DE102022129124A1 - Rotations- und linear-parameter-messungen mit einem quadratur-dauerstrich-radar mit millimeterwellen-metamaterialien und frequenzmultiplexen in metamaterial-basierten sensoren - Google Patents

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Abstract

Ein Sensorsystem umfasst eine erste Metamaterialbahn, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht, wobei die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen umfasst; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, basierend auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle, das auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle basiert; und mindestens einen Quadratur-Dauerstrichempfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, eine erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und einen Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Fahrzeuge weisen zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen auf, die auf Geschwindigkeitserfassung, Positionserfassung und/oder Winkelerfassung angewiesen sind. Zum Beispiel können bei dem elektronischen Stabilitätsprogramm (EPS; Electronic Stability Programm) eines Fahrzeugs magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren verwendet werden, um den Lenkwinkel und das Lenkmoment zu messen. Moderne Antriebsstrangsysteme können auf magnetische Geschwindigkeitssensoren für Nockenwellen-, Kurbelwellen- und Übertragungsanwendungen zusammen mit Automobildrucksensoren angewiesen sein, um geforderte CO2-Ziele und intelligente Antriebsstrang-Lösungen zu erreichen. Ein Nachteil der bekannten Lösungen ist jedoch, dass sie empfindlich auf magnetische Störungen reagieren.
  • Störmagnetfelder sind in Fahrzeugen weit verbreitet, so dass magnetische Winkelmessungen oft rauen Umgebungen standhalten müssen. Besonders problematisch ist dies bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, wo sich viele Leitungen mit hohen Strömen in der Nähe des Sensorsystems befinden. So können externe Störmagnetfelder durch Stromschienen in einem Fahrzeug erzeugt werden, die die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessungen beeinflussen. Daher sind Sensoren, die gegen elektromagnetische Streufelder robust sind, wünschenswert.
  • Darüber hinaus sind in der Regel mehrere Sensoren erforderlich, um mehrere Messparameter zu messen, z. B. die Bewegungsgeschwindigkeit (rotierend oder linear), die Bewegungsrichtung, die Position, den Drehwinkel, das Drehmoment und Ähnliches. Daher kann ein Sensor, der in der Lage ist, Messungen an mehreren Messparametern durchzuführen, einschließlich der parallelen Durchführung dieser Messungen, wünschenswert sein.
  • Diese Sensorsysteme erfordern unter Umständen eine aufwändige Lösung für die Signalübertragung und -analyse, insbesondere bei den entsprechend hohen Frequenzen im Millimeterwellenbereich (mm). Verfügbare frequenzmodulierte Dauerstrich-Chips (FMCW; frequency-modulated continuous-wave) haben den Nachteil, dass sie eine große Chirp-Bandbreite für kleine Distanzmessungen benötigen. Außerdem ist ihre Abtastrate durch die Dauer des Chirp begrenzt. Die verfügbaren Dauerstrich-Dopplerradar-Chips eignen sich nicht für die Messung von Signalen von sich nicht bewegenden Objekten und ermöglichen daher keine Messung des Startdrehmoments. Dementsprechend wäre ein Sensor wünschenswert, der ein robustes, stromsparendes und kostengünstiges System für statische oder dynamische Messungen auf der Basis von Metamaterial im Millimeterwellenbereich, einschließlich Drehmoment, unter Verwendung eines Quadratur-Dauerstrich-Radars (QCW; quadrature continuous-wave) bietet. Das QCW-Radar ist über einen breiten Bereich von Arbeitsfrequenzen skalierbar, von einigen GHz bis zu mehreren hundert GHz.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es kann ein Bedarf an einem verbesserten Konzept zur Bereitstellung eines Sensorsystems und eines Verfahrens zur Bestimmung eines Rotationsparameters einer rotierbaren Welle bestehen.
  • Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Sensorsystem bereit, umfassend: eine erste Metamaterialbahn, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht, wobei die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen umfasst; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Dauerstrichsignal in ein erstes Empfangssignal umwandelt, basierend auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle; und mindestens einen Quadratur-Dauerstrichempfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, eine erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und einen Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
  • Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Bestimmen eines Rotationsparameters einer drehbaren Welle bereit. Das Verfahren umfasst das Übertragen eines ersten Dauerstrichsignals in Richtung einer ersten Metamaterialbahn, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt ist; Umwandeln des ersten Dauerstrichsignals durch die erste Metamaterialbahn in ein erstes Empfangssignal auf der Grundlage eines Echtzeitwertes des Rotationsparameters; Empfangen des ersten Empfangssignals durch einen Quadratur-Dauerstrichempfänger; Erwerben einer ersten Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger; und Bestimmen des Echtzeitwerts des Rotationsparameters der Rotationswelle durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger auf der Grundlage der ersten Messung.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Rotationssensorsystem bereit, umfassend: eine Rotationswelle, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet und ein zweites elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des zweiten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste Rotationsparameter und der zweite Rotationsparameter unterschiedliche Rotationsparameter sind.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Rotationssensorsystem bereit, umfassend: eine Rotationswelle, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen und des zweiten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste Rotationsparameter und der zweite Rotationsparameter unterschiedliche Rotationsparameter sind.
  • Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein lineares Bewegungssensorsystem bereit, umfassend: ein linear bewegliches Zielobjekt, das so ausgebildet ist, dass es sich linear in einer linearen Bewegungsrichtung bewegt; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, das mit dem linear beweglichen Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich das erste Array von mm-Wellen-Strukturen entlang der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mit dem linear beweglichen Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen entlang der linearen Bewegungsrichtung erstreckt und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er mindestens ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen und des zweiten Array von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es eines des mindestens einen elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es eines des mindestens einen elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten linearen Bewegungsparameter des linear beweglichen Zielobjekts auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten linearen Bewegungsparameter des linear beweglichen Zielobjekts auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste lineare Bewegungsparameter und der zweite lineare Bewegungsparameter unterschiedliche lineare Bewegungsparameter sind.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
    • 1 stellt eine Mehrzahl von möglichen Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 2A und 2B stellen ein Segment einer mm-Wellen-Metamaterial-Bahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 3A-3G stellen unterschiedliche Anordnungen oder Strukturen von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 4A ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 4B ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 5A ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 5B ist eine schematische Ansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 5C ist eine schematische Ansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 6 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur eines Beispiels eines Sendeempfängers gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zeigt;
    • 7 zeigt eine Resonanz eines ersten Metamaterialarrays und eine Resonanz eines zweiten Metamaterialarrays, wobei die beiden Metamaterialarrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen unterschiedliche Arbeitsresonanzfrequenzen haben;
    • 8 zeigt eine verschachtelte Anordnung von zwei Metamaterialarrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • Die zeigen Querschnittsansichten verschiedener möglicher Sendeempfänger- oder Sender/Empfänger-Implementierungen für verschiedene Anordnungen von Metamaterialarrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 10A und 10B zeigen jeweils eine Querschnitt-Ansicht und eine Draufsicht eines linearen Positionssensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 11 ist ein schematisches Blockdiagramm eines QWC-Radar-Sendeempfängers gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 12 zeigt ein Beispiel für das Übertragungsspektrum eines Metamaterialarrays oder eines miteinander gekoppelten Paares von Metamaterialarrays unter Verwendung zweier unterschiedlicher Übertragungsfrequenzen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der unterschiedlichen hierin nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben.
  • Ferner werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen bereitgestellt sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, gegenseitig austauschbar.
  • Diesbezüglich kann direktionale Terminologie, wie beispielsweise „obere/r/s“, „untere/r/s“, „darunter“, „darüber“, „vordere/r/s“, „dahinter“, „hintere/r/s“, „führend“, „nachfolgend“ etc. im Hinblick auf die Ausrichtung der Figuren, die beschrieben werden, verwendet werden. Da Teile der Ausführungsbeispiele in einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert sein können, wird die direktionale Terminologie der Darstellung halber verwendet. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinne genommen werden. Direktionale Terminologie, die in den Ansprüchen verwendet wird, kann bei einem Definieren der räumlichen oder positionellen Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder Merkmal helfen, ohne auf eine bestimmte Ausrichtung beschränkt zu sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element 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 Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ etc.).
  • Bei Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d.h. jegliche Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d.h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen sein, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel , das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können auch Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
  • Die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ können hier verwendet werden, um kleine Fertigungstoleranzen (z. B. innerhalb von 5 %) zu berücksichtigen, die in der Industrie als akzeptabel gelten, ohne von den Aspekten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele abzuweichen. Zum Beispiel kann ein Widerstand (resistor) mit einem ungefähren Widerstandswert (resistance value) praktisch einen Widerstandswert (resistance) innerhalb von 5% dieses ungefähren Widerstandswertes aufweisen.
  • In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordinalzahlen umfassen, wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und/oder ähnliches, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente sind jedoch nicht durch die vorangehenden Ausdrücke begrenzt. Zum Beispiel beschränken die vorangehenden Ausdrücke nicht die Sequenz und/oder die Wichtigkeit der Elemente. Die vorangehenden Ausdrücke werden nur zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen zeigen z. B. unterschiedliche Kästchen an, obwohl beide Kästchen sind. Als weiteres Beispiel könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden und ähnlich könnte ein zweites Element auch als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung können als ein nichtflüchtiges computerlesbares Aufzeichnungsmedium implementiert sein, das darauf aufgezeichnet ein Programm aufweist, das Verfahren/Algorithmen verkörpert, um den Prozessor anzuweisen, die Verfahren/Algorithmen auszuführen. Somit kann ein nichtflüchtiges computerlesbares Aufzeichnungsmedium darauf aufgezeichnet elektronisch lesbare Steuersignale aufweisen, die mit einem programmierbaren Computersystem kooperieren (oder in der Lage sind, damit zu kooperieren), derart, dass die jeweiligen Verfahren/Algorithmen ausgeführt werden. Das nichtflüchtige, computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann zum Beispiel eine CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, ein RAM, ein ROM, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein FLASH-Speicher oder ein elektronisches Speicherbauelement sein.
  • Ein oder mehrere Elemente der vorliegenden Offenbarung können durch Implementieren dedizierter Hardware oder eines Softwareprogramms auf einem Speicher, der einen Prozessor steuert, ausgebildet sein, um die Funktionen von irgendeiner der Komponenten oder Kombinationen davon auszuführen. Irgendeine der Komponenten kann als eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU; central processing unit) oder ein anderer Prozessor, der ein Softwareprogramm von einem Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise einer Festplatte oder einem Halbleiter-Speicherbauelement, liest oder ausführt, implementiert sein. Zum Beispiel können Anweisungen durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, wie beispielsweise eine oder mehrere CPUs, digitale Signalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; application specific integrated circuits), feldprogrammierbare Logik-Arrays (FPGAs; field programmable logic arrays) oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete Logik-Schaltungsanordnung.
  • Dementsprechend bezieht sich der Ausdruck „Prozessor“ nach hiesigem Gebrauch auf irgendeine der vorangehenden Strukturen oder irgendeine andere Struktur, die für eine Implementierung der hierin beschriebenen Techniken geeignet ist. Eine Steuerung, die Hardware umfasst, kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Eine Steuerung, die einen oder mehrere Prozessoren umfasst, kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um ihre rezeptiven, analytischen und Steuerfunktionen auszuführen, die ferner korrektive Funktionen umfassen können. Solche Hardware, Software oder Firmware kann innerhalb des gleichen Bauelements implementiert sein, oder innerhalb separater Bauelemente, um die verschiedenen Techniken zu unterstützen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind.
  • Eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalkonditionierungsschaltung kann ein oder mehrere Signale (d. h. Messsignale) von einer oder mehreren Komponenten in Form von Rohmessdaten empfangen und aus dem Messsignal weitere Informationen herleiten. Signalkonditionierung, nach hiesigem Gebrauch, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Signalkonditionierung kann das Umwandeln von analog zu digital (z. B. über einen Analog-zu-Digital-Wandler), Verstärkung, Filtern, Umwandeln, Vorspannen (Biasing), Bereichsanpassung, Isolation und irgendwelche anderen Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um ein Signal nach einem Konditionieren geeignet zur Verarbeitung zu machen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“, „Sensorelement“ und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung durchgehend austauschbar verwendet werden können, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung auch durchgehend austauschbar verwendet werden können.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend im Kontext eines Millimeterwellen- (mm-Welle) Sensor und mm-Wellen-Systemen erörtert, die einen mm-Wellen-Sende, einen mm-Wellen-Empfänger und/oder einen mm-Wellen-Sendeempfänger umfassen. Mm-Wellen sind Funkwellen, die in dem Band der Radiofrequenzen in dem elektromagnetischen Spektrum von 30 bis 300 Gigahertz (GHz) bezeichnet werden und auch als Radarwellen verwendet werden können. Daher kann ein hierin beschriebener mm-Wellen-Sensor, -System, -Sender, -Empfänger oder -Sendeempfänger auch als Radarsensor, -System, -Sender, -Empfänger oder -Sendeempfänger betrachtet werden, und eine mm-Welle kann als Radarsignal betrachtet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele auch in Anwendungen angewendet werden können, die unterschiedlich zu Radar sind, wie beispielsweise Radiofrequenz (RF; radio frequency) -Sender, -Empfänger, oder -Sendeempfänger von RF-Kommunikationsvorrichtungen. Tatsächlich kann irgendeine RF-Schaltungsanordnung die hierin beschriebenen Konzepte nutzen. Ein mm-Wellen-Sensor oder mm-Wellen-System kann als ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches ausgebildet sein.
  • Ein Metamaterial ist ein Material, das ausgelegt ist, dass es eine Eigenschaft aufweist, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht auftritt. Sie bestehen aus Anordnungen mehrerer Strukturelemente, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen oder Kunststoffen gefertigt werden. Die Materialien können in sich wiederholenden oder periodischen Strukturen angeordnet sein, in Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen der Phänomene, die sie beeinflussen. Anders ausgedrückt erreichen Metamaterialien die gewünschten Effekte durch die Einbeziehung von Strukturelementen von Sub-Wellenlängengrößen, d.h. Merkmale, die tatsächlich kleiner sind als die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen, auf die sie wirken.
  • Infolgedessen leiten Metamaterialien ihre Eigenschaften nicht notwendigerweise von den Eigenschaften der Basismaterialien her, sondern von ihren entwickelten Strukturen. Ihre präzise Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung der Strukturelemente verleiht den Metamaterialien ihre smarten Merkmale, die in der Lage sind, elektromagnetische Wellen zu manipulieren: durch Blockieren, Reflektieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen. Somit wird ein Metamaterial definiert als ein künstlicher Verbundwerkstoff, der seine elektrischen Merkmale aus seinen genau entworfenen Strukturen und deren Anordnung gewinnt, anstatt sie direkt von den Materialien zu übernehmen, aus denen er zusammengesetzt ist.
  • Ein Metamaterial kann eine Teilmenge einer größeren Gruppe heterogener Strukturen sein, die aus einem festen Basismaterial und Elementen aus einem anderen Material bestehen. Die Unterscheidung von Metamaterialien besteht darin, dass sie über ein begrenztes Frequenzband besondere, manchmal anomale Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können mm-Wellen-Metamaterialien besondere Eigenschaften über ein Millimeterband aufweisen, welches das oben erwähnte Bandenspektrum zwischen 30 GHz und 300 GHz ist.
  • Im Kontext der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein Metamaterial ein zweidimensionales (2D) oder dreidimensionales (3D) Array von Elementarstrukturen, die miteinander gekoppelt sind. „Elementare Strukturen“, wie sie hierin verwendet werden, können als diskrete Strukturen, Elementstrukturen oder eine Kombination davon bezeichnet werden. In einigen Fällen können die Elementarstruktur einfach als „Strukturen“ bezeichnet werden.
  • Das Gesamtarray stellt makroskopische Eigenschaften bereit, die durch die verwendeten Elementarstrukturen und ihre Kopplungspfade entworfen werden können. Metamaterialien sind für verschiedene Arten von Wellen ausgebildet, wie elektromagnetische Wellen (z.B. optische, Infrarot-(IR; infrared) und mm-Wellen) und mechanische Wellen (z.B. Ultraschall). Die Skala der Elementarstrukturen und ihre Gitterabstandsskala mit der Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs.
  • Elementarstrukturen in mm-Wellen-Metamaterialien können Resonator-Elemente, Antennen-Elemente, Filter-Elemente, Wellenleiter-Elemente, Übertragungsleitungs-Elemente oder eine Kombination der in 1 gezeigten Elemente umfassen. Die Größe der Elementarstruktur kann bis zu mehreren Wellenlängen reichen, liegt aber üblicherweise unter einer Wellenlänge. Sie bestehen aus Teilen, die Magnetfelder erzeugen (z.B. Leiterringe) und anderen Teilen, die elektrische Felder erzeugen (z.B. Lücken zwischen Leitern). Darüber hinaus können sie auch Elemente aufweisen, die elektromagnetische Welleneigenschaften aufweisen, wie z.B. ein kurzes Übertragungsleitungssegment.
  • Im Allgemeinen stellen diese Elementarstrukturen elektrisch resistiv-induktiv-induktiv-kapazitive (RLC; resistive-inductive-capacitive) Netzwerke dar. In dem Frequenzbereich, in dem sie in dem Metamaterial verwendet werden, ist die Charakteristik ihrer resistiven, induktiven und kapazitiven Parameter über die Geometrie verteilt. Da Filter, Resonatoren, Übertragungsleitungen und Antennen unterschiedlich parametrisierte Repräsentanten identischer Strukturen sein können, ist es oft nicht eindeutig möglich, eine Struktur einer einzelnen Gruppe zuzuordnen. Somit versteht es sich, dass eine als Resonator beschriebene Struktur abhängig von ihrer Verwendung oder Implementierungsdetails auch als Antenne oder als Filter angesehen werden kann. Darüber hinaus kann sich das Verhalten auch mit der Frequenz ändern, bei der es betrieben wird, und eine Struktur, die sich bei einer Frequenz als Übertragungsleitung verhält, kann auch eine Filtercharakteristik freilegen oder eine Resonanz bei einer anderen Betriebsfrequenz erzeugen. Schließlich beeinflusst die Wahl des Materials das Verhalten, was bedeutet, dass die Wahl eines besseren Leiters ein Resonanzverhalten betont, während ein weniger leitfähiges Material die Dämpfung erhöht und eine Filtercharakteristik dominant macht.
  • 1 stellt eine Mehrzahl von möglichen Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Die Elementarstrukturen 1 umfassen einen Spaltring-Resonator 2 mit einer Kondensatorkopplung 2a, einen Spaltring-Resonator 3 mit zwei Kondensatorkopplungen 3a und 3b, einen Spaltring-Resonator 4 mit vier Kondensatorkopplungen 4a-4d, eine Antennenstruktur 5, eine Antennenspule 6, einen verschachtelten Spaltring-Resonator 7, eine Antennenstruktur 8, eine Antennenstruktur 9, eine Antennenstruktur 10, eine Übertragungsleitungsstruktur 11, eine Antennenstruktur 12, gekoppelte Spaltring-Resonatoren 13, einen Spaltring-Resonator 14, eine Teilring- oder Koppelstruktur 15 und einen gekoppelten Spaltring-Resonator 16.
  • Die Übertragungsleitungsstruktur 11 kann eine Dämpfungsstruktur oder eine Verzögerungsstruktur sein. Sie kann in einer wechselnden Konfiguration mit Resonatoren verwendet werden, um eine gedämpfte oder phasenverschobene Kopplung zwischen ihnen statt einer direkten Kopplung herzustellen. Die Kopplung an die Resonatoren kann kapazitiv oder galvanisch sein. Sie kann sich auch auf eine zweite Schicht erstrecken, zum Beispiel mit einer identischen Struktur, die eine echte Übertragungsleitung (d.h. zwei parallele Drähte) bildet.
  • Die Teilring- oder Kopplungsstruktur 15 kann als Teilringstruktur bezeichnet werden, da es sich dabei um die Hälfte eines geteilten Ringresonators 18 handelt. In diesem Kontext wird die Teilringstruktur 15 mit einer zweiten Schicht gekoppelt, um einen Resonator zu bilden. Die Teilring- oder Koppelstruktur 15 kann auch als eine Koppelstruktur wie in dem Beispiel in 3B verwendet werden. In diesem Kontext stellt sie eine kapazitive Kopplung zwischen Ringresonator-Elementen bereit, wird aber (zumindest bei der niedrigen Frequenz) als die gekoppelten Spaltring-Resonatoren nicht bemerkenswert resonieren.
  • Ferner können die Elementarstrukturen auch dreidimensional sein, wie z.B. Spiralspulen und verschachtelte Spaltring-Resonatoren, die in alle drei kartesischen Koordinatenrichtungen ausgerichtet sind. Ferner können dreidimensionale Strukturen erzeugt werden, indem zweidimensionale Elementarstrukturen in gestapelter Anordnung geschichtet werden. Zum Beispiel können zwei elementare Strukturen in einer vertikalen Abmessung übereinandergeschichtet werden, so dass sie einander überlappen. Auf diese Weise kann eine vertikale kapazitive Kopplung zwischen den beiden Elementarstrukturen erreicht werden und kann durch Variation des Überlappungsbetrages in horizontaler Abmessung angepasst werden.
  • 1 stellt ferner eine gestapelte Spaltring-Resonatorstruktur 17 mit drei aufeinander gestapelten Spaltring-Resonatoren dar. Die gestapelte Spaltring-Resonatorstruktur 17 kann durch Verwendung von drei aufeinander gestapelten Metallisierungsschichten gebildet werden. 1 stellt ferner einen Spaltring-Resonator 18, hergestellt aus zwei Halbringstrukturen 15, dar, die überlappen, sodass eine vertikale kapazitive Kopplung zwischen den beiden Halbringstrukturen besteht. Durch Variieren des Überlappungsbetrages kann die Schleifengröße größer (z.B. durch Verringerung des Überlappungsbetrages) oder kleiner (z.B. durch Vergrößerung des Überlappungsbetrages) gemacht werden, was wiederum zu einer niedrigeren vertikalen kapazitiven Kopplung oder einer höheren vertikalen kapazitiven Kopplung führt.
  • Um ein quasihomogenes makroskopisches Verhalten zu erreichen, werden die Elementarstrukturen in Arrays angeordnet, die üblicherweise Abmessungen aufweisen, die größer als eine Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs sind und in jeder verwendeten Richtung eine Vielzahl von Elementarstrukturen umfassen.
  • 2A und 2B stellen ein Segment einer mm-Wellen-Metamaterial-Bahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Eine Millimeterwellen-Metamaterialbahn ist ein Streifen aus Millimeterwellen-Metamaterial, der mehrere Elementarstrukturen aufweist, die sowohl in der Breite (axial) als auch in der Länge (rotierend) angeordnet sind. Hier kann die zu einer Rotationsrichtung orthogonale Richtungen als eine axiale Richtung bezeichnet werden.
  • Insbesondere zeigt 2A ein Beispiel eines 2D-Arrays 20 von Spaltring-Resonatoren, von denen erwartet wird, dass sie sich sowohl in horizontaler als auch in rotierender (Umfangs-) Richtung weiter erstrecken. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die Spaltring-Resonatoren gegen irgendeine Art von Elementarstruktur ausgetauscht werden können, zum Beispiel gegen irgendwelche der in 1 gezeigten. Jeder Spaltring-Resonator umfasst einen offenen Ring, der eine Induktivität (L) und einen Zwischenraum oder eine Öffnung, die eine kapazitive Kopplung (C) bereitstellt. Somit ist jeder Spaltring-Resonator eine Art von LC-Resonator.
