which at the same time each factor, ie μ or ε, a constant for any given material (for the material specific) size to be supplied to the application.

Ein paar Beispielbetrachtungen können die sich aus dieser Sichtweise heraus ergebenen Möglichkeiten andeuten: Die gerade betrachteten Materialkonstanten sind zwar spezifisch für jedes Material, trotzdem zeigt sich, z. B. bei sehr hohen Frequenzen, dass diese u. U. als komplexe Größen zu betrachten sind. Unabhängig von dieser Tatsache zeigt sich aber auch in realen Experimenten, dass die Beobachtungen selbst frequenzabhängig sind. Diese Materialeigenschaften werden bei der Analyse von Materialien (biochemisch, chemisch, physikalisch, usw.) gezielt genutzt. Auch einige andere Anwendungen (z. B. die Impedanzspektroskopie) zeigen auf, dass das grundsätzlich frequenzabhängige Verhalten von Materie für viele Anwendungen nutzbar gemacht werden kann. Der (neben den oftmals durch Aufbau bedingten artifiziellen Eigenschaften) tiefere Grund dafür ist, dass Materialkonstanten im gewissen Rahmen immer eine Frequenzabhängigkeit aufweisen: Bekannt ist zum Beispiel, dass die Materialkonstante ε (bedingt durch unterschiedlich geprägte Polarisationsvorgänge, die natürlich materialspezifisch sind) frequenzbedingt unterschiedlich ist; es gibt spezifische Frequenzen, bei denen das ε eines Materials sich ändert. Auch μr ist stark durch die Frequenz geprägt, wenn auch durch ganz andere Mechanismen.A few example considerations may indicate the possibilities that arise from this point of view: The material constants that are currently being considered are specific to each material, but it is still obvious, for B. at very high frequencies that these u. U. are considered to be complex sizes. Regardless of this fact, however, it is also evident in real experiments that the observations themselves are frequency-dependent. These material properties are specifically used in the analysis of materials (biochemical, chemical, physical, etc.). Also, some other applications (eg, impedance spectroscopy) show that the fundamentally frequency-dependent behavior of matter can be harnessed for many applications. The deeper reason (in addition to the often caused by construction artificial properties) deeper reason that material constants always have a certain frequency dependence: It is known, for example, that the material constant ε (due to differently shaped polarization processes, which are of course material-specific) is different due to frequency ; There are specific frequencies where the ε of a material changes. Also μ r is strongly influenced by the frequency, albeit by quite different mechanisms.

Unabhängig aber davon gilt es, wenn man ein vorgegebenes Material betrachtet, dieses gerade so gesehene „konstante”, d. h. das (konstante) Produkt με und die (konstanten) Materialkonstanten μ und ε selbst, durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Anwendung zuzuführen.Independent of this, however, when one looks at a given material, it is the "constant" that is just seen, ie. H. to supply the (constant) product με and the (constant) material constants μ and ε themselves to an application by the arrangement according to the invention.

Wird ε (frequenzabhängig und/oder materialbedingt) größer, dann wird in D = εE das elektrische Feld auf D bezogen „wirksamer”, der „Verschiebungsstrom” D wird größer; die Verschiebung von Ladungsträgern im Material wird damit aber nicht unmittelbar einfacher (das hängt von der Leitfähigkeit des Materials ab). Zugleich gilt:

  • – entweder wird das Produkt με größer (wodurch sich die Signalleitgeschwindigkeit ändert und andere, z. B. optische Effekte auftreten),
  • – oder das Produkt με bleibt im Wesentlichen konstant; dann wird μ kleiner (aber nicht unbedingt und nicht immer) und die Wirksamkeit des Magnetfeldes nimmt ab (was wie ausgeführt frequenzabhängig und/oder materialbedingt erfolgen wird)
If ε (frequency-dependent and / or material-related) increases, then in D = εE the electric field becomes "more efficient" with respect to D, the "displacement current" D becomes larger; However, the shift of charge carriers in the material is not directly easier (this depends on the conductivity of the material). At the same time:
  • Either the product με becomes larger (as a result of which the signal conduction velocity changes and others, for example optical effects, occur),
  • Or the product με remains substantially constant; then μ becomes smaller (but not necessarily and not always) and the effectiveness of the magnetic field decreases (which, as stated, will be frequency dependent and / or material related)

Wird andererseits μ (frequenzabhängig und/oder materialbedingt) größer, dann wird – bei gleichbleibendem H – gemäß B = μH der Einfluss einer magnetischen Induktion „wirksamer”; ein dadurch verursachter „Wirbelstrom” wird größer; die Verschiebung von Ladungsträgern im Material wird damit aber ebenfalls nicht unmittelbar einfacher (das hängt von der Leitfähigkeit des Materials ab). Zugleich gilt:

  • – entweder wird das Produkt με größer (wodurch sich die Signalleitgeschwindigkeit ändert und andere, z. B. optische Effekte auftreten),
  • – oder das Produkt με bleibt im Wesentlichen konstant; dann wird ε kleiner (aber nicht unbedingt und nicht immer) und die Wirksamkeit des elektrischen Feldes nimmt ab (was wie ausgeführt frequenzabhängig und/oder materialbedingt erfolgen wird)
On the other hand, if μ (frequency-dependent and / or material-related) increases, the influence of a magnetic induction becomes "more effective" according to B = μH, given a constant H; an "eddy current" caused thereby becomes larger; However, the shift of charge carriers in the material is also not directly easier (this depends on the conductivity of the material). At the same time:
  • Either the product με becomes larger (as a result of which the signal conduction velocity changes and others, for example optical effects, occur),
  • Or the product με remains substantially constant; then ε becomes smaller (but not necessarily and not always) and the efficiency of the electric field decreases (which, as stated, will be frequency dependent and / or material related)

Je besser ein magnetische Feld in das Material eindringt (eine an sich unsinnige Formulierung, aber sie beschreibt im Kontext das richtige) und je leitfähiger das Material ist, desto stärker werden die auftretenden Wirbelströme sein; ein von außen auf das Material einwirkendes B-Feld wird also stark gedämpft. Desto schlechter dringt aber dann evtl. das elektrische Feld ein (auch hier gilt die gerade gemachte Bemerkung). Trotz einer evtl. gegebenen, guten Leitfähigkeit des Materials nimmt die Ladungsverschiebung und der Strom in Richtung des E-Feldes ab, umgekehrt nimmt ein Wirbelstromeffekt zu (und das alles ist nicht nur materialabhängig, sondern zudem auch noch frequenzabhängig).The better a magnetic field penetrates the material (a nonsensical formulation in itself, but it describes the right one in context) and the more conductive the material, the stronger will be the eddy currents that occur; a B-field acting on the material from the outside is thus strongly attenuated. But the worse then possibly penetrates the electric field (here is the remark just made). In spite of a possible, good conductivity of the material, the charge shift and the current in the direction of the E-field decreases, conversely, an eddy-current effect increases (and all this is not only material-dependent, but also frequency-dependent).

Neben diesen durch die Materialien vorgegebenen Umständen existieren zugleich einige, die Geometrie der Feldlinien betreffenden Umstände:
Betrachtet man im gegebenen Kontext das Verhalten der beiden Feldarten auf der Oberfläche eines beliebigen Materials (oder in der Nähe von Oberflächen), so ist der physikalischen Lehre zu entnehmen:

  • – elektrische Feldlinien treffen senkrecht auf die Oberfläche eines leitenden Materials. (Diese senkrecht in das Material eintretenden Feldlinien durchdringen im hier zu sehenden Rahmen eine Fläche, die auf dieser Oberfläche von einem Rand begrenzt wird. Der Rand kann von einer Struktur (z. B. einer Spule) definiert werden, die zur sensorischen Erfassung dieser Feldkomponente genutzt wird. Damit durchfluten die Feldlinien die von dieser sensorischen Einheit aufgespannten Fläche, auch wenn keine Materie vorhanden wäre).
  • – magnetische Feldlinien treffen senkrecht auf eine metallische (ferromagnetische) Fläche auf. (Diese senkrecht in das Material eintretenden Feldlinien durchdringen im hier zu sehenden Rahmen eine Fläche, die auf dieser Oberfläche von einem Rand begrenzt wird. Der Rand kann von einer Struktur (z. B. einer Spule) definiert werden, die zur sensorischen Erfassung dieser Feldkomponente genutzt wird. Damit durchfluten die Feidlinien die von dieser sensorischen Einheit aufgespannten Fläche, auch wenn keine Materie vorhanden wäre).
  • – Magnetische Feldlinien und elektrische Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes stehen zudem senkrecht aufeinander.
  • – Wie man den Winkel φ auch immer definiert, unter dem das elektromagnetische Feld auf die Oberfläche eines materiellen Objektes auftritt, (das kann z. B. der Winkel sein, den der Poynting-Vektor mit dem Normalenvektor der Oberfläche bildet), wenn nicht beide Feldarten bzw. Feldkomponenten parallel zur Oberfläche liegen, wird wenigstens eine Anteil dieser Komponenten eine der oben definierten Randflächen senkrecht durchdringen.
Besides these circumstances given by the materials, there are at the same time some circumstances concerning the geometry of the field lines:
If one considers the behavior of the two field types on the surface of any material (or in the vicinity of surfaces) in the given context, then the physical doctrine can be seen:
  • - Electric field lines meet perpendicular to the surface of a conductive material. (In the frame seen here, these field lines entering perpendicularly into the material penetrate a surface which is bounded on this surface by an edge.) The edge can be defined by a structure (eg a coil) which is used to sense this field component Thus, the field lines penetrate the area spanned by this sensory unit, even if no matter were present).
  • - Magnetic field lines are perpendicular to a metallic (ferromagnetic) surface. (In the frame seen here, these field lines entering perpendicularly into the material penetrate a surface which is bounded on this surface by an edge.) The edge can be defined by a structure (eg a coil) which is used to sense this field component Thus, the fiddles flood the surface of this sensory unit, even if there is no matter).
  • - Magnetic field lines and electric field lines of an electromagnetic field are also perpendicular to each other.
  • - How to define the angle φ under which the electromagnetic field appears on the surface of a material object (this may be, for example, the angle that the Poynting vector forms with the normal vector of the surface), if not both Field types or field components are parallel to the surface, at least a proportion of these components will penetrate one of the above-defined edge surfaces vertically.

Auch bei der Betrachtung einer Transponderanwendung mit induktiver Spulenkopplung treten bezüglich der zu beachtenden geometrischen Bedingungen oftmals die gleichen Fragen auf, wenn z. B. ein solcher Transponder auf einem Objekt, das aus einem bestimmten Material besteht, befestigt wird: Senkrecht auftreffende, die Spulenfläche des Transponders durchflutende magnetische Felder, durchdringen die von der Spule umspannende Fläche und induzieren in dieser Spule eine Spannung. Ist die Materialkonstante μ des darunter liegenden Materials groß, dann treffen magnetische Feldlinien senkrecht auf das Material auf, induzieren dort aber, wenn das Material auch noch gut leitet, Wirbelströme, die ihrerseits selbst ein Feld ausbilden, das diese magnetische Feldkomponente bis zur Wirkungslosigkeit eliminiert. Dann könnte u. U. eine eher elektrisch geprägte Feldkomponente eine bessere Kopplungseignung aufweisen. Wo liegt hier aber ein frequenzunabhängiges und/oder materialunabhängiges, also weitgehend materialunabhängiges Optimum und mit welch einer Anordnung kann man das aufnehmen.When considering a transponder application with inductive coil coupling occur with respect to the geometric conditions to be observed often the same questions when z. B. such a transponder on an object that consists of a particular material, is attached: vertically impinging, the coil surface of the transponder flowing through magnetic fields, penetrate the area spanned by the coil and induce in this coil a voltage. If the material constant μ of the underlying material is large, then magnetic field lines are perpendicular to the material, but induce eddy currents there, even if the material conducts well, which themselves form a field that eliminates this magnetic field component to the point of inefficiency. Then u. U. a more electrically embossed field component have a better coupling suitability. But where is there a frequency-independent and / or material-independent, so largely material-independent optimum and with which arrangement can you record this.

