DE102013001667A1

DE102013001667A1 - Device for performing broad-band signal transfer between e.g. crane, along given trajectories, has dielectric, where plastic resin or electrically conductive material is introduced as potential or reference surface material in dielectric

Info

Publication number: DE102013001667A1
Application number: DE201310001667
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-07-31

Abstract

The device has a transmitter for generating a set of electric signals, and a conductor arrangement or a conductor (2) for guiding of the set of electric signals of the transmitter along a low radiation movement track to the outside. A receiver is arranged for coupling-out electrical signals from the conductor arrangement in a near-field. A dielectric of high homogeneity and high symmetry is provided, and a plastic resin or an electrically conductive material is introduced as a potential or reference surface material (4) in the dielectric.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.The invention relates to a device for transmitting electrical signals or energy between a plurality of mutually movable units.

Der Übersichtlichkeit halber wird in diesem Dokument nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Erfindung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen hier dieselben sind.For the sake of clarity, no distinction is made in this document between the transmission between mutually movable units and a stationary and movable unit, since this is only a question of location reference and has no influence on the operation of the invention. Likewise, no distinction is made between the transmission of signals and energy, since the mechanisms of action are the same here.

Stand der TechnikState of the art

Bei linear beweglichen Einheiten wie Kran- und Förderanlagen und auch bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen ist es notwendig, zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen.In the case of linearly movable units such as crane and conveyor systems and also with rotatable units such as radar systems or computer tomographs, it is necessary to transmit electrical signals or energy between mutually movable units.

Eine hierfür geeignete Vorrichtung ist in DE 44 12 958 beschrieben. Das zu übertragende Signal wird hier in eine Streifenleitung der ersten Einheit, welche längs des Weges der Bewegung der gegeneinander beweglichen Einheiten angeordnet ist, eingespeist. Mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung wird das Signal von der zweiten Einheit abgegriffen. Eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung, wie sie beispielsweise in der WO 98/29919 beschrieben ist, basiert auf einer speziellen Leiterstruktur, welche gleichzeitig Filtereigenschaften besitzt. Mit derartigen Strukturen lassen sich Übertragungssysteme gut realisieren.A suitable device is in DE 44 12 958 described. The signal to be transmitted is fed here into a strip line of the first unit, which is arranged along the path of movement of the mutually movable units. By means of capacitive or inductive coupling, the signal is tapped from the second unit. An improved device for transmission, as used for example in the WO 98/29919 is based on a special conductor structure, which has the same filter properties. With such structures, transmission systems can be implemented well.

In den folgenden Ausführungen bezieht sich der Begriff Leiterstrukturen auf alle denkbaren Formen von Leiterstrukturen, welche geeignet sind, elektrische Signale zu führen. Die Signale werden im Nahfeld der Leiterstruktur ausgekoppelt, wobei die Signalauskopplung im Idealfall ausschließlich im Bereich der zweiten Einheit erfolgen soll. Eine weitere Signalaussendung in anderen Bereichen der Leiterstruktur ist unerwünscht, da die breitbandigen Signale zu Störungen in anderen Geräten oder Geräteteilen führen können.In the following embodiments, the term ladder structures refers to all conceivable forms of conductor structures which are suitable for carrying electrical signals. The signals are decoupled in the near field of the conductor structure, wherein the signal decoupling ideally should take place exclusively in the region of the second unit. Further signal transmission in other areas of the conductor structure is undesirable, since the broadband signals can lead to disturbances in other devices or device parts.

Die Konstruktions- und Dimensionierungsprinzipien von Leckleitungen, wie beispielsweise in der US 5,936,203 beschrieben, sind für diese Art von Leiterstrukturen nicht anwendbar, da Leckleitungen gerade dafür ausgelegt sind, über die gesamte Länge einen bestimmten Anteil der geführten Hochfrequenzenergie nach außen abzustrahlen. Genau das soll hier aber vermieden werden.The design and sizing principles of leakage lines, such as in the US 5,936,203 are not applicable to this type of conductor structures, since leakage lines are designed to radiate outwardly over the entire length a certain portion of the guided RF energy. But this is exactly what should be avoided here.

