DE102017109861A1

DE102017109861A1 - Verfahren und Vorrichtungen für Geschwindigkeits- und/oder Positionserfassung

Info

Publication number: DE102017109861A1
Application number: DE102017109861.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt; Frank Heinrichs; Farhan Bin Khalid; Andreas Miller; Erich Kolmhofer; Christof Michenthaler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2017-11-23
Also published as: CN107402312A; CN107402312B; US20170336503A1; US10656260B2

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Maschinen (200), die ein bewegliches Teil (210) umfassen. Eine Senderschaltung (222) ist ausgebildet zum Erzeugen eines Funksignals und zum Senden des Funksignals in Richtung des beweglichen Teils via einen Sendewellenleiter (232). Eine Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil wird durch einen Empfangswellenleiter (234) empfangen und durch den Empfangswellenleiter zu einer Empfängerschaltung (224) geführt, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen Funksignal. Die Senderschaltung und die Empfängerschaltung können in einem Radarsensor (220) enthalten sein.

Description

Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Geschwindigkeits- und/oder Positionserfassung und insbesondere zum Beispiel auf hochgradig akkurate Geschwindigkeits- und/oder Positionserfassung für Automobilanwendungen.
Hintergrund
Zahlreiche Fahrzeug-, Industrie- und Verbraucheranwendungen sind auf Magnetsensoren angewiesen. Zu den Beispielen solcher Anwendungen gehören Geschwindigkeitserfassungsanwendungen, z. B. Radgeschwindigkeits-, Übertragungsgeschwindigkeits-, Kurbelwellen- und Nockenwellenerfassung. Integrierte Schaltungen (ICs; IC = Integrated Circuit) mit Radgeschwindigkeitssensor können verwendet werden, um die Geschwindigkeit eines jeden Rads zu messen, und zu detektieren, ob ein Rad während des Bremsens blockiert (ABS). Diese Messung kann als grundlegende Eingangssignale für das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP; ESP = Electronic Stability Program) eines Autos verwendet werden. Magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren können zum Beispiel auch verwendet werden, um Lenkwinkel und Lenkmoment zu messen. Die Verwendung von Hall- und magnetoresistiven Erfassungselementen für monolithisch integrierte Magnetsensoren ist bekannt.
Magnetfeldanwendungen verursachen aufgrund der Notwendigkeit von magnetischen Polrädern oder ferromagnetischen Zahnrädern und Back-Bias-Magneten (Rückwärts-Vorspannungs-Magneten) zusätzliche Kosten auf der Anwendungsseite. Daher besteht ein Bedarf zum Reduzieren von Sensorkosten bei den oben erwähnten Fahrzeug-, Industrie- und Verbraucheranwendungen.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen Objektdetektionssensoren vor, die auf Funksignale angewiesen sind, um eine Position und/oder Geschwindigkeit von beweglichen Objekten zu bestimmen. Die vorgeschlagenen Sensoren können bei Geschwindigkeits- und/oder Winkelerfassungsanwendungen eingesetzt werden.
Ferner schlagen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung die Verwendung von einem oder mehreren Wellenleitern vor, um ein durch eine Senderschaltung erzeugtes Funksignal in die Nähe, z. B. in den Bereich von Millimetern (mm) oder wenigen Zentimetern (cm), eines beweglichen Objekts zu führen, dessen Position und/oder Geschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Funksignal kann von dem beweglichen Objekt reflektiert werden. Das reflektierte Funksignal kann dann zu einer Empfängerschaltung zurück geführt werden durch Einsetzen von einem oder mehreren Wellenleitern, hierin als Empfangswellenleiter bezeichnet, oder des gleichen Wellenleiters, der dann als Sendeempfangswellenleiter bezeichnet werden kann, da er sowohl das gesendete Funksignal als auch das empfangene reflektierte Funksignale überträgt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Maschine bereitgestellt. Die Maschine umfasst ein bewegliches Teil, das ausgebildet ist zum Reflektieren von Funksignalen. Die Maschine umfasst ferner eine Senderschaltung, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Funksignals, und einen Sendewellenleiter, der zwischen die Senderschaltung und das bewegliche Teil gekoppelt ist. Der Sendewellenleiter ist ausgebildet zum Führen des Funksignals von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil. Die Maschine umfasst ferner einen Empfangswellenleiter und eine Empfängerschaltung. Der Empfangswellenleiter ist zwischen das bewegliche Teil und die Empfängerschaltung gekoppelt. Zusätzlich ist der Empfangswellenleiter ausgebildet zum Führen des Funksignals, das von dem beweglichen Teil reflektiert wird, zu dem Empfangswellenleiter. Die Empfängerschaltung ist ausgebildet zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter und/oder der Empfangswellenleiter einen Hohlleiter umfassen, z. B. einen Rechteckhohlleiter oder einen Rundhohlleiter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Hohlleiter einen Kunststoffhohlleiter umfassen, der einen Luftkern aufweist, der durch eine dielektrische Schicht umgeben ist. Die dielektrische Schicht kann aus einem Polymermaterial hergestellt sein, z. B. Teflon oder Polyethylen. Alternativ kann der Kern des Kunststoffhohlleiters mit einem Edelgas, z. B. Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon, gefüllt sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter und/oder der Empfangswellenleiter einen massiven Kunststoffwellenleiter aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung eine integrierte Schaltung umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Senderschaltung und die Empfängerschaltung in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse oder in einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Mehrzahl von Senderschaltungen, eine Mehrzahl von Empfängerschaltungen und/oder eine Mehrzahl von Sendeempfängerschaltungen in einem gemeinsamen Halbleiterchip oder in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse integriert sein. Anders ausgedrückt, selbst mehrere Sender, Empfänger oder Sendeempfänger können auf dem gleichen Chip oder in dem gleichen Gehäuse integriert sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine ferner ein abgeschirmtes Gehäuse umfassen, das ausgebildet ist zum elektromagnetischen Abschirmen der Senderschaltung und/oder der Empfängerschaltung, z. B. können die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung gemeinsam innerhalb des abgeschirmten Gehäuses angeordnet sein.
Weiterhin können einige Ausführungsbeispiele zusätzlich eine Filterschaltung umfassen, die ausgebildet ist zum Filtern einer Versorgungsspannung von Interferenzsignalen und zum Bereitstellen der gefilterten Versorgungsspannung an zumindest eine von der Senderschaltung und der Empfängerschaltung. Zusätzlich kann die Filterschaltung, z. B. eine Leistungsversorgung, in einem elektromagnetisch abgeschirmten Gehäuse gemäß einem elektromagnetischen Verträglichkeitsentwurf (EMC-Entwurf; EMC = electromagnetic compatibility = elektromagnetische Verträglichkeit) angeordnet sein. Dieses abgeschirmte Gehäuse (z. B. das gleiche abgeschirmte Gehäuse, das eingesetzt werden kann, um die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung abzuschirmen) kann auch die Filterschaltung, z. B. die Leistungsversorgung, vor elektrostatischen Entladungen (ESD; ESD = electrostatic discharges) schützen. Durch elektromagnetisches Abschirmen der Filterschaltung, z. B. der Leistungsversorgung und Schützen derselben vor ESD, können die Senderschaltung, die Empfängerschaltung und/oder eine Sendeempfängerschaltung, die die Senderschaltung und Empfängerschaltung umfasst, in einer Standard-CMOS-Technologie realisiert werden. Anders ausgedrückt, die Versorgung kann EMC- und ESD-geschützt sein, derart, dass der Sendeempfänger in einer Standard-CMOS-Technologie realisiert werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Filterschaltung zumindest eines von einem Tiefpassfilter und einem Spannungsregler umfassen. Zum Beispiel kann der Tiefpassfilter serielle Induktoren und/oder Parallelkondensatoren umfassen. Der Spannungsregler kann einen linearen Regler und/oder einen Schaltregler umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter und der Empfangswellenleiter über eine Distanz von zumindest fünf Zentimeter geleitet sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine erste minimale Distanz zwischen dem Sendewellenleiter und dem beweglichen Teil weniger als 5 cm sein, und eine zweite minimale Distanz zwischen den Empfangswellenleiter und dem beweglichen Teil kann ebenfalls weniger als 5 cm sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Sendewellenleiter einen Sendefeldübergangskoppler, der ausgebildet ist zum Koppeln des Funksignals von der Senderschaltung in den Sendewellenleiter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Sendewellenleiter eine Sendeapertur umfassen, die ausgebildet ist zum Emittieren des Funksignals in Richtung des beweglichen Teils.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Empfangswellenleiter eine Empfangsapertur umfassen, die ausgebildet ist zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Empfangswellenleiter einen Empfangsfeldübergangskoppler umfassen, der ausgebildet ist zum Koppeln des reflektierten Funksignals aus dem Empfangswellenleiter zu der Empfängerschaltung.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter und der Empfangswellenleiter in einen einzelnen Sendeempfangswellenleiter integriert sein. Der Sendeempfangswellenleiter kann zum Beispiel ausgebildet sein zum Führen des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil, und zum Führen des von dem beweglichen Teil reflektierten Funksignals zu der Empfängerschaltung. Zusätzlich kann der Sendeempfangswellenleiter einen direktiven Teiler umfassen. Der direktive Teiler kann ausgebildet sein zum Koppeln des Funksignals von der Senderschaltung in den Sendeempfangswellenleiter und zum Koppeln des reflektierten Funksignals aus dem Sendeempfangswellenleiter zu der Empfängerschaltung.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine eine Sendeempfangsantenne umfassen, die ausgebildet sein kann zum Koppeln des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals in den Sendeempfangswellenleiter und zum Erfassen, anders ausgedrückt, Empfangen, des reflektierten Funksignals von dem Sendeempfangswellenleiter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine einen Duplexer umfassen. Der Duplexer kann ausgebildet sein zum Übertragen des Funksignals von der Senderschaltung zu der Sendeempfangsantenne, und kann ausgebildet sein zum Übertragen des reflektierten Funksignals von der Sendeempfangsantenne zu der Empfängerschaltung.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann zumindest einer der Wellenleiter, z. B. der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter, unter Verwendung von zumindest einem Wellenleiterverbinderpaar verbunden sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Senderschaltung eine Sendeantenne umfassen. Die Sendeantenne kann ausgebildet sein zum Koppeln des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals in den Sendewellenleiter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Empfängerschaltung eine Empfangsantenne umfassen, die ausgebildet sein kann zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Senderschaltung mit einer Mehrzahl von Sendewellenleitern gekoppelt sein und die Empfängerschaltung kann mit einer Mehrzahl von Empfangswellenleitern gekoppelt sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Empfängerschaltung ausgebildet sein zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf einer Leistungsvariation des empfangenen reflektierten Funksignals und/oder einer Phasendifferenz zwischen dem erzeugten Funksignal und dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können benachbarte Oberflächenabschnitte des beweglichen Teils für abwechselndes elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das Funksignal ausgebildet sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das bewegliche Teil um eine Rotationsachse drehbar sein und die Empfängerschaltung kann ausgebildet sein zum Bestimmen einer Rotationsposition und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen Funksignal. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsbeispielen das bewegliche Teil einen rotationsmäßig symmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse umfassen. Alternativ kann das bewegliche Teil bei einigen Ausführungsbeispielen einen rotationsmäßig asymmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das bewegliche Teil ein Rad, ein Zahnrad, eine Scheibe oder eine Welle sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter durch eine Kammerwand eines Maschinengehäuses unter Verwendung einer Radiofrequenz-Zuführung (RF-Zuführung) zugeführt. Zum Beispiel kann das bewegliche Teil innerhalb des Maschinengehäuses (z. B. eines Verbrennungsmotorgehäuses oder eines Getriebekastengehäuses) sein und die elektronischen Komponenten, z. B. die Senderschaltung, die Empfängerschaltung und/oder die Filterschaltung, können außerhalb des Maschinengehäuses oder in einer anderen Kammer des Maschinengehäuses sein. Der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter können via die RF-Zuführung (oder eine Mehrzahl von RF-Zuführungen) durch das Maschinengehäuse, z. B. durch eine Kammerwand des Maschinengehäuses, zugeführt werden. Weiterhin kann das Maschinengehäuse hermetisch abgedichtet sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die RF-Zuführung ein separates Wellenleiterelement umfassen, das mit einem Wellenleiterstöpsel auf zumindest einer Seite des Maschinengehäuses verbunden sein kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die RF-Zuführung eine Öffnung in einer Kammerwand des Maschinengehäuses aufweisen, wobei ein kurzes Stück Wellenleiter, das mit dem Sendewellenleiter, dem Empfangswellenleiter und/oder dem Sendeempfangswellenleiter mechanisch und elektrisch kompatibel ist, durch die Öffnung in der Kammerwand zugeführt wird. Das kurze Stück Wellenleiter kann zum Beispiel eine Länge zwischen 1 cm und 3 cm aufweisen, aber auch eine kürzere Länge, z. B. weniger als 1 cm, oder eine längere Länge, z. B. länger als 3 cm, sind möglich. Das kurze Stück Wellenleiter kann Flansche, Mutter und/oder Unterlegscheiben umfassen, die an der Kammerwand des Maschinengehäuses befestigt werden sollen, und kann Flansche und/oder Wellenleiterstöpsel umfassen, die mit dem Sendewellenleiter, dem Empfangswellenleiter und/oder dem Sendeempfangswellenleiter verbunden werden sollen. Ein Zwischenraum zwischen der äußeren Wand des kurzen Stück Wellenleiters und der Kammerwand kann zum Beispiel unter Verwendung von Dichtringen und/oder einer Siliziumdichtung hermetisch abgedichtet sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die RF-Zuführung einen koaxialen Radiofrequenz-Buchsenverbinder umfassen, der durch eine Öffnung in der Kammerwand zugeführt wird. Der Radiofrequenz-Buchsenverbinder kann einem SMA-(Subminiaturversion-A-), 2,92-mm-, einem 2,4-mm-, einem 1,85-mm- und/oder einem 1,00-mm-RF-Koaxialstandard entsprechen. Der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter können mit dem koaxialen Radiofrequenz-Buchsenverbinder unter Verwendung von entsprechenden Wellenleiter-zu-Koaxial-Adaptern verbunden sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine ein Maschinengehäuse umfassen. Das Maschinengehäuse kann ausgebildet sein zum Unterbringen des beweglichen Teils. Ferner kann das Maschinengehäuse eine Halterung umfassen, die ausgebildet ist zum Empfangen des Sendewellenleiters und/oder des Empfangswellenleiters. Ferner kann die Halterung ausgebildet sein zum Richten eines Endes des zumindest einen empfangenen Wellenleiters in Richtung des beweglichen Teils. Auf diese Weise kann das Funksignal an dem Ende des Sendewellenleiters 1232 in Richtung des beweglichen Teils 1210 emittiert werden und/oder das Funksignal, das von dem beweglichen Teil reflektiert wird, kann an dem Ende des Empfangswellenleiters 1234 empfangen werden.
Optional kann die Halterung in eine Öffnung in dem Maschinengehäuse eingefügt werden und kann auf dem Maschinengehäuse befestigt werden. Zumindest ein empfangener Wellenleiter (z. B. ein Sendewellenleiter und/oder ein Empfangswellenleiter) kann in die Halterung von außerhalb des Maschinengehäuses eingefügt werden. Ferner kann ein Ende der Halterung im Inneren des Maschinengehäuses für das Funksignal (und das reflektierte Funksignal) transparent sein. Auf diese Weise kann der Sendewellenleiter das Funksignal von der Senderschaltung in das Maschinengehäuse zu dem beweglichen Teil leiten und/oder der Empfangswellenleiter kann das reflektierte Funksignal von dem beweglichen Teil aus dem Maschinengehäuse zurück zu der Empfängerschaltung leiten.
Optional kann die Halterung zumindest eine dielektrische Linse umfassen, die an dem Ende der Halterung im Inneren des Maschinengehäuses angebracht ist. Die dielektrische Linse kann in Richtung des beweglichen Teils gerichtet sein und kann mit dem zumindest einen empfangenen Wellenleiter elektromagnetisch gekoppelt sein. Die dielektrische Linse kann das Funksignal auf das bewegliche Teil fokussieren und/oder kann mehr von der Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil sammeln. Dies kann wiederum die Genauigkeit zum Bestimmen der Geschwindigkeit und/oder der Position des beweglichen Teils verbessern.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weisen der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter eine Isolierung gegenüber Umwelteinflüssen, z. B. gegenüber Feuchtigkeit, gegenüber Fluiden und/oder gegenüber hohen Temperaturen (z. B. Temperaturen über 80°C), auf. Innerhalb eines Maschinengehäuses der Maschine kann es zum Beispiel Feuchtigkeit aufgrund von Betriebsfluiden (z. B. Motoröl und/oder Hydraulikfluiden) oder aufgrund von Kondenswasser geben. Ein Isolieren des Wellenleiters (z. B. des Sendewellenleiters, des Empfangswellenleiters und/oder des Sendeempfangswellenleiters) gegen Feuchtigkeit und gegen Fluide, z. B. gegen direkten Kontakt mit Feuchtigkeit und/oder mit Fluiden, kann eine zusätzliche Dämpfung der durch den Wellenleiter geführten Funksignale, z. B. des gesendeten Funksignals und/oder des reflektierten Funksignals, verhindern. Das Isolieren des Wellenleiters gegen hohe Temperaturen kann eine Deformation des Wellenleiters aufgrund von Wärme verhindern, was ansonsten eine Dämpfung der durch den Wellenleiter geführten Funksignale verursachen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Isolierung gegenüber Umwelteinflüssen zum Beispiel eine Schaumbeschichtung, eine Gummibeschichtung und/oder einen Metallschirm umfassen, wobei die Schaumbeschichtung, die Gummibeschichtung und/oder der Metallschirm um den Wellenleiter (z. B. den Sendewellenleiter, den Empfangswellenleiter und/oder den Sendeempfangswellenleiter) angeordnet sein können. Anders ausgedrückt, bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter gegenüber Betriebsfluiden (z. B. Motoröl) isoliert sein, die innerhalb des Maschinengehäuses verwendet werden können, um einen direkten Kontakt zwischen dem Wellenleiter und diesen Fluiden zu vermeiden, der zu einem Energieverlust führen kann. Diese Isolierung kann zum Beispiel durch eine Schaumbeschichtung oder einen Metallschirm um den Wellenleiter, z. B. um einen Kunststoffwellenleiter, z. B. eine Faser, erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter eine erste Wellenleitersektion und eine zweite Wellenleitersektion. Die erste Wellenleitersektion kann einen dielektrischen Wellenleiter, z. B. einen massiven Kunststoffwellenleiter, einen Kunststoffhohlleiter oder einen metallischen Wellenleiter, der mit einem dielektrischen Medium, z. B. einem Polymermaterial, gefüllt ist, umfassen. Die zweite Wellenleitersektion kann einen Hohlleiter, z. B. einen metallischen Hohlleiter, umfassen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die zweite Wellenleitersektion einen Durchgang durch ein Fluid, z. B. ein Betriebsfluid, oder einen Durchgang durch ein Maschinengehäuse bilden, der Feuchtigkeit und/oder hohen Temperaturen (z. B. Temperaturen über 80°C) unterliegt. Anders ausgedrückt, der Durchgang durch das Betriebsfluid kann durch ein metallisches Hohlleitersegment realisiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann zumindest einer von dem Sendewellenleiter und dem Empfangswellenleiter einen ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt und einen zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt aufweisen. Der erste und der zweite massive Kunststoffwellenleiterabschnitt können jeweils durch ein jeweiliges dielektrisches Schaumrohr oder eine Metallbeschichtung beschichtet sein. Die jeweiligen dielektrischen Schaumrohre können eine dielektrische Konstante aufweisen, die geringer ist als eine dielektrische Konstante des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts. Die dielektrischen Schaumrohre können ausreichend Platz zwischen den beschichteten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitten und anderen Teilen der Maschine bereitstellen. Somit wird ein elektromagnetisches Feld eines Funksignals, das sich durch die massiven Kunststoffwellenleiterabschnitte ausbreitet, möglicherweise nicht durch andere Teile der Maschine gestört, sodass Verluste in den massiven Kunststoffwellenleiterabschnitten reduziert werden können.