Diese Effekte und Bedingungen der Ein- und Auswirkung von elektromagnetischen Feldern sind Grundlage für eine Vielzahl von Methoden der Analytik der chemischen und physikalischen Wissenschaften und so auch der Materialwissenschaften, der biomedizinischen Analytik, usw., weil in einer frequenz- und materialabhängigen, aber auch in einer oftmals sehr spezifischen Weise diese Größen alle zusammenhängen und voneinander abhängig sind.These effects and conditions of the influence and influence of electromagnetic fields are the basis for a variety of methods of analysis of the chemical and physical sciences and so also the material sciences, biomedical analysis, etc., because in a frequency- and material-dependent, but also in Often very specific, these quantities are all related and interdependent.

Wenn es nun gelingt – so der erfindungsgemäße Gedanke – die diese Feldarten wahrnehmenden, sensorischen Anordnungen, die als Ränder der Oberfläche ausgestaltet sind (die von dem jeweiligen Feld durchflutet wird), sowohl für eine Einwirkung von elektrischen, als auch für magnetische Felder, und das für beide Feldarten getrennt auszulegen und so zu erreichen, dass magnetische und elektrische Feldkomponenten gewissermaßen unabhängig voneinander wahrgenommen werden können, dann könnten dies u. U. zu einer materialunabhängigen sensorischen Erfassung elektromagnetischer Felder führen. Und wenn es nun gelingt – so der erfindungsgemäße Gedanke – die Applikation, die Erzeugung von elektrischen und magnetischen Felder derart auszulegen, dass magnetische und elektrische Feldkomponenten gleichermaßen und gewissermaßen unabhängig voneinander appliziert werden können, dann könnte das als eine neue Art der Auskopplung von elektromagnetischen Felder angesehen werden. (Wodurch sowohl eine neue Art von Antenne gegeben wäre, als auch eine Einrichtung zur Einwirkung von elektromagnetischen Feldern auf Materie in jeder Form für sensorische und analytische Zwecke) Die bestehende Problematik wird im Folgenden zunächst an derartigen Transpondertechnologien beispielhaft dargestellt, weil die dort bestehenden Probleme ein guter Ausgangspunkt für die Darstellung des Stands der Technik und der zu lösenden Aufgabe ist, zugleich dort auch die erfindungsgemäßen Konstruktionen gut darstellbar sind. Die Erfindung ist aber nicht nur auf eine solche Anwendung beschränkt; Transponder können vorteilhaft die erfindungsgemäße Technik nutzen, diese sind aber nicht als erfindungsgemäß primär bei dieser Technik angesiedelt zu sehen. If now succeeds - so the idea of the invention - the sensory arrangements perceiving these field types, which are designed as edges of the surface (which is flooded by the respective field), both for an effect of electric, and magnetic fields, and be interpreted separately for both types of field and achieve so that magnetic and electrical field components can be perceived as it were independently, then this could u. U. lead to a material-independent sensory detection of electromagnetic fields. And if it succeeds - so the idea according to the invention - the application to design the generation of electric and magnetic fields such that magnetic and electric field components can be applied equally and effectively independent of each other, then that could be a new way of extracting electromagnetic fields be considered. (What would be given both a new type of antenna, as well as a device for the action of electromagnetic fields on matter in any form for sensory and analytical purposes) The existing problem will be exemplified in the following example of such transponder technologies, because the existing problems there Good starting point for the presentation of the state of the art and the problem to be solved is, at the same time there, the structures of the invention are well displayed. However, the invention is not limited only to such an application; Transponders can advantageously use the technique according to the invention, but these are not to be regarded as being located primarily according to the invention in this technique.

Transponder sind auf dem Stand der Technik bekannt. Der Aufbau eines solchen Transponders kann aktiv, semiaktiv oder semipassiv oder auch passiv sein und ist durch induktive Kopplungen bzw. durch eine Nutzung von elektromagnetischen Feldern geprägt. Durch Nutzung einer i. a. induktiven Kopplung stellen sich ohne besondere Maßnahmen auf metallischen bzw. leitenden Oberflächen Probleme ein, die z. B. von den RFID-Transpondern her recht gut bekannt sind: Der Einsatz von Transpondern, die mit hohen Frequenzen arbeiten, ist in einer derart problematischen Umgebung, z. B. bei Anwesenheit von Metall oder Flüssigkeit, oftmals nicht möglich. Weil bei hohen Frequenzen durch die von einem elektromagnetischen Wechselfeld in einem leitenden Material erzeugten Wirbelströme magnetische Wechselfelder praktisch aufgehoben werden, sind induktiv arbeitende Koppelelemente oftmals nicht mehr einsatzfähig.Transponders are known in the art. The structure of such a transponder can be active, semi-active or semi-passive or passive and is characterized by inductive couplings or by the use of electromagnetic fields. By using an i. a. inductive coupling are without special measures on metallic or conductive surfaces problems that z. B. are quite well known from the RFID transponders ago: The use of transponders that operate at high frequencies, is in such a problematic environment, eg. B. in the presence of metal or liquid, often not possible. Because high-frequency magnetic fields generated by an alternating electromagnetic field in a conductive material magnetic fields are practically canceled, inductively operating coupling elements are often no longer operational.

Ein Grund für die bestehenden Probleme ist, dass z. B. die Spule einer Empfangsanordnung so liegt, dass die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes die Spulenfläche jeweils durchfluten kann, dabei aber das Magnetfeld ganz oder teilweise auch in das vorhandene, leitende Material eindringt. Bei hohen Frequenzen werden elektrische Wirbelfelder erzeugt, durch diese werden in leitendem Material wiederum Wirbelströme erzeugt, wodurch wiederum ein gegen das magnetische Feld gerichtetes Gegenfeld erzeugt wird. Ein magnetisches Wechselfeld kann dadurch für eine Spule an der Oberfläche befestigten Transponder praktisch bis zur Wirkungslosigkeit gedampft werden.One reason for the existing problems is that z. B. the coil of a receiving arrangement is so that the magnetic component of the electromagnetic field can flow through the coil surface, but the magnetic field completely or partially penetrates into the existing, conductive material. At high frequencies, electric vortex fields are generated, which in turn generate eddy currents in conductive material, which in turn generates an opposing field directed against the magnetic field. An alternating magnetic field can thus be vaporized practically to the point of ineffectiveness for a coil attached to the surface transponder.

zeigt zum Stand der Technik eine (sendende) Einheit (1) mit einem Generator (3) und einer Spule (4), die als sendende Einheit (1) ein elektromagnetisches Feld (5)(9) erzeugt und abstrahlt, von dem ein Teil in einer empfangenden Einheit (2) eine dort vorhandene Spule (6) durchdringt. shows in the prior art a (sending) unit ( 1 ) with a generator ( 3 ) and a coil ( 4 ), which acts as a sending unit ( 1 ) an electromagnetic field ( 5 () 9 ) is emitted and emitted by a part in a receiving unit ( 2 ) an existing coil there ( 6 ) penetrates.

Diese Darstellung zeigt nur die prinzipiellen Gegebenheiten. Die tatsächlichen Bedingungen können sehr viel komplizierter sein und sind z. B. von der Frequenz, der jeweiligen Umgebung, den Materialien, usw. abhängig. Sie sind im Nahfeld eines Senders anders, als im Fernfeld.This illustration only shows the basic conditions. The actual conditions can be much more complicated and are z. B. on the frequency, the particular environment, the materials, etc. dependent. They are different in the near field of a transmitter than in the far field.

Ohne leitfähige Materialien in der Nähe der Empfangsspule (6) induziert dieses Feld (9) in dieser Spule (6) eine Spannung, die von einer Empfangs- und Verstärkungseinrichtung (7) erfasst und weiter ausgewertet werden kann. Wenn kein leitendes Material vorliegt, bleibt das mit dem magnetischen Wechselfeld (9) stets verbundene elektrische Rotationsfeld (8) fast ohne Wirkung (von der Gegeninduktivität bzw. einem in der Spule (6) evtl. fließenden, induzierten Strom abgesehen).Without conductive materials near the receiver coil ( 6 ) induces this field ( 9 ) in this coil ( 6 ) a voltage supplied by a receiving and amplifying device ( 7 ) and can be further evaluated. If there is no conductive material, this remains with the alternating magnetic field ( 9 ) always connected electrical rotary field ( 8th ) almost without effect (from the mutual inductance or one in the coil ( 6 ) possibly flowing, induced current apart).

Liegt nun aber bei der an sich gleichen Anordnung der in der Nähe der empfangenden Spule (13) ein leitendes Material (17) vor, dann wird von dem am Empfangsort vorliegenden magnetischen Feld (11) mit dem immer verbundenen Wirbelfeld (10)(15) in dem leitenden Material (17) ein Wirbelstrom (16) erzeugt. Durch diesen kreisförmigen Strom wird ein gegen das ursprüngliche magnetische Feld (19) gerichtetes Gegenfeld (20) erzeugt, wodurch das ursprüngliche Feld praktisch fast ganz aufgehoben werden kann. (Die Bezeichnungen in der dargestellten Sendeeinheit sind hier die gleichen wie in )But now lies in the same arrangement of the same near the receiving coil ( 13 ) a conductive material ( 17 ), then the magnetic field ( 11 ) with the ever-connected vortex field ( 10 () 15 ) in the conductive material ( 17 ) an eddy current ( 16 ) generated. By this circular current becomes one against the original magnetic field ( 19 ) opposing field ( 20 ), whereby the original field can practically be canceled out almost completely. (The designations in the transmitting unit shown here are the same as in )

Je nachdem, welche Materialien jeweils vorliegen, welche Bauformen vorliegen und wie die Ausgestaltung der Umgebung ist und welche sonstigen Einflüsse noch vorliegen, gibt es zwar fast immer bestimmte Frequenzen oder Frequenzbereiche, bei denen eine gegebene Anordnung seine Funktionsfähigkeit dann doch erhalten kann. Da aber i. a. die Frequenzen vorgegeben sind und diese in eng begrenzten Bereichen liegen, müsste die Umgebung konstruktiv angepasst werden. Das gezielte Auslegen einer Anordnung, einschließlich einer definierten Umgebung für eine bestimmte Anwendung, ist i. a. aber nur mit einem unakzeptabel großen Aufwand und nur sehr eingeschränkt oder gar nicht möglich.Depending on which materials are available, which designs are available and what the design of the environment is and what other influences are still present, there are almost always certain frequencies or frequency ranges at which a given arrangement can still maintain its functionality. But since the frequencies are generally predetermined and they are in very limited areas, the environment would have to be adapted constructively. The targeted design of an arrangement, including a defined environment for a particular application, but in general is only with an unacceptable cost and very limited or not possible.

In diesem Zusammenhang ist es Aufgabe dieser Erfindung, anzugeben, wie der Aufbau von Antennen- bzw. Kopplungselementen für die verschiedensten Anwendungen zu gestalten ist, wenn diese für einen speziellen Einsatz von elektromagnetischen Feldern in der Gegenwart von Materie vorgesehen sind, wobei sowohl applizierende als auch sensorische Anwendungen bei den Anwendungen zu berücksichtigen sind. Aufgabe ist in diesem Zusammenhang zudem, geeignete Ausführungen derartiger Kopplungselemente anzugeben, durch die eine Anwendung, bei der eine Kopplung von elektromagnetischen Felder verwendet wird, von der jeweiligen Umgebung und von den verwendeten Frequenzen weitgehend unabhängig arbeiten kann.In this context, it is an object of this invention to specify how to design the structure of antenna or coupling elements for a variety of applications, if they are intended for a specific use of electromagnetic fields in the presence of matter, both applying and sensory applications in the applications are to be considered. In this context, another object is to provide suitable embodiments of such coupling elements, by means of which an application in which a coupling of electromagnetic fields is used can operate largely independently of the respective environment and of the frequencies used.

Zudem soll aufgezeigt werden, wie die elektrischen und/oder magnetischen Komponenten der eingesetzten elektromagnetischen Felder möglichst weitgehend unabhängig voneinander so auf Material einwirken können, dass neue Anwendungen der Materialwissenschaften und sehr weit gehend der Analytik möglich sind.In addition, it should be shown how the electrical and / or magnetic components of the electromagnetic fields used can interact as much as possible independently of one another on material in such a way that new applications of materials science and analytics are possible to a very great extent.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Einsatzfähige Kopplungselemente werden durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegeben.The solution of this problem is indicated by the characterizing part of claim 1. Useful coupling elements are indicated by the characterizing part of claim 6.

