DE102019108358A1

DE102019108358A1 - Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse

Info

Publication number: DE102019108358A1
Application number: DE102019108358.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt; Harald Schäuble
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-03-30
Filing date: 2019-03-30
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse (2) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (3) einer bestimmten Wellenlänge (λ), umfassend:- das Gehäuse (2), welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Außenkontur aufweist, wobei das Gehäuse (2) derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge des Gehäuses LGehäuse< λ gilt,- eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (11) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (3),- mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Primärantenne (4) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (3) an die Sende-/Empfangseinheit (11), genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung LSchlitz= λ/4 und für eine Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung BSchlitz≤ 1/30·λ gilt, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) im Zusammenspiel mit der Primärantenne (4) die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen (3) in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung und einem Feldgerät der Automatisierungstechnik.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig sind in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen noch Zweileiterfeldgeräte, die über eine Zweidrahtleitung zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind, gängig. Die Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Signals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Zur Übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART Protokoll bewährt, bei welchem dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß dem HART Protokoll wird zwischen 1200 Hz und 2400 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedrigere Frequenz für eine logische „0“ und die höhere Frequenz für eine logische „1“ steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, sodass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung ist es jedoch wünschenswert, dass die Daten nicht nur über die Zweidrahtleitung, also rein drahtgebunden, übertragen werden können, sondern dass die Daten auch drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen kommuniziert werden. Sei es um die Daten drahtlos zu einer Datenbank, bspw. einer Cloud-Datenbank, zu übertragen und dort verfügbar zu machen oder um Daten zwischen dem Feldgerät und einer mobilen Bedieneinheit drahtlos zu übertragen, um bspw. das Feldgerät über das mobile Bediengerät drahtlos zu parametrieren bzw. konfigurieren.
Hierfür werden immer häufiger sogenannte Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung eingesetzt, mit deren Hilfe es möglich ist, die bestehenden Feldgeräte für die drahtlose Datenübertragung nachzurüsten. Derartige Feldgeräteadapter können dabei direkt in die Zweidrahtleitung eingebunden werden. D.h. der Feldgeräteadapter wird quasi als selbstständige Einheit zwischen die übergeordnete Einheit und dem Feldgerät geschaltet. Alternativ kann der Feldgeräteadapter mechanisch auch direkt an das Feldgerät, bspw. über eine Kabelverschraubung angeschlossen und elektrisch mit einer Feldgeräteelektronik verbunden werden.
Da die Feldgeräteadapter bzw. die Feldgeräte oftmals in Bereichen eingesetzt werden, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, ist der Einsatz von metallischen Gehäusen bzw. Metallgehäusen vorgeschrieben. Diese lassen jedoch im Allgemeinen keine Wellenabstrahlung für die drahtlose Datenübertragung zu. Eventuelle Anbauten an den Feldgeräteadaptern bzw. den Feldgeräten, wie beispielsweise externe Stabantennen, stellen Schwachstellen für das Gehäuse dar, sodass diese vermieden werden.
Weiterhin sollen beim Abreißen einer Antenne hohe Feldstärken am Fußpunkt, welche insbesondere die zulässige Energiedichte in explosionsgefährdeten Bereichen überschreiten könnten, vermieden werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Übertragung von Signalen mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen auch bei metallischen Gehäusen möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, dem Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung gemäß Patentanspruch 12 und dem Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 13.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, umfasst:

- das Gehäuse, welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Außenkontur aufweist, wobei das Gehäuse derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge des Gehäuses L_Gehäuse < λ, vorzugsweise L_Gehäuse < 0,95·λ, besonders bevorzugt L_Gehäuse < 0,90·λ gilt,
- eine in dem Gehäuse angeordnete Sende-/Empfangseinheit zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen,
- mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Primärantenne zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen der Sende-/Empfangseinheit und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen an die Sende-/Empfangseinheit,
- genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 und für eine Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung B_Schlitz ≤ 1/30·λ gilt, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung im Zusammenspiel mit der Primärantenne die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die mit nur einem einzigen Schlitz als Gehäuseöffnung eine Rundum-Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen erreicht. Hierzu ist die Gehäuseöffnung bzw. der Schlitz derartig dimensioniert, dass für eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 und für eine Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung B_Schlitz ≤ 1/30·λ gilt, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle darstellt. Durch die Ausbildung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung mit einer Länge von ca. λ/4 kann - stark vereinfacht - der Schlitz durch einen Oberflächenstrom in Resonanz gebracht werden und eine elektromagnetische Welle ablösen und somit quasi als Sekundärstrahler wirken.
