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Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleitung, ein Leitungskabel und eine Messvorrichtung.
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Messvorrichtungen mit Sensoren werden oft in Bereichen mit hoher Feldstärke wie beispielsweise in der Nähe von hochspannungsführenden Leitungen eingesetzt. Die Sensoren solcher Messvorrichtungen erfordern häufig eine Spannungsversorgung und eine Datenübertragungsleitung. Wird zur Spannungsversorgung und zur Datenübertragung eine konventionelle Kupferleitung verwendet, so müssen die Sensoren einen großen Abstand zu den spannungsführenden Leitungen oder aber eine aufwendige Isolation aufweisen. Oft ist dies jedoch nicht realisierbar, da die Sensoren aus messtechnischen Gründen nahe den spannungsführenden Leitungen angeordnet sein müssen. Bei unzureichender oder fehlerhafter Isolation kann es jedoch zum Spannungsüberschlag kommen. Bei Leitungen, welche sehr hohe Spannungen führen, beispielsweise Hochspannungsmasten zur Stromübertragung, ist eine hinreichend hohe Isolation der Sensoren oft nicht möglich.
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Es ist bekannt, anstelle von Kupferkabeln zur Energieversorgung der Sensoren oder zur Datenübertragung von/oder zu den Sensoren optische Übertragungswege zu nutzen. Beispielsweise können Lichtwellenleiter verwendet werden oder aber optische Signale werden direkt, d.h. leiterlos, übertragen. Eine Datenübertragung auf diese Weise ist grundsätzlich leicht realisierbar. Eine Energieversorgung der Sensoren jedoch optisch nur bis zu einer bestimmten Leistung (typischerweise im 10-mW-Bereich) möglich, da Laser mit sehr hoher optischer Leistung sehr kostenintensiv sind und die Empfänger bei sehr hohen Leistungen sehr aufwendig zu realisieren sind. Ferner bewegt sich der Wirkungskreis solcher Empfänger im 20% Bereich (etwa bei Solarzellen).
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Es ist ferner bekannt, dielektrischen Wellenleiter zu nutzen. Dielektrische Wellenleiter weisen jedoch den Nachteil auf, dass sehr hohe Frequenzen verwendet werden müssen, um eine genügend gute Führung der zu übertragenden Felder auf dem Leiter bei einem nicht zu großen Durchmesser des Wellenleiters zu gewährleisten.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Hochfrequenzleitung, ein Leitungskabel und eine Messvorrichtung anzugeben, die vor dem Hintergrund des vorgenannten Standes der Technik verbessert sind. Insbesondere soll mittels der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung eine Energie- und/oder Datenübertragung auch im Bereich hoher Feldstärken möglich sein. Auch das erfindungsgemäße Leitungskabel sowie die erfindungsgemäße Messvorrichtung sollen in der unmittelbaren Nähe von hochspannungsführenden Leitungen einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird mit einer Hochfrequenzleitung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Leitungskabel mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen und mit einer Messvorrichtung mit den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung weist einen Längsverlauf auf. Erfindungsgemäß weist die Hochfrequenzleitung eine Abfolge mehrerer, voneinander galvanisch getrennter und sich je entlang lediglich eines echten Teilabschnitts des Längsverlaufs erstreckender Leiterelemente mit je einem flächigen Bereich auf, wobei an jeder Stelle des Längsverlaufs zumindest einer der flächigen Bereiche angeordnet ist.
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Ein „echter Teilabschnitt“ im Sinne dieser Erfindung bedeutet, der Teilabschnitt erstreckt sich lediglich entlang eines Teils des Längsverlaufs.
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Die an jeder Stelle des Längsverlaufs angeordneten flächigen Bereiche können bei der Speisung der Leitung mit einem Hochfrequenzsignal kapazitiv miteinander koppeln. Somit ermöglichen die flächigen Bereiche eine Hochfrequenzsignalleitung. Die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung weist ein Hochpassverhalten auf, sodass gerade Hochfrequenzsignale verlustarm übertragen werden können. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung aufgrund der galvanischen Trennung der Leiterelemente ein Risiko von Spannungsüberschlägen deutlich reduziert.
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Die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung ist deutlich kostengünstiger als die aus dem Stand der Technik bekannten optischen Lösungen mit einem Laser oder einem Lichtwellenleiter. Ferner können mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung höhere Signalleistungen übertragen werden, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn mit der Hochfrequenzleitung nicht allein ein Datensignal, sondern auch Energie zur Energieversorgung einer an die Hochfrequenzleitung angeschlossenen weiteren Komponente übertragen werden soll.
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Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung die Leiterelemente voneinander beabstandet. Eine galvanische Trennung der Leiterelemente voneinander ist somit einfach gewährleistet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung überlappen sich bei der Hochfrequenzleitung mehrere, vorzugsweise sämtliche, echten Teilabschnitte des Längsverlaufs, entlang welchen sich jeweils ein flächiger Bereich erstreckt, in Überlappungsabschnitten. Eine kapazitive Kopplung der Leiterelemente ist in dieser Weiterbildung effizient realisiert.
