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Die Erfindung betrifft eine Koppelvorrichtung zur kontaktfreien Übertragung von Datensignalen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Übertragung von Datensignalen mit Hilfe einer derartigen Koppelvorrichtung.
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Eine derartige Koppelvorrichtung ist aus der
DE 601 28 730 T2 zu entnehmen. Die bekannte Koppelvorrichtung umfasst einen auf einer Leiterplatte angebrachten magnetischen Koppler, der in eine Übertragungsleitung induktiv ein Signal einkoppelt. Die Signalleitung ist beispielsweise ein verdrilltes Paar oder auch eine Koaxialleitung und insbesondere in die Leiterplatte eingebettet.
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Eine weitere Koppelvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 103 28 881 B3 zu entnehmen. Bei dieser Koppelvorrichtung handelt es sich um einen sogenannten kontaktfreien HF-Verbinder, welcher zur kontaktlosen Übertragung von Datensignalen von einer ersten Signalleitung in eine zweite Signalleitung ausgebildet ist.
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Eine kontaktlose kapazitive und/oder induktive Einkopplung von Datensignalen in einen Signalleiter zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen zwei Signalleitungen ist weiterhin beispielsweise aus der
DE 10 2005 063 496 B4 bekannt. Aus dieser ist eine drahtlose Kommunikation zwischen zwei rotierbar zueinander angeordneten Einheiten eines Computertomographen zu entnehmen. Aus der
US 2009/0176450 A1 ist die kapazitive Kopplung zwischen zwei Mikrochips zu entnehmen.
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Der in der
DE 103 28 881 B3 beschriebene kontaktfreie HF-Verbinder ist nach Art einer Steckverbindung ausgebildet, wobei - anders als bei herkömmlichen Steckverbindern - die ineinander gesteckten Steckelemente sich nicht berühren. Ähnlich wie bei herkömmlichen Steckverbindern werden auch hier stift- oder buchsenförmige, als Koppelelemente ausgebildete Leiterabschnitte des Steckverbinders mit den jeweiligen Signaladern eines elektrischen Signalkabels galvanisch verbunden.
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Weiterhin ist aus der
WO 2004/054179 A1 eine Koppelstruktur zur berührungslosen Datenübertragung zwischen zwei verdrillten Adernpaaren zu entnehmen. Hierbei werden jeweils die beiden Adern eines Paares zu einer Induktionsschleife ausgebreitet und die so vorbereiteten Induktionsschleifen werden nebeneinander angeordnet, beispielsweise indem sie um einen gemeinsamen Spulenkörper gewickelt werden.
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Aus der
DE 10 2013 208 075 A1 ist ein Schließzylinder mit einer Signalübertragungseinrichtung zu entnehmen, bei der zwei Signalleiter für eine kapazitive Kopplung ineinander geschoben sind.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte kontaktlose Datenübertragung zwischen zwei Signalleitungen zu ermöglichen, bei denen eine sichere Datenübertragung bei möglichst geringem Aufwand und geringer Störanfälligkeit ermöglicht ist.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Koppelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese ist grundsätzlich zur kontaktfreien Übertragung von Datensignalen zwischen zwei Signalleitungen ausgebildet, also von einem ersten Signalleiter einer ersten Signalleitung in einen zweiten Signalleiter einer zweiten Signalleitung, unter Ausnutzung von an sich bekannten elektromagnetischen Koppelprinzipien. Bei zumindest einem der Signalleiter handelt es sich dabei um eine Signalader eines Signalkabels. Zur Ermöglichung der kontaktfreien Übertragung weist die Koppelvorrichtung eine Koppelstruktur auf, die derart ausgebildet, dass die beiden Signalleiter mit Teilabschnitten, den sogenannten Koppelabschnitten, in definierter Weise und bevorzugt in einem definierten Abstandsmaß parallel zueinander positioniert sind.
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Das Koppelhilfsmittel ist dabei buchsenförmig oder röhrenförmig ausgebildet, umgibt daher den zumindest einen Signalleiter insbesondere vollumfänglich. Das Koppelhilfsmittel weist dabei eine zur Aufnahme des Signalleiters geeignet dimensionierte Innenabmessung, insbesondere Innendurchmesser auf. Bevorzugt ist der Innendurchmesser dabei an den Außendurchmesser einer aufzunehmenden Signalader angepasst, so dass die Signalader möglichst passgenau bis auf ein notwendiges Einführspaltmaß in dem Koppelhilfsmittel einliegt.
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Bevorzugt ist dabei zumindest der eine Signalleiter, insbesondere die Signalader frei von galvanisch angebundenen Koppelelementen. Vorzugsweise sind beide Signalleiter frei von derartig galvanisch angebundenen Koppelelementen. Die Koppelstruktur ist daher allgemein derart ausgebildet, dass Abschnitte der jeweiligen Signalleiter selbst, also beispielsweise die Kabelenden, die Koppelabschnitte ausbilden, ohne dass zusätzliche Koppelelemente an das Signalkabel galvanisch angebunden werden müssen.