Die zur Übertragung verwendeten Leiteranordnungen sind üblicherweise, wie oben bereits erwähnt, als Streifenleitungen bzw. Leiterstrukturen, basierend auf doppelseitigen Leiterplatten, aufgebaut. Als Träger und Dielektrikum dient in der Regel ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Dieser Träger ist meist auf einer Seite mit einer durchgehenden Leiterfläche als elektrische Bezugsfläche und auf der anderen Seite mit einem streifenförmigen Leiter bzw. der Leiterstruktur versehen.The conductor arrangements used for transmission are usually, as mentioned above, constructed as strip lines or conductor structures based on double-sided printed circuit boards. As a carrier and dielectric is usually a glass fiber reinforced plastic. This carrier is usually provided on one side with a continuous conductor surface as electrical reference surface and on the other side with a strip-shaped conductor or the conductor structure.

Zu den schwierigsten technischen Probleme bei derartigen Übertragungssystemen zählt das Erreichen einer hohen Störfestigkeit sowie einer niedrigen Abstrahlung.Among the most difficult technical problems with such transmission systems is the achievement of high immunity to interference and low radiation.

Um eine besonders störsichere Signalübertragung bei gleichzeitig niedriger Abstrahlung zu erreichen, werden differenzielle Übertragungssysteme eingesetzt, welche aus zwei parallelen Leiterstrukturen bestehen, in die ein Differenzsignal eingespeist wird. Wichtig ist hierbei die notwendige hohe Symmetrie der Anordnung. Dieser hohen Symmetrie wirken neben mechanischen Toleranzen vor allem Inhomogenitäten im Material sprich im Dielektrikum entgegen.In order to achieve a particularly interference-proof signal transmission with simultaneously low radiation, differential transmission systems are used, which consist of two parallel conductor structures, in which a differential signal is fed. Important here is the necessary high symmetry of the arrangement. In addition to mechanical tolerances, this high symmetry is counteracted above all by inhomogeneities in the material, ie in the dielectric.

Eine Lösung, die diese Probleme vermeidet, ist in der US-Patentschrift 5,287,117 angegeben. Hierin wird die Leiteranordnung durch mehrere kleine Antennensegmente ersetzt. Diese können auf Leiterplatten kleiner Fläche mit hochwertigen Materialien hergestellt werden. Allerdings ergibt sich auch hier durch die hohe Anzahl von Antennensegmenten ein hoher Materialeinsatz und insbesondere ein hoher Montageaufwand, was zu hohen Fertigungskosten führt.One solution that avoids these problems is in the U.S. Patent 5,287,117 specified. Herein, the conductor assembly is replaced by a plurality of small antenna segments. These can be manufactured on PCBs of small area with high quality materials. However, here too, the high number of antenna segments results in a high use of material and in particular a high assembly outlay, which leads to high production costs.

In der US 2002/000936 A1 ist eine breitbandige Mikrostreifenleitungsantenne offenbart, welche einen Aufbau eines beschichteten Dielektrikums aufweist, wobei eine dieser Schichten Luft umfasst.In the US 2002/000936 A1 discloses a broadband microstrip line antenna having a structure of a coated dielectric, wherein one of these layers comprises air.

In der US 5,463,404 ist eine Mikrostreifenantenne angegeben, welche Materialien mit einer Toleranz der Dielektrizitätskonstanten von ungefähr 5% aufweisen.In the US 5,463,404 there is provided a microstrip antenna having materials with a dielectric constant tolerance of about 5%.

