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Die Erfindung betrifft eine Steckverbindungsanordnung, umfassend einen Stecker und einen mit dem Stecker entlang einer Steckrichtung zusammensteckbaren Gegenstecker.
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Nachteilig bei solchen Steckverbindungsanordnungen ist, dass insbesondere bei hohen Frequenzen Reflexionen eines Signals auftreten können.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Lösung bereitzustellen, bei der solche Reflexionen minimiert sind.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass die Impedanz der Steckverbindungsanordnung bei verschiedenen Stecktiefen zwischen Stecker und Gegenstecker entlang der Steckrichtung konstant oder nahezu konstant ist.
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Dadurch, dass die Impedanz konstant oder nahezu konstant ist, ist die Reflexivität der Verbindung unabhängig davon, wie weit der Stecker im Gegenstecker ist. Die Reflexivität der Verbindung ist deshalb von Toleranzen unabhängig und die Reflexionen können minimiert sein.
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Die oben zitierten verschiedenen Stecktiefen beziehen sich dabei nur auf Zustände, bei denen der Stecker den Gegenstecker zumindest berührt. Insbesondere werden solche Stecktiefen zwischen einem Anfangszustand, in dem sich der Stecker und der Gegenstecker initial berühren und einem Endzustand, in dem die beiden vollständig gesteckt sind, gemessen. Wenn der Stecker und der Gegenstecker einzeln sind, kann die Steckverbindungsanordnung eine andere Impedanz aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen weiter verbessert werden.
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Der Gegenstecker kann eine Buchse sein, in die der Stecker einsteckbar ist, um eine gute mechanische Verbindung zu erzielen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steckverbindungsanordnung eine Impedanzausgleichseinrichtung aufweisen, wobei die Impedanzausgleichseinrichtung einen Induktivitätsabschnitt, der einen variablen Induktivitätsbeitrag zur Impedanz erzeugt, und einen Kapazitätsabschnitt, der einen variablen Kapazitätsbeitrag zur Impedanz erzeugt, aufweist und wobei bei einem Steckvorgang an allen Punkten der Induktivitätsbeitrag gegengleich zum Kapazitätsbeitrag ist. Eine solche Impedanzausgleichseinrichtung kann also automatisch dafür sorgen, dass die Impedanz an allen Punkten konstant oder nahezu konstant ist. Eine weitere Beeinflussung des Impedanzverhaltens durch äußere Eingriffe kann dadurch vermieden sein.
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In einer mechanisch einfachen Ausgestaltung kann die Steckverbindunganordnung einen auslenkbaren Teil aufweisen. Beispielsweise kann der Induktivitätsabschnitt einen auslenkbaren Teil aufweisen. Durch die Auslenkung des auslenkbaren Teils kann sich der Induktivitätsbeitrag erhöhen, sodass eine Erhöhung eines Kapazitätsbeitrags ausgeglichen werden kann. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung kann sich bei der Auslenkung der Induktivitätsbeitrag auch verringern, sodass eine Verringerung eines Kapazitätsbeitrags ausgeglichen werden kann.
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Die Auslenkung kann jeweils so sein, dass sie automatisch bei einer Bewegung beim Zusammenstecken auftritt. Dabei kann sich der Induktivitätsbeitrag automatisch so verändern, dass ein entsprechender sich verändernder Kapazitätsbeitrag ausgeglichen wird. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Profil einer Auslenkfläche für den auslenkbaren Teil erzielt werden.
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Um eine definierte Auslenkung und Änderung des Induktivitätsbeitrags zu ermöglichen, kann der auslenkbare Teil radial auslenkbar sein.
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Zur Erzielung eines ausreichenden Effektes kann die Auslenkweite größer als eine Dicke eines Kernleiters sein. Beispielsweise kann die Auslenkweite um einen Faktor 2, einen Faktor 3 oder einen Faktor 5 größer als der Kernleiter sein. Der Kernleiter kann beispielsweise ein Draht oder ein Pin sein oder einen Draht oder einen Pin umfassen.