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Um dies in einfacher Weise zu ermöglichen umfasst die Koppelvorrichtung weiterhin ein Koppelhilfsmittel, in das der Koppelabschnitt zumindest einer der Signaladern und insbesondere der Koppelabschnitt der Signalader des Signalkabels aufgenommen ist. Die Signalader braucht daher lediglich in das Koppelhilfsmittel eingeführt zu werden. Hierdurch wird es an einer definierten Position geführt. Durch das Koppelhilfsmittel ist daher auch ein Fixiermittel bereitgestellt. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, durch eine geeignete Materialwahl und / oder Geometrie des Koppelhilfsmittels die gewünschte elektromagnetische Kopplung zu unterstützen und dadurch eine zuverlässige Kopplung sicherzustellen.
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Diese Ausgestaltung beruht zum einen auf der Überlegung, dass bei einer Ausrichtung von zwei langgestreckten Leiterabschnitten automatisch aufgrund der elektromagnetischen Effekte eine induktive und/oder kapazitive Kopplung auftritt, die zur Signalübertragung von dem einen Signalleiter in den anderen Signalleiter herangezogen wird. Zum anderen beruht diese Ausgestaltung auf der wesentlichen Überlegung, dass bei üblichen Verbindungen, insbesondere Steckverbindungen, bei denen Signalleitungen miteinander verbunden oder auch an einer elektrischen Komponente angeschlossen werden, regelmäßig ein nicht unerheblicher Konfektionieraufwand besteht, um eine geeignete Steckerkomponente an der Signalleitung zu befestigen. Dies betrifft sowohl die herkömmlichen Kontaktstecker als auch den aus der
DE 103 28 881 B3 bekannten kontaktfreien HF-Verbinder. Bei dieser Konfektionierung müssen die jeweiligen Kontakt- bzw. Koppelelemente jeweils mit den einzelnen Signaladern der Signalleitung elektrisch leitend, also galvanisch verbunden werden. Zudem sind derartige galvanisch angebundene Buchsen oder Stifte störanfällig aufgrund ihrer notwendigen mechanischen Ausbildung. Zudem sind die Kontaktierungsbereiche zwischen diesen Kontakt- oder Koppelelementen und den jeweiligen Signaladern störanfällig beispielsweise im Hinblick auf eine Kontaktkorrosion. Durch den Verzicht auf derartige galvanisch angebundene Komponenten auf Seiten des Signalkabels ist daher der Herstellungsaufwand deutlich geringer und die Störanfälligkeit ist ebenfalls geringer. Die Signalader des Signalkabels braucht daher vorliegend lediglich in das Koppelhilfsmittel für eine zuverlässige Kopplung eingesteckt zu werden. Sie liegt daher im Koppelhilfsmittel ohne eine stoffschlüssige Verbindung und vorzugsweise auch ohne eine mechanische Klemmung oder Befestigung im Koppelhilfsmittel ein. Sie liegt daher insbesondere lose im Koppelhilfsmittel ein. Die Signalader wird also lediglich in den freien Innenraum des Koppelhilfsmittels eingeführt, ohne dass eine irgendwie geartete galvanische Kontaktierung erforderlich ist. Ein Abisolieren eines Adernendes ist dabei nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen. Die Signalader liegt daher mit Ihrer Aderisolation im Koppelhilfsmittel ein.
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Die Koppelstruktur ist dabei vorzugsweise in einem Gehäuse integriert, welches insbesondere Teil eines Steckers ist, mit dem die beiden Signalleitungen insbesondere reversibel miteinander verbunden werden können. Das Gehäuse ist dabei insbesondere in zwei Gehäuseteile unterteilt, wobei in dem einen Gehäuseteil die eine Signalleitung und in dem anderen Gehäuseteil die andere Signalleitung einliegt. Die beiden Gehäuseteile sind vorzugsweise für ein reversibles Zusammenfügen ausgebildet, wobei beim Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile die jeweiligen Koppelabschnitte der Signalleiter exakt in die zueinander gewünschte Position gebracht werden. Insbesondere wird der zumindest eine Signalleiter des Signalkabels in das Kopppelhilfsmittel eingeführt. Insgesamt ist daher die gesamte Koppelvorrichtung nach Art eines vorzugsweise reversibel lösbaren Verbinders ausgebildet.
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Alternativ hierzu sind die Koppelabschnitte der Signalleitungen auch gemeinsam im Gehäuse unlösbar gehalten, beispielsweise eingebettet.
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Insbesondere sind folgende verschiedene Gehäusevarianten vorgesehen:
- a) Analog eines herkömmlichen Stecksystems, bei dem beide Seiten ein Gehäuseteil haben, die miteinander reversibel verbunden werden können.
- b) Nur eine Seite hat ein Gehäuseteil, in dem die eine Signalleitung einliegt. Die andere Signalleitung bzw. Ader wird einfach in eine Öffnung gesteckt, und ggf. innen mechanisch gehalten.
