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Die Erfindung betrifft eine Koppelstruktur zur galvanisch trennenden Übertragung eines Hochfrequenzsignals. Die Struktur ist insbesondere zur einfachen Realisierung innerhalb einer Mehrlagen-Leiterplatte ausgelegt.
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Es ist inzwischen zu einer technischen Selbstverständlichkeit geworden, elektronische Geräte mit Kommunikationsmöglichkeiten auszustatten. Auf diese Weise ist es möglich, diese elektronischen Geräte aus der Ferne zu überwachen oder zu steuern. Besonders vorteilhaft ist es, nicht drahtgebundene Kommunikationslösungen zu verwenden, weil hier der Installationsaufwand zur Einrichtung der Kommunikation minimal ist. Üblich ist es, eine Funkübertragung, zum Beispiel Bluetooth, WLAN, ZigBee oder ähnliches, einzusetzen, um die Daten zwischen einem Sender und einem Empfänger auszutauschen.
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Eine Koppelstruktur zur Übertragung von Funksignalen innerhalb einer Leiterplatte ist beispielsweise in der Druckschrift
US2010/0245202 offenbart.
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Eine besondere Anforderung bei der Übertragung der Signale innerhalb des Gerätes entsteht, wenn zusätzlich eine galvanisch Entkopplung zwischen den Signalleitungen als auch den Bezugspotenzialen der Antenne und der Sende/Empfangseinheit gefordert ist, wie es beispielsweise häufig in photovoltaischen Wechselrichtern der Fall ist. Eine bekannte Möglichkeit der galvanischen Entkopplung durch einen Kondensator ist häufig nicht möglich, da Kondensatoren mit ausreichender Isolationsfestigkeit von teilweise erheblich mehr als 5 kV nicht verfügbar beziehungsweise zu teuer sind oder die Hochfrequenzsignale zu stark dämpfen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Koppelstruktur zur galvanisch trennenden Übertragung eines Hochfrequenzsignals zwischen einer Antenne und einer Sende/Empfangseinheit bereitzustellen, die kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig eine Signalübertragung mit hoher Qualität gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Koppelstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–10 beschrieben. Eine Kommunikationsstruktur mit einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur bzw. einen Wechselrichter mit einer solchen Kommunikationsstruktur sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche 11 und 12. Ausführungsformen des Wechselrichters sind in den abhängigen Ansprüchen 13 und 14 dargestellt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Koppelstruktur zur galvanisch trennenden Übertragung eines Hochfrequenzsignals zwischen einer Antenne und einer Sende/Empfangseinheit gelöst. Die Koppelstruktur weist eine erste Bezugsplatte in einer ersten Metallebene einer Mehrlagen-Leiterplatte und eine zweite Bezugsplatte in einer zweiten Metallebene der Mehrlagen-Leiterplatte auf, wobei die erste Bezugsplatte mit einem Bezugspotentialanschluss der Sende/Empfangseinheit und die zweite Bezugsplatte mit einem Bezugspotentialanschluss der Antenne verbindbar ist. Die Koppelstruktur umfasst weiterhin über eine erste, mit einem Signalanschluss der Sende/Empfangseinheit verbindbare Leiterbahn in einer dritten Metallebene der Mehrlagen-Leiterplatte und über eine zweite, mit einem Signalanschluss der Antenne verbindbare Leiterbahn in einer vierten Metallebene der Mehrlagen-Leiterplatte. Die dritte und vierte Metallebene ist zwischen der ersten und zweiten Metallebene angeordnet. In einer Projektion senkrecht zur Mehrlagen-Leiterplatte bilden die erste und zweite Bezugsplatte eine komplementäre Anordnung mit einer Grenzlinie. Die erste und die zweite Leiterbahn bilden