Wesentlich an dieser Lösung ist, das sei allem anderen vorausgeschickt, dass nicht allein die sensorische (also die „aufnehmende”) Eigenschaft einer solchen Anordnung im Vordergrund steht, sondern auch und besonders die applizierende (also die „abgebende” Eigenschaft). So wie eine Spule sendende oder abstrahlende Eigenschaften hat, wenn man einen (hochfrequenten) Strom durch sie hindurchschickt und eine gleichartige Spule das von der abstrahlenden Spule wieder empfangen oder aufnehmen kann, so soll diese erfindungsgemäße Anordnung sendende oder abstrahlende Eigenschaften aufweisen und zugleich zur Aufnahme oder zum Empfang von derart ausgesendeten oder abgestrahlten Signalen geeignet sein. So wie einen Antenne Signale abstrahlen und/oder empfangen kann, so kann auch die erfindungsgemäße Anordnung Signale oder Felder abstrahlen und/oder empfangen. So wie Mikrowellen mit einer Antenne in ein Medium eingestrahlt (appliziert) werden, um z. B. im Rahmen einer Mikrowellenspektroskopie dieses Medium analysieren zu können, wobei mit der gleichen Antennenanordnung die vom Medium zurückgestrahlten oder durchgelassenen Mikrowellen auch empfangen werden können, so kann auch die erfindungsgemäße Anordnung ebenso die vor ihr generierten Felder abstrahlen und/oder diese Felder auch empfangen.The essential thing about this solution is that it should be preceded by everything else, that not only the sensory (ie the "absorbing") property of such an arrangement is in the foreground, but also and especially the applying (ie the "donating" property). Just as a coil has transmitting or radiating properties when passing a (high frequency) current through it and a similar coil can receive or pick up the same from the radiating coil, this arrangement according to the invention should have transmitting or radiating properties and at the same time for recording or be suitable for receiving such emitted or radiated signals. Just as an antenna can emit and / or receive signals, the arrangement according to the invention can also emit and / or receive signals or fields. As well as microwaves are radiated with an antenna in a medium (applied) to z. Example, in the context of a microwave spectroscopy to be able to analyze this medium, which can be received with the same antenna array backscattered from the medium or transmitted microwaves, so the arrangement according to the invention can also radiate the fields generated before her and / or receive these fields.

Gemäß dem Anspruch 1 wird zu diesem Zweck zusätzlich oder statt der üblicherweise zur Ausbildung einer Induktivität bzw. Spule, ein anderer Typ von Spulen verwendet. Diese Spulen bilden gewissermaßen Spulen-Spulen, d. h. hier, lange und relativ dünne Spulen, deren Verlauf (Mittellinienverlauf) aber mit dem ursprünglichen Führungsverlauf von „normalerweise eingesetzten Normalspulen” verglichen werden kann.According to claim 1, another type of coil is used for this purpose in addition to or instead of the usual for forming an inductance or coil. These coils effectively form coil coils, d. H. Here, long and relatively thin coils whose course (center line curve) but can be compared with the original leadership course of "normally used normal coils".

Man denke sich dazu den Draht einer normalen Spule (d. h. eine auf dem Stand der Technik zur Ausbildung einer Induktivität verwendete, „normale Spule”) selbst noch einmal mit einem Draht umwickelt. Diese auf der Struktur der vorgegebenen Spule zusätzlich aufgewickelte Spule (die also durch das „Umwickeln der ursprünglichen Leiterstruktur der Spule” entstanden wäre) kann man sich unter (gedanklichem) weglassen der Drähte der ursprünglichen Spule vorstellen, kann sich das aber auch unter Beibehaltung dieser Leitung vorstellen.Consider the wire of a normal coil (i.e., a "normal coil" used in the prior art to form an inductor) itself wrapped once more with a wire. This on the structure of the given coil additionally wound coil (which would thus be created by the "wrapping of the original conductor structure of the coil") can be with (mental) omit the wires of the original coil imagine, but this can be done while maintaining this line to introduce.

Man kann eine solche Spule vom neuen Typ auch dadurch realisiert denken, dass mehrere, dann parallel laufende Drähte (von der vorgegebenen Spule) umwickelt werden. Wieder kann man sich vorstellen, dass die Drähte, die in diesem Fall als Spulenwickelkörper genutzt werden, in der neu entstandenen Anordnung verbleiben oder entfernt werden. Beide Konstruktionsformen sind unter bestimmten Bedingungen sinnvoll und können vorteilhaft genutzt werden.It is also possible to realize such a coil of the new type by winding several wires then running in parallel (from the given coil). Again, one can imagine that the wires, which are used in this case as a coil winding body, remain in the newly created arrangement or removed. Both designs are useful under certain conditions and can be used to advantage.

Die Struktur der neuen Spule, die sich insbesondere bei mehreren Windungen der Normalspule ergibt, legt den Begriff einer Spulen-Spule nahe. Die lange dünne Spule, die sich z. B. durch eine Einzeldrahtumwicklung ergibt, wird ja durch die definierte Strukturvorgabe der Normalspule, gewissermaßen noch einmal zu einer Spule aufgewickelt. Somit stimmen die Mittelinie des Drahts der Normalspule und die Mittellinie der neuen Spule, die auf diesem Draht aufgewickelt wird, also überein.The structure of the new coil, which results in particular in several turns of the normal coil, suggests the concept of a coil coil. The long thin coil, the z. B. results from a single wire wrapping, yes, by the defined structure specification of the normal coil, as it were again wound into a coil. Thus, the centerline of the normal reel wire and the centerline of the new reel wound on this wire are the same.

Bei einer Kombination (d. h. wenn unter Beibehaltung der einzelnen oder parallel laufenden Leitungen, die als Wickelkörper für die neue Spule genutzt werden, sowohl der vorgegebene Spulentyp als auch die neue Spule, also beide Spulentypen gemeinsam genutzt werden) kann u. U. für die umwickelnde Spule ein zusätzlicher Luftraum gelassen werden. Wird der Leitungsdraht der ursprünglichen Spule entfernt, entsteht ohnehin gewissermaßen eine Luft-Spulen-Spule.In a combination (i.e., if, while maintaining the individual or parallel lines, which are used as bobbin for the new coil, both the given coil type and the new coil, so both coil types are shared) u. U. be left for the wrapping coil an additional air space. If the conductor wire of the original coil is removed, an air-coil coil is created to some extent anyway.

Begrifflich sollen die in den folgenden Beschreibung auftretenden Spulen unterschieden werden durch

  • – „Normalspule” (oder „normale Spule”), d. h. also eine Drahtwicklungen zur Ausbildung einer Induktivität auf dem bekannten Stand der Technik;
  • – „Spulen-Spule” (evtl. „Luft-Spulen-Spule”), d. h. eine Spule wie gerade beschrieben; das kann eine Luftspule sein, kann aber im Inneren auch ein anderes Kernmaterial aufweisen;
  • – „Kombinationsspule” d. h. hier eine Anordnung, die eine solche Spulen-Spule und eine bei der Wicklung derselben als Wickelkörper zugrunde gelegten Normalspule funktionell vereint.
Conceptually, the coils occurring in the following description are to be distinguished by
  • - "normal coil" (or "normal coil"), ie, a wire windings for forming an inductance in the prior art;
  • - "coil coil" (possibly "air coil coil"), ie a coil as just described; this may be an air coil, but may also have another core material inside;
  • - "Combination coil" ie here an arrangement that functionally unites such a coil coil and a coil wound on the same basis as the normal coil.

Die Spulen-Spulen sind am ehesten mit Rogowsi-Spulen (z. B. DE 269 257 ) vergleichbar. So, wie in elektrischen Stromkreisen eine elektrische Spannung als Ursache eines Stroms gesehen und gemessen wird (was auf dem Stand der Technik mit geeigneten Messgeräten leicht zu realisieren ist) so ist es auch in magnetischen Kreisen nützlich und möglich, die sogenannte magnetische Spannung zwischen zwei Punkten zu messen. Die magnetische Spannung eines Magnetfeldes zwischen zwei Punkten wird (auf einem beliebigen Wege zwischen den beiden Punkten) durch ein Linienintegral beschrieben und genau dies erfasst man mit einer solchen Rogowskispule bei einem durch Wechselstrom erzeugten Magnetfeld. Rogowskispulen werden z. B. für sensorische Zwecke zur Strommessung eingesetzt. Oftmals werden sie (fälschlicherweise) mit Toroidspulen gleichgesetzt; Toroidspulen, die zur Strommessung sensorisch eingesetzt werden können, können zwar Rogowskispulen sein, aber der umgekehrte Schluss stimmt nicht. Rogowskispulen sind also geeignet, magnetische Spannungen zu messen. Bei einer ganzen Windung einer solchen Spule um eine stromleitende Struktur herum ergibt sich eine Spannung, die zur Stromänderung in diesem Leiter proportional ist.The coil coils are most likely with Rogowsi coils (eg. DE 269 257 ) comparable. Just as in electrical circuits an electrical voltage is seen and measured as the cause of a current (which is easy to realize in the state of the art with suitable measuring devices), so it is also useful and possible in magnetic circuits, the so-called magnetic tension between two points to eat. Magnetic stress of a magnetic field between two points is described by a line integral (on any path between the two points), and this is exactly what is detected with such a Rogowski coil in a magnetic field generated by alternating current. Rogowski coils are z. B. used for sensory purposes for current measurement. Often they are (erroneously) equated with toroidal coils; Toroidal coils, which can be sensory used to measure current, may be Rogowski coils, but the reverse conclusion is not true. Rogowski coils are therefore suitable for measuring magnetic strains. With a whole turn of such a coil around a current-conducting structure, a voltage results, which is proportional to the current change in this conductor.

Die neuen Spulen-Spulen werden aber – verglichen mit Rogowskispulen – für eine ganz andere Nutzung und mit einer anderen Wirkungsintention eingesetzt; Kombinationsspulen haben ohnehin darüber hinaus gehende Eigenschaften.However, the new coil coils are used for a completely different use and with a different effect intention compared to Rogowski coils. Combination coils have already going beyond properties.

Eine Spulen-Spule kann (wie eine Normalspule) mehrere Windungen umfassen und natürlich kann eine Spulen-Spule auch einen ganz eigenen, also nicht nur einen durch einen anderen Drahtverlauf definierten Verlauf aufweisen. Der Verlauf einer Spulen-Spule kann also, muss aber nicht immer nur von der Leiterstruktur der Drähte einer Normalspule abgeleitet oder vorgegeben werden. Aufbau und physikalisches Geschehen sind unter dieser Annahme bzw. Voraussetzung allerdings leichter zu beschreiben, als auf einem anderen Weg. Daher soll (vorerst) weiter von der Drahtführung einer Normalspulenanordnung bzw. von der Führung einer ursprünglichen Normalspulenstruktur als Konstruktionsmerkmal ausgegangen werden.A coil coil may (as a normal coil) comprise several turns and of course, a coil coil also have their own, so not just a defined by a different wire history course. The course of a coil coil can therefore, but does not always have to be derived or specified only by the conductor structure of the wires of a standard coil. However, construction and physical events are easier to describe under this assumption or assumption than in another way. Therefore, it is intended (for the time being) to proceed from the wire guide of a standard coil arrangement or from the guidance of an original normal coil structure as the design feature.

Treten nur ringförmige Strukturen auf, dann liegt praktisch eine toroidförmige Spule vor, in deren Inneren Luft (z. B. Luftspulen), ein Kernmaterial, ein Draht oder mehrere parallel laufende Drähte einer Normalspule verlaufen können.If only annular structures occur, then there is practically a toroidal coil in whose interior air (eg air coils), a core material, a wire or several parallel running wires of a standard coil can run.

Erfindungsgemäß werden also Spulen-Spulen und/oder Kombinationsspulen, also Spulen-Spulen in Kombination mit normalen Spulen verwendet, wobei eine Spulen-Spule (makroskopisch und bezogen auf die jeweilige Anwendung) eher an die elektrischen Feldkomponenten eines elektromagnetischen Feldes gekoppelt ist, aber zudem auch eine magnetische Komponente, mit anderer Frequenz, erfassen kann, während Normalspulen eher die magnetische Feldkomponente wahrnehmen, aber u. U. auch eine elektrische Komponente „mitnehmen” können.According to the invention, coil coils and / or combination coils, that is to say coil coils, are used in combination with normal coils, a coil coil (macroscopically and with respect to the respective application) being coupled to the electric field components of an electromagnetic field, but moreover detect a magnetic component, with a different frequency, while normal coils rather perceive the magnetic field component, but u. U. also "take" an electrical component.