- c) An ein gemeinsames Kupplergehäuse werden von beiden Seiten Datenkabel bzw. deren Adern in Öffnungen gesteckt, und ggf. innen mechanisch gehalten.
- d) Zwei Gehäuseteile, die zusammengefügt, insbesondere zusammengeklipst werden können und die Aufnahmen für die Positionierung der Signalleitungen / Adern beim Zusammenfügen aufweisen.
- e) Die Kabelenden werden in Position gebracht und die Haltestruktur durch Spritzguss oder ähnliches dauerhaft ausgebildet.
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Die Varianten a) - d) sind reversibel lösbar oder auch irreversibel ausgebildet.
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Bei geschirmten Datenleitungen erfolgt vorzugsweise automatisch beim Koppeln der Signalleitungen auch ein Koppeln der beiden Schirme, wahlweise ebenfalls kontaktlos wie die Signalleitungen oder galvanisch.
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Ergänzend ist vorzugsweise die Einbringung einer Schirmung, also einer elektrisch leitfähigen Struktur in das Gehäuse vorgesehen.
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Bei der Koppelvorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein mechanisches Kunststoff-Bauteil, insbesondere ein Spritzguss-Bauteil, welches die Koppelabschnitte in definierter Position zueinander bringt und hält. Hierzu umfasst das Bauteil beispielsweise geeignete Fixier- und Haltemittel zur Positionierung der Koppelabschnitte innerhalb der Koppelvorrichtung. Bei einer zwei- oder mehrteiligen Ausbildung der Koppelvorrichtung, wie dies bei einer Steckverbindung der Fall ist, erfolgt die gewünschte Positionierung der Koppelabschnitte durch die Relativpositionierung der einzelnen Teile der Koppelvorrichtung zueinander.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das Koppelhilfsmittel zur Beeinflussung der elektromagnetischen Kopplung ausgebildet, unterstützt daher durch sein Material und/oder Geometrie die Kopplung.
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Insbesondere ist es hierzu elektrisch leitend und bevorzugt aus Metall ausgebildet. Hierdurch wird ein verbessertes Übertragungsverhalten, insbesondere ein verbesserter Impedanzverlauf erreicht.
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Unter Signalader wird hierbei ein von einem Isolationsmantel umgebener elektrischer Leiter verstanden. Insbesondere ist eine Signalader im Querschnitt kreisrund. Korrespondierend hierzu ist auch das Koppelhilfsmittel, zumindest der buchsenförmige Aufnahmeraum im Querschnitt betrachtet kreisrund.
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Das Koppelhilfsmittel ist bevorzugt nach Art einer Hülse oder auch nach Art einer Helix ausgebildet, in denen der jeweilige Koppelabschnitt der jeweiligen Signalader aufgenommen ist. Unter Hülse wird vorliegend ein Bauteil mit einer durchgehend geschlossenen, insbesondere zylindrischen Wandung verstanden. Demgegenüber wird das buchsenförmige Koppelhilfsmittel im Falle der Ausbildung als Helix durch ein helix- oder schraubenförmig gewundenes Strangelement gebildet.
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Für jedes zu koppelnde Paar an Signalleitern ist bevorzugt genau ein Koppelhilfsmittel vorgesehen, in das der eine Signalleiter (Signalader) eingesteckt ist. Der andere Signalleiter ist mit dem Koppelhilfsmittel vorzugsweise galvanisch angebunden. Alternativ erfolgt die Kopplung insbesondere völlig ohne galvanische Verbindung zum Koppelhilfsmittel. Beispielsweise ist für jede Signalader ein Koppelhilfsmittel ausgebildet, in das eine jeweilige Signalader eingesteckt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalleiter der einen Signalleitung auf einer Leiterplatte angebracht, insbesondere handelt es sich um eine auf der Leiterplatte angebrachte, beispielsweise aufgedruckte oder sonstig erzeugte Leiterbahn. Der Koppelabschnitt der Signalader des Signalkabels ist zu dieser Leiterbahn parallel geführt. Bei einigen elektrischen Komponenten werden die zu übertragenden Datensignale auf Leiterplatten mit integrierter Elektronik bereitgestellt, wobei die Leiterplatten üblicherweise mit geeigneten Steckverbindungssystemen kontaktiert werden. Bei diesen Ausgestaltungen wird daher mittels der Koppelvorrichtung eine kontaktfreie Kopplung mit einem Signalkabel erreicht.
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Das Koppelhilfsmittel ist dabei bevorzugt an der Leiterplatte angebracht, insbesondere mit dieser befestigt und zwar bevorzugt unlösbar.
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Weiterhin ist das Koppelhilfsmittel vorzugsweise elektrisch leitend mit der Leiterbahn verbunden, insbesondere galvanisch, bevorzugt durch Löten. D.h. das Koppelhilfsmittel ist fester Bestandteil der Leiterplatte.