Die geometrische Ausgestaltung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung ist dabei insbesondere derart klein/schmal/kurz gewählt, dass eine Transmission von elektromagnetischen Wellen mit einer sehr kleinen Frequenz, d.h. Frequenzen deutlich kleiner 1 GHz, vorzugsweise von Frequenzen im Bereich von 1 kHz - 100 MHz, welche zu EMV Störungen führen können, nicht durchgelassen werden. Dies bedeutet, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung quasi als Hochpass-Filter für elektromagnetische Wellen fungiert und nur Wellen passieren lässt, die zur Übertragung von Signalen gedacht sind. Zur Übertragung von Signalen mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen sind üblicherweise Wellen mit einer Frequenz bzw. einem Frequenzband von 2,4 GHz vorgesehen. WLAN gemäß IEEE 802.11b und g, Bluetooth (IEEE 802.15.1) und ZigBee (IEEE 802.15.4) gehören hierbei zu den prominentesten Vertretern der 2,4 GHz Kategorie. Weitere auf der Spezifikation IEEE 802.15.4 aufsetzende Kommunikationstechnologien sind bspw. WirelssHART, 6 LoWPAN, 6TiSCH oder ANT bzw. ANT+. Unter diesem Gesichtspunkt ergibt sich für elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 2,4 GHz eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung von λ/4 ≅ 30,5 mm
Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein im Wesentlichen metallisches Gehäuse. Das Gehäuse kann bspw. ein metallischer Oberflächenabschnitt von mindestens 85%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt von mindestens 95%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 99% bezogen auf eine Gesamtoberfläche des Gehäuses aufweisen. Ferner kann das Gehäuse, mit Ausnahme der schlitzförmigen Gehäuseöffnung und möglicher Kabeldurchführungen, eine äußerlich in sich geschlossene Gehäuseform aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse zumindest an einer ersten Stirnseite eine erste Kabeldurchführung zum Einführen eines Kabels aufweist und wobei die Kabeldurchführung derartig ausgebildet ist, dass für einen Durchmesser einer Öffnung der Kabeldurchführung durch den das Kabel einführbar ist DKabel < 1/4 •λ gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass für die Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung ferner B_Schlitz ≥ 1/1000 ·λ gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass für einen Umfang der rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrischen Außenkontur des Gehäuse U_Gehäuse = n·λ/4 mit n ∈ N gilt. Durch entsprechende Ausgestaltung des Umfangs des rotationssymmetrischen Gehäuses kann das Gehäuse quasi als Tertiärstrahler wirken.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ferner eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Leiterplatte die derartig als Primärantenne zum Aus- und/oder Einkoppeln der elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen seitlich an einer Leiterplattenkante aus- bzw. eingekoppelt werden und wobei die Leiterplatte so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass die Leiterplattenkante zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung hin gerichtet ist und vorzugsweise unmittelbar daran angrenzt. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Primarantenne in Form einer planaren Struktur, insbesondere in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte ausgebildet ist und in einem Randbereich der Leiterplatte angeordnet ist.