in dieser Projektion eine Ringstruktur, wobei die Ringstruktur ein erstes Ringsegment und ein zweites Ringsegment aufweist, in denen die erste und zweite Leiterbahn parallel zueinander verlaufen. In einem dritten beziehungsweise einem vierten Ringsegment, die jeweils beidseitig zwischen dem ersten und dem zweiten Ringsegment angeordnet sind, wird die Ringstruktur nur durch die erste Leiterbahn beziehungsweise nur durch die zweite Leiterbahn gebildet. Jeweils ein Ende der ersten und der zweiten Leiterbahn ist in der Projektion auf der Grenzlinie angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Koppelstruktur wird eine verlustarme Übertragung von Hochfrequenzsignalen ermöglicht, wobei sowohl das Signalpotenzial als auch das Bezugspotenzial galvanisch voneinander getrennt sind. Die unterschiedlichen Potenziale befinden sich hierbei auf unterschiedlichen Ebenen der Mehrlagen-Leiterplatte, so dass Kriechstrecken nicht eingehalten werden müssen. Auf diese Weise wird die Koppelstruktur besonders kompakt und verbraucht wenig Fläche auf der Leiterplatte. Gleichzeitig werden auch hohe Spannungsdifferenzen von einigen Kilovolt, beispielsweise 5 kV oder gar mehr als 6 kV, wie sie zum Beispiel in photovoltaischen Wechselrichtern gefordert sind, zuverlässig voneinander getrennt.
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Die Koppelstruktur kann in der Projektion eine runde Form, beispielsweise eine Kreisform oder eine Ellipsenform, aufweisen oder auch ein Rechteck formen. Auch eine Mischform mit einer Anzahl Ecken und Rundungen ist denkbar.
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Vorzugsweise wird die zweite und/oder dritte Metallebene zwischen der ersten und vierten Metallebene angeordnet, in denen die Bezugsplatten ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist es, dass die zweite Metallebene zwischen der dritten und der ersten Metallebene angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders effektive Kopplung zwischen den Signalleitungen erreicht.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird die Breite der Leiterbahnen zwischen der Zuleitung zur Ringstruktur und der Ringstruktur selber variiert. Vorteilhafterweise ist die Breite der Leiterbahnen innerhalb der Ringstruktur größer als die Breite der Zuleitung. Die Breite der Leiterbahnen kann zusätzlich innerhalb der Ringstruktur variieren, insbesondere kann die Breite zwischen den einzelnen Ringsegmenten unterschiedlich sein, beispielsweise kann die Breite im ersten und zweiten Ringsegment größer sein als die Breite im dritten und vierten Ringsegment. Bevorzugt wird Länge und Breite der jeweiligen Segmente so eingestellt, dass innerhalb des ersten und zweiten Ringsegments übertragene Signal-Komponenten sich konstruktiv überlagern. Durch alle diese Maßnahmen kann die Übertragung der Signale im gewünschten Frequenzbereich positiv beeinflusst werden.
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Technisch besonders interessante Frequenzbereiche für die Hochfrequenz-Signale sind die Bereiche zwischen 2 und 3 GHz und zwischen 5, 5 und 6,5 GHz.
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Diese Frequenzbereiche sind für die Funkübertragung von Datensignalen zugelassen.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist die Bereitstellung einer Kommunikationsstruktur, die eine Antenne, eine Sende/Empfangseinheit und eine vorstehend beschriebene Koppelstruktur aufweist. Die Koppelstruktur ist mit der Antenne und der Sende/Empfangsstruktur derart verbunden, dass die Antenne und die Sende/Empfangseinheit galvanisch voneinander getrennt sind. Gleichzeitig ist die Übertragung von Signalen zwischen der Antenne und der Sende/Empfangsstruktur möglich.