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In zweckdienlicher Weiterbildung ist das Koppelhilfsmittel dabei auf der Leiterplatte diese endseitig überstehend befestigt und bildet damit quasi einen Koppelanschluss aus, in den lediglich die Signalader eingeführt zu werden braucht. Der Koppelabschnitt der weiteren Signalleitung wird daher quasi durch das Koppelhilfsmittel und dessen elektrische Verbindung mit der Leiterbahn erreicht.
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Zweckdienlicherweise erstrecken sich die parallel zueinander verlaufenden Koppelabschnitte der zueinander korrespondierenden Signalleiter über zumindest einige Millimeter bis zu wenigen Zentimeter, vorzugsweise über weniger als 5 cm. Hierdurch ist zum einen eine zuverlässige Kopplung erreicht und zum anderen eine möglichst geringe Baugröße der Koppelvorrichtung.
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Die Koppelvorrichtung ist insbesondere zur Verbindung von Signalleitern ausgebildet, über die Hochfrequenz-Datensignale übermittelt werden. Unter Hochfrequenz werden hierbei Frequenzbereiche von zumindest mehreren 10 MHz bis in den GHz-Bereich verstanden.
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Erfindungsgemäß handelt es sich zumindest bei der einen Signalleitung um ein mehradriges Signalkabel mit mehreren als Signaladern ausgebildete Signalleiter. Die Signaladern werden dabei durch die Koppelstruktur in einer definierten Geometrie zueinander beabstandet gehalten, wobei korrespondierend hierzu auch die Signalleiter der zweiten Signalleitung in der gleichen Geometrie gehalten sind, so dass die gewünschte parallele Ausrichtung der Signalleiter zueinander zuverlässig erzielt wird.
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Dabei ist in einer ersten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die relative Zuordnung der Signaladern, die sie im Signalkabel einnehmen, durch die Koppelstruktur verändert wird.
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Weiterhin verlaufen die Koppelabschnitte winklig, bevorzugt senkrecht zu einer normalen Kabellängsrichtung.
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Die Signaladern sind gemäß einer ersten Ausführungsvariante isolierte Signaladern eines herkömmlichen, mit einem Kabelmantel versehenen Signalkabels, welches auch als Mantelleitung bezeichnet wird. Die isolierten Signaladern sind aus dem Kabelmantel herausgeführt und im durch die Koppelabschnitte gebildeten Endbereich umgebogen. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung sind sie beispielsweise sternförmig zueinander angeordnet. Insbesondere handelt es sich dabei um miteinander verseilte Signaladern. Bevorzugt wird ein sogenannter Vierer-Verseilverbund eingesetzt.
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Allgemein werden vorzugsweise als Koppelpartner jeweils Datenkabel verwendet. Das jeweilige Datenkabel ist dabei wahlweise ausgebildet als:
- - einpaarige ungeschirmte Kabel ohne Mantel
- - einpaarige ungeschirmte Kabel mit Mantel
- - einpaarige geschirmte Kabel ohne Mantel
- - einpaarige geschirmte Kabel mit Mantel
- - Vierer-Verseilverbund geschirmt mit Mantel
- - Vierer-Verseilverbund geschirmt ohne Mantel
- - Vierer-Verseilverbund ungeschirmt mit Mantel
- - Vierer-Verseilverbund ungeschirmt ohne Mantelmehrpaarige Kabel umfassend mindestens einen der Vierer-Verseilbünde der vorgenannten Art
- - mehrpaarige Kabel (aus beliebiger Kombination (a) bis (e), optional mit gemeinsamer Schirmung, optional mit gemeinsamem Mantel)
- - Flachleitung mit flachgewalzten Leitern
- - Flachleitung mit runden (massiv oder verlitzt) Leitern
- - Flachleitung wie (g) und (h) als Rasterstegleitung
- - Koaxialkabel
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Alternativ zu der sternförmig, also radial sich in unterschiedlicher Richtungen erstreckenden Koppelabschnitte der Signaladern werden diese beispielsweise entlang von schleifenförmigen Abschnitten verlegt. Generell wird durch dieses Aufspreizen der Signaladern nachfolgend zu dem Kabelmantel der Abstand zwischen den einzelnen Signaladern vergrößert, so dass die Gefahr einer wechselseitigen Beeinflussung reduziert ist.
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Bei dem Signalkabel handelt es sich in bevorzugter Weiterbildung - alternativ zu der bereits erwähnten Mantelleitung - um ein insbesondere extrudiertes Flachkabel, bei dem die einzelnen Signaladern parallel nebeneinander angeordnet sind. Über die Koppelvorrichtung werden beispielsweise zwei derartige Flachkabel miteinander gekoppelt, ein derartiges Flachkabel an eine elektrische Komponente angeschlossen oder über die Koppelvorrichtung erfolgt ein Übergang von einem herkömmlichen Rund-Signalkabel auf ein derartiges extrudiertes Flachkabel. Das Flachkabel ist dabei für eine verbesserte EMV-Abschirmung vorzugsweise geschirmt oder selbst verseilt. Bei diesen extrudierten Flachkabeln handelt es sich typischerweise um ein folienartiges Kabel mit mehreren parallel nebeneinander angeordneten, typischerweise aus flachgewalzten Einzeldrähten bestehende Signaladern, welche gemeinsam von einem extrudierten Mantel aus Isolationsmaterial umgeben sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei den Signaladern dabei um doppelt isolierte Rundadern. Um den metallischen Aderkern sind daher zwei Lagen einer Isolation gelegt. Hierdurch wird durch eine Erhöhung der Kapazität die Koppelwirkung verbessert.