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Zweckmäßig sind bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung entlang der Überlappungsabschnitte die sich dort erstreckenden flächigen Bereiche einander zugewandt. Eine effiziente kapazitive Kopplung der Leiterelemente ist so besonders effizient.
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Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung die flächigen Bereiche plan ausgebildet. Die Hochfrequenzleitung ist somit besonders flach und daher platzsparend ausbildbar. Bevorzugt sind bei der Hochfrequenzleitung die Leiterelemente jeweils als Flachteil ausgebildet.
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Geeigneterweise weist die Hochfrequenzleitung zumindest drei, vorzugsweise zumindest zehn, Leiterelemente auf.
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Zweckmäßig sind bei der Hochfrequenzleitung die Leiterelemente jeweils von dielektrischem Material umgeben und/oder, insbesondere sämtliche Leiterelemente einer Abfolge, in dieses eingebettet. Das dielektrische Material ist insbesondere Polytetrafluorethylen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung sind nächstbenachbarte und/oder entlang des Längsverlaufs aufeinanderfolgende Leiterelemente mit ihren flächigen Erstreckungen parallel zueinander angeordnet. Die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung ist auf diese Weise besonders flach und damit platzsparend ausbildbar.
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Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung die Leiterelemente metallisch, insbesondere mit Kupfer, gebildet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Leitungsimpedanz der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung zumindest 40 und/oder höchstens 60 Ohm, vorzugsweise zumindest 45 und/oder höchstens 55 Ohm und idealerweise zumindest 47,5 Ohm und höchstens 52,5 Ohm.
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Geeigneterweise umfasst die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung sowohl eine erste Abfolge sowie zumindest eine sich zur ersten Abfolge parallel erstreckende zweite Abfolge. Insbesondere dient eine erste Abfolge einer Signalleitung, während die zweite Abfolge als Masseleitung dient.
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Das erfindungsgemäße Leitungskabel weist eine Hochfrequenzleitung wie zuvor beschrieben auf. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Leitungskabel biegbar ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird die erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung wie zuvor beschrieben und/oder das erfindungsgemäße Leitungskabel wie zuvor beschrieben zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals und/oder Hochfrequenzfeldes verwendet.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist zumindest einen Sensor sowie ein an den Sensor angebundenes erfindungsgemäßes Leitungskabel wie zuvor beschrieben oder eine an den Sensor angebundene erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung wie zuvor beschrieben auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Leitungskabel mit einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzleitung mit zwei Abfolgen von Leiterstücken in einer perspektivischen Darstellung in einer Prinzipskizze,
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2 eine der Abfolgen der Hochfrequenzleitung des Leiterkabels gem. 1 in einer Prinzipskizze und
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3 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in einer Prinzipskizze.
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Das in 1 dargestellte Leitungskabel 5 umfasst eine Hochfrequenzleitung. Die Hochfrequenzleitung weist zwei zueinander parallel entlang einer Längsrichtung L der Hochfrequenzleitung verlaufende Abfolgen 10, 15 von Leiterstücken 20 auf.
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Die Abfolgen 10, 15 weisen einen identischen Aufbau auf und werden nachfolgend anhand der Abfolge 15 in der Darstellung gemäß 1 und 2 näher erläutert:
Die Leiterstücke 20 sind sämtlich als Flachteile ausgebildet und weisen rechteckige, plane und jeweils zueinander parallele Flachseiten senkrecht zu ihrer Dickenrichtung auf. Die Dicke D der Leiterstücke 20 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 18 Mikrometer; in weiteren, nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Dicke D jedoch abweichen.
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Die Leiterstücke 20 erstrecken sich mit ihren Flachseiten im vollständig entrollten Zustand des Leitungskabels parallel zur Längsrichtung L und sämtlich parallel zueinander. Je zwei Kanten (der Länge l1) der quaderförmigen Flachseiten eines Leiterstücks 20 verlaufen parallel, je zwei Kanten (der Länge l2) senkrecht zur Längsrichtung L. Die Leiterstücke 20 einer Abfolge 15 folgen in Längsrichtung L aufeinander.
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Die Längsmittelebenen der Leiterstücke 20 parallel zu ihren Flachseiten erstrecken sich dabei jeweils entlang einer von zwei zueinander parallel und entlang der Längsrichtung L verlaufenden (gedachten) Leiterstückebenen A, B: Ein erstes beispielhaft herausgegriffenes Leiterstück 20 erstreckt sich mit seiner Längsmittelebene entlang einer der Leiterstückebenen A, B. Ein in Längsrichtung direkt auf dieses erste Leiterstück 20 folgendes zweites Leiterstück 20 hingegen erstreckt sich dann mit seiner Längsmittelebene entlang der jeweils anderen Leiterstückebene der Leiterstückebenen A oder B und so fort. Die Leiterstückebenen A, B sind voneinander um einen Abstand d1 in Richtung einer zur Längsrichtung L senkrechten Ebenennormalen T voneinander beabstandet. Die Leiterstücke 20 der Abfolge 15 sind folglich entlang der Längsrichtung L und entlang dieser Ebenennormalen T voneinander beabstandet. In einer zur Ebenennormalen T und zur Längsrichtung L senkrechten Richtung sind die Leiterstücke 20 einer Abfolge 15 jedoch nicht voneinander beabstandet.
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Die sich mit ihren Längsmittelebenen jeweils entlang einer der Leiterstückebenen A, B erstreckenden Leiterstücke 20 sind innerhalb dieser Leiterstückebene A, B voneinander in Längsrichtung L um einen Abstand d2 beabstandet. An Stellen entlang der Längsrichtung L im Bereich zwischen zwei Leiterstücken 20 befindet sich folglich an jeweils einer der Leiterstückebenen A, B kein Leiterstück 20. Die Leiterstücke 20 der jeweils anderen Ebene überdecken dabei in Längsrichtung L diese Bereiche, d.h., in Längsrichtung L aufeinanderfolgende Leiterstücke 20 der jeweils anderen Leiterstückebene A, B überlappen in Längsrichtung L, sodass jeweils an jeder Stelle entlang der Längsrichtung L zumindest ein Leiterstück 20 befindlich ist. In Überlappungsbereichen entlang der Längsrichtung L sind zwei Leiterstücke 20 einander mit Teilen ihrer Flachseiten einander zugewandt, sodass diese Leiterstücke 20 miteinander koppeln können.
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Die Abfolgen von Leiterstücken 10, 15 sind jeweils in ein Dielektrikum F eingebettet (in 1 als Quader angedeutet). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dielektrikum F Polytetrafluorethylen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der vollständig ausgerollten Hochfrequenzleitung umgibt dabei das Dielektrikum die Abfolgen 10, 15 nicht allein zwischen den Leiterstücken 20, sondern zusätzlich umfänglich mit mindestens einer Dicke d3 bis hin zur einer Außenfläche des Dielektrikums F.
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Die vorgenannten Abstände sind im dargestellten Ausführungsbeispiel derart gewählt, dass die Dicke d1 des Dielektrikums F zwischen den koppelnden Leiterstücken 20 etwa der halben Durchschlagsfestigkeit von Luft (10 kV/cm) entlang einer Strecke l1 + d2 (Länge eines Leiterstücks 20 in Längsrichtung L + Abstand l1 der Leiterstücke 20 innerhalb einer Leiterstückebene A, B) beträgt. Der Abstand d3 bis zur Außenfläche des Dielektrikums F beträgt mindestens die doppelte Dicke des Abstands der beiden Leiterstückebenen A, B, 2·d1.
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Die Abmessungen l1, l2 der Leiterstücke 20 sind so gewählt, dass die Leitungsimpedanz bei Frequenzen, für welche das Leitungskabel ausgelegt ist, bei 50 Ohm liegt. Alternativ kann auch an Enden der Abfolgen 10, 15 jeweils ein Anpassungsnetzwerk vorgesehen sein, welches zusammenwirkend mit diesen Anpassungsnetzwerken eine Leitungsimpedanz von 50 Ohm sicherstellt.
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Eine erste 10 der Abfolgen 10, 15 dient zusammenwirkend mit dem Dielektrikum F, in welchem die erste Abfolge 10 eingebettet ist, zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals. Eine zweite 15 der Abfolgen 10, 15 hingegen bildet zusammenwirkend mit dem Dielektrikum F, in welchem die zweite Abfolge 15 eingebettet ist, eine Masseleitung. Zusammenwirkend mit den Dielektrika, in welchen erste 10 und zweite Abfolge 15 eingebettet sind, bilden erste 10 und zweite Abfolge 15 eine erfindungsgemäße Hochfrequenzleitung aus.
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Sowohl die erste 10 als auch die zweite Abfolge 15 sind, jeweils gemeinsam mit den Dielektrika F, in welchen diese eingebettet sind, gemeinsam als erfindungsgemäßes Leitungskabel 5 mit einem Kabelmantel ummantelt (der Kabelmantel ist in der Zeichnung nicht explizit gezeigt).
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Das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Leitungskabel 5 wird zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals oder zur Energieübertragung eingesetzt. Dazu ist das Leitungskabel 5 an beiden Enden jeweils an ein Koaxialkabel K angebunden. Eines der Koaxialkabel ist beispielsweise an einen Sensor angebunden, während das andere Koaxialkabel mit einer Auswerteinrichtung verbunden ist, sodass das erfindungsgemäße Leitungskabel 5 zur Datenübertragung verwendet wird. Das andere Koaxialkabel kann aber auch mit einer Energiequelle verbunden sein, sodass das erfindungsgemäße Leitungskabel zur Übertragung von Energie der Energiequelle an den Sensor verwendet wird.
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Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Messeinrichtung umfasst in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Sensor S, welcher mit einem Leitungskabel 5 wie zuvor beschrieben an eine Auswerteinrichtung P angebunden ist. Nicht eigens dargestellt kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, zusätzlich ein weiteres Leitungskabel wie zuvor beschreiben zur Übertragung von Energie einer Energiequelle zum Sensor S vorgesehen sein. Dazu verbindet das weitere Leitungskabel die Energiequelle mit dem Sensor S.