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Diese Kommunikationsstruktur kann vorzugsweise Teile eines Wechselrichters, insbesondere eines photovoltaischen Wechselrichter, sein, und dient dann zur drahtlosen Kommunikation über Funkprotokolle wie Bluetooth, WLAN oder ZigBee.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Form von Figuren dargestellt und erläutert. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Kommunikationsstruktur,
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2 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Koppelstruktur mit Teilaufsichten auf Komponenten der Koppelstruktur,
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3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Koppelstruktur entlang einer Schnittlinie II-II‘ aus 2,
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4 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Koppelstruktur mit einer kreisförmigen Ringstruktur mit Teilansichten von Komponenten,
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5 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Koppelstruktur mit einer rechteckförmigen Ringstruktur mit Teilansichten von Komponenten,
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6 drei Detailansichten von Ausführungsformen von Leiterbahnen einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur mit Variationen von Leiterbahnbreiten und
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7 eine Ausführungsvariante einer Koppelstruktur ohne Ringstruktur.
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Die Darstellungen sind zur Illustration der Erfindung gedacht. Typ, Form und Anordnung der Elemente sind lediglich ein Beispiel zur Umsetzung des Erfindungsgedankens und nicht zur Einschränkung des Gegenstandes auf gezeigte Ausführungsformen bestimmt. Lagebezeichnungen wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ und vergleichbare Ausdrücke beziehen sich auf die Anordnungen innerhalb der Figuren und dienen zur leichteren Verständlichkeit der Beschreibung. Sie stellen somit keine erforderlichen Merkmale einer erfinderischen Vorrichtung dar, die auch andere Orientierungen der Elemente zueinander aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Gegenstand wird nur durch den Wortlaut der Ansprüche beschränkt.
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1 zeigt einen Wechselrichter 1, der insbesondere ein Solar-Wechselrichter sein kann. Der Wechselrichter 1 umfasst eine Sende/Empfangseinheit 40, die über zwei Leiter mit einer Koppelstruktur 50 verbunden ist. Ein Signalanschluss 41 der Sende/Empfangseinheit 40 ist dabei mit einem ersten Anschluss 51 der Koppelstruktur 50 verbunden, während ein Bezugspotenzialanschluss 42 mit einem zweiten Anschluss 52 der Koppelstruktur 50 und gleichzeitig mit einem Bezugspotenzial 60 verbunden ist.
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Die Koppelstruktur 50 ist weiterhin mit einer Antenne 30 verbunden, wobei ein Signalanschluss 31 der Antenne 30 mit einem dritten Anschluss 53 der Koppelstruktur und ein Bezugspotenzialanschluss 32 der Antenne 30 mit einem vierten Anschluss 54 der Koppelstruktur 50 verbunden ist. Optional kann der Bezugspotenzialanschluss 32 wie gezeigt mit dem Gehäuse 10 des Wechselrichters 1 verbunden sein. Das Gehäuse 10 ist hierbei vorzugsweise mit einem Erdpotenzial 70 verbunden. Die genannten Komponenten sind Teil einer Kommunikationsstruktur 20 des Wechselrichters 1.
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Weitere Komponenten des Wechselrichters 1, beispielsweise ein angeschlossener Solargenerator oder der Netzanschluss sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. In einem solchen Anwendungsfall unterscheidet sich das Bezugspotenzial 60 vom Erdpotenzial 70 im Betrieb des Wechselrichters 1 um eine Spannung von mehreren 100 V, beispielsweise 600–1000 V. In einem solchen Fall ist es erforderlich, dass die Koppelstruktur 50 eine galvanische Trennung bis zu einer Spannung sicherstellt, die um ein Vielfaches über der im Betrieb anliegenden Spannung liegt,. So ist es in den Sicherheitsbestimmungen beispielsweise gefordert, dass eine galvanische Trennung unter den oben beschriebenen Umständen bis zu einer Spannung von 6000 V gewährleistet ist bei gleichzeitig hinreichend geringer Dämpfung eines zu übertragenden Hochfrequenzsignals. Eine solche Anforderung ist derzeit mit einer Koppelstruktur, die lediglich durch einen Kondensator gebildet wird, nicht erreichbar. Weiterhin würde die Nutzung eines Kondensators oder mehrerer Kondensatoren erheblich Platz beanspruchen, da beispielsweise hinreichende Kriechstrecken auf der Platine zur zuverlässigen Isolation der Kondensatorelektroden erforderlich wären.