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Über die Koppelvorrichtung werden allgemein zumindest eine, vorzugsweise mehrere Signaladern eines Signalkabels kontaktlos mit einer weiteren Signalleitung verbunden. Bei dieser weiteren Signalleitung handelt es sich wahlweise selbst um eine Signalleitung des gleichen oder eines verschiedenen Typs oder auch um eine in einem Geräte oder einer Komponente integrierte Signalleitung. Der Begriff „Signalleitung“ ist hier breit zu verstehen und umfasst jeglichen zur Datenübertragung geeigneten Signalleiter.
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Zweckdienlicherweise sind darüber hinaus bereits in die Koppelstruktur geeignete Filter- oder Dämpfungselemente integriert, so dass eine möglichst ungestörte Signalübertragung ermöglicht ist und insbesondere Störsignale herausgefiltert werden. Beispielsweise ist ein derartiges Filterelement nach Art einer an sich bekannten Mantelwellensperre bereits in die Koppelstruktur integriert.
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Je nach Ausbildung der Koppelstruktur und der Koppelpartner, also der beiden zu verbindenden Signalleitungen ergibt sich ein spezielles Frequenz- oder Passband für die Übertragungsstrecke zwischen den beiden Signalleitungen. Dies lässt sich jeweils durch eine sogenannte Übertragungsfunktion bestimmen. Dieses Passband ist daher eine charakteristische Eigenschaft für die jeweils gewählte Konfiguration der Koppelvorrichtung.
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Auf der anderen Seite werden die Datensignale mit einer speziellen sogenannten Kodierung versehen, welche in einem definierten Frequenzband arbeitet. Beim Betrieb, also bei der Übertragung des hochfrequenten Datensignals von der einen Signalleitung in die andere Signalleitung wird nunmehr die Kodierung derart gewählt oder gegebenenfalls auch derart angepasst, dass das Frequenzband der Kodierung auf das Passband der Übertragungsstrecke abgestimmt ist. Falls erforderlich wird dabei in zweckdienlicher Weiterbildung eine Umkodierung vorgenommen. Insbesondere im Bereich von galvanisch gekoppelten Elementen ist die sogenannte NRZ-Kodierung (non return to zero) gebräuchlich. Für die vorgesehene Anwendung erweist sich diese aber häufig, insbesondere aufgrund des hohen niederfrequenten Anteils, eher als ungeeignet. Als besser geeignet hat sich hier z.B. die Manchester- und auch die 8B10B- Kodierung erwiesen. Diese setzen die NRZ-Kodierung gewissermaßen in eine an den Frequenzbereich des Passbandes angepasste Kodierung um. Alternativ kann die Anpassung des Signalspektrums an das Passband auch durch digitale Modulationsverfahren erfolgen. Bei identischen zu übertragenden Daten liegen die Frequenzbereiche je nach Kodierung in verschiedenen Frequenzfenstern.
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Ausführungsbeispiele von Koppelvorrichtungen werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine beispielhafte Datenübertragungsstrecke mit mehreren Koppelvorrichtungen,
- 2A-2C ausschnittsweise eine Seitenansicht (2A), eine Aufsicht (2B) sowie eine Schnittansicht (3C) gemäß der Schnittlinie A-A in 2B einer erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung gemäß einer ersten Variante,
- 3A-3C ausschnittsweise eine Seitenansicht (3A), eine Aufsicht (3B) sowie eine Schnittansicht (3C) gemäß der Schnittlinie A-A in 3B einer erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung gemäß einer zweiten Variante,
- 4A-4D ausschnittsweise eine Seitenansicht (4A), eine Aufsicht (4B) sowie eine erste Schnittansicht (4C) gemäß der Schnittlinie A-A in 4A sowie eine zweite Schnittansicht (4D) gemäß der Schnittlinie B-B in 4B einer Koppelvorrichtung gemäß einer dritten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Variante,
- 5A-5D ausschnittsweise eine Seitenansicht (5A), eine Aufsicht (5B) sowie eine erste Schnittansicht (5C) gemäß der Schnittlinie A-A in 5A sowie eine zweite Schnittansicht (5D) gemäß der Schnittlinie B-B in 5B einer Koppelvorrichtung einer Koppelvorrichtung gemäß einer vierten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsvariante,
- 6A-6D ausschnittsweise eine Seitenansicht (6A), eine Aufsicht (6B) sowie eine erste Schnittansicht (6C) gemäß der Schnittlinie A-A in 6A sowie eine zweite Schnittansicht (6D) gemäß der Schnittlinie B-B in 6B einer fünften, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsvariante,
- 7A-7D ausschnittsweise eine Seitenansicht (7A), eine Aufsicht (7B) sowie eine erste Schnittansicht (7C) gemäß der Schnittlinie A-A in 7A sowie eine zweite Schnittansicht (7D) gemäß der Schnittlinie B-B in 7B einer sechsten, nicht unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsvariante,
- 8 den Verlauf eines Dämpfungswertes gegenüber der Frequenz einer Übertragungsstrecke über eine Koppelvorrichtung sowie
- 9A-9D stark vereinfachte Prinzipskizzen unterschiedlicher Koppelvarianten
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die 2 bis 5 zeigen beispielhafte Varianten für mögliche Koppelstrukturen, wobei in diesen Figuren der Einfachheit halber keine Koppelhilfsmittel dargestellt sind. Diese sind beispielhaft in den 6 und 7 dargestellt und lassen sich auch auf die in den anderen Figuren dargestellten Varianten übertragen.