Ein Ende des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts kann mit einem Ende des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts durch ein Halterungsrohr verbunden sein. Das Halterungsrohr kann ausgebildet sein zum Ausrichten einer Stirnseite des Endes des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts mit einer Stirnseite des Endes des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts. Auf diese Weise können Funksignale von einem massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt zu dem anderen übergehen. Durch Verbinden von zumindest zwei massiven Kunststoffwellenleiterabschnitten miteinander können der Sendewellenleiter und/oder der Empfangswellenleiter auf eine erwünschte Länge getrimmt werden, die für die Installationsbedingungen in der Maschine geeignet ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine ein Fahrzeug, z. B. ein Auto, ein Lkw oder ein Motorrad, oder Teil eines Fahrzeugs, z. B. ein Getriebe, ein Motor, ein Generator oder ein Fahrgestell, sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Sensorvorrichtung bereitgestellt. Die Sensorvorrichtung umfasst eine elektromagnetisch abgeschirmte, integrierte Sendeempfängerschaltung, die einen Senderabschnitt, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Funksignals, und einen Empfängerabschnitt umfasst. Die Sensorvorrichtung umfasst auch einen Sendewellenleiter und einen Empfangswellenleiter. Der Sendewellenleiter ist mit dem Senderabschnitt gekoppelt und ist ausgebildet zum Führen des Funksignals von dem Senderabschnitt zu einem beweglichen Teil. Der Empfangswellenleiter ist mit dem Empfängerabschnitt gekoppelt und ist ausgebildet zum Führen eines Funksignals, das von dem beweglichen Teil reflektiert wird, zu dem Empfängerabschnitt. Der Empfängerabschnitt ist ausgebildet zum Erfassen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Sensorvorrichtung eine Filterschaltung umfassen, die ausgebildet ist zum Filtern einer Versorgungsspannung von Interferenzsignalen und zum Bereitstellen der gefilterten Versorgungsspannung an die integrierte Sendeempfängerschaltung.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines beweglichen Teils bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Funksignals mit einer Senderschaltung und ein Koppeln des Funksignals von der Senderschaltung in einen Sendewellenleiter. Das Funksignal wird von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil durch den Sendewellenleiter geführt und von dem Sendewellenleiter in Richtung des beweglichen Teils emittiert. Ferner umfasst das Verfahren ein Reflektieren des Funksignals von dem beweglichen Teil, ein Erfassen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil mit einem Empfangswellenleiter und ein Führen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil zu einer Empfängerschaltung durch den Empfangswellenleiter. Das reflektierte Funksignal wird aus dem Empfangswellenleiter mit der Empfängerschaltung gekoppelt. Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils mit der Empfängerschaltung basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Kurze Beschreibung der Figuren
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
1a, b Beispiele von inkrementeller Magnetfelderfassung darstellen;
2 ein Diagramm eines Erfassungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
3a–c Beispiele von Wellenleitern zeigen, die zum Führen von erzeugten und reflektierten Funksignalen verwendet werden können;
4a, b ein Beispiel einer Sensorvorrichtung zeigen, die ein abgeschirmtes Gehäuse umfasst;
5a, b ein Beispiel einer Filterschaltung zusammen mit ihren Eingangs- und Ausgangsspannungen zeigen, die ausgebildet ist zum Filtern einer Versorgungsspannung in einem Erfassungssystem;
6 ein Beispiel einer Feldkopplungsstruktur von einer Schaltungsplatine zu einem Rechteckhohlleiter darstellt;
7 ein Beispiel einer Näherungskopplungsstruktur von einer Schaltungsplatine zu einem Rundhohlleiter darstellt;
8 ein Beispiel eines Sendeempfangswellenleiters darstellt, der mit einer integrierten Sendeempfängerschaltung gekoppelt ist, die auf einer Schaltungsplatine befestigt ist;
9 ein Blockdiagramm eines beispielhaften direktiven Teilers zeigt;
10a, b Beispiele von Feldübergangskopplern zeigen;
11a, b beispielhafte Implementierungen von Empfangsaperturen zeigen;
12a, b möglich Implementierungen von Sensorvorrichtungen zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines beweglichen Teils zeigen;
13 eine mögliche Implementierung einer zentralisierten Sensorvorrichtung zum Bestimmen von Positionen und/oder Geschwindigkeiten von mehreren beweglichen Teilen zeigt;
14 ein Beispiel für einen auf Funkwellen basierenden inkrementellen Geschwindigkeitssensor zeigt;
15a, b weitere Beispiele von auf Funkwellen basierenden Erfassungssystemen unter Verwendung von rotationsmäßig symmetrischen beweglichen Teilen zeigen;
16 ein Beispiel eines reflektierten Funksignals bezogen auf beispielhafte Ausführungsbeispiele für Geschwindigkeitserfassung darstellen;
17 ein Beispiel eines auf Funkwellen basierenden Erfassungssystems unter Verwendung eines rotationsmäßig asymmetrischen beweglichen Teils zeigt;
18 ein grobes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Positions- und/oder Geschwindigkeitserfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
19 ein Beispiel eines auf Funkwellen basierenden Erfassungssystems unter Verwendung eines beweglichen Teils mit einem Kreisquerschnitt mit einer dezentrierten Rotationsachse zeigt.
20a–g Halterungen zeigen, die verwendet werden, um einen Wellenleiter in der Nähe eines beweglichen Teils in Position zu halten;
21a–b Sensorvorrichtungen zeigen, die einen Faserkoppler aufweisen; und
22a–b Verbindungen zwischen massiven Kunststoffwellenleiterabschnitten zeigen, wobei ein Halterungsrohr eingesetzt wird.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Während dementsprechend verschiedene Abänderungen und alternative Formen von Ausführungsbeispielen möglich sind, werden Ausführungsbeispiele davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Abänderungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Ziffern auf gleiche Elemente.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Worte sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
Die hier angewandte Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für weitere Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Einzelformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht deutlich sonstiges anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn ausgelegt werden, sofern sie nicht ausdrücklich so definiert sind.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen vor, eine Rotationsgeschwindigkeit oder -position basierend auf strukturierten Zielen unter Verwendung eines Radarsystems anstelle von Magnetfeldsensoren zu messen. Zum Beispiel wird ein Fahrzeugradar derzeit für Distanzmessungen in einem Skalenbereich von einigen 10 Zentimetern bis zu einigen 100 Metern verwendet. Ausführungsbeispiele schlagen ein komplett neues Konzept für aktuell in Fahrzeugen oder anderen Maschinen verwendete Geschwindigkeits- oder Winkelsensoren vor, unter Einsatz von Messungen in dem Subzentimeter- oder sogar Submillimeterbereich durch Radarsensoren mit geringer Leistung oder von geringer Komplexität. Als solches ist dieses neue Konzept fähig zum Ersetzen herkömmlicher Magnetsensoren, die für Geschwindigkeits- oder Winkelsensoren verwendet werden, wodurch die Systemkosten gesenkt werden.
Eine magnetisch inkrementelle Feldmessung ist bestens etabliert. Zwei beispielhafte Prinzipien der Magneterfassung sind in 1a und b gezeigt.
Bei dem Beispiel von 1a wird ein Magnetsensor 100 verwendet, um eine Position und/oder Geschwindigkeit eines drehbar beweglichen ferromagnetischen Zahn- oder Getrieberads 110 zu detektieren. Der Magnetsensor 100 umfasst einen Back-Bias-Magneten 102 zum Erzeugen eines Vorspannungsmagnetfeldes (Bias-Magnetfeldes), das durch das sich bewegende Getrieberad 110 beeinflusst ist. Ferner umfasst der Magnetsensor 100 ein erstes und zweites Magnetsensorelement 114-1, 114-2, um Variationen des Vorspannungsmagnetfeldes aufgrund des Getrieberads 110 zu erfassen (sense, capture). Beispiele von Magnetsensorelementen sind Hall-Sensor- oder magnetoresistive Sensor-Elemente. Eine optionale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 106 kann die durch die Magnetsensorelemente 114-1, 114-2 bereitgestellten Signale weiterverarbeiten. Aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus der Magnetsensorelemente 114-1, 114-2 kann auch eine Rotationsrichtung des Getrieberads 110 detektiert werden, zum Beispiel basierend auf Phasendifferenzen zwischen Signalen des ersten und zweiten Magnetsensorelements 114-1, 114-2. Ausgangssignale des Magnetsensors 110 können zum Beispiel einer elektronischen Steuereinheit (ECU; ECU = Electronic Control Unit) eines Fahrzeugs zugeführt werden.
Ein unterschiedlicher Aufbau für eine magnetische inkrementelle Geschwindigkeits-/Positionserfassung ist in 1b gezeigt. Bei diesem Beispiel wird ein Magnetsensor 150 verwendet, um eine Position und/oder Geschwindigkeit eines drehbar beweglichen Magnetcodiererrads (magnetischen Polrads) 160 zu detektieren, das abwechselnde Magnetpole in Umfangsrichtung aufweist. Der Magnetsensor 150 umfasst ein erstes und ein zweites Magnetsensorelement 154-1, 154-2, um Variationen des Magnetfeldes zu erfassen, die auf das rotierende Codiererrad 160 zurückgehen. Wiederum sind Beispiele von Magnetsensorelementen Hall Sensor- oder magnetoresistive Sensor-Elemente. Eine optionale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 156 kann ferner die durch die Magnetsensorelemente 154-1, 154-2 bereitgestellten Signale verarbeiten. Aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus der Magnetsensorelemente 154-1, 154-2 kann auch eine Rotationsrichtung des Codiererrads 160 detektiert werden. Ausgangssignale des Magnetsensors 150 können zum Beispiel einer elektronischen Steuereinheit (ECU) eines Fahrzeugs zugeführt werden.
Die magnetischen Erfassungsaufbauten von 1 können in Fahrzeuganwendungen, einschließlich Winkelerfassungsanwendungen oder Geschwindigkeitserfassungsanwendungen, z. B. Radgeschwindigkeits-, Übertragungsgeschwindigkeits-, Kurbelwellen- und Nockenwellenerfassung, angewandt werden. Solche Magnetfeldanwendungen können allerdings zusätzliche Kosten und/oder Raumanforderungen auf der Anwenderseite aufgrund der Notwendigkeit von magnetischen Polrädern oder ferromagnetischen Zahnrädern und Back-Bias-Magneten verursachen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen daher ein komplett neues System unter Einsatz von Radarsensoren für Winkel- und/oder Geschwindigkeitserfassungsanwendungen vor. Wie der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, kann ein Zahnrad einfacher hergestellt werden im Falle eines Radars, z. B. ein Kunststoffzahnrad, eine Scheibe mit einem bedruckten Metallmuster, das das Reflexionsvermögen ändert, oder eine Scheibe mit Löchern, wobei feste Teile zwischen den Löchern ausgebildet sind zum Reflektieren von Funksignalen (z. B. elektromagnetischen Wellen). Bei Anwendungen bezogen auf Getriebekästen oder Übersetzungen können herkömmliche Zahnräder zusammen mit Radarsensoren für eine Rotationsgeschwindigkeitserfassung verwendet werden. Verglichen mit Magnetsensoren ist es nicht erforderlich, dass diese Zahnräder ferromagnetisch sind oder Back-Bias-Magneten installiert haben.
Fahrzeugradar wird aktuell für Distanzmessungen in einem größeren Skalenbereich d = 1 ... 200 m verwendet. Der Preis pro Radarsystem nimmt deutlich ab und eine Reduzierung eines Radarsystems auf die Anforderungen einer sehr kurzen Distanzmessung (z. B. d = 1 ... 5 mm), die für die angezielten Anwendungen benötigt wird, würde eine weitere Kostensenkung aufgrund des reduzierten Leistungsverbrauchs (~d^–4) erlauben. Zusätzlich würde die Änderung der Anwendung von einer linearen Distanzmessung zu einer binären Musterdetektion einen weiter vereinfachten Entwurf des Radarsystems erlauben. Dies zeigt an, dass die Kostenskalierungsfunktion von Radarsystemen für inkrementelle Geschwindigkeits- und Positionssensoren deutlich aggressiver sein sollte als die von Magnetischen. Folglich könnte eine Kostensituation erreicht werden, die eine Auswechslung von Magnetfeldsensoren durch Radarsysteme initiieren kann.
Beim Ausrüsten einer Maschine mit einem Radarsensors, um eine Position und/oder eine Geschwindigkeit eines beweglichen Teils der Maschine zu bestimmen, stellt man häufig fest, dass die Installationsbedingungen und der Installationsraum eingeschränkt sind. Erstens ist es erforderlich, dass ungeachtet dessen, ob ein Radarsensor oder ein Magnetsensor eingesetzt wird, eine elektrische Leistungsversorgung, z. B. eine oder mehrere Versorgungsspannungen, an den Sensor für seinen Betrieb bereitgestellt wird. Diese Versorgungsspannungen sind an dem Messort möglicherweise nicht verfügbar. Sie können mit dem Messort schnurgebunden sein, allerdings können Drähte, die Versorgungsspannungen tragen, anfällig sein für elektromagnetische Interferenzsignale. Solche Interferenzsignale können häufig durch transiente Ereignisse erzeugt werden. Zum Beispiel erzeugen Zündspulen innerhalb von Fahrzeugen normalerweise kurze elektrische Pulse mit hohen Spannungen, die über mehrere Kilovolt (kV) hinausgehen. Diese kurzen elektrischen Pulse weisen häufig ein Spreizfrequenzspektrum (spread frequency spectrum) auf, derart, dass sie an verschiedenen Frequenzen, die durch gewollte Signale, z. B. Sensorsignale, belegt sind, stören durch ein Koppeln in Drähte oder andere Arten von Leitern, die Versorgungsspannungen tragen. Zum Beispiel kann eine Empfängerschaltung eines Radarsensors einen rauscharmen Verstärker (LNA; LNA = low noise amplifier) umfassen, um reflektierte Funksignale von sehr geringer Leistung, z. B. Leistungen zwischen 0,01 μW und 10 μW, zu detektieren. Ein starker Interferenzpuls, der in die Versorgungsspannung des LNA koppelt, kann entweder das schwache empfangene reflektierte Funksignal modulieren oder mit einem Signalausgang des LNA koppeln, wodurch das empfangene reflektierte Funksignal überlagert wird, derart, dass es durch die Empfängerschaltung nicht mehr detektiert werden kann. Ferner kann ein starker Interferenzpuls, der in die Versorgungsspannung koppelt, einige Arten von Radarsensoren schädigen, wenn nicht eine Schutzstruktur (z. B. eine Filterschaltung) eingesetzt wird, um diese Radarsensoren von solchen Interferenzpulsen abzuschirmen. Allerdings können solche Schutzstrukturen (z. B. Filterschaltungen) aufgrund ihres hohen Flächen-(z. B. Schaltungsplatinenflächen-)Verbrauchs teuer sein. Ferner können Interferenzsignale als reflektierte Funksignale durch die Empfängerschaltung fehlinterpretiert werden, was zu fehlerhaften Messungen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils führen kann. Ferner sollte hinzugefügt werden, dass Interferenzsignale nicht nur das Funksignal des Radarsensors stören können, wenn sie von der gleichen Frequenz, z. B. der gleichen Trägerfrequenz, sind oder teilweise den gleichen Frequenzbereich, z. B. den gleichen Trägerfrequenzbereich, abdecken. Eine Interferenz, z. B. in der Empfängerschaltung oder in einer Senderschaltung des Radarsensors, kann auch auf Zwischen- oder Basisband-Frequenzen auftreten, die durch die Empfängerschaltung und/oder die Senderschaltung verwendet werden. Zum Beispiel kann es eine Interferenz geben aufgrund von störenden Antworten des Radarsensors, z. B. kann eine Grund- oder harmonische Frequenzkomponente des Interferenzsignals sich mit einer Grund- oder harmonischen Frequenzkomponente eines Lokaloszillators des Radarsensors zu einem Zwischen- oder Basisband-Frequenzband mischen. Folglich kann das Interferenzsignal in einem Funksignalausgang der Senderschaltung auftreten, z. B. das erzeugte Funksignal überlagern und/oder kann in einem Zwischen- oder Basisband-Signalpfad der Empfängerschaltung auftreten.
Ein Filtern der Versorgungsspannungen des Radarsensors oder der Magnetsensoren kann im Allgemeinen möglich sein, gleichwohl können solche Filterschaltungen häufig massig sein bei einem Vergleich mit einem Radarsensor, der zum Beispiel in einen Halbleiterchip integriert ist. Filterschaltungen können zum Beispiel mehrere Keramikkondensatoren umfassen, die häufig mehr Platz auf einer gedruckten Schaltungsplatine erfordern als integrierte Radarsensoren.
Um Einschränkungen des eingeschränkten Installationsraums und beim Anordnen von Radarsensorschaltungen in einer unmittelbaren Umgebung des beweglichen Teils, z. B. innerhalb einer Distanz von 5 cm oder weniger, zu umgehen, ist ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung, das durch eine Senderschaltung erzeugte Funksignal zu dem beweglichen Teil unter Verwendung eines Sendewellenleiters zu führen und das von dem beweglichen Teil reflektierte Funksignal zu einer Empfängerschaltung unter Verwendung eines Empfangswellenleiters zu führen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können somit diese Wellenleiter mehr als 5 cm lang, oder manchmal auch länger als 30 cm sein. Bei einigen möglichen Implementierungen können sie sogar mehr als ein Meter (m) lang sein, und, wenn die Sensorvorrichtung innerhalb einer Maschine verwendet wird, können die Wellenleiter um andere Teile der Maschine herum zu dem beweglichen Teil geleitet werden, dessen Position und/oder Geschwindigkeit bestimmt werden soll. Dies ist in 2 dargestellt, die ein grobes Blockdiagramm eines Systems oder einer Maschine 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
Die Maschine 200 umfasst ein bewegliches Teil 210, einen Radarsensor 220, einen elektromagnetischen Sendewellenleiter 232 und einen elektromagnetischen Empfangswellenleiter 234. Der Radarsensor 220 umfasst eine Senderschaltung 222 und Empfängerschaltung 224. Abhängig von der Frequenz können die elektromagnetischen Wellenleiter 232, 234 aus leitfähigen und/oder dielektrischen Materialien konstruiert sein. Die Wellenleiter können zum Übertragen sowohl von Leistung als auch RF-Signalen verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das bewegliche Teil 210 zum Beispiel ein Zahnrad in einem Getriebe oder eine Nocke einer Nockenwelle oder ein künstliches Ziel, z. B. eine Scheibe mit Löchern, sein. Das künstliche Ziel kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Position oder eine Geschwindigkeit eines anderen beweglichen Teils zu erfassen, an dem dasselbe angebracht ist. Anders ausgedrückt, das künstliche Ziel hat möglicherweise keine mechanische Funktion in der Anwendung.
Die Senderschaltung 222 ist ausgebildet zum Erzeugen eines modulierten oder nicht modulierten Funksignals und zum Koppeln des Funksignals in ein erstes Ende des Sendewellenleiters 232. Der Sendewellenleiter 232 kann dann das Funksignal zu einem zweiten Ende von demselben führen, wobei sich das zweite Ende des Sendewellenleiters 232 innerhalb einer Distanz d des beweglichen Teils befindet. Die Distanz d kann weniger als 5 cm sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Distanz d sogar kleiner sein, z. B. kleiner als 3 cm, kleiner als 1 cm oder sogar kleiner als 5 mm. Zum Beispiel kann die Distanz d einen Wert zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Die Distanz d kann als die kürzeste Distanz zwischen einem Oberflächenabschnitt des beweglichen Teils 210, der dem zweiten Ende des Sendewellenleiters 232 zugewandt ist, verstanden werden. Der Sendewellenleiter kann zusätzlich ausgebildet sein zum Emittieren des Funksignals S_t von dem zweiten Ende in Richtung des beweglichen Teils, wo es reflektiert werden kann.
Der Empfangswellenleiter 234 kann ausgebildet sein zum Erfassen einer Reflexion S_r des Funksignals von dem beweglichen Teil an einem ersten Ende von demselben, das sich in unmittelbarer Nähe zu dem beweglichen Teil befindet. Zum Beispiel kann sich das erste Ende des Empfangswellenleiters 234 auch innerhalb der Distanz d des beweglichen Teils 210 oder in einer etwas unterschiedlichen Distanz als der Distanz d, z. B. einige Millimeter oder Zentimeter näher oder weiter weg, befinden. Der Empfangswellenleiter 234 kann dann das reflektierte Funksignal zu einem zweiten Ende von demselben führen. An dem zweiten Ende des Empfangswellenleiters 234 kann das reflektierte Funksignal durch die Empfängerschaltung 224 empfangen werden, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer Position und/oder Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Position und/oder Geschwindigkeit basierend auf einer Kombination des erzeugten Funksignals und des empfangenen reflektierten Funksignals bestimmt werden.