Dass in allen Fällen immer die Kombination einer sowohl induktiv geprägten, als auch einer elektrischen Kopplung vorliegt, muss ohnehin gesehen werden. Das liegt daran, dass immer elektro-magnetische Felder (also eine Kombination der beiden Feldarten) vorliegen und dass jede Anordnung immer beide Arten von Feldern wahrnehmen kann.That in all cases always the combination of a both inductively coined, as well as an electrical coupling is present, must be seen anyway. This is because there are always electro-magnetic fields (that is, a combination of the two types of fields), and that each arrangement can always perceive both types of fields.

Und eben dieses kann erfindungsgemäß durch die geeignete Ausgestaltung der Spulen-Spulen-Konstruktionen (allein oder in Kombination mit Normalspulen) in einer Weise genutzt werden, dass damit gewissermaßen eine Materialunempfindlichkeit der Kopplungsanordnungen entstehen kann. Zudem kann eine Einprägung von elektrischen und magnetischen Feldkomponenten in eine am Ort vorliegende Materie in einer Weise erreicht werden, die neue Anwendungen eröffnet.And just this can be used according to the invention by the appropriate design of the coil-coil structures (alone or in combination with standard coils) in a way that thus, as it were, a material insensitivity of the coupling arrangements can arise. In addition, embossing of electrical and magnetic field components into localized matter can be achieved in a manner that opens up new applications.

Wichtig für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass diese Maßnahme gewissermaßen zu einer Umkehrung der Wirkungen von magnetischen und elektrischen Feldern fahrt und – je nach Ausführung – magnetische und/oder elektrische Komponenten eines elektromagnetischen Feldes bei den Anwendungen zugleich und/oder getrennt (s. u.) betrachtet werden können bzw. getrennt oder in Kombination einen Wirkungseinfluss nehmen können.It is important for the solution according to the invention that this measure to a certain extent leads to a reversal of the effects of magnetic and electric fields and - depending on the design - magnetic and / or electrical components of an electromagnetic field in the applications at the same time and / or separately (see below) may or may affect separately or in combination.

Das gilt sowohl für eine Anwendung dieser Anordnung als abstrahlendes Element, als auch für eine Anwendung dieser Anordnung als empfangendes Element.This applies both to an application of this arrangement as a radiating element, as well as for an application of this arrangement as a receiving element.

Eine solche erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es, dass die Eigenschaften des Feldverhaltens in der Nähe von Materie, je nachdem, ob diese leitend ist und/oder wie weit diese leitend ist und/oder ob diese nichtleitend ist und/oder wie weit diese nichtleitend ist, spezifisch aber vor allem einzeln wirksam werden können. Sie erlaubt, dass Feldwirkungen, die als magnetische und/oder elektrische Komponenten in einem elektromagnetischen Feldes vorliegen, wert gehend getrennt durch diese Anordnung wahrgenommen werden können, wenn man diese Anordnung als sensorisches (oder sekundäres) Kopplungselement nutzt. Sie erlaubt, dass magnetische und/oder elektrische Komponenten eines elektromagnetischen Feldes, selbst bei gleicher Frequenz, wett gehend getrennt und unabhängig voneinander erzeugt und abgestrahlt werden können; sie erlaubt, mit solchen Feldern z. B. auf Materie z. B. für analytische Zwecke einzuwirken. (Natürlich stets in physikalisch vernünftigen Grenzen). Eine solche Anordnung erlaubt, dass die magnetischen und/oder elektrischen Feldkomponenten auf verschiedenen, z. B. auf weit auseinander liegenden oder auch dicht benachbarten, oder auch gleichen Frequenzen auf diesen Feldkomponenten getrennt genutzt werden.Such an arrangement according to the invention allows the properties of the field behavior in the vicinity of matter, depending on whether it is conductive and / or how far it is conductive and / or whether it is non-conductive and / or how far this is non-conductive, but can specifically be effective individually. It allows field effects present as magnetic and / or electrical components in an electromagnetic field to be perceived worthwhile separated by this arrangement, using this arrangement as a sensory (or secondary) coupling element. It allows magnetic and / or electrical components of an electromagnetic field, even at the same frequency, to be separated and radiated independently and radiated; it allows, with such fields z. B. on matter z. B. for analytical purposes. (Of course, always in physically reasonable limits). Such an arrangement allows the magnetic and / or electric field components to be mounted on different, e.g. B. on widely spaced or closely adjacent, or even the same frequencies are used separately on these field components.

Die erfindungsgemäße Technik kann also nach elektrischer und magnetischer Kopplung und auf verschiedenen Frequenzen getrennt eingesetzt werden.The inventive technique can therefore be used separately after electrical and magnetic coupling and at different frequencies.

Dies erlaubt bei Sendung und Empfang (z. B. bei einer Nutzung von allgemeinen Funkeinheiten, z. B. von Transponder oder Überlagerungstranspondern), die genutzten Frequenzen und auch die erzeugten Zwischenfrequenzen zusätzlich nach der jeweiligen Kopplungsart zu trennen.In the case of transmission and reception (for example, when using general radio units, eg of transponders or overlay transponders), this allows the frequencies used and also the intermediate frequencies generated additionally to be separated according to the respective type of coupling.

Analysiert man im Stand der Technik z. B. die Probleme im Zusammenhang mit Transponder im problematischen Umfeld, dann zeigt sich im Wesentlichen eine Kopplung durch magnetische Felder als problematisch. Dabei ist diese magnetische Kopplung durchaus nützlich; schließlich soll ja damit zugleich die Stromversorgung der Transponder über das elektromagnetische Feld erfolgen. Damit steht ein mit einem Transformator vergleichbares, ähnliches Kopplungsmodell im Vordergrund und daher wird die Kopplung oftmals durch Spulen dargestellt und analysiert und auch realisiert. Zudem scheint über eine größere Distanz nur eine induktive Kopplung für eine ausreichende Energieübertragung geeignet. Eine Kopplung mittels elektrischer Felder wäre schon vom Aufbau her (Kapazitäten zur Übertragung wären vorauszusetzen) ein wesentlich problematischeres Kopplungsverfahren, von den damit übertragbaren Energien und den einzusetzenden Frequenzen ganz zu schweigen.If one analyzes in the prior art z. As the problems associated with transponders in a problematic environment, then shows a coupling by magnetic fields is problematic. This magnetic coupling is quite useful; after all, the power supply of the transponders is supposed to be effected via the electromagnetic field at the same time. This is a comparable with a transformer, similar coupling model in the foreground and therefore the coupling is often represented by coils and analyzed and realized. In addition, only an inductive coupling over a greater distance seems suitable for sufficient energy transfer. A coupling by means of electric fields would be structurally (capacities for transmission would be required) a much more problematic coupling method, not to mention the transferable energies and the frequencies to be used.

Im gegebenen Rahmen darf aber nicht übersehen werden, dass stets elektrische und magnetische Felder kombiniert im Spiel sind. Da ein elektromagnetisches Feld (zumindest im Fernfeld) aber einen permanenten Austausch der in ihm enthalten Energien zwischen magnetischer und elektrischer Feldenergieform darstellt, die Energien in beiden Feldarten also gleich groß sein muss, gibt es an sich auch keinen Grund anzunehmen, dass nur die eine Kopplungsform für eine Energie übertragende Kopplung geeignet sein soll; die beiden Energieformen (Energie des Magnetfeldes und Energie des elektrischen Feldes) sollten gleichermaßen für vergleichbare Anwendungen geeignet sein. Dass wir den Übertragungsmechanismus zwischen einem Transponder und einer Leseeinheit (auch wenn diese eine größere Entfernung zueinander haben) lieber eher induktiv sehen und darstellen, ist also eher als Konvention zu sehen. Dass eine Übertragung nur durch magnetische Feldenergie erfolgen muss, scheint – so als erfindungsgemäßer Ausgangsgedanke gesehen – keine Notwendigkeit zu sein.In the given framework, however, it must not be overlooked that combined electric and magnetic fields are always involved. However, since an electromagnetic field (at least in the far field) represents a permanent exchange of the energies contained in it between magnetic and electric field energy form, the energies in both types of field must be the same size, there is no reason to assume that only the one coupling form to be suitable for an energy transfer coupling; the two forms of energy (magnetic field energy and electric field energy) should equally be suitable for comparable applications. That we rather see and represent the transmission mechanism between a transponder and a reading unit (even if they have a greater distance to each other) rather inductively, is therefore more to be seen as a convention. The fact that a transmission only has to be made by magnetic field energy seems to be no necessity, as seen in the starting point of the invention.

Die erfindungsgemäß darzustellende Technik ist also im hier gegebenen Rahmen stets als eine Kombination beider Felder zu sehen, auch wenn zur Darstellung mal die eine Sichtweise, mal die andere in den Vordergrund geschoben wird. Das ist zudem unumgänglich, weil ja beides seine Berechtigung hat. Da im erfindungsgemäßen Rahmen zwischen den unterschiedlichen Feldarten und zwischen den Kopplungsarten erfindungsgemäß ein derart symmetrischer Bezug hergestellt werden kann, dass eine Unterscheidung ohnehin nur noch graduell ist, bleibt das später ohne wirkliche Relevanz. The technique to be presented according to the invention is therefore always to be seen in the context given here as a combination of the two fields, even if the one view, sometimes the other, is pushed into the foreground for illustration. This is also essential, because both have their justification. Since in the frame according to the invention between the different types of field and between the types of coupling according to the invention such a symmetrical reference can be made that a distinction is anyway only gradually, this remains without real relevance.

Die Symmetrie und die Art der Kopplung soll an Hand der Spulenkonstruktionen der deutlich gemacht werden: Gezeigt werden zwei Elemente (21) und (31), die für eine Kopplung mit und durch elektromagnetische Felder gedacht sind (sowohl sendend als auch empfangend). Die Symmetrie und der Aufbau von Normalspulen und Spulen-Spulen soll verdeutlicht werden. Das linke Element (21) ist für eine induktive Kopplung gedacht; daher ist vordergründig die magnetische Komponente B (41) eines elektromagnetischen Feldes angegeben. Das rechte Element (31) ist für eine Kopplung durch elektrische Felder gedacht; daher ist vordergründig die elektrische Komponente E (51) eines elektromagnetischen Feldes angegeben.The symmetry and the nature of the coupling is based on the coil designs of be made clear: Two elements are shown ( 21 ) and ( 31 ) intended for coupling to and through electromagnetic fields (both transmitting and receiving). The symmetry and the structure of normal coils and coil coils should be clarified. The left element ( 21 ) is intended for inductive coupling; therefore, superficially, the magnetic component B ( 41 ) of an electromagnetic field. The right element ( 31 ) is intended for coupling by electric fields; therefore, the electrical component E (o) is superficially 51 ) of an electromagnetic field.

Das wirksame (induktive) Kopplungselement des linken Elements ist eine Spule und besteht aus einer Fläche, die hier von Leitungen, z. B. einem Draht (42)(29), mindestens einmal umrandet wird. Die Drahtführung definiert den geometrischen Spulenverlauf, hier einer Normalspule, und spannt die wirksame Fläche erst auf. Werden mehrere Windungen benötigt (z. B. zur Ausbildung einer größeren Induktivität), dann wird die so aufgespannte Fläche von diesem Draht mehrfach umschlungen; es ist dann an jeder Stelle der Leitungsführung statt eines Einzeldrahts (47) ein Leitungsbündel (46) anzunehmen.