Ferner kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Leiterbahn aus zwei im Wesentlichen parallelen Teilabschnitten besteht, die über einen 180° Bogenabschnitt miteinander verbunden sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Leiterplatte ferner ein Hochfrequenz-Schirmzaun (im Folgenden auch HF-Schirmzaun abgekürzt) umfasst, welcher vorzugsweise aus zumindest einer Reihe von Metalleinbringungen, insbesondere Vias ausgebildet ist, wobei der HF-Schirmzaun zumindest auf derselben Seite der Leiterplatte wie die Primärantenne ausgebildet ist und vorzugsweise einen auf der ersten Seite der Leiterplatte an die Leiterplattenkante angrenzenden rechteckige Bereich ausbildet, in dem die Primärantenne angeordnet ist. Die Ausgestaltung kann ferner vorsehen, dass die Leiterplatte ein Hochfrequenz-Schirmblech (im Folgenden auch HF-Schirmblech abgekürzt) umfasst, welches vorzugsweise ein Metall aufweisendes elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. aufweist, und wobei das HF-Schirmblech auf der anderen Seite der Leiterplatte wie die Primärantenne ausgebildet ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass das HF-Schirmblech und/oder der HF-Schirmzaun so auf der Leiterplatte angeordnet sind, dass die Primärantenne zwischen dem HF-Schirmblech bzw. HF-Schirmzaun und der Leiterplattenkante angeordnet ist.
Neben Vias und den elektrischen Bauteilen können die Metalleinbringungen auch massive Kupfereinbringungen, die auch als Kühlkörper benutzt werden können, darstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Leiterplatte ferner zumindest ein Leuchtmittel, insbesondere eine LED, aufweist die derartig an der Leiterplattenkante angeordnet ist, dass das zumindest eine Leuchtmittel durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung ein optisches Signal aussenden kann, und wobei vorzugsweise für die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 + n_LED ·L_LED gilt, wobei n_LED die Anzahl der Leuchtmittel darstellt und L_LED ein Wert kleiner gleich 1,5mm ist.
Die schlitzförmige Gehäuseöffnung kann, wenigstens teilweise, mit einem elektrisch nichtleitenden Material gefüllt sein und vorzugsweise derartig ausgebildet sein, dass die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung einem ganzzahligen Vielfachen der viertel Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch eine Quadratwurzel einer Dielektrizitätskonstante multipliziert mit einem Effektivitätsfaktor des elektrisch nichtleitenden Materials, vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante, entspricht, wobei der Effektivitätsfaktor wie folgt definiert ist: $D K_{e f f} = α * D K_{S c h l i t z - M a t e r i a l} + (1 + α) * D K_{U m g e b u n g}$
mit α: Anteil der Feldlinie / Feldverteilung im Schlitz.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend einen Feldgeräteadapter nach der zuvor beschriebenen Ausgestaltung, wobei das Gehäuse an einer zweiten Stirnseite ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen des Feldgeräteadapters an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
3: einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine Detailskizze der schlitzförmigen Gehäuseöffnung,
4: eine schematische Darstellung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung und der Leiterplatte, um die Anordnung der beiden zueinander zu verdeutlichen,
5: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
6: die in 5 perspektivisch dargestellten HF-Umlaufwege U1 und U2 in einer Ebene zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Verzögerungselemente und/oder einer bevorzugten geometrischen Ausgestaltung eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 2, welches im Wesentlichen aus einem Metall, vorzugsweise einem Edelstahl gefertigt ist. Das Gehäuse 2 kann alternativ aber auch aus einem Kunststoff gefertigt sein und mit einer, vorzugsweise an seiner Innenfläche metallischen Schicht verkleidet sein. Das Gehäuse 2 ist dabei geometrisch derartig ausgebildet, dass es äußerlich eine im Wesentlichen rotationssymmetrische in sich geschlossene Form aufweist. Beispielsweise kann das Gehäuse wie in 1 dargestellt eine im Wesentliche zylindrische Außenkontur aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass mögliche Kabeldurchführungen 13, 14 sowie die erfindungsgemäße ausgestaltete Gehäuseöffnung 5 davon unberührt bleiben. An den Stirnflächen 21, 22 des zylindrischen Gehäuses 2 gehen jeweils eine Kabeldurchführung 13, 14 ab, über die ein Kabel 1a, 1b mit zumindest einer Signalleitung in das Gehäuse bzw. aus dem Gehäuse 2 geführt wird. Das Kabel 1a, 1b kann beispielsweise eine in der Prozess- und/oder Fabrikautomatisierung übliche Zweidrahtleitung umfassen. Alternativ kann an einer der beiden Stirnseiten ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen, insbesondere Anschrauben der Vorrichtung an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist.