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2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Koppelstruktur 50, wie sie als Metallisierungsstruktur innerhalb einer Mehrlagen-Leiterplatte realisiert werden kann. Die Aufsicht entspricht einer Projektion auf die Ebene einer Leiterplatte wobei die gezeigten Komponenten über eine Mehrzahl von Metallebenen dieser Leiterplatte verteilt ist. In 2a ist die gesamte Anordnung mit sich in der Ansicht teilweise überlagernden Komponenten der Koppelstruktur 50 gezeigt, während 2b und 2c jeweils nur einen Teil der Komponenten zeigt, um zu illustrieren, wie die Komponenten sich überlagern. Die 2a entspricht somit einer Überlagerung der beiden Teil2b und 2c.
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Eine erste Bezugsplatte 200 erstreckt sich als Teil einer ersten Metallisierungsebene der Mehrlagen-Leiterplatte bis zu einer Grenzlinie 250. Diese Grenzlinie 250 ist ebenfalls die Begrenzung einer zweiten Bezugsplatte 210 in einer anderen Metallisierungslage der Mehrlagen-Leiterplatte, wobei sich diese allerdings auf der anderen Seite der Grenzlinie 250 erstreckt. Die beiden Bezugsplatten 200, 210 ergeben also eine komplementäre Anordnung, wobei sich die Bezugsplatten in der Aufsicht nicht überlagern, sondern die beiden Bezugsplatten 200, 210 eine sich ergänzende Abdeckung der Koppelstruktur 50 ergeben. Die Metallisierungslagen der ersten und zweiten Bezugsplatte 200, 210 bilden hierbei vorzugsweise die äußeren Metallisierungslagen der Mehrlagen-Leiterplatte.
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In 2c ist zusätzlich zur Bezugsplatte 200 eine erste Leiterbahn 220 gezeigt, die eine Zuleitung 221 und einen Koppelabschnitt 222 umfasst. Die Bezugsplatte 200 und die erste Leiterbahn 220 befinden sich in unterschiedlichen Metalllagen der Leiterplatte und bilden gemeinsam einen Wellenleiter zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals in die bzw. aus der Koppelstruktur 50. Hierzu wird die Zuleitung 221 beispielsweise über den Anschluss 51 mit dem Signalanschluss 41, sowie die Bezugsplatte 200 über den Anschluss 52 mit dem Bezugspotentialanschluss 42 der Sende/Empfangseinheit 40 der 1 verbunden. Der Koppelabschnitt 222 hat einen hakenförmigen Verlauf, so dass ein Teil des Koppelabschnittes 222 mit der Bezugsplatte 200 überlappend, aber an der Grenzlinie 250 über diese hinaus, und über zwei Ecken bis zurück an die Grenzlinie 250 verläuft.
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Analog ist in 2b ist zusätzlich zur Bezugsplatte 210 eine zweite Leiterbahn 230 gezeigt, die eine Zuleitung 231 und einen Koppelabschnitt 232 umfasst. Die Bezugsplatte 210 und die zweite Leiterbahn 230 befinden sich in weiteren, unterschiedlichen Metalllagen der Leiterplatte und bilden gemeinsam einen Wellenleiter zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals in die bzw. aus der Koppelstruktur 50. Hierzu wird die Zuleitung 231 beispielsweise über den Anschluss 53 mit dem Signalanschluss 31, sowie die Bezugsplatte 210 über den Anschluss 54 mit dem Bezugspotentialanschluss 32 der Antenne 30 der 1 verbunden. Der Verlauf des Koppelabschnittes 232 entspricht einem um 180° gedrehten Verlauf der Koppelabschnittes 222 und endet ebenfalls an der Grenzlinie.