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Die Auslenkweite kann größer sein als eine Dicke eines Außenleiters. Auch hier kann beispielsweise ein Faktor 2, 3 oder 5 vorhanden sein. Der Außenleiter kann beispielsweise eine Folie oder ein Geflecht umfassen oder mit einem solchen in Kontakt stehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Auslenkweite größer sein als 10 Prozent, 20 Prozent oder 30 Prozent einer Dicke des Steckers. Die Dicke kann dabei senkrecht zu der Steckrichtung gemessen werden.
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Um eine einfache Auslenkung zu ermöglichen, kann der auslenkbare Teil ein freies Ende aufweisen. Eine Auslenkung kann insbesondere dann erleichtert sein, wenn das freie Ende zum Gegenelement hin zeigt, d.h. bei einem Stecker zum Gegenstecker hin und bei einem Gegenstecker zum Stecker hin.
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Die Steckverbindungsanordnung kann eine Führungsanordnung für den auslenkbaren Teil aufweisen. Mit dieser kann der auslenkbare Teil auf eine gewünschte Weise während des Steckvorgangs ausgelenkt werden. Die Führungsanordnung kann an dem auslenkbaren Teil angeordnet sein oder mit diesem gekoppelt sein.
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Die Führungsanordnung kann insbesondere eine Führungsfläche aufweisen, die während des Steckvorgangs an einer Anlagefläche entlang gleitet. Die Führungsanordnung, die Führungsfläche und/oder die Anlagefläche können eine Geometrie aufweisen, die dafür sorgt, dass durch die Auslenkung die Impedanz während des Steckens gleich bleibt. Beispielsweise kann der Induktivitätsabschnitt so ausgelenkt werden, dass ein sich verändernder Kapazitätsbeitrag teilweise oder komplett kompensiert wird. Dazu kann etwa die Anlagefläche ein definiertes Profil aufweisen. Das Profil kann beispielsweise durch eine Computerberechnung ermittelt werden, etwa mit Hilfe einer Simulation und/oder eines Optimierungsalgorithmus.
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Die Führungsanordnung kann an dem Induktivitätsabschnitt angeordnet sein oder mit dem Induktivitätsabschnitt verbunden sein, um diesen zu steuern. Insbesondere kann die Führungsanordnung mit dem Induktivitätsabschnitt und/oder dem Kapazitätsabschnitt nur mechanisch verbunden sein, selbst jedoch nicht zur Impedanz beitragen. Dadurch kann die Gestaltungsfreiheit für die Steckverbindungsanordnung größer sein.
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Eine Führungsfläche der Führungsanordnung und der Induktivitätsabschnitt und/oder der Kapazitätsabschnitt können voneinander beabstandet sind, sodass die Führungsfläche nicht zur Impedanz beiträgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der auslenkbare Teil ein Teil eines Leiters sein, um auf eine einfache Weise einen Beitrag zur Impedanz zu leisten. Beispielsweise kann der auslenkbare Teil ein Abschnitt eines Außenleiters sein, der sich relativ zu einem Innenleiter auslenken lässt, sodass sich die Kapazität zwischen den beiden beim Auslenkvorgang ändert.
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Um die Hochfrequenzeigenschaften optimal zu gestalten, kann der Induktivitätsabschnitt den Kapazitätsabschnitt umgeben.
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Beispielsweise können mehrere auslenkbare Teile vorhanden sein, die zusammen den Kapazitätsabschnitt umgeben. Dadurch, dass mehrere auslenkbare Teile vorhanden sind, kann ein Einführen besonders einfach und mit wenig Kraft durchführbar sein.
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Der Induktivitätsabschnitt kann eine Abschirmung bilden, um die Signalqualität gut zu halten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stecker und/oder der Gegenstecker eine Auflaufschräge für den auslenkbaren Teil aufweisen. Dies kann zu einem automatischen Auslenken beim Stecken führen. Eine solche Auflaufschräge kann nach außen zeigen.
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Der Stecker und/oder der Gegenstecker können eine innenliegende Anlagefläche für den auslenkbaren Teil aufweisen, deren radialer Abstand sich von einer Steckseite weg vergrößert. Bei einer solchen Ausgestaltung ist eine automatische Auslenkung nach radial außen möglich, wenn beispielsweise der auslenkbare Teil an dem Stecker angeordnet ist und im zusammengesteckten Zustand in einem Innenteil des Gegensteckers liegt.
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Der Gegenstecker bzw. der Stecker kann eine abgeschrägte Stirnfläche aufweisen, um ein leichtes Zusammenfügen mit dem Stecker bzw. Gegenstecker zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann am Stecker ein Pin und am Gegenstecker ein auslenkbarer Teil vorhanden sein.
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Alternativ können am Gegenstecker eine Buchse und ein auslenkbarer Teil vorhanden sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die dabei dargestellten vorteilhaften Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind jeweils voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden, je nachdem, wie dies im Anwendungsfall notwendig ist.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Steckverbindungsanordnung in einem Anfangszustand;
- 2 die Steckverbindungsanordnung aus 1 in einem Endzustand;
- 3A, 3B die Graphen einer der Impedanz einer bisherigen Steckverbindungsanordnung und einer Steckverbindungsanordnung gemäß der Erfindung;
- 4 verschiedene Graphen von Zeitbereichsreflexionsmessungen an bisherigen Steckverbindungsanordnungen und Steckverbindungsanordnung gemäß der Erfindung;
- 5 schematische Perspektivansichten von bisherigen Steckverbindungsanordnungen und Steckverbindungsanordnungen gemäß den 1 und 2;
- 6 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Steckverbindungsanordnung;
- 7 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Steckverbindungsanordnung.
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In 1 ist eine Steckverbindungsanordnung 100 umfassend einen Stecker 10 und einen mit dem Stecker 10 entlang einer Steckrichtung S zusammensteckbaren Gegenstecker 20 in einer Anfangsstellung A gezeigt. Ein Pin 16, der einen Kernleiter 11 des Steckers 10 umfasst, ist in einer Aufnahme 26, die von einem Innenleiter 21 des Gegensteckers 20 gebildet ist, schon teilweise angeordnet. Ein Bogen 25 erzeugt dabei eine Kontaktkraft zur Kontaktierung des Pins 16.
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Ein Außenleiter 13 des Steckers 10 kommt in der Anfangsstellung A gerade in Kontakt mit einem Außenleiter 23 des Gegensteckers 20. Zwischen den Innenleitern 15, 21 und den Au-ßenleitern 13, 23 ist jeweils eine Isolation 12, 22 angeordnet, die den Innenleiter 15, 21 vom Außenleiter 13, 23 elektrisch isoliert.
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In der Anfangsstellung A hat der Stecker 10 noch eine erste Stecktiefe 50, 51, die entlang der Steckrichtung S gemessen wird. Im weiteren Verlauf des Steckvorgangs reduziert sich die Stecktiefe 50 auf eine zweite Stecktiefe 52, die Null ist, d.h. der Stecker 10 und der Gegenstecker 20 liegen in einem Endzustand F, der in 2 gezeigt ist, aneinander an und können nicht mehr weiter aufeinander zu bewegt werden.
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Bei sämtlichen Stecktiefen 50, die bei der Steckbewegung auftreten, ist die Impedanz der Steckverbindungsanordnung 100 im Wesentlichen konstant. Dadurch ist das Auftreten von Reflexionen, vor allem im Hochfrequenzbereich, minimiert.
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Die gleichbleibende Impedanz wird erreicht durch eine Impedanzausgleichseinrichtung 80, die einen Induktivitätsabschnitt 60 und einen Kapazitätsabschnitt 70 aufweist. Der Induktivitätsabschnitt 60 erzeugt einen variablen Induktivitätsbeitrag zur Impedanz und der Kapazitätsabschnitt 70 erzeugt einen variablen Kapazitätsbeitrag zur Impedanz. An sämtlichen Punkten während des Steckvorgangs ist der Induktivitätsbeitrag gegengleich zum Kapazitätsbeitrag, sodass insgesamt die Impedanz konstant bleibt. In einer einfacheren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kompensation nicht vollständig, sondern nur teilweise, aber noch besser als bei Ausgestaltungen ohne Impedanzausgleichseinrichtungen 80.
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Der Induktivitätsabschnitt 60 umfasst mehrere auslenkbare Teile 29 mit jeweils einem freien Ende 28. Beim Steckvorgang wird der auslenkbare Teil 29 radial nach außen, d.h. entlang einer Breitenrichtung B, die senkrecht zur Steckrichtung S verläuft, ausgelenkt. Dies geschieht automatisch dadurch, dass der auslenkbare Teil 29 durch eine außen angeordnete Auflaufschräge 17 am Stecker 10 ausgelenkt wird.
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Die Auslenkweite 43, das heißt der radiale Unterschied zwischen der Anfangsposition des auslenkbaren Teils 29 im Anfangszustand A und der Endposition des auslenkbaren Teils 29 im Endzustand F ist größer als eine in der Breitenrichtung B gemessene Dicke 41 des Pins 16. Die Auslenkweite 43 ist auch größer als 10 Prozent der entlang der Breitenrichtung B gemessenen Breite 46 des Steckers 10. Ferner ist die Auslenkweite 43 größer als eine Dicke 42 des Außenleiters 23 des Gegensteckers 20.
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Der Induktivitätsabschnitt 60 umgibt den Kapazitätsabschnitt 70 und bildet eine Abschirmung 37 für den Innenleiter 14.
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Eine Auslenkanordnug 30, mit der eine Auslenkung und damit eine Änderung der Induktivität erzielt wird, umfasst hier den Bogen 35, der gleichzeitig zur Kapazität beiträgt. Eine Auslenkfläche 31 ist an dem Bogen 35 angeordnet, sodass aufgrund der Doppelfunktion eine kompakte Bauweise möglich ist.
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Um eine sichere Zentrierung zu ermöglichen, weist der Gegenstecker 20 eine abgeschrägte Stirnfläche 220 auf, die mit einer nach innen abgeschrägten Stirnfläche 221 des Steckers 10 zusammenwirkt.
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In dem gezeigten Beispiel ist der Pin 16 am Stecker 10 und der auslenkbare Teil 29 am Gegenstecker 20 angeordnet. In einer alternativen Ausgestaltung können der Pin 16 und der auslenkbare Teil 29 an einem der beiden vorhanden sein, beispielsweise am Gegenstecker 20.
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Um eine ausreichend hohe Kapazität zu erzielen, ist am auslenkbaren Teil 29 ein Bogen 27 vorhanden, der den Abstand zwischen dem Außenleiter 23 und den Innenleiter 14 gering hält.
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In den 3A und 3B ist ein Vergleich zwischen einer bisherigen Ausgestaltung, bei der sich die Impedanz während des Steckvorgangs verändert (3A), und einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, bei der sich die Impedanz während des Steckvorgangs kaum oder nicht verändert (3B), gezeigt. Bei der bisherigen Ausgestaltung gemäß 3A wird ein induktiver Peak 311 durch eine statische Kompensation 312 unzureichend ausgeglichen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung in 3B gleicht ein variabler Kapazitätsbeitrag einen variablen Induktivitätsbeitrag aus, sodass insgesamt die Impedanz entlang des Steckweges etwa gleich bleibt.
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In 4 sind verschiedene Kurven von Simulationen zu Zeitbereichsreflektometrie gezeigt. Die Kurven 401 und 404 gehören zu einer bisherigen Lösung, wobei die beiden Kurven Messungen in einem Anfangszustand A und einem Endzustand F zeigen. Die Kurven 402, 403 gehören zu Messungen in einem Anfangszustand A und einem Endzustand F an einem erfindungsgemäßen System. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Unterschied zwischen den beiden Kurven sehr viel geringer und dadurch die Reflexivität, die durch die Steckverbindungsanordnung 100 verursacht wird, verringert.
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In 5 sind eine bisherige Steckverbindungsanordnung 110 und eine erfindungsgemäße Steckverbindungsanordnung 100 jeweils in einem Anfangszustand A und einem Endzustand F in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt. Zu erkennen ist insbesondere, dass die auslenkbaren Teile 20 durch die Auflaufschräge 17 beim Steckvorgang ausgelenkt werden.
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In 6 ist eine alternative Ausgestaltung gezeigt, bei der der Induktivitätsabschnitt 60 wieder einen auslenkbaren Teil 29 aufweist. Dieser befindet sich jedoch im zusammengesteckten Zustand in einem Inneren des Steckers 10. Der auslenkbare Teil 29 ist radial nach außen hin vorgespannt und wird beim Steckvorgang an einer innenliegenden Anlagefläche 19 des Steckers 10 geführt. Die Anlagefläche 19 bildet einen Trichter, sodass im Laufe des Steckvorganges der auslenkbare Teil 29 radial nach außen 100 wandert und sich der dadurch erzeugte Induktivitätsbeitrag verändert.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform einer Steckverbindungsanordnung 100 gezeigt. Die Auslenkfläche 31 der Auslenkanordnung 30 ist hier mechanisch mit dem Induktivitätsabschnitt 60 verbunden, hat jedoch selbst nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Impedanz. Die Auslenkanordnung 30 ist mit dem Induktivitätsabschnitt 60 mechanisch gekoppelt. Die Auslenkfläche 31 der Auslenkanordnung 30 ist von dem Induktivitätsabschnitt 60 beabstandet. Das Profil der Anlagefläche 19, entlang der die Auslenkfläche 31 beim Zusammenstecken gleitet, ist so gestaltet, dass sich der Abstand des Bogens 35 zum Innenleiter 15 so ändert, dass die durch die veränderte Länge der Überlappung des Bogens 35 und des Innenleiters 15 entlang der Steckrichtung S verursachte Kapazitätsänderung und damit Impedanzänderung durch eine Auslenkung des Bogens 35 und damit eine gegengleiche Änderung der Impedanz kompensiert wird. Bei der Ausgestaltung gemäß 7 ist die Anlagefläche 19 leicht konkav, sodass die Änderung der Auslenkung beim Stecken überproportional größer wird.
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In diesem Beispiel wird die mechanische Auslenkung an einer Stelle verursacht, die keinen wesentlichen Einfluss auf die Impedanz hat. Dadurch kann die Steckverbindung einfacher gestaltet werden, da jeder Bereich unabhängig vom anderen verbessert werden kann.
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Um ein Verrasten zwischen dem Stecker 10 und dem Gegenstecker 20 zu ermöglichen, ist ein Rastelement 34 am Ende der Anlagefläche 19 vorhanden, hinter dem die Rastfläche 31 einrasten kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stecker
- 11
- Kernleiter
- 12
- Isolation
- 13
- Außenleiter
- 15
- Innenleiter
- 16
- Pin
- 17
- Auflaufschräge
- 19
- Anlagefläche
- 20
- Gegenstecker
- 21
- Innenleiter
- 22
- Isolator
- 23
- Außenleiter
- 25
- Bogen
- 26
- Aufnahme
- 27
- Bogen
- 28
- freies Ende
- 29
- auslenkbarer Teil
- 30
- Führungsanordnung
- 31
- Führungsfläche
- 34
- Rastelement
- 37
- Abschirmung
- 41
- Dicke Pin
- 42
- Dicke Außenleiter
- 43
- Auslenkweite
- 46
- Dicke Stecker
- 50
- Stecktiefe
- 51
- erste Stecktiefe
- 52
- zweite Stecktiefe
- 60
- Induktivitätsabschnitt
- 70
- Kapazitätsabschnitt
- 80
- Impedanzausgleichseinrichtung
- 100
- Steckverbindungsanordnung
- 110
- Steckverbindungsanordnung
- 220
- Stirnfläche
- 221
- Stirnfläche
- 311
- induktiver Peak
- 312
- statische Kompensation
- 321
- flaches Profil
- 401
- Kurve
- 402
- Kurve
- 403
- Kurve
- 404
- Kurve
- A
- Anfangszustand
- F
- Endzustand
- B
- Breitenrichtung
- S
- Steckrichtung
