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Die Erfindung geht aus von einem Steckverbinder nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Derartige Steckverbinder werden benötigt um Datenübertragungen insbesondere unter rauhen Umweltbedingungen auch nach einer hohen Zahl von Steckzyklen möglichst verlustfrei zu gewährleisten.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind sogenannte „kontaktlose“ Steckverbinder beispielsweise im Bahnbereich bekannt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Signalübertragung zwischen einem Stecker und einem damit verbundenen Gegenstecker drahtlos stattfindet.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 045 742 A1 offenbart eine Elektrokupplung für Eisenbahnen mit einem ersten und einem zweiten Kupplungsteil, die jeweils einen Träger aufweisen, in dem mehrere Koppelteile angeordnet sind, mit denen eine elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Kopplung von einem Kupplungsteil zum anderen Kupplungsteil hergestellt werden kann. Zusätzlich ist mindestens eine Hochfrequenzkopplung vorgesehen, die durch eine gekapselte Antenne in dem einen Kupplungsteil und eine gekapselte Antenne in dem anderen Kupplungsteil gebildet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 063 190 A1 schlägt eine Steckverbindungseinrichtung vor, welche einen drahtlosen Sender und/oder einen drahtlosen Empfänger aufweist. Eine Kommunikation des drahtlosen Senders und/oder des drahtlosen Empfängers basiert auf einer drahtlosen Ultra Wide Band Übertragungsstrecke.
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Die Druckschrift
US 2015/0085903 A1 zeigt einen kontaktlosen Steckverbinder mit mehreren Leiterkarten, die jeweils mehrere Transceiver zur kabellosen Übertragung und zum Empfang modulierter Trägersignale besitzen, wobei jeder Transceiver des Systems dafür konfiguriert ist, Signale jedes der anderen Transceiver empfangen zu können.
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Allgemein ist es bei mehrkanaligen kontaktlosen Steckverbindern von Nachteil, dass das Übersprechen zwischen mehreren Kanälen insbesondere innerhalb eines begrenzten Bauraums, relativ groß ist, was die Datenintegrität verschlechtert.
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Im Stand der Technik existiert das ständige Bedürfnis nach immer höheren Datenübertragungsraten mit möglichst hoher Datenintegrität. Gleichzeitig werden beispielsweise im Bahnbereich möglichst wartungsfreundliche, verschmutzungs- und feuchtigkeitsresistente und insbesondere möglichst verschleißarme Steckverbinder beispielsweise in entsprechenden Zugkupplungen, also innerhalb eines begrenzten Raumes, gefordert. Selbstverständlich sollen diese auch möglichst kostengünstig herzustellen sein.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den vorgenannten Forderungen Rechnung zu tragen und insbesondere das Übersprechverhalten zwischen mehreren Transceiverpaaren innerhalb eines Steckverbinders, also in begrenztem Bauraum, kostengünstig zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird mit einem Steckverbinder der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Der Steckverbinder umfasst einen Stecker und einen zur drahtlosen Signalübertragung damit verbindbaren Gegenstecker, die jeweils mehrere Transceiver aufweisen, wobei jeder Transceiver einen Transmitter (Tx) zum Senden und einen Receiver (Rx) zum Empfang besitzt, wobei sowohl die Transmitter (Tx) als auch die Receiver (Rx) je eine Multifaceantenne, bestehend aus mehreren Elementarantennen mit je einer Antennenfläche, aufweisen
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Bei der Erfindung handelt es sich um einen mehrkanaligen kontaktlosen Steckverbinder. Der Begriff „mehrkanalig“ bedeutet, dass die Signalübertragung gleichzeitig über mehrere Transceiverpaare stattfinden kann, wobei ein Transceiverpaar sich dadurch auszeichnet, dass es jeweils aus einem Transceiver des Steckers und einem Transceiver des Gegensteckers gebildet ist. Sind Stecker und Gegenstecker miteinander verbunden, so sind die beiden Transceiver eines Transceiverpaars zum gegenseitigen Datenaustausch bevorzugt einander gegenüberliegend angeordnet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Datenintegrität mehrkanaliger kontaktloser Steckverbinder kostengünstig verbessert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig für jedes Transceiverpaar durch die Verwendung der Multifaceantennen und insbesondere durch eine geeignet gewählte Phasenlage der über ihre Elementarantennen abgestrahlten und/oder über sie empfangenen Signale eine Richtwirkung innerhalb jedes Transceiverpaars erzeugt oder eine möglicherweise bereits existierende Richtwirkung zusätzlich verstärkt wird. Durch diese Richtwirkung kann auch innerhalb des begrenzten Bauraums ein Übersprechen zwischen mehreren Transceiverpaaren deutlich reduziert werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Multiface-Antennen jeweils eine planare Multifaceanordnung, gebildet aus mehreren Elementarantennen, aufweisen, weil dadurch die Richtwirkung insbesondere über die Phasenlage der von den Elementarantennen abgestrahlten elektromagnetischen Welle besonders gut einstellbar ist.