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Wie in 2a gezeigt, sind die Koppelabschnitte 222, 232 derart lateral zueinander angeordnet, dass sie gemeinsam eine rechteckige Ringstruktur 240 bilden, die in vier Ringsegmente 241, 242, 243, 244 aufgeteilt ist. In einem ersten Ringsegment 241 und einem zweiten Ringsegment 242 überlappen sich die Koppelabschnitte 222, 232, während in einem dritten Ringsegment 243 die Ringstruktur 240 nur durch den Koppelabschnitt 232 und während in einem vierten Ringsegment 244 die Ringstruktur 240 nur durch den Koppelabschnitt 222 gebildet ist. Die dritten und vierten Ringsegmente 243, 244 sind beidseitig zwischen dem ersten Ringsegment 241 und dem zweiten Ringsegment 242 angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Leiterbahnen 220, 230 so gestaltet, dass der Verlauf der einen Leiterbahn durch Rotation um 180° um das Zentrum der Koppelstruktur 240 in den Verlauf der anderen Leiterbahn überführt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine Struktur, die vergleichbare Übertragungseigenschaften für beide Übertragungsrichtungen der Signale aufweist.
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Die erste Leiterbahn 220 besitzt in der Zuleitung 221 eine geringere Breite als in dem Koppelabschnitt 222. Hierdurch wird ein Sprung des Wellenwiderstandes des durch die erste Leiterbahnen 220 und die Bezugsplatte 200 gebildeten Wellenleiters beim Übergang von Zuleitung 221 in den Koppelabschnitt 222 erreicht. Ein weiterer Sprung des Wellenwiderstandes entlang des Verlaufes des Wellenleiters tritt auf, wenn die Zuleitung 221 über die Grenzlinie 250 verläuft, weil dort die Bezugsplatte 200 endet. Entsprechende Sprünge des Wellenwiderstandes treten ebenfalls in dem durch die zweite Leiterbahn 230 und die entsprechende Bezugsplatte 210 gebildeten Wellenleiter auf. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, die oben beschriebenen Sprünge in den Wellenwiderständen auch durch eine Zunahme der Breite an den Abschnittsgrenzen statt einer Abnahme zu erreichen. Die Wahl der optimalen Breite der jeweiligen Abschnitte hängt unter anderem von den Eigenschaften und Dimensionen des Leiterplattensubstrates ab.
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Durch die Sprünge im Wellenwiderstand, deren Orte jeweils an den Übergängen zwischen den Ringsegmenten liegen, wird erreicht, dass Schwingungsmoden des Hochfrequenzsignals an diesen Stellen in andere Schwingungsmoden umgesetzt werden, wodurch das Signal zumindest teilweise von dem einen Wellenleiter auf den anderen Wellenleiter übertragen wird. Um die Phasenlage der an den jeweiligen Sprungstellen des Wellenwiderstandes konvertierten Schwingungsmoden relativ zueinander derart einzustellen, dass sich diese konstruktiv überlagern, können die Dimensionen der Ringstruktur entsprechend gewählt werden. Hierdurch können die Reflexion und Transmission der Koppelstruktur bei der Nutzfrequenz der Kommunikationsstruktur (beispielsweise 2,4–2,5 GHz) optimiert werden. Diese Eigenschaften können durch die folgenden Parameter eingestellt werden, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist:
- – Dicke und Material der Metalllagen
- – Abstand der Metalllagen und Art des Dielektrikums zwischen den Lagen
- – Breite und Länge der Leiterbahnen 200, 210 in den jeweiligen Ringsegmenten
- – Länge der Überlappung 260, mit der eine Leiterbahn 200, 210 über die Grenzlinie 250 hinausragt, hier entsprechend der halben Länge der Ringstruktur 240, sowie Breite 270 der Ringstruktur 240.