Die EP 1476956 beschreibt Leiteranordnungen, welche mindestens ein Dielektrikum mit Holstrukturen verwendet, wobei die Hohlstrukturen mit Luft oder einem technischen Gas gefüllt sind. Nachteilig ist hier, neben dem hohen Aufwand für die Erzeugung und Füllung der Hohlstrukturen und den damit verbundenen hohen Kosten, vor allem die auftretenden Schwankungen in der Homogenität, da die Hohlraumzwischenwände und die Luft bzw. technischen Gase nicht die gleiche Dielektrizitätszahl aufweisen.The EP 1476956 describes conductor arrangements which use at least one dielectric with Holstrukturen, wherein the hollow structures are filled with air or a technical gas. The disadvantage here, in addition to the high cost of generating and filling the hollow structures and the associated high costs, especially the occurring fluctuations in the homogeneity, since the Cavity partition walls and the air or technical gases do not have the same dielectric constant.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es stellt sich die Aufgabe, eine breitbandige und kostengünstige Vorrichtung zur Signalübertragung darzustellen, welche eine Leiteranordnung mit Leitern bzw. Leiterstrukturen aufweist, die auch bei hohen Frequenzen eine hohe Symmetrie des Signals sowie niedrige Dämpfungswerte, durch vor allem eine konstante Dielektrizitätszahl, erreicht.It has as its object to represent a broadband and cost-effective device for signal transmission, which has a conductor arrangement with conductors or conductor structures, which achieves high signal symmetry and low attenuation values, above all a constant dielectric constant, even at high frequencies.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung in der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.The object is achieved according to the invention with the means specified in the independent claims. Advantageous development in the invention are the subject of the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Signalübertragung umfasst mindestens einen Sender, der die zu übertragenden elektrischen Signale erzeugt und in eine Leiteranordnung einspeist. Mindestens eine solche Leiteranordnung ist entlang der Bahn der Bewegung angeordnet und führt die vom Sender eingespeisten Signale. Mindestens ein Empfänger, welcher gegenüber Sender und Leiteranordnung beweglich ist, dient zur Auskopplung der Signale aus der Leiteranordnung. Entsprechend dem Anwendungsfall kann auch ein Sender mehrere Leiteranordnungen speisen. Ebenso kann eine Leiteranordnung von mehreren Sender gespeist werden. Weiterhin ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Empfängern zur Auskopplung von Signalen an einer Leiteranordnung einzusetzen. Eine Leiteranordnung umfasst mindestens eine Leiterstruktur, in der elektrische Signale geführt werden können. Eine solche Leiterstruktur enthält einen oder mehrere Leiter aus einem vorzugsweise gut leitenden Material.An inventive device for signal transmission comprises at least one transmitter which generates the electrical signals to be transmitted and feeds them into a conductor arrangement. At least one such conductor arrangement is arranged along the path of the movement and carries the signals fed by the transmitter. At least one receiver, which is movable relative to the transmitter and the conductor arrangement, serves to decouple the signals from the conductor arrangement. Depending on the application, a transmitter can also feed several conductor arrangements. Likewise, a conductor arrangement can be fed by several transmitters. Furthermore, it is possible to use any number of receivers for coupling signals to a conductor arrangement. A conductor arrangement comprises at least one conductor structure in which electrical signals can be guided. Such a conductor structure includes one or more conductors of a preferably highly conductive material.

Weiterhin umfasst eine Leiteranordnung mindestens einen Träger, wie zum Beispiel einen Schleifring, auf dem mindestens eine elektrisch leitende Struktur angebracht ist, wobei der Träger neben der Funktion als Träger auch gleichzeitig als Isolator und Dielektrikum dient.Furthermore, a conductor arrangement comprises at least one carrier, such as a slip ring, on which at least one electrically conductive structure is mounted, wherein the carrier also serves as an insulator and dielectric in addition to the function as a carrier.

Ein solches Dielektrikum muss für die Übertragung hoher Datenraten bei geringer elektromagnetischer Abstrahlung und hoher Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Strahlungen eine sehr hohe Homogenität aufweisen.Such a dielectric must have a very high homogeneity for the transmission of high data rates with low electromagnetic radiation and high immunity to electromagnetic radiation.

Eine hohe Homogenität bedeutet hier, dass die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Dielektrizitätskonstante sowie die dielektrischen Verluste nur extrem geringen Schwankungen unterliegen, d. h. deutlich unter 5% vorzugsweise sogar deutlich unter 1% liegen. Werden besonders hohe Anforderungen gestellt, so sind auch Toleranzen von 0.1% gefordert.A high degree of homogeneity here means that the electrical properties, in particular the dielectric constant and the dielectric losses are subject to only extremely small fluctuations, ie. H. well below 5%, preferably even well below 1%. If particularly high demands are made, then tolerances of 0.1% are required.

Eine hohe Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur verhindert, dass die Signale bei symmetrischen Leitern oder bei unsymmetrischen Leitersystem mit mehreren Leitern auf Grund unterschiedlicher Laufzeiten bzw. Dämpfungen unsymmetrisch werden.A high symmetry with respect to the electrical center of the longitudinal axis of the conductor structure prevents the signals in symmetrical conductors or in asymmetrical conductor system with multiple conductors due to different maturities or attenuations are asymmetrical.