In dem Gehäuse 2 ist eine Leiterplatte 6 angeordnet, zu der bzw. von der das Kabel 1a, 1b mit der Signalleitung führt bzw. abgeht. Die Leiterplatte 6 umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 11 zum Erzeugen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die Sende-/Empfangseinheit 11 kann bspw. ein in Form eines Chips ausgebildetes HF-Modem sein. Die Leiterplatte 6 umfasst ferner eine Primärantenne 4 zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen und zum Einkoppeln und Übertragen der empfangenen elektromagnetischen Wellen und ferner eine Anpassstruktur 15. Die Anpassstruktur 15 kann als ein Teil der Sende-/Empfangseinheit und/oder ein Teil der Primärantenne ausgebildet sein. Alternativ kann die Anpassstruktur 15 auch als eigenständiges Bauteil auf der Leiterplatte 6 ausgebildet sein.
Die Sende-/Empfangseinheit 11 ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Wellen mit einem Frequenzband von 2,4 GHz zu erzeugen bzw. zu empfangen, sodass die Signale die über das Kabel bzw. die Zweidrahtleitung übertragen werden, durch die Vorrichtung auch drahtlos mittels Bluetooth (ggfl. auch Bluetooth Low Energy) oder einer der zuvor genannten Varianten übertragen werden können.
Erfindungsgemäß weist das Gehäuse 2 eine einzige schlitzförmige Öffnung 5 mit einer Länge L_Schlitz auf, wobei die Länge L_Schlitz ca. einer viertel Wellenlänge λ/4 der elektromagnetischen Welle entspricht. Die Öffnung ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit einem Material gefüllt. Eine Breite der schlitzförmigen Öffnung 5 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass für die Breite B_Schlitz ≤ 1/30·λ gilt. Bei einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Wellenlänge von ca. λ = 122,36 mm weist die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 somit eine Länge von L_Schlitz ≅ 30,59 mm und eine Breite von ca. B_Schlitz ≤ 4,08 mm auf. Die schlitzförmige Öffnung 5 hat keine elektrische Verbindung zu der Leiterplatte 6 und wird von der innerhalb des Gehäuse 2 liegenden Primärantenne 4 angestrahlt. Ferner ist die Gehäuselänge L_Gehäuse erfindungsgemäß so gewählt, dass sie kleiner ist als eine Wellenlänge 1·λ. Bevorzugt gilt für die Gehäuselänge L_Gehäuse < 0,95·λ, besonders bevorzugt L_Gehäuse < 0,90·λ. Auf diese Weise tritt einerseits das Gehäuse nicht als Resonator bei einer Betriebsfrequenz auf, und andererseits ist keine Ausbreitung als Hohlleiter innerhalb des zylindrischen Gehäuses 2 möglich.
2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Hierbei ist eine Seitenansicht der Leiterplatte 6 dargestellt, die in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst zwei Stirnflächen 21, 22, in welche jeweils eine Kabeldurchführung 13, 14 (mitsamt Kabel und Klemme) angebracht ist. Damit keine Hochfrequenzenergie seitlich abgestrahlt wird, ist ein Durchmesser der Kabeldurchführungen kleiner als D_Kabel < ¼ · λ gewählt. Weiterhin ist in 2 die Primärantenne 4, welche auch als Abstrahlstruktur bezeichnet wird, dargestellt. Die Primärantenne 4 bildet zusammen mit der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 und dem Gehäuse 2 eine Antenne. Um die Leiterplatte 6 vor dem Einbau prüfen zu können, ist die Primärantenne 4 ferner derartig ausgebildet, dass diese auch ohne Gehäuse zumindest im Nahfeld 8 mindestens eine leichte Antennenwirkung aufweist.