Für die Breite 270 ist eine Ausdehnung von etwa einem Zehntel der Wellenlänge λ der Nutzfrequenz vorteilhaft, für die Überlappungslängen 260 etwa eine Länge von λ/13,5.
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Ein Beispiel von Parametern, mit denen eine Koppelstruktur für eine Nutzfrequenz von 2,4–2,5 GHz realisiert werden kann, ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
| Dicke und Material der Metallagen | 35 µm Kupfer |
| Abstände der Metallagen | Bezugsplatte 200–Leiterbahn 220: 260 µm
Leiterbahn 220–Leiterbahn 230: 1000 µm
Leiterbahn 230–Bezugsplatte 210: 260 µm |
| Art des Dielektrikums | Material und Dielektrizitätskonstante |
| Breite der Leiterbahnen | 1,085 mm im Koppelabschnitt 222, 232
0,325 mm in Zuleitung 221, 231 |
| Breite 270 der Ringstruktur 240 | 5,91mm |
| Überlappungslänge 260 | 4,62 mm |
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Um die Anordnung der einzelnen Komponenten der Koppelstruktur 50 besser zu veranschaulichen, ist in 3 ein Querschnitt der Koppelstruktur aus 2a entlang der dort verzeichneten Querschnittslinie II-II‘ gezeigt. In einer oberen Metalllage befindet sich die die Bezugsplatte 200, in einer unteren Metalllage die Bezugsplatte 210. Diese Metalllagen können die beiden äußersten Metalllagen einer Mehrlagen-Leiterplatte 300 sein und sich an deren Oberflächen befinden. Es können sich aber auch weitere Metalllagen über bzw. unter den Bezugsplatten 200, 210 befinden. Die Metalllage kann, wie auch die weiteren, im Folgenden bezeichneten Metalllagen, Kupfer oder auch jedes bei Leiterplatten verwendete Metall bzw. jede Metalllegierung aufweisen.
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Zwischen den Metalllagen der Bezugsplatten 200, 210 sind zwei weitere Metalllagen angeordnet, wobei eine der unteren Bezugsplatte 210 zugewandte und von dieser durch eine Schicht eines isolierenden Materials der Leiterplatte 300 elektrisch getrennten Metalllage die zweite Leiterbahn 230 aufweist. Zusammen mit der Bezugsplatte 210 bildet die zweite Leiterbahn 230 einen Wellenleiter. Die zweite Leiterbahn reicht in dem Querschnitt II-II‘ über die Bezugsplatte 210, die an der Grenzlinie 250 endet, um eine Überlappungslänge 260 hinaus und bildet dort einen Teil des dritten Ringsegmentes 243. Grundsätzlich kann auch, anders als in der 3 gezeigt, die zweite Leiterbahn 230 in ihrer gesamten Länge oder nur abschnittsweise in einer Ebene verlaufen, deren Abstand zur Ebene der Bezugsplatte 200 geringer ist als der Abstand zur Ebene der Bezugsplatte 210. Entsprechend kann die zweite Leiterbahn 220 in ihrer gesamten Länge oder nur abschnittsweise in einer Ebene verlaufen, deren Abstand zur Ebene der Bezugsplatte 210 geringer ist als der Abstand zur Ebene der Bezugsplatte 200.