  • Die Elementarstrukturen, die das in 2A gezeigte Segment einer Millimeterwellen-Metamaterialbahn bilden, weisen eine feste Anordnung oder feste Eigenschaft entlang der Rotationsrichtung auf. Beispielsweise sind die Spaltring-Resonatoren in jeder Zeile in der gleichen Position und Ausrichtung angeordnet. Ferner ist der Abstand zwischen benachbarten Spaltring-Resonatoren in der Rotations-Richtung entlang der Bahn fest. Somit weist das Array 20 nicht irgendeine Veränderung der Eigenschaften der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung auf. Eine oder mehrere Eigenschaften zwischen den Strukturen, wie z.B. Abstand und Ausrichtung, können sich in der axialen Richtung ändern, solange jede Zeile von Strukturen die gleiche Struktur aufweist.
  • Es besteht eine gegenseitige Kopplung der Strukturen in dem Array 20, die eine kapazitive Kopplung, eine induktive Kopplung oder beides sein kann. In diesem Fall liegen beide Arten der Kopplung vor. Zum Beispiel besteht eine kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in der vertikalen Richtung (d.h. entlang der Rotationsrichtung) auf den Seiten, auf denen die Ringe dicht beieinander liegen. Zusätzlich wird die induktive Kopplung zwischen den Strukturen durch das von jedem Spaltringresonator erzeugte Feld bereitgestellt.
  • Somit, elektrisch, führt die Anordnung der Elementarstrukturen in einem Array eine gemeinsame Kopplung zwischen den Elementarstrukturen ein, wobei der Kopplungseffekt ein elektrisches Feld (kapazitive Nahfeldkopplung), ein magnetisches Feld (induktive Nahfeldkopplung), eine Wellenleiterkopplung oder elektromagnetische Wellen (Fernfeldkopplung) nutzen kann. Aufgrund der Dimensionen der Arrays und abhängig von der Art der verwendeten Elementarstrukturen setzt sich der Kopplungseffekt üblicherweise aus einer Mischung aller Mechanismen zusammen.
  • Die Weise, in der die Strukturen gekoppelt sind, beeinflusst das Kopplungsverhalten des Arrays oder eines Teils dieses Arrays. Dieses Kopplungsverhalten wiederum beeinflusst einen Effekt, den die einzelnen Strukturen oder eine Gruppe von Strukturen auf eine Übertragungswelle oder einfallendes Signal auf dieser Struktur oder dieser Gruppe von Strukturen haben.
  • Darüber hinaus ist der Kopplungseffekt zwischen Strukturen unterschiedlich, wenn Zwischenräume oder Öffnungen benachbarter Strukturen einander gegenüberliegen oder wenn die Zwischenräume einem geschlossenen Segment einer benachbarten Struktur gegenüberliegen (d.h. benachbart sind). Zum Beispiel zeigt 2B ein Beispiel eines 2D-Arrays 21 von Spaltring-Resonatoren, bei dem sich eine Ausrichtung der Spaltring-Resonatoren sowohl in horizontaler (Breite) als auch in vertikaler (Länge) Richtung des Arrays 21 (d.h. der Metamaterialbahn) ändert. Anders ausgedrückt variiert die Lage des Zwischenraums von jedem Spaltring-Resonator variiert entlang benachbarter Strukturen, und die Reihen von Strukturen weisen unterschiedliche Strukturen auf. Hier ist es zwar nicht erforderlich, aber möglich, dass jede Zeile von Strukturen eine einzigartige Anordnung aufweist. Infolgedessen unterscheidet sich der Kopplungseffekt zwischen den Strukturen in 2B von dem Kopplungseffekt, der durch die in 2A gezeigten Strukturen erzeugt wird.
  • Ferner verändert sich der Kopplungseffekt zwischen Strukturen in 2B teilweise entlang des Arrays in der Rotationsrichtung, während sich der Kopplungseffekt zwischen Strukturen in 2A entlang des Arrays in der Rotationsrichtung nicht ändert. Die unterschiedlichen Formen (kreisförmig versus rechteckig) können sich auch auf die Charakteristik der Struktur selbst und den Kopplungseffekt auswirken.
  • Jede Elementarstruktur weist eine Größe (z.B. eine Breite oder einen Durchmesser) von 10% bis 100% der Wellenlänge einer übertragenen mm-Welle, für die die Struktur empfindlich ist, auf. Das Array 20 kann eine einzelne Metallisierungsschicht sein, die auf einen Film angebracht oder gedruckt wird, sodass das Array 20 zweidimensional ist. Wie vorangehend erwähnt, kann es auch möglich sein, mehrere Metallisierungsschichten zu stapeln, um ein 3D-Array zu bilden.
  • Somit umfassen die hierin beschriebenen Arrays von Elementarstrukturen mehrfache Wiederholungen von Elementstrukturen mit gleichen oder unterschiedlichen Anordnungen im Hinblick auf einander, die aufgrund des Kopplungseffekts zwischen den Strukturen eine Eigenschaft auf einer Sendewelle oder einem darauf auftreffenden Signal induzieren. Wie aus 3A-3G ersichtlich wird, verändert sich zumindest eine Eigenschaft entlang des Arrays in der Rotationsrichtung, was verursacht, dass sich zumindest ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des Arrays durchgehend entlang des Arrays in der Rotationsrichtung ändert. Dies kann z.B. die Bestimmung einer Rotationspositionsänderung und/oder einer Rotationswinkelposition des Arrays erlauben. Im Gegensatz dazu sind für Array 20 die Eigenschaften entlang des Arrays in der Rotationsrichtung fest, so dass sich die Kopplungseffekte zwischen den Elementarstrukturen des Arrays nicht ändern und entlang des Arrays in der Rotationsrichtung fest bleiben.
  • Wie in der folgenden Beschreibung deutlich wird, können eine oder mehrere mm-Wellen-Metamaterialbahnen auch zur Durchführung von Drehmomentmessungen und/oder außeraxialen Winkelmessungen in Bezug auf ein drehbares Zielobjekt verwendet werden.
  • Eine mm-Wellen-Metamaterialbahn kann auf einem Zielobjekt bereitgestellt werden, sodass sie eine geschlossene Schleife um eine Rotationsachse bildet und dadurch eine periodische Anordnung von 360° bildet. Auf diese Weise ist ein Zielobjekt eine Trägerstruktur für eine anzuordnende mm-Wellen-Metamaterialbahn. Beispielsweise können die Elementarstrukturen eines Arrays ein periodisches Muster von 360° aufweisen, das sich kontinuierlich oder in diskreten Schritten um den Umfang oder entlang des Perimeters der Metamaterialbahn verändern kann. Zum Beispiel weisen Bahnen, die für die direkte Drehmomentmessung verwendet werden, möglicherweise keine Eigenschaftsänderung der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung auf, wie dies z.B. bei Array 20 der Fall ist. Im Gegensatz dazu können Bahnen, die zur Winkelmessung, zur Änderung der Rotationsposition, Rotationsgeschwindigkeit, Rotationsrichtung oder zur indirekten Drehmomentmessung verwendet werden, Eigenschaften der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung ändern, wie dies beispielsweise bei den in 3A-3G gezeigten Bahnen der Fall ist. Wenn sich das Muster ändert, kann dies durch einen periodischen Wechsel entlang der geschlossenen Schleife der Metamaterialbahn von 0° bis 360° geschehen und dann wiederholt werden. In einigen Fällen kann sich das Muster mehrfach von 0° bis 360° ändern, so dass sich mehrere periodische Änderungen entlang der Metamaterialbahn ergeben. Die Änderung des Musters kann inkrementell (z. B. Zeile für Zeile) innerhalb des Arrays der Elementarstrukturen erfolgen, so dass die Änderung kontinuierlich ist.
  • Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Metamaterialeigenschaft gemäß einer periodischen 360°-Anordnung zu verändern. Es wird auch darauf hingewiesen, dass ein Rotationssegment von weniger als 360° ebenfalls anwendbar sein kann. Beispielsweise können auch Anwendungen verwendet werden, die begrenzte Winkelbereiche messen (z.B. Drosselklappe, Fahrwerksebene, Gaspedal). In diesen Fällen muss die Zielanordnung nicht 360° periodisch sein und kann einfach die Anordnung über den verwendeten Winkelbereich (z.B. 45°, 60°, 90°, 180° etc.) von einem Minimalwert auf einen Maximalwert ändern. Daraus folgt natürlich, dass das Zielobjekt auch keine vollständige Scheibe sein muss und auf ein Segment reduziert werden kann.
  • Eine Eigenschaft und/oder Anordnung des Metamaterials kann spezifisch für eine absolute Winkelposition entlang der Metamaterialbahn sein und ist somit auch spezifisch für eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Eine absolute Winkelposition ist eine Winkelposition relativ zu einer vorbestimmten (d.h. Referenz-)Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Beispielsweise kann die Referenzwinkelposition null Grad betragen, und eine absolute Winkelposition kann eine bestimmte Position sein, die über einen Zeitraum von 360° von null Grad gedreht wird. Somit weist jede absolute Winkelposition einen absoluten Winkelwert von 0° bis 360° auf.
  • Die folgenden verschiedenen Varianten können verwendet werden, um das Verhalten des Metamaterials entlang des Umfangs einer Metamaterialbahn zu verändern. Somit stellen 3A-3G unterschiedliche Anordnungen von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Diese Bahnen können für die Winkelmessung eines entsprechenden Trägersubstrats, eine Rotationspositionsänderung eines entsprechenden Trägersubstrats oder eine indirekte Drehmomentmessung eines auf eine Rotationswelle ausgeübten Drehmoments verwendet werden.
  • 3A ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 301 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31a-34a, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Reihen weisen jedoch unterschiedliche Konfigurationen auf.
  • Eine periodische 360°-Anordnung kann verwendet werden, um die Koppelkapazität der Spaltring-Resonatoren entlang der Rotationsrichtung zu ändern. Zum Beispiel kann die Koppelkapazität in der Rotationsrichtung erhöht (oder verringert) werden. Hier wird dies durch Erhöhen (oder Verkleinern) der Länge der Leitungen innerhalb der Öffnung des Spaltring-Resonators erreicht, was zu einer allmählichen und durchgehenden Zunahme (oder Abnahme) der Koppelkapazität in der Rotationsrichtung führt. Diese Änderung der Koppelkapazität entlang der Rotationsrichtung (d.h. entlang des Umfangs der Metamaterialbahn) verschiebt die Resonanzfrequenz, sodass die Änderung in der Phasenverschiebung oder der Amplitude eines Empfangssignals im Hinblick auf das Sendesignal gemessen werden kann. Jeder Phasenverschiebungswert oder Amplitudenwert ist spezifisch für eine absolute Winkelposition (d.h. einen Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts.
  • 3B ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 302 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31b- 34b, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Zeilen weisen jedoch unterschiedliche Orientierungen auf.
  • Somit werden auf der Oberfläche des Zielobjekts die Spaltring-Resonatoren 31b-34b inkrementell in variierenden Graden entlang der Rotationsrichtung gedreht oder geschwenkt (z.B. im oder gegen den Uhrzeigersinn). Infolgedessen haben die Strukturen in jeder Zeile eine unterschiedliche Winkelausrichtung im Hinblick auf Strukturen in benachbarten Zeilen, was zu einer allmählichen und durchgehenden Zunahme (oder Abnahme) der Koppelkapazität in der Rotationsrichtung führt. Dies macht das Metamaterial empfindlich für eine Polarisation der mm-Welle und ändert speziell die Empfindlichkeit für die elektrische Feldkomponente der übertragenen Welle, die sich entlang der Rotationsrichtung ändert. Hier wird ein Einfluss auf die Polarisation realisiert, da sich die Richtung des dominanten E-Feldes in dem Zwischenraum ändert. Somit kann eine Polarisationsverschiebung gemessen werden, die spezifisch für die absolute Winkelposition (d.h. einem Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts sind.
  • 3C ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 303 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31c, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen.
  • Hier wird die gemeinsame kapazitive Kopplung der Strukturen allmählich und durchgehend in der Drehrichtung verändert, indem die Abstände dl, d2, d3 und so weiter zwischen den Strukturen entlang der Rotationsrichtung vergrößert oder verkleinert werden. Daher liegen die Zeilen an der Oberseite näher beieinander als die Zeilen an der Unterseite des Arrays. Dies skaliert die Kapazität zwischen den Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
  • 3D ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 304 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31d- 34d, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Reihen weisen jedoch unterschiedliche Konfigurationen auf.
  • In diesem Fall eine induktive Kopplung, skaliert durch Verkleinerung oder Vergrößerung des Schleifenbereichs entlang der Rotationsrichtung. Beispielsweise ändert sich die Schleifengröße aufeinander folgender Zeilen allmählich entlang der Rotationsrichtung. Somit ist die Schleifengröße der Spaltring-Resonatoren 3 1 d größer als die Schleifengröße der Spaltring-Resonatoren 32d, die größer als die Schleifengröße der Spaltring-Resonatoren 33d ist, und so weiter. Dies führt auch zu einer Veränderung des Abstands zwischen den Strukturen in der Richtung senkrecht zur Rotationsrichtung, was die kapazitive Kopplung weiter verändern kann. Dies skaliert die die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
  • 3E ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 305 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31e, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Rotationsrichtung verändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Rotationsrichtung allmählich und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
  • Zum Beispiel kann jede aufeinander folgende Zeile von Strukturen dichter oder weniger dicht besiedelt sein als eine vorangehende Zeile von Strukturen. Zum Beispiel kann jede Position in einer ersten Zeile von einer Struktur belegt sein, die eine erste (volle) Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet. In einer zweiten Zeile ist weniger als jede Position von einer Struktur belegt, die eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht ist als die erste Dichte. In einer dritten Reihe ist weniger als jede Position von einer Struktur belegt, die eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht ist als die zweite Dichte, und so weiter. Dies skaliert die die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
  • 3F ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 306 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von Spaltring-Resonatoren 31f, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung aufweisen. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Rotationsrichtung verändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Rotationsrichtung allmählich und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
  • In diesem Beispiel kann ein seitlicher Abstand zwischen Strukturen in jeder aufeinander folgenden Zeile in der Rotationsrichtung verändert werden, indem der Abstand zwischen Strukturen entlang der Rotationsrichtung vergrößert oder verkleinert wird. Zum Beispiel kann jede Position in einer ersten Zeile von einer Struktur belegt sein, die eine erste (volle) Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet. In einer zweiten Zeile ist die Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu der Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen in der ersten Zeile erhöht, was eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht als die erste Dichte ist. In einer dritten Zeile ist die Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu der Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen in der zweiten Zeile erhöht, was eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht als die zweite Dichte ist und so weiter.
  • 3G ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 307 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier ist das Array ein heterogenes Array aus gemischten unterschiedlichen Strukturen, so dass die Strukturarten, die das Array befüllen, in unterschiedlichen Anordnungen das Array hindurch variiert werden. In diesem Fall werden zwei verschiedene Arten von Strukturen 31g und 32g in einer Anordnung verwendet, die die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen allmählich und durchgehend in einer Weise ändert, die periodisch über 360° verläuft. Es wird darauf hingewiesen, dass auch zwei oder mehr Arten von Strukturen zur Bildung des heterogenen Arrays verwendet werden können.
  • Im Hinblick auf die vorangehenden Beispiele erfolgt die Skalierung einer Metamaterialeigenschaft mit einer Anordnung von Strukturen, das sich vollständig und durchgehend um den Umfang des drehbaren Ziels oder entlang des Umfangs der Metamaterialbahn wiederholt oder ändert, so dass eine Änderung des Reflexions- und/oder Übertragungsvermögens einer periodischen 360°-Anordnung folgt, wobei das Reflexions- und/oder Übertragungsvermögen für jeden diskreten Winkel einzigartig ist.
  • 4A ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensorsystems 400 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Winkelsensorsystem 400 umfasst ein drehbares Zielobjekt 40, das so ausgebildet ist, dass es sich um eine Drehachse 41 (d. h. eine Rotationsachse) dreht. Das drehbare Zielobjekt 40 kann eine Scheibe oder ein Rad sein, gekoppelt mit einer Welle 42, die sich entlang der Rotationsachse 41 erstreckt. Wenn sich die Welle 42 dreht, dreht sich auch das drehbare Zielobjekt 40. Das drehbare Zielobjekt 40 stellt ein mechanisches Ziel für einen oder mehrere mm-Wellenstrahlen dar.
  • Das drehbare Zielobjekt 40 umfasst zwei mm-Wellen-Metamaterialbahnen 43 und 44, die jeweils eine geschlossene Schleife um die Welle 42 bilden. In diesem Beispiel sind die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 43 und 44 konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Distanzen von der Rotationsachse befinden. In einigen Ausführungsbeispielen ist es möglich, eine einzige in Schleife geschlossene Metamaterialbahn oder mehr als zwei in Schleife geschlossene Metamaterialbahnen zu verwenden. Die mm-Wellen-Metamaterialbahnen 43 und 44 sind an dem drehbaren Zielobjekt 40 befestigt, sodass sie sich mit dem drehbaren Zielobjekt 40 mitdrehen, wenn es sich dreht.
  • Es ist auch möglich, Bahnen mit unterschiedlicher Charakteristik der Variationen der Muster zu verwenden, z. B. durch Implementierung einer Sinusfunktion oder einer Kosinusfunktion in den variierenden Parameter des Metamaterials. Darüber hinaus können Referenzbahnen, die die Eigenschaft des Metamaterials nicht verändern, von Interesse sein, um den Einfluss von Umwelteinflüssen oder Aufstellungsparametern wie dem Abstand zwischen der Antenne und dem Metamaterialstreifen oder der Temperatur und Feuchtigkeit der umgebenden Umgebung zu charakterisieren. Mehrere Referenzstreifen mit unterschiedlichen Metamaterialaufstellungen können verwendet werden, um verschiedene Referenzmessungen zu liefern. So können beispielsweise verschiedene Referenzstreifen verwendet werden, um ein Minimum und ein Maximum der Variation der Metamaterialeigenschaften bereitzustellen.
  • Das Winkelsensorsystem 400 umfasst außerdem einen Sendeempfänger TRX 45, der zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet ist. Der Sendeempfänger 45 umfasst insbesondere eine Senderantenne 46, die so ausgebildet ist, dass sie einen mm-Wellen-Strahl (d. h. ein elektromagnetisches Sendesignal) an die beiden Metamaterialbahnen 43 und 44 sendet. Die Senderantenne 46 kann auch für mehrere Antennen oder eine Gruppenantenne stehen. Um beispielsweise eine homogene Strahlung auf jeder Metamaterialbahn zu erreichen, können mehrere Senderantennen oder Sendergruppenantennen verwendet werden, wobei jede Antenne oder Gruppenantenne auf eine andere Bahn ausgerichtet ist. In diesem Fall können die Senderantennen parallel oder mit separaten Sendern betrieben werden.
  • Der Sendeempfänger 45 umfasst auch zwei Empfängerantennen 47 und 48, die jeweils so ausgebildet sind, dass sie eine teilweise reflektierte mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) von einer entsprechenden Metamaterialbahn der beiden Metamaterialbahnen 43 und 44 empfangen. Mit anderen Worten, die beiden Empfängerantennen 47 und 48 sind so voneinander isoliert, dass die Empfängerantenne 47 im Wesentlichen nur von einer der Bahnen (z. B. Metamaterialbahn 44) eine teilreflektierte mm-Welle empfängt und die Empfängerantenne 48 im Wesentlichen nur von der anderen Bahn (z. B. Metamaterialbahn 43) eine reflektierte mm-Welle empfängt. So können Isolierungen zwischen den Antennen oder zwischen den Leiterbahnen, z. B. in Form eines Metallstreifens, bereitgestellt werden.
  • Zwar kann ein kleiner Teil einer nicht korrespondierenden reflektierten mm-Welle an jeder Antenne 47 und 48 empfangen werden, doch kann dieses Signal so weit gedämpft werden, dass das Signal vom Sendeempfänger 45 ignoriert oder als Rauschen herausgefiltert werden kann.
  • Darüber hinaus kann der Sendeempfänger 45 anstelle einer einzigen Senderantenne auch zwei Senderantennen umfassen, wobei jede Senderantenne so angeordnet ist, dass sie auf eine einzelne Metamaterialbahn zielt. So kann jede mm-Welle ausschließlich auf eine entsprechende Bahn treffen. Alternativ kann eine Senderantenne auf zwei oder mehr Bahnen ausgerichtet sein, wobei die mm-Welle ausschließlich auf die entsprechenden Bahnen auftrifft. So können verschiedene Gruppen von Bahnen von verschiedenen Senderantennen als Zeil verwendet werden.
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Sendeempfänger, einer für jede Metamaterialbahn, verwendet werden können. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Empfänger- und Senderpaare, eines für jede Metamaterialbahn, anstelle von einem oder mehreren Sendeempfängern verwendet werden können. Sie kann auch so implementiert werden, dass eine Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet wird und ein Splitter die Energieübertragungspfade (z.B. ein Rat-Race-Koppler oder ein Hybrid-Ringkoppler) im RF-Teil trennt. Der Splitter ist ausgebildet, dass er die empfangene Welle von der Antenne an den Empfänger leitet, während er das Sendesignal vom Sender zu der Antenne zur Übertragung leitet.
  • Unabhängig von der Konfiguration wird davon ausgegangen, dass mindestens ein Sender und mindestens ein Empfänger zum Senden und Erfassen von mm-Wellenstrahlen eingesetzt werden, wobei eine unterschiedliche Empfangsantenne und Empfangsschaltungsanordnung eins-zu-eins unterschiedlichen in Schleife geschlossenen Metamaterialbahnen entsprechen. Die Sender und Empfänger können elektrisch mit einer Systemsteuerung und/oder einem DSP gekoppelt sein.
  • 4B ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensorsystems 401 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Winkelsensorsystem 401 ähnelt dem in 3A dargestellten Winkelsensorsystem 400, mit der Ausnahme, dass das Winkelsensorsystem 301 so ausgebildet ist, dass es eine mm-Welle überwacht, die durch die beiden Metamaterialbahnen 43 und 44 läuft, anstatt die reflektierte mm-Welle zu überwachen, wie es in 3A der Fall war. Das Winkelsensorsystem 301 umfasst daher einen Sender 45a mit der Sendeantenne 46 und einen Empfänger 45b mit den Empfängerantennen 47 und 48. Die Empfängerantenne 47 ist ausgebildet, um teilweise gesendete mm-Wellen (d.h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) zu empfangen, als ein Ergebnis der gesendeten mm-Welle, die mit der Metamaterialbahn 44 interagiert (d.h. teilweise absorbiert und durch diese übertragen wird). Ähnlich ist die Empfängerantenne 48 ausgebildet, um eine teilweise gesendete mm-Welle (d.h. elektromagnetisches Empfangssignal) zu empfangen, als ein Ergebnis der gesendeten mm-Welle, die mit der Metamaterialbahn 43 interagiert (d.h. teilweise absorbiert und durch diese übertragen wird).
  • Es wird auch deutlich, dass eine Kombination von 4A und 4B realisiert werden kann. Beispielsweise kann ein Empfänger zum Detektieren und Messen einer teilweise reflektierten mm-Welle von einer der Metamaterialbahnen (d.h. Metamaterialbahn 44) und ein anderer Empfänger zum Detektieren und Messen einer teilweise gesendeten mm-Welle, die durch die andere der Metamaterialbahnen (d.h. Metamaterialbahn 43) läuft, angeordnet sein. Außerdem können zwei Empfänger für die Analyse derselben Metamaterialbahn verwendet werden, von denen einer eine teilweise reflektierte mm-Welle detektiert und misst und der andere eine teilweise übertragene mm-Welle detektiert und misst. Dementsprechend kann eine Metamaterialbahn mit einem höheren Reflexionsvermögen und die andere Metamaterialbahn mit einem höheren Absorptionsvermögen im Verhältnis zueinander ausgebildet sein.
  • Basierend auf den in 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispielen und deren Kombinationen wird ein elektromagnetisches Sendesignal durch Wechselwirkung mit einer Metamaterialbahn in ein elektromagnetisches Empfangssignal umgewandelt. Die Wechselwirkung kann eine Reflexion, eine Absorption, eine Übertragung oder eine Kombination derselben sein. Jede Empfängerantenne ist mit einer Empfängerschaltungsanordnung gekoppelt, die so ausgebildet ist, dass sie ein Empfangssignal demoduliert, um eine Eigenschaft des Empfangssignals zu bestimmen. Eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts 40 wird dann von der Empfängerschaltung oder einer Systemsteuerung, die einen Signalprozessor verwendet, auf der Grundlage der ermittelten Charakteristik bestimmt.
  • Insbesondere ist jede Metamaterialbahn so ausgebildet, dass sich eine Charakteristik oder eine Eigenschaft des Metamaterials entlang des Umfangs der Bahn ändert. Die Wechselwirkung des Metamaterials mit einer mm-Welle ändert sich also entlang des Umfangs der Bahn. Beispielsweise weisen die Elementarstrukturen eines Arrays ein periodisches 360°-Muster auf, das sich um den Umfang des drehbaren Ziels und/oder entlang des Umfangs der Metamaterialbahn kontinuierlich ändert. So ändert sich das Muster kontinuierlich von 0° bis 360° entlang der geschlossenen Schleife der Metamaterialbahn und wiederholt sich dann. Auf diese Weise ist eine Eigenschaft und/oder Anordnung des Metamaterials (d.h. der Elementarstrukturen) spezifisch für eine absolute Winkelposition entlang der Metamaterialbahn und ist somit auch spezifisch für eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Eine absolute Winkelposition ist eine Winkelposition relativ zu einer vorbestimmten (d.h. Referenz-)Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Beispielsweise kann die Referenzwinkelposition null Grad betragen, und eine absolute Winkelposition kann eine bestimmte Position sein, die über einen Zeitraum von 360° von null Grad gedreht wird. Somit weist jede absolute Winkelposition einen absoluten Winkelwert von 0° bis 360° auf.
  • Im Allgemeinen kann das periodische Muster der Elementarstrukturen eines Arrays eine Periode von 360°/N haben, wobei N eine ganze Zahl größer als Null ist. Das heißt, das periodische Muster wiederholt sich alle 360°/N. In diesem Fall können mehrere vorbestimmte (d. h. Referenz-) Winkelpositionen des drehbaren Zielobjekts bekannt sein, und jede absolute Winkelposition hat einen absoluten Winkelwert von einer der Referenzwinkelpositionen. Jede Referenzwinkelposition kann auf der Grundlage der Charakteristik oder der Eigenschaft des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Bahn ermittelt werden. Die Winkeländerungsgeschwindigkeit kann auch zur Berechnung der Drehgeschwindigkeit verwendet werden.
  • So führt die Eigenschaft oder das Merkmal des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Bahn zu einem winkelabhängigen Verhalten oder einer Interaktion mit einer mm-Welle, wobei das winkelabhängige Verhalten oder die Interaktion eine winkelabhängige Reflexion, winkelabhängige Absorption, winkelabhängige Übertragung oder eine winkelabhängige Kombination davon ist.
  • Eine Empfängerschaltung kann ein Empfangssignal empfangen und demodulieren und eine Amplitudenmodulation und/oder eine Phasenmodulation des Empfangssignals mittels Amplitudenanalyse und/oder Phasenanalyse auswerten. So kann die Empfängerschaltung beispielsweise eine Amplitudenänderung oder eine Phasenverschiebung des Empfangssignals auswerten. Die Empfangsschaltung kann dann eine absolute Winkelposition der Metamaterialbahn und/oder des drehbaren Zielobjekts auf der Grundlage der ermittelten Amplituden- oder Phasenmodulation bestimmen. Beispielsweise kann sich die Empfängerschaltung auf eine im Speicher bereitgestellte Nachschlagetabelle beziehen, die Winkelpositionen relativ zu einer speziellen Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation speichert.
  • So wird entweder die Amplitude oder die Phase des empfangenen Signals in Bezug auf die gleiche Eigenschaft des gesendeten Signals analysiert. Das Metamaterial ist eine passive Struktur, sie kann die Frequenz des Signals nicht. Es kann jedoch seine eigene Resonanzfrequenz oder besser gesagt die Lage seiner Pole und Nullstellen ändern, was dann das reflektierte oder das gesendete Signal beeinflussen kann und in Amplitude und Phase oder im Real- und Imaginärteil des Signals zu erkennen ist. Beide Kombinationen beschreiben den möglichen Einfluss vollständig. Die Analyse der Verschiebung einer Resonanz oder eines Pols oder einer Nullstelle kann auch über die Frequenz mit einem Frequenzdurchlauf des Sendesignals charakterisiert werden, erfordert aber eine komplexere Bewertungsschaltungsanordnung.
  • Als Beispiel zum Bestimmen einer absoluten Winkelposition oder eines diskreten Winkelwertes für eine gegebene Metamaterialbahn kann der Sendeempfänger 45 eine durchgehende mm-Welle als ein Trägersignal mit konstanter Frequenz übertragen. Jede Metamaterialbahn empfängt das Trägersignal und reflektiert oder sendet das Signal teilweise an den Sendeempfänger 45 zurück. Der Sendeempfänger 45 umfasst eine Empfängerschaltung, die zwei Demodulatoren (z.B. zwei Mischer) umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um ein empfangenes Signal von einer entsprechenden Metamaterialbahn zu demodulieren. Alternativ kann die Empfängerschaltung einen mit einem einzelnen Demodulator gekoppelten Multiplexer umfassen, der beide empfangene Signale in einer Multiplex-Weise demoduliert. In jedem Fall ist die Empfängerschaltung ausgebildet, um eine Phase und/oder eine Amplitude jedes empfangenen Signals zu bestimmen und die bestimmte Phase und/oder Amplitude mit der Phase und/oder Amplitude des Trägersignals zu vergleichen, um die absolute Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn herzuleiten. Eine bestimmte Phasen- oder Amplitudenänderung relativ zu dem Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) kann der absoluten Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn entsprechen.
  • Zusätzlich kann eine Phasenverschiebung zwischen zwei Empfangssignalen analysiert werden, um eine absolute Winkelposition zu bestimmen. Zum Beispiel können die gedrehten Muster der Metamaterialbahnen 43 und 44 gleich sein, aber um 90° (z.B. im oder gegen den Uhrzeigersinn) zueinander verschoben, so dass es eine 90°-Phasenverschiebung in den extrahierten Signalen gibt, die sich aus den beiden Metamaterialbahnen nach der Auswertung der Metamaterialeigenschaften ergeben. Das bedeutet, dass zwei Metamaterialbahnen mit demselben entsprechenden Drehwinkel extrahierte Signale erzeugen würden, die um 90° phasenverschoben zueinander sind. Dadurch werden bei der Drehung des drehbaren Zielobjekts im Wesentlichen ein Sinus-Messsignal und ein Kosinus-Messsignal erzeugt, die im Vergleich zueinander eine eindeutige Winkelposition erkennen lassen.
  • Alternativ können zwei Empfängerantennen auf dieselben Metamaterialbahnen fokussiert werden, jedoch im Abstand von 90° zueinander. Mit anderen Worten, die beiden Empfängerantennen werden so platziert, dass das Muster des Metamaterials an diesen Stellen gegeneinander verschoben ist, was zu einer 90°-Phasenverschiebung in den extrahierten Signalen an diesen beiden Stellen führt. Dadurch werden bei der Drehung des drehbaren Zielobjekts wiederum im Wesentlichen ein Sinus-Messsignal und ein Kosinus-Messsignal erzeugt, die im Vergleich zueinander eine eindeutige Winkelposition erkennen lassen.
  • Die Analyse eines Empfangssignals von einer einzelnen Bahn kann zur Bestimmung der Winkelposition (d. h. eines Winkelwerts) des drehbaren Zielobjekts verwendet werden. Daraus lässt sich auch die Drehzahl berechnen, indem eine Änderungsrate der Winkelwerte ermittelt wird. Zusätzlich kann durch Erhalten von zwei Messsignalen (z. B. zwei um 90° phasenverschobene Signale) auch die Rotationsrichtung des drehbaren Zielobjekts bestimmt werden.
  • Die Rotationsrichtung kann beispielsweise bei jedem Nulldurchgang oder einer anderen Schaltschwelle eines ersten Messsignals (z. B. eines Sinus-Messsignals oder eines Cosinus-Messsignals) bestimmt werden. Beispielsweise kann ein DSP feststellen, ob das erste Messsignal einen Nulldurchgang bei einer abfallenden Flanke oder bei einer ansteigenden Flanke aufweist, und kann die Korrelation zu einem negativen oder positiven Wert eines zweiten Messsignals (z. B. das andere des Sinus-Messsignals und des Kosinus-Messsignals) weiter analysieren.
  • So kann beispielsweise ein negativer Wert des zweiten Messsignals bei einer fallenden Flanke des ersten Messsignals eine erste Rotationsrichtung anzeigen. Ein positiver Wert des zweiten Messsignals bei einer steigenden Flanke des ersten Messsignals kann auch die erste Rotationsrichtung anzeigen. Ein positiver Wert des zweiten Messsignals bei einer fallenden Flanke des ersten Messsignals kann eine zweite Rotationsrichtung anzeigen. Ein negativer Wert des zweiten Messsignals bei einer steigenden Flanke des ersten Messsignals kann auch die zweite Rotationsrichtung anzeigen. Da das zweite Messsignal gegenüber dem ersten Messsignal um 90° phasenverschoben ist, ist die Bestimmung der Rotationsrichtung weniger anfällig für Fehler, die durch externe Streufelder, Vorspannungsrauschen und andere Arten von Störungen verursacht werden können.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann der DSP das Vorzeichen des zweiten Messsignals bei jedem Nulldurchgang des ersten Messsignals auswerten. Wechselt das Vorzeichen des zweiten Messsignals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen (+ - oder - +), bleibt die Rotationsrichtung gleich. Wechselt jedoch das Vorzeichen des zweiten Messsignals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen nicht (+ + oder - -), wird vom DSP ein Richtungswechsel detektiert.
  • In Fällen, in denen Sinus und Kosinus für die Berechnung des Winkels zur Verfügung stehen, ist die Rotationsrichtung in Abhängigkeit von der Zunahme oder Abnahme des Winkelwerts ohne Verwendung einer Schaltschwelle offensichtlich.
  • Die breite Palette von Flavors, die Metamaterialien mit unterschiedlichen Strukturen, Schichten und gegenseitiger Kopplung bieten, könnte auf der Grundlage einer vollständigen Messung der Parameter mit einem frequenzmodulierten Signal über den Bereich, in dem die spektral relevanten Effekte des Metamaterials auftreten, bewertet werden. Die Zielanwendungen stellen jedoch eine kostengünstige Messung im Vergleich zu einem herkömmlichen Radar bereit. Auf diese Weise kann der Schaltungsaufwand minimiert werden, und der RX/TX-Aufbau hängt vom endgültigen Metamaterialentwurf ab.
  • 5A ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 500 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 500 umfasst ein erstes drehbares Zielobjekt 51 als eine erste drehbare Trägerstruktur und ein zweites drehbares Zielobjekt 52 als eine zweite drehbare Trägerstruktur. Beide Trägerstrukturen sind so ausgebildet, dass sie sich um eine Rotationsachse 53 (d.h. eine Drehachse) drehen. Die drehbaren Zielobjekten 51 und 52 können eine Scheibe oder ein Rad sein, gekoppelt mit einer Welle 54, die sich entlang der Rotationsachse 53 erstreckt. Wenn sich die Welle 54 dreht, drehen sich auch die drehbaren Zielobjekte 51 und 52. Die drehbaren Zielobjekte 51 und 52 stellen mechanische Ziele für einen oder mehrere mm-Wellenstrahlen dar. Zusätzlich sind die drehbaren Zielobjekte 51 und 52 seitlich durch einen Abstand entlang der Welle 54 voneinander getrennt. Insbesondere sind sie in einer Übertragungsrichtung von mm-Wellenstrahlen seitlich voneinander beabstandet.
  • Jedes drehbare Zielobjekt 51 und 52 umfasst jeweils eine mm-Wellen-Metamaterialbahn 55 und 56, die jeweils eine geschlossene Schleife um die Welle 54 bilden. Diesbezüglich ist jedes Zielobjekt 51 und 52 eine Trägerstruktur für seine jeweilige mm-Wellen-Metamaterialbahn. Die mm-Wellen-Metamaterialbahnen 55 und 56 sind an einem entsprechenden drehbaren Zielobjekt 51 oder 52 befestigt, sodass sie sich mit dem entsprechenden drehbaren Zielobjekt 51 oder 52 mitdrehen, wenn es sich dreht. Außerdem weisen die mm-Wellen-Metamaterialbahnen die gleiche Größe und Form auf. Somit, in ähnlicher Weise im Hinblick auf die drehbaren Zielobjekte 51 und 52, sind die Metamaterialbahnen 55 und 56 seitlich voneinander beabstandet und insbesondere sind sie in einer Übertragungsrichtung von mm-Wellenstrahlen seitlich voneinander beabstandet.
  • Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel weisen die Metamaterialbahnen 55 und 56 jeweils ein Array von Strukturen auf, deren Eigenschaften sich in der Rotationsrichtung nicht ändern, wie oben in Bezug auf 2A erläutert. Ferner liegen die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 nahe genug beieinander, dass die beiden Bahnen eine gemeinsame Kopplung miteinander aufweisen, die durch einen Feldeffekt (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine magnetische Feldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung) induziert wird, wodurch eine resonante Mehrbahnstruktur (d.h. eine gemeinsam gekoppelte Struktur) gebildet wird. Die gegenseitige Kopplung zwischen den Bahnen 55 und 56 führt zu einem drehmomentabhängigen Verhalten oder einer Wechselwirkung mit einer mm-Welle, wobei das drehmomentabhängige Verhalten oder die Wechselwirkung eine drehmomentabhängige Reflexion, eine drehmomentabhängige Absorption, eine drehmomentabhängige Übertragung oder eine drehmomentabhängige Kombination davon ist.
  • Wenn sich die Welle 54 dreht, kommt es aufgrund des auf die Welle 54 ausgeübten Drehmoments zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Winkelposition (d.h. einer Winkelverschiebung) zwischen den beiden Metamaterialbahnen 55 und 56. Dies führt zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der gemeinsamen Kopplung zwischen den beiden Metamaterialbahnen 55 und 56. Da sich mehrere der Metamaterialeigenschaften als Antwort auf das ausgeübte Drehmoment gleichzeitig ändern, hängen mehrere mm-Wellenparameter eines einzelnen Signals, das entweder übertragen, reflektiert oder von miteinander gekoppelten Metamaterialbahnen emittiert wird, von dem ausgeübten Drehmoment ab. Zwei oder mehr mm-Wellen-Parameter eines selben Signals oder unterschiedlicher Signale können gleichzeitig ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu unterscheiden. Ähnlich kann auch ein einzelner Parameter von zwei oder mehr Signalen ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu unterscheiden. Folglich kann eine Messung aller relevanten Variationen verwendet werden, um die Eindeutigkeit der Drehmomentbestimmung zu verbessern.
  • Das Drehmomentmesssystem 500 umfasst ferner einen Sendeempfänger TRX 45, der zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet ist, oder einen Sender 45a und einen Empfänger 45b, die zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet sind. Der Sender 45a und ein Empfänger 45b können so platziert werden, dass die beiden drehbaren Zielobjekte 51 und 52 und damit die beiden Bahnen 55 und 56 zwischen dem Sender 45a und einem Empfänger 45b angeordnet sind.
  • Der Sendeempfänger 45 umfasst eine Sendeantenne 46, ausgebildet zum Übertragen eines mm-Wellenstrahl (d.h. ein elektromagnetisches Sendesignal) als ein drahtloses elektromagnetisches Signal, das auf die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 fokussiert ist. In dem Fall, dass ein separater Sender 45a und Empfänger 45b verwendet wird, kann der Sender 45a mit der Senderantenne 46 ausgestattet werden.
  • Der Sendeempfänger 45 umfasst auch eine Empfängerantenne 47, ausgebildet zum Empfangen eines teilweise reflektierten mm-Wellenstrahl (d.h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) als ein drahtloses elektromagnetisches Signal, das auf die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 fokussiert ist. Sie kann auch so implementiert werden, dass eine Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet wird und ein Splitter die Energieübertragungspfade (z.B. ein Rat-Race-Koppler oder ein Hybrid-Ringkoppler) im RF-Teil trennt. Der Splitter ist ausgebildet, dass er die empfangene Welle von der Antenne an den Empfänger leitet, während er das Sendesignal vom Sender zu der Antenne zur Übertragung leitet.
  • In dem Fall, dass ein separater Sender 45a und Empfänger 45b verwendet wird, kann der Empfänger 46a mit der Empfängerantenne 47 ausgestattet werden. Hier ist das Drehmomentmesssystem 500 ausgebildet, um mm-Wellen zu überwachen, die durch die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 verlaufen, anstatt reflektierte mm-Wellen zu überwachen, wie es beim Sendeempfänger 45 der Fall war. Folglich ist die Empfängerantenne 47 ausgebildet, um teilweise gesendete mm-Wellen (d.h. elektromagnetische Empfangssignale) zu empfangen, als ein Ergebnis der gesendeten mm-Welle, die mit den Metamaterialbahnen 55 und 56 interagiert (d.h. teilweise absorbiert und durch diese übertragen wird).
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Sendeempfänger, einer für jede Metamaterialbahn, verwendet werden können. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Empfänger- und Senderpaare, eines für jede Metamaterialbahn, anstelle von einem oder mehreren Sendeempfängern verwendet werden können. Es kann auch so implementiert werden, dass eine Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet wird und ein Splitter die Energieübertragungspfade (z.B. ein Rat-Race-Koppler oder ein Hybrid-Ringkoppler) im RF-Teil trennt. Der Splitter ist ausgebildet, dass er die empfangene Welle von der Antenne an den Empfänger leitet, während er das Sendesignal vom Sender zu der Antenne zur Übertragung leitet.
  • Unabhängig von der Konfiguration wird darauf hingewiesen, dass zumindest ein Sender und zumindest ein Empfänger für die Übertragung und Erkennung von mm-Wellenstrahlen implementiert ist. Die Sender und Empfänger können elektrisch mit einer Systemsteuerung und/oder einem DSP gekoppelt sein.
  • Wie vorangehend erwähnt, liegen die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 nahe genug beieinander, dass die Bahnen eine gemeinsame Kopplung (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine Magnetfeldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung) miteinander aufweisen, wodurch eine resonante Struktur gebildet wird, die zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Übertragung oder der Reflexion führt, die durch die resonante Struktur verursacht wird. Die drehmomentabhängige gemeinsame Kopplung zwischen den Metamaterialbahnen 55 und 56 kann kapazitiv, induktiv oder eine Kombination daraus sein. Im letzteren Fall kann eine Kopplungsart dominant sein. Beispielsweise kann die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Bahnen dominant sein.
  • Als ein Beispiel, wenn die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 aus den Elementarstrukturen 15 bestehen, koppeln sich die Elementarstrukturen 15 der beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 zusammen, um einen Spaltring-Resonator 18 als Elementarstruktur zu bilden, umfassend zwei Pole, der ein Resonator ist, dessen Pole durch die Verschiebung zwischen den beiden Schichten aufgrund des ausgeübten Drehmoments verändert werden. Somit ändert sich die gemeinsame Kopplungscharakteristik zwischen den beiden Bahnen 55 und 56 basierend auf der Rotationsverschiebung, der die beiden Bahnen als Ergebnis des hingewiesen, ausgeübten Drehmoments unterzogen werden. Als Ergebnis ändert sich eine oder mehrere Eigenschaften (z.B. Amplitude und/oder Phase) des Signals, das von der resonanten Mehrbahnstruktur, die durch die beiden Bahnen gebildet wird, emittiert wird, basierend auf der Rotationsverschiebung, die sich somit basierend auf dem ausgeübten Drehmoment ändert.
  • Bei einem anderen Beispiel bestehen die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 aus den Elementarstrukturen 2, die Elementarstrukturen 2 der beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 koppeln zusammen, um eine gestapelte Spaltring-Resonatorstruktur 17 als Elementarstruktur zu bilden, umfassend vier Pole (2 Pole für jede Elementarstruktur 2), die ein Resonator ist, deren Pole durch die Verschiebung zwischen den beiden Schichten aufgrund des ausgeübten Drehmoments verändert werden. Somit ändert sich die gemeinsame Kopplungscharakteristik zwischen den beiden Bahnen 55 und 56 basierend auf der Rotationsverschiebung, der die beiden Bahnen als Ergebnis des hingewiesen, ausgeübten Drehmoments unterzogen werden. Als Ergebnis ändert sich eine oder mehrere Eigenschaften (z.B. Amplitude und/oder Phase) des Signals, das von der resonanten Mehrbahnstruktur, die durch die beiden Bahnen gebildet wird, emittiert wird, basierend auf der Rotationsverschiebung, die sich somit basierend auf dem ausgeübten Drehmoment ändert.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass andere Kombinationen von Elementarstrukturen möglich sind, die verschiedene Arten von gemeinsam gekoppelten Strukturen bilden, die eine oder mehrere Charakteristika aufweisen, die sich basierend auf der durch das ausgeübte Drehmoment verursachten Rotationsverschiebung ändern.
  • Es wird auch darauf hingewiesen, dass die mm-Welle, die eine elektromagnetische Welle ist, eine elektrische Feldkomponente aufweist, die die Kapazität einer Metamaterialbahn oder der resonanten Mehrbahnstruktur stimuliert, und eine Magnetfeldkomponente, die die Induktivität einer Metamaterialbahn oder der resonanten Mehrbahnstruktur stimuliert. Jede Elementarstruktur reflektiert einen Teil der mm-Welle direkt, sendet einen Teil der mm-Welle direkt und empfängt einen Teil der Energie und speichert ihn in ihrer Resonanzoszillation. Die durch die Übertragung verursachte Oszillation strahlt einen Teil der Energie in beide Richtungen ab. So absorbiert jede Metamaterialbahn einen Teil der Energie und speichert sie. Zusätzlich emittiert jede Metamaterialbahn schließlich die Energie, die absorbiert und gespeichert wurde.
  • Die resonante Mehrbahnstruktur, die auch als gemeinsam gekoppelte (Mehrbahn-) Struktur bezeichnet wird, kann auch als eine einzelne Struktur betrachtet werden, die als Antwort auf die vom Sendeempfänger 45 gesendete und auf sie auftreffende mm-Welle entweder als Reflexion und/oder als Übertragung eine mm-Welle emittiert. Diese emittierte Welle weist eine drehmomentabhängige Eigenschaft auf, die von der Empfängerschaltung ausgewertet werden kann, um das ausgeübte Drehmoment zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf die gesendete mm-Welle ermittelt und ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu bestimmen.
  • Genauer gesagt, wenn sich die Welle 54 dreht, kommt es aufgrund des auf die Welle 54 ausgeübten Drehmoments zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Winkelposition (d.h. einer Winkelverschiebung) zwischen den beiden Metamaterialbahnen 55 und 56. Beispielsweise drehen sich die Zielobjekte 51 und 52 aufgrund des ausgeübten Drehmoments um unterschiedliche Beträge. Als Ergebnis unterscheidet sich die absolute Winkelposition oder der diskrete Winkelwert entsprechend Bahn 55 von der absoluten Winkelposition oder dem diskreten Winkelwert entsprechend Bahn 56, was zu einer Winkeldifferenz oder Winkelverschiebung führt, die proportional zu dem ausgeübten Drehmoment ist. Der Kopplungseffekt zwischen den Bahnen 55 und 56 ist drehmomentabhängig und ändert sich basierend auf ihrer Winkelverschiebung, die sich aus dem ausgeübten Drehmoment ergibt. Diese Kopplungsänderung wirkt sich wiederum auf zumindest eine kopplungsabhängige Eigenschaft eines Signals, das mit den verschiedenen Arten der gemeinsam gekoppelten Struktur interagiert, die zur Bestimmung des ausgeübten Drehmoments gemessen werden kann.
  • Ein Prozessor am Empfänger ist ausgebildet, um zumindest ein Signal von der gemeinsam gekoppelten Struktur zu empfangen und das ausgeübte Drehmoment basierend auf einer oder mehreren ausgewerteten Eigenschaften des zumindest einen empfangenen Signals zu bestimmen. Der Prozessor kann das ausgeübte Drehmoment basierend auf der/n ausgewerteten Eigenschaft (en) bestimmen, zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder eines Algorithmus.
  • Zum Beispiel kann das Signal, das von der gemeinsam gekoppelten Struktur, die durch die Bahnen 55 und 56 gebildet wird, emittiert wird, zumindest eine Eigenschaft oder eine Kombination von Eigenschaften aufweisen, die einzigartig für die Winkelverschiebung dazwischen und damit einzigartig für das ausgeübte Drehmoment ist. Dies wird als direkte Drehmomentmessung bezeichnet.
  • Alternativ kann der Prozessor Signale von jeder Bahn 55 und 56 der gemeinsam gekoppelten Struktur empfangen, eine drehmomentabhängige absolute Winkelposition bestimmen, entsprechend jeder Bahn, die Winkeldifferenz oder -verschiebung davon bestimmen und dann das ausgeübte Drehmoment basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder eines Algorithmus bestimmen. In diesem Fall können die Bahnen 55 und 56, wie in Bezug auf 3A-3G beschrieben, Array-Strukturen aufweisen, die in der Drehrichtung variieren, so dass die Winkelposition jeder Bahn bestimmt werden kann. Dies wird als indirekte Drehmomentmessung bezeichnet.
  • Als Beispiel zum Bestimmen einer absoluten Winkelposition oder eines diskreten Winkelwertes für eine gegebene Metamaterialbahn kann der Sendeempfänger 45 eine durchgehende mm-Welle als ein Trägersignal mit konstanter Frequenz übertragen. Jede Metamaterialbahn, die das Trägersignal empfängt, kann das Signal teilweise an den Sendeempfänger 45 zurückreflektieren. Der Sendeempfänger 45 umfasst eine Empfängerschaltung, die zwei Demodulatoren (z.B. zwei Mischer) umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um ein empfangenes Signal von einer entsprechenden Metamaterialbahn zu demodulieren. Alternativ kann die Empfängerschaltung einen mit einem einzelnen Demodulator gekoppelten Multiplexer umfassen, der zwei empfangene Signale in einer Multiplex-Weise demoduliert. In jedem Fall ist die Empfängerschaltung ausgebildet, um eine Phase und/oder eine Amplitude jedes empfangenen Signals zu bestimmen und die bestimmte Phase und/oder Amplitude mit der Phase und/oder Amplitude des Trägersignals zu vergleichen, um die absolute Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn herzuleiten. Eine bestimmte Phasen- oder Amplitudenänderung relativ zu dem Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) entspricht der absoluten Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn. Es ist auch möglich, dass die Empfängerschaltung die Phasen- und/oder Amplitudendifferenzen zweier empfangener Signale (d.h. eines von jeder Bahn 55 und 56) direkt an das Drehmoment anpasst, ohne die absoluten Winkelpositionen zu berechnen, über eine Abbildung, eine Nachschlagetabelle o.ä., die die Differenzwerte von Phase und/oder Amplitude verschiedenen Beträgen des Drehmoments (d.h. Drehmomentwerten) zuordnet.
  • Ein ausgeübtes Drehmoment für eine gegebene gemeinsam gekoppelte Struktur kann auf ähnliche Weise für eine direkte Drehmomentmessung bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Sendeempfänger 45 eine durchgehende mm-Welle als ein Trägersignal übertragen, die eine konstante Frequenz an der gemeinsam gekoppelten Struktur aufweist. Die gemeinsam gekoppelte Struktur, die das Trägersignal empfängt, kann das Signal teilweise an den Sendeempfänger 45 zurückreflektieren. Die gemeinsame Kopplung zwischen zwei Metamaterialbahnen der gemeinsam gekoppelten Struktur hängt von dem ausgeübten Drehmoment ab, das eine drehmomentabhängige Eigenschaft des reflektierten Signals beeinflusst.
  • Der Sendeempfänger 45 umfasst einen Demodulator, der ausgebildet ist, um das empfangene Signal zu demodulieren, und einen Prozessor, der ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des empfangenen Signals unter Verwendung von zumindest einer Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse auszuwerten und das ausgeübte Drehmoment basierend auf der ausgewerteten Eigenschaft zu bestimmen.
  • Genauer gesagt ist die Empfängerschaltung ausgebildet, um eine Phase und/oder eine Amplitude jedes empfangenen Signals zu bestimmen und die bestimmte Phase und/oder Amplitude jeweils mit der Phase und/oder Amplitude des Trägersignals zu vergleichen, um das ausgeübte Drehmoment herzuleiten. Eine bestimmte Phasen- oder Amplitudenänderung relativ zu dem Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) entspricht dem ausgeübten Drehmoment.
  • Zusammenfassend verwendet das Drehmomentmesssystem 500 zwei Zielobjekte (d.h. zwei Trägerstrukturen) 51 und 52 mit jeweils einer Metamaterialanordnung 55 und 56 auf ihren benachbarten Oberflächen. Jede Trägerstruktur ist an einer Welle 54 innerhalb eines bestimmten Abstands zwischen den benachbarten Trägerstrukturen befestigt. Wenn ein Drehmoment auf die Welle 54 ausgeübt wird, windet sich die Welle 54 in Abhängigkeit von ihrer Dicke und ihrem Elastizitätsmodul. Der Abstand zwischen den Trägerstrukturen ist eng genug, um sicherzustellen, dass die beiden Metamaterialbahnen 55 und 56 gemeinsam koppeln. Abhängig von der Verschiebung der beiden Metamaterialanordnungen der beiden Metamaterialbahnen ändert sich der Kopplungseffekt zwischen den beiden Metamaterialbahnen. Dieser Kopplungseffekt ist einzigartig für den Betrag des angelegten Drehmoments. Als Ergebnis verursacht die Änderung des Kopplungseffekts eine Änderung einer Eigenschaft eines oder mehrerer Signale, die von den Metamaterialbahnen 55 und 56 emittiert werden, welche zur Bestimmung des ausgeübten Drehmoments gemessen und analysiert werden können.
  • 5B ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 501 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 501 ist ähnlich zu dem in 5A dargestellte Drehmomentmesssystem 500, mit der Ausnahme, dass das Drehmomentmesssystem 501 zusätzliche Metamaterialbahnen auf jedem drehbaren Zielobjekt 51 und 52 umfasst. Zwei Metamaterialbahnen 55a und 55b sind am drehbaren Zielobjekt 51 angebracht und zwei Metamaterialbahnen 56a und 56b sind am drehbaren Zielobjekt 52 angebracht. Die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 55a und 55b, die an dem drehbaren Zielobjekt 51 angebracht sind, sind konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 53 befinden. Ähnlich sind die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 56a und 56b, die an dem drehbaren Zielobjekt 52 angebracht sind, konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 53 befinden.
  • Ferner sind die Metamaterialbahnen 55a und 56a ausgerichtet (d.h. sie befinden sich im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse 53) und befinden sich in unmittelbarer Nähe, sodass sie gemeinsam gekoppelt sind. Ähnlich sind die Metamaterialbahnen 55b und 56b ausgerichtet (d.h. sie befinden sich im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse 53) und befinden sich in unmittelbarer Nähe, sodass sie gemeinsam gekoppelt sind. Somit werden zwei miteinander gekoppelte Strukturen gebildet, wobei die erste durch die Bahnen 55a und 56a gebildet wird und die zweite durch die Bahnen 55b und 56b gebildet wird.
  • Zusätzlich umfasst das Drehmomentmesssystem 401 zwei Antennen A1 und A2, die beide ausgebildet sind, um mm-Wellensignale zu senden und zu empfangen. Hier ist die Antenne A1 mit den Metamaterialbahnen 55a und 56a ausgerichtet und somit ausgebildet, um an diesen gemeinsam gekoppelten Bahnen einen mm-Wellenstrahl zu senden und von dort reflektierte Signale zu empfangen. Ähnlich ist die Antenne A2 mit den Metamaterialbahnen 55b und 56b ausgerichtet und somit ausgebildet, um an diesen gemeinsam gekoppelten Bahnen einen mm-Wellenstrahl zu senden und von dort reflektierte Signale zu empfangen.
  • Als Ergebnis können unterschiedliche Regionen von Metamaterialbahnen auf den Trägerstrukturen angeordnet werden und unterschiedliche Messungen bereitstellen. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Bereiche, an denen die Metamaterialbahnen auf derselben Trägerstruktur befestigt sind, so voneinander beabstandet, dass die Kopplung zwischen einem inneren Ring und einem äu-ßeren Ring im Vergleich zu der Kopplung zwischen den Ringen auf den unterschiedlichen Trägerstrukturen vernachlässigbar ist. Beispielsweise sind die Bahnen 55a und 56a stark durch einen Feldeffekt gekoppelt, während die Bahnen 55a und 55b schwach oder nicht durch einen Feldeffekt gekoppelt sind. Aus diesem Grund können die Bahnen 55a und 56a ein erstes gekoppeltes Bahnpaar bilden und die Bahnen 55b und 56b ein zweites gekoppeltes Bahnpaar bilden.
  • Jeder gemeinsam gekoppelten Struktur ist eine Antenne A1 oder A2 zugeordnet. Vorzugsweise sollten die Antennen A1 und A2 eine Richtcharakteristik aufweisen, die ihr Senden und Empfangen auf die zugehörigen Ringe der metamateriellen Strukturen fokussiert. So weist die Antenne A1 eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 55a und 56a zugeordnet ist (d.h. eine erste gemeinsam gekoppelte Struktur), und die Antenne A2 weist eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 55b und 56b zugeordnet ist (d.h. eine zweite gemeinsam gekoppelte Struktur).
  • Im Falle identischer Anordnungen von Elementarstrukturen ist die Verschiebung der Elementarstrukturen auf beiden Trägerstrukturen aufgrund des unterschiedlichen Radius (d1=r1*da; d2=r2*da) unterschiedlich. Folglich ist die Änderung der mm-Wellen-Eigenschaft auf der Innenbahn geringer als auf der Außenbahn. Anders ausgedrückt verursacht eine gleiche Winkelverschiebung der Welle 54 eine unterschiedliche Änderung der Kopplung der beiden Paare gekoppelter Bahnen, was zu zwei unterschiedlichen Signalmodulationen (d.h. Amplitude und/oder Phase) in den Empfangssignalen führt, die von dem unterschiedlich gekoppelten Paar von Bahnen erzeugt werden.
  • Die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 45 kann dann eine Differenzmessung zur Unterscheidung des ausgeübten Drehmoments verwenden, die robuster gegenüber äußeren Faktoren wie dem Einfluss von Abstandsänderungen ist. Beispielsweise kann die Empfängerschaltung die von den beiden gemeinsam gekoppelten Strukturen empfangenen Signale verwenden, um eine Differenzmessung des ausgeübten Drehmoments über einen auf die beiden Signale angewandten Differenzialalgorithmus durchzuführen.
  • 5C ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 502 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 502 ist ähnlich zu dem in 5A dargestellte Drehmomentmesssystem 500, mit der Ausnahme, dass das Drehmomentmesssystem 502 zusätzliche Metamaterialbahnen auf jedem drehbaren Zielobjekt 51 und 52 umfasst. Zwei Metamaterialbahnen 55a und 55c sind am drehbaren Zielobjekt 51 angebracht und zwei Metamaterialbahnen 56a und 56c sind am drehbaren Zielobjekt 52 angebracht. Somit bilden die Bahnen 55a und 56a eine einzige gegenseitig gekoppelte Struktur.
  • Die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 55a und 55c, die an dem drehbaren Zielobjekt 51 angebracht sind, sind konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 53 befinden. Ähnlich sind die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 56a und 56c, die an dem drehbaren Zielobjekt 52 angebracht sind, konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 53 befinden. Ferner sind die Bahnen 55c und 56c in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 53 angeordnet, so dass die gegenseitige Kopplung zwischen ihnen schwach oder gleich Null ist.
  • Diese Anordnung ähnelt dem in 5B dargestellten Drehmomentmesssystem 401, außer dass die zusätzlichen Bahnen 55c und 56c nicht miteinander oder mit einer anderen Bahn gekoppelt sind, wie dies bei den Bahnen 55b und 56b der Fall ist. Stattdessen sind die Bahnen 55c und 56c Referenz-Metamaterialbahnen für ihr jeweiliges Zielobjekt (d. h. die Trägerstruktur) 51 oder 52 und können zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition ihres jeweiligen Zielobjekts 51 oder 52 oder zur Messung einer Drehgeschwindigkeit ihres jeweiligen Zielobjekts 51 oder 52 verwendet werden.
  • Die Bahnen 55c und 56c können beide ein Array von Strukturen aufweisen, das zumindest eine Eigenschaft aufweist, die sich in der Rotationsrichtung ändert, wie oben in Bezug auf 3A-3G erläutert. Ein Muster der Bahn 55c kann zum Beispiel eine periodische Änderung von 360°/N aufweisen, wobei N eine ganze Zahl größer als Null ist. So kann die Bahn 55c so ausgebildet werden, dass sie ein elektromagnetisches Sendesignal bei ihrer Rotation modifiziert und dadurch ein elektromagnetisches Empfangssignal erzeugt, das eine periodische Änderung proportional zur Drehgeschwindigkeit des Zielobjekts 51 aufweist. Die periodische Änderung kann eine periodische Amplituden- oder Phasenänderung sein, die durch die Rotation der Bahn 55c hervorgerufen wird. Infolgedessen ist die Rate der periodischen Änderung, ähnlich einer Frequenz, proportional zu einer Rotationsgeschwindigkeit der Bahn 55c, die vom Sendeempfänger gemessen werden kann. Eine Änderungsrate der gemessenen Winkelwerte über die Bahn 55c könnte auch zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Bahn 55c verwendet werden. Die Bahn 56c kann in ähnlicher Weise zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit des Zielobjekts 52 verwendet werden. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Bahnen 55c und 56c sind gleich der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 54.
  • Wenn N = 1 führt die Eigenschaft oder das Merkmal des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Bahn zu einem winkelabhängigen Verhalten oder einer Interaktion mit einer mm-Welle, wobei das winkelabhängige Verhalten oder die Interaktion eine winkelabhängige Reflexion, winkelabhängige Absorption, winkelabhängige Übertragung oder eine winkelabhängige Kombination davon ist. Da sich mehrere der Metamaterial-Eigenschaften gleichzeitig ändern, hängen mehrere mm-Wellenparameter eines einzelnen Signals, das entweder übertragen, reflektiert oder von einer Metamaterialbahnen emittiert wird, von dem Rotationsmoment ab. Zwei oder mehr mm-Wellen-Parameter eines selben Signals oder unterschiedlicher Signale können gleichzeitig ausgewertet werden, um die Rotationsposition zu unterscheiden. Ähnlich kann auch ein einzelner Parameter von zwei oder mehr Signalen ausgewertet werden, um die Rotationsposition zu unterscheiden. Folglich kann eine Messung aller relevanten Variationen verwendet werden, um die Eindeutigkeit der Winkelbestimmung zu verbessern.
  • Hier werden drei Antennen A1, A2 und A3 genutzt, jede aufweisend eine Richtungscharakteristik, die sich auf ihr Senden und Empfangen auf dem einen oder den mehreren zugeordneten Ringen der Metamaterial-Struktur fokussiert. Somit weist die Antenne A1 eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 55a und 56a zugeordnet ist, die Antenne A2 weist eine Richtcharakteristik auf, die der Bahn 55c zugeordnet ist, und die Antenne A3 weist eine Richtcharakteristik auf, die der Bahn 56c zugeordnet ist.
  • Somit liegt eine zusätzliche Metamaterialbahn 55c vor, gelesen von der Antenne A2, die auf der vorderen Trägerstruktur 51 ohne Kopplungsbahn auf der hinteren Trägerstruktur 52 hinzugefügt wird, und eine zusätzliche Metamaterialbahn 56c, gelesen von der Antenne A3, die der hinteren Trägerstruktur 52 ohne Koppelung an die vordere Trägerstruktur 51 hinzugefügt wird. Folglich werden die mm-Welleneigenschaften dieser Referenzbahnen 55c und 56c durch die Verschiebung der beiden Trägerstrukturen relativ zueinander aufgrund der gemeinsamen Kopplung nicht beeinflusst und sind daher drehmomentunabhängig. Dagegen sind die gemeinsame Kopplung zwischen den Bahnen 55a und 56a und die gemeinsame Kopplung zwischen den Bahnen 55b und 56b drehmomentabhängig.
  • Diese Referenzbahnen 55c und 56c können durch die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 45 als Referenzen für Messungen verwendet werden, die verwendet werden können, um Einflüsse, die sich aus dem Aufbau ergeben, z.B. Schwankungen des Abstands zwischen den Antennen und des Abstands zwischen den beiden Trägerstrukturen 51 und 52, zu eliminieren.
  • Beispielsweise kann die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 45 ausgebildet sein, um eine drehmomentunabhängige absolute Winkelposition der Trägerstruktur 51 zu bestimmen, indem sie eine Amplitudenmodulation oder eine Phasenmodulation eines von Bahn 55c bei Antenne A2 empfangenen Empfangssignals in Bezug auf ein von der Antenne A2 gesendetes Trägersignal basierend auf den vorangehend beschriebenen Verfahren analysiert. Die Empfängerschaltung kann die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition als die tatsächliche absolute Winkelposition der Trägerstruktur 51 verwenden, die ferner zur Berechnung ihrer Drehgeschwindigkeit verwendet werden kann. Zusätzlich kann die Empfängerschaltung die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition nutzen, um bereits vorhandene Fehler in dem Aufbau zu erkennen und die drehmomentabhängigen Messungen zu kompensieren.
  • Ähnlich kann die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 45 ausgebildet sein, um eine drehmomentunabhängige absolute Winkelposition der Trägerstruktur 52 zu bestimmen, indem sie eine Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation eines von Bahn 56c bei Antenne A3 empfangenen Empfangssignals in Bezug auf ein von der Antenne A3 gesendetes Trägersignal basierend auf den vorangehend beschriebenen Verfahren analysiert. Der Empfängerschaltkreis kann die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition als die tatsächliche absolute Winkelposition der Trägerstruktur 52 verwenden, die ferner zur Berechnung ihrer Drehgeschwindigkeit verwendet werden kann. Zusätzlich kann die Empfängerschaltung die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition nutzen, um bereits vorhandene Fehler in dem Aufbau zu erkennen und die drehmomentabhängigen Messungen zu kompensieren.
  • Zusätzlich können die drehmomentunabhängigen Strukturen auch winkelunabhängig sein. Zum Beispiel können die Bahnen 55c und 56c eine homogene Anordnung aufweisen, wie die in 2A gezeigte, mit bekanntem Verhalten für die Messung des Abstands zwischen der Bahn und der Antenne.
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur eines Beispiels eines Sendeempfängers gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zeigt. Der Sendeempfänger 45 umfasst die für die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele relevanten Sendungs- und Empfängerschaltkreise. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die relevanten Sendungs- und Empfängerschaltkreise gemäß der Implementierung zwischen Sender 45a und Empfänger 45b aufgeteilt werden können.
  • Frequenzmodulation kann auf der Senderseite verwendet werden, um die Sendungsfunktion des Übertragungskanals umfassend das Metamaterials über der Frequenz zu charakterisieren. Es kann jedoch auch eine durchgehende Trägerwelle mit einer konstanten Frequenz verwendet werden.
  • Auf der Messseite (Empfängerseite) wären immer noch Umfang (Amplitude) und Phase oder I und Q, was die anspruchsvollste und flexibelste Lösung wäre. Im Hinblick auf die Kosten kann jedoch ein System mit einem Träger mit konstanter Frequenz vorzuziehen sein. In diesem Fall wird die Frequenz so gewählt, dass sie in einer definierten Region in Bezug auf die Pole und Nullen liegt, in dem die Phasen- oder Amplitudensendungsfunktion ein monotones Verhalten in Bezug auf die veränderte Eigenschaft des Metamaterials aufweist. Dann wird eine lokale Messung der Phasenverschiebung oder Amplitudendämpfung verwendet.
  • Dementsprechend sind zumindest eine Sendeantenne 601 (TX-Antenne) und zumindest eine Empfängerantenne 602 (RX-Antenne) mit einem RF-Frontend 603 verbunden, das in einen Chip integriert ist, wobei dieses RF-Frontend alle Schaltungskomponenten umfassen kann, die für die RF-Signalverarbeitung erforderlich sind. Diese Schaltungskomponenten umfassen z.B. einen Lokaloszillator (LO; local oscillator), RF-Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker (LNA; low noise amplifiers), Richtkoppler (z.B. Rate-Race-Koppler, Zirkulatoren usw.) und Mischer zur Abwärtsmischung (oder Abwärtskonvertierung) der RF-Signale in das Basisband oder ein Zwischenfrequenzband (IF-Band). Das RF-Frontend 603 kann - möglicherweise zusammen mit weiteren Schaltungskomponenten - in einen Chip integriert werden, der üblicherweise als monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC; monolithic microwave integrated circuit) bezeichnet wird.
  • Das dargestellte Beispiel zeigt ein bistatisches (oder pseudo-monostatisches) Radarsystem, das separate RX- und TX-Antennen aufweist. In dem Falle eines monostatischen Radarsystems würde eine einzelne Antenne sowohl zum Emittieren und zum Empfangen der elektromagnetischen (Radar-)Signale verwendet werden. In diesem Fall kann ein Richtkoppler (zum Beispiel ein Zirkulator) verwendet werden, um die zu emittierenden RF-Signale von den empfangenen RF-Signalen (Radarechosignale) zu trennen. In der Praxis verfügen Radarsysteme in der Regel über mehrere Sende- und Empfangskanäle (TX/RX-Kanäle) mit einer Mehrzahl von TX- und RX-Antennen, was es ermöglicht, inter alia, die Richtung (DoA) zu messen, aus der die Radarechos empfangen werden. In solchen Mehrere-Eingänge-Mehrere-Ausgänge (MIMO; multiple-input multiple-output) -Systemen weisen die einzelnen TX-Kanäle und RX-Kanäle jeweils üblicherweise eine identische oder ähnliche Struktur auf.
  • Im Falle eines frequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW; frequency modulated continous wave) Radarsystems können die von der TX-Antenne 601 emittierten RF-Signale beispielsweise im Bereich von etwa 10 GHz bis 500 GHz liegen. Die Frequenzbänder, die hier angebracht werden, hängen jedoch von den Strukturen ab, die für die Erzeugung des Metamaterial-Ziels verwendet werden sollen. Wie bereits erwähnt, umfasst das von der RX-Antenne 603 empfangene RF-Signal die Radarechos (Chirp-Echosignale), das bedeutet, die Signalkomponenten, die an einem oder an der Mehrzahl von Radarzielen zurückgestreut werden. Das empfangene RF-Signal wird z.B. in das Basisband (oder ein IF-Band) abwärtsgemischt und mittels analoger Signalverarbeitung im Basisband weiterverarbeitet (siehe analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 604). Die analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 604 umfasst im Wesentlichen die Filterung und möglicherweise die Verstärkung des Basisbandsignals. Das Basisbandsignal wird schließlich digitalisiert (siehe Analog-zu-Digital-Wandler 605) und in der digitalen Domäne weiterverarbeitet. Die digitale Signalverarbeitungskette kann zumindest teilweise in Form von Software implementiert werden, die auf einem Prozessor, z.B. einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor (DSP) 606 oder einer anderen Computereinheit, ausgeführt werden kann. Das Gesamtsystem wird allgemein über eine Systemsteuerung 607 gesteuert, der ebenfalls zumindest teilweise in Form von Software implementiert sein kann, die auf einem Prozessor, wie z.B. einem Mikrocontroller, ausführbar ist. Das RF-Front-End 603 und die analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 604 (optional auch der Analog-zu-Digital-Wandler 605) können zusammen in einer einzelnen MMIC (d.h. einem RF-Halbleiterchip) integriert werden. Alternativ können die individuellen Komponenten auch über eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen verteilt sein. Ein einzelner DSP kann die jeweiligen digitalen Empfangssignale von jeder der Empfangsantennen empfangen, um die Rotationsparameter der drehbaren Welle zu berechnen, einschließlich Drehzahl, Drehrichtung, Winkel, Drehmoment usw.
  • Der DSP 606 ist so konfiguriert, dass er die oben erwähnte Phasenanalyse, Amplitudenanalyse und/oder Frequenzanalyse durchführt, um einen Rotationsparameter (z. B. Rotationsgeschwindigkeit, Rotationsrichtung, absolute Winkelposition und/oder Drehmoment) der Metamaterialbahn und/oder der drehbaren Welle auf der Grundlage der ermittelten Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation zu bestimmen. Die Phasenmodulation eines empfangenen Signals kann eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf eine Phase der übertragenen mm-Welle sein (d.h. des Trägersignals). Ähnlich kann die Amplitudenmodulation eines empfangenen Signals eine Amplitudenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf eine Amplitude der übertragenen mm-Welle sein.
  • Der DSP 606 kann so ausgebildet sein, dass er eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung eines empfangenen Signals bestimmt und die Verschiebung entweder direkt aus einem einzelnen Empfangssignal oder in Kombination mit einem anderen Empfangssignal in einen Rotationsparameter übersetzt (z. B. werden zwei phasenverschobene Empfangssignale zur Bestimmung der Rotationsrichtung verwendet). Beispielsweise kann der DSP 606 auf eine Nachschlagetabelle im Speicher verweisen, die Winkelpositionen oder -werte relativ zu einer bestimmten Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation speichert, wenn die Bahn ein periodisches Muster von 360° aufweist.
  • Darüber hinaus kann der DSP 606 eine Phasenverschiebung zwischen zwei Empfangssignalen analysieren, um eine absolute Winkelposition zu bestimmen, wie hierin beschrieben. Der DSP 606 kann die Drehgeschwindigkeit auch durch Analyse der Änderungsrate der Winkelwerte berechnen. Zusätzlich kann durch das Erhalten von zwei Messsignalen (z.B. zwei um 90° phasenverschobene Signale) für zumindest eine der Referenzbahnen auch eine Rotationsrichtung des drehbaren Zielobjektes durch den DSP 606 bestimmt werden. Im Allgemeinen können zwei Empfangssignale verwendet werden, um einen eindeutigen Messbereich von 360° zu erreichen. Bei einem System, das in einem begrenzten Bereich misst, muss die Eigenschaft des Metamaterials nicht notwendigerweise gemäß einem Sinus/Cosinus-System verändert werden. Für einen begrenzten Bereich (z.B. +/- 60°) wäre ein Sinus allein ausreichend.
  • Auf Metamaterialien basierende Sensoren mit Millimeter- (mm-) Wellenradar als Auslesegerät haben das Potenzial, viele Herausforderungen bestehender Sensorsysteme zu überwinden. Diese mm-Wellen-Metamaterialien stellen ein neuartiges Sensorkonzept im Bereich der Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Positionsmessung in Rotations- und Linearsensoren dar. Mm-Wellen-Metamaterialien sind vollständig telemetrisch und hoch skalierbar. Aufgrund ihrer hohen Skalierbarkeit erlaubt dieses Konzept die Implementierung von Doppel- oder Mehrfachmessungen parallel, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen.
  • Um eine hohe Robustheit in rauer Umgebung zu gewährleisten, kann eine Doppelmessung oder Differentialmessung innerhalb des Sensors erforderlich sein. Darüber hinaus bietet eine Kombination von Drehmoment- und Geschwindigkeitsmessung in einem Sensor ein direktes Leistungsfluss-Sensorsystem.
  • Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Implementierung mehrerer paralleler Messungen in metamaterialbasierten Sensorsystemen bereit. Die Idee ist, Frequenzmultiplexing zu implementieren und damit zwischen den Signalen im Frequenzraum zu unterscheiden. Die Metamaterialstrukturen werden durch Variation ihrer geometrischen Parameter mit unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen entworfen. Das Auslesen erfolgt entweder über mehrere Radarchips mit nicht überlappender Bandbreite oder über einen Radarchip, der Frequenzmodulation ausführt. Die Messung und das Auslesen verschiedener Messparameter, wie z. B. einer Rotationsgeschwindigkeit der Rotationswelle, einer absoluten Winkelposition der Rotationswelle, einer Rotationsrichtung der Rotationswelle und/oder eines auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, kann parallel durchgeführt werden, indem für jeden Messparameter verschiedene Anordnungen von mm-Wellen-Strukturen (z. B. Metamaterialbahnen) verwendet werden. Jedem Messparameter wird eine andere Arbeitsfrequenz zugewiesen, je nach den entsprechenden Arrays von mm-Wellenstrukturen. Dadurch kann ein elektromagnetisches Signal mit einer Frequenz innerhalb der Bandbreite der Zielarbeitsresonanzfrequenz zur Messung eines entsprechenden Messparameters verwendet werden. Verschiedene elektromagnetische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Bandbreite ihrer jeweiligen Zielarbeitsresonanzfrequenz können parallel zur Messung der verschiedenen Messparameter verwendet werden.
  • Die elektromagnetischen Signale können monochromatisch oder frequenzmoduliert sein (z. B. ein Frequenzrampensignal) mit einer entsprechend kleinen Bandbreite, die nur eine der Zielresonanzfrequenzen abdeckt. In 7 könnte man z. B. einen frequenzmodulierten Sender mit einer Bandbreite von 54 GHz bis 60 GHz und einen zweiten frequenzmodulierten Sendeempfänger mit einer Bandbreite von 60 GHz bis 66 GHz verwenden. In diesem Fall wird ein frequenzmoduliertes Signal mit Rampen erzeugt, die von 54 GHz auf 60 GHz oder umgekehrt wechseln, und ein frequenzmoduliertes Signal mit Rampen, die von 60 GHz auf 66 GHz oder umgekehrt wechseln. Jedes frequenzmodulierte Signal überschneidet sich mit einer anderen Zielresonanzfrequenz und überschneidet sich nicht mit der anderen Zielresonanzfrequenz, wie im Folgenden näher erläutert wird.
  • Die Sensorwirkung von Metamaterialien beruht auf ihrer charakteristischen Resonanzfrequenz. Es ist die Abstimmung dieser Resonanzfrequenz, die die gewünschte Messgröße in eine Abstimmung der reflektierten oder übertragenen Radarwellen übersetzt. Die charakteristische Resonanz von Metamaterialien weist hohe Q-Faktoren auf, auch für einlagige Metamaterialien. Daher hat ein einzelnes Metamaterial-Array-Signal eine geringe Bandbreite. Die Anpassung des Metamaterial-Arrays an eine verschobene Resonanzfrequenz bei gleichem Q-Faktor ist möglich. Diese Arbeitsfrequenz wird durch Variation der Größe der Elementarstrukturen des Arrays oder durch Variation der geometrischen Parameter innerhalb der Elementarstrukturen eingestellt. Die Metamaterialien werden dann in Arrays angeordnet, die aus einer Vielzahl von Elementarstrukturen bestehen. Außerdem kann die Arbeitsfrequenz durch Variation der Anordnung der Elementarstrukturen innerhalb des Arrays angepasst werden.
  • Die Idee ist, zwei oder mehr Metamaterial-Arrays mit schmalen Bandbreiten ihrer Resonanzfrequenz herzustellen. Die Überschneidung zwischen den beiden Bandbreiten ist gleich Null oder vernachlässigbar. Eine beispielhafte Darstellung der Spektren von zwei Resonanzen, die von zwei Metamaterial-Arrays stammen, ist in 7 zu sehen. 7 zeigt insbesondere eine Resonanz eines ersten Metamaterialarrays und eine Resonanz eines zweiten Metamaterialarrays, wobei die beiden Metamaterialarrays unterschiedliche Arbeitsresonanzfrequenzen haben. Ein Metamaterial-Array mit einer bestimmten Arbeitsresonanzfrequenz reagiert stark auf Signale mit einer Frequenz innerhalb seiner Bandbreite und reagiert schwach oder gar nicht auf Signale mit Frequenzen außerhalb seiner Bandbreite. So kann jedes Metamaterial-Array für eine andere Messgröße zusammen mit einem elektromagnetischen Signal verwendet werden, dessen Frequenz auf die Arbeitsresonanzfrequenz seines Metamaterial-Arrays abzielt.
  • Die Metamaterial-Arrays können räumlich getrennt als separate Metamaterialbahnen oder ineinander verschachtelt (z. B. vermischt) sein. Die räumliche Trennung ist z. B. in 4A dargestellt. 8 zeigt eine verschachtelte Anordnung von zwei Metamaterial-Arrays, wobei ein erstes Metamaterial-Array einen ersten Typ von Elementarstrukturen 81 umfasst und eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist und ein zweites Metamaterial-Array einen zweiten Typ von Elementarstrukturen 82 umfasst und eine zweite, andere Arbeitsresonanzfrequenz aufweist. Darüber hinaus kann dieses Prinzip auf drei oder mehr Metamaterial-Arrays skaliert werden, die jeweils unterschiedliche Arbeitsresonanzfrequenzen aufweisen. Die Metamaterial-Arrays können auf ein und derselben Trägerstruktur angeordnet sein, mit Ausnahme des Drehmoments, bei dem mindestens ein Metamaterial-Array auf einer zweiten Trägerstruktur angeordnet sein muss.
  • Zwei Metamaterial-Arrays, die für Drehmomentmessungen verwendet werden, reagieren als eine miteinander gekoppelte Struktur mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz, die sich aus der gegenseitigen Kopplung ergibt, um ein einziges Messsignal als Reaktion auf den Empfang eines elektromagnetischen Signals innerhalb der Bandbreite ihrer Arbeitsresonanzfrequenz zu erzeugen. Beispielsweise sind die Metamaterial-Arrays 55 und 56 durch eine drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt und bilden so eine miteinander gegenseitig gekoppelte Struktur mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz, die für eine drehmomentabhängige Winkelverschiebung zwischen dem Metamaterial-Array 55 und dem Metamaterial-Array 56 empfindlich ist. Zusammen wandeln die Metamaterial-Arrays 55 und 56 ein elektromagnetisches Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal um, und zwar auf der Grundlage eines auf die Drehwelle ausgeübten Drehmoments, das die drehmomentabhängige Winkelverschiebung verursacht. Auf diese Weise kann das Drehmoment mit einem elektromagnetischen Sendesignal gemessen werden, dessen Frequenz innerhalb der Bandbreite der Zielarbeitsresonanzfrequenz der durch die Metamaterial-Arrays 55 und 56 gebildeten, gegenseitig miteinander gekoppelten Struktur liegt (d. h. innerhalb der Bandbreite der gemeinsamen Resonanzfrequenz).
  • Zwei Metamaterial-Arrays, die zur Messung einer Rotationsrichtung verwendet werden, können unterschiedliche Arbeitsresonanzfrequenzen haben, so dass sie gleichzeitig und parallel gemessen werden können. Mit anderen Worten, es werden zwei getrennte Messsignale erworben, eines von jedem der Metamaterial-Arrays. So werden beispielsweise zwei elektromagnetische Sendesignale übertragen - eines mit einer Frequenz innerhalb der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz eines Metamaterialarrays 43 und eines mit einer Frequenz innerhalb der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz eines Metamaterialarrays 44. Als Reaktion darauf erzeugt jedes Metamaterial-Array seine eigenen Messsignale (d. h. elektromagnetische Empfangssignale) als Reaktion auf den Empfang des elektromagnetischen Sendesignals innerhalb seiner Arbeitsresonanzfrequenz. Diese Messsignale der beiden Metamaterial-Arrays können dann ausgewertet werden, um ihre jeweiligen Nulldurchgänge und eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Messsignalen zur Bestimmung der Drehrichtung zu detektieren.
  • So können die Metamaterial-Arrays 43 und 44 mit unterschiedlichen Arbeitsresonanzfrequenzen konfiguriert werden, um verschiedene Rotationsparameter (z. B. Rotationsgeschwindigkeit oder absoluter Rotationswinkel) zu messen oder denselben Rotationsparameter, wie z. B. die Rotationsrichtung, zu messen. Zusätzliche Metamaterial-Arrays können der Trägerstruktur 40 hinzugefügt werden, um zusätzliche Rotationsparameter zu messen, wobei jedes zusätzliche Metamaterial-Array eine andere, sich nicht überschneidende Arbeitsresonanzfrequenz in Bezug auf die anderen Arbeitsresonanzfrequenzen hat.
  • Darüber hinaus ist die durch Metamaterial-Arrays 55a und 56a gebildete, gegenseitig gekoppelte Struktur mit einer gemeinsamen Arbeitsresonanzfrequenz ausgebildet, um das Drehmoment zu messen (z. B. eine erste Drehmomentmessung), die durch Metamaterial-Arrays 55b und 56b gebildete, gegenseitig miteinander gekoppelte Struktur ist mit einer gemeinsamen Arbeitsresonanzfrequenz ausgebildet, um das Drehmoment zu messen (z. B. eine zweite Drehmomentmessung), hat aber eine gemeinsame Arbeitsresonanzfrequenz, die sich von der gemeinsamen Arbeitsresonanzfrequenz der durch Metamaterial-Arrays 55a und 56a gebildeten, gegenseitig miteinander gekoppelten Struktur unterscheidet, so dass Messungen parallel durchgeführt werden können. Darüber hinaus werden die Metamaterial-Arrays 55c und 56c zur Messung zusätzlicher Messgrößen verwendet und weisen daher unterschiedliche Arbeitsresonanzfrequenzen voneinander und von den Metamaterial-Arrays 55a, 56a, 55b und 56b auf.
  • Das Auslesen erfolgt entweder mit mehreren Sendeempfängern (z. B. verschiedenen Radarchips), die jeweils in einer der Metamaterial-Bandbreiten arbeiten, oder mit einem Sendeempfänger, der eine Frequenzmodulation durchführt, um elektromagnetische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen zu übertragen, die auf verschiedene Arbeitsresonanzfrequenzen abzielen, um auf verschiedene Metamaterial-Arrays oder Messgrößen abzuzielen. Die gestufte Frequenzmodulation ist ebenfalls anwendbar.
  • 9A-9F zeigen Querschnittsansichten verschiedener möglicher Sendeempfänger- oder Sender/Empfänger-Implementierungen für verschiedene Anordnungen von Metamaterialarrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
  • 9A zeigt ein Rotationssensorsystem 900A gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900A umfasst eine Rotationswelle 42, eine Trägerstruktur 40 und drei Metamaterialarrays 43, 44 und 49, die als räumlich getrennte Metamaterialbahnen angeordnet sind. Das Rotationssensorsystem 900a umfasst auch einen Signal-Sendeempfänger 45, der elektromagnetische Sendesignale mit verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbereichen über Frequenzmultiplexing sendet und die entsprechenden elektromagnetischen Empfangssignale von einem Ziel-Metamaterial-Array 43, 44 oder 49 empfängt. Alternativ kann der Sendeempfänger 45 auch nur als Sender verwendet werden, und es ist ein Empfänger 45b bereitgestellt, der die entsprechenden elektromagnetischen Empfangssignale empfängt. Da jedes elektromagnetische Sendesignal teilweise gesendet und teilweise von seinem Ziel-Metamaterial-Array reflektiert wird, wodurch das elektromagnetische Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal umgewandelt wird, können der Sender und der Empfänger auf der gleichen Seite der Trägerstruktur 40 oder auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerstruktur angeordnet werden, wie oben beschrieben.
  • Das Metamaterial-Array 43 ist mit einer ersten Arbeitsresonanzfrequenz ausgebildet, das Metamaterial-Array 44 ist mit einer zweiten Arbeitsresonanzfrequenz ausgebildet und das Metamaterial-Array 49 ist mit einer dritten Arbeitsresonanzfrequenz ausgebildet. Das Metamaterial-Array 43 kann zur Messung einer absoluten Winkelposition der Drehwelle 42 verwendet werden, das Metamaterial-Array 44 kann zur Messung einer Rotationsrichtung der Drehwelle 42 verwendet werden, und das Metamaterial-Array 49 kann zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 42 oder zur Messung des Abstands zwischen der Trägerstruktur 40 und dem Sendeempfänger 45 verwendet werden, um andere Messsignale zu kompensieren, die z. B. auf Vibrationen zurückzuführen sind. Natürlich kann die Zielmessgröße für jedes Metamaterial-Array ein beliebiger Parameter sein, der in beliebiger Kombination oder Reihenfolge ausgebildet werden kann.
  • Das Metamaterial-Array 43 ist so ausgebildet, dass es ein erstes elektromagnetisches Sendesignal mit einer Frequenz in der Bandbreite seiner Arbeitsresonanzfrequenz in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, das der Empfänger (z. B. DSP 606) zur Messung eines ersten Rotationsparameters verwendet. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Arbeitsresonanzfrequenzen reagieren die Metamaterial-Arrays 44 und 49 schwach oder gar nicht auf das erste elektromagnetische Sendesignal, so dass alle von ihnen als Reaktion auf das erste elektromagnetische Sendesignal erzeugten Signale vom Empfänger (z. B. DSP 606) herausgefiltert oder ignoriert werden.
  • Das Metamaterial-Array 44 ist so ausgebildet, dass es ein zweites elektromagnetisches Sendesignal mit einer Frequenz in der Bandbreite seiner Arbeitsresonanzfrequenz in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, das der Empfänger (z. B. DSP 606) zur Messung eines zweiten Rotationsparameters verwendet. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Arbeitsresonanzfrequenzen reagieren die Metamaterial-Arrays 43 und 49 schwach oder gar nicht auf das zweite elektromagnetische Sendesignal, so dass alle von ihnen als Reaktion auf das zweite elektromagnetische Sendesignal hin erzeugten Signale vom Empfänger (z. B. DSP 606) herausgefiltert oder ignoriert werden.
  • Das Metamaterial-Array 49 ist so ausgebildet, dass es ein drittes elektromagnetisches Sendesignal mit einer Frequenz in der Bandbreite seiner Arbeitsresonanzfrequenz in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, das der Empfänger (z. B. DSP 606) zur Messung eines dritten Rotationsparameters verwendet. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Arbeitsresonanzfrequenzen reagieren die Metamaterial-Arrays 43 und 44 schwach oder gar nicht auf das dritte elektromagnetische Sendesignal, so dass alle von ihnen als Reaktion auf das dritte elektromagnetische Sendesignal erzeugten Signale vom Empfänger (z. B. DSP 606) herausgefiltert oder ignoriert werden.
  • Infolgedessen kann der Sendeempfänger 45 Frequenzmultiplexing durchführen, um elektromagnetische Signale an den drei Metamaterial-Array 43, 44, 49 zu übertragen, wobei alle drei Metamaterial-Arrays jedes der elektromagnetischen Signale empfangen, aber nur eines der Metamaterial-Arrays so ausgebildet ist, dass sie aufgrund einer Überlappung der Frequenz des elektromagnetischen Signals mit der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des betreffenden Metamaterial-Arrays stark auf ein elektromagnetisches Signal reagiert. Hier werden verschiedene Messgrößen nacheinander vom Sendeempfänger 45 auf der Grundlage des Frequenzmultiplexschemas gemessen.
  • In einigen Fällen können die drei Metamaterial-Arrays 43, 44, 49 ein elektromagnetisches Signal empfangen und daraus ihre eigenen jeweiligen elektromagnetischen Empfangssignale erzeugen. Das elektromagnetische Signal kann beispielsweise ein Frequenzrampensignal sein, das kontinuierlich (z. B. als FMCW-Signal) über einen Frequenzbereich erzeugt wird. Die Metamaterial-Arrays 43, 44, 49 reagieren stark auf das Frequenz-Rampensignal, wenn die Frequenz des Rampensignals innerhalb der Bandbreite ihrer Arbeitsresonanzfrequenz liegt, wodurch ein starkes elektromagnetisches Empfangssignal erzeugt wird, das vom Empfänger detektiert und gemessen werden kann. Der Empfänger kann z. B. die schwächeren Signale herausfiltern, die einen Schwellenwert nicht überschreiten.
  • 9B zeigt ein Rotationssensorsystem 900B gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900B ähnelt dem Rotationssensorsystem 900A, mit der Ausnahme, dass die drei Metamaterial-Arrays 43, 44 und 49 ineinander verschachtelt sind und innerhalb einer einzigen Metamaterialbahn 90, die um die Rotationswelle 42 auf der Trägerstruktur 40 angeordnet ist, miteinander vermischt sind. Das Rotationssensorsystem 900B arbeitet mit einem ähnlichen Frequenzmultiplexing-Schema, wie es oben in Bezug auf das Rotationssensorsystem 900A beschrieben wurde.
  • 9C zeigt ein Rotationssensorsystem 900C gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900C ähnelt dem Rotationssensorsystem 900A mit der Ausnahme, dass mehrere Sendeempfänger 45-1, 45-2 und 45-3 verwendet werden oder mehrere Sender-Empfänger-Paare verwendet werden, wobei die Empfänger 45b-1, 45b-2 und 45b-3 auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur 40 zu ihren Sender-Gegenstücken angeordnet sind.
  • Der Sendeempfänger 45-1 ist so ausgebildet, dass er das Metamaterial-Array 44 mit elektromagnetischen Sendesignalen anvisiert. Der Sendeempfänger 45-1 ist so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterialarrays 44 sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten.
  • Der Sendeempfänger 45-2 ist so ausgebildet, dass er das Metamaterial-Array 43 mit elektromagnetischen Sendesignalen anvisiert. Der Sendeempfänger 45-2 ist so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterialarrays 43 sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten.
  • Der Sendeempfänger 45-3 ist so ausgebildet, dass er das Metamaterial-Array 49 mit elektromagnetischen Sendesignalen anvisiert. Der Sendeempfänger 45-3 ist so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterialarrays 49 sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten.
  • Die Empfänger sind empfindlich für oder abgestimmt auf Frequenzen, die in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz ihres Ziel-Metamaterial-Arrays liegen.
  • Diese Konfiguration ermöglicht die gleichzeitige, parallele Durchführung von Messungen. Darüber hinaus wird das Übersprechen zwischen gesendeten und empfangenen Signalen dadurch verringert, dass die von den Sendeempfängern gesendeten elektromagnetischen Sendesignale unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbereiche haben und dass die Metamaterial-Arrays oder gegenseitig gekoppelten Strukturen unterschiedliche, sich nicht überschneidende oder im Wesentlichen nicht überschneidende Arbeitsresonanzfrequenzen haben.
  • 9D zeigt ein Rotationssensorsystem 900D gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900D ähnelt dem Rotationssensorsystem 900C, mit der Ausnahme, dass die drei Metamaterial-Arrays 43, 44 und 49 ineinander verschachtelt sind und innerhalb einer einzigen Metamaterialbahn 90, die um die Rotationswelle 42 auf der Trägerstruktur 40 angeordnet ist, miteinander vermischt sind. Das Rotationssensorsystem 900D arbeitet mit einem ähnlichen Frequenzmultiplexing-Schema, wie es oben in Bezug auf das Rotationssensorsystem 900C beschrieben wurde.
  • 9E zeigt ein Rotationssensorsystem 900E gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900E hat zwei Trägerstrukturen 51 und 52, um das auf die Rotationswelle 54 wirkende Drehmoment zu messen. Die Metamaterial-Arrays 55a, 55b, 55c und 56c sind auf der Trägerstruktur 51 angeordnet und räumlich in verschiedene Metamaterialbahnen aufgeteilt. Jedes der Metamaterial-Arrays 55a, 55b, 55c und 56c hat unterschiedliche, sich nicht überschneidende oder im Wesentlichen nicht überschneidende Arbeitsresonanzfrequenzen. Die Metamaterial-Arrays 56a und 56b sind auf der Trägerstruktur 52 angeordnet und räumlich in verschiedene Metamaterialbahnen aufgeteilt. Das Metamaterial-Array 56c könnte auch auf der Trägerstruktur 52 statt auf der Trägerstruktur 51 angeordnet sein. Jedes der Metamaterial-Arrays 56a, 56b und 56c hat unterschiedliche, sich nicht überschneidende oder im Wesentlichen nicht überschneidende Arbeitsresonanzfrequenzen. Das Metamaterial-Array 56a hat jedoch eine gemeinsame Arbeitsresonanzfrequenz mit dem Metamaterial-Array 55a und das Metamaterial-Array 56b hat eine gemeinsame Arbeitsresonanzfrequenz mit dem Metamaterial-Array 55b. Auf diese Weise bilden die Metamaterial-Arrays 55a und 56a eine gegenseitig gekoppelte Struktur und die Metamaterial-Arrays 55b und 56b eine weitere gegenseitig gekoppelte Struktur, und beide gegenseitig gekoppelten Strukturen können zur Messung des Drehmoments verwendet werden.
  • Der Sendeempfänger 45-1 ist so ausgebildet, dass er die Metamaterial-Arrays 55a und 56a und die Metamaterial-Arrays 55b und 56b gegenseitig koppelt, indem er Frequenzmultiplexing verwendet, um elektromagnetische Sendesignale mit unterschiedlichen Frequenzen seriell zu übertragen, um auf eines der beiden gegenseitig gekoppelten Paare abzuzielen. Insbesondere ist der Sendeempfänger 45-1 so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenzen der Metamaterialarrays 55a und 56a sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten. Zusätzlich ist der Sendeempfänger 45-1 so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenzen der Metamaterialarrays 55b und 56b sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten.
  • Der Sendeempfänger 45-2 ist so ausgebildet, dass er das Metamaterial-Array 55c mit elektromagnetischen Sendesignalen anvisiert. Der Sendeempfänger 45-2 ist so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterialarrays 55c sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten. Diese Messung kann parallel zu einer Messung durchgeführt werden, die auf gegenseitig gekoppelte Metamaterial-Arrays 55a und 56a oder auf gegenseitig gekoppelte Metamaterial-Arrays 55b und 56b abzielt.
  • Der Sendeempfänger 45-3 ist so ausgebildet, dass er das Metamaterial-Array 55c mit elektromagnetischen Sendesignalen anvisiert. Der Sendeempfänger 45-3 ist so ausgebildet, dass er elektromagnetische Sendesignale mit einer Frequenz in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterialarrays 55c sendet, um elektromagnetische Empfangssignale daraus zu messen und zu verarbeiten. Diese Messung kann parallel zu einer Messung durchgeführt werden, die auf gegenseitig gekoppelte Metamaterial-Arrays 55a und 56a oder auf gegenseitig gekoppelte Metamaterial-Arrays 55b und 56b abzielt.
  • Die Empfänger sind empfindlich für oder abgestimmt auf Frequenzen, die in der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz ihres oder ihrer Ziel-Metamaterial-Arrays, liegen.
  • 9F zeigt ein Rotationssensorsystem 900F gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Rotationssensorsystem 900F ähnelt dem Rotationssensorsystem 900E, mit der Ausnahme, dass die Metamaterialarrays 55a und 55b ineinander verschachtelt sind und innerhalb einer einzigen Metamaterialbahn 91, die um die Rotationswelle 54 auf der Trägerstruktur 51 angeordnet ist, miteinander vermischt sind, Metamaterialarrays 56a und 56b ineinander verschachtelt sind und innerhalb einer einzigen Metamaterialbahn 92, die um die Rotationswelle 54 auf der Trägerstruktur 52 angeordnet ist, miteinander vermischt sind, und Metamaterialarrays 55c und 56c ineinander verschachtelt sind und innerhalb einer einzigen Metamaterialbahn 93, die um die Rotationswelle 54 auf der Trägerstruktur 51 angeordnet ist, miteinander vermischt sind.
  • Zusätzlich sind ein oder mehrere Sendeempfänger bereitgestellt. Hier ist ein einziger Sendeempfänger 45 bereitgestellt, der Frequenzmultiplexing durchführt, um elektromagnetische Sendesignale bei verschiedenen Frequenzen zu erzeugen, um auf verschiedene Arbeitsresonanz-Frequenzbandbreiten abzuzielen. Auf diese Weise können verschiedene Metamaterial-Arrays oder verschiedene gegenseitig gekoppelte Metamaterial-Arrays für die Messung ohne Übersprechen als Ziel ausgewählt werden.
  • In einigen Fällen können Metamaterial-Arrays ein elektromagnetisches Signal empfangen und daraus ihre eigenen jeweiligen elektromagnetischen Empfangssignale erzeugen. Das elektromagnetische Signal kann beispielsweise ein Frequenzrampensignal sein, das kontinuierlich (z. B. als FMCW-Signal) über einen Frequenzbereich erzeugt wird. Die Metamaterial-Arrays reagieren stark auf das Frequenz-Rampensignal, wenn die Frequenz des Rampensignals innerhalb der Bandbreite ihrer Arbeitsresonanzfrequenz liegt, wodurch ein starkes elektromagnetisches Empfangssignal erzeugt wird, das vom Empfänger detektiert und gemessen werden kann. Der Empfänger kann z. B. die schwächeren Signale herausfiltern, die einen Schwellenwert nicht überschreiten.
  • Ähnliche Prinzipien wie oben beschrieben gelten auch für ein lineares Positionssensorsystem. 10A und 10B zeigen insbesondere jeweils eine Querschnitt-Ansicht und eine Draufsicht eines linearen Positionssensorsystems 1000 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. In diesem Fall ist ein linear bewegbares Zielobjekt 70 so ausgebildet, dass es sich in einer linearen Bewegungsrichtung auf einer linearen Achse 71 linear bewegt. Drei mm-Wellen-Metamaterial-Arrays 73-75 sind in räumlich getrennten Bahnen angeordnet, die an das linear bewegbare Zielobjekt 70 gekoppelt sind, so dass sich die mm-Wellen-Metamaterial-Bahnen 73-75 jeweils in Längsrichtung entlang der linearen Bewegungsrichtung erstrecken. Alternativ können die Metamaterial-Arrays 73-75 in einer einzigen Metamaterialbahn ineinander verschachtelt sein. In beiden Fällen hat jedes der Metamaterial-Arrays 73-75 unterschiedliche, sich nicht überschneidende oder im Wesentlichen nicht überschneidende Arbeitsresonanzfrequenzen.
  • Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 73 besteht aus einem ersten Array von Elementarstrukturen mit mindestens einer ersten Eigenschaft, die sich entlang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in den vorangegangenen Beispielen im Zusammenhang mit der Rotationspositionserfassung ändert. Die Elementarstrukturen des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays 73 können beispielsweise ein periodisches L/N-Muster aufweisen, bei dem sich die charakteristische Änderung N-mal über die Länge L des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays wiederholt. N kann eine ganze Zahl gleich oder größer als eins sein. Die Länge L des mm-Wellen-Metamaterialarrays 73 kann auch der Länge des linear bewegbaren Zielobjekts 70 oder einem Bereich der linearen Bewegung entsprechen, die das linear bewegbare Zielobjekt 70 durchläuft. Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 73 erzeugt ein Empfangssignal A (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl darauf an dem beleuchteten Segment 73i des Arrays trifft und hat eine Frequenz innerhalb der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterial-Arrays 73. Das Metamaterial-Array 73 kann zur Messung einer linearen Geschwindigkeit, einer Bewegungsrichtung oder einer absoluten linearen Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 verwendet werden.
  • Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 74 besteht aus einem zweiten Array von Elementarstrukturen mit mindestens einer zweiten Eigenschaft, die sich entlang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in den vorangegangenen Beispielen im Zusammenhang mit der Rotationspositionserfassung ändert. Die Elementarstrukturen des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays 74 können beispielsweise ein periodisches L/N-Muster aufweisen, bei dem sich die charakteristische Änderung N-mal über die Länge L des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays wiederholt. N kann eine ganze Zahl gleich oder größer als eins sein. Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 74 erzeugt ein Empfangssignal B (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl darauf an dem beleuchteten Segment 74i des Arrays trifft und hat eine Frequenz innerhalb der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterial-Arrays 74. Die periodische Struktur des mm-Wellen-Metamaterialarrays 74 kann in der linearen Bewegungsrichtung relativ zur periodischen Struktur des mm-Wellen-Metamaterialarrays 73 linear verschoben sein, so dass das Empfangssignal B gegenüber dem Empfangssignal A um 90° verschoben ist. Das Metamaterialarray 74 kann zur Messung einer anderen Messgröße als das Metamaterialarray 73 verwendet werden, einschließlich einer linearen Geschwindigkeit oder einer absoluten linearen Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70, oder es kann in Verbindung mit dem Metamaterialarray 73 zur Messung einer bestimmten Messgröße verwendet werden, einschließlich einer Bewegungsrichtung des linear bewegbaren Zielobjekts 70.
  • Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 75 besteht aus einem dritten Array von Elementarstrukturen mit mindestens einer dritten Eigenschaft, die sich entlang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays in den vorangegangenen Beispielen im Zusammenhang mit der Rotationspositionserfassung ändert. Die Elementarstrukturen des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays 75 können beispielsweise ein einziges periodisches Muster aufweisen, das sich über die Länge L des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays erstreckt, so dass das Reflektivitäts- und/oder Transmissionsvermögen des Arrays für jede diskrete lineare Position einzigartig ist. Somit ist die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen einzigartig für eine lineare Position des mm-Wellen-Metamaterialarrays auf dem linear bewegbaren Zielobjekt 70.
  • Das mm-Wellen-Metamaterial-Array 75 erzeugt ein Empfangssignal R (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl darauf an dem beleuchteten Segment 75i des Arrays trifft und hat eine Frequenz innerhalb der Bandbreite der Arbeitsresonanzfrequenz des Metamaterial-Arrays 75. Da nur eine Signalperiode der charakteristischen Änderung auf dem Array 75 kodiert wird, ist die Phasenverschiebung und/oder Amplitudenverschiebung des Empfangssignals R eindeutig auf die absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 zurückzuführen.
  • Alternativ kann das dritte Array von Elementarstrukturen des Metamaterial-Arrays 75 eine Konfiguration haben, die sich entlang der Länge des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays nicht ändert, ähnlich wie das in 2A gezeigte Array, und kann verwendet werden, um einen Abstand zwischen dem Array und dem Sendeempfänger zu messen, um die anderen Messsignale im Hinblick auf Vibration zu kompensieren.
  • Das lineare Positionssensorsystem 1000 umfasst außerdem mindestens eine Kombination aus einem Sendeempfänger, einem Sender und/oder einem Empfänger. Zum Beispiel kann das lineare Positionssensorsystem 1000 einen Sendeempfänger 45 mit einer Senderantenne 601 umfassen, die so ausgebildet ist, dass sie mm-Wellen (d. h. elektromagnetische Sendesignale) mit unterschiedlichen Frequenzen an den Metamaterial-Arrays 73-75 sendet. Der Sendeempfänger 45 umfasst auch eine Empfängerantenne 602, die so ausgebildet ist, dass sie teilweise reflektierte mm-Wellen (d.h. elektromagnetische Empfangssignale A, B und R) von den Metamaterial-Arrays 73-75 empfängt.
  • Alternativ kann das lineare Positionssensorsystem 1000 einen Empfänger 45b umfassen, der eine Empfängerantenne 608 umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie teilweise gesendete mm-Wellen (d. h. elektromagnetische Empfangssignale A, B und R) als Ergebnis der gesendeten mm-Wellen empfängt, die mit den Metamaterial-Arrays 73-75 interagieren (d. h. teilweise von ihnen absorbiert und durch sie hindurch übertragen werden). Zusätzliche Sendeempfänger, Sender und/oder Empfänger können zum Senden an und Empfangen von Ziel-Metamaterial-Arrays 73-75 in ähnlicher Weise verwendet werden, wie oben unter Bezugnahme auf 9A-9F beschrieben, und serielle und/oder parallele Messungen sind abhängig von der verwendeten Sendeempfänger/Sender/Empfänger-Konfiguration möglich.
  • Die Empfängerschaltungsanordnung (z.B. DSP 606) entweder am Sendeempfänger 45 oder am Empfänger 45b ist so ausgebildet, dass sie die elektromagnetischen Empfangssignale A, B und R empfängt und eine lineare Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 auf der Grundlage der empfangenen elektromagnetischen Signale A, B und/oder R bestimmt.
  • Beispielsweise kann das mm-Wellen-Metamaterial-Array 73 so ausgebildet sein, dass es ein elektromagnetisches Sendesignal modifiziert, wodurch das elektromagnetische Empfangssignal A erzeugt wird, das eine Eigenschaft aufweist, die für die lineare Position des mm-Wellen-Metamaterial-Arrays, an der das elektromagnetische Sendesignal einfällt, einzigartig ist, und mindestens ein Prozessor ist so ausgebildet, dass er die Eigenschaft des empfangenen elektromagnetischen Empfangssignals A auswertet und die lineare Geschwindigkeit des linear bewegbaren Zielobjekts auf der Grundlage der ausgewerteten Eigenschaft bestimmt. Der mindestens eine Prozessor ist ferner so ausgebildet, dass er das elektromagnetische Empfangssignal B empfängt und eine lineare Bewegungsrichtung des linear bewegbaren Zielobjekts 70 auf der Grundlage der empfangenen elektromagnetischen Signale A und B und insbesondere auf der Grundlage der positiven oder negativen Phasenverschiebung derselben bestimmt. Der mindestens eine Prozessor ist ferner so ausgebildet, dass er das elektromagnetische Empfangssignal R empfängt und eine absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 auf der Grundlage des empfangenen elektromagnetischen Signals R gemäß einer eindeutigen Phasenverschiebung und/oder Amplitudenverschiebung bestimmt, die der linearen Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 entspricht.
  • In einigen Fällen können Metamaterial-Arrays 73-75 ein elektromagnetisches Signal empfangen und daraus ihre eigenen jeweiligen elektromagnetischen Empfangssignale erzeugen. Das elektromagnetische Signal kann beispielsweise ein Frequenzrampensignal sein, das kontinuierlich (z. B. als FMCW-Signal) über einen Frequenzbereich erzeugt wird. Die Metamaterial-Arrays reagieren stark auf das Frequenz-Rampensignal, wenn die Frequenz des Rampensignals innerhalb der Bandbreite ihrer Arbeitsresonanzfrequenz liegt, wodurch ein starkes elektromagnetisches Empfangssignal erzeugt wird, das vom Empfänger detektiert und gemessen werden kann. Der Empfänger kann z. B. die schwächeren Signale herausfiltern, die einen Schwellenwert nicht überschreiten.
  • Darüber hinaus sind Drehmomentsensoren für Antriebsstrangkomponenten sehr gefragt, da sie eine Überwachung der tatsächlichen Kraftübertragung ermöglichen und damit neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung und Verbesserung der Sicherheit eröffnen. Auf Metamaterialien basierende mm-Wellen-Drehmomentsensoren haben das Potenzial, die Anforderungen in Antriebssträngen zu erfüllen, wie z. B. begrenzter Platz, telemetrische Auslesung und Robustheit in rauer Umgebung (z. B. Abrieb, Staub, Öl, Dämpfe, elektromagnetische Störungen). Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele bieten ein robustes, stromsparendes und kostengünstiges System zur statischen oder dynamischen Drehmomentmessung auf der Basis von Metamaterial im Millimeterwellenbereich unter Verwendung eines Quadratur-Dauerstrich-(QCW-) Millimeterwellen-Sendeempfängers (z. B. Radar). Es ist über einen breiten Bereich von Arbeitsfrequenzen skalierbar, von einigen GHz bis zu mehreren hundert GHz. Der QCW-basierte Sensor kann auch auf andere Rotations- und Linearbewegungssensoren angewandt werden, um verschiedene Rotationsparameter oder lineare Bewegungsparameter zu messen, die robust gegenüber Vibrationen und anderen Störungen sind, die zu Abstandsschwankungen zwischen dem Sendeempfänger und dem Zielobjekt führen können, die berücksichtigt werden müssen, um genaue Messungen zu erhalten.
  • 11 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines QWC-Radar-Sendeempfängers 1100 gemäß einem oder mehrerer Ausführungsbeispielen. Der QWC-Radar-Sendeempfänger 1100 ist ein Typ von Sendeempfänger, der als Sendeempfänger 45 in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden kann. Die Vorteile des Einsatzes eines QWC-Radar-Sendeempfängers werden im Folgenden beschrieben.
  • Der QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 ist ein Sendeempfänger mit direkter Abwärtswandlung, bei dem das empfangene Signal in phasengleiche und Quadratur- (IQ) demodulierte Signale aufgeteilt wird. Die direkte Abwärtswandlung ermöglicht Messungen von Phasen- oder Amplitudenverschiebungen, die durch ein Zielobjekt (z. B. ein oder mehrere mm-Wellen-Metamaterial-Arrays) verursacht werden, mit einfachen und kostengünstigen Radarkomponenten. Außerdem kann ein QCW-Radar-Sendeempfänger das so genannte „Nullpunkt“-Problem lösen. Ein Nullpunktproblem tritt auf, wenn der absolute Abstand zum Zielobjekt eine Phasenverschiebung verursacht, die einem ungeraden Vielfachen von π/2 entspricht. Der Nullpunkt tritt auf, wenn der Abstand zwischen Antenne und Metamaterial nahe bei einem ungeraden Mehrfachen der halben Wellenlänge der mm-Wellen liegt. Dieses Problem wird durch die hier beschriebene I/Q-Demodulation des empfangenen Signals vollständig vermieden.
  • Ähnlich wie oben in Bezug auf den Sendeempfänger 45 beschrieben, wird der QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 verwendet, um die Änderung der Reflexion oder Transmission (Übertragung) des empfangenen Signals relativ zum gesendeten Signal (z.B. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) zu messen, die durch einen Rotationsparameter einer Rotationswelle (z.B. Welle 42 oder 54) verursacht wird. Der Rotationsparameter kann ein Rotationswinkel, eine Rotationsgeschwindigkeit, eine Rotationsrichtung oder ein Rotations-Drehmoment sein. Im Prinzip kann der gesamte QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 als Hüllkurvendetektor oder Amplitudenmodulationsdetektor (AM) fungieren, wobei die Modulation aus der Wechselwirkung des Sendesignals mit dem Metamaterial stammt. Der QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 umfasst beispielsweise eine Senderantenne 601, die so ausgebildet ist, dass sie eine kontinuierliche Welle (Dauerstrich; continuous wave) in Richtung mindestens einer Metamaterialbahn sendet, und die mindestens eine Metamaterialbahn ist so ausgebildet, dass sie das Dauerstrichsignal in ein Empfangssignal umwandelt, basierend auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle. Der QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 umfasst außerdem eine Empfängerantenne 602, die zum Empfang des Empfangssignals ausgebildet ist. Durch I/Q-Demodulation ist der QCW-Radar-Sendeempfänger 1100 so ausgebildet, dass er eine Messung sowohl der Phase als auch der Amplitude des Empfangssignals erfasst und einen Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der Messung bestimmt (z. B. auf der Grundlage der Phasenverschiebung oder der Amplitudenverschiebung relativ zum gesendeten Dauerstrich).
  • Das RF-Frontend des QCW-Radar-Sendeempfängers 1100 umfasst einen Lokaloszillator 1101 (LO), der ein RF-Oszillatorsignal SLO erzeugt. Das Signal des RF-Oszillators SLO wird auch als LO-Signal bezeichnet. Bei Radaranwendungen ist das LO-Signal in der Regel in dem Superhochfrequenz- (SHF-) oder Extremhochfrequenz- (EHF-) Band, z. B. in dem Bereich von 76 GHz bis 81 GHz. Eine ganze Reihe von Radarsystemen arbeitet auch im 24-GHz-ISM-Band (Industrie-, Wissenschafts- und Medizinband). Das LO-Signal SLO wird sowohl in dem Sendesignalpfad (in dem TX-Kanal) als auch in dem Empfangssignalpfad (in dem RX-Kanal) verarbeitet.
  • Das von der TX-Antenne 601 gesendete Sendesignal SRF wird durch Verstärkung des LO-Signals SLO erzeugt, z. B. mit Hilfe des RF-Leistungsverstärkers, und ist daher lediglich eine verstärkte und möglicherweise phasenverschobene Version des LO-Signals SLO. Der Ausgang des Verstärkers kann mit der TX-Antenne 601 gekoppelt werden (im Falle einer bistatischen/pseudomonostatischen Radarkonfiguration). Das von der RX-Antenne 602 empfangene Empfangssignal YRF wird der Empfängerschaltung im RX-Kanal und damit den RF-Ports eines IQ-Mischers zugeführt, der zwei Mischer 1106 und 1107 umfasst. Im vorliegenden Beispiel wird das RF-Empfangssignal YRF (Antennensignal) mit Hilfe des Verstärkers 1103 vorverstärkt (Verstärkung g (gain)). Die Mischer 1106 und 1107 empfangen also das verstärkte RF-Empfangssignal g·YRF. Der Verstärker 1103 kann z. B. ein rauscharmer Verstärker (LNA) sein.
  • Die Mischer 1106 und 1107 empfangen das verstärkte RF-Empfangssignal g·YRF von einem Leistungsteiler 1104, der so ausgebildet ist, dass er das verstärkte RF-Empfangssignal g·YRF in zwei gleichwertige Signale YRF1 und YRF2 mit gleicher Leistung aufteilt. In diesem Beispiel kann der Leistungsteiler 1104 ein Null-Grad-Leistungsteiler sein. Die beiden Signale YRF1 und YRF2 sind repräsentativ für g·YRF, jedoch mit geteilter Leistung.
  • Der Referenzport jedes Mischers 1106 und 1107 wird über zwei Leistungsteiler 1102 und 1105 mit dem LO-Signal SLO versorgt, so dass die Mischer 1106 und 1107 ihre jeweiligen RF-Empfangssignale YRF1 und YRF2 auf das Basisband herunterwandeln. Der Leistungsteiler 1102 kann ein Null-Grad-Leistungsteiler sein, der das LO-Signal SLO in zwei äquivalente Signale aufteilt: ein LO-Signal SLO1 zur Erzeugung des Sendesignals SRF (SLO1) und das andere LO-Signal SLO2, das für die IQ-Demodulation am Empfängerkanal verwendet wird. Die beiden Signale SLO1 und SLO2 sind repräsentativ für SLO, jedoch mit geteilter Leistung. Der Leistungsteiler 1105 kann ein 90-Grad-Leistungsteiler sein, der das LO-Signal SLO in zwei äquivalente Signale, SLO2' und SLO2", aufteilt, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Beispielsweise kann der Leistungsteiler 1105 SLO2' erzeugen, das vom Mischer 1106 zur Demodulation des Signals YRF1 in ein Basisbandsignal SBBI (d. h. ein phasengleich demoduliertes Signal oder einfach ein I-Signal) verwendet wird, und der Leistungsteiler 1105 kann SLO2'' erzeugen, das vom Mischer 1107 zur Demodulation des Signals YRF2 in ein Basisbandsignal SBBQ (d. h. ein quadraturdemoduliertes Signal oder einfach ein Q-Signal) verwendet wird. Die Umwandlung im Basisband kann in einer Stufe (d. h. von dem RF-Band direkt zum Basisband) oder über eine oder mehrere Zwischenstufen (d. h. von dem HF-Band zu einem Zwischenfrequenzband und weiter zum Basisband) stattfinden. Entsprechend enthält die Mischstufe einen IQ-Mischer, der zwei Basisbandsignale (In-Phasen- und Quadratur-Signale) erzeugt, die als Realteil und Imaginärteil eines komplexen Basisbandsignals interpretiert werden können.
  • Die beiden Basisbandsignale SBBI und SBBQ können durch die jeweiligen Tiefpassfilter (LPF) 1108 und 1109 geleitet werden, um unerwünschte Signalkomponenten, wie z. B. unerwünschte Seitenbänder und Bildfrequenzen, daraus zu entfernen, so dass das In-Phasen-Signal I ein Gleichstromwert des Basisbandsignals SBBI und das Quadratursignal Q ein Gleichstromwert des Basisbandsignals SBBQ ist. Das In-Phasen-Signal I und das Quadratursignal Q werden dann an den DSP 606 weitergeleitet, der beide Signale verwendet, um eine Messung an einem Rotationsparameter der Welle durchzuführen. Zum Beispiel kann der DSP 606 die Phase oder die Amplitude oder beides des empfangenen RF-Signals YRF über digitale Abtastwerte der von ADC 605 erfassten I- und Q-Signale berechnen.
  • Die Möglichkeit, den Abstand zwischen dem Sendeempfänger 1100 und dem Metamaterial mit hoher Präzision einzustellen, würde es ermöglichen, die empfangenen Basisbandsignale an einem optimalen Arbeitspunkt zu halten. Der optimale Arbeitspunkt bedeutet, dass eine kleine Änderung des Arguments des Kosinus eine große Änderung der gesamten Kosinusfunktion bewirkt. Wenn es jedoch nicht möglich ist, den Abstand zwischen Sendeempfänger und Metamaterial mit hoher Präzision einzustellen, kann man nicht sicherstellen, dass man im optimalen Arbeitspunkt arbeitet. Dies wird durch die Implementierung der I/Q-Demodulation und die Verwendung sowohl des I-als auch des Q-demodulierten Signals für die Messung vermieden. Um den Phasenwinkel zu erhalten, der die durch das Metamaterial verursachte Phasenmodulation enthält, besteht eine mögliche I/Q-Demodulationsmethode darin, eine Arctan-Demodulation durchzuführen. Der Phasenwinkel ϕ kann mit Hilfe der Arcustangens-Funktion (auch arctan, atan oder tan-1 genannt) gemäß Gleichung 1 ermittelt werden: ϕ = tan − 1 I Q = θ M M + 4 π d λ
    Figure DE102022129124A1_0001
    wobei θMM die durch das Metamaterial verursachte Phasenmodulation und d der Abstand zwischen dem Sendeempfänger 1100 und der anvisierten Metamaterialbahn ist. Mit anderen Worten: θMM ist die Phasenverschiebung des Empfangssignals YRF gegenüber dem Sendesignal SRF nach der Wechselwirkung des Sendesignals SRF mit dem Metamaterial. Der Term 4πd/λ ist die Phasenverschiebung aufgrund der Weglänge d zwischen dem Sendeempfänger 1100 und der Empfängerantenne 602 (einschließlich des entlang des Weges angeordneten Metamaterials).
  • Die absolute Amplitude A, die die durch das Metamaterial verursachte Amplitudenmodulation enthält, wird gemäß Gleichung 2 berechnet: A = I 2 + Q 2
    Figure DE102022129124A1_0002
  • Um die Gleichungen 1 und 2 anwenden zu können, müssen sowohl das I- als auch das Q-Signal zunächst normiert werden. Es ist natürlich möglich, sowohl die absolute Amplitude als auch den Phasenwinkel auszuwerten, um das vollständige komplexe Basisbandsignal zu erhalten. Dies liefert Informationen aus der Metamaterialmodulation sowohl der Amplituden- als auch der Phasenmodulation des empfangenen Signals. Es ist möglich, diese Informationen zu nutzen, um den Sensor auf Kosten einer zusätzlichen Signalverarbeitung robuster zu machen.
  • Erschütterungen oder Vibrationen führen zu kleinen Änderungen oder Schwankungen des Abstands zwischen dem Sendeempfänger 1100 und der/den Ziel-Metamaterialbahn(en). An den Signalen I und Q können eine DC-Versatzkompensation und eine Kompensation der I/Q-Amplitudenfehlanpassung vorgenommen werden, bevor sie dem ADC 605 zugeführt werden. Die Basisbandsignale in einem QCW-Radar nach der DC-Versatz-Kompensation können gemäß den Gleichungen 3 und 4 beschrieben werden: I = A M M , I   c o s ( θ M M + 4 π d λ )
    Figure DE102022129124A1_0003
     Q = A M M , Q   s i n ( θ M M + 4 π d λ )
    Figure DE102022129124A1_0004
    wobei AMM,I die Amplitude des In-Phasen-Signals I und AMM,Q die Amplitude des Quadratursignals Q ist. Wie zu erkennen ist, besteht eine Abhängigkeit von der Entfernung d. Die Modulation, die durch kleine Abstandsänderungen d (zwischen Sendeempfänger/Radar und Metamaterial) verursacht wird, überlagert sich immer mit der Modulation, die durch das Metamaterial verursacht wird. Daher sollten kleine Entfernungsschwankungen ausgeglichen werden. Diese Kompensation, die vom DSP 606 durchgeführt wird, kann durch eine Referenzmessung oder eine Doppelmessung erfolgen. Für die Implementierung der Doppelmessung gibt es mindestens zwei Möglichkeiten. Für sie ist das Frequenzmultiplexverfahren geeignet: (a) Zweiton- oder Dualton-QCW-Radar und (b) ein zweites QCW-Radar zusammen mit einem zweiten Metamaterial-Array oder einer Referenzbahn.
  • Für eine Referenzmessung ist der Sendeempfänger 1100 so ausgebildet, dass er ein erstes Sendesignal SRF mit einer eingestellten Frequenz sendet, während die Ziel-Metamaterialbahn(en) einen bekannten Rotationsparameter (z. B. eine bekannte Geschwindigkeit, Richtung, einen bekannten Winkel oder ein bekanntes Drehmoment) hat/haben, und den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung gemäß Gleichungen 1 und 2 als Referenzwerte aufzeichnet. So kann sich das Metamaterial beispielsweise in einer Nullposition als Referenzposition befinden (z. B. Drehzahl Null, Winkel Null, Drehmoment Null). Bei der Durchführung einer Messung des Rotationsparameters ist der Sendeempfänger 1100 so ausgebildet, dass er ein zweites Sendesignal SRF mit der gleichen Frequenz wie das erste Sendesignal sendet, das I- und Q-Signal erhält und unter Verwendung des DSP 606 den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung erhält, eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem entsprechenden Referenzwert (d.h. die Differenz zwischen dem gemessenen Phasenwert und dem Referenzphasenwert oder die Differenz zwischen der gemessenen absoluten Amplitude und dem absoluten Referenzamplitudenwert) berechnet und einen Messwert des Rotationsparameters auf der Grundlage der gemessenen Differenz bestimmt. Der DSP 606 bestimmt den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der Messung relativ zur Referenzmessung.
  • Beispielsweise ist die Metamaterialbahn 43 so ausgebildet, dass sie ein Empfangssignal erzeugt, indem sie eine Wellenmodulationseigenschaft eines Dauerstrichsignals auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des zu messenden Rotationsparameters ändert. Die Änderung der Wellenmodulationseigenschaft wird durch eine Änderung der kapazitiven Nahfeldkopplung, der induktiven Nahfeldkopplung, der Wellenleiterkopplung oder der Fernfeldkopplung hervorgerufen, die dem Echtzeitwert des Rotationsparameters entspricht. Infolgedessen ist die Metamaterialbahn 43 so ausgebildet, dass sie das Dauerstrichsignal auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des Rotationsparameters, der als Messwert zu messen ist, modifiziert, wodurch das Empfangssignal mit einer gemessenen Differenz zur Referenzmessung erzeugt wird, die für den Echtzeitwert des Rotationsparameters eindeutig ist.
  • Um eine robustere Messung gegenüber Entfernungsschwankungen durchzuführen, kann ein ZweiTon oder Dual-Ton QCW-Radar verwendet werden. Die Referenzmessung wird mit zwei verschiedenen Frequenzen wiederholt, um zwei Referenzwerte zu erhalten, die mit ihren jeweiligen Frequenzen verknüpft sind. Dies wird durch die Messung bei zwei verschiedenen Frequenzen auf einem Metamaterial-Array erreicht, wie in 12 dargestellt. 12 zeigt ein Beispiel für das Übertragungsspektrum eines Metamaterial-Arrays (z. B. Bahn 43 oder 44) oder eines gegenseitig gekoppelten Paares von Metamaterial-Arrays (z. B. Bahnen 55 und 56) über einen Frequenzbereich. Mit anderen Worten, das Übertragungsspektrum ist das der Empfangssignale, die mit dem Metamaterial interagiert haben. Ein Referenzsignal wird bei Vorhandensein einer bekannten Drehgröße (z.B. bekannter Drehwinkel oder Drehmoment) und ein Messsignal bei einer unbekannten, vom Sendeempfänger 1100 zu bestimmenden Drehgröße gemessen. In diesem Beispiel werden Messwerte bei zwei verschiedenen Übertragungsfrequenzen f1 und f2 für die Amplitudenmessung erfasst. Ähnliche Prinzipien können auf eine Phasenmessung ausgedehnt werden.
  • Jedes übertragene Signal SRF ist ein monochromatisches Dauerstrichsignal mit einer festen Frequenz. Außerdem hat jede Metamaterialbahn oder jedes Paar von Metamaterialbahnen, die miteinander gekoppelt sind, eine Resonanzbandbreite. Die erste Frequenz f1 liegt außerhalb der Resonanzbandbreite und die zweite Frequenz f2 liegt innerhalb der Resonanzbandbreite. Dies hat zur Folge, dass Signale, die mit der ersten Frequenz f1 übertragen werden, einen kleinen Einfluss des Metamaterials erfahren (d. h. eine kleine Phasen- oder Amplitudenverschiebung) und Signale, die mit der zweiten Frequenz f2 übertragen werden, einen großen Einfluss des Metamaterials erfahren (d. h. eine große Phasen- oder Amplitudenverschiebung). Dementsprechend sind die relativen Änderungen (X) und (Y) in den Übertragungsspektren bei den Frequenzen f1 und f2 für einen bestimmten Wert eines Rotationsparameters unterschiedlich. Für einen bestimmten Drehwinkel oder ein bestimmtes Drehmoment sind die Differenzwerte X und Y beispielsweise unterschiedlich.
  • Um einen Schritt zurück zu gehen ist der Sendeempfänger 1100 so ausgebildet, dass er ein erstes Sendesignal SRF mit einer Frequenz f1 überträgt, während Ziel-Metamaterialbahn(en) einen bekannten Rotationsparameter (z. B. eine bekannte Geschwindigkeit, Richtung, einen bekannten Winkel oder ein bekanntes Drehmoment) hat/haben, und den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung gemäß Gleichungen 1 und 2 als erste Referenzwerte aufzeichnen. Der Sendeempfänger 1100 ist ferner so ausgebildet, dass er ein zweites Sendesignal SRF mit einer Frequenz f2 überträgt, während die Ziel-Metamaterialbahn(en) einen bekannten Rotationsparameter (z. B. eine bekannte Geschwindigkeit, Richtung, einen bekannten Winkel oder ein bekanntes Drehmoment) hat/haben und den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung gemäß Gleichungen 1 und 2 als zweite Referenzwerte aufzeichnen. Auf diese Weise erhält der DSP 606 Referenzwerte für die beiden Frequenzen f1 und f2. Es wird deutlich, dass zwei getrennte Sendesignale mit zwei unterschiedlichen Frequenzen über Frequenzmultiplexing verwendet werden können, um zwei Sätze von Referenzwerten zu erfassen, ein Zweitonsignal oder Dualfrequenzsignal könnte auch verwendet werden, um die Messungen durchzuführen.
  • Wenn eine Messung des Rotationsparameters durchgeführt wird, ist der Sendeempfänger 1100 so ausgebildet, dass er ein drittes Sendesignal SRF mit der Frequenz f1 sendet, die Signale I und Q erhält und unter Verwendung des DSP 606 den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung erhält, eine erste Differenz X zwischen dem gemessenen Wert und dem entsprechenden Referenzwert berechnet (d.h. die Differenz zwischen dem gemessenen Phasenwert und dem Referenzphasenwert für die Frequenz f1 oder die Differenz zwischen der gemessenen absoluten Amplitude und dem Referenz-Absolut-Amplitudenwert für die Frequenz f1).
  • Der Sendeempfänger 1100 ist ferner so ausgebildet, dass er ein viertes Sendesignal SRF mit der Frequenz f2 sendet, das I- und Q-Signal erhält und unter Verwendung des DSP 606 den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitudenmessung erhält, eine zweite Differenz Y zwischen dem gemessenen Wert und dem entsprechenden Referenzwert berechnet (d. h. die Differenz zwischen dem gemessenen Phasenwert und dem Referenzphasenwert für die Frequenz f2 oder die Differenz zwischen der gemessenen absoluten Amplitude und dem Referenz-Absolut-Amplitudenwert für die Frequenz f2).
  • Es wird deutlich, dass zwei getrennte Sendesignale mit zwei unterschiedlichen Frequenzen über Frequenzmultiplexing verwendet werden können, um zwei Sätze von Messwerten zu erfassen, ein Zweitonsignal oder Dualfrequenzsignal könnte auch verwendet werden, um die Messungen durchzuführen.
  • Der DSP 606 ist so ausgebildet, dass er den Phasenwinkel und/oder die absolute Amplitude des Empfangssignals YRF basierend auf der ersten Differenz und der zweiten Differenz berechnet. Da eine Frequenz innerhalb der Resonanzbandbreite des Metamaterials liegt und eine Frequenz außerhalb der Resonanzbandbreite, sind die relativen Änderungen in den Übertragungsspektren bei den Frequenzen f1 und f2 unterschiedlich. Die beiden Differenzwerte X und Y sind in ihrer Kombination eindeutig für einen Wert des gemessenen Rotationsparameters. So kann der DSP 606 beispielsweise eine Nachschlagetabelle verwenden, die auf die Differenzwerte X und Y verweist, um einen Messwert des Rotationsparameters zu bestimmen. Durch diese Doppelreferenzmessung werden Phasenverschiebungen aufgrund von Abstandsschwankungen zwischen der Antenne und dem Metamaterial ausgeglichen. Außerdem kompensiert es Pfadverluste zwischen den Antennen und dem Metamaterial (z. B. Staub, Abrasion, Feuchtigkeit usw.), solange die reflektierten oder übertragenen Wellen noch detektierbar sind.
  • Bei der Verwendung eines zweiten QCW-Radars zusammen mit einem zweiten Metamaterial-Array werden zwei Metamaterial-Arrays so gestaltet, dass sich die Reflexion oder Übertragung zwischen ihnen unterschiedlich verändert. Mit anderen Worten können zwei Metamaterial-Arrays unterschiedliche Resonanzbandbreiten haben. Beispielsweise können die Metamaterialbahnen 43, 44 und 49 unterschiedliche Resonanzbandbreiten haben, oder die Referenzbahn 55c oder 56c kann mit einer unterschiedlichen Resonanzbandbreite implementiert werden, oder gegenseitig gekoppelte Paare 55a/56c und 55b/56b können unterschiedliche Resonanzbandbreiten haben. Der Unterschied in der Modulation, der durch Bahnen mit unterschiedlichen Resonanzbandbreiten entsteht, kann zur Berechnung des Rotationsparameters verwendet werden.
  • In diesem Fall kann der Sendeempfänger 1101 ein erstes Übertragungssignal mit einer Frequenz f1 senden, die beispielsweise innerhalb der Resonanzbandbreite einer ersten Metamaterialbahn und außerhalb der Resonanzbandbreite der zweiten Metamaterialbahn liegt, und die Phasen- und/oder Amplitudenmessung von jeder Metamaterialbahn unter Verwendung des ersten Übertragungssignals erhalten. Der Sendeempfänger 1101 kann ein zweites Übertragungssignal beispielsweise mit einer Frequenz f2 senden, die innerhalb der Resonanzbandbreite der zweiten Metamaterialbahn und außerhalb der Resonanzbandbreite der ersten Metamaterialbahn liegt, und die Phasen- und/oder Amplitudenmessung von jeder Metamaterialbahn unter Verwendung des ersten Übertragungssignals erhalten.
  • Für eine Phasenmessung ist der DSP 606 dann so ausgebildet, dass er eine erste Phasendifferenz zwischen den Phasenmessungen berechnet, die sich aus dem ersten Übertragungssignal ergeben, das mit der Frequenz f1 übertragen wird, eine zweite Phasendifferenz zwischen den Phasenmessungen berechnet, die sich aus dem zweiten Übertragungssignal ergeben, das mit der Frequenz f2 übertragen wird, und den Messwert des Rotationsparameters auf der Grundlage der ersten und der zweiten Differenz bestimmt. Das Auslesen erfolgt mit zwei Sendeempfängern, die mit unterschiedlichen Sendefrequenzen arbeiten, oder mit einem Sendeempfänger, der zwischen zwei Frequenzen wechselt. Auch Zeitmultiplexing ist möglich.
  • Für eine absolute Amplitudenmessung ist der DSP 606 dann so ausgebildet, dass er eine erste Amplitudendifferenz zwischen den absoluten Amplitudenmessungen berechnet, die sich aus dem ersten Übertragungssignal ergeben, das mit der Frequenz f1 übertragen wird, eine zweite Amplitudendifferenz zwischen den absoluten Amplitudenmessungen berechnet, die sich aus dem zweiten Übertragungssignal ergeben, das mit der Frequenz f2 übertragen wird, und den Messwert des Rotationsparameters auf der Grundlage der ersten und der zweiten Differenz bestimmt (z.B. durch Verwenden einer Nachschlagtabelle). Das Auslesen erfolgt mit zwei Sendeempfängern, die mit unterschiedlichen Sendefrequenzen arbeiten, oder mit einem Sendeempfänger, der zwischen zwei Frequenzen wechselt. Auch Zeitmultiplexing ist möglich.
  • Bei der Verwendung einer Referenzbahn können zwei Bahnen verwendet werden, von denen eine aus Metamaterial hergestellt ist und eine ohne Metamaterial hergestellt ist (z. B. eine bloße Metallbahn). Diese bloße Referenzbahn kann als Ersatz für eine zuvor hier offenbarte Bahn verwendet werden (z. B. Bahn 43, 44, 49, 55c oder 56c). Da es kein Metamaterial gibt, ist die von der Referenzbahn erzeugte Phasen- oder Amplitudenmodulationsverschiebung lediglich eine Funktion der Weglänge d. Dementsprechend kann der Sendeempfänger 1101 eine erste kontinuierliche Welle (continuous wave; Dauerstrich) an der Metamaterialbahn senden, die ein Empfangssignal aus dem ersten Dauerstrich-Sendesignal erzeugt. Der Sendeempfänger 1101 ist so ausgebildet, dass er das Empfangssignal empfängt, und der DSP 606 ist so ausgebildet, dass er eine Messung des Phasenwinkels oder absoluten Winkels über I/Q-Modulation als erste Messung erfasst. Außerdem kann der Sendeempfänger 1101 ein zweites Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn senden, der ein Referenzsignal aus dem zweiten Dauerstrich-Sendesignal erzeugt. Der Sendeempfänger 1101 ist so ausgebildet, dass er das Referenzsignal empfängt, und der DSP 606 ist so ausgebildet, dass er eine Messung des Phasenwinkels oder des Absolutwinkels des Referenzsignals über I/Q-Modulation erfasst und auf der Grundlage der Messung eine Weglänge d (im Wesentlichen die gleiche Entfernung zur Metamaterialbahn) misst. Der DSP 606 kann dann die Abstandsmessung verwenden, um eine Kompensation der ersten Messung durchzuführen, die von dem anvisierten Metamaterial erfasst wurde, um Entfernungsschwankungen aufgrund von Vibration oder Stößen zu berücksichtigen.
  • Zusätzlich oder alternativ ist der Sendeempfänger 1101 so ausgebildet, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Signal und ein quadraturdemoduliertes Signal erzeugt, das phasengleiche demodulierte Signal und das quadraturdemodulierte Signal verwendet, um eine zweite Messung der Phase oder absoluten Amplitude abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Messung vom DSP 606 berechnet und dann zur Bestimmung des Messwerts des Rotationsparameters verwendet werden (z. B. über eine Nachschlagetabelle).
  • Die Signaldifferenzierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Im Frequenzraum sind unterschiedliche Arbeitsfrequenzen der Metamaterial-Arrays möglich. Das Auslesen erfolgt dann mit zwei Sendeempfängern oder einem Sendeempfänger, der zwischen zwei Frequenzen wechselt. Auch Zeitmultiplexing ist möglich. Es ist auch möglich, zwischen den Signalen zu unterscheiden, indem man an verschiedenen Positionen der Scheibe misst und so ein Übersprechen zwischen den Empfängern vermeidet.
  • Zusätzliche Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bereitgestellt:
    1. 1. Ein Sensorsystem, umfassend: eine erste Metamaterialbahn, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht, wobei die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen umfasst; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er erstes Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Dauerstrichsignal in ein erstes Empfangssignal umwandelt, basierend auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle; und mindestens einen Quadratur-Dauerstrichempfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, eine erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und einen Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
    2. 2. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 1, ferner umfassend: eine zweite Metamaterialbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen umfasst, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er das erste Dauerstrichsignal in Richtung der zweiten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste und die zweite Metamaterialbahn zusammen so ausgebildet sind, dass sie das erste Dauerstrichsignal in das erste Empfangssignal basierend auf dem Rotationsparameter der Rotationswelle umwandeln; und wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, die erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und den Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
    3. 3. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispielen 1 oder 2, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung bewertet, die dem Rotationsparameter entspricht, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung relativ zur ersten Referenzmessung bestimmt.
    4. 4. Das Sensorsystem gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger mindestens einen Prozessor umfasst, der so ausgebildet ist, dass er die erste Eigenschaft unter Verwendung von mindestens einem aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse bewertet, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der bewerteten ersten Eigenschaft bestimmt.
    5. 5. Das Sensorsystem gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem ersten Empfangssignal ein erstes phasengleiches demoduliertes Signal und ein erstes quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das erste phasengleiche demodulierte Signal und das erste quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die erste Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
    6. 6. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 5, wobei die erste Eigenschaft eine Amplitude des ersten Empfangssignals ist und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung der ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals berechnet gemäß: Gleichung 2, wobei A die erste Messung bezeichnet, I einen Gleichstromwert des ersten phasengleichen demodulierten Signals bezeichnet, Q einen Gleichstromwert des ersten quadraturdemodulierten Signals bezeichnet und sqrt eine Quadratwurzelfunktion bezeichnet.
    7. 7. Das Sensorsystem der Ausführungsbeispiele 5 oder 6, wobei die erste Eigenschaft eine Phase des ersten Empfangssignals ist und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung der ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals berechnet gemäß Gleichung 1, wobei ϕ die erste Messung bezeichnet, I einen Gleichstromwert des ersten phasengleichen demodulierten Signals und Q einen Gleichstromwert des ersten quadraturdemodulierten Signals bezeichnen.
    8. 8. Das Sensorsystem gemäß einem der Ausführungsbeispiele 5 bis 7, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung bewertet, die dem Rotationsparameter entspricht, und den Messwert des Rotationsparameters auf der Grundlage der ersten Messung relativ zur ersten Referenzmessung bestimmt.
    9. 9. Das Sensorsystem gemäß einem der Ausführungsbeispiele 5 bis 8, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er eine Differenz zwischen der ersten Messung und der ersten Referenzmessung berechnet und den Messwert des Rotationsparameters der Rotationswelle auf der Grundlage der Differenz bestimmt.
    10. 10. Das Sensorsystem gemäß Ausführungsbeispiel 8 oder 9, wobei die erste Referenzmessung eine Referenzamplitude oder eine Referenzphase ist, die einem Referenzwert des Rotationsparameters entspricht.
    11. 11. Das Sensorsystem von einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei: der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei das erste Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer ersten Frequenz ist und das zweite Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer zweiten, von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz ist, die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das zweite Dauerstrichsignal in ein zweites Empfangssignal umwandelt, das auf dem Rotationsparameter der Rotationswelle basiert, und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das zweite Empfangssignal empfängt, eine zweite Messung des zweiten Empfangssignals erwirbt und den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung und der zweiten Messung bestimmt.
    12. 12. Das Sensorsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei: der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung auswertet, die bei der ersten Frequenz erworben wurde und dem Rotationsparameter entspricht, die zweite Messung relativ zu einer zweiten Referenzmessung auswertet, die bei der zweiten Frequenz erworben wurde und dem Drehparameter entspricht, und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er eine erste Differenz zwischen der ersten Messung und der ersten Referenzmessung bestimmt, eine zweite Differenz zwischen der zweiten Messung und der zweiten Referenzmessung bestimmt und den Messwert des Rotationsparameters der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Differenz und der zweiten Differenz bestimmt.
    13. 13. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 11 oder 12, wobei die erste Metamaterialbahn eine Resonanzbandbreite aufweist und die erste Frequenz innerhalb der Resonanzbandbreite und die zweite Frequenz außerhalb der Resonanzbandbreite liegt.
    14. 14. Das Sensorsystem von einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Empfangssignal erzeugt, indem sie eine Wellenmodulationseigenschaft des ersten Dauerstrichsignals auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des zu messenden Rotationsparameters ändert, wobei die Änderung der Wellenmodulationseigenschaft durch eine Änderung mindestens einer der kapazitiven Nahfeldkopplung, der induktiven Nahfeldkopplung, der Wellenleiterkopplung oder der Fernfeldkopplung entsprechend dem Echtzeitwert des Rotationsparameters hervorgerufen wird.
    15. 15. Das Sensorsystem von einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei die Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Dauerstrichsignal auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des zu messenden Rotationsparameters als Messwert modifiziert, wodurch das erste Empfangssignal mit dem ersten Messwert erzeugt wird, der eindeutig dem Echtzeitwert des Rotationsparameters entspricht.
    16. 16. Das Sensorsystem von einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, ferner umfassend: eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt ist und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die Referenzbahn frei von Metamaterial ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ein Referenzsignal aus dem zweiten Dauerstrichsignal erzeugt, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das Referenzsignal empfängt, eine zweite Messung der ersten Eigenschaft von dem Referenzsignal erwirbt und eine Distanz zur ersten Metamaterialbahn auf der Grundlage der zweiten Messung misst.
    17. 17. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 16, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Signal und ein quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das erste phasengleiche demodulierte Signal und das quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die zweite Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
    18. 18. Das Sensorsystem von einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele, ferner umfassend:
      • eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er das erste Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ein Referenzsignal aus dem ersten Dauerstrichsignal erzeugt, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Signal und ein quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das erste phasengleiche demodulierte Signal und das quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die zweite Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
    19. 19. Das Sensorsystem von einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele, ferner umfassend:
      • ferner umfassend eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ein Referenzsignal aus dem zweiten Dauerstrichsignal erzeugt, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Signal und ein quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das erste phasengleiche demodulierte Signal und das quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die zweite Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
    20. 20. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 19, wobei das erste Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer ersten Frequenz ist und das zweite Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer zweiten, von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz ist.
    21. 21. Das Sensorsystem von Ausführungsbeispiel 20, wobei: die erste Metamaterialbahn eine Resonanzbandbreite aufweist und die erste Frequenz innerhalb der Resonanzbandbreite und die zweite Frequenz außerhalb der Resonanzbandbreite liegt, und die Referenzbahn aus Metamaterial hergestellt ist und eine zweite Resonanzbandbreite aufweist und die erste Frequenz außerhalb der Resonanzbandbreite und die zweite Frequenz innerhalb der Resonanzbandbreite liegt.
    22. 22. Das Sensorsystem nach einem der Ausführungsbeispiele 19 - 21, wobei: das erste und das zweite Dauerstrichsignal monochromatische Wellen mit der gleichen Frequenz sind und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er eine Differenz zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung berechnet und den Messwert des Rotationsparameters der Rotationswelle auf der Grundlage der Differenz bestimmt.
    23. 23. Das Sensorsystem nach Ausführungsbeispiel 22, wobei die erste Metamaterialbahn eine erste Resonanzbandbreite und die zweite Metamaterialbahn eine zweite Resonanzbandbreite aufweist, die sich von der ersten Resonanzbandbreite unterscheidet.
    24. 24. Das Verfahren zum Bestimmen eines Rotationsparameters der Rotationswelle, das Verfahren umfassend: Übertragen eines ersten Dauerstrichsignals in Richtung einer ersten Metamaterialbahn, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt ist; Umwandeln des ersten Dauerstrichsignals durch die erste Metamaterialbahn in ein erstes Empfangssignal auf der Grundlage eines Echtzeitwertes des Rotationsparameters; Empfangen des ersten Empfangssignals durch einen Quadratur-Dauerstrichempfänger; Erwerben einer ersten Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger; und Bestimmen des Echtzeitwerts des Rotationsparameters der Rotationswelle durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger auf der Grundlage der ersten Messung.
    25. 25. Ein Rotationssensorsystem, umfassend: eine Rotationswelle, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet und ein zweites elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des zweiten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste Rotationsparameter und der zweite Rotationsparameter unterschiedliche Rotationsparameter sind.
    26. 26. Das Rotationssensorsystem von Ausführungsbeispiel 25, wobei: der erste Rotationsparameter eine Rotationsgeschwindigkeit der Rotationswelle, eine absolute Winkelposition der Rotationswelle, eine Rotationsrichtung der Rotationswelle oder ein auf die Rotationswelle aufgebrachtes Drehmoment ist, und der zweite Rotationsparameter die Rotationsgeschwindigkeit der Rotationswelle, die absolute Winkelposition der Rotationswelle, die Rotationsrichtung der Rotationswelle oder das auf die Rotationswelle aufgebrachte Drehmoment ist.
    27. 27. Das Rotationssensorsystem der Ausführungsbeispiele 25 oder 26, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen mindestens eine Charakteristik aufweist, die sich entlang einer Länge des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen ändert, so dass eine einzelne Periode der Charakteristikänderung entlang der Länge des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen kodiert wird.
    28. 28. Das Rotationssensorsystem von einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 27, wobei das erste Array von mm-Wellenstrukturen räumlich von dem zweiten Array von mm-Wellenstrukturen getrennt ist.
    29. 29. Das Rotationssensorsystem von einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 28, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen und das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen räumlich miteinander vermischt sind.
    30. 30. Das Rotationssensorsystem von einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 29, ferner umfassend: ein drittes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt sind, wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen eine dritte Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten und der zweiten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein drittes elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des dritten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und wobei der mindestens eine Empfänger so ausgebildet ist, dass er das dritte elektromagnetische Empfangssignal empfängt und einen dritten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des dritten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der dritte Rotationsparameter sich von dem ersten und dem zweiten Rotationsparameter unterscheidet.
    31. 31. Das Rotationssensorsystem von einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 30, ferner umfassend: ein drittes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt sind, wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen eine dritte Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten und der zweiten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein drittes elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des dritten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und wobei der mindestens eine Empfänger so ausgebildet ist, dass er das dritte elektromagnetische Empfangssignal empfängt und den zweiten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des zweiten und des dritten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der zweite Rotationsparameter die Rotationsrichtung ist.
    32. 32. Das Rotationssensorsystem nach einer der Ausführungsbeispiele 25 bis 31, ferner umfassend: ein drittes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt sind, wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen und das dritte Array von mm-Wellen-Strukturen gegenseitig miteinander durch eine Drehmoment-abhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird, die empfindlich für eine Drehmoment-abhängige Winkelverschiebung zwischen dem ersten Array von mm-Wellen-Strukturen und dem dritten Array von mm-Wellen-Strukturen ist, wobei die gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in das erste elektromagnetische Empfangssignal basierend auf einem Drehmoment umzuwandeln, das auf die Rotationswelle ausgeübt wird und die Drehmoment-abhängige Winkelverschiebung verursacht, wobei das Drehmoment, das auf die Rotationswelle ausgeübt wird, der erste Rotationsparameter der Rotationswelle ist.
    33. 33. Das Rotationssensorsystem nach einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 32, wobei sich eine Bandbreite der zweiten Arbeitsresonanzfrequenz nicht mit der Bandbreite der ersten Arbeitsresonanzfrequenz überschneidet.
    34. 34. Das Rotationssensorsystem nach einem der Ausführungsbeispiele 25 bis 33, wobei das erste elektromagnetische Sendesignal eine erste Frequenzbandbreite aufweist, die sich mit der Bandbreite der ersten Arbeitsresonanzfrequenz überschneidet, aber nicht mit der Bandbreite der zweiten Arbeitsresonanzfrequenz, und das zweite elektromagnetische Sendesignal eine zweite Frequenzbandbreite aufweist, die sich mit der Bandbreite der zweiten Arbeitsresonanzfrequenz überschneidet, aber nicht mit der Bandbreite der ersten Arbeitsresonanzfrequenz.
    35. 35. Ein Rotationssensorsystem, umfassend: eine Rotationswelle, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist, wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen und des zweiten Arrays von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste Rotationsparameter und der zweite Rotationsparameter unterschiedliche Rotationsparameter sind.
    36. 36. Eine lineares Bewegungssensorsystem, umfassend: ein linear bewegliches Zielobjekt, das so ausgebildet ist, dass es sich linear in einer linearen Bewegungsrichtung bewegt; ein erstes Array von Millimeterwellen- (mm-Wellen-) Strukturen, das mit dem linear beweglichen Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich das erste Array von mm-Wellen-Strukturen entlang der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen eine erste Arbeitsresonanzfrequenz aufweist; ein zweites Array von mm-Wellen-Strukturen, das mit dem linear beweglichen Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen entlang der linearen Bewegungsrichtung erstreckt und wobei das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen eine zweite Arbeitsresonanzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Arbeitsresonanzfrequenz unterscheidet; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er mindestens ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des ersten Arrays von mm-Wellen-Strukturen und des zweiten Array von mm-Wellen-Strukturen sendet, wobei das erste Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es eines des mindestens einen elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und das zweite Array von mm-Wellen-Strukturen so ausgebildet ist, dass es eines des mindestens einen elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; und mindestens einen Empfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste und das zweite elektromagnetische Empfangssignal empfängt, einen ersten linearen Bewegungsparameter des linear beweglichen Zielobjekts auf der Grundlage des ersten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt und einen zweiten linearen Bewegungsparameter des linear beweglichen Zielobjekts auf der Grundlage des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals bestimmt, wobei der erste lineare Bewegungsparameter und der zweite lineare Bewegungsparameter unterschiedliche lineare Bewegungsparameter sind.
    37. 37. Das lineare Positionssensorsystem von Ausführungsbeispiel 36, wobei: der erste lineare Bewegungsparameter eine lineare Geschwindigkeit, eine Bewegungsrichtung oder eine absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts ist, und der zweite lineare Bewegungsparameter die lineare Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung oder die absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts ist.
  • Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbaren Konzepte erreichen werden, ohne von dem Wesen und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die Bezug nehmend auf eine spezielle Figur beschrieben werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in diesen, die nicht explizit erwähnt werden. Solche Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts sollen von den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten abgedeckt sein.
  • Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die vorangehend beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) ausgeführt werden, sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, außer anderweitig angegeben, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional äquivalent ist), selbst wenn sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion in den hierin dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Somit ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, passend eingesetzt werden können.
  • Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als ein separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere beispielhafte Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
  • Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist. Zum Beispiel können die Techniken, die in dieser Offenbarung beschrieben werden, zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder irgendeine Kombination davon implementiert werden, umfassend irgendeine Kombination eines Rechensystems, einer integrierten Schaltung und eines Computerprogramms auf einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Aufzeichnungsmedium. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren implementiert sein, umfassend einen oder mehrere Mikroprozessoren, DSPs, ASICs, oder irgendeine andere äquivalente integrierte oder diskrete Logikschaltungsanordnung, sowie irgendwelche Kombinationen solcher Komponenten.
  • Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder kann in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können umfasst sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.

Claims (20)

  1. Ein Sensorsystem, umfassend: eine erste Metamaterialbahn, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist, die so ausgebildet ist, dass sie sich um eine Rotationsachse dreht, wobei die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen umfasst; mindestens einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Dauerstrichsignal in ein erstes Empfangssignal umwandelt, basierend auf einem Rotationsparameter der Rotationswelle; und mindestens einen Quadratur-Dauerstrichempfänger, der so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, eine erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und einen Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
  2. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite Metamaterialbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist und wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen umfasst, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er das erste Dauerstrichsignal in Richtung der zweiten Metamaterialbahn sendet, wobei die erste und die zweite Metamaterialbahn zusammen so ausgebildet sind, dass sie das ersten Dauerstrichsignal in das erste Empfangssignal basierend auf dem Rotationsparameter der Rotationswelle umwandeln; und wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das erste Empfangssignal empfängt, die erste Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals erfasst und den Messwert für den Rotationsparameter der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
  3. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung bewertet, die dem Rotationsparameter entspricht, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung relativ zur ersten Referenzmessung bestimmt.
  4. Das Sensorsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger mindestens einen Prozessor umfasst, der so ausgebildet ist, dass er die erste Eigenschaft unter Verwendung von mindestens einem aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse bewertet, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der bewerteten ersten Eigenschaft bestimmt.
  5. Das Sensorsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem ersten Empfangssignal ein erstes phasengleiches demoduliertes Signal und ein erstes quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das erste phasengleiche demodulierte Signal und das erste quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die erste Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung bestimmt.
  6. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 5, wobei die erste Eigenschaft eine Amplitude des ersten Empfangssignals ist und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung der ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals berechnet gemäß: A = sqrt ( I 2 + Q 2 ) ,
    Figure DE102022129124A1_0005
    wobei A die erste Messung bezeichnet, I einen Gleichstromwert des ersten phasengleichen demodulierten Signals bezeichnet, Q einen Gleichstromwert des ersten quadraturdemodulierten Signals bezeichnet und sqrt eine Quadratwurzelfunktion bezeichnet.
  7. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Eigenschaft eine Phase des ersten Empfangssignals ist und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung der ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals berechnet gemäß: ϕ = tan − 1 I Q
    Figure DE102022129124A1_0006
    wobei ϕ die erste Messung bezeichnet, I einen Gleichstromwert des ersten phasengleichen demodulierten Signals bezeichnet und Q einen Gleichstromwert des ersten quadraturdemodulierten Signals bezeichnet.
  8. Das Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung bewertet, die dem Rotationsparameter entspricht, und den Messwert des Rotationsparameters auf der Grundlage der ersten Messung relativ zur ersten Referenzmessung bestimmt.
  9. Das Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er eine Differenz zwischen der ersten Messung und der ersten Referenzmessung berechnet und den Messwert des Rotationsparameters der Rotationswelle auf der Grundlage der Differenz bestimmt.
  10. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die erste Referenzmessung eine Referenzamplitude oder eine Referenzphase ist, die einem Referenzwert des Rotationsparameters entspricht.
  11. Das Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal in Richtung der ersten Metamaterialbahn sendet, wobei das erste Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer ersten Frequenz ist und das zweite Dauerstrichsignal eine monochromatische Welle mit einer zweiten, von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz ist, die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das zweite Dauerstrichsignal in ein zweites Empfangssignal umwandelt, das auf dem Rotationsparameter der Rotationswelle basiert, und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das zweite Empfangssignal empfängt, eine zweite Messung des zweiten Empfangssignals erwirbt und den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten Messung und der zweiten Messung bestimmt.
  12. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 11, wobei: der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er die erste Messung relativ zu einer ersten Referenzmessung auswertet, die bei der ersten Frequenz erworben wurde und dem Rotationsparameter entspricht, die zweite Messung relativ zu einer zweiten Referenzmessung auswertet, die bei der zweiten Frequenz erworben wurde und dem Drehparameter entspricht, und der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er eine erste Differenz zwischen der ersten Messung und der ersten Referenzmessung bestimmt, eine zweite Differenz zwischen der zweiten Messung und der zweiten Referenzmessung bestimmt und den Messwert des Rotationsparameters der Rotationswelle auf der Grundlage der ersten Differenz und der zweiten Differenz bestimmt.
  13. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die erste Metamaterialbahn eine Resonanzbandbreite aufweist und die erste Frequenz innerhalb der Resonanzbandbreite liegt und die zweite Frequenz außerhalb der Resonanzbandbreite liegt.
  14. Das Sensorsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Empfangssignal erzeugt, indem sie eine Wellenmodulationseigenschaft des ersten Dauerstrichsignals auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des zu messenden Rotationsparameters ändert, wobei die Änderung der Wellenmodulationseigenschaft durch eine Änderung mindestens einer der kapazitiven Nahfeldkopplung, der induktiven Nahfeldkopplung, der Wellenleiterkopplung oder der Fernfeldkopplung entsprechend dem Echtzeitwert des Rotationsparameters hervorgerufen wird.
  15. Das Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die Metamaterialbahn so ausgebildet ist, dass sie das erste Dauerstrichsignal auf der Grundlage eines Echtzeitwerts des zu messenden Rotationsparameters als Messwert modifiziert, wodurch das erste Empfangssignal mit dem ersten Messwert erzeugt wird, der eindeutig dem Echtzeitwert des Rotationsparameters entspricht.
  16. Das Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt ist und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, und wobei die Referenzbahn frei von Metamaterial ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ein Referenzsignal aus dem zweiten Dauerstrichsignal erzeugt, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er das Referenzsignal empfängt, eine zweite Messung der ersten Eigenschaft von dem Referenzsignal erwirbt und eine Distanz zur ersten Metamaterialbahn auf der Grundlage der zweiten Messung misst.
  17. Das Sensorsystem gemäß Anspruch 16, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Signal und ein quadratur-demoduliertes Signal erzeugt, das phasengleiche demodulierte Signal und das quadratur-demodulierte Signal verwendet, um die zweite Messung abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
  18. Das Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er das erste Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ausgebildet ist, um ein Referenzsignal aus dem ersten Dauerstrichsignal zu erzeugen, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Referenzsignal und ein quadratur-demoduliertes Referenzsignal erzeugt, das phasengleiche demodulierte Referenzsignal und das quadratur-demodulierte Referenzsignal verwendet, um eine zweite Messung der ersten Eigenschaft aus dem Referenzsignal abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
  19. Das Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: ferner umfassend eine Referenzbahn, die mechanisch mit der Rotationsachse gekoppelt und zumindest teilweise um die Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei der mindestens eine Sender so ausgebildet ist, dass er ein zweites Dauerstrichsignal auf der Referenzbahn sendet, die ausgebildet ist, ein Referenzsignal aus dem zweiten Dauerstrichsignal zu erzeugen, wobei der mindestens eine Quadratur-Dauerstrichempfänger so ausgebildet ist, dass er aus dem Referenzsignal ein phasengleiches demoduliertes Referenzsignal und ein quadratur-demoduliertes Referenzsignal erzeugt, das phasengleiche demodulierte Referenzsignal und das quadratur-demodulierte Referenzsignal verwendet, um eine zweite Messung der ersten Eigenschaft aus dem Referenzsignal abzuleiten, und den Messwert für den Rotationsparameter auf der Grundlage der ersten und der zweiten Messung bestimmt.
  20. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Rotationsparameters einer Rotationswelle, das Verfahren umfassend: Übertragen eines ersten Dauerstrichsignals in Richtung einer ersten Metamaterialbahn, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt ist; Umwandeln des ersten Dauerstrichsignals durch die erste Metamaterialbahn in ein erstes Empfangssignal auf der Grundlage eines Echtzeitwertes des Rotationsparameters; Empfangen des ersten Empfangssignals durch einen Quadratur-Dauerstrichempfänger; Erwerben einer ersten Messung einer ersten Eigenschaft des ersten Empfangssignals durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger; und Bestimmen des Echtzeitwerts des Rotationsparameters der Rotationswelle durch den Quadratur-Dauerstrichempfänger auf der Grundlage der ersten Messung.
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