3 zeigt auf der linken Seite einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der die Leiterplatte 6 vorzugsweise so ausgebildet ist, dass für eine Leiterplattendicke D_PCB > B_Schlitz/2 gilt, sodass die Leiterplatte 6 zumindest teilweise, insbesondere hälftig die schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 überdeckt, wenn die Leiterplatte 6 mit einer Leiterplattenkante 61 an der die Primärantenne angrenzt auf einen Mittelpunkt MP des Durchmessers des zylindrischen Gehäuses 2 ausgerichtet wird.
Ferner ist in 3 auf der rechten Seite eine Detailskizze dargestellt, um die Anordnung zwischen der Leiterplatte 6 und der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 zu verdeutlichen. Die Leiterplatte 6 ist vorzugsweise ferner mit der an die Primärantenne 4 angrenzende Leiterplattenkante 61 parallel zu einer Mittellinie der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 angeordnet.
4 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 und der Leiterplatte 6, um sowohl die Ausgestaltung der Leiterplatte 6 näher zu beschreiben als auch die Anordnung der Leiterplatte 6 zu der Gehäuseöffnung 5 zu verdeutlichen.
Die Leiterplatte 6 umfasst ferner einen HF-Schirmzaun 16, welcher aus Vias (Durchkontaktierungen) 17 ausgebildet ist. Die Vias 17 sind hierbei so ausgestaltet, dass diese von einer ersten Seite der Leiterplatte (Oberseite) 63 zu einer zweiten Seite der Leiterplatte (Unterseite) 64 ragen. Dies bedeutet, dass die Vias 17 durch alle Lagen der Leiterplatte 6 hindurchgehen. Alternativ können die Vias 17 auch so ausgebildet sein, dass diese nur von der ersten Seite der Leiterplatte 63 zu einer mittleren Leiterkartenlage führen. Der HF-Schirmzaun 16 wird vorzugsweise zweireihig ausgeführt, um eine maximale Zaunwirkung auch bei kleinen kostengünstig zu fertigenden Durchkontaktierungen zu erreichen und bewirkt eine sehr starke Reduktion des Einflusses weitere Elemente im Gehäuse, wie beispielsweise eingeschraubter Kabel. Durch den HF-Schirmzaun 16 wird ein im Wesentlicher rechteckiger Bereich 65 auf der ersten Seite der Leiterplatte 63 aufgespannt, welcher an einer Seite von der Leiterplattenkante 61 begrenzt wird.
Der HF-Schirmzaun 16 kann ferner durch ein HF-Schirmblech 18, welches auf der zweiten Seite der Leiterplatte (Rückseite) 64 angeordnet ist, ergänzt werden. In 4 ist die Anordnung des HF-Schirmblechs auf der Rückseite der Leiterplatte durch die gestrichelte Linie angedeutet. Das HF-Schirmblech 18 kann neben der Schirmung der HF-Wellen auch eine andere Funktion auf der Leiterplatte 6 erfüllen. Beispielsweise kann das HF-Schirmblech 18 ein, ein Metall aufweisendes elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. umfassen, wobei das HF-Schirmblech 18 vorzugsweise mit dem HF-Schirmzaun 16 elektrisch verbunden ist. Alternativ können auch sonstige Metallteile, Bauteile mit hohem Metallgehalt wie Spulen oder Bauteile aus Materialien mit hohem DK wie flache SMD-Kondensatoren auf der Leiterplatte 6 als HF-Schirmblech 18 dienen.
Weiterhin umfasst die in 4 dargestellte Leiterplatte 6 die Sende- und/oder Empfangseinheit 11, die Primärantenne 4, die Anpassstruktur 15 zur Impedanzanpassung zwischen der Sende- und/oder Empfangseinheit 11 und der Primärantenne 4 und zwei LEDs dargestellt. Die LEDs dienen dazu, ein optisches Signal auszusenden, umso bspw. einen Status der Vorrichtung zu signalisieren. Damit die LEDs außerhalb des Gehäuses 2 wahrgenommen werden können, ist die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung um einen für die LED spezifischen Bereich vergrößert. Beispielsweise kann die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung rechts und links um einen Millimeter (1 mm) verlängert sein. Dies bedeutet, dass in diesem Fall für die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 + n_LED · L_LED ≅ 32,59 mm mit n_LED = 2 und L_LED = 1mm gilt. Durch Beugungseffekte aufgrund der Wandstärke des Gehäuses wirkt die verlängerte schlitzförmige Gehäuseöffnung nicht wie ein Langloch, sondern HF-technisch eher stark oval, sodass diese beidseitig ohne große Einwirkung um 1 bis 2 mm verlängert werden kann.