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Die erste Leiterbahn 220 aus 2a bzw. 2c ist in dem Querschnitt II-II‘ lediglich als Koppelabschnitt 222 enthalten, der sich ausgehend von der Grenzlinie 250, an dem die Bezugsplatte 200 endet, um eine weitere Überlappungslänge 260 in den angrenzenden Bereich erstreckt. Dies bestimmt die Ausdehnung des ersten Ringsegmentes 241, in dem die Koppelabschnitte 222 und 232 der beiden Leiterbahnen 220, 230 parallel zueinander, elektrisch getrennt durch eine weitere Schicht des isolierenden Materials der Leiterplatte 300, verlaufen. Die Dicke dieser weiteren Schicht ist so gewählt, dass die gewünschte Spannungsfestigkeit der galvanischen Trennung innerhalb der Koppelstruktur 50 gewährleistet ist. Der weitere, im Querschnitt II-II‘ nicht gezeigte Verlauf der ersten Leiterbahn 220, ergibt sich durch Bezug auf die 2a und 2c.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur 50, wobei lediglich der Verlauf der ersten Leiterbahn 220 und der zweiten Leiterbahn 230 gezeigt ist. Die Koppelstruktur 50 umfasst eine kreisförmige Ringstruktur 240, wobei wieder die Ringsegmente 241 und 243 durch parallel verlaufende Teile beider Leiterbahnen 220, 230 gebildet werden. Das Ringsegment 243 wird nur durch die zweite Leiterbahn 230, das Ringsegment 244 nur durch die erste Leiterbahn 220 gebildet. Auch hier können die Koppeleigenschaften der Koppelstruktur unter anderem durch die Wahl der Länge der einzelnen Ringsegmente 241, 242, 243, 244 auf die Nutzfrequenz abgestimmt werden. Andere runde Formen der Ringstruktur 240, beispielsweise Ellipsenform, oder auch beliebig gewellte oder mit Ecken versehene Verläufe der Leiterbahnen 220, 230 sind ebenfalls denkbar, wobei Verläufe, in denen sich der Verlauf der ersten Leiterbahn 220 in den Verlauf der zweiten Leiterbahn 230 durch Rotation um 180° um einen Punkt auf der Grenzlinie 250 überführen lässt, bevorzugt sind.
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Zur Illustration der Verläufe der Leiterbahnen 220 und 230 sind in zwei Teilbildern der 4 jeweils nur die Leiterbahn 230 (4b) bzw. die Leiterbahn 220 (4c) gezeigt. Übereinandergelegt ergeben sie gemeinsam die Struktur der 4a.
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5a zeigt einen zeigt eine erfindungsgemäße Koppelstruktur 50, die sich von der in 2 gezeigten Koppelstruktur dadurch unterscheidet, dass die Ankopplung der Leiterbahn 220 an die Ringstruktur 240 zwischen dem ersten Ringsegment 241 und dem dritten Ringsegment 243 erfolgt. Entsprechend ist die Leiterbahn 230 ebenso auf der gegenüberliegenden Seite an die Ringstruktur 240 angekoppelt. Es ergeben sich demnach für die beiden Leiterbahnen 220 und 230 jeweils die in den Teilbildern der 5b und 5c gezeigten Verläufe.
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In 6 sind spezielle Ausführungsformen für die Ausgestaltung des Bereiches einer Leiterbahn dargestellt. Es ist hier jeweils nur eine der beiden Leiterbahnen gezeigt, die andere Leiterbahn kann gemäß einer der gezeigten Ausführungsformen sinngemäß ergänzt werden, um die gesamte Ringstruktur 240 zu bilden. Zu bevorzugen ist hierbei, die beiden Leiterbahnen, wie bereits oben erwähnt, in gleicher Form auszugestalten, so dass die Koppelstruktur 50 rotationssymmetrische Leiterbahnen 220, 230 aufweist.
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Anstelle eines abrupten Endes ist in 6a eine graduelle Abnahme der Leiterbahnbreite, insbesondere eine stufenförmige Reduktion der Breite gezeigt. Ebenso ist es denkbar, dass die Leiterbahnbreite am Ende der Leiterbahn kontinuierlich abnimmt. Der Bereich, über den die Leiterbahnbreite abnimmt, kann sich über ein komplettes Ringsegment erstrecken, oder nur einen Teil des Segments umfassen.