  • – Eine solche Spule kann in an sich bekannter Weise als Antennenanordnung zur Aufnahme des Trägersignals für eine Signal- oder Energieübertragung verwendet werden: Die Feldlinien einer magnetischen Komponente B (23)(41) eines elektromagnetischen Feldes (die von einem elektrischen Feld E (22) umschlungen werden), erreichen die von der Normalspule aufgespannte Fläche, durchdringen diese (24) und verlaufen hinter dieser Fläche in bekannter Weise weiter (26), immer noch umschlungen von dem begleitenden elektrischen Feld (25). Die Beziehung zwischen diesen beiden Feldern wird an dieser Stelle durch rot E = –dB/dt (27) beschrieben; wesentlich ist unter diesem Blickwinkel aber nur, dass in der so aufgebauten Spule (durch das elektromagnetische Feld durch induktive Kopplung) eine Spannung induziert wird, die durch geeignete Empfangsschaltungen ausgewertet werden kann. Hier soll das nur durch ein Instrument (45) angedeutet werden.
  • – Eine solche Spule kann in bekannter Weise zur Ausbildung eines Resonators genutzt werden, indem der mit der Spule realisierte induktive Blindwiderstand/-Leitwert durch den kapazitiven Blindwiderstand/-Leitwert eines Kondensators (30) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine bestimmte Frequenz ergeben. Das hier dargestellte Instrument (45) bzw. eine Empfangsschaltung ist dann nicht vorhanden.
  • – Eine solche Spule kann in bekannter Weise zur Ausbildung eines Schwingkreises im Rahmen einer Antennenanordnung genutzt werden, entweder indem der von der Spule eingebrachte induktive Blindwiderstand/-Leitwert durch den Blindwiderstand/-Leitwert einer Kapazität (30) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine bestimmte Frequenz zur Nutzung z. B. in einem Heterodyn-Empfänger ergeben oder indem das in der Spule induzierte Signal durch eine geeignete Empfangsschaltung direkt weiterverarbeitet wird. Das wird hier wieder nur durch das Instrument (45) angedeutet.
The effective (inductive) coupling element of the left element is a coil and consists of a surface here of lines, for. B. a wire ( 42 () 29 ) is bordered at least once. The wire guide defines the geometric coil course, here a standard coil, and tensions the effective area first. If several windings are required (for example for the formation of a larger inductance), then the area thus spanned is wrapped around this wire several times; it is then at every point of the wiring instead of a single wire ( 47 ) a trunk group ( 46 ) to accept.
  • Such a coil can be used in a manner known per se as an antenna arrangement for receiving the carrier signal for a signal or energy transmission: The field lines of a magnetic component B (FIG. 23 () 41 ) of an electromagnetic field (that of an electric field E ( 22 ) are wrapped around) reach the plane spanned by the normal coil surface, penetrate these ( 24 ) and continue behind this surface in a known manner ( 26 ), still surrounded by the accompanying electric field ( 25 ). The relationship between these two fields is denoted by red E = -dB / dt ( 27 ); However, from this point of view, it is only essential that a voltage is induced in the coil constructed in this way (by the electromagnetic field through inductive coupling), which voltage can be evaluated by suitable receiving circuits. Here is the only way through an instrument ( 45 ).
  • Such a coil can be used in a known manner to form a resonator by the inductance / conductance realized with the coil being determined by the capacitive reactance / conductance of a capacitor ( 30 ) is compensated so that this results in resonance conditions for a certain frequency. The instrument shown here ( 45 ) or a receiving circuit is then not available.
  • Such a coil can be used in a known manner to form a resonant circuit in the context of an antenna arrangement, either by the inductive reactance / conductance introduced by the coil being determined by the reactance / conductance of a capacitor ( 30 ) is compensated so that from it resonance conditions for a particular frequency for use z. B. result in a heterodyne receiver or by the signal induced in the coil signal is further processed directly by a suitable receiving circuit. This is again only by the instrument ( 45 ) indicated.

Läge jetzt im Verlauf der die Fläche durchdringenden magnetischen Feldkomponente (24) nicht nur Luft (oder Vakuum) sondern beliebige Materie vor, so würden sich die Bedingungen zum einen durch die Materialbeziehungen aus den Maxwellschen Gleichungen ändern, hier durch die Beziehung B = μH (44), zum anderen dadurch, dass in leitender Materie Wirbelströme entstehen würden, die die magnetischen Felder bis zur Wirkungslosigkeit kompensieren könnten.Lying now in the course of the surface penetrating magnetic field component ( 24 ) not only air (or vacuum), but also any matter, the conditions would change on the one hand by the material relations from the Maxwell equations, here by the relation B = μH ( 44 On the other hand, that in conductive matter eddy currents would arise, which could compensate the magnetic fields to inefficiency.

An diesem strukturellen Aufbau einer Normalspule und deren Funktionsweise kann, weiterhin anhand der , Konstruktion und Aufbau von Spulen-Spulen dargestellt werden: Zunächst soll der Aufbau der Normalspule der linken Anordnung (21), d. h. hier der Verlauf des Drahtes (29)(42) bzw. der parallele Verlauf von Drähten (47)(46), mit denen hier die zuvor betrachtete Normalspulenanordnung realisiert wurde, als Vorgabe beibehalten werden.On this structural structure of a standard coil and its operation can continue, based on the , Construction and construction of coil coils are shown: First, the structure of the normal coil of the left arrangement ( 21 ), ie here the course of the wire ( 29 () 42 ) or the parallel course of wires ( 47 () 46 ), with which the previously considered normal coil arrangement was realized here, are retained as a default.

Um eine Spule der neuen Art für eine erfindungsgemäße Anordnung zu erhalten, wird dieser vorgegebene Strukturverlauf (29) jetzt selbst als Wicklungskörper zur Wicklung einer weiteren Spule (48) genutzt (gedacht oder auch durchaus real). Das kann man mit dem einzelnen Draht (29) der ursprünglichen Normalspule und z. B. mit nur einer Windung so machen, kann das aber auch bei mehreren Windungen der Normalspule so beibehalten, kann also den gesamten Drahtverlauf einer Spule umwickeln. Man kann aber auch die Spulenstruktur insgesamt auf diese Weise umwickeln, wodurch eine Umwicklung (45) mehrerer parallel laufender Drähte (46) von mehreren Windungen der Normalspule zugleich erfolgt.In order to obtain a coil of the new type for an inventive arrangement, this predetermined structure course ( 29 ) now even as a winding body for winding a further coil ( 48 ) used (thought or quite real). You can do that with the single wire ( 29 ) of the original normal coil and z. B. with only one turn so, but this can also be maintained in several turns of the normal coil, so can wrap the entire wire path of a coil. But you can also wrap the coil structure as a whole in this way, creating a wrap ( 45 ) of several parallel running wires ( 46 ) takes place of several turns of the normal coil at the same time.

Besonders die Struktur der neuen Spule, die sich bei einer Einzeldrahtumwicklung bei mehreren Windungen der Normalspule ergibt, hat den Begriff der Spulen-Spule nahegelegt. Die lange dünne Spule, die sich durch eine Einzeldrahtumwicklung ergibt, wird ja durch die definierte Strukturvorgabe der umwickelten Drähte der Normalspule, gewissermaßen noch einmal zu einer Spule aufgewickelt. Lediglich die Mittelinie des Drahts der Normalspule und die Mittellinie der Spule, die auf diesem Draht aufgewickelt wird, stimmen überein.In particular, the structure of the new coil, which results in a single wire winding in several turns of the normal coil, has suggested the concept of the coil coil. The long thin coil, which results from a single wire winding, is indeed wound up by the defined structural specification of the wound wires of the normal coil, in a sense again to form a coil. Only the center line of the wire of the standard reel and the center line of the reel wound on this wire are the same.

Hat man in der linken Anordnung (21) den gesamten Spulenverlauf der Normalspule (29)(42) auf diese Weise (48) mit Draht umwickelt, dann liegt schließlich die in der rechten Anordnung (31) gezeigte Struktur vor, wenn man die Drähte der Normalspule, die (vorerst) lediglich als Wickelkörper dienen sollten, entfernt hat (real oder nur gedacht).If you have in the left arrangement ( 21 ) the entire coil course of the normal coil ( 29 () 42 ) in this way ( 48 ) wrapped with wire, then finally lies in the right arrangement ( 31 ) structure, if one has the wires of the standard coil, which should (for now) only serve as a bobbin removed (real or just imagined).

Der Spulenverlauf der als Vorgabe dienenden Normalspule der linken Anordnung (21) ist nur im Mittellinienverlauf der Spule (39)(52) der rechten Anordnung (31) wiederzufinden. Die zuvor in der linken Anordnung (21) gefundene, durch die Spulengeometrie (29)(41) aufgespannte Fläche, durch die die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes hingetreten ist, ist hier ebenfalls vorhanden: Sie wird hier zunächst durch exakt die gleiche Umrandung festgelegt, die jetzt aber vom Mittellinienverlauf der Spule (39)(51) vorgegeben ist.The coil profile of the default coil of the left-hand arrangement ( 21 ) is only in the center line of the coil ( 39 () 52 ) of the right-hand arrangement ( 31 ) to find again. The previously in the left arrangement ( 21 ), by the coil geometry ( 29 () 41 ) area, through which the magnetic component of an electromagnetic field has entered, is also present here: it is first defined here by exactly the same border, but now from the center line of the coil ( 39 () 51 ) is given.

Die gewählte Struktur ist hier bewusst nicht ganz rund (aber auch nicht direkt eckig), um die sonst implizierte Vorstellung einer Toroidspule und auch einer Rogowskispule nicht zu sehr aufkommen zu lassen (obwohl hier natürlich auch eine toroidförmige Spule denkbar ist).The chosen structure here is deliberately not quite round (but also not directly angular), in order not to let the otherwise implied idea of a toroidal coil and a Rogowski coil too much (although here of course a toroidal coil is conceivable).

Die Kopplung an das elektromagnetische Feld erfolgt beim linken Elements (31) etwa so, dass die Geometrie der Kopplung mit der zuvor betrachteten Normalspule des rechten Elements (21) wett gehend übereinstimmt, zumindest dann, wenn man die Elementebene als die eigentliche Kopplungsebene sieht. Aber die Kopplungsart ist jetzt doch von etwas anderer Form. Hier steht jetzt die elektrische Komponente (51) eines elektromagnetischen Feldes bei der Kopplung im Vordergrund. Das wirksame Kopplungselement ist zwar ebenfalls eine Spule (39)(51), bezogen auf die jeweilige Anwendung vertauschen aber die elektrischen und magnetischen Komponenten gewissermaßen ihre Rollen.

  • – Die Anordnung (31) kann – vergleichbar wie bei einer induktiven Kopplung mit einer Spule zuvor beschrieben – ebenso als Antennenanordnung zur Aufnahme eines Trägersignals für eine Signalübertragung genutzt werden: Nur treten jetzt Feldlinien einer elektrischen Feldkomponente E (33)(51) des elektromagnetischen Feldes (die in diesem Falle von einem magnetischen Feld B (32) umschlungen werden) durch die von der Spulen-Spule aufgespannten Fläche, durchdringen diese (34) und verlaufen hinter dieser Fläche weiter (36), immer noch umschlungen von einem begleitenden magnetischen Feld (35). Die Beziehung zwischen diesen beiden Feldern wird jetzt durch rot H = dD/dt + j (27) beschrieben. Wesentlich ist unter diesem Blickwinkel, dass in der so aufgebauten Spule (39)(51) ebenfalls eine Spannung induziert wird, die wieder durch geeignete Empfangsschaltungen ausgewertet werden kann, wobei aber statt der magnetischen jetzt die elektrische Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes durch die Anordnung (31) treten muss. Hier soll die Empfangsschaltung wieder nur durch ein Instrument (55) angedeutet werden.
  • – Diese neue Art von Spule kann (mit der zuvor beschriebenen induktiven Kopplung vergleichbar) zur Ausbildung eines Resonators genutzt werden, indem die mit der Spule realisierte Induktivität durch eine Kapazität (40) kompensiert wird, so dass sich Resonanzbedingungen für eine definierte Frequenz ergeben. Eine Empfangsschaltung bzw. das hier dargestellte Instrument (55) ist dann nicht vorhanden.
  • – Diese Spule kann (vergleichbar mit der zuvor beschriebenen induktiven Kopplung) zur Ausbildung eines Schwingkreises im Rahmen einer Antennenanordnung genutzt werden, entweder indem der mit der Spule realisierte induktive Blindwiderstand/-Leitwert durch einen kapazitiven Blindwiderstand/-Leitwert eines Kondensators (40) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine definierte Frequenz zur Nutzung z. B. in einem Heterodyn-Empfänger ergeben. Natürlich kann das in der Spule induzierte Signal durch eine geeignete Empfangsschaltung direkt weiterverarbeitet werden. Das wird hier wieder nur durch das Instrument (55) angedeutet.
The coupling to the electromagnetic field occurs at the left element ( 31 ) such that the geometry of the coupling with the previously considered normal coil of the right element ( 21 ) matches, at least if one sees the element level as the actual coupling plane. But the coupling is now of a slightly different shape. Here is the electrical component ( 51 ) of an electromagnetic field in the coupling in the foreground. Although the effective coupling element is also a coil ( 39 () 51 ), related to the respective application but interchange the electrical and magnetic components in a sense their roles.
  • - The order ( 31 ) can be used as an antenna arrangement for receiving a carrier signal for a signal transmission - comparable to an inductive coupling with a coil previously described - only now occur field lines of an electric field component E ( 33 () 51 ) of the electromagnetic field (which in this case is a magnetic field B ( 32 ) are looped through) by the spool coil spanned surface, penetrate these ( 34 ) and continue beyond this area ( 36 ), still entwined by an accompanying magnetic field ( 35 ). The relationship between these two fields is now given by red H = dD / dt + j ( 27 ). It is essential from this point of view that in the coil thus constructed ( 39 () 51 ) is also induced a voltage which can be evaluated again by suitable receiving circuits, but instead of the magnetic now the electric field component of the electromagnetic field by the arrangement ( 31 ) must occur. Here, the receiving circuit is again only by an instrument ( 55 ).
  • This new type of coil can be used (similar to the previously described inductive coupling) to form a resonator, in that the inductance realized with the coil is compensated by a capacitance ( 40 ) is compensated so that resonance conditions for a defined frequency result. A receiving circuit or the instrument shown here ( 55 ) is not available then.
  • This coil can be used to form a resonant circuit in the context of an antenna arrangement (comparable to the previously described inductive coupling), either by the inductive reactance / conductance realized with the coil being determined by a capacitive reactance / conductance of a capacitor ( 40 ) is compensated so that from this resonance conditions for a defined frequency for use z. B. in a heterodyne receiver. Of course, the signal induced in the coil can be further processed directly by a suitable receiving circuit. This is again only by the instrument ( 55 ) indicated.