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Zur Illustration des Grundgedankens ist in 1 eine Übertragungsstrecke für eine Signalübertragung eines hochfrequenten Datensignals von einem Sender 2 zu einem Empfänger 4 dargestellt. Beispielhaft sind hierbei unterschiedliche Koppelvorrichtungen 6 illustriert. Bei den zu übertragenden Datensignalen kann es sich um einzelne, erdbezogene Signale (single-ended, Gleichtakt oder im koaxialmode) handeln oder auch um ein differenzielles Signal (mix-mode, Gegentakt), welches zwei signalführende Adern aufweist. Grundsätzlich sind auch beliebig weitere Anordnungen wie z.B. common-mode Anordnungen über mehradrige Ausbildungen möglich.
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Sender 2 und Empfänger 4 sind miteinander über mehrere Kabelabschnitte von Signalkabeln 8 verbunden. Der eine Kabelabschnitt ist im Ausführungsbeispiel durch ein herkömmliches Rundkabel oder Mantelleitung 8a gebildet, die mehrere isolierte und mit einem gemeinsamen Kabelmantel 12 umgebene Signaladern 10a aufweist. Das zweite Signalkabel ist vorzugsweise durch ein extrudiertes Flachkabel 8b gebildet, welches als Signalader 10b üblicherweise flachgewalzte (Kupfer-) Drähte aufweist, die in einer Isolierung eingebettet sind. Die Signalkabel 8a, 8b sind untereinander sowie jeweils am Sender 2 beziehungsweise Empfänger 4 über eine jeweilige Koppelvorrichtung 6 zur Datenübertragung gekoppelt. Auf Seiten des Senders 2 und Empfängers 4 ist im Ausführungsbeispiel eine Leiterplatte 14 mit darauf angebrachten Leiterbahnen 16 angeordnet. Über die Koppelvorrichtungen 6 erfolgt jeweils eine kontaktfreie Signaleinkopplung zwischen den zueinander korrespondierenden Signaladern 10a, 10b beziehungsweise Leiterbahnen 16. Die Koppelvorrichtungen 6 weisen hierbei jeweils ein Gehäuse 18 auf, in das die Koppelpartner jeweils eingeführt sind und in den die einzelnen Signaladern 10a, 10b beziehungsweise die Leiterbahnen 16 in definierter Weise zueinander mit Hilfe einer Koppelstruktur 20 (vgl. hierzu die 2 bis 7) gehalten sind.
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Unterschiedliche Ausführungsvarianten der Koppelvorrichtungen 6 sind in den 2 bis 7 dargestellt.
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In den Koppelvorrichtungen 6 werden jeweils Koppelabschnitte 22 der verschiedenen Signaladern 10a, 10b beziehungsweise Leiterbahnen 16 definiert zueinander angeordnet, jedoch kontaktfrei und ohne die Verwendung von galvanisch angekoppelten Koppelelementen. Dies ist zugleich auch ein wesentlicher Grundgedanke des vorliegenden Koppelungssystems, nämlich das auf jegliche galvanisch an den Enden der Signalkabel angebrachte Elemente verzichtet ist. Damit sind zur Ausbildung der Koppelvorrichtung keinerlei Crimp-Löt oder sonstige Verbindungsprozesse vorzunehmen. Eine spezielle Vorkonfektionierung ist daher nicht erforderlich. Vielmehr werden lediglich die Enden der Signaladern 10a, 10b parallel zueinander angeordnet.
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Bei der Ausführungsvariante der 2A bis 2C wird als Signalleitung eine Mantelleitung 8a herangezogen, welches nach Art einer Viererverseilung miteinander verseilte Signaladern 10a aufweist, die von dem Kabelmantel 12 umgeben sind. Die einzelnen Signaladern 10a treten mit ihrem Koppelabschnitt 22 aus den Kabelmantel 12 heraus und werden dann etwa um 90° umgelenkt und etwa kreuz- oder sternförmig innerhalb einer Kopplungsebene verteilt. Korrespondierend hierzu sind auf einer Trägerstruktur, beispielsweise eine Leiterplatte 14 zumindest zwei beispielsweise als Leiterbahnen 16 ausgebildete Signalleiter angeordnet, welche in ihren Koppelabschnitten 22 180° diametral zueinander orientiert sind. Das zweite Adernpaar kann auf vergleichbare Weise angekoppelt werden. Die Leiterbahnen 16 werden zentral aus dem Zentrum der Mantelleitung 8a herausgeführt.