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Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Antennenflächen planar ausgeführt sind, weil dies die Berechenbarkeit vereinfacht und die Richtwirkung optimiert. Dazu ist es weiterhin auch vorteilhaft, wenn die Antennenflächen der Transceiver des Steckers in einer ersten Ebene angeordnet sind und die Antennenflächen der Transceiver des Gegensteckers in einer zweiten Ebene angeordnet sind und wenn durch ein Verbinden von Stecker und Gegenstecker die erste und die zweite Ebene parallel zueinander ausgerichtet sind, weil dies die Übertragungsqualität optimiert. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jede Multifaceantenne mindestens vier Elementarantennen besitzt, weil die Richtwirkung dadurch in zwei Ebenen eingestellt werden kann. Somit können die Transponder im Stecker sowie im Gegenstecker in bevorzugt äquidistanten Zeilen und Spalten angeordnet sein und so in minimalem Bauraum optimal von der Richtwirkung zur Verringerung des Übersprechens profitieren.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Antennenflächen der mindestens vier Elementarantennen der jeweiligen Multifaceantenne rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind, weil die Richtcharakteristik der Multifaceantenne dadurch besonders gut in zwei orthogonal zueinander stehenden Ebenen erzeugt oder verstärkt werden kann.
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Sowohl der Stecker als auch der Gegenstecker können jeweils eine Leiterkarte aufweisen, auf welcher die jeweiligen Transceiver angeordnet sind. Beispielsweise kann jede Leiterkarte vier Transceiver aufweisen, die vorteilhafterweise in den Positionen der Eckpunkte eines Quadrats angeordnet sind, um so als vierkanalige Anordnung in optimaler Weise von der besagten Verringerung des Übersprechens zu profitieren.
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Besonders kostengünstig kann es sich auswirken, wenn ein oder mehrere Transceiver in einem elektronischen Bauteil, beispielsweise in einem Halbleiterbauelement und insbesondere einem sogenannten „Chip“, zusammengefasst sind. Derartige „Chips“ sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise als Zukaufteile erworben und verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elementarantennen zur Abstrahlung und/oder zum Empfang der Signale Antennenflächen aufweisen, welche an einer Oberfläche des Bauteils angeordnet sind. Insbesondere können die Antennenflächen der Elementarantennen in ein zusätzliches Plättchen („Package“) eingebettet sein, welches auf der Oberfläche des elektronischen Bauteils angeordnet ist. Dieses Plättchen dient dazu, die Richtwirkung der Multiface-Antennen zusätzlich zu verstärken.
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Dazu hat es sich in der Praxis als überaus vorteilhaft erwiesen, wenn die die Stärke des Plättchens kleiner ist als 100 m.
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Weiterhin ist es aus folgenden Gründen besonders vorteilhaft, wenn die Transceiver im Bereich extrem hoher Frequenzen senden, also z. B. im EHF-(„Extrem Hochfrequenz Bereich“), der zwischen 30 GHz und 300 GHz liegt: Zum einen ist der Bauraum begrenzt, beispielsweise auf einen Kubus mit einer Kantenlänge von 10 cm. Zum anderen entfaltet sich die Richtwirkung einer elektromagnetischen Welle jedoch bekanntermaßen erst im Fernfeld, d. h. erst ab einem bestimmten Abstand zur jeweiligen Antenne, wobei dieser Abstand proportional zur abgestrahlten Wellenlänge ist. Als ungefährer Richtwert kann dafür, wie dem Fachmann bekannt ist, etwa die doppelte abgestrahlte Wellenlänge zugrunde gelegt werden. Bei entsprechend hohen Frequenzen entsteht die Richtwirkung somit bereits innerhalb des vorgegebenen Bauraums, also innerhalb des Steckverbinders, und kann sich so im Sinne der Signalintegrität positiv auf das Übersprechverhalten zwischen den Transceiverpaaren auswirken.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Steckverbinder Abschaltmittel auf, welche bei Trennung des Steckers vom Gegenstecker die drahtlose Signalübertragung unterbrechen, um die zu übertragenden Daten gegen unberechtigten Zugriff zu schützen. Werden Stecker und Gegenstecker wieder miteinander verbunden, so wird die drahtlose Signalübertragung wieder aktiviert, da die Signale nun, z. B. durch ein schirmendes, allseitig geschlossenes Steckverbindergehäuse gegen den unberechtigten Zugriff geschützt sind.