In den beiden Anordnungen der sind die Wirkungen der beteiligten Feldkomponenten und der Kopplungsmechanismen praktisch symmetrisch vertauscht. Aus einiger Entfernung betrachtet werden zudem die beiden Spulen in der Anordnung rechts und links immer gleicher.In the two arrangements of For example, the effects of the field components involved and the coupling mechanisms are virtually symmetrically reversed. From a distance, the two coils in the arrangement on the right and left are always the same.

Hat man in der linken Anordnung (21) den gesamten Spulenverlauf der Normalspule (29)(42) auf diese Weise (48) mit Draht umwickelt, dann liegt schließlich die in der rechten Anordnung (31) gezeigte Struktur vor, wenn man die Drähte der Normalspule, die (vorerst) lediglich als Wickelkörper dienen sollten, entfernt hat.If you have in the left arrangement ( 21 ) the entire coil course of the normal coil ( 29 () 42 ) in this way ( 48 ) wrapped with wire, then finally lies in the right arrangement ( 31 ) structure, if one has the wires of the normal coil, which should (for the time being) only serve as a bobbin removed.

Daraus festzuhalten bleibt, dass erfindungsgemäß Spulen-Spulen und/oder Kombination von normalen Spulen (Normalspulen) und Spulen-Spulen zum Einsatz kommen und so alle Feldkomponenten stets in Kombination zur Kopplung beitragen können.It remains to be noted that according to the invention coil coils and / or combination of normal coils (normal coils) and coil coils are used and so all field components can always contribute in combination to the coupling.

Die Kombination beider Spulenarten arbeitet im niedrigen Frequenzbereich induktiv durch die ja noch vorhandenen Leitungen der ursprünglichen Leitungen der ursprünglich gegebenen Spulenanordnung; bei hohen Frequenzen erfolgt die Kopplung durch die elektrischen Feldkomponenten durch die Spule-Spulen-Anordnung. Werden aber mit Sicherheit nur hohe Frequenzen verwendet, wird das Innere der Spulen-Spule ohnehin als Luftspule ausgelegt. Die innen liegenden Drähte braucht man manchmal zudem nicht wirklich, wie noch gezeigt werden wird.The combination of the two coil types works inductively in the low frequency range through the lines of the original lines of the original coil arrangement which are still present; at high frequencies, the coupling is done by the electric field components through the coil-coil assembly. However, if only high frequencies are used with certainty, the interior of the coil coil is already designed as an air coil. In addition, you sometimes do not really need the inner wires, as will be shown later.

Indem statt der normalen Spulenleitungen selber Spulen vergleichbar einer Rogowskispule, gelegt werden, kehren sich die Bedeutungen der Feldeinwirkungen und damit die Kopplungsart um. Das elektrische Feld übernimmt in diesem Fall spiegelbildlich die Rolle des magnetischen Feldes bei einer Normalspule und die magnetischen Feldlinien übernehmen die Rollen der elektrischen Felder bei der Normalspule. Zwar kann eine derartige Kopplung sehr unterschiedlich in ihrer Intensität sein, aber es wird damit doch erreicht, dass elektrische Felder als Kopplung genauso eingesetzt werden können, wie das von der Nutzung einer Kopplung durch magnetische Felder bekannt ist. Bei hohen Frequenzen sind die Spulen-Spulen bevorzugt als Luftspulen auszubilden.By placing coils comparable to a Rogowski coil instead of the normal coil leads, the meanings of the field influences and thus the type of coupling are reversed. The electric field in this case takes on the mirror image of the role of the magnetic field in a normal coil and the magnetic field lines take over the roles of the electric fields in the normal coil. Although such a coupling can be very different in intensity, it is nevertheless achieved that electrical fields can be used as a coupling in exactly the same way as is known from the use of coupling by magnetic fields. At high frequencies, the coil coils are preferably designed as air coils.

Bei niedrigen Frequenzen können mit den auf dem Stand der Technik gegebenen technischen Möglichkeiten magnetische Felder wesentlich höhere Energie übertragen, als reine elektrische Felder. Da aber andererseits bei sehr hochfrequenten elektromagnetischen Feldern elektrische und magnetische Felder immer in Kombination auftreten, kommt ihnen im Grunde genommen die gleiche Bedeutung zu. Je höher die Frequenz, desto besser kann es sein, eher die elektrische Komponente zu erfassen und die magnetische Komponente eher zu ignorieren. Gerade bei sehr hohen Frequenzen kann ohnehin die Materialeigenschaft dem Wechsel des magnetischen Feldes nicht so schnell folgen, wie das bei niedrigen Frequenzen noch möglich ist, was bedeutet, dass die Eindringtiefe von elektrischen bzw. magnetischen Feldern umso geringer wird, je höher die Frequenz ist. Damit werden jedoch mehrere Effekte gleichzeitig nutzbringend eingesetzt. Das magnetische Feld kann dann u. U. geringere Wirbelstromeffekte erzeugen. Die an sich gegen das ursprüngliche Feld gerichteten Feldkomponenten durch Wirbelströme können so teilweise vermeiden werden.At low frequencies, magnetic fields can transmit much higher energy than pure electrical fields with the technical capabilities afforded by the prior art. On the other hand, because of very high-frequency Electromagnetic fields electric and magnetic fields always occur in combination, they are basically the same importance. The higher the frequency, the better it can be to capture the electrical component and ignore the magnetic component. In any case, even at very high frequencies, the material property can not follow the change in the magnetic field as quickly as is still possible at low frequencies, which means that the penetration depth of electric or magnetic fields becomes lower, the higher the frequency. This, however, several benefits are used simultaneously useful. The magnetic field can then u. U. generate less eddy current effects. The field components directed against the original field by eddy currents can thus be partially avoided.

Die elektrischen Felder, die ohnehin stets senkrecht auf leitende Materialien auftreffen, werden andererseits die Ebene der Spulenanordnung, so durchdringen, wie das ursprünglich bei RFID-Transpondern mit magnetischer Kopplung vorgesehen war, und somit Kopplungseigenschaften selbst noch dann sichern, wenn magnetische Komponenten durch Wirbelstrombildung längst wirkungslos wären. Wenn man Luftspulen verwendet, die die ursprüngliche Spulengeometrie nachbilden, kann gerade bei sehr hohen Frequenzen die Kopplung wieder besser werden, auch dann, wenn eine solche Spule direkt über dem metallischen Objekt angebracht ist.On the other hand, the electric fields, which are always incident perpendicularly to conductive materials, will penetrate the plane of the coil arrangement as originally provided in RFID transponders with magnetic coupling and thus ensure coupling properties even when magnetic components have long since formed by eddy current formation would be ineffective. When using air coils that replicate the original coil geometry, especially at very high frequencies, the coupling can become better again, even if such a coil is mounted directly over the metallic object.

Natürlich machen sich letztendlich auch in diesen Fällen Energieverluste bemerkbar. Schließlich muss die Energie für alle Begleitvorgänge wie z. B. durch Induktion allg. bedingte Vorgänge, für Ladungsverschiebungen, Polarisation, usw. ja irgendwoher kommen und der Transport dieser Energie erfolgt nun einmal durch das elektromagnetische Feld. Trotzdem zeigen sich bei einer geeigneten Auslegung der Anordnung gute Kopplungsfähigkeiten, auch wenn die Anordnung (31) direkt auf einer metallischen Oberfläche liegt, oder in der Nachbarschaft leitendes Material z. B. eine Flüssigkeiten liegt.Of course, in the end, energy losses are also noticeable in these cases. Finally, the energy for all accompanying operations such. For example, by induction generally conditioned processes, for charge shifts, polarization, etc. yes come from somewhere and the transport of this energy is now once by the electromagnetic field. Nevertheless, with a suitable design of the arrangement, good coupling capabilities are evident, even if the arrangement ( 31 ) lies directly on a metallic surface, or in the neighborhood conductive material z. B. is a liquid.

Durch Verschiebung der im Metall oder einer leitenden Materie frei beweglichen Ladungsträger reagiert die Materie auf ein senkrecht auftreffendes elektrisches Feld. Diese von der elektrischen Feldkomponente bewirkte Ladungsverschiebung führt in bekannter Weise zu einem an sich feldfreien Raum im Inneren des Metalls bzw. zwischen Metallplatten die Kapazitäten ausbilden können. Die von der elektrischen Feldkomponente verursachte Bewegung freier Ladungsträger erfolgt aber – abhängig von der Art der Ladungsträger – u. U. mit einer anderen Geschwindigkeit, als die Ausbildung von Wirbelströmen durch magnetische Felder. Damit verbunden machen sich bei den unterschiedlichen Kopplungsarten auch unterschiedliche Dämpfungseffekte bemerkbar, die mit einer geeignet ausgelegten Kombination von Spulen-Spulen mit Normalspulen technisch beherrschbar werden können.By shifting the charge carriers, which are freely movable in the metal or a conducting matter, the matter reacts on a vertically incident electric field. This charge shift caused by the electric field component leads in a known manner to a field-free space in the interior of the metal or between metal plates which can form capacitances. The movement of free charge carriers caused by the electric field component takes place, however, depending on the type of charge carriers. U. at a different speed, than the formation of eddy currents by magnetic fields. Associated with it make different damping effects noticeable in the different types of coupling, which can be technically controlled with a suitably designed combination of coil coils with standard coils.

Wichtig ist noch, die verschiedenen Kombinationen von Normalspule und Spulen-Spule im Überblick zu beschreiben.It is still important to describe the different combinations of standard coil and coil coil in an overview.

Bei ausreichender Länge der Spule und aus einer immer größeren Entfernung betrachtet erscheint diese irgendwann als eine eher fadenförmige Struktur denn als eine Spirale. Zwischen den beiden Anordnungen (21)(31) der erscheint der Unterschied so immer geringer zu werden. Die relativ dünne Spirale (39) der Spulen-Spule kann also – aus größerer Entfernung betrachtet – auch als einzelner Leiter aufgefasst werden, der nur eine einzelne Windung ausbildet. Aus dieser Sicht scheinen die Unterschiede zwischen den beiden Anordnungen immer geringer zu werden. Mit der (so als einzelne Windung gesehenen) Anordnung (31) sollte daher gleichermaßen auch eine Kopplung über eine magnetische Feldkomponente möglich sein, so wie das bei der Anordnung (21) schon dargestellt worden ist.With sufficient length of the coil and viewed from an ever greater distance this appears sometime as a thread-like structure rather than a spiral. Between the two orders ( 21 () 31 ) of the The difference seems to be getting smaller and smaller. The relatively thin spiral ( 39 ) of the coil coil can therefore - viewed from a greater distance - also be understood as a single conductor, which forms only a single turn. From this point of view, the differences between the two arrangements seem to be getting smaller and smaller. With the arrangement (seen as a single turn) ( 31 ) should therefore be equally possible a coupling via a magnetic field component, as in the arrangement ( 21 ) has already been shown.