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Bei der Koppelstruktur 20 handelt es sich um ein hier nicht näher dargestelltes mechanisches Halteelement, in dem die Leiterplatte 14 sowie die einzelnen Leiteradern 10a an definierter Relativposition zueinander gehalten sind.
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Die Ausführungsvariante der 3A bis 3C ist ähnlich der gemäß den 2A bis 2C. Die Signaladern 10a des Signalkabels 8a sind wiederum sternförmig angeordnet. Die Leiterbahnen 16 werden jedoch - im Unterschied zu der Variante gemäß 2 - nach außen vom Zentrum der Mantelleitung 8a weggeführt und anschließend erst wieder zusammengeführt.
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4A bis 4D zeigt schließlich eine Ankopplung des Signalkabels 8a an Leiterbahnen 16, wobei die Signaladern 10a mit Hilfe der Koppelstruktur (nicht näher dargestellt) im Bereich ihrer Koppelabschnitte 22 in eine gemeinsame Koppelebene gebracht und auf die Leiterplatte 14 aufgelegt werden.
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In ähnlicher Weise ist gemäß 5A bis 5D die Ankopplung einer Leiterplatte 14 an ein Flachkabel 8b dargestellt. Auch hier werden die zueinander korrespondierenden Signaladern 10b und Leiterbahnen 16 zueinander in Überdeckung gebracht. Die einzelnen Koppelpartner werden hierbei durch die hier in den Figuren nicht näher dargestellte Koppelstruktur 20 zueinander in definierter Position fixiert.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 6A bis 6D sowie 7A bis 7D ist jeweils ein Koppelhilfsmittel 26 dargestellt, welches zur Ankopplung von Signalleitern 10a an Leiterbahnen 16 dient. Bei dem Koppelhilfsmittel 26 handelt es sich allgemein um ein buchsen- oder röhrenförmiges Element, in das eine Signalader des jeweiligen Signalleiters 10a insbesondere einzelweise eingeführt ist. Das Koppelhilfsmittel 26 ist im Ausführungsbeispiel der 6 als Hülse und im Ausführungsbeispiel der 7 als Helix ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich jeweils um elektrisch leitfähige Gebilde, insbesondere aus Metall, welche jeweils elektrisch mit den Leiterbahnen 16 verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch einen Lötvorgang erfolgen. Das Koppelhilfsmittel 26 steht dabei in den beiden Ausführungsbeispielen über ein Ende der Leiterplatte 14 über, d.h. es ist lediglich mit einem Endstück auf der Leiterplatte 14 befestigt, beispielsweise angelötet. Alternativ ist das Koppelhilfsmittel 26 zu einem Großteil oder vollständig auf der Leiterplatte 14 befestigt.
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In diese Koppelhilfsmittel 26 sind die Koppelabschnitte 22 des Signalkabels 8a in einfacher Weise eingesteckt. Die Koppelhilfsmittel 26 definieren daher insofern Koppelabschnitte 22 der weiteren Signalleitung. Über diese Koppelhilfsmittel 26 wird eine verbesserte Einkopplung der Datensignale erreicht.
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Für ein vereinfachtes Einführen der Endabschnitte (Koppelabschnitte 22) des Signalkabels 8a weist das jeweilige Koppelhilfsmittel 26 vorzugsweise endseitig eine beispielsweise trompetenartig oder konisch erweiterte Öffnung auf.
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8 zeigt schließlich beispielhaft den Verlauf einer Dämpfung gegenüber der Frequenz der Übertragungsstrecke zwischen zwei über eine jeweilige Koppelvorrichtung 6 miteinander verbundene Signalleiter 10a, 10b, 16. Wie hieraus zu erkennen ist, ist eine Übertragung nur in einem definierten Frequenzbereich, dem sogenannten Passband 28 möglich. Dies liegt beim Ausführungsbeispiel im Bereich von 0,5 GHz bis etwa 2,7 GHz.
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Für die Übertragung des Datensignals wird zweckdienlicherweise eine Kodierung eingesetzt, deren Frequenzbereich mit dem Passband 28 zumindest weitgehend übereinstimmt.