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In 6b ist eine sogenannte „Hammerhead“-Abschlußstruktur der Leiterbahn gezeigt. Am Ende der Leiterbahn entsteht hier ein Bereich, in dem die Breite der Leiterbahn zunimmt.
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In 6c ist eine weitere spezielle Ausführungsform gezeigt, in der jedes Ringsegment 241, 242, 243, 244 der Ringstruktur 240 eine eigene Leiterbahnbreite aufweist. Durch Wahl der Leiterbahnbreite in jedem der Ringsegmente kann die Übertragungseigenschaft der Ringstruktur 240 auf die speziellen Erfordernisse der Anwendung angepasst werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, die Leiterbahnbreite des ersten Ringsegments 241 und des dritten Ringsegments 243 für beide sich in diesem Ringsegmenten überlappenden Leiterbahnen unterschiedlich zu wählen, um eine gewünschte Koppelcharakteristik zu erreichen. Ebenso ist es denkbar, zu diesem Zweck die Breite der Leiterbahn im ersten Ringsegment 241 und die Breite der Leiterbahn im dritten Ringsegment 243 der gleichen Leiterbahn unterschiedlich voneinander zu wählen.
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Weiterhin denkbar, aber nicht gezeigt, ist die Möglichkeit, in den Übergangsbereichen zwischen den Ringsegmenten Variationen der Leiterbahnbreite in den beteiligten Leiterbahnen vorzusehen, um auf diese Weise für die spezifische Anwendung optimierte Übertragungseigenschaften der Hochfrequenzsignale zu erzielen.
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Eine weitere Ausführungsform einer Koppelstruktur 50 ohne Ringstruktur ist in 7 dargestellt. 7a zeigt eine Draufsicht auf die Koppelstruktur 50, während 7b einen Querschnitt der Koppelstruktur 50 entlang der Linie III-III‘ zeigt. Hier bilden die Bezugsplatten 200, 210 ebenfalls eine komplementäre Anordnung im Bereich der Koppelstruktur 50. Die erste Leiterbahn 220 verläuft parallel zur Bezugsplatte 200 und reicht um eine Überlappungslänge 260 über die Grenzlinie 250 zwischen den Bezugsplatten 200, 210 hinaus. Entsprechend verläuft die zweite Leiterbahn 230 parallel zur Bezugsplatte 210 und reicht um eine Überlappungslänge 260 über die Grenzlinie 250 zwischen den Bezugsplatten 200, 210 hinaus. Im Bereich der beidseitigen Überlappungslänge 260 verlaufen beide Leiterbahnen parallel zueinander und überlappen sich dort, wodurch sie Koppelabschnitte 222, 232 bilden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern können auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen, und um weitere vorbekannte Verfahrensweisen oder Komponenten zu ergänzen, mit dem Ziel, kostengünstig und zuverlässig eine Signalübertragung innerhalb des Wechselrichters bei gleichzeitiger galvanisch Trennung der Signalpotenziale und Bezugspotenziale zur Verfügung zu stellen, und so zu einem Wechselrichter mit hoher Betriebssicherheit bei geringen Kosten zu gelangen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichter
- 10
- Gehäuse
- 20
- Kommunikationsstruktur
- 30
- Antenne
- 31
- Signalanschluss
- 32
- Bezugspotentialanschluss
- 40
- Sende/Empfangseinheit
- 41
- Signalanschluss
- 42
- Bezugspotentialanschluss
- 50
- Koppelstruktur
- 51–54
- Anschluss
- 60
- Bezugspotential
- 70
- Erdpotenzial
- 200, 210
- Bezugsplatte
- 220,230
- Leiterbahnen
- 221, 231
- Zuleitung
- 222, 232
- Koppelabschnitt
- 240
- Ringstruktur
- 241, 242, 243, 244
- Ringsegment
- 250
- Grenzlinie
- 260
- Überlappungslänge
- 270
- Breite der Ringstruktur
- 300
- Leiterplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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