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Insbesondere können die Abschaltmittel dazu einen Näherungsschalter und/oder ein RFID-Bauelement umfassen.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1a, b eine Multifaceantenne mit vier Elementarantennen;
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2a einen Chip mit zwei Transceivern (Rx, Tx);
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2b den Chip in einem Querschnitt;
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2c den Chip im Querschnitt mit einem Plättchen („Package“) und einer Leiterkarte;
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3 die Leiterkarte mit vier Transpondern;
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4 zwei derartige Leiterkarten im kontaktlosen Datenaustausch;
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5a einen Steckverbinder mit einem Stecker und einem davon getrennten Gegenstecker;
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5b den Steckverbinder mit dem Stecker und dem damit verbundenen Gegenstecker im kontaktlosen Datenaustausch.
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Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
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Die 1a zeigt eine Multifaceantenne 1, umfassend vier Elementarantennen 11 mit je einer Antennenfläche in einer Draufsicht. Die Elementarantennen sind rotationssymmetrisch zu einem gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet. Die Form der gezeigten Antennenflächen ist als rein beispielhaft anzusehen; tatsächlich können die Antennenflächen der Elementarantennen 11 eine durch Experimente und Simulationen dem gegenüber verbesserte Form aufweisen, was jedoch nicht notwendig zum Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden Grundprinzips ist.
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Die 1b zeigt die Multifaceantenne 1 in einer schrägen Draufsicht, wobei zusätzlich eine sende- bzw. empfangsseitige Richtcharakteristik 12 dargestellt ist, je nachdem, ob die Multifaceantenne 1 zu einem Transmitter Tx oder zu einem Receiver Rx gehört, wobei diese Art der Anwendung (Senden/Empfangen) jedoch nicht maßgeblich für die Form der Multifaceantenne 1 ist.
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Die 2a zeigt einen Transceiver 2, der als eigenständiges elektronisches Bauteil, nämlich als „Transceiver-Chip“, ausgeführt ist. Der Transceiver 2 besitzt einen Transmitter Tx zum Senden und einen Receiver Rx zum Empfangen von Signalen. Der Transmitter Tx und der Receiver Rx weisen jeweils eine Multifaceantenne auf und sind gemeinsam umgeben von einer zusätzlichen, schirmenden Antennenstruktur 21.
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Die 2b zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines solchen Transceiver-Chips im Querschnitt. Die Stärke eines solchen Chips kann beispielsweise im Bereich von 0,6 bis 1,4 mm liegen. Die schirmende Antennenstruktur 21 besitzt auf einer ersten, in der Zeichnung oben dargestellten Oberfläche des Transceiver-Chips Antennenflächen und ist auf der unten dargestellten Oberfläche mit nicht näher bezeichneten Masseanschlüssen kapazitiv gekoppelt. Die Antennenflächen der Elementarantennen 11 der Multifaceantennen des Transmitters Tx und des Receivers Rx sind ebenfalls auf der oberen Oberfläche des Chips 2 angeordnet. Weiterhin weist jede Elementarantenne 11 eine elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren Masseanschluss an der unten in der Zeichnung dargestellten Oberfläche des Chips auf, was eine separate Ansteuerung jeder einzelnen Antennenfläche 11, 11´ gestattet.
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Die 2c zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der die Antennenflächen der Elementarantennen 11 jedoch in einem Plättchen („Package“) eingebettet sind, welches auf der entsprechenden Oberfläche des elektronischen Bauteils 2, also des Chips, angeordnet ist, um die Richtwirkung zu verstärken. An der gegenüberliegenden Oberfläche ist der Chip mit den nicht näher bezeichneten Lötanschlüssen mit einer Leiterkarte 3 verbunden, d. h. mit nicht dargestellten Leiterbahnen der Leiterkarte 3, über welche jede Elementarantenne 11, 11´ separat mit einem dafür vorgesehenen Signal versorgt werden kann. Auf diese Weise kann das Signal z. B. jeder der Elementarantennen 11, 11´ eine definierte Phasenverzögerung erhalten, durch welche die sende – oder empfangsseitige Richtcharakteristik 12 erzeugt wird.
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Die 3 zeigt die Leiterkarte 3 mit vier derartigen Transceivern 2 in Form von solchen Transceiver-Chips, die zueinander symmetrisch auf der Leiterkarte 3 angeordnet sind.
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Die 4 zeigt zwei derartige Leiterkarten 3, 3´, die einander parallel gegenüberliegend und entgegengesetzt ausgerichtet angeordnet sind. Die zweite Leiterkarte 3´ ist also in ihrer Lage gegenüber der ersten Leiterkarte 3 um eine in der Zeichnung vertikale Achse um 180° gedreht und zusätzlich parallel nach rechts verschoben vorstellbar, so dass sich die jeweiligen Rexeiver Rx und Transmitter Tx der Transceiver 2, 2´ der beiden Leiterkaren 3, 3´ direkt gegenüber liegen. Die dazugehörigen, einander gegenüber liegenden Transceiver 2, 2´, bilden dabei jeweils ein Transceiverpaar. Weiterhin ist die Richtwirkung 12 der dazugehörigen Signalübertragung dargestellt, woraus sich die Kanaltrennung ergibt.
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Die 5a und 5b zeigen einen Steckverbinder 4, bestehend aus einem Stecker 42 und einem Gegenstecker 42´, in einem nicht verbundenen und in einem verbundenen Zustand.
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Der nicht verbundene Zustand ist in der 5a gezeigt. Der Stecker 42 weist ein Steckergehäuse 41 auf und der Gegenstecker besitzt ein Gegensteckergehäuse 41´ und das Steckergehäuse 41 und das Gegensteckergehäuse 41´ sind voneinander getrennt.
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Weiterhin ist sowohl im Steckergehäuse 41 als auch im Gegensteckergehäuse 41´ jeweils die entsprechende Leiterkarte 3, 3´ aus 4 angeordnet.
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In der 5b ist der Steckverbinder 4 im verbundenen Zustand dargestellt. Das Steckergehäuse 41 und das Gegensteckergehäuse 41´ sind mit einander verbunden. Dadurch sind die Leiterkarten 3, 3´ parallel zueinander ausgerichtet und die darauf befindlichen Transceiver 2, 2´ der einzelnen Transceiverpaare sind einander gegenüberliegend angeordnet.
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In dem verbundenen Zustand schirmen weiterhin die miteinander verbundenen Gehäuseteile, nämlich das Steckergehäuse 41 und das Gegensteckergehäuse 41´, die Signale nach außen hin ab, so dass außerhalb des nun geschlossenen Gehäuses des Steckverbinders 4 kein unberechtigter Zugang zu den übertragenen Daten mehr möglich ist.
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In dem in der 5a dargestellten nicht verbundenen Zustand, in dem sonst ein unberechtigter Zugriff möglich wäre, werden keine Signale abgestrahlt. Dies kann durch einen nicht in der Zeichnung dargestellten Näherungsschalter oder ein RFID-Bauelement oder irgendein anderes Bauelement, dass die Verbindung von Stecker und Gegenstecker detektiert, bewirkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Multifaceantenne
- 11, 11´
- Elementarantenne
- 12
- Richtcharakteristik
- 2, 2´
- Transponder
- 21
- schirmende Antennenstruktur
- 3, 3´
- Leiterkarte
- 4
- Steckverbinder
- 41, 41´
- Steckergehäuse, Gegensteckergehäuse
- 42, 42´
- Stecker, Gegenstecker
- Tx, Rx
- Transmitter, Receiver
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010045742 A1 [0004]
- DE 102005063190 A1 [0005]
- US 2015/0085903 A1 [0006]