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So liegt beispielsweise das Frequenzband einer sogenannten NRZ-Kodierung eines LVDS-Datensignals (low voltage digital signaling) üblicherweise in einem Frequenzband bis etwa 0,5 GHz. Eine Übertragung eines NRZ-kodierten LVDS-Datensignals wäre daher nicht oder nur mit deutlichen Verlusten möglich. Zweckdienlicherweise wird daher eine geeignete Kodierung vorgenommen, beispielsweise die sogenannte Manchesterkodierung, die bei einem gleichen LVDS-Datensignal ein Frequenzband im Bereich von etwa 0,5 bis 1,8 GHz zeigt. Sender 2 und Empfänger 4 (vgl. hierzu 1) weisen daher vorzugsweise auch eine Kommunikationseinheit 30 auf, über die die zu übertragenden Datensignale durch die entsprechende Kodierung aufbereitet werden. Sofern der Sender beispielsweise bereits NRZ-kodierte Daten zur weiteren Übertragung empfängt, ist die Kommunikationseinheit 30 auch dazu ausgebildet, bei Bedarf eine Umkodierung in eine geeignete Kodierung, beispielsweise von der NRZ-Kodierung in die Manchester-Kodierung vorzunehmen.
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Die Ausführungsbeispiele wurden im Zusammenhang mit einer Ankopplung eines Signalkabels 10a, 10b an eine Leiterplatte 14 als weitere Signalleitung erläutert, ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Grundsätzlich sind mit dem hier beschriebenen Koppelsystem Datenübertragungen zwischen zwei Signalkabeln, zwischen zwei Signalkabeln mit Hilfsmitteln (ähnlich 6,7) zwischen zwei Signalpfaden, die mit mechanischen Komponenten fest verbunden sind, möglich. Bei den Signalpfaden kann es sich um Kabelstrukturen oder auch um andere Signalleiter wie beispielsweise Leiterbahnen handeln. Grundsätzlich kann die Koppelvorrichtung als solche auch galvanisch an die Signalleitungen angebunden werden.
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Die 9A bis 9D zeigen stark vereinfachte Prinzipdarstellungen von unterschiedlichen Koppelvarianten. Bei den 9A bis 9C erfolgt jeweils eine Kopplung zwischen einem ersten, linken Koppelpartner und einem zweiten, rechts dargestellten Koppelpartner über ein jeweiliges Koppelhilfsmittel 26. Bei dem linken Koppelpartner handelt es sich dabei beispielsweise um eine Leiterbahn 16 einer Leiterplatte 14 oder auch um eine Signalader 10a eines Datenkabels, beispielsweise ein Signalkabel 8a oder ein Flachkabel 8b. Bei dem rechten Koppelpartner handelt es sich jeweils um ein Signalkabel 10b eines Datenkabels, beispielweise eines Signalkabels 8a oder eines Flachkabels 8b. Grundsätzlich können auch andere Kabel-Varianten vorgesehen sein.
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Bei den Ausführungsvarianten der 9A und 9B ist das Koppelelement 26 über einen Kontaktpunkt 32 jeweils galvanisch an einen der Koppelpartner elektrisch kontaktierend angeschlossen. Über das Koppelhilfsmittel 26 erfolgt dann die kontaktlose induktive oder kapazitive Kopplung zu dem zweiten Koppelpartner. Im Unterschied hierzu ist bei der Ausführungsvariante der 9c das Koppelhilfsmittel 26 zu keinem der beiden Koppelpartner galvanisch verbunden und umgibt die Koppelstrecke beispielsweise hülsen- oder spiralförmig.
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Bei der Ausführungsvariante der 9D ist schließlich eine unmittelbare Kopplung zwischen den beiden Signalleitern 10a, 10b, 16 ohne ein Koppelhilfsmittel 26 und ohne jegliche galvanische Kontaktierung dargestellt. Der linke Koppelpartner ist dabei wiederum wahlweise eine Leiterplatte 14 mit darauf angebrachter Leiterbahn 16 oder eine Signalader 10b eines Datenkabels.
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Die in den einzelnen 2-9 dargestellten Alternativen definieren vorzugsweise jeweils Varianten für eine Steckverbindung, wobei die beiden Steckpartner jeweils einen der beiden miteinander zu koppelnden Signalleiter 10a, 10b, 16 aufweisen. Innerhalb eines jeweiligen Steckergehäuses sind daher die in den 2 bis 9 gezeigten Strukturen integriert, wobei eine Trennung bevorzugt jeweils am Koppelhilfsmittel erfolgt, welches in dem einen Steckerteil angeordnet ist und in das die oder auch mehrere Signaladern (Signalleiter 10a, 10b) der anderen Signalleitung 8a,8b lose eingeführt werden können, um dadurch die gewünschte kontaktlose Kopplung bei einer Steckverbindung zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
-
- 2
- Sender
- 4
- Empfänger
- 6
- Koppelvorrichtung
- 8a
- Signalkabel
- 10a
- Signalader
- 8b
- Flachkabel
- 10b
- Signalader
- 12
- Kabelmantel
- 14
- Leiterplatte
- 16
- Leiterbahn
- 18
- Gehäuse
- 20
- Koppelstruktur
- 22
- Koppelabschnitt
- 26
- Koppelhilfsmittel
- 28
- Passband
- 30
- Kommunikationseinheit
- 32
- Kontaktpunkt