Entsprechend den Längen des Sendewellenleiters 232 und des Empfangswellenleiters 234 kann der Radarsensor von dem beweglichen Teil 210 weiter weg platziert sein, z. B. in einer Distanz zwischen 5 cm und 100 cm, aber auch weitere Distanzen sind möglich, z. B. eine Distanz zwischen 1 m und 3 m. Dies kann zusätzliche Freiheitsgrade beim Ausrüsten der Maschine 200 mit dem Radarsensor 220 bereitstellen.
Selbst wenn der Radarsensor 220 von dem beweglichen Teil 210 weiter weg platziert ist, kann die Senderschaltung 222 das Funksignal mit nur einer kleinen elektrischen Leistung z. B. in dem Mikrowatt-Bereich (μW-Bereich) erzeugen, da der Sendewellenleiter 232 die Distanz zwischen der Senderschaltung 222 und dem beweglichen Teil 210 überbrücken kann, und der Empfangswellenleiter 234 die Distanz zwischen dem beweglichen Teil 210 und der Empfängerschaltung 224 bei geringen Verlusten überbrücken kann. Zum Beispiel können der Sendewellenleiter 232 und der Empfangswellenleiter 234 einen Einfügungsverlust von 1 dB/m bis 3 dB/m und etwa 2 dB Verlust pro Verbindung aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Maschine 200 ein Fahrzeug, z. B. ein Auto, ein LKW oder ein Motorrad oder ein Teil eines Fahrzeugs, z. B. ein Getriebe, ein Motor, ein Generator oder ein Fahrzeuggestell, sein. Allerdings erkennt der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, dass die Maschine 200 jede Maschine sein kann, die eine Sensorausrüstung für eine Bewegungsdetektion von einem oder mehreren beweglichen Teilen der Maschine verwendet. D. h., die Maschine 200 kann auch eine Industriemaschine, eine Haushaltsmaschine oder dergleichen sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen nutzt der Radarsensor 220 das Radarprinzip. Radar ist ein Objektdetektionssystem, das Funkwellen verwendet, um Eigenschaften von Objekten, z. B. ihre Position und/oder ihre Geschwindigkeit, zu bestimmen. Die Senderschaltung 222 sendet Funkwellen oder Mikrowellen via den Sendewellenleiter 232, die von dem beweglichen Teil 210 reflektiert werden. Die Empfängerschaltung 224, die innerhalb des gleichen Halbleitergehäuses integriert ist oder mit der Senderschaltung 222 monolithisch integriert ist, empfängt diese reflektierten Wellen via den Empfangswellenleiter 234 und verarbeitet sie, um Eigenschaften des beweglichen Teils 210 zu bestimmen. Falls die Empfängerschaltung 224 mit der Senderschaltung integriert ist, können sie als eine Sendeempfängerschaltung betrachtet werden. Der Radarsensor 220 kann weitere analoge und/oder digitale Hardwarekomponenten umfassen, z. B. Leistungsversorgungsschaltungsanordnung, elektronische Oszillatorschaltungsanordnung, Modulatorschaltungsanordnung, Verstärkerschaltungs-anordnung und/oder Impedanzanpassungsschaltungsanordnung.
3a, b und c stellen einige mögliche Implementierungen des Sendewellenleiters und/oder des Empfangswellenleiters dar. Zum Beispiel können der Sendewellenleiter und/oder der Empfangswellenleiter einen Hohlleiter umfassen, z. B. einen Rechteckhohlleiter 310 wie in 3a gezeigt oder einen Rundhohlleiter 320 wie in 3b dargestellt. Der Rechteckhohlleiter 310 und der Rundhohlleiter 320 können aus Metall, z. B. Kupfer oder Aluminium, oder Metalllegierungen hergestellt sein und können zusätzlich mit Gold oder Silber beschichtet sein und auf der Innenseite poliert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen der Sendewellenleiter und der Empfangswellenleiter einen Hohlleiter, der entweder einen Rechteck- oder Kreis-Querschnitt aufweisen kann und mit Gold beschichtet ist. Die Goldbeschichtung kann eine höhere Leitfähigkeit bereitstellen als Aluminium, sodass Oberflächenströme auf dem Wellenleiter bei einem geringeren Widerstand fließen können, was wiederum den Einfügungsverlust des Sendewellenleiters und des Empfangswellenleiters reduziert.
Alternativ können der Sendewellenleiter und/oder der Empfangswellenleiter Kunststoffhohlleiter oder massive Kunststoffwellenleiter sein, wobei ein massiver Kunststoffwellenleiter 330 in 3c dargestellt ist. Kunststoffhohlleiter oder massive Kunststoffwellenleiter können zum Beispiel aus polymeren Materialien, z. B. Teflon oder Polyethylen, hergestellt sein, die günstig sind verglichen mit Metallwellenleitern. Bei einigen möglichen Implementierungen können Kunststoffwellenleiter ferner mit einer Metallschicht und/oder einen Gummischlauch beschichtet sein.
Ein Funksignal, z. B. das durch die Senderschaltung erzeugte Funksignal und die Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil können elektromagnetischen Wellen zugeordnet sein. Anders ausgedrückt, Funksignale können durch elektromagnetische Wellen physikalisch realisiert werden. In freien Räumen kann sich eine elektromagnetische Welle kugelförmig von dem Punkt, von dem sie emittiert wurde, ausbreiten (spread, propagate). Dies kann zu einer Dämpfung, z. B. Freiraumpfadverlusten, der elektromagnetischen Welle führen, da sich ihre Energie mit der Ausbreitung der Welle über einen zunehmenden größeren gedachten Kugelkörper verteilt. Allerdings kann ein Wellenleiter, z. B. der Sendewellenleiter oder der Empfangswellenleiter, als ein Führungskanal für elektromagnetische Wellen verwendet werden. Das bedeutet, die Energie der elektromagnetischen Welle kann auf einen Kern des Wellenleiters begrenzt sein und kann entlang des Wellenleiters wandern, indem sie an inneren Wänden im Fall eines Hohlleiters oder an der Luft-Kunststoff-Schnittstelle (oder Metall-Kunststoff-Schnittstelle) im Fall eines massiven Kunststoffwellenleiters reflektiert wird.
Gemäß zumindest einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung wird das erzeugte Funksignal, bevor es in den freien Raum entlassen und in Richtung des beweglichen Teils emittiert wird, durch den Sendewellenleiter in eine Nähe des beweglichen Teils, z. B. innerhalb einer Distanz von weniger als 5 cm, geführt, sodass die Energie der elektromagnetischen Welle, die das Funksignal trägt, auf das bewegliche Teil fokussiert werden kann und zusätzliche Freiraumpfadverluste vermieden werden können. Dementsprechend kann ein erstes Ende des Empfangswellenleiters nahe, z. B. innerhalb einer Distanz von weniger als 5 cm, zu dem beweglichen Teil angeordnet sein, um eine Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil zu erfassen, bevor es einen hohen Freiraumpfadverlust erlebt hat. Der Empfangswellenleiter kann dann die Reflexion zu der Empfängerschaltung an einem zweiten Ende des Empfangswellenleiters führen.
Die Querschnittsabmessungen, z. B. die Breite a und die Höhe b des Rechteckhohlleiters 310, der Radius R_h des Rundhohlleiters 320 und der Radius R_s des massiven Kunststoff-Rundwellenleiters 330 können entsprechend einer Trägerfrequenz des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals gewählt sein, was einen Einmodusbetrieb der Wellenleiter erlauben kann. Durch den Einmodusbetrieb versteht es sich, dass sich nur ein Grundmodus entlang des Wellenleiters ausbreiten kann, während Modi höherer Ordnung einen exponentiellen Zerfall erleben. Dies wiederum kann eine höhere Signalintegrität bereitstellen, z. B. kann ein elektromagnetischer Puls, der sich entlang des Wellenleiters ausbreitet, seine Form behalten und kann vermeiden, dass er zeitlich gestreut wird.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter und der Empfangswellenleiter auch als Hochpassfilter dienen, die ausgebildet sind zum Filtern von Interferenzsignalen. Die Frequenz von Interferenzsignalen, z. B. Interferenzsignalen, die durch transiente Ereignisse innerhalb der Maschine verursacht sind, z. B. elektrische Pulse, die durch eine Zündspule erzeugt sind, kann unter einer Grenzfrequenz des Sendewellenleiters und/oder des Empfangswellenleiters sein, sodass Interferenzsignale, die in die Wellenleiter koppeln, einer hohen Dämpfung, z. B. 60 dB bis 100 dB oder sogar höher, erleben. Anders ausgedrückt, solche Interferenzsignale können entlang der Wellenleiter exponentiell zerfallen. Somit kann ihre Leistung klein sein verglichen mit der Leistung des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals oder verglichen mit der Leistung des an der Empfängerschaltung empfangenen reflektierten Funksignals. Ferner können der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und/oder der Sendeempfangswellenleiter entworfen sein, um elektromagnetische Wellen einer bestimmten Polarisierung vorzugsweise auszubreiten. Die Frequenzselektivität (z. B. die Hochpasscharakteristik), die Polarisierungsselektivität, die hohe Trägerfrequenz des Funksignals in Bezug auf andere Signale, die z. B. in der Fahrzeugelektronik verwendet werden, und/oder die guten Abschirmeigenschaften vieler Festkörper für Radarwellen (z. B. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen über 10 GHz, über 20 GHz oder über 60 GHz) können eine Verzerrung des Funksignals, das durch den Wellenleiter geführt wird, sehr unwahrscheinlich machen, z. B. können die Sensorvorrichtung gegen Interferenzsignale abschirmen.
Ferner können der Sendewellenleiter oder der Empfangswellenleiter für Interferenzsignale undurchdringbar sein, z. B. kann ein Koppeln von Interferenzsignalen in die Wellenleiter nur bei hohen Kopplungsverlusten, z. B. in dem Bereich von 40 dB bis 80 dB, auftreten, da es erforderlich sein kann, dass die Interferenzsignale innerhalb eines begrenzten Bereichs von Auftreffwinkeln auf die Wellenleiter auftreffen, um in den Kern eines Wellenleiters gebrochen zu werden und sich innerhalb des Wellenleiters auszubreiten. Im Fall eines Metallwellenleiters können die leitfähigen Metallwände des Wellenleiters den Kern des Wellenleiters gegen ein Koppeln von Interferenzsignal abschirmen.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 400 der vorliegenden Offenbarung, wobei eine Senderschaltung 422 und eine Empfängerschaltung 424 zusätzlich durch Einsetzen eines abgeschirmten Gehäuses elektromagnetisch abgeschirmt sein können. Das abgeschirmte Gehäuse kann Metallabdeckungen umfassen, z. B. eine obere Abdeckung 442 und eine Bodenabdeckung 444 aus massivem Metall oder das Bilden eines Metallkäfigs. Zum Beispiel können leitfähige Metalle, z. B. Kupfer, Aluminium, Eisen, Stahl, Silber, Gold oder Metalllegierungen, z. B. Mu-Metall, als Materialien für die obere Abdeckung 442 und die Bodenabdeckung 444 verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die obere Abdeckung 442 und die Bodenabdeckung 444 aus Aluminium hergestellt und mit Silber beschichtet, wobei die Silberbeschichtung eine höhere Leitfähigkeit und somit eine verbesserte Abschirmdämpfung bereitstellen kann. Optional können die obere Abdeckung 442 und die Bodenabdeckung 444 durch eine Mu-Metall-Schicht bedeckt sein, z. B. können sie mit einer Mu-Metallfolie beklebt sein. Die Mu-Metallfolie kann eine verbesserte Abschirmdämpfung gegenüber niederfrequenten Magnetfeldern bereitstellen. Die obere Abdeckung 442 und die Bodenabdeckung 444 können eine Schaltungsplatine 421 umgeben, auf der die Senderschaltung 422 und die Empfängerschaltung 424 befestigt sind.
4b zeigt, wie die obere Abdeckung 442' mit der Bodenabdeckung 444' durch Schrauben bei einem möglichen Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 400' verbunden werden kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen können ein obere Abdeckung und eine Bodenabdeckung auch durch Klemmen, Nieten, Nägel oder durch Kleben, Schweißen oder Löten verbunden werden. In 4b wird eine beispielhafte Schraube 446' von der oberen Abdeckung 442 durch ein Loch innerhalb der Schaltungsplatine 421' in ein Schraubengewinde geführt, das in einer Ecke der Bodenabdeckung 444' angeordnet ist. Die Schaltungsplatine 421' kann eine Doppelschicht- oder Multischicht-gedruckte Schaltungsplatine sein. Zum Verbinden der oberen Abdeckung 442' und der Bodenabdeckung 444' mit Masse kann die Schaltungsplatine 421' eine mit Masse verbundene, obere, planare Leiterstruktur 423' auf einer oberen Schicht und eine entsprechende mit Masse verbundene, untere, planare Leiterstruktur auf einer Bodenschicht umfassen. Diese planaren Leiterstrukturen können mit der oberen Abdeckung 442' und der Bodenabdeckung 444' elektrisch verbunden sein, da die obere Abdeckung 442' gegen die Bodenabdeckung 444' geschraubt ist, wobei die Schaltungsplatine 421' dazwischen ist. Die obere planare Leiterstruktur 423' und die untere planare Leiterstruktur können durch leitfähige Via-Durchganglöcher elektrisch verbunden sein, wie auch in 4b gezeigt. Die obere planare Leiterstruktur 423', die untere planare Leiterstruktur und die Via-Durchganglöcher können eine zaunartige Struktur entlang des äußeren Rands der Schaltungsplatine 421' bilden und eine zusätzliche Abschirmung für die Senderschaltung und die Empfängerschaltung sowie für jegliche andere Schaltungen, die auf der Schaltungsplatine 421' befestigt sind, bereitstellen. Zusätzlich können die obere Abdeckung 442' und die untere Abdeckung 444' Nuten aufweisen, die in ihren Seitenwänden angeordnet sind, z. B. die Nut 425' innerhalb der Bodenabdeckung 444'. Dichtungsschnuren, z. B. aus Silizium oder Gummi, können innerhalb der Nuten platziert werden, um einen planaren Anschluss der oberen Abdeckung 442' und der Bodenabdeckung 444' auf die Schaltungsplatine 421' bereitzustellen. Dies kann zusätzlich die Schirmdämpfung des abgeschirmten Gehäuses verbessern.
Gemäß zumindest einigen Ausführungsbeispielen zeigt 4a ferner eine Filterschaltung 426, die auf der Schaltungsplatine 421 platziert ist und somit auch durch das abgeschirmte Gehäuse umgeben ist. Die Filterschaltung 426 kann auch eine Versorgungsspannung von Interferenzsignalen oder anderen störenden Wechselspannungen filtern und kann die gefilterte Versorgungsspannung an die Senderschaltung 422 und die Empfängerschaltung 424 bereitstellen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt 5a ein Beispiel der Filterschaltung 500, die als eine mögliche Implementierung der Filterschaltung 426 verwendet werden kann. Eine Eingangsspannung V_in kann an einen Eingang der Filterschaltung 500 angelegt sein. Diese Eingangsspannung ist ausgebildet zum Versorgen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung mit elektrischer DC-Leistung. Sie kann allerdings durch Interferenzsignale und/oder andere störende Wechselspannungen überlagert sein, wie in 5b gezeigt, wobei V_in im Zeitablauf dargestellt ist und um einen DC-Wert schwankt. Um V_in aus diesen Interferenzsignalen und/oder anderen störenden Wechselspannungen zu filtern, wird V_in durch eine Tiefpassfilterschaltung 510 geführt und dann durch einen linearen Spannungsregler 520 geführt. Die Tiefpassfilterschaltung 510 ist ausgebildet zum Dämpfen der Interferenzsignale und/oder anderen störenden Wechselspannungen. Sie kann Serieninduktoren, z. B. Ferritkern-Induktoren, Keramikkern-Induktoren und/oder Luftkern-Induktoren, und Parallelkondensatoren, z. B. Keramikkondensatoren und/oder Elektrolytkondensatoren, umfassen. Die Tiefpassfilterschaltung 510 kann ferner Serienwiderstände und/oder Parallelwiderstände umfassen (in 5a nicht gezeigt). Der lineare Spannungsregler 520 kann ausgebildet sein zum Dämpfen der Interferenzsignale und/oder anderer störender Wechselspannungen. Ferner kann er ausgebildet sein zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung V_out (out = aus), die auf einen Spannungswert eingestellt ist, der für einen Betrieb der Senderschaltung und/oder der Empfängerschaltung geeignet ist, z. B. kann V_out einer Versorgungsspannung entsprechen, die durch die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung benötigt wird. Die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung können mit der Ausgangsspannung V_out verbunden sein, die frei ist von Interferenzsignalen und/oder anderen störenden Wechselspannungen, wie in 5b gezeigt, wobei V_out im Zeitablauf dargestellt ist. Zusätzlich kann die Filterschaltung 500 ausgebildet sein zum Schützen der Senderschaltung und/oder der Empfängerschaltung vor Spannungen, z. B. Spannungspulsen, die eine absolute maximale Nennspannung der Senderschaltung und/oder der Empfängerschaltung überschreiten können und die Senderschaltung und/oder die Empfängerschaltung möglicherweise permanent beschädigen würden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Reihenfolge der Tiefpassfilterschaltung 510 und des linearen Spannungsreglers 520 umgekehrt sein. Optional können auch geschaltene Spannungsregler zusätzlich oder alternativ eingesetzt werden. Ferner kann die Filterschaltung 500 mehrere Tiefpassfilterschaltungen und/oder mehrere Spannungsregler für ein verbessertes Filtern gemäß einigen möglichen Implementierungen umfassen.
4a zeigt auch einen Sendewellenleiter 432 und einen Empfangswellenleiter 434. Der Sendewellenleiter 432 kann das durch die Senderschaltung 422 erzeugte Funksignal von dem Inneren des abgeschirmten Gehäuses zu dem beweglichen Teil außerhalb des abgeschirmten Gehäuses führen. Entsprechend kann der Empfangswellenleiter 434 das von dem beweglichen Teil reflektierte Funksignal von außerhalb des abgeschirmten Gehäuses zu der Empfängerschaltung 424 innerhalb des abgeschirmten Gehäuses führen. Das bedeutet, der Sendewellenleiter 432 und der Empfangswellenleiter 434 stellen ein Mittel zum Übertragen von Signalen, z. B. Radarsignalen, zwischen der Senderschaltung 422/der Empfängerschaltungsanordnung 424 und dem beweglichen Teil bereit, während die Senderschaltung 422 und die Empfängerschaltung 424 von elektromagnetischen Interferenzsignalen abgeschirmt sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Sendewellenleiter 432 und der Empfangswellenleiter 434 durch eine Öffnung, z. B. einen Verbinder oder eine Zuführung, in dem abgeschirmten Gehäuse geführt sein, deren Größe der Querschnittsgröße des Sendewellenleiters 432 und des Empfangswellenleiters 434 entsprechen kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Senderschaltung eine Sendeantenne umfassen, wobei die Empfängerschaltung eine Empfangsantenne umfassen kann. Die Sendeantenne kann ausgebildet sein zum Koppeln des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals in den Sendewellenleiter. Die Empfangsantenne kann ausgebildet sein zum Erfassen, z. B. Empfangen des reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter und zum Bereitstellen desselben an die Empfängerschaltung. Zum Beispiel können die Sendeantenne und/oder die Empfangsantenne eine Richtantenne sein, z. B. eine Mikrostreifenantenne, insbesondere eine Patchantenne, eine gedruckte Rahmenantenne oder eine gedruckte Dipolantenne. Für die Sendeantenne kann der Antennenstrahl in Richtung des ersten Endes des Sendewellenleiters gerichtet sein, z. B. einer Stirnseite des ersten Endes, wobei das erste Ende des Sendewellenleiters in der Nähe der Sendeantenne ist und das zweite Ende des Sendewellenleiters in der Nähe des beweglichen Teils ist. Somit kann das erzeugte Funksignal von der Sendeantenne in den Sendewellenleiter gestrahlt werden.
Entsprechend kann für die Empfangsantenne ihr Antennenstrahl in Richtung des zweiten Endes des Empfangswellenleiters, z. B. einer Stirnseite des zweiten Endes, gerichtet sein, wobei das zweite Ende des Empfangswellenleiters in der Nähe der Empfangsantenne ist und das erste Ende des Empfangswellenleiters in der Nähe des beweglichen Teils ist. Somit kann das reflektierte Funksignal durch die Empfangsantenne erfasst werden.
Das Koppeln des Funksignals von der Sendeantenne zu dem Sendewellenleiter und/oder das Koppeln des reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter zu der Empfangsantenne kann entweder durch Fernfeldkoppeln, durch Nachfeldkoppeln oder durch Näherungskoppeln erreicht werden.
Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt 6 eine mögliche Implementierung einer Feldkopplungsstruktur 600 von einer Schaltungsplatine zu einem Rechteckhohlleiter 652, der entweder ein Sendewellenleiter z. B. der Sendewellenleiter 232/432 oder ein Empfangswellenleiter z. B. der Empfangswellenleiter 234/434 sein kann. Rechteckhohlleiter 652 kann ein metallischer oder ein Kunststoffwellenleiter sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann er alternativ ein massiver Wellenleiter, z. B. ein massiver Rechteck-, aber auch ein massiver Rund-, Wellenleiter aus Kunststoff sein ähnlich zu dem massiven Rundwellenleiter 330.
Die Feldkopplungsstruktur 600 umfasst eine Mikrostreifenantenne 622, die eine Sendeantenne einer Senderschaltung ähnlich zu der Senderschaltung 222/422 oder eine Empfangsantenne einer Empfängerschaltung ähnlich zu der Empfängerschaltung 224/424 sein kann. Alternativ kann sie eine Sendeempfangsantenne sein, die ausgebildet ist zum Strahlen des durch die Senderschaltung erzeugten Funksignals und ausgebildet ist zum Erfassen des reflektierten Funksignals. Die Mikrostreifenantenne 622 kann auf einer oberen Schicht einer Schaltungsplatine, z. B. auf einer Oberseite eines dielektrischen Substrats 632, angeordnet sein. Die obere Schicht kann auch eine mit Masse verbundene, obere Leiterstruktur 624 aufweisen, die in der Form eines geöffneten rechteckigen Rahmens ist und die die Mikrostreifenantenne 622 teilweise umgibt.
Die obere Leiterstruktur 624 ist mit einem oberen Rechteckwellenleiter 614 elektrisch verbunden, z. B. entsprechen die Abmessungen der oberen Leiterstruktur 624 dem Querschnitt des oberen Rechteckwellenleiters 614. An einem Ende des oberen Rechteckwellenleiters 614 weit weg von der Mikrostreifenantenne 622 kann der obere Rechteckwellenleiter 614 durch eine leitfähige Kappe 612 kurzgeschlossen sein. Der obere Rechteckwellenleiter 614 und die leitfähige Kappe 612 können ausgebildet sein, um zu verhindern, dass eine elektromagnetische Welle, die dem erzeugten Funksignal oder dem reflektierten Funksignal zugeordnet ist, in einen Raum über der Mikrostreifenantenne gestrahlt wird. Somit können der obere Rechteckwellenleiter 614 und die leitfähige Kappe 612 Strahlungsverluste des erzeugten Funksignals und/oder des reflektierten Funksignals reduzieren.
Zusätzlich ist die obere Leiterstruktur 624 durch Via-Durchganglöcher durch das dielektrische Substrat 632 mit einer mit Masse verbundenen, unteren Leiterstruktur 642 verbunden, die in der Form eines rechteckigen Rahmens ist und deren Abmessungen dem Querschnitt des Rechteckhohlleiters 652 entsprechen. Somit bilden die obere Leiterstruktur 624, die untere Leiterstruktur 642 und die Via-Durchganglöcher, die die obere Leiterstruktur 624 mit dem unteren Leitermuster 642 elektrisch verbinden, einen substrat-integrierten Rechteckwellenleiter, der den Rechteckhohlleiter 652 mit dem oberen Rechteckwellenleiter 614 verbindet. Anders ausgedrückt, der Rechteckhohlleiter 652, der substrat-integrierte Wellenleiter und der obere Rechteckwellenleiter 614 bilden einen ganzen Wellenleiter, in den die Mikrostreifenantenne 622 eingefügt wird, um das erzeugte Funksignal zu strahlen und/oder um das reflektierte Funksignal zu erfassen. Eine maximale Kopplung zwischen der Mikrostreifenantenne 622 und dem Rechteckhohlleiter 652 kann durch ein Abstimmen der Länge der Mikrostreifenantenne 622 bestimmt werden.
Gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt 7 eine mögliche Implementierung einer Näherungskopplungsstruktur 700 von einer Schaltungsplatine mit einem Rundhohlleiter 752, der entweder ein Sendewellenleiter z. B. der Sendewellenleiter 232/432 oder ein Empfangswellenleiter z. B. der Empfangswellenleiter 234/434 sein kann. Der Rundhohlleiter 752 kann ein Metall- oder ein Kunststoff-Wellenleiter sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann er alternativ ein Massivwellenleiter z. B. ein massiver Kunststoffwellenleiter ähnlich zu dem massiven Rundwellenleiter 330 sein.
Die Näherungskopplungsstruktur 700 kann eingesetzt werden zum Koppeln eines durch eine Senderschaltung, z. B. die Senderschaltung 222/422, erzeugten Funksignals in den Sendewellenleiter und/oder zum Erfassen eines reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter und zum Bereitstellen des reflektierten Funksignals an eine Empfängerschaltung, z. B. die Empfängerschaltung 224/424. Ferner kann die Näherungskopplungsstruktur 700 zum Koppeln einer Sendeempfangsantenne mit einem Sendeempfangswellenleiter verwendet werden.
Die Näherungskopplungsstruktur 700 umfasst eine Mikrostreifenleitung 722, die auf einer oberen Schicht einer gedruckten Schaltungsplatine, z. B. auf einer Oberseite eines dielektrischen Substrats 732, angeordnet sein kann. Die Mikrostreifenleitung 722 kann in einen Schlitz einer mit Masse verbundenen, oberen, leitfähigen Ebene 724 eingeführt werden, die auch auf einer Oberseite des dielektrischen Substrats 732 sein kann. Die obere leitfähige Ebene 724 ist mit einer mit Masse verbundenen, unteren, leitfähigen Ebene 742 durch eine Menge von leitfähigen Via-Durchganglöchern elektrisch verbunden, die in der Form eines Kreises angeordnet sind. Die untere leitfähige Ebene 742 kann auch als eine Masseebene für die Mikrostreifenleitung 722 dienen. Ferner können die obere leitfähige Ebene 724, die Menge von leitfähigen Via-Durchganglöchern und die untere leitfähige Ebene 742 einen substrat-integrierten Rundwellenleiter bilden.
Die untere leitfähige Ebene 742 umfasst ferner eine kreisrunde Öffnung, deren Abmessungen den Abmessungen des Kerns des Rundhohlleiters 752 entsprechen. Die kreisrunde Öffnung ist mit dem Kern des Rundhohlleiters 752 ausgerichtet. Innerhalb der kreisrunden Öffnung der unteren leitfähigen Ebene 742 umfasst die Näherungskopplungsstruktur 700 eine kreisrunde Patchantenne 744, z. B. ist die kreisrunde Patchantenne 744 auf dem Boden des dielektrischen Substrats 732 strukturiert.
Die kreisrunde Patchantenne 744 kann eine Sendeantenne der Senderschaltung sein. In diesem Fall kann die Mikrostreifenleitung 722 mit einem Ausgang der Senderschaltung verbunden sein, der das erzeugte Funksignal bereitstellt. Die Mikrostreifenleitung 722 kann somit das erzeugte Funksignal durch den substrat-integrierten Rundwellenleiter mit der kreisrunden Patchantenne 744 koppeln, die dann das Funksignal in den Rundhohlleiter, z. B. den Sendewellenleiter, übermittelt.
Alternativ kann die kreisrunde Patchantenne 744 eine Empfangsantenne der Empfängerschaltung sein. In diesem Fall kann die kreisrunde Patchantenne 744 das reflektierte Funksignal erfassen, das an der kreisrunden Patchantenne 744 von dem beweglichen Teil ankommen kann, nachdem es durch den Rundhohlleiter 752, z. B. in diesem Fall den Empfangswellenleiter, geleitet worden ist. Die kreisrunde Patchantenne 744 kann dann das reflektierte Funksignal durch den substrat-integrierten Rundwellenleiter mit der Mikrostreifenleitung 722 koppeln, die mit einem Eingang der Empfängerschaltung verbunden ist. Folglich kann die Empfängerschaltung das reflektierte Funksignal empfangen.
Gemäß noch einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann die kreisrunde Patchantenne 744 eine Sendeempfangsantenne sein, die ausgebildet ist zum Übermitteln des Funksignals in den Rundhohlleiter 752, z. B. bei diesem Beispiel einen Sendeempfangswellenleiter, und zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem Rundhohlleiter 752.
Gemäß einer möglichen Implementierung einer Sensorvorrichtung 800 der vorliegenden Offenbarung stellt 8 ausführlicher die Verwendung eines Sendeempfangswellenleiters 852 dar, der ähnlich sein kann zu dem Rundhohlleiter 752. Bei diesem Beispiel ist eine integrierte Sendeempfängerschaltung 826 auf einer Oberseite einer gedruckten Schaltungsplatine 821 befestigt. Zusätzlich kann sie durch ein abgeschirmtes Gehäuse elektromagnetisch abgeschirmt sein, z. B. ein abgeschirmtes Gehäuse, das eine obere Abdeckung ähnlich zu der oberen Abdeckung 442 und eine untere Abdeckung ähnlich zu der unteren Abdeckung 444, umfasst. Die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 kann einen Senderabschnitt umfassen, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Funksignals. Sie kann ferner einen Empfängerabschnitt umfassen, der ausgebildet ist zum Empfangen eines Funksignals, das von einem beweglichen Teil reflektiert wird, und zum Erfassen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal. Ferner kann die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 einen bidirektionalen Anschluss (Port) umfassen, der ausgebildet ist zum Bereitstellen des erzeugten Funksignals an eine Mikrostreifenleitung 822, und der ausgebildet ist zum Empfangen des reflektierten Funksignals von der Mikrostreifenleitung 822. Die Mikrostreifenleitung 822 kann in einer Näherungskopplungsstruktur enthalten sein, ähnlich zu der Näherungskopplungsstruktur 700. Somit kann die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 das erzeugte Funksignal via eine Näherungskopplungsstruktur in den Sendeempfangswellenleiter 852 übermitteln, und kann das von dem beweglichen Teil reflektierte Funksignal von dem Sendeempfangswellenleiter 852 via die gleiche Näherungskopplungsstruktur empfangen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 zusätzlich einen Duplexer umfassen. Der Duplexer kann ausgebildet sein zum Übertragen des erzeugten Funksignals von dem Senderabschnitt an die Mikrostreifenleitung 822, und kann ausgebildet sein zum Übertragen des reflektierten Funksignals von der Mikrostreifenleitung 822 an den Empfängerabschnitt. Das bedeutet, der Duplexer kann das erzeugte Funksignal und das reflektierte Funksignal teilen (splitten). Es kann in die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 integriert sein und kann zwischen die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 und die Mikrostreifenleitung 822 gekoppelt sein. In letzterem Fall kann die integrierte Sendeempfängerschaltung 826 einen dedizierten Ausgang für das erzeugte Funksignal und einen dedizierten Eingang zum Empfangen des reflektierten Funksignals umfassen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann der Duplexer einen Radiofrequenz-(RF-)Schalter, z. B. einen einpoligen Umschalter, umfassen, der in CMOS-Technologie oder durch schnell schaltende RF-Dioden, z. B. pin-Dioden (positiv-intrinsisch-negative Dioden; pin = positive-intrinsic-negative) realisiert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Duplexer einen RF-Zirkulator, einen Leistungsteiler, z. B. einen Wilkinson-Teiler, einen Richtkoppler und/oder RF-Isolatoren umfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können das Einsetzen eines Sendeempfangswellenleiters, das Teilen des erzeugten Funksignals und des reflektierten Funksignals alternativ innerhalb des Sendeempfangswellenleiters ausgeführt werden. Für diesen Zweck kann der Sendeempfangswellenleiter einen direktiven Teiler (directive splitter) umfassen. Der direktive Teiler kann ausgebildet sein zum Koppeln des Funksignals von dem Senderabschnitt einer integrierten Sendeempfängerschaltung oder von einer Senderschaltung in den Sendeempfangswellenleiter. Ferner kann der direktive Teiler ausgebildet sein zum Koppeln des reflektierten Funksignals aus dem Sendeempfangswellenleiter zu einem Empfängerabschnitt der Sendeempfängerschaltung oder zu einer Empfängerschaltung.
9 zeigt ein Flussdiagramm einer möglichen Implementierung, umfassend einen direktiven Teiler 900, der in einem Sendeempfangswellenleiter enthalten sein kann. Der Sendeempfangswellenleiter umfasst eine Wellenleitersektion 932. Ein Richtkoppler 934, eine Abschlusslast 936 und ein Mikrowellenisolator 938 können in Wellenleiterform implementiert werden und können somit zusätzlich in dem Sendeempfangswellenleiter enthalten sein. Eine Senderschaltung 922 kann einen Senderabschnitt einer Sendeempfängerschaltung oder einer dedizierten Senderschaltung sein. Die Empfängerschaltung 924 kann einen Empfängerabschnitt einer Sendeempfängerschaltung oder einer dedizierten Empfängerschaltung sein. Die Senderschaltung 922 kann ein Funksignal erzeugen und es durch den Mikrowellenisolator 938 zu einem ersten Anschluss des Richtkopplers 934 senden. Der Mikrowellenisolator 938 kann ausgebildet sein zum Übertragen von Signalen nur in der Richtung von der Senderschaltung 922 zu dem ersten Anschluss des Richtkopplers 934 und zum Absorbieren von Signalen, die von dem ersten Anschluss des Richtkopplers 934 in Richtung der Senderschaltung 922 kommen. An dem Richtkoppler 934 kann ein erster Abschnitt des erzeugten Funksignals, z. B. ein Anteil der Funksignalenergie, von dem ersten Anschluss zu einem zweiten Anschluss des Richtkopplers 934 übertragen werden, der mit der Wellenleitersektion 932 verbunden sein kann. Ein dritter Abschnitt des Richtkopplers 934, der mit der Empfängerschaltung 924 verbunden ist, kann von dem ersten Anschluss isoliert sein, z. B. das erzeugte Funksignal, das von der Senderschaltung 922 kommt, kann von der Empfängerschaltung 924 entkoppelt sein. Ein zweiter Abschnitt des erzeugten Funksignals kann mit einem vierten Anschluss des Richtkopplers 934 gekoppelt sein und in der Anschlusslast 936 absorbiert werden, die mit dem vierten Anschluss verbunden ist.
Die Wellenleitersektion 932 kann dann den ersten Abschnitt des erzeugten Funksignals ganz nah an das bewegliche Teil 910, z. B. innerhalb einer Distanz kürzer als 5 cm, führen und den ersten Abschnitt des erzeugten Funksignals in Richtung des beweglichen Teils 910 emittieren. Das bewegliche Teil 910 kann den ersten Abschnitt des erzeugten Funksignals in Richtung der Wellenleitersektion 932, z. B. zu dem Sendeempfangswellenleiter, reflektieren. Die Wellenleitersektion 932 kann das reflektierte Funksignal erfassen und kann es zu dem zweiten Anschluss des Richtkopplers 934 führen. Hier kann ein erster Abschnitt des reflektierten Funksignals via den dritten Anschluss des Richtkopplers 934 mit der Empfängerschaltung 924 gekoppelt werden, während ein zweiter Abschnitt des reflektierten Funksignals an den ersten Anschluss des Richtkopplers 934 übertragen werden kann und somit in dem Mikrowellenisolator 938 absorbiert werden kann. Dies kann eine Interferenz mit dem durch die Senderschaltung 922 erzeugten Funksignal vermeiden und kann auch eine Reflexion des zweiten Abschnitts des reflektierten Funksignals an der Senderschaltung 922 aufgrund einer Fehlanpassung vermeiden. Der vierte Anschluss des Richtkopplers 934 kann von dem zweiten Anschluss isoliert sein. Die Empfängerschaltung 924 kann dann eine Position und/oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils 910 basierend auf zumindest dem empfangenen ersten Abschnitt des durch das bewegliche Teil reflektierten Funksignals erfassen.
Alternativ kann der Richtkoppler durch Mikrostreifenleitungsstrukturen oder durch Hohlleitertechnologien realisiert werden.
10a und b zeigen zwei mögliche Beispiele von Feldübergangskopplern, z. B. ein verjüngter Feldübergangskoppler 1000 und ein gestufter Feldübergangskoppler 1050, die in einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung enthalten sein können. Feldübergangskoppler können in Sendefeldübergangskoppler, Empfangsfeldübergangskoppler und Sendeempfangsfeldübergangskoppler unterteilt werden. Sendefeldübergangskoppler können ein Koppeln eines erzeugten Funksignals, z. B. Reduzieren von Kopplungsverlusten, von einer Senderschaltung zu einem Sendewellenleiter verbessern. Empfangsfeldübergangskoppler können ein Koppeln eines Funksignals, das von einem beweglichen Teil reflektiert wird, von einem Empfangswellenleiter zu eine Empfängerschaltung verbessern, während Sendeempfangsfeldübergangskoppler ein Koppeln des erzeugten Funksignals und des reflektierten Funksignals zwischen einer Sendeempfängerschaltung und einem Sendeempfangswellenleiter verbessern können. Nachfolgend werden die Grundsätze eines Sendefeldübergangskopplers ausführlicher erklärt, allerdings können für einen Fachmann diese Grundsätze auf Empfangsfeldübergangskoppler und/oder Sendeempfangsfeldübergangskoppler übertragen werden.
Zum Beispiel kann sich ein Sendefeldübergangskoppler an dem ersten Ende eines Sendewellenleiters, z. B. der Sendewellenleiter 1010 und 1060, befinden, die einen Kreisquerschnitt aufweisen können und zum Beispiel Kunststoffhohlleiter oder massive Kunststoffwellenleiter sein können. An der Stirnseite kann ein Sendefeldübergangskoppler einen Querschnitt von unterschiedlicher Form und mit unterschiedlichen Abmessungen als der Querschnitt des Sendewellenleiters aufweisen. Wenn die Senderschaltung eine Sendeantenne umfasst, kann der Querschnitt des Sendefeldübergangskopplers an die Form und die Abmessungen der Sendeantenne angepasst sein und kann somit ausgebildet sein zum Koppeln des Funksignals, das von der Sendeantenne mit einem geringen Kopplungsverlust abgestrahlt wird, in den Sendewellenleiter. Zum Beispiel kann sich der Kopplungsverlust auf einen Wert zwischen 2 dB und 5 dB belaufen.
Im Fall des verjüngten Feldübergangskopplers 1000 kann sein Querschnitt an der Stirnseite 1020 nahe der Senderschaltung (oder der Sendeantenne) allmählich in den Querschnitt des Sendewellenleiters 1010 transformiert werden. Zu diesem Zweck umfasst der verjüngte Feldtransistorkoppler 1000 eine konische Verjüngung 1030. Die Länge der konischen Verjüngung 1030 kann abgestimmt sein, derart, dass der Kopplungsverlust minimiert wird.
Im Fall des gestuften Feldübergangskopplers 1050 kann sein Querschnitt an der Stirnseite 1070 nahe der Senderschaltung (oder der Sendeantenne) stufenweise in den Querschnitt des Sendewellenleiters 1060 transformiert werden. Der gestufte Feldübergangskoppler 1050 kann zum Beispiel eine erste Feldübergangssektion 1072 mit einem Rechteckquerschnitt und eine zweite Feldübergangssektion 1074 mit einem Kreisquerschnitt umfassen. Die erste Feldübergangssektion 1072 kann ausgebildet sein zum Erfassen eines linear polarisierten Funksignals, das durch die Senderschaltung oder die Sendeantenne bereitgestellt sein kann. Die zweite Feldübergangssektion 1074 kann ausgebildet sein zum Anpassen einer charakteristischen Impedanz der ersten Feldübergangssektion 1072 an eine charakteristische Impedanz des Sendewellenleiters 1060. Ferner kann die zweite Feldübergangssektion 1074 ausgebildet sein zum mechanischen und elektrischen Koppeln der ersten Feldübergangssektion 1072 und des Sendewellenleiters 1060. Zum Beispiel kann die zweite Feldübergangssektion 1074 eine Apertur 1076, z. B. eine Buchse, aufweisen, in die der Sendewellenleiter 1060 eingefügt werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung können das Koppeln des erzeugten Funksignals von der Senderschaltung in den Sendewellenleiter, das Koppeln des reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter zu der Empfängerschaltung und/oder das Koppeln des erzeugten Funksignals und des reflektierten Funksignals zwischen einer Sendeempfängerschaltung und einem Sendeempfangswellenleiter alternativ zum Einsetzen einer Sendeantenne, einer Empfangsantenne und/oder einer Sendeempfangsantenne die Verwendung eines Koaxial-zu-Wellenleiter-Übergangs umfassen. Zum Beispiel kann die Senderschaltung ein Funksignal erzeugen und das Funksignal an einen koaxialen Ausgang, z. B. einen koaxialen Verbinder, bereitstellen, der zum Beispiel ein N-, SMA-, K-, V- oder 1-mm-Verbinder sein kann. Der koaxiale Verbinder kann dann mit dem Sendewellenleiter via einen Koaxial-zu-Wellenleiter-Übergang, z. B. einen Koaxial-zu-Wellenleiter-Adapter, verbunden werden.
Gemäß einigen Beispielimplementierungen kann der Sendewellenleiter eine Sendeapertur umfassen, die ausgebildet ist zum Emittieren des Funksignals in Richtung des beweglichen Teils, wobei der Empfangswellenleiter eine Empfangsapertur umfassen kann, die ausgebildet ist zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil. Da Sendeaperturen und Empfangsaperturen ähnliche Strukturen aufweisen, werden nachfolgend nur Empfangsaperturen ausführlich erklärt. Für den Fachmann können die Erklärungen auf Sendeaperturen und auch auf Sendeempfangsaperturen übertragen werden, die in einem Sendeempfangswellenleiter enthalten sein können und ausgebildet sein können zum Emittieren des Funksignals in Richtung eines beweglichen Teils und zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil.
Eine Empfangsapertur kann sich an dem ersten Ende eines Empfangswellenleiters befinden, wobei das erste Ende nahe dem beweglichen Teil, z. B. innerhalb einer Distanz von höchstens 5 cm, ist. Die Empfangsapertur kann eine Antenne umfassen, z. B. eine Hornantenne, eine Planarantenne, z. B. eine Mikrostreifenantenne, eine Patchantenne oder eine planare Dipolantenne, oder eine Stabantenne, z. B. eine Dipolantenne oder eine Rahmenantenne. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Empfangsapertur gebildet werden, indem das erste Ende des Empfangswellenleiters offen gelassen wird.
Eine Empfangsapertur in Form einer Hornantenne kann durch Verjüngen des Empfangswellenleiters an dem ersten Ende implementiert werden, z. B. ein allmähliches Vergrößern des Querschnitts des Empfangswellenleiters.
11a und b stellen zwei Beispielimplementierungen von Empfangsaperturen 1100, 1150 dar, die Hornantennen umfassen, gemäß einigen möglichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung. Wie in 11a gezeigt, wenn der Empfangswellenleiter einen Rechteckwellenleiter 1110 ähnlich zu dem Rechteckhohlleiter 310 umfasst, kann eine pyramidenförmige Hornantenne 1120 geeignet sein zum Erfassen des von dem beweglichen Teil reflektierten Funksignals und zum Koppeln des erfassten reflektierten Funksignals in den Rechteckempfangswellenleiter 1110. In 11b umfasst der Empfangswellenleiter einen Rundwellenleiter 1160, der ein Rundhohlleiter ähnlich zu dem Rundhohlleiter 320 oder ein massiver Rundwellenleiter ähnlich zu dem massiven Rundwellenleiter 330 sein kann. Für einen Empfangs-Rundwellenleiter 1160 kann eine konische Hornantenne 1170 geeignet sein, um das von dem beweglichen Teil reflektierte Funksignal zu erfassen und das erfasste reflektierte Funksignal in den Empfangs-Rundwellenleiter zu koppeln. Für einen verbesserten Empfang des reflektierten Funksignals können die Hornantennen, z. B. die pyramidenförmige Hornantenne 1120 und/oder die konische Hornantenne 1170, dem beweglichen Teil zugewandt sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen und alternativ zu einer Hornantenne kann eine Planarantenne zum Erfassen des reflektierten Funksignals eingesetzt werden. Die Planarantenne kann an der Stirnseite des ersten Endes des Empfangswellenleiters, das dem beweglichen Teil zugewandt ist, angebracht sein, z. B. durch Drucken, Kleben oder durch Verwenden eines Adapters, z. B. eines Wellenleiterübergangs, der auf das erste Ende aufgesteckt werden kann, und kann das reflektierte Funksignal von der Planarantenne in den Empfangswellenleiter koppeln. Im Fall einer Stabantenne kann die Stabantenne teilweise in einen Kern des Empfangswellenleiters eingefügt sein, z. B. durch Einstecken, und kann somit verwendet werden, um das reflektierte Funksignal von dem beweglichen Teil zu erfassen.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung zielen auf eine Kostenreduzierung, z. B. eine Reduzierung von Radargeschwindigkeitssensoren, die zum Beispiel Senderschaltungen, Empfängerschaltungen und/oder Sendeempfängerschaltungen umfassen können, durch eine Zentralisierung einer Senderschaltung und einer Empfängerschaltung, die in einer radar-integrierten Schaltung (Radar-IC) und in einer elektronischen Umgebung, z. B. einem abgeschirmten Gehäuse, enthalten sein können, das eine geschützte Versorgungsspannung bereitstellt, z. B. eine Versorgungsspannung, die von Interferenzsignalen und/oder anderen störenden Wechselspannungen gefiltert ist, um eine Hochspannungskonformität und hohe Pegel von elektrostatischem Entladungsschutz (ESD-Schutz) zu vermeiden, die bei Technologien, die fähig sind zum Betreiben eines Radarfrequenzbereiches, möglicherweise nicht verfügbar oder teuer sind.
12a zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 1200 zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines beweglichen Teils 1210. Die Sensorvorrichtung 1200 umfasst eine Radar-IC 1222, deren Funktionalität unmodifiziert sein kann. Die Radar-IC kann innerhalb einer geschützten elektronischen Umgebung, z. B. eines abgeschirmten Gehäuses 1240, zusammen mit einer Versorgungsschaltung 1226 und einer Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 angeordnet sein. Die Radar-IC 1222 kann eine Sendeempfängerschaltung umfassen, die einen Senderabschnitt und einen Empfängerabschnitt aufweist. Sie kann ein Funksignal erzeugen und das Funksignal, z. B. seine Welle, via eine Sendeantenne 1227 in einen Sendewellenleiter 1232 koppeln, der zum Beispiel eine Kunststofffaser oder ein Kunststoff-Rundhohlleiter oder massiver Kunststoff-Rundwellenleiter sein kann. Der Sendewellenleiter 1232 transportiert das Funksignal zu einem Messort, z. B. dem beweglichen Teil 1210, wo das Funksignal, z. B. die Welle, den Sendewellenleiter 1232, z. B. die Faser, verlässt und sich vorne in den Raum ausdehnt. Anders ausgedrückt, das Funksignal wird von dem Sendewellenleiter 1232 in Richtung des beweglichen Teils 1210 emittiert. Sobald das Funksignal das Ziel, z. B. das bewegliche Teil 1210, erreicht, wird es reflektiert und ein Teil der reflektierten Welle, z. B. ein Anteil der Energie des Funksignals, das von dem beweglichen Teil reflektiert wird, erreicht einen zweiten Wellenleiter, z. B. einen Empfangswellenleiter 1234, der ihn zurück zu einem Empfänger, z. B. dem Empfängerabschnitt der Radar-IC 1222, führt. Das reflektierte Funksignal kann von dem Empfangswellenleiter 1234 zu dem Empfängerabschnitt der Radar-IC 1222 via eine Empfangsantenne 1228 gekoppelt werden. Die Sendeantenne 1227 und die Empfangsantenne 1228 können sich auf der Radar-IC 1222 befinden, z. B. integriert sein, und können auf einet gedruckten Schaltungsplatine gedruckt sein, auf der die Radar-IC 1222 befestigt ist. Optional können der Sendewellenleiter 1232 und der Empfangswellenleiter 1234 mit einem Verbinder oder einer Zuführung 1241 gekoppelt sein, um das abgeschirmte Gehäuse 1240 zu passieren. Ferner können der Sendewellenleiter 1232 und der Empfangswellenleiter 1234 durch eine Halterung 1245 gehalten werden, derart, dass sie dem beweglichen Teil 1210 zugewandt sind, und sie können optional durch einen Verbinder 1243 mit der Halterung verbunden sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann eine Maschine (z. B. die Maschine 200 von 2), die die Sensorvorrichtung 1200 (oder Sensorvorrichtungen ähnlich zu der Sensorvorrichtung 1200) umfasst, ferner ein Maschinengehäuse (in 12a nicht gezeigt) umfassen. Das Maschinengehäuse (z. B. ein Verbrennungsmotorgehäuse oder ein Getriebekastengehäuse) kann ausgebildet sein zum Unterbringen des beweglichen Teils 1210. Ferner kann das Maschinengehäuse die Halterung 1245 umfassen. Die Halterung 1245 kann ausgebildet sein zum Empfangen des Sendewellenleiters 1232 und/oder des Empfangswellenleiters 1234 (oder alternativ eines Sendeempfangswellenleiters) und zum Richten eines Endes des zumindest einen empfangenen Wellenleiters (z. B. des Sendewellenleiters 1232 und/oder des Empfangswellenleiters 1234 der des Sendeempfangswellenleiters) in Richtung des beweglichen Teils 1210. Auf diese Weise kann das Funksignal, das von den Sendewellenleiter 1232 emittiert wird, auf das bewegliche Teil 1210 fokussiert werden und/oder das reflektierte Funksignal kann durch den Empfangswellenleiter 1234 zuverlässiger empfangen werden.
Die Radar-IC 1222 (z. B. eine Senderschaltung und eine Empfängerschaltung), die Versorgungsschaltung 1226 und die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 können außerhalb des mechanischen Maschinengehäuses sein und können optional im Inneren des abgeschirmten Gehäuses 1240 sein. Der Sendewellenleiter 1232 kann dann das Funksignal von der Radar-IC 1222 im Inneren des abgeschirmten Gehäuses 1240 zu dem beweglichen Teil 1210 im Inneren des Maschinengehäuses führen, während der Empfangswellenleiter 1234 das reflektierte Funksignal von dem beweglichen Teil 1210 zurück zu der Radar-IC 1222 führen kann. Zumindest einer von dem Sendewellenleiter 1232 und dem Empfangswellenleiter 1234 kann einen massiven Kunststoffwellenleiter umfassen, der flexibel und somit einfach zwischen der Radar-IC 1222 und dem beweglichen Teil 1210 geleitet werden kann. Zusätzlich kann ein Verwenden von massiven Kunststoffwellenleitern Kosten für den Sendewellenleiter 1232 und/oder den Empfangswellenleiter 1234 sparen.
Optional kann die Halterung 1245 in eine Öffnung des Maschinengehäuses eingefügt werden und kann auf dem Maschinengehäuse befestigt werden. Der zumindest eine Wellenleiter (z. B. der Sendewellenleiter 1232 und/oder der Empfangswellenleiter 1234 oder ein Sendeempfangswellenleiter), der durch die Halterung 1245 empfangen wird, kann von außerhalb des Maschinengehäuses in die Halterung eingefügt werden. Ein Ende der Halterung im Inneren des Maschinengehäuses kann für das Funksignal transparent sein.
Die Halterung 1245 kann eine Außenhülle und Füllmaterial im Inneren der Außenhülle umfassen. Die Außenhülle kann ein Mittel (z. B. einen Flansch zusammen mit Schrauben, Bolzen, Nieten, Muttern und/oder Unterlegscheiben) aufweisen, das auf dem Maschinengehäuse befestigt werden soll. Im Inneren der Außenhülle kann das Füllmaterial den zumindest einen empfangenen Wellenleiter 1232, 1234 umgeben und den empfangenen Wellenleiter 1232, 1234 in Position halten. Die Außenhülle kann zumindest eine Öffnung an dem Ende der Halterung im Inneren des Maschinengehäuses aufweisen. Der zumindest eine empfangene Wellenleiter kann durch diese Öffnung in das Maschinengehäuse zugeführt werden, sodass das Funksignal von dem Ende des empfangenen Wellenleiters 1232, 1234 in Richtung des beweglichen Teils 1210 emittiert werden kann und/oder sodass das reflektierte Funksignal durch das Ende des empfangenen Wellenleiters 1232, 1234 empfangen werden kann.
Alternativ kann der empfangene Wellenleiter 1232, 1234 im Inneren der Halterung 1245 enden. Die Halterung 1245 kann dann ferner zumindest eine dielektrische Linse aufweisen, die an ihrem Ende im Inneren des Maschinengehäuses angebracht ist. Die dielektrische Linse kann in Richtung des beweglichen Teils 1210 gerichtet werden und kann mit dem zumindest einen empfangenen Wellenleiter 1232, 1234 elektromagnetisch gekoppelt werden. Zum Beispiel kann die Außenhülle der Halterung eine Öffnung im Inneren des Maschinengehäuses aufweisen. Die dielektrische Linse kann diese Öffnung bedecken, während der zumindest eine empfangene Wellenleiter 1232, 1234 im Inneren der Halterung hinter der dielektrischen Linse (z. B. an der dielektrischen Linse angebracht) enden kann oder mit der dielektrischen Linse via einen Hohlleiter elektromagnetisch gekoppelt sein kann, der sich im Inneren des Füllmaterials der Außenhülle befindet. Zum Beispiel kann der zumindest eine empfangene Wellenleiter 1232, 1234 ein massiver Kunststoffwellenleiter sein, der teilweise in den Hohlleiter im Inneren des Füllstoffs der Außenhülle zugeführt wird oder der an der dielektrischen Linse im Inneren der Halterung 1245 angebracht ist.
Wenn die dielektrische Linse mit dem Sendewellenleiter 1232 (oder einem Sendeempfangswellenleiter) elektromagnetisch gekoppelt ist, kann die dielektrische Linse ausgebildet sein zum Fokussieren des Funksignals von dem Sendewellenleiter 1232 auf den beweglichen Teil 1210. Wenn die dielektrische Linse (oder eine zusätzliche dielektrische Linse) mit dem Empfangswellenleiter 1234 elektromagnetisch gekoppelt ist, kann die dielektrische Linse (und/oder die zusätzliche dielektrische Linse) ausgebildet sein zum Sammeln des reflektierten Funksignals und zum Bereitstellen des reflektierten Funksignals an den Empfangswellenleiter 1234.
20a zeigt eine beispielhafte Halterung 2000-A. Die Halterung 2000-A kann verwendet werden, um einen Radarwellenleiter (z. B. einen Sendewellenleiter, einen Empfangswellenleiter und/oder einen Sendeempfangswellenleiter) in die Nähe eines beweglichen Teils (z. B. eines Zahnrads) durch ein Maschinengehäuse zu bringen. Zum Beispiel kann ein zentral erzeugtes Funksignal (z. B. erzeugt durch die Senderschaltung 222 der Maschine 200 von 2) via Kunststofffaserwellenleiter (z. B. massive Kunststoffwellenleiter) oder Hohlleiter auf unterschiedliche bewegliche Teile verteilt werden. Die Halterung 2000-A kann zum Beispiel verwendet werden, um den Wellenleiter durch das Maschinengehäuse eines Getriebekastens oder eines Motorgehäuse zuzuführen.
Die Halterung 2000-A umfasst eine zylindrische Außenhülle 2002 mit einem Flansch 2003. Die Außenhülle 2002 kann Metall und/oder Kunststoffmaterial umfassen. Die Halterung 2000-A kann in eine Öffnung des Maschinengehäuses eingefügt werden, wo das bewegliche Teil untergebracht ist. Mit Hilfe des Flansches 2003 kann die Halterung 2000-A auf dem Maschinengehäuse befestigt werden. Ein erstes Ende 2007 der Halterung 2000-A kann sich dann außerhalb des Maschinengehäuses befinden, während sich ein zweites Ende 2008 der Halterung 2000-A im Inneren des Maschinengehäuses befinden kann und auf das bewegliche Teil gerichtet sein kann. Sowohl ein Sendewellenleiter 2032 als auch ein Empfangswellenleiter 2034 können massive Kunststoffwellenleiter (oder Glasfaserwellenleiter) sein und können in die Halterung 2000-A (d. h. in die Außenhülle 2002) von dem ersten Ende 2007 eingefügt werden. Die Außenhülle 2002 weist eine Öffnung an dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-A auf. Diese Öffnung ist durch einen Refraktor 2004 (z. B. eine dielektrische Linse oder eine dielektrische Abdeckung, die für Funksignale transparent ist) bedeckt. Im Inneren der Außenhülle 2002 sind ein Ende des Sendewellenleiters 2032 und ein Ende des Empfangswellenleiters 2034 an dem Refraktor 2004 angebracht. Auf diese Weise können der Sendewelqlenleiter 2032 und der Empfangswellenleiter 2034 mit dem Refraktor 2004 elektromagnetisch gekoppelt sein. Der Refraktor 2004 kann dann ein Funksignal, das durch den Sendewellenleiter 2032 geliefert wird, auf das bewegliche Teil fokussieren, eine Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil erfassen und das reflektierte Funksignal an den Empfangswellenleiter 2034 bereitstellen.
Ferner werden der Sendewellenleiter 2032 und der Empfangswellenleiter 2034 im Inneren der Außenhülle 2002 durch ein Füllmaterial 2006 in Position gehalten. Das Füllmaterial 2006 kann ein dielektrisches Material mit einer dielektrischen Konstante sein, die kleiner ist als eine dielektrische Konstante des Sendewellenleiters 2032 und des Empfangswellenleiters 2034. Dies kann Verluste des Sendewellenleiters 2032 und des Empfangswellenleiters 2034 beim Führen des Funksignals und/oder des reflektierten Funksignals durch die Halterung 2000-A reduzieren. Das Füllmaterial 2006 kann in die Außenhülle 2002 eingebettet sein, um die Positionen des Sendewellenleiters 2032 und des Empfangswellenleiters 2034 an dem Refraktor 2004 zu fixieren.
20b zeigt eine andere Halterung 2000-B zum Richten eines Sendewellenleiters und eines Empfangswellenleiters auf ein bewegliches Teil im Inneren eines Maschinengehäuses. Die Halterung 2000-B kann ähnlich sein zu der Halterung 2000-A von 20a. Im Gegensatz dazu ist allerdings eine Außenhülle 2002 der Halterung 2000-B mit Metall 2006 gefüllt oder die Halterung 2000-B kann alternativ aus massiven Metall hergestellt sein. Die Halterung 2000-B umfasst einen ersten und einen zweiten Kanal, die durch das Metall 2006 von dem ersten Ende 2007 (außerhalb des Maschinengehäuses) zu dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-B (im Inneren des Maschinengehäuses) laufen.
Der Sendewellenleiter umfasst einen ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2032-1 und einen zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2032-2. Der erste massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2032-1 ist mit dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2032-2 durch eine Klemme 2009 an dem ersten Ende 2007 der Halterung 2000-B außerhalb des Maschinengehäuses verbunden. Der zweite massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2032-2 wird in den ersten Kanal der Halterung 2000-B eingefügt und wird an eine erste dielektrische Linse 2004-1 an dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-B angebracht. Die Linse 2004-1 agiert als ein Feldübergangskoppler oder -antenne. Während die dielektrische Linse 2004-1 bei dem dargestellten Beispiel eine kugelförmige Form mit einer konvexen Oberfläche aufweist, können auch unterschiedliche Geometrien eingesetzt werden, z. B. verjüngte Feldübergangskoppler, ähnlich zu 10. Abhängig von der Geometrie des Wellenleiterabschnitts 2032-2 kann ein entsprechender verjüngter Feldübergangskoppler oder -antenne zum Beispiel von konischer oder pyramidenförmiger Form sein.
Ebenso umfasst der Empfangswellenleiter einen ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2034-1 und einen zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2034-2. Der erste massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2034-1 des Empfangswellenleiters ist mit seinem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2034-2 durch die Klemme 2009 (oder eine zusätzliche Klemme) an dem ersten Ende 2007 der Halterung 2000-B verbunden. Der zweite massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2034-2 des Empfangswellenleiters ist in den zweiten Kanal der Halterung 2000-B eingefügt und ist an einer zweiten dielektrischen Linse 2004-2 an dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-B angebracht. Die erste und die zweite dielektrische Linse 2004-1, 2004-2 können auf das bewegliche Teil im Inneren des Maschinengehäuses gerichtet sein.
20c zeigt eine andere Halterung 2000-C, die ähnlich ist zu der Halterung 2000-B von 20b. Verglichen mit der Halterung 2000-B sind die Kanäle der Halterung 2000-C, die durch das Metall 2006 laufen, weiter hergestellt, sodass der Sendewellenleiter und der Empfangswellenleiter zusätzlich mit jeweiligen dielektrischen Schaumrohren oder Metallbeschichtungen 2037-1, 2037-2 beschichtet sein können. Die dielektrischen Schaumrohre 2037-1, 2037-2 können eine dielektrische Konstante aufweisen, die kleiner ist als eine dielektrische Konstante des Sendewellenleiters und des Empfangswellenleiters. Dies kann einen Verlust des Sendewellenleiters und des Empfangswellenleiters beim Führen des Funksignals und/oder des reflektierten Funksignals durch die Halterung 2000-C reduzieren.
20d zeigt eine andere Halterung 2000-D, die ähnlich ist zu der Halterung 2000-A von 20a. Im Gegensatz zu der Halterung 2000-A ist die Halterung 2000-D ausgebildet zum Empfangen von nur einem Wellenleiter 2030 (z. B. einem Sendewellenleiter oder einem Empfangswellenleiter oder einem Sendeempfangswellenleiter). Der empfangene Wellenleiter 2030 kann ein massiver Kunststoffwellenleiter (z. B. ein Glasfaserwellenleiter) sein und kann entlang einer zentralen Achse der Halterung 2000-D laufen. Ferner kann der empfangene Wellenleiter 2030 in Position gehalten werden durch ein dielektrisches Füllmaterial 2006, das den empfangenen Wellenleiter 2030 umgibt und eine dielektrische Konstante aufweist, die kleiner ist als die dielektrische Konstante des empfangenen Wellenleiters 2030. An dem ersten Ende 2007 der Halterung 2000-D ist der empfangene Wellenleiter 2030 an die Halterung 2000-D (z. B. an das Füllmaterial 2006) mit einem Klebstoff geklebt, der eine dielektrische Konstante aufweist, die kleiner ist als die dielektrische Konstante des empfangenen Wellenleiters 2030. An dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-D ist der empfangene Wellenleiter 2030 mit einer dielektrischen Linse 2004 gekoppelt. Die dielektrische Linse 2004 kann auf das bewegliche Teil gerichtet sein.
Wenn ein Wellenleiter 2030, der durch eine Halterung empfangen wird, optional mit einem dielektrischen Schaumrohr 2037 von einer dielektrischen Konstante, die kleiner ist als die dielektrische Konstante des empfangenen Wellenleiters 2030, wie für die Halterung 2000-E von 20e gezeigt, beschichtet ist, können das dielektrische Füllmaterial 2006 und/oder der Klebstoff 2011 von jeglicher dielektrischen Konstante sein.
20f zeigt noch eine andere Halterung 2000-F, die ähnlich ist zu der Halterung 2000-D von 20d. Eine Außenhülle 2002 der Halterung 2000-F ist mit Metall 2006 gefüllt. Alternativ kann die Halterung 2000-F aus massiven Metall hergestellt sein. Die Halterung 2000-F umfasst einen metallischen Hohlleiter 2039, der durch das Metall 2006 von dem ersten Ende 2007 zu dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-F entlang einer zentralen Achse der Halterung 2000-F läuft. An dem ersten Ende 2007 ist ein Wellenleiter (z. B. ein massiver Kunststoffwellenleiter), der durch die Halterung 2000-D empfangen wird, in den metallischen Hohlleiter 2039 gesteckt und durch die Halterung 2000-F mit einer Klemme 2009 gehalten. An dem zweiten Ende 2008 der Halterung 2000-F ist der metallische Hohlleiter 2039 an einer dielektrischen Linse 2004 (oder einer dielektrischen Abdeckung, die für Funksignale transparent ist) angebracht.
Alternativ kann ein metallischer Hohlleiter 2039 ein hohles Metallrohr umfassen, das in dielektrisches Füllmaterial einer Halterung eingefügt ist und von einem ersten Ende 2007 zu einem zweiten Ende 2008 der Halterung läuft. Eine solche Halterung 2000-G is in 20g gezeigt. An dem ersten Ende 2007 der Halterung 2000-G ist ein Wellenleiter 2030 (z. B. ein massiver Kunststoffwellenleiter), der durch die Halterung 2000-G empfangen wird, teilweise in ein Metallrohr 2039 der Halterung 2000-G eingefügt (z. B. gesteckt). Das Metallrohr 2039 ist durch dielektrisches Füllmaterial 2006 umgeben, das von einer beliebigen dielektrischen Konstante sein kann. Außerhalb der Halterung 2000-G ist der empfangene Wellenleiter 2030 durch ein dielektrisches Schaumrohr oder Metallbeschichtung 2037 beschichtet. Eine dielektrische Konstante des dielektrischen Schaumrohrs 2037 ist kleiner als eine dielektrische Konstante des empfangenen Wellenleiters 2030. Der empfangene Wellenleiter, der mit dem dielektrischen Schaumrohr 2037 beschichtet ist, ist an der Halterung 2000-G mit einem Klebstoff (von einer beliebigen dielektrischen Konstante) angebracht.
Ferner sind Entwurfsvarianten der Halterungen, die in 20a–g gezeigt sind, mit mehr als zwei dielektrischen Wellenleiterkernen möglich. Diese Art von Struktur (z. B. die in 20a–g gezeigten Halterungen) kann direkt mit einer ECU (elektronische Steuereinheit) verbunden sein oder können längere Fasern verwenden, um mit derselben verbunden zu sein.
21a zeigt eine Sensorvorrichtung 2100-A, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines beweglichen Teils (nicht gezeigt). Die Sensorvorrichtung 2100-A umfasst eine Sendeempfängerschaltung 2121, einen Sendewellenleiter 2132, einen Empfangswellenleiter 2134, eine Halterung 2110 und einen Faserkoppler 2147. Der Faserkoppler 2147 wird eingesetzt zum Verbinden des Sendewellenleiters 2132 und des Empfangswellenleiters 2134 mit der Sendeempfängerschaltung 2121. Die Sendeempfängerschaltung kann eine Senderschaltung, die ausgebildet ist zum Erzeugen von Funksignalen, und eine Empfängerschaltung, die ausgebildet ist zum Bestimmen der Position und/oder der Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf (zumindest) einem empfangenen reflektierten Funksignal, umfassen. Die Halterung 2110 ist ausgebildet zum Richten des Sendewellenleiters 2132 und des Empfangswellenleiters 2134 in Richtung des beweglichen Teils, das durch ein Maschinengehäuse untergebracht ist. Die Sendeempfängerschaltung 2121 ist mit einem ersten Anschluss (Port) des Faserkopplers 2147 verbunden. Der Sendewellenleiter 2132 ist mit einem zweiten Anschluss des Faserkopplers 2147 verbunden, wobei der zweite Anschluss mit dem ersten Anschluss elektromagnetisch gekoppelt ist. Ebenso ist der Empfangswellenleiter 2134 mit einem dritten Anschluss des Faserkopplers 2147 gekoppelt, wobei der dritte Anschluss mit dem ersten Anschluss elektromagnetisch gekoppelt ist und von dem zweiten Anschluss elektromagnetisch isoliert ist. Ein vierter Anschluss des Faserkopplers 2147 kann von dem ersten Anschluss elektromagnetisch isoliert sein und kann durch eine charakteristische Impedanz des Faserkopplers 2147 (z. B. 50 Ohm) terminiert sein.
Wenn alternativ ein Sendeempfangswellenleiter 2130 in Richtung des beweglichen Teils gerichtet ist und durch eine Halterung 2110 in Position gehalten wird, wie in 21b für die Sensorvorrichtung 2100-B gezeigt, kann der Faserkoppler 2147 zum Koppeln des Sendeempfangswellenleiters 2130 mit einer Senderschaltung 2122 und einer Empfängerschaltung 2124 der Sensorvorrichtung 2100-B verwendet werden. Zum diesem Zweck wird der Sendeempfangswellenleiter 2130 mit einem Anschluss des Faserkopplers 2147 verbunden, der mit zwei anderen Anschlüssen des Faserkopplers 2147 elektromagnetisch gekoppelt ist, wobei einer dieser Anschlüsse mit der Senderschaltung 2122 verbunden ist und der andere ist mit der Empfängerschaltung 2124 verbunden.
Anders ausgedrückt, 21a zeigt einen dielektrischen Wellenleiterfaserkoppler, der verwendet werden kann, um Erfassungsköpfe mit mehreren Fasern mit zentralen Radareinheiten mit kombiniertem Sende- und Empfangskanal zu verbinden. Ebenso kann ein dielektrischer Wellenleiterfaserkoppler verwendet werden, um einen Erfassungskopf mit nur einer Faser mit getrennten Sendern und Empfängern zu verbinden, wie in 21b gezeigt.
Gemäß einigen Beispielen kann ein Sendewellenleiter und/oder ein Empfangswellenleiter (und/oder ein Sendeempfangswellenleiter) einer Sensorvorrichtung einen ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt und einen zweiten massiven Kunststoffwellenleiterab schnitt umfassen. Jeder massive Kunststoffwellenleiterabschnitt kann durch ein jeweiliges dielektrisches Schaumrohr mit einer dielektrischen Konstante, die geringer ist als eine dielektrische Konstante des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts, beschichtet sein. Die dielektrischen Schaumrohre können den Wellenleiter vor Umwelteinflüssen schützen. Ferner können die dielektrischen Schaumrohre andere Teile (von z. B. der Maschine, in der die Sensorvorrichtung installiert ist) daran hindern, mit dem Wellenleiter elektromagnetisch zu interagieren, und können somit diese Teile daran hindern, Verluste in dem Wellenleiter zu verursachen. Durch Verbinden von zumindest zwei massiven Kunststoffwellenleiterabschnitten miteinander kann der Wellenleiter auf eine erwünschte Länge getrimmt werden, die für die Installationsbedingungen in der Maschine geeignet ist.
Zum Beispiel kann ein Ende des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts mit einem Ende des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts durch ein Halterungsrohr verbunden sein. Das Halterungsrohr kann ausgebildet sein zum Ausrichten einer Stirnseite des Endes des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts mit einer Stirnseite des Endes des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts. Auf diese Weise kann ein Funksignal von dem ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt mit dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiter koppeln (und umgekehrt).
22a zeigt eine Verbindung 2200-A zwischen einem ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1 und einem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-2. Eine Stirnseite 2231-1 des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1 ist mit einer Stirnseite 2231-2 des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-2 ausgerichtet. Ferner ist der erste massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1 bis zu seiner Stirnseite 2231-2 mit einem ersten dielektrischen Schaumrohr 2237-1 beschichtet. Der zweite massive Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1 ist bis zu seiner Stirnseite 2231-2 mit einem zweiten dielektrischen Schaumrohr 2237-2 beschichtet. Ein Halterungsrohr 2239 der Verbindung 2200-A hält die Stirnseiten 2231-1, 2231-2 des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1, 2230-2 relativ zueinander in Position. Das Halterungsrohr 2239 umgibt die beschichteten Enden des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1, 2230-2. Eine erste Klemme 2009-1 klemmt das Halterungsrohr 2239 an das Ende des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1. Eine zweite Klemme 2009-2 klemmt das Halterungsrohr 2239 an das Ende des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-2. Da das erste und das zweite dielektrische Schaumrohr 2237-1, 2237-2 das Halterungsrohr 2239 von dem ersten und dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1, 2230-2 trennen, kann eine elektromagnetische Interaktion zwischen dem Halterungsrohr 2239 und dem ersten und dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1, 2230-2 reduziert (und/oder vermieden) werden. Das Halterungsrohr 2239 kann somit ein Material von einer beliebigen dielektrischen Konstante aufweisen, ohne Verluste in dem ersten oder dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1, 2230-2 zu verursachen.
22b zeigt eine alternative Verbindung 2200-B zwischen einem ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1 und einem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-2. Im Fall der Verbindung 2200-B, sind die Enden des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1, 2230-2 frei von den dielektrischen Schaumrohren 2237-1, 2237-2, sodass das Halterungsrohr 2239 die Enden des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1, 2230-2 direkt umgibt und ihre Stirnseiten relativ zueinander in Position hält. Das Halterungsrohr 2239 der Verbindung 2200-B weist Metall auf, das die elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt 2230-1, 2230-2 verbessern kann und die Enden des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts 2230-1, 2230-2 elektromagnetisch abschirmen kann.
Zusammenfassend können Verbindungen zwischen Fasern (z. B. massive Kunststoffwellenleiterabschnitte) durch ein Fixieren ihrer Enden in einer richtigen Position voreinander hergestellt werden. Das Halterungsrohr kann den umgebenden Schaum von niedriger Dielektrizität (z. B. das dielektrische Schaumrohr) umfassen, der optional die Faser umgeben kann und in diese Fall aus jeglichem Material sein kann, da das dielektrische Schaumrohr ausreichend Platz für das elektromagnetische Feld, das die Faser umgibt, schaffen kann, um erhebliche Verluste zu vermeiden. Alternativ kann das Halterungsrohr metallisch sein und kann den Charakter eines Hohlleiters aufweisen. In diesem Fall können die Fasern ohne den Schaum eingefügt werden. Mechanische Klemmen können verwendet werden, um die Faser auf beiden Seiten des Halterungsrohrs zu fixieren.
Wieder bezugnehmend auf 12a können gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung der Sendewellenleiter 1232 und der Empfangswellenleiter 1234 5 cm lang oder länger, z. B. bis zu 1 m lang, oder sogar länger, z. B. bis zu 3 m lang, sein. Sie können um andere Teile einer Maschine herum geleitet sein oder RF-Zuführungen verwenden, die durch Wände der Maschine, die das bewegliche Teil 1210 umfassen kann, von dem abgeschirmten Gehäuse 1240 zu dem beweglichen Teil 1210 geführt werden sollen.
Ferner können der Sendewellenleiter 1232 und der Empfangswellenleiter 1234 zusammen mit dem abgeschirmten Gehäuse 1240 einen elektrostatischen Entladeschutz an die Radar-IC 1222 sowie an die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 bereitstellen, weil der Sendewellenleiter 1232 und der Empfangswellenleiter 1234 keine Gleichströme (DC) leiten können, da sie entweder aus Kunststoff bestehen oder im Fall eines metallischen Wellenleiters die leitfähigen Metallwände des Wellenleiters für DC mit Masse verbunden sein können oder von allen elektronischen Potentialen der Sende- oder Empfangselektronik (z. B. die Radar-IC 1222, die Versorgungsschaltung 1226 und die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224) isoliert sein können. Anders ausgedrückt, eine elektrostatische Entladung kann die Radar-IC 1222 weder via den Sendewellenleiter 1232 noch via den Empfangswellenleiter 1234 erreichen. Da die Radar-IC 1222 durch das abgeschirmte Gehäuse 1240 umgeben ist, können auch alternative Pfade zu der Radar-IC 1222 für eine elektrostatische Entladung blockiert sein. Ein elektrostatischer Entladeschutz der Radar-IC 1222 kann wünschenswert sein, da bei einigen Ausführungsbeispielen die Radar-IC 1222 eine nicht gehäuste integrierte Schaltung, z. B. ein nackter Chip, sein kann. Eine nicht gehäuste Radar-IC kann bei höheren Radiofrequenzen betrieben werden, z. B. bei Frequenzen über 30 GHz oder sogar über 150 GHz, da parasitäre Effekte, z. B. parasitäre Kapazitäten oder parasitäre Induktivitäten, eines Gehäuses für eine nicht gehäuste Radar-IC vermieden werden können.
Die Versorgungsschaltung 1226 kann eine Filterschaltung umfassen, die ähnlich ist zu der Filterschaltung 500 und kann ausgebildet sein zum Filtern eine Versorgungsspannung, die an die Radar-IC 1222 und an die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 angelegt sind. Folglich kann es, wie bereits oben erklärt, vermieden werden, dass Interferenzsignale oder andere störende Wechselspannungen die Radar-IC 1222 oder die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 via Versorgungsspannungsleitungen erreichen können.
Die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 kann einen Mikrokontroller oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (AIC) umfassen und kann mit der Radar-IC 1222 verbunden sein. Sie kann verwendet werden, um die Radar-IC 1222 zu steuern, zum Beispiel um die Erzeugung und den Empfang von Funksignalen zu steuern, z. B. Auslösen einer Erzeugung eines Funksignals, Einstellen einer bestimmten Radiofrequenz, Sendeleistung, Pulsdauer und/oder Pulswiederholungsfrequenz des erzeugten Funksignals oder Aktivieren von bestimmten Signalpfade, z. B. ein rauscharme Verstärker oder ein elektronischer Dämpfer des Empfängerabschnitts der Radar-IC 1222. Die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 kann ferner ein abwärtsgewandeltes (z. B. gewandelt zu einer Basisband- oder zu einer Zwischenfrequenz) reflektiertes Funksignal von dem Empfängerabschnitt und/oder das erzeugte Funksignal (bei Basisband- oder bei einer Zwischen-Frequenz) von dem Senderabschnitt empfangen. Die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 kann somit ausgebildet sein zum Erfassen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils 1210 basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal, kann aber auch das erzeugte Funksignal für diesen Zweck berücksichtigen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Sensorvorrichtung 1200 in einem Fahrzeug oder einem Teil eines Fahrzeugs enthalten sein. Die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224 kann dann die erfasste Position und/oder die erfasste Geschwindigkeit des beweglichen Teils 1210 an eine elektronische Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs bereitstellen.
12b zeigt ein anderes mögliches Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 1200' zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit eines beweglichen Teils 1210', hierin als eine Sendeempfangssensorvorrichtung 1200' bezeichnet, da sie einen Sendeempfangswellenleiter 1233' umfasst. Die Sendeempfangssensorvorrichtung 1200' ist ähnlich zu der Sensorvorrichtung 1200, die den Sendewellenleiter 1232 und den Empfangswellenleiter 1234 verwendet.
Entsprechend zu der Sensorvorrichtung 1200 umfasst die Sendeempfangssensorvorrichtung 1200' eine Radar-IC 1222', eine Versorgungsschaltung 1226' und eine Bewertungs- und Steuerschaltung 1224', die innerhalb einer geschützten elektronischen Umgebung, z. B. in einem elektromagnetisch abgeschirmten Gehäuse 1240', sind. Die Radar-IC 1222' umfasst eine Sendeantenne 1227' sowie eine Empfangsantenne 1228'. Die Sendeantenne 1227' und die Empfangsantenne 1228' sind mit einem direktiven Teiler 1235' gekoppelt, der gemäß einigen Ausführungsbeispielen ähnlich sein kann zu dem direktiven Teiler 900, wie oben erklärt. Der direktive Teiler 1235' kann via einen optionalen Verbinder oder eine Zuführung 1241' durch das abgeschirmte Gehäuse 1240' mit dem Sendeempfangswellenleiter 1233' gekoppelt sein. Der Sendeempfangswellenleiter 1233' kann ausgebildet sein zum Führen eines Funksignals, das durch die Radar-IC 1222' erzeugt wird, zu dem beweglichen Teil 1210', wobei das Funksignal mit der Radar-IC 1222' in den Sendeempfangswellenleiter 1233' via die Sendeantenne 1227', den direktiven Teiler 1235' und optional auch via einen Verbinder oder eine Zuführung 1241' gekoppelt ist. An dem beweglichen Teil 1210' kann der Sendeempfangswellenleiter 1233' von einer Halterung 1245' gehalten wird, derart, dass er dem beweglichen Teil 1210' zugewandt ist, und er kann optional mit der Halterung durch einen Verbinder 1243' verbunden sein. In unmittelbarer Nähe zu dem beweglichen Teil 1210', z. B. innerhalb einer Distanz, die kürzer ist als 5 cm, oder bei einigen Beispielen sogar kürzer als 1 cm, kann der Sendeempfangswellenleiter 1233' das erzeugte Funksignal in Richtung des beweglichen Teils 1210' emittieren, das das Funksignal (oder einen Teil desselben, z. B. einen Anteil seiner Energie) zurück zu dem Sendeempfangswellenleiter 1233' reflektieren kann. Somit kann der Sendeempfangswellenleiter 1233' das reflektierte Funksignal erfassen und es zurück zu der Radar-IC 1222' via den direktiven Teiler 1235' und die Empfangsantenne 1228' und optional via den Verbinder oder die Zuführung 1241' führen. Wie oben erklärt, kann die Bewertungs- und Steuerschaltung 1224' dann eine Position und/oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils 1210' basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal erfassen.
Anders ausgedrückt, innerhalb der Sendeempfangssensorvorrichtung 1200' kann der Empfangswellenleiter entfernt werden. Die reflektierte Welle kann dann von der gleichen Faser zurück transportiert werden, die die gesendete Welle in Richtung des Messortes führt. Die Trennung der empfangenen Welle von der gesendeten Welle kann durch den direktiven Teiler 1235' ausgeführt werden. Dies kann die Anzahl von Wellenleitern von zwei auf einen reduzieren.
13 zeigt eine zentralisierte Sensorvorrichtung 1300 zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit von mehreren beweglichen Teilen, z. B. eines ersten beweglichen Teils 1310-1, eines zweiten beweglichen Teils 1310-2 und eines dritten beweglichen Teils 1310-3. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl von beweglichen Teilen, deren Position und/oder Geschwindigkeit bestimmt werden soll, auch zwei sein oder drei überschreiten. Zum Beispiel kann es vier, sechs oder zehn bewegliche Teile geben, deren Position und/oder Geschwindigkeit durch eine zentralisierte Sensorvorrichtung bestimmt werden kann. Die zentralisierte Sensorvorrichtung 1300 umfasst eine zentralisierte Radar-IC 1322, die durch das abgeschirmte Gehäuse elektromagnetisch abgeschirmt sein kann und deren Versorgungsspannungen durch eine Filterschaltung ähnlich zu der Filterschaltung 500 (in 13 nicht gezeigt) gefiltert werden können.
Um eine Position und/oder eine Geschwindigkeit von einigen beweglichen Teilen, z. B. für das erste bewegliche Teil 1310-1, zu bestimmen, kann die Sensorvorrichtung 1300 ein durch die zentralisierte Radar-IC 1322 erzeugtes Funksignal via einen Sendewellenleiter 1332 in Richtung des ersten beweglichen Teils 1310-1 senden, und kann ein von dem ersten beweglichen Teil 1310-1 erzeugtes Funksignal an der zentralisierten Radar-IC 1322 via einen Empfangswellenleiter 1334 empfangen. Zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit von einigen beweglichen Teilen, z. B. des zweiten beweglichen Teils 1310-2 oder des dritten beweglichen Teils 1310-3, kann die Sensorvorrichtung 1300 das erzeugte Funksignal via einen Sendeempfangswellenleiter senden und das reflektierte Funksignal via den gleichen Sendeempfangswellenleiter empfangen. Zum Beispiel kann das erzeugte Funksignal via einen ersten Sendeempfangswellenleiter 1333-1 zu dem zweiten beweglichen Teil 1310-2 gesendet werden, und das von dem zweiten beweglichen Teil 1310-2 reflektierte Funksignal kann auch zu der zentralisierten Radar-IC 1322 durch den ersten Sendeempfangswellenleiter 1333-1 zurück geführt werden. Für das dritte bewegliche Teil 1310-3 kann die zentralisierte Radar-IC 1322 ein erzeugtes Funksignal via einen zweiten Sendeempfangswellenleiter 1333-2 in Richtung des dritten beweglichen Teils 1310-3 senden, und eine Reflexion des Funksignals von dem dritten beweglichen Teil 1310-3 auch via den zweiten Sendeempfangswellenleiter 1333-2 empfangen.
Wie in 13 gezeigt, können die Kopplung der erzeugten Funksignale von der zentralisierten Radar-IC 1322 in die Wellenleiter sowie die Kopplung der reflektierten Funksignale von den Wellenleitern zu der zentralisierten Radar-IC 1322 Antennen 1327 verwenden, wie oben erklärt. Im Fall von Sendeempfangswellenleitern können direktive Teiler 1335 eingesetzt werden, um das erzeugte Funksignal von dem reflektierten Funksignal zu trennen.
Gemäß der zentralisierten Sensorvorrichtung 1300 können mehrere Geschwindigkeitssensoren zumindest teilweise die gleiche RF-integrierte Schaltung, z. B. die zentralisierte Radar-IC 1322, gemeinschaftlich verwenden. Somit kann die zentralisierte Sensorvorrichtung 1300 bei Anwendungen verwendet werden, die mehrere Inkremental-Geschwindigkeits- und/oder -Positions-Messungen erfordern, z. B. eine Übertragungssteuerung, ein Antiblockiersystem (ABS = anti-lock braking system) oder eine Motorsteuerung.
Eine zentralisierte Radar-IC kann mehrere Sendeempfängerschaltungen umfassen. Bei dem Beispiel der zentralisierten Radar-IC 1322 kann sie drei Sendeempfängerschaltungen umfassen, um gleichzeitig eine Position und/oder eine Geschwindigkeit des ersten beweglichen Teils 1310-1, des zweiten beweglichen Teils 1310-2 und des dritten beweglichen Teils 1310-3 zu bestimmen. Alternativ kann die zentralisierte Radar-IC 1322 eine einzelne Sendeempfängerschaltung umfassen. Ein Senderabschnitt der einzelnen Sendeempfängerschaltung kann zwischen unterschiedliche Sendeantennen geschaltet werden, die mit unterschiedlichen Wellenleitern und somit mit unterschiedlichen beweglichen Teilen gekoppelt sind. Entsprechend kann ein Empfängerabschnitt der einzelnen Sendeempfängerschaltung zwischen unterschiedliche Empfangsantennen geschaltet werden, die mit unterschiedlichen Wellenleitern und somit mit unterschiedlichen beweglichen Teilen gekoppelt sind. Das Schalten zwischen die Sendeantennen sowie das Schalten zwischen die Empfangsantennen kann durch RF-Schalter, z. B. RF-Schalter in CMOS-Technologie oder unter Verwendung von pin-Dioden ausgeführt werden. Die RF-Schalter können in die zentralisierte Radar-IC 1322 integriert werden oder können auf einer gedruckten Schaltungsplatine befestigt werden, z. B. der gedruckten Schaltungsplatine, die auch die zentralisierte Radar-IC 1322 umfasst.
Nachdem erklärt worden ist, wie ein erzeugtes Funksignal von einer Senderschaltung einer Sensorvorrichtung zu einem beweglichen Teil einer Maschine unter Verwendung eines Wellenleiters, z. B. eines Sendewellenleiters, geführt wird und wie ein von dem beweglichen Teil reflektiertes Funksignal zurück zu einer Empfängerschaltung ebenfalls unter Verwendung eines Wellenleiters, z. B. eines Empfangswellenleiters, geführt wird, wird nun beschrieben, wie die Empfängerschaltung (oder eine Bewertungsschaltung) eine Position und/oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal bestimmen kann.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Empfängerschaltung eine Position und/oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf einer Leistungsvariation des empfangenen reflektierten Funksignals und/oder einer Phasendifferenz zwischen dem erzeugten Funksignal und dem empfangenen reflektierten Funksignal bestimmen.
14 zeigt eine Maschine 1400, umfassend ein bewegliches Teil 1410, z. B. ein Codiererrad oder -scheibe, und eine Radar-IC, z. B eine Sendeempfängerschaltung 1422, mit einer Sendeantenne 1427, die mit einem Sendewellenleiter 1432 gekoppelt ist und eine Empfangsantenne 1428, die mit einem Empfangswellenleiter 1434 gekoppelt ist. Das zweite Ende des Sendewellenleiters 1432 und das erste Ende des Empfangswellenleiters 1434 können in unmittelbarer Nähe (kleiner als 5 cm oder sogar kleiner als 1 cm bei einigen Ausführungsbeispielen) zu dem beweglichen Teil 1410 sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann es auch möglich sein, nur eine einzelne Sendeempfangsantenne und einen einzelnen Sendeempfangswellenleiter zusammen mit einem Duplexer zu verwenden, um Sende- und Empfangspfad zu trennen. Das bewegliche Teil 1410 weist einen rotationsmäßig symmetrischen Querschnitt in der x–z-Ebene perpendikulär zu seiner Rotationsachse (Y-Achse) auf. Hier sind die Stirnseite des zweiten Endes des Sendewellenleiters 1432 und die Stirnseite des ersten Endes des Empfangswellenleiters 1434 tangential zu dem beweglichen Teil 1410 positioniert, derart, dass das erzeugte Funksignal S_t von einer äußeren ringförmigen Mantelfläche des beweglichen Teils 1410 reflektiert wird, die sich parallel zu der Rotationsachse des beweglichen Teils 1410 sowie in Umfangsrichtung des beweglichen Teils 1410 erstreckt.
Die äußere ringförmige Mantelfläche des beweglichen Teils umfasst in Umfangsrichtung benachbarte Oberflächenabschnitte 1412-1, 1412-2, 1412-3, 1412-4, die für ein abwechselndes elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das von dem Sendewellenleiter 1432 emittierte Funksignal S_t ausgebildet sind. Der Begriff elektromagnetisches Reflexionsvermögen ist hier als ein Verhältnis der Energie eines von einer Oberfläche reflektierten Funksignals zu der Energie eines auf diese Oberfläche auftreffenden Funksignals zu verstehen, wobei das auftreffende Funksignal die Ursache des reflektierten Funksignals ist.
Ein erstes elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das Funksignal des ersten Oberflächenabschnitts 1412-1 unterscheidet sich von einem zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögen für das Funksignal des benachbarten zweiten Oberflächenabschnitts 1412-2. Dies kann zum Beispiel durch Verwenden unterschiedlicher Oberflächenmaterialien für die benachbarten Oberflächenabschnitte erfolgen. Zum Beispiel kann das erste elektromagnetische Reflexionsvermögen durch Metallisierung erhalten werden, während das zweite elektromagnetische Reflexionsvermögen ohne Metallisierung erhalten werden kann. Die unterschiedlichen elektromagnetischen Reflexionsgrade verursachen oder erzeugen jeweilige unterschiedliche Amplituden des empfangenen reflektierten Funksignals S_r. Ein elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das Funksignal eines dritten Oberflächenabschnitts 1412-3 benachbart zu dem zweiten Oberflächenabschnitt 1412-2 kann dem ersten elektromagnetischen Reflexionsvermögen des ersten Oberflächenabschnitts 1412-1 entsprechen. Ein elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das Funksignal eines vierten Oberflächenabschnitts 1412-4 benachbart zu dem dritten Oberflächenabschnitt 1412-3 kann dem zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögen des zweiten Oberflächenabschnitts 1412-2 entsprechen usw. Auf diese Weise kann ein periodisch oszillierendes Ausgangssignal 1423 mit hohen und niedrigen Werten, z. B. Spannungen oder Bits, nach Rotation des beweglichen Teils 1410 erhalten werden. Ein hoher Ausgangssignalwert kann einem Oberflächenabschnitt 1412 mit hohem elektromagnetischem Reflexionsvermögen entsprechen, während ein niedriger Ausgangssignalwert zum Beispiel einem Oberflächenabschnitt 1412 mit geringem elektromagnetischem Reflexionsvermögen entsprechen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das erste elektromagnetische Reflexionsvermögen sich im Wesentlichen oder deutlich von dem zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögen unterscheiden, zum Beispiel um zumindest 5% des ersten oder des zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögens. D. h., ein Verhältnis zwischen dem ersten elektromagnetischen Reflexionsvermögen und dem zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögen kann kleiner sein als 0,95 (oder größer als 1,05). Für deutlichere Amplitudenoszillationen des empfangenen reflektierten Signals S_r und/oder des Ausgangssignal 1423 kann das Verhältnis zwischen dem ersten elektromagnetischen Reflexionsvermögen und dem zweiten elektromagnetischen Reflexionsvermögen zum Beispiel kleiner als 0,5 (oder größer als 1,5) sein.
Bei dem Beispiel von 14 kann die Radar-IC 1422 die Amplituden-Modulation/-Variation der Leistung des Empfangssignals S_r messen, das durch das bewegliche Teil 1410, z. B. durch ein strukturiertes Zielrad, reflektiert wird. Die Amplitudenvariation wird durch die Änderung des Reflexionsvermögens zwischen benachbarten Oberflächenabschnitten 1412-1, 1412-2, 1412-3, 1412-4 verursacht. Das abwechselnde Reflexionsvermögen kann zum Beispiel durch ein Metallplattieren auf einem Kunststoffrad verursacht werden. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass verschiedene andere Optionen für ein abwechselndes Reflexionsvermögen möglich sind.
15 stellt weitere Ausführungsbeispiel dar, wobei benachbarte Oberflächenabschnitte von beweglichen Teilen ausgebildet sind zum Verursachen oder Erzeugen unterschiedlicher Amplituden des empfangenen reflektierten Funksignals oder unterschiedlicher Phasenverschiebungen zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal.
15a zeigt eine ringförmige Fläche eines beweglichen Teils 1510, z. B. eines Rings, einer Scheibe oder einer Welle einer Maschine 1500. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel von 14 umfasst die ringförmige Fläche des beweglichen Teils benachbarte Oberflächenabschnitte 1512-1, 1512-2, 1512-3, 1512-4, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, und die ausgebildet sind für ein abwechselndes elektromagnetisches Reflexionsvermögen für ein von einem Sendeempfangswellenleiter 1533 emittiertes Funksignal. Bei dem Beispiel der Maschine 1500 ist der Sendeempfangswellenleiter vor der ringförmigen Fläche des beweglichen Teils angeordnet. Basierend auf dem x-, y-, z-Koordinatensystem wird das Funksignal S_t in y-Richtung von dem Sendeempfangswellenleiter 1533 zu der ringförmigen Fläche gesendet. Gleichzeitig erstreckt sich auch die Rotationsachse des beweglichen Teils entlang der y-Richtung. Allerdings kann es einen radialen Versatz zwischen der Rotationsachse und der Position des Sendeempfangswellenleiters 1533, z. B. einem Ende des Sendeempfangswellenleiters 1533 geben. Somit kann auch eine Scheibe als ein bewegliches Teil 1510 anstelle eines Rads verwendet werden und eine Stirnseite des Endes des Sendeempfangswellenleiters 1533, z. B. eine Apertur des Sendeempfangswellenleiters 1533, die ausgebildet ist zum Emittieren des Funksignals und ausgebildet ist zum Empfangen des von dem beweglichen Teil 1510 reflektierten Funksignals, kann vor der Scheibe platziert sein.
15b zeigt eine ringförmige Fläche oder einen Querschnitt eines beweglichen Teils, z. B. eines Zahn- oder eines Getrieberads 1510', das in einer Maschine 1500' enthalten ist. Das Getrieberad 1510' umfasst eine Mehrzahl von Zähnen 1512'-1, die durch Abstände 1512'-2 getrennt sind, entlang seines Umfangs. Das Getrieberad 1510' weist einen rotationsmäßig symmetrischen Querschnitt in der x–z-Ebene perpendikulär zu seiner Rotationsachse (y-Achse) auf. Ein Sendeempfangswellenleiter 1533' ist radial außenliegend von dem Getrieberad 1510' positioniert, derart, dass das Funksignal S_t von einer äußeren Mantelfläche des Getrieberads 1510' reflektiert wird, die sich parallel zu der Rotationsachse des Getrieberads und in Umfangsrichtung des Getrieberads 1510' erstreckt. Der Zahn 1512'-1 und die Abstände 1512'-2 der Mantelfläche des Getrieberads stellen benachbarte Oberflächenabschnitte in Umfangsrichtung bereit, die in abwechselnden Distanzen von der Rotationsachse des Getrieberads 1510' angeordnet sind. Dies führt auch zu abwechselnden (kürzesten) Distanzen zwischen den jeweiligen benachbarten Oberflächenabschnitten 1512'-1, 1512'-2 und dem Sendeempfangswellenleiters 1533', z. B. einer Apertur des Sendeempfangswellenleiters 1533', die ausgebildet ist zum Emittieren eines Funksignals und ausgebildet ist zum Empfangen eines von dem Getrieberad 1510' reflektierten, entsprechenden Funksignals. D. h., eine kürzeste Distanz (erste Distanz) zwischen einem ersten Oberflächenabschnitt 1512'-1 des Getrieberads 1510' und der Apertur des Sendeempfangswellenleiters 1533' kann sich von einer kürzesten Distanz (zweiten Distanz) zwischen einem benachbarten zweiten Oberflächenabschnitt 1512'-2 des Getrieberads 1510' und der Apertur des Sendeempfangswellenleiters 1533' unterscheiden. Der Fachmann erkennt, dass die erste und zweite Distanz sich auf Distanzen beziehen können, wenn ein Zahn 1512'-1 oder ein Abstand 1512'-2 in 15b der Apertur des Sendeempfangswellenleiters 1533' jeweils direkt zugewandt ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann sich die erste Distanz von der zweiten Distanz um mehr als 5% der ersten oder der zweiten Distanz unterscheiden. D. h., ein Verhältnis zwischen der ersten Distanz und der zweiten Distanz kann kleiner sein als 0,95 (oder größer als 1,05). Für deutlichere Amplitudenoszillationen des Empfangssignals S_r kann das Verhältnis zwischen der ersten Distanz und der zweiten Distanz z. B. kleiner sein als 0,5 (oder größer als 1,5). Es ist zu beachten, dass die benachbarten, radial versetzten Oberflächenabschnitte 1512'-1 und 1512'-2 des Getrieberads 1510' das gleiche elektromagnetische Reflexionsvermögen aufweisen können. Optional können sie aber für ein weiteres Verbessern der Variation des reflektierten Signals auch von unterschiedlichem elektromagnetischem Reflexionsvermögen sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann somit ein Zahnrad anstelle eines mit Metall bedruckten Rads verwendet werden und die Modulation der Leistung des reflektierten empfangenen Funksignals tritt aufgrund der Änderungen der Distanz anstelle der Änderung des Materialreflexionsvermögens auf.
Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass auch komplexere Radarprinzipien als das Bewerten der Amplitude/Leistung einer empfangenen reflektierten Radarwelle verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Distanz zu dem reflektierten Objekt bewertet werden, was eine der klassischen Radarmessungen eines Pulsradars oder eines frequenzmodulierten, ununterbrochen sendenden Radars (FMCW-Radar; FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave) ist. Dies kann verwendet werden, um zu verifizieren, ob die mechanische Zusammensetzung der Maschine in einem ordnungsgemäßen Zustand ist. Für die Messung an einem Zahnrad kann auch ein Kontinuierliche-Welle-Radar (CW-Radar; CW = Continuous Wave) mit einer Bewertung des Doppler-Effekts verwendet werden, der ein Geschwindigkeitssignal liefern würde, weil sich an der Flanke eines nähernden Zahns die Oberfläche des Ziels sich in Richtung eines Sendeempfangswellenleiters (oder in Richtung eines Paares aus einem Sende- und einem Empfangswellenleiter) bewegt (positiver Geschwindigkeitspuls), und sich an der Flanke eines sich nähernden Abstands die Oberfläche des Ziels von dem Sendeempfangswellenleiter (oder von dem Paar aus dem Sende- und dem Empfangswellenleiter) weg bewegt und einen negativen Geschwindigkeitspuls liefert. Somit gibt es verschiedene Alternativen, die unterschiedliche Radarprinzipien nutzen.
16 stellt ein Beispiel eines reflektierten Signals Sr bezogen auf Ausführungsbeispiele zur Geschwindigkeitserfassung dar.
Der obere Signalverlauf 1610 kann zum Beispiel durch ein Abwärtswandeln eines empfangenen Radarsignals erhalten werden, das durch ein sich bewegendes (z. B. rotierendes) bewegliches Teil mit benachbarten Oberflächenabschnitten von unterschiedlichem Reflexionsvermögen reflektiert worden ist. Die Signalabwärtswandlung von dem RF-Bereich, die in einer Radar-IC ausgeführt werden kann, kann zu einem potenziell verrauschten, analogen oder digitalen Zwischenfrequenz- (IF-; IF = Intermediate Frequency = Zwischenfrequenz) oder Basisband-Radarsignal 1612 mit variierender Amplitude und/oder Phase führen. Das Radarsignal 1612 kann optional für eine Rauschunterdrückung oder -reduzierung gefiltert werden. Bei dem dargestellten Beispiel können Radarsignalabschnitte mit höherer Amplitude Abschnitten des beweglichen Teils mit höherem Reflexionsvermögen entsprechen, während Signalabschnitte mit niedrigerer Amplitude Abschnitten des beweglichen Teils mit geringerem Reflexionsvermögen entsprechen können.
Der Signalverlauf 1620 in dem unteren Abschnitt von 16 stellt ein Beispiel eines Radarsensorausgangssignals 1622 dar. Immer wenn die Amplitude des Radarsignals 1612 eine vordefinierte Signalschwelle thres (thres = threshold = Schwelle) überschreitet, kann zum Beispiel ein Ausgangssignalpuls 1622 erzeugt und in Richtung einer ECU gesendet werden. Bei dem dargestellten Beispiel werden somit die ansteigende Signalflanke und eine vordefinierte Signalschwelle verwendet, um einen Ausgangssignalpuls zu erzeugen, was zu einem binären Sensorausgangssignal mit den Pegeln 'high' (hoch) und 'low' (niedrig) führt. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass auch andere Verfahren zum Erzeugen von Sensorausgangssignalen möglich sind. Zum Beispiel können auch abfallende Signalflanken und/oder Nullübergänge des Signals 1612 als Auslöser für Ausgangssignalpulse verwendet werden.
Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann der Signalverlauf 1610 auch Phasendifferenzen zwischen einem Referenzsignal und einem empfangenen Radarsignal repräsentieren. Unterschiedliche Phasendifferenzen können unterschiedliche Laufzeiten eines Radarsignals und somit unterschiedliche Abschnitte eines sich bewegenden (z. B. rotierenden) beweglichen Teils anzeigen. Bei solchen Beispielen kann das Sensorausgangssignal 1622 ferner erzeugt oder ausgelöst werden basierend auf ermittelten/extrahieren Signalflanken und/oder Schwellenwerten und/oder Nullübergängen des Phasendifferenzsignals.
Bei Geschwindigkeitserfassungsanwendungen kann das Auftreten von Ausgangssignalpulsen 1622 (z. B. Signalflanken) synchron mit der Bewegung des beweglichen Objekts/Teils sein, z. B. können Signalflanken des Ausgangssignals synchron mit dem Auftreten von Strukturen des Objekts, z. B. reflektierenden Strukturen (z. B. Zähnen oder spezifischen Radarreflexionsstrukturen, die auf dem Objekt befestigt sind) sein. Anders ausgedrückt, eine Signalflanke entspricht einer spezifischen Struktur, z. B. dem Anfang eines Zahns etc. Somit kann eine Anzahl von Ausgangssignalpulsen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zum Bewerten der Geschwindigkeit des beweglichen Teils verwendet werden.
Andere Ausführungsbeispiele können zusätzlich oder alternativ eine Analyse von in einem empfangenen/reflektierten Radarsignal vorhandenen Frequenzkomponenten einsetzen. Ein Analysieren des Frequenzspektrums, z. B. einer spektralen Ausbreitung, kann auch Information über die Geschwindigkeit des beweglichen Teils liefern. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Analysieren des Radarsignals zum Bestimmen einer Rotationsgeschwindigkeitsinformation in dem Radarsensor, z. B. auf dem gleichen Chip, ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann anstelle eines Bereitstellens von Ausgangssignalpulsen mit Flanken, die synchron zu Ausgangssignalflanken sind, ein Absolutwert der an dem Radarsensor bestimmten Geschwindigkeit an eine Steuereinheit, z. B. unter Verwendung von digitalen oder analogen Kommunikationsschnittstellen, kommuniziert werden.
Nachdem mehrere Ausführungsbeispiele zur Geschwindigkeitserfassung beschrieben worden sind, wird nun ein Beispiel bezogen auf ein Messen der Position oder des Rotationswinkels beschrieben. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann dies durch Bereitstellen einer Maschine mit einem drehbar beweglichen Teil mit einem rotationsmäßig asymmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse des beweglichen Teils erreicht werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann es eine erhebliche Rotationsasymmetrie geben. Somit kann ein Verhältnis zwischen einem kleinsten und einem größten Durchmesser des beweglichen Teils in der Ebene perpendikulär zu seiner Rotationsachse kleiner als 0,9 oder sogar kleiner als 0,5 sein. Eine Senderschaltung ist ausgebildet zum Senden eines Funksignals in Richtung des beweglichen Teils. Eine Empfängerschaltung ist ausgebildet zum Empfangen einer Reflexion des Funksignals von dem beweglichen Teil und zum Bestimmen einer Rotationsposition und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen Funksignal, das von dem rotationsmäßig asymmetrischen beweglichen Teil reflektiert wird.
17 zeigt einen Aufbau 1700, der eine Sendeempfängerschaltung 1722 mit einer Sendeantenne 1727, die mit einem Sendewellenleiter 1732 gekoppelt ist, und eine Empfangsantenne 1728, die mit einem Empfangswellenleiter 1734 gekoppelt ist, umfasst, wobei das zweite Ende des Sendewellenleiters 1732 und das erste Ende des Empfangswellenleiters 1734 in unmittelbarer Nähe (kleiner als 5 cm oder sogar kleiner als 1 cm bei einigen Ausführungsbeispielen) zu einem beweglichen Teil 1710 mit einem asymmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse 1752 des beweglichen Teils sind. Zum Beispiel kann das gemessene, bewegliche Teil 1710 eine asymmetrische Welle (z. B. Nockenwelle oder Kurbelwelle) sein. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Querschnitt des beweglichen Teils elliptisch. Allerdings sind auch andere rotationsmäßig asymmetrische Querschnitte möglich. Hier sind der Sendewellenleiter 1732 und der Empfangswellenleiter 1734 radial außenliegend von dem beweglichen Teil 1710 positioniert, derart, dass das Funksignal S_t von einer äußeren Mantelfläche des beweglichen Teils 1710, die sich parallel zu der Rotationsachse 1752 des beweglichen Teils erstreckt, reflektiert wird.
Wie in dem Beispiel von 17 angezeigt, ist die Distanz d zwischen den Antennen 1732 und 1734 und der Mantelfläche abhängig von einem Rotationswinkel α des beweglichen Teils 1710. In einer Position, wo die große Halbachse des elliptischen beweglichen Teils 1710 parallel zu der z-Richtung ist (α = 0), entspricht die Distanz d der kürzesten Distanz zwischen den Wellenleitern 1732, 1734 und der Mantelfläche des beweglichen Teils 1710. In dieser Position detektiert die Sendeempfängerschaltung 1722 die größte Amplitude des reflektierten Signals. In einer Position, wo die große Halbachse des elliptischen beweglichen Objekts 1710 parallel zu der x-Richtung ist (α = π/2), entspricht die Distanz d der größten Distanz zwischen den Wellenleitern 1732, 1734 und der Mantelfläche des beweglichen Objekts 1710. In dieser Position detektiert die Sendeempfängerschaltung 1722 die kleinste Amplitude des reflektierten Signals. In einer weiteren Position, wo die große Halbachse des elliptischen beweglichen Teils 1710 antiparallel zu der z-Richtung ist (α = π), entspricht die Distanz d wieder der größten Distanz zwischen den Wellenleitern 1732 und 1734 und der Mantelfläche des beweglichen Teils 1710. In dieser Position detektiert die Sendeempfängerschaltung 1722 wieder die größte Amplitude des reflektierten Signals etc. Somit ist es möglich, 180° eindeutige Winkelinformation basierend auf der Amplitude oder der Leistung des reflektierten Signals zu detektieren. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, eine Frequenz der Amplitudenvariationen des oszillierenden reflektierten Funksignals zu detektieren. Diese Frequenz zeigt eine Rotationsgeschwindigkeit ω des beweglichen Teils 1710 an. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Rotationsgeschwindigkeit ω.
19 zeigt einen Aufbau 1900, der eine Sendeempfängerschaltung 1922 mit einer Sendeantenne 1927, die mit einem Sendewellenleiter 1932 gekoppelt ist, und einer Empfangsantenne 1928, die mit einem Empfangswellenleiter 1934 gekoppelt ist, umfasst, wobei das zweite Ende des Sendewellenleiters 1932 und das erste Ende des Empfangswellenleiters 1934 in unmittelbarer Nähe (kleiner als 5 cm oder sogar kleiner als 1 cm bei einigen Ausführungsbeispielen) zu einem beweglichen Teil 1910 mit einem Kreisquerschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse 1952 des beweglichen Teils sind. Die Rotationsachse 1952 des beweglichen Teils ist in y-Richtung gemäß dem in 19 gezeigten Koordinatensystem und ist in z-Richtung von dem Zentrum des Kreisquerschnitts dezentriert. Zum Beispiel kann das gemessene bewegliche Teil 1910 eine Welle (z. B. Nockenwelle oder Kurbelwelle) sein. Hier sind der Sendewellenleiter 1932 und der Empfangswellenleiter 1934 radial außenliegend von dem beweglichen Teil 1910 positioniert, derart, dass das Funksignal S_t von einer äußeren Mantelfläche des beweglichen Teils 1910, die sich parallel zu der Rotationsachse 1952 des beweglichen Teils erstreckt, reflektiert wird.
Wie in dem Beispiel von 19 angezeigt, hängt die Distanz d zwischen den Wellenleitern 1932 und 1934 und der Mantelfläche von einem Rotationswinkel α des beweglichen Teils 1910 ab. Aufgrund der dezentrierten Rotationsachse gibt es eine einmalige Position (α = 0), wobei die Distanz d zwischen der Mantelfläche des beweglichen Teils 1910 und den Wellenleitern 1932, 1934 minimal ist, z. B. einer kürzesten Distanz entspricht. In dieser Position detektiert die Sendeempfängerschaltung 1922 die größte Amplitude des reflektierten Signals. In einer umgekehrten einmaligen Position (α = π) entspricht die Distanz d der größten Distanz zwischen den Wellenleitern 1932, 1934 und der Manteloberfläche des beweglichen Teils 1910. In dieser Position detektiert die Sendeempfängerschaltung 1922 die kleinste Amplitude des reflektierten Signals. Somit ist es möglich, 360° eindeutige Winkelinformation basierend auf der Amplitude oder der Leistung des reflektierten Signals zu detektieren. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, eine Frequenz der Amplitudenvariationen des oszillierenden reflektierten Funksignals zu detektieren. Diese Frequenz zeigt eine Rotationsgeschwindigkeit ω des beweglichen Teils 1910 an. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Rotationsgeschwindigkeit ω.
Zusammenfassend implementieren Ausführungsbeispiele Verfahren für eine Positions- und/oder Geschwindigkeitserfassungsalternative zu Magnetsensorkonzepten. Ein grobes Flussdiagramm eines Verfahrens 1800 ist in 18 gezeigt.
Das Verfahren 1800 umfasst ein Erzeugen 1810 eines Funksignals mit einer Senderschaltung und ein Koppeln 1820 des Funksignals von der Senderschaltung in einen Sendewellenleiter. Das Verfahren 1800 umfasst auch ein Führen 1830 des Funksignals von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil durch den Sendewellenleiter und ein Emittieren 1840 des Funksignals von dem Sendewellenleiter in Richtung des beweglichen Teils. Ferner umfasst das Verfahren 1800 ein Reflektieren 1850 des Funksignals von dem beweglichen Teil, ein Erfassen 1860 des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil mit einem Empfangswellenleiter und ein Führen 1870 des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil zu einer Empfängerschaltung durch den Empfangswellenleiter. Dann wird ein Koppeln 1880 des reflektierten Funksignals aus dem Empfangswellenleiter zu der Empfängerschaltung durch das Verfahren 1800 durchgeführt. Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen 1890 einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils mit der Empfängerschaltung basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Die Beschreibung und die Zeichnungen stellen nur die Prinzipien der Erfindung dar. Fachleute auf dem Gebiet werden daher in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu erdenken, die, obwohl sie hierin nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Wesens und Rahmens umfasst sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Erfindung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockdiagramme konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Erfindung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollten. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese unterteilt werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Eine Maschine (200), umfassend: ein bewegliches Teil (210): eine Senderschaltung (222), die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Funksignals; einen Sendewellenleiter (232), der zwischen die Senderschaltung und das bewegliche Teil gekoppelt ist, wobei der Sendewellenleiter ausgebildet ist zum Führen des Funksignals von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil, wobei das bewegliche Teil ausgebildet ist zum Reflektieren des Funksignals; eine Empfängerschaltung (224); und einen Empfangswellenleiter (234), der zwischen das bewegliche Teil und die Empfängerschaltung gekoppelt ist, wobei der Empfangswellenleiter ausgebildet ist zum Führen des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil zu der Empfängerschaltung, wobei die Empfängerschaltung ausgebildet ist zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Die Maschine (200) gemäß Anspruch 1, wobei der Sendewellenleiter (232) und/oder der Empfangswellenleiter (234) einen Hohlleiter (310; 320) umfassen.
Die Maschine gemäß Anspruch 2, wobei der Hohlleiter (310; 320) einen Kunststoffhohlleiter umfasst, der einen durch eine dielektrische Schicht umgebenen Luftkern aufweist.
Die Maschine (200) gemäß Anspruch 1, wobei der Sendewellenleiter (232) und/oder der Empfangswellenleiter (234) einen massiven Kunststoffwellenleiter (330) umfassen.
Die Maschine (1200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein abgeschirmtes Gehäuse (1240), das ausgebildet ist zum elektromagnetischen Abschirmen der Senderschaltung (222) und/oder der Empfängerschaltung (224).
Die Maschine (400; 1200; 1300) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Filterschaltung (426; 500), die ausgebildet ist zum Filtern einer Versorgungsspannung von Interferenzsignalen und zum Bereitstellen der gefilterten Versorgungsspannung an zumindest eine von der Senderschaltung (422) und der Empfängerschaltung (424).
Die Maschine (200; 1200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sendewellenleiter (232; 1232) und der Empfangswellenleiter (234; 1234) über eine Distanz von zumindest fünf Zentimeter geleitet sind.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine erste minimale Distanz zwischen dem Sendewellenleiter (232) und dem beweglichen Teil (210) weniger als fünf Zentimeter ist, und wobei eine zweite minimale Distanz zwischen dem Empfangswellenleiter (234) und dem beweglichen Teil weniger als fünf Zentimeter ist.
Die Maschine (200; 1200'; 1300; 1500) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sendewellenleiter (232) und der Empfangswellenleiter (234) in einem einzelnen Sendeempfangswellenleiter (852; 1233'; 1333-1; 1333-2; 1533) integriert sind.
Die Maschine (1200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Senderschaltung (1222) eine Sendeantenne (1227) umfasst, die ausgebildet ist zum Koppeln des Funksignals in den Sendewellenleiter (1232).
Die Maschine (1200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Empfängerschaltung (1222) eine Empfangsantenne (1228) umfasst, die ausgebildet ist zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem Empfangswellenleiter (1234).
Die Maschine (800) gemäß Anspruch 9, ferner umfassend eine Sendeempfangsantenne (744), die ausgebildet ist zum Koppeln des Funksignals in den Sendeempfangswellenleiter (752; 852) und ausgebildet ist zum Erfassen des reflektierten Funksignals von dem Sendeempfangswellenleiter.
Die Maschine (1300) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Senderschaltung (1322) mit einer Mehrzahl von Sendewellenleitern gekoppelt ist und wobei die Empfängerschaltung (1322) mit einer Mehrzahl von Empfangswellenleitern gekoppelt ist.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Empfängerschaltung (224) ausgebildet ist zum Bestimmen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils (210) basierend auf einer Leistungsvariation des empfangenen reflektierten Funksignals und/oder einer Phasendifferenz zwischen dem erzeugten Funksignal und dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Die Maschine (1400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei benachbarte Oberflächenabschnitte (1412) des beweglichen Teils (1410) für ein abwechselndes elektromagnetisches Reflexionsvermögen für das Funksignal ausgebildet sind.
Die Maschine (1400; 1500; 1700) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das bewegliche Teil (1410; 1510; 1710) um eine Rotationsachse drehbar ist und wobei die Empfängerschaltung (1422; 1722) ausgebildet ist zum Bestimmen einer Rotationsposition und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen Funksignal.
Die Maschine (1400; 1500) gemäß Anspruch 16, wobei das bewegliche Teil (1410; 1510) einen rotationsmäßig symmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse aufweist.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das bewegliche Teil (210) ein Rad, ein Zahnrad, eine Scheibe oder eine Welle ist.
Die Maschine (1700) gemäß Anspruch 16, wobei das bewegliche Teil (1710) einen rotationsmäßig asymmetrischen Querschnitt in einer Ebene perpendikulär zu der Rotationsachse aufweist.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschine ein Fahrzeug oder ein Teil eines Fahrzeugs ist.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sendewellenleiter (232) und/oder der Empfangswellenleiter (234) durch eine Kammerwand eines Maschinengehäuses unter Verwendung einer RF-Zuführung zugeführt sind.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Maschinengehäuse, das ausgebildet ist zum Unterbringen des beweglichen Teils (210), wobei das Maschinengehäuse eine Halterung (1245, 2000-A) umfasst, die ausgebildet ist zum Empfangen des Sendewellenleiters (232) und/oder des Empfangswellenleiters (234) und zum Richten eines Endes des zumindest einen empfangenen Wellenleiters in Richtung des beweglichen Teils (210).
Die Maschine (200) gemäß Anspruch 22, wobei die Halterung (1245) in eine Öffnung in dem Maschinengehäuse eingefügt ist und auf dem Maschinengehäuse befestigt ist, wobei der zumindest eine empfangene Wellenleiter in die Halterung (1245, 2000-A) von außerhalb des Maschinengehäuses eingefügt wird, wobei ein Ende (2008) der Halterung (1245, 2000-A) im Inneren des Maschinengehäuses für das Funksignal transparent ist.
Die Maschine (200) gemäß Anspruch 23, wobei die Halterung (1245, 2000-A) ferner zumindest eine dielektrische Linse (2004) umfasst, die an dem Ende (2008) der Halterung (1245, 2000-A) im Inneren des Maschinengehäuses angebracht ist, wobei die dielektrische Linse (2004) in Richtung des beweglichen Teils (210) gerichtet ist und mit dem zumindest einen empfangenen Wellenleiter elektromagnetisch gekoppelt ist.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sendewellenleiter (232) und/oder der Empfangswellenleiter (234) eine erste Wellenleitersektion und eine zweite Wellenleitersektion umfassen, wobei die erste Wellenleitersektion einen dielektrischen Wellenleiter umfasst und die zweite Wellenleitersektion einen Hohlleiter umfasst.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sendewellenleiter (232) und/oder der Empfangswellenleiter (234) eine Isolierung gegen Umwelteinflüsse aufweisen.
Die Maschine (200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einer von dem Sendewellenleiter (232) und dem Empfangswellenleiter (234) einen ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitt (2230-1) und einen zweiten massiven Kunststoffwellenleiterab schnitt (2230-2) umfasst, wobei jeder massive Kunststoffwellenleiterabschnitt durch ein jeweiliges dielektrisches Schaumrohr (2237-1, 2237-2) mit einer dielektrischen Konstante, die geringer ist als eine dielektrische Konstante des ersten und des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts, beschichtet ist.
Die Maschine (200) gemäß Anspruch 27, wobei ein Ende des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts (2230-1) mit einem Ende des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts (2230-2) durch ein Halterungsrohr (2239) verbunden ist, wobei das Halterungsrohr (2239) ausgebildet ist zum Ausrichten einer Stirnseite (2231-1) des Endes des ersten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts (2230-1) mit einer Stirnseite (2231-2) des Endes des zweiten massiven Kunststoffwellenleiterabschnitts (2230-2).
Eine Sensorvorrichtung (200; 400; 800), umfassend: eine elektromagnetisch abgeschirmte, integrierte Sendeempfängerschaltung (826), umfassend einen Senderabschnitt (222), der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Funksignals, und umfassend einen Empfängerabschnitt (224); einen Sendewellenleiter (232), der mit dem Senderabschnitt gekoppelt ist, wobei der Sendewellenleiter ausgebildet ist zum Führen des Funksignals von dem Senderabschnitt zu einem beweglichen Teil (210); und einen Empfangswellenleiter (234), der mit dem Empfängerabschnitt gekoppelt ist, wobei der Empfangswellenleiter ausgebildet ist zum Führen eines von dem beweglichen Teil reflektierten Funksignals zu dem Empfängerabschnitt, wobei der Empfängerabschnitt ausgebildet ist zum Erfassen einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.
Ein Verfahren (1800) zum Bestimmen einer Position und/oder Geschwindigkeit eines beweglichen Teils, umfassend: Erzeugen (1810) eines Funksignals mit einer Senderschaltung; Koppeln (1820) des Funksignals von der Senderschaltung in einen Sendewellenleiter; Führen (1830) des Funksignals von der Senderschaltung zu dem beweglichen Teil durch den Sendewellenleiter; Emittieren (1840) des Funksignals von dem Sendewellenleiter in Richtung des beweglichen Teils; Reflektieren (1850) des Funksignals von dem beweglichen Teil; Erfassen (1860) des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil mit einem Empfangswellenleiter; Führen (1870) des reflektierten Funksignals von dem beweglichen Teil zu einer Empfängerschaltung durch den Empfangswellenleiter; Koppeln (1880) des reflektierten Funksignals aus dem Empfangswellenleiter mit der Empfängerschaltung; und Bestimmen (1890) einer Position und/oder einer Geschwindigkeit des beweglichen Teils mit der Empfängerschaltung basierend auf zumindest dem empfangenen reflektierten Funksignal.