Wie aus 4 ersichtlich, ist die Primärantenne 4 in dem rechteckigen Bereich 65 angeordnet. Die Primärantenne 4 ist vorzugsweise in Form einer Leiterbahn 41, 42, 43, 44 ausgebildet, die einen aktiven Teilbereich 42 und einen inaktiven Teilbereich 41 aufweist. Der aktive und inaktive Teilbereich 41, 42 ist über einen 180° Bogenabschnitt 43 miteinander verbunden, sodass die Leiterbahn eine spezifische Gesamtlänge aufweist, um einen Resonator bei einer Betriebsmittenfrequenz darzustellen. Am Ende dieser Länge befindet sich ein abgerundeter Bereich 44, um die Güte des Resonators zu verringern, und zwar gerade in dem Maße, um ein Nachklingeln unterhalb einer Pfadlänge des Viterbi-Algorithmus der verwendeten Sende- und/oder Empfangseinheit zu halten.
Der aktive Teilbereich 42 dient hierbei als eigentlicher „Abstrahler“, wobei die Energie von dem inaktiven Teilbereich 41 über eine aus dem HF-Schirmzaun 16 herausragende Massefläche 181 des HF-Schirmblechs 18 auf der Leiterkartenunterseite 64 zurückgeleitet wird, um nicht als „Abstrahler“ zu wirken. Das Zusammenspiel aus dem aktiven und inaktiven Teilbereich 41 und 42 ermöglicht die Ausbildung eines Strahlers, welcher eigentlich über eine gesamte Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 gehen würde, auf eine Breite zu reduzieren, die etwas schmäler als die der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 ist. Auf diese Weise können Beugungseffekte an den äußeren Kanten der schlitzförmigen Gehäuseöffnung den Strahler nur teilweise und definiert beeinflussen und dennoch ist eine Abstrahlung durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung möglich. Die Massefläche 181 weist im Seitenprofil insbesondere eine L-förmige Struktur auf. Um den Wirkungsgrad der Ableitung zu erhöhen, kann auf der Unterseite der Leiterplatte 64 ferner eine Struktur angebracht sein. Die Struktur kann beispielsweise auch ein HF-Schirmbelch oder ein anderes Metallteil umfassen. Hierdurch wird die Restleistung umgelenkt und zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 abgestrahlt. Dies führt zusätzlich zu einer besseren Anpassung der Antenne (-20... 30 dB im Bereich +-5% um die Mittenfrequenz) und ferner zu einer zusätzlichen Stabilität gegenüber Fertigungstoleranzen. Die Abstrahlung des notwendigen 180°Bogenabschnitts 43 wird mit einer Struktur 20, die ebenfalls in dem rechteckigen Bereich der Leiterplatte 65 angeordnet ist, auf einen Impedanzwert nahe über Null Ohm angepasst, um anschließend im HF-Schirmzaun 16 kurzgeschlossen zu werden. Die Struktur kann beispielsweise in einer Draufsicht der Leiterplatte ein Sägezahnprofil aufweisen.
Die Leiterplatte 6 ist derart im Gehäuse 2 ausgerichtet, dass die äußeren sich bis an der Leiterplattenkante 61 sich fortsetzenden Vias an der Schlitzbreite in Längsrichtung jeweils ca. 1 mm Abstand zu den Kanten der schlitzförmigen Gehäuseöffnung aufweisen.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Gehäuse 2 einen 4-fach rotationssymmetrische Außenkontur aufweist. Um die Vorrichtung auch in Bereichen einsetzen zu können, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht (sogenannte Ex-Bereiche), ist die schlitzförmige Öffnung 5 mit einem anderen Material als Luft, insbesondere einem elektrisch nichtleitenden Material, z.B. Glas, gefüllt. Als besonders geeignete elektrisch nichtleitenden Materialen haben sich Keramiken und Glasfaserwerkstoffe erwiesen.