Idealerweise wird ein Dielektrikum hoher Homogenität und hoher Symmetrie eingesetzt. Damit lassen sich erfahrungsgemäß die besten Ergebnisse bei einem vertretbaren Aufwand erzeugen.Ideally, a dielectric of high homogeneity and high symmetry is used. Experience has shown that the best results can be produced at a reasonable cost.

Erfindungsgemäß wird diese hohe Homogenität und Symmetrie dadurch erreicht, das als Trägermaterial bzw. Dielektrikum eine Kunststoff oder Harz verwendet wird. Der Kunststoff bzw. das Harz wird, mit oder ohne Füllstoffe, gegossen. Das Gießen erfolgt in der Regel unter Vakuum oder als Schleuderguss.According to the invention, this high homogeneity and symmetry is achieved by using a plastic or resin as the carrier material or dielectric. The plastic or resin is poured, with or without fillers. The casting is usually carried out under vacuum or as centrifugal casting.

Die Leiterstruktur ist meist nach einer Seite hin zum freien Raum offen. Von dieser Seite aus erfolgt die Ankopplung der Empfänger.The ladder structure is usually open to one side to the free space. From this side, the coupling of the receiver takes place.

Die Leiterstruktur wird in mehreren Schritten erzeugt. Zunächst wird in einem Träger zum Beispiel einem Schleifring während oder vor dem Gießprozess ein elektrisch leitendes Material eingebracht. Diese Material dient als Potentialfläche bzw. Bezugsfläche für die Leiteranordnung. Das Material befindet sich nach dem Guss an einer festen und stabilen Position im Träger.The ladder structure is created in several steps. First, an electrically conductive material is introduced in a carrier, for example, a slip ring during or before the casting process. This material serves as a potential surface or reference surface for the conductor arrangement. The material is in a solid and stable position in the carrier after casting.

Anschließend wird auf der Trägeroberfläche die Leiterstruktur aufgebracht. Die Leiterstruktur kann auf die Oberfläche geklebt oder anderweitig, wie zum Beispiel durch Formschluss fixiert werden. Zur leichteren Anbringung der Leiterstruktur kann die Oberfläche entweder bereits beim Gießen durch eine entsprechende Form oder nachträglich durch mechanische oder chemische Bearbeitung strukturiert werden, um ein leichteres Anbringen der Leiterstruktur zu ermöglichen.Subsequently, the conductor structure is applied to the carrier surface. The conductor structure can be glued to the surface or otherwise fixed, such as by positive engagement. For easier attachment of the conductor structure, the surface can be structured either already during casting by a corresponding shape or subsequently by mechanical or chemical processing to allow easier attachment of the conductor structure.

Die Leiterstruktur sollte von möglichst symmetrischen Flächen mit leitender Oberfläche begrenzt werden. Damit lässt sich einerseits eine definierte Impedanz des Leitersystem erreichen und andererseits eine definiert symmetrische Begrenzung realisieren.The conductor structure should be limited by symmetrical surfaces with a conductive surface. On the one hand, this makes it possible to achieve a defined impedance of the conductor system and, on the other hand, to realize a defined symmetrical limitation.

Würde keine definierte Bezugsfläche vorhanden sein, so wäre mindestens ein Teil des Gerätes, in dem die Leiterstruktur angebracht ist, als elektrischer Bezug wirksam, wodurch die geforderte Symmetrie nicht erreicht werden würde.If no defined reference surface were present, then at least a part of the device in which the conductor structure is mounted would be effective as an electrical reference, whereby the required symmetry would not be achieved.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Potentialfläche bzw. Bezugsfläche aus leitfähigem Material bzw. Material mit hoher Leitfähigkeit und unvollständiger Flächenüberdeckung, wie beispielsweise bei einer Gitterstruktur, ausgestaltet ist. Derartige Schichten wirken als Aquipotentialflächen und helfen Asymmetrien im Dielektrikum auszugleichen. A further advantageous embodiment of the invention is that the potential surface or reference surface of conductive material or material with high conductivity and incomplete surface coverage, such as in a lattice structure, is configured. Such layers act as aquipotential surfaces and help balance asymmetries in the dielectric.

Je nach Ausführung sind mindestens eine dieser Schicht(en) elektrisch isoliert eingebracht oder auch an den Enden der Leiterstruktur reflexionsfrei abgeschlossen. Durch Einbringen mehrerer Schichten unvollständiger Flächenüberdeckung, welche zueinander versetzt sind, ist eine vollständige Flächenüberdeckung möglich. Dies hat jedoch den Vorteil, dass sich der Kunststoff oder das Harz beim Gießprozess besser verteilen kann.Depending on the design, at least one of these layers (s) is introduced in an electrically insulated manner or also terminated without reflection at the ends of the conductor structure. By introducing multiple layers of incomplete surface coverage, which are offset from each other, a complete surface coverage is possible. However, this has the advantage that the plastic or the resin can be better distributed during the casting process.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Schicht(en) aus leitfähigem Material direkt im Trägermaterial, sprich dem Dielektrikum integriert werden. Beispielsweise könnte ein Metallgitter direkt bei der Herstellung eingebracht und eingegossen werden.It should again be noted that in a particularly advantageous embodiment, the layer (s) of conductive material directly in the carrier material, that is to be integrated with the dielectric. For example, a metal grid could be incorporated and cast directly during manufacture.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leiterstruktur ein symmetrisches Leitersystem. Derartige symmetrische Leitersysteme können besonders Abstrahlungsarm realisiert werden, insbesondere im Betrieb in Kombination mit symmetrischen elektrischen Signalen. In diesem Fall heben sich die elektrischen Felder und die magnetischen Felder der Leiter im Fernfeld gegenseitig auf.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the conductor structure comprises a symmetrical conductor system. Such symmetrical conductor systems can be realized particularly low emission, especially in operation in combination with symmetrical electrical signals. In this case, the electric fields and the magnetic fields of the conductors cancel each other out in the far field.

Beschreibung der Zeichnungen:Description of the drawings:

1: Querschnitt durch ein Trägermaterial mit Strukturen zur Aufnahme der Leiter und einem leitendem Material als Bezugsfläche. 1 : Cross section through a carrier material with structures for receiving the conductors and a conductive material as a reference surface.

2: Querschnitt durch ein Trägermaterial mit Strukturen zur Aufnahme der Leiter und einem leitendem Material als Bezugsfläche. Die Leiterstruktur ist von symmetrisch angeordneten Flächen mit leitender Oberfläche begrenzt. 2 : Cross section through a carrier material with structures for receiving the conductors and a conductive material as a reference surface. The conductor structure is limited by symmetrically arranged surfaces with a conductive surface.

3: Querschnitt durch ein Trägermaterial mit Strukturen zur Aufnahme der Leiter und mehreren strukturierten leitenden Materialien als Bezugsfläche. 3 : Cross section through a carrier material with structures for receiving the conductors and a plurality of structured conductive materials as a reference surface.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Träger aus Kunststoff, Harz oder einem anderen DielektrikumSupport made of plastic, resin or another dielectric
22: Leiterladder
33: Kleber für LeiterGlue for ladder
44: Material für BezugsflächeMaterial for reference surface
4a4a: Material strukturiert für BezugsflächeMaterial structured for reference surface
4b4b: Material strukturiert für BezugsflächeMaterial structured for reference surface
55: Struktur im Trägermaterial zur Aufnahme der LeiterStructure in the carrier material for holding the ladder
66: Symmetrisch angeordnete leitende OberflächenSymmetrically arranged conductive surfaces

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4412958 [0004]
WO 98/29919 [0004]
US 5936203 [0006]
US 5287117 [0010]
US 2002/000936 A1 [0011]
US 5463404 [0012]
EP 1476956 [0013]

Claims

Device for broadband signal transmission between units along predetermined pathways comprising at least one transmitter for generating electrical signals at least one conductor arrangement for guiding at least one of the electrical signals of at least one transmitter along the path of the low-radiation outward movement, at least one receiver for coupling out electrical signals at least one conductor arrangement in the near field of the conductor arrangement, wherein at least one conductor arrangement comprises at least one conductor structure for conducting electrical signals, the conductor structure comprising a symmetrical conductor system and at least one of each conductor pattern associated electrically conductive reference surface and at least one dielectric of high homogeneity between the conductor structure and the reference surface characterized in that at least one dielectric of high homogeneity and high symmetry is provided, which is preferably made of plastic it is resin and wherein in this plastic or resin at least one electrically conductive material is introduced as potential or reference surface.

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one layer of conductive material or conductive material with incomplete surface coverage, such as a grid structure, is provided in the carrier material.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one layer of a mechanically rigid insulating material is provided in the carrier material.