Tatsächlich zeigt die Anordnung (31) mit direkt angeschlossener Kapazität (40) zwei deutlich ausgeprägte Resonanzstellen (Resonatormessung mit Toroid-Spule (Luft-Spulen-Spule) als Induktivität und nur einer Kapazität. (Anregung mit Funktionsgenerator, locker gekoppelt durch gleichartige Toroidspule, Messauskopplung durch eine gleichartige Toroidspule, Messung mit Ozilloskop und Frequenzanalyser).Actually, the arrangement shows ( 31 ) with directly connected capacity ( 40 ) Two distinct resonance points (resonator measurement with toroidal coil (air coil coil) as inductance and only one capacitance (excitation with function generator, loosely coupled by similar toroidal coil, measurement output by a similar toroidal coil, measurement with oscilloscope and frequency analyzer).

Die Beziehungen zwischen diesem Ersatzleiter und einem tatsächlich einzelnen Leiter (und damit der Unterschied zwischen der Anordnung (21) und der Anordnung (31)) soll anhand der und noch im Detail betrachtet werden:
Zunächst (vgl. ) ist der Widerstand des Leitungsdrahtes (64) leicht zu berechnen: Ein kleines Leitungsstück der Länge h (60) mit dem Durchmesser d' (63) hat den Widerstand R'(= L/κA)= h/(κπ(d'/2)2). Ein Strom i (59) der in dieses Leiterstück eintritt, tritt als gleich großer Strom i (62) am Ende wieder aus. Die Stromdichte in diesem Leiter ist J = i/A = i/(π(d'/2)2). Ein Strom i (50), der in eine Querschnittsfläche (56) eines zur Spulen-Spule (57) aufgewickelten Drahtes (57) mit dem Durchmesser d (55) eintritt, tritt als gleich großer Strom i (54) nach einer oder mehr Windungen wieder aus. Die Stromdichte in diesem Leiter ist J = i/A = i/(π(d/2)2). Eine Windung dieser Spule mit der Steigung h (58) und dem Radius r (49) weist gleichermaßen einen Widerstand R(= L/κA) ≈ 2πr/(κπ(d/2)2) auf (die Mittellinie des Drahtes zur Bestimmung der Länge angenommen und die Verlängerung durch die Windungssteigung ignoriert).
The relationships between this substitute conductor and an actual individual conductor (and thus the difference between the arrangement ( 21 ) and the arrangement ( 31 )) should be based on the and still be considered in detail:
First (cf. ) is the resistance of the lead wire ( 64 ) easy to calculate: a small line piece of length h ( 60 ) with the diameter d '( 63 ) has the resistance R '(= L / κA) = h / (κπ (d' / 2) 2 ). A current i ( 59 ) entering this conductor piece occurs as equal current i ( 62 ) in the end again. The current density in this conductor is J = i / A = i / (π (d '/ 2) 2 ). A current i ( 50 ), which is in a cross-sectional area ( 56 ) one to the coil coil ( 57 ) wound wire ( 57 ) with the diameter d ( 55 ) occurs, occurs as equal current i ( 54 ) after one or more turns again. The current density in this conductor is J = i / A = i / (π (d / 2) 2 ). One turn of this coil with the slope h ( 58 ) and the radius r ( 49 ) similarly has a resistance R (= L / κA) ≈ 2πr / (κπ (d / 2) 2 ) (assuming the centerline of the wire to determine the length and ignoring the extension by the winding pitch).

Aus einiger Entfernung betrachtet, stellt die Spule (57) einen Draht (ein Drahtäquivalent) dar, der den Durchmesser (2r + d) hat, in den ebenso ein Strom i (50) eintritt und aus dem am Ende ein gleich großer Strom i (54) wieder austritt. Seen from a distance, the coil ( 57 ) is a wire (a wire equivalent) having the diameter (2r + d) into which a current i (also 50 ) and from which at the end an equal current i ( 54 ) exit again.

Für die Stromdichte J (61) in einem solchen Leiteräquivalent kann angenommen werden, dass J = i/A = i/(π((2r + d)/2)2). In gleicher Weise würde man dem Leitungsäquivalent einen Widerstand zuweisen, nämlich R(= L/κA) ≈ h/κ'π((2r + d)/2))2); je nachdem, welche Größe im Vordergrund des Interesses steht, kann man einen lediglich andere Leitfähigkeit annehmen. Als Widerstand des Leitungsäquivalents der Länge h (58) wird man den Widerstand einer Windung, also R 2πr/(κπ(d/22) annehmen. Da beide Widerstandswerte gleich sein müssen, gilt: R ≈ h/κ'π((2r + d)/2))2) = 2πr/(κπ(d/2)2) For the current density J ( 61 ) in such a ladder equivalent it can be assumed that J = i / A = i / (π ((2r + d) / 2) 2 ). In the same way, one would assign a resistance to the line equivalent, namely R (= L / κA) ≈ h / κ'π ((2r + d) / 2)) 2 ); depending on which size is of primary interest, one can only assume a different conductivity. As resistance of the line equivalent of length h ( 58 ) one will assume the resistance of one turn, ie R 2πr / (κπ (d / 2 2 ) Since both resistance values must be equal, the following applies: R ≈ h / κ'π ((2r + d) / 2)) 2 ) = 2πr / (κπ (d / 2) 2 )

Die Leitfähigkeit κ' des Leitungsäquivalents ist um einen aus dieser Beziehung bestimmbaren Faktor geringer, aber die Eigenschaft dieser Anordnung (57) der , aus größerer Distanz ein mit einem Draht (64) vergleichbares Leitungsstück darzustellen, bleibt bestehen.The conductivity κ 'of the conduction equivalent is lower by a factor determinable from this relationship, but the property of this arrangement ( 57 ) of the , from a distance with a wire ( 64 ) to represent a comparable pipe section remains.

Bei der erfindungsgemäßen Auslegung von Spulenanordnungen für Transponder sind demnach die folgenden Kombinationen zu beachten:

  • 1. Bei der Normalspule (die klassische Drahtspule) zeigt sich (im Wesentlichen) – nur eine über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes geprägte Kopplung. Das B-Feld durchdringt die Spulenfläche und induziert in der Spule eine zur umrandeten Kopplungsfläche, zur Feldstärke und zur Geschwindigkeit der Feldänderung proportionale Spannung. Mit einem Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird generell nur eine einzige Frequenz als Resonanzfrequenz geprägt (parasitäre oder artifizielle Effekte sollen vernachlässigt werden).
  • 2. Bei der Spulen-Spule (als Luftspule oder auch als mit nichtleitendem Material gefüllte Spule) zeigt sich (im Wesentlichen) – sowohl eine über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes geprägte erste Kopplungsart (Kopplung erfolgt durch die vom Spulenverlauf umrandete Fläche mit einem den Spulenverlauf nachempfundenen Leitungsäquivalent), – als auch eine über die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes geprägte zweite Kopplungsart (Eine Kopplung erfolgt durch die Spule über das die Änderungen der elektrischen Feldkomponente begleitende magnetische Feld). Mit einem Kondensator zur Ausbildung eines Resonators werden also auch tatsächlich zwei Frequenzen als Resonanzfrequenzen gefunden (da eine Kapazität, aber zugleich zwei wirksame Induktivitätsäquivalente vorliegen).
  • 3. Bei der Kombination von Normalspule und Spulen-Spule zeigen sich (im Wesentlichen) drei Kopplungsarten, die die drei Möglichkeiten der beiden zuerst genannten vereinen und erweitern. Es bestehen z. B. drei Resonanzfrequenzmöglichkeiten: – Eine erste, über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung, bei der in der Normalspule eine erste Spannung induziert wird. Mit einem ersten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators mit dieser Spule wird eine erste Frequenz als Resonanzfrequenz geprägt. – Eine zweite, über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung, bei der ein Spulenäquivalent, das von einem den Spulenverlauf nachbildenden Leitungsäquivalent gebildet wird, gesehen wird. Mit einem zweiten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird in diesem Sinn eine zweite Frequenz als Resonanzfrequenzen definiert. – Eine dritte, über die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung über die Spulen-Spule. Mit dem zuvor eingesetzten, zweiten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird also eine dritte Frequenz als Resonanzfrequenzen definiert, die allerdings mit der zweiten Frequenz assoziiert ist.
In the design of coil arrangements for transponders according to the invention, the following combinations are therefore to be observed:
  • 1. In the case of the standard coil (the classic wire coil), (essentially) - only a coupling marked by the magnetic component of an electromagnetic field is shown. The B field penetrates the coil surface and induces in the coil a voltage proportional to the framed coupling surface, to the field strength and to the speed of the field change. With a capacitor for forming a resonator, only a single frequency is generally characterized as a resonance frequency (parasitic or artificial effects are to be neglected).
  • 2. In the coil coil (as an air coil or as filled with non-conductive material coil) shows (essentially) - both an embossed on the magnetic component of an electromagnetic field first coupling (coupling is done by the outlined by the coil profile surface with a Coil curve modeled equivalent line), - as well as an over the electrical component of the electromagnetic field coined second coupling type (A coupling is carried out by the coil on the changes of the electric field component accompanying magnetic field). With a capacitor for the formation of a resonator, therefore, actually two frequencies are found as resonance frequencies (since there is a capacitance, but at the same time two effective inductance equivalents).
  • 3. The combination of normal coil and coil coil shows (essentially) three types of coupling, which unite and expand the three possibilities of the first two mentioned. There are z. B. three resonance frequency options: - A first, given via the magnetic component of an electromagnetic field coupling, in which a first voltage is induced in the normal coil. With a first capacitor for forming a resonator with this coil, a first frequency is impressed as the resonance frequency. A second coupling given via the magnetic component of an electromagnetic field, in which a coil equivalent formed by a coil equivalent of the coil profile is seen. With a second capacitor for forming a resonator, a second frequency is defined as resonant frequencies in this sense. - A third, given via the electrical component of the electromagnetic field coupling via the coil coil. With the previously used, second capacitor for forming a resonator so a third frequency is defined as resonance frequencies, which is associated with the second frequency.

Diese Kombination von Normalspule und Spulen-Spule bietet allerdings weitere Möglichkeiten zu Modifikation:

  • – Zunächst können die Normalspule und die Spulen-Spule zusammengeschaltet werden und nur ein Kondensator zur Ausbildung von Resonatoren verwendet werden, wobei die Spulenspule als Luftspule ausgebildet sein kann und die Drähte der Normalspule im Inneren der Spulen-Spule angeordnet sein (so, wie das zur Konstruktion der Spulen-Spule dargestellt worden ist) oder beide Spulentypen können „nebeneinander” existieren. Dabei können zudem die beiden „induktiven” Spulentypen – Parallel zueinander liegen oder – in Reihe geschaltet sein, wobei wiederum diese beiden Fällen zu unterteilen sind in die Fälle, dass die Spulen der magnetischen Kopplung – im gleichen Sinne, oder – im entgegengesetzten Sinn zugeordnet sind.
  • – Sodann können die Kopplungsart durch die Normalspule und die Kopplungen durch die Spulen-Spule unabhängig voneinander erfolgen, wobei wieder die Spulen-Spule als Luftspule ausgebildet sein kann und die Drähte der Normalspule im Inneren der Spulen-Spule angeordnet sein oder beide Spulentypen können „nebeneinander” existieren. Dabei können wiederum die beiden „induktiven” Spulentypen der magnetischen Kopplung gegenüber – im gleichen Sinne, oder – im entgegengesetzten Sinn zugeordnet sein.
However, this combination of normal coil and coil coil offers further possibilities for modification:
  • - First, the normal coil and the coil coil can be interconnected and only one capacitor can be used to form resonators, wherein the coil coil can be formed as an air coil and the wires of the normal coil can be arranged inside the coil coil (as, for Construction of the bobbin coil has been shown) or both coil types may exist "side by side". In addition, the two "inductive" coil types - parallel to each other or - be connected in series, again these two cases are divided into the cases that the coils of the magnetic coupling - in the same sense, or - are assigned in the opposite sense ,
  • - Then, the coupling can be done independently of each other by the normal coil and the couplings through the coil coil, again the coil coil may be formed as an air coil and the wires of the normal coil can be arranged inside the coil coil or both coil types "side by side " exist. Again, the two " inductive "coil types of magnetic coupling opposite - in the same sense, or - be assigned in the opposite sense.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass derartige Anordnungen sehr viel weiter gehende Möglichkeiten eröffnen: Wenn z. B. mehr als nur eine der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt wird und diese Anordnungen räumlich nicht wie bisher angenommen, in einer Ebene zusammen liegend angeordnet werden, sondern im Raum in einem gewissen Winkel zueinander stehen, dann können z. B. die Bedingungen der vorliegen. In dieser stehen zwei der erfindungsgemäßen Anordnungen in einem gewissen Winkel φ (78) im Raum zueinander. Als Anordnungen sind hier eine Normalspule (70) und eine Luft-Spulen-Spule (71) gezeigt, jede davon kann aber eine beliebige Kombination der der neuen Spulentypen sein. Die Lage der neuen Spulen ist durch Projektionslinien (79)(80) auf einer gedachten Fläche angedeutet. Die Normalspule (70) erzeugt hier eine eher magnetische Feldkomponente B (73), die Spulen-Spule eher ein elektrisches Feld E (72); hierzu wären statt der Instrumente an deren Positionen Generatoren einzusetzen. Alternativ nehmen die beiden Anordnungen sensorisch eine derartige Feldkomponente jeweils auf; das wird angedeutet mit den gezeigten Instrumenten. Ohne darauf näher einzugehen, ist es natürlich auch wieder möglich, jede der Anordnung als Resonator(en) auszugestalten; das wird erreicht, indem jeweils eine Kapazität hinzugeschaltet wird (76)(77).Finally, it should be noted that such arrangements open much wider possibilities: If z. B. more than one of the arrangement according to the invention is used and these arrangements are spatially not as previously assumed, arranged in a plane lying together, but in space at a certain angle to each other, then z. B. the conditions of available. In this are two of the arrangements according to the invention at a certain angle φ ( 78 ) in space to each other. As arrangements here are a standard coil ( 70 ) and an air-coil coil ( 71 ), but any of them may be any combination of the new coil types. The position of the new coils is determined by projection lines ( 79 () 80 ) indicated on an imaginary surface. The normal coil ( 70 ) generates here a rather magnetic field component B ( 73 ), the coil coil rather an electric field E ( 72 ); For this purpose, generators would have to be used instead of the instruments at their positions. Alternatively, the two arrangements sensory take such a field component respectively; this is indicated by the instruments shown. Without going into detail, it is of course again possible to design each of the arrangement as a resonator (s); this is achieved by adding a capacity ( 76 () 77 ).

Je nachdem, wie die erfindungsgemäßen Anordnungen als felderfassende oder als felderzeugende Einheiten im Raum positioniert werden, können die Überlagerungsbereiche unterschiedlich ausgestaltet werden. Im Beispiel der überlagert sich das elektrische Rotationsfeld (74) der induktiv arbeitenden Anordnung (70) mit einer elektrischen Feldkomponente (75), die von der Spulen-Spule (71) erzeugt wird.Depending on how the arrangements according to the invention are positioned in the room as field-detecting or field-generating units, the overlapping areas can be designed differently. In the example of superimposed on the electrical rotation field ( 74 ) of the inductively operating arrangement ( 70 ) with an electric field component ( 75 ) coming from the coil coil ( 71 ) is produced.

Denkt man sich in zur Normalspule (70) und zur Luft-Spulen-Spule (71) den an jeweils gegenüber liegender Position im Raum ebenfalls eine Normalspule und eine Luft-Spulen-Spule, so kann eine Kopplung zwischen diesen Elementen getrennt hergestellt werden. Das von der Normalspule (70) (oder von der dort sich befindenden Anordnung) erzeugt Feld (73) würde an gegenüberliegender Stelle in einer gleichartigen Normalspule (oder in der dort sich befindenden gleichartigen Anordnung) eine spezifische Kopplung über die Magnetfeldkomponente herstellen, während ein Einfluss dieses Magnetfeldes auf die Luft-Spulen-Spule (71) gering wäre. Das von der Luft-Spulen-Spule (71) (oder von der dort sich befindenden Anordnung) erzeugt Feld (72) würde an gegenüberliegender Stelle in einer gleichartigen Luft-Spulen-Spule (oder in der dort sich befindenden gleichartigen Anordnung) eine spezifische Kopplung über die elektrische Feldkomponente (72) herstellen, während ein Einfluss dieser elektrischen Feldkomponente auf die Normalspule (70) gering wäre.Do you think in to the normal coil ( 70 ) and to the air coil coil ( 71 ) At each lying opposite position in space also a normal coil and an air-coil coil, so a coupling between these elements can be made separately. That of the normal coil ( 70 ) (or from the arrangement there) generates field ( 73 ) would be at the opposite point in a similar normal coil (or in the same arrangement there are located) produce a specific coupling on the magnetic field component, while an influence of this magnetic field on the air coil coil ( 71 ) would be small. That of the air coil coil ( 71 ) (or from the arrangement there) generates field ( 72 ) would be at the opposite location in a similar air-coil coil (or in the same arrangement there) a specific coupling via the electric field component ( 72 ), while an influence of this electric field component on the normal coil ( 70 ) would be small.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 269257 [0044] DE 269257 [0044]

Claims (10)

Verfahren zur Konstruktion von Koppelelementen für elektromagnetische Felder dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer (ursprünglichen) Spule, die als induktives Koppelelement vorgesehen sein kann, – ganz oder zumindest teilweise, – statt der zur Ausbildung einer (ursprünglichen) Spulen genutzten Drähte oder – ergänzend zu den zur Ausbildung dieser (ursprünglichen) Spule genutzten Drähte, selbst wieder Spulen verwendet werden, das heißt – dass Spulen verwendet werden, – deren Spulenmittellinien einem ursprünglichen, realen oder gedachten Drahtverlauf folgen und – deren Draht die Drähte der ursprünglichen Spule umwickeln, was – unter Weglassen der ursprünglichen Drahtleitung, dann als Luftspule, realisiert werden kann, oder – unter Beibehaltung der ursprünglichen Drahtleitung(en) kombiniert realisiert werden kann.Method for the construction of coupling elements for electromagnetic fields, characterized in that starting from an (original) coil, which may be provided as an inductive coupling element, - completely or at least partially, - instead of the used to form a (original) coil wires or - in addition to the wires used to form this (original) coil, themselves re-used coils, that is - that coils are used, - whose coil center lines follow an original, real or imaginary wire path and - whose wire wrap the wires of the original coil, what - under Omission of the original wire line, then as an air coil, can be realized, or - combined can be realized while maintaining the original wire line (s). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auslegung der Spulen als Spulen-Spulen Kopplungen sowohl durch elektrische Felder als auch über magnetische Felder erfolgen kann, wobei gleiche oder unterschiedliche Frequenzen eingesetzt werden können.A method according to claim 1, characterized in that by the design of the coils as coil coils couplings can be done both by electric fields and magnetic fields, wherein the same or different frequencies can be used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulen-Spule realisiert wird, so dass sie die Fläche einer Felddurchdringung umschließen kann (umrandet) und damit eine Kopplung über eine elektrische Feldkomponente als Spulen-Spule erlaubt, zugleich aber als Spule mit evtl. nur einer einzelnen Windung eine Kopplung an die magnetische Feldkomponente erlaubt, wobei gleiche oder unterschiedliche Frequenzen eingesetzt werden können.A method according to claim 1, characterized in that a coil coil is realized so that it can enclose the surface of a field penetration (bordered) and thus allows coupling via an electric field component as a coil coil, but at the same time as a coil with possibly only allows a single turn a coupling to the magnetic field component, wherein same or different frequencies can be used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulen-Spule in Kombination mit einer Normalspule so realisiert wird, dass sie die Fläche einer Felddurchdringung umschließen kann (umrandet) und damit eine Kopplung sowohl über eine elektrische als auch über eine magnetische Feldkomponente erlaubt.A method according to claim 1, characterized in that a coil coil in combination with a standard coil is realized so that it can enclose the surface of a field penetration (bordered), thus allowing a coupling of both an electrical and a magnetic field component. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spulen-Spule in Kombination mit mindestens einer Normalspulen realisiert wird, so dass diese wieder die Fläche einer Felddurchdringung umschließen können (umranden), wobei diese Flächen nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.A method according to claim 4, characterized in that at least one coil coil is realized in combination with at least one normal coils, so that they can again enclose the area of a field penetration (edge), these areas are not in a common plane. Anordnung als Kopplungselement und als Antenne zum Einkopplung (zum Eintragen) und zur Auskopplung (zur sensorischen Erfassung) von elektromagnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, dass ganz oder teilwiese statt der üblicherweise für eine induktive Kopplung genutzten Spulen, ganz oder teilweise statt der zur Ausbildung dieser Spulen genutzten Drähte, lange Spulen verwendet werden, das heißt Spulen, deren Spulenmittellinien einem ursprünglichen Drahtverlauf zum Aufbau einer Spule folgen und die gewissermaßen diese ursprünglichen Drähte umwickeln, was – unter Weglassen der ursprünglichen Drahtleitung, dann als Luftspule, realisiert werden kann, oder – unter Beibehaltung der ursprünglichen Drahtleitung(en), dann als kombinierte Spule, realisiert werden kann.Arrangement as a coupling element and as an antenna for coupling (for input) and for coupling (for sensory detection) of electromagnetic fields,  characterized in that Wholly or partially instead of the coils usually used for inductive coupling, in whole or in part instead of the wires used to form these coils, long coils are used, that is, coils whose coil centerlines follow an initial wire path to build a coil and which, to a certain extent, these original wires wrap what - With omission of the original wire line, then as an air coil, can be realized, or - Can be realized while maintaining the original wire line (s), then as a combined coil. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spulen-Spule in Kombination mit mindestens einer Normalspule realisiert wird, die jede die Fläche einer Felddurchdringung umschließen können (umranden), wobei diese umschlossenen Flächen nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.Arrangement according to claim 6, characterized in that at least one coil coil is realized in combination with at least one standard coil, each of which can surround the area of a field penetration (edge), these enclosed areas are not in a common plane. Anordnung nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kopplungselemente genutzt werden – als Spulen und/oder Antennen zur Energie- und Datenübertragung und/oder – als Resonatoren und/oder – als Kopplungselemente für eine Kopplung elektromagnetischer bzw. magnetischer und/oder elektrischer Felder in Anwesenheit von Materie, sowie – zum Eintragen und zur Auskopplung von elektromagnetischer Energie in die Materie hinein z. B. um damit Analysen zu ermöglichen.Arrangement according to claim 6 to 7, characterized in that these coupling elements are used - As coils and / or antennas for energy and data transmission and / or - As resonators and / or - As coupling elements for coupling electromagnetic or magnetic and / or electric fields in the presence of matter, and - For entering and decoupling of electromagnetic energy into matter in z. B. to allow analysis. Anordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kopplungselemente genutzt werden – in Transpondern und/oder in elektronischen Markierungen und/oder – für unterschiedlichste analytische Zwecke um elektromagnetische Felder in oder auf beliebige Materie einkoppeln können.Arrangement according to claim 6 to 8, characterized in that these coupling elements are used - in transponders and / or electronic tags and / or - for various analytical purposes to couple electromagnetic fields in or on any matter. Anordnung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kopplungselemente mit mindestens einer Spulen-Spule oder einer Kombination mit mindestens einer Normalspule und/oder einer Spulen-Spule, wobei die Kopplungsflächen nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.Arrangement according to claim 6 to 9, characterized in that coupling elements with at least one coil coil or a combination with at least one standard coil and / or a coil coil, wherein the coupling surfaces are not in a common plane.
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