Ergänzend oder alternativ kann, wie in 5 dargestellt, das Gehäuse geometrisch derartig ausgebildet sein, dass zumindest zwei, in zwei großflächige Raumrichtungen gemessene äußere HF-Umlaufwege U1, U2, vorzugsweise die äußeren HF-Umlaufwege in jeder Raumrichtung des Gehäuses, einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge λ/2 der elektromagnetischen Welle mit der die Signale übertragen werden, entspricht. Die HF-Umlaufwege werden hierbei derartig gemessen bzw. festgelegt, dass diese jeweils durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung gehen. Vorzugsweise sind die HF-Umlaufwege so festgelegt, dass diese durch einen Mittelpunkt der schlitzförmigen Gehäuseöffnung laufen.
Zur Verdeutlichung der in 5 perspektivisch dargestellten HF- Umlaufwege U1 und U2 sind diese in 6 nochmals in einer Ebene dargestellt. Aus 6 ersichtlich, dass jeder HF-Umlaufweg U1 und U2 durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 geht.
Um eine Umlaufzeit einer Welle lokal zu verzögern, kann an einer äußerlichen Oberfläche des Gehäuses 2 ein oder mehrere Umlaufverzögerungselemente 10 ausgebildet sein, die derartig ausgebildet sind, dass ein entsprechender Umlauf vergrößert wird. In 5 sind exemplarisch zwei Verzögerungselemente 10 auf der Gehäuseoberfläche angebracht. Die in 5 dargestellten Verzögerungselemente 10 sind als rillenförmige Elemente ausgebildet. Denkbar sind aber auch punktförmige Elemente oder Elemente die aus einem anderen Material als das Gehäuse 2, insbesondere einem dielektrischen Material oder einem hochfrequenten Metamaterial, ausgebildet sind. Durch entsprechende Positionierung kann gezielt der HF-Umlaufweg in einer oder mehreren Raumrichtungen verändert, insbesondere vergrößert werden. Zu beachten gilt es, dass je nach Strukturgröße der Umlaufverzögerungselemente ein HF- Umlaufweg i.d.R. minimal kleiner als der (mechanische) Umfang ist, da die elektromagnetische Welle insbesondere kleine Strukturen teilweise überfliegt und sich durch das Zusammenwirken von E- und H-Feld eine insgesamt leichte „Abkürzung“ ergibt.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Kabel
2: Gehäuse
21: Erste Stirnseite des Gehäuses
22: Zweite Stirnseite des Gehäuses
3: Elektromagnetische Wellen
4: Primärantenne
41: Inaktiver Teilbereich der Leiterbahn
42: Aktiver Teilbereich der Leiterbahn
43: 180° Bogenabschnitt der Leiterbahn
44: Abgerundeter Bereich der Leiterbahn
5: Schlitzförmige Gehäuseöffnung
6: Leiterplatte
61: Leiterplattenkante
62: Randbereich der Leiterplatte
63: Erste Seite der Leiterplatte
64: Zweite Seite der Leiterplatte
65: Rechteckiger Bereich
7: Feldgerät
8: Nahfeld
9: Fernfeld
10: Umlaufverzögerungselement
11: Sende-/Empfangseinheit
12: Elektrisch nichtleitendes Material
13: Kabeldurchführung für Kabelzuführung
14: Kabeldurchführung für Kabelabführung
15: Anpassnetzwerk bzw. Anpassstruktur
16: HF-Schirmzaun
17: Metalleinbringungen, insbesondere Vias bzw. Durchkontaktierungen
18: HF-Schirmblech
181: Aus dem Schirmblech herausragende Massefläche
19: Leuchtmittel, insbesondere LED
20: Struktur zur Impedanzanpassung
D_Kabel: Öffnung der Kabeldurchführung
L_Gehäuse: Länge Gehäuse
L_Schlitz: Länge schlitzförmige Gehäuseöffnung
B_Schlitz: Breite schlitzförmige Gehäuseöffnung
U_Gehäuse: Umfang des Gehäuses
D_PCB: Leiterkartendicke bzw. -stärke
λ: Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen
U1, U2: Äußere Umfänge des Gehäuses
MP: Mittelpunkt des Durchmessers des Gehäuses
DK_eff: Effektivitätsfaktor
U1, U2: HF-Umlaufwege
ML: Mittellinie schlitzförmige Gehäuseöffnung

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse (2) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (3) einer bestimmten Wellenlänge (λ), umfassend: - das Gehäuse (2), welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Außenkontur aufweist, wobei das Gehäuse (2) derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge des Gehäuses L_Gehäuse < λ, vorzugsweise L_Gehäuse < 0,95·λ, besonders bevorzugt L_Gehäuse < 0,90·λ gilt, - eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (11) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (3), - mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Primärantenne (4) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (3) an die Sende-/Empfangseinheit (11), - genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 und für eine Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung B_Schlitz ≤ 1/30·λ gilt, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) im Zusammenspiel mit der Primärantenne (4) die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen (3) in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (2) zumindest an einer ersten Stirnseite (21) eine erste Kabeldurchführung (13) zum Einführen eines Kabels (1a, 1b) aufweist und wobei die Kabeldurchführung (13) derartig ausgebildet ist, dass für einen Durchmesser einer Öffnung der Kabeldurchführung durch den das Kabel einführbar ist D_Kabel < 1/4·λ gilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung ferner B_Schlitz ≥ 1/100·λ gilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für einen Umfang der rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrischen Außenkontur des Gehäuse U_Gehäuse = n·λ/4 mit n ∈ N gilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leiterplatte (6) die derartig als Primärantenne (4) zum Aus- und/oder Einkoppeln der elektromagnetischen Wellen (3) ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen (3) seitlich an einer Leiterplattenkante (61) aus- bzw. eingekoppelt werden und wobei die Leiterplatte so in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, dass die Leiterplattenkante (61) zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) hin gerichtet ist und vorzugsweise unmittelbar daran angrenzt.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Primarantenne (4) in Form einer planaren Struktur, insbesondere in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte ausgebildet ist und in einem Randbereich (62) der Leiterplatte (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leiterbahn aus zwei im Wesentlichen parallelen Teilabschnitten (41, 42) besteht, die über einen 180° Bogenabschnitt (43) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Leiterplatte (6) ferner ein HF-Schirmzaun (16) umfasst, welcher vorzugsweise aus zumindest einer Reihe von Metalleinbringungen, insbesondere Vias (17) ausgebildet ist, wobei der HF-Schirmzaun (16) zumindest auf derselben Seite der Leiterplatte (63) wie die Primärantenne (4) ausgebildet ist und vorzugsweise einen auf der ersten Seite der Leiterplatte (63) an die Leiterplattenkante (61) angrenzenden rechteckige Bereich (65) ausbildet, in dem die Primärantenne (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Leiterplatte (6) ferner ein HF-Schirmblech (18) umfasst, welches vorzugsweise ein Metall aufweisendes elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. aufweist, und wobei das HF-Schirmblech (18) auf der anderen Seite der Leiterplatte (64) wie die Primärantenne (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und/oder 8, wobei das HF-Schirmblech (18) und/oder der HF-Schirmzaun (16) so auf der Leiterplatte (6) angeordnet sind, dass die Primärantenne (4) zwischen dem HF-Schirmblech (18) bzw. HF-Schirmzaun (16) und der Leiterplattenkante (61) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (6) ferner zumindest ein Leuchtmittel (19), insbesondere eine LED, aufweist die derartig an der Leiterplattenkante (61) angeordnet ist, dass das zumindest eine Leuchtmittel (19) durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) ein optisches Signal aussenden kann, und wobei vorzugsweise für die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/4 + n_LED · L_LED gilt, wobei n_LED die Anzahl der Leuchtmittel darstellt und L_LED ein Wert kleiner gleich 1,5mm ist.
Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend einen Feldgeräteadapter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gehäuse (2) an einer zweiten Stirnseite (22) ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen des Feldgeräteadapters an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist.