DE102022206522A1

DE102022206522A1 - Positionssensor und positionscodierer, die millimeterwellenmetamaterial mit einem millimeterwellen- radar verwenden

Info

Publication number: DE102022206522A1
Application number: DE102022206522.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bergmann; Dirk Hammerschmidt; Christof Michenthaler; Alexander Schossmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2022-12-29
Also published as: US20220412779A1

Abstract

Ein Drehsensorsystem umfasst ein drehbares Zielobjekt, das dazu konfiguriert ist, sich in einer Drehrichtung um eine Drehachse zu drehen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen aufweist, die zumindest eine erste Charakteristik aufweisen, die sich um einen Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; zumindest einen Sender, der dazu konfiguriert ist, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, einen Drehparameter des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Positionserfassungssystem und auf Verfahren zur Erfassung einer Position, einschließlich Winkelposition oder linearer Position, eines Zielobjekts.
Fahrzeuge verfügen über zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen, die sich auf Geschwindigkeitserfassung, Positionserfassung und/oder Winkelerfassung verlassen. Im elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) eines Fahrzeugs können beispielsweise magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren zur Messung von Lenkwinkel und Lenkdrehmoment verwendet werden. Moderne Antriebsstrangsysteme können sich auf magnetische Geschwindigkeitssensoren für Nockenwellen-, Kurbelwellen- und Getriebeanwendungen sowie auf Fahrzeugdrucksensoren stützen, um die geforderten CO₂ Ziele und intelligente Antriebsstranglösungen zu erreichen. Ein Nachteil der bekannten Lösungen ist jedoch, dass sie empfindlich auf magnetische Störungen reagieren.
Magnetische Störfelder sind in Fahrzeugen weit verbreitet, so dass magnetische Winkelmessungen oft rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Besonders problematisch ist dies bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, wo sich viele Leitungen mit hohen Strömen in der Nähe des Sensorsystems befinden. So können durch Stromschienen in einem Fahrzeug externe magnetische Störfelder erzeugt werden, die die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessungen beeinflussen. Daher kann ein Winkelpositionssensor oder ein linearer Positionssensor, der gegen elektromagnetische Streufelder robust ist, wünschenswert sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Drehsensorsystem, ein Verfahren zum Bestimmen zumindest eines Drehparameters eines drehbaren Zielobjekts und ein lineares Positionssensorsystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Drehsensorsystem gemäß Anspruch 1 oder 16, ein Verfahren gemäß Anspruch 25 und ein lineares Positionssensorsystem gemäß Anspruch 26.
Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Drehsensorsystem bereit, das folgende Merkmale umfasst: ein drehbares Zielobjekt, das dazu konfiguriert ist, sich in einer Drehrichtung um eine Drehachse zu drehen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen umfasst, die zumindest eine erste Charakteristik aufweisen, die sich um einen Umfang der ersten Millimeterwellen-Metamaterialspur ändert; einen ersten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, einen Drehparameter des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Drehsensorsystem bereit, das folgende Merkmale umfasst: ein drehbares Zielobjekt, das dazu konfiguriert ist, sich in einer Drehrichtung um eine Drehachse zu drehen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der ersten Millimeterwellen-Metamaterialspur ändert; eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; und eine dritte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur ein drittes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer dritten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert.
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Bestimmen zumindest eines Drehparameters eines drehbaren Zielobjekts bereit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals zu einer ersten Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um eine Drehachse angeordnet ist, um die sich das drehbare Zielobjekt dreht; Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste mm-Wellen-Metamaterialspur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Auswerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen eines Drehparameters des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ausgewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Bestimmen zumindest eines Drehparameters eines drehbaren Zielobjekts bereit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals zu einer ersten Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um eine Drehachse angeordnet ist, um die sich das drehbare Zielobjekt dreht; Senden eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals zu einer zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um die Drehachse angeordnet ist; Senden eines dritten elektromagnetischen Sendesignals zu einer dritten mm-Wellen-Metamaterialspur, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um die Drehachse angeordnet ist; Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste mm-Wellen-Metamaterialspur; Umwandeln des zweiten elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur; Umwandeln des dritten elektromagnetischen Sendesignals in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal durch die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur; Auswerten des ersten, des zweiten und des dritten elektromagnetischen Empfangssignals durch zumindest einen Prozessor; Bestimmen einer Drehgeschwindigkeit des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal durch den zumindest einen Prozessor; Bestimmeneiner Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal durch den zumindest einen Prozessor; und Bestimmen einer absoluten Winkelposition des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal durch den zumindest einen Prozessor.
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein lineares Positionssensorsystem bereit, das folgende Merkmale umfasst: ein linear bewegbares Zielobjekt, das dazu konfiguriert ist, sich in einer linearen Bewegungsrichtung linear zu bewegen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die erste Millimeterwellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik aufweist, die sich entlang der ersten Millimeterwellen-Metamaterialspur in der linearen Bewegungsrichtung ändert; eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich entlang einer Länge der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur parallel zu der linearen Bewegungsrichtung ändert; eine dritte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur ein drittes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer dritten Charakteristik aufweist, die sich entlang einer Länge der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; zumindest einen Sender, der dazu konfiguriert ist, er ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal zu der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur und ein drittes elektromagnetisches Sendesignal zu der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste, das zweite und das dritte elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine lineare Geschwindigkeit, eine Bewegungsrichtung und eine absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert:

1A stellt eine Vielzahl möglicher Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
1B ist eine Draufsicht auf eine asymmetrische, Geteilter-Ring-Elementarstruktur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
2A-2C stellen ein Segment einer mm-Wellen-Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
3A ist eine Querschnittsansicht eines Drehsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
3B ist eine Querschnittsansicht eines anderen Drehsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
3C ist eine Querschnittsansicht der in 3A und 3B gezeigten Drehsensorsysteme;
4 zeigt mögliche Signalmodulationen für ein elektromagnetisches Empfangssignal gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur eines Beispiels eines Sende/Empfangsgeräts gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt;
6A-6G zeigen verschiedene Anordnungen oder Muster von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
7A und 7B stellen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht eines linearen Positionssensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
8A und 8B stellen schematische Ansichten eines Wellenende-Drehsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar; und
9A und 9B stellen schematische Ansichten eines anderen Wellenende-Drehsensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend zu verstehen. Während beispielsweise Ausführungsbeispiele beschrieben werden, die eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassen, können in anderen Ausführungsbeispielen einige dieser Merkmale oder Elemente weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Bei anderen Ausführungsbeispiele können zusätzlich zu den ausdrücklich dargestellten oder beschriebenen Merkmalen oder Elementen weitere Merkmale oder Elemente vorgesehen sein. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. So können beispielsweise Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, sofern nichts Gegenteiliges angemerkt wird.
Dementsprechend können weitere Beispiele verschiedene Modifikationen und alternative Formen aufweisen, von denen einige besondere Beispiele in den Figuren gezeigt und anschließend näher beschrieben werden. Diese detaillierte Beschreibung beschränkt jedoch weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen besonderen Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Schutzbereich der Offenbarung fallen.
Gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleicher oder ähnlicher Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da gleiche oder funktional äquivalente Elemente in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente mit denselben Bezugszeichen entfallen. Daher sind die Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen untereinander austauschbar.
Wenn eine Singularform wie „ein“, „ein“ und „die“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzigen Elements weder explizit noch implizit als obligatorisch definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktionalität zu implementieren. Ebenso können weitere Beispiele die gleiche Funktionalität mit einem einzigen Element oder einer einzigen Verarbeitungsentität implementieren, wenn anschließend beschrieben wird, dass eine Funktionalität mit mehreren Elementen implementiert wird. Es versteht sich, dass die Begriffe „weist auf“, „aufweisend“, „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Prozessen, Handlungen, Elementen, Komponenten und/oder einer Gruppe davon ausschließen.
Es versteht sich von selbst, dass ein Element, das als „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu interpretieren (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart“ im Gegensatz zu „direkt benachbart“ usw.).
In den hier beschriebenen oder in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. jede Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischenliegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischenliegenden Elementen, oder umgekehrt realisiert werden, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, z. B. die Übertragung einer bestimmten Art von Signal oder einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen erhalten bleibt.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten, und die in den Zeichnungen abgebildeten Elemente sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass deren Funktion und allgemeiner Zweck für einen Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionalen Einheiten, die in den Zeichnungen dargestellt oder hier beschrieben sind, kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung realisiert werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme sowie auf die Gewinnung von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf ein Bauteil beziehen, das eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, z. B. ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Im Allgemeinen kann eine physikalische Größe zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, Funkwellen, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Eine Sensorvorrichtung, wie hier beschrieben, kann ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und dergleichen sein.
Die Sensorschaltung kann als Signalverarbeitungsschaltung und/oder Signalaufbereitungsschaltung bezeichnet werden, die ein oder mehrere Signale (d. h. Sensorsignale) von einem oder mehreren Sensorelementen in Form von Rohmessdaten empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal ableitet, das die physikalische Größe darstellt.
Die Begriffe „Sensor“, „Sensorelement“ und „Fühlerelement“ können in dieser Beschreibung austauschbar verwendet werden, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ können in dieser Beschreibung ebenfalls austauschbar verwendet werden.
Die hier verwendete Signalaufbereitung bezieht sich auf die Manipulation eines analogen Signals in einer Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe der Weiterverarbeitung erfüllt. Die Signalaufbereitung kann eine Umwandlung von analog zu digital (z. B. über einen Analog/Digital-Wandler), Verstärkung, Filterung, Umwandlung, Vorspannung, Bereichsanpassung, Isolierung und alle anderen Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um ein Sensorausgangssignal für die Verarbeitung nach der Aufbereitung geeignet zu machen.
Somit kann die Sensorschaltung einen Analog/Digital-Wandler (ADW) enthalten, der das analoge Signal von einem oder mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfassen, der eine gewisse Verarbeitung des digitalen Signals durchführt. Daher kann das Sensorpackages (Sensorgehäuse) eine Schaltung enthalten, die das kleine Signal des Sensorelements durch Signalverarbeitung und/oder -aufbereitung aufbereitet und verstärkt.
Eine Sensorvorrichtung, wie sie hier verwendet wird, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und eine Sensorschaltung wie oben beschrieben enthält. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzigen Halbleiterchip (z. B. einem Siliziumchip oder Siliziumstück) integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Chips für die Implementierung einer Sensorvorrichtung verwendet werden kann. So sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf demselben Halbleiterchip oder auf mehreren Chips in demselben Package angeordnet. Beispielsweise kann sich der Sensor auf einem Chip und die Sensorschaltung auf einem anderen Chip befinden, so dass sie innerhalb des Packages elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Fall können die Chips aus demselben oder aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, z. B. GaAs und Si, oder der Sensor kann auf ein Keramik- oder Glasplättchen gesputtert werden, das kein Halbleiter ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit einem Millimeterwellen(mm-Wellen)-Sensor und mm-Wellen-Systemen erörtert, die einen mm-Wellen-Sender, einen mm-Wellen-Empfänger und/oder ein mm-Wellen-Sende/Empfangsgerät umfassen. Millimeterwellen sind Funkwellen, die im Funkfrequenzband des elektromagnetischen Spektrums von 30 bis 300 Gigahertz (GHz) liegen und auch als Radarwellen verwendet werden können. Daher kann ein hier beschriebener mm-Wellen-Sensor, -System, -Sender, -Empfänger oder -Sende/Empfangsgerät auch als Radar-Sensor, -System, -Sender, -Empfänger oder -Sende/Empfangsgerät betrachtet werden, und eine mm-Welle kann als ein Radarsignal betrachtet werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die Ausführungsbeispiele auch in anderen Anwendungen als Radar eingesetzt werden können, wie z. B. in Hochfrequenz(HF)-Sendern, -Empfängern oder -Sende/Empfangsgeräten von HF-Kommunikationsvorrichtungen. In der Tat kann jede RF-Schaltungsanordnung die hier beschriebenen Konzepte nutzen. Ein mm-Wellensensor oder ein mm-Wellensystem kann als Winkelsensor, linearer Positionssensor, Geschwindigkeitssensor, Bewegungssensor, Drehmomentsensor usw. konfiguriert sein.
Ein Metamaterial ist ein Material, das so konstruiert ist, dass es eine Eigenschaft hat, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden ist. Dieselben bestehen aus einer Vielzahl von Strukturelementen, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen oder Kunststoffen hergestellt werden. Die Materialien können in sich wiederholenden oder periodischen Mustern angeordnet sein, in Größenordnungen, die kleiner sind als die Wellenlängen der Phänomene, die sie beeinflussen. Mit anderen Worten: Metamaterialien erzielen die gewünschten Wirkungen durch die Aufnahme von Strukturelementen, die tatsächlich kleiner sind als die Wellenlänge der von ihnen beeinflussten elektromagnetischen Wellen.
Folglich leiten Metamaterialien ihre Eigenschaften nicht notwendigerweise von den Eigenschaften der Grundmaterialien ab, sondern von ihren konstruierten Strukturen. ihre genaue Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung der Strukturelemente verleiht den Metamaterialien ihre intelligenten Eigenschaften, mit denen sie elektromagnetische Wellen manipulieren können: durch Blockieren, Reflektieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen. Ein Metamaterial wird also als künstlicher Verbundwerkstoff definiert, der seine elektrischen Eigenschaften durch seine exakt entworfenen Strukturen und deren Anordnung erhält, statt dieselben direkt von den Materialien zu erben, aus denen dasselbe zusammengesetzt ist.
Ein Metamaterial kann eine Untergruppe einer größeren Gruppe heterogener Strukturen sein, die aus einem festen Grundmaterial und Elementen aus einem anderen Material bestehen. Metamaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass dieselben in einem begrenzten Frequenzband besondere, manchmal anomale Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können mm-Wellen-Metamaterialien besondere Eigenschaften in einem Millimeterband aufweisen, d. h. in dem oben erwähnten Band des Spektrums zwischen 30 GHz und 300 GHz.
Im Zusammenhang mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein Metamaterial ein zweidimensionales (2D) oder dreidimensionales (3D) Array von Elementarstrukturen, die miteinander gekoppelt sind. „Elementarstrukturen“, wie hier verwendet, können als diskrete Strukturen, Elementstrukturen oder eine Kombination davon bezeichnet werden. In einigen Fällen können die Elementarstrukturen einfach als „Strukturen“ bezeichnet werden.
Das Gesamtarray bietet makroskopische Eigenschaften, die durch die verwendeten Elementarstrukturen und deren Kopplungspfade gestaltet werden können. Metamaterialien sind für verschiedene Wellenarten wie elektromagnetische Wellen (z. B. optische, Infrarot- (IR) und mm-Wellen) und mechanische Wellen (z. B. Ultraschall) konfiguriert. Die Größe der Elementarstrukturen und deren Gitterabstandsskala hängen von der Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs ab.
Elementarstrukturen in mm-Wellen-Metamaterialien können Resonatorelemente, Antennenelemente, Filterelemente, Wellenleiterelemente, Übertragungsleitungselemente oder eine Kombination der in 1A dargestellten Elemente umfassen. Die Größe der Elementarstrukturen kann bis zu mehreren Wellenlängen reichen, liegt aber typischerweise unter einer Wellenlänge. Dieselben bestehen aus Teilen, die Magnetfelder erzeugen (z. B. Leiterringe) und anderen Teilen, die elektrische Felder erzeugen (z. B. Zwischenräume zwischen Leitern). Darüber hinaus können dieselben auch Elemente aufweisen, die elektromagnetische Welleneigenschaften haben, wie z. B. ein kurzes Übertragungsleitungssegment.
Im Allgemeinen stellen diese elementaren Strukturen elektrisch resistive-induktive-kapazitive (RLC) Netzwerke dar. In dem Frequenzbereich, in dem dieselben in dem Metamaterial verwendet werden, ist die Charakteristik ihrer resistiven, induktiven und kapazitiven Parameter über die Geometrie verteilt. Da es sich bei Filtern, Resonatoren, Übertragungsleitungen und Antennen um unterschiedlich parametrisierte Vertreter identischer Strukturen handeln kann, ist es oft nicht eindeutig möglich, eine Struktur einer einzigen Gruppe zuzuordnen. Somit kann eine Struktur, die als Resonator bezeichnet wird, je nach Verwendung oder Implementierungsdetails auch als Antenne oder Filter angesehen werden. Darüber hinaus kann sich das Verhalten auch mit der Frequenz ändern, mit der dasselbe betrieben wird, und eine Struktur, die sich bei einer Frequenz als Übertragungsleitung verhält, kann bei einer anderen Betriebsfrequenz auch eine Filtercharakteristik aufweisen oder eine Resonanz erzeugen. Schließlich wirkt sich auch die Wahl des Materials auf das Verhalten aus, d. h. die Wahl eines besseren Leiters wird ein Resonanzverhalten verstärken, während ein weniger leitfähiges Material die Dämpfung erhöht und eine Filtereigenschaft dominiert.
1A zeigt eine Vielzahl möglicher Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die Elementarstrukturen 1 umfassen einen Geteilter-Ring-Resonator 2 mit einer Kondensatorkopplung 2a, einen Geteilter-Ring-Resonator 3 mit zwei Kondensatorkopplungen 3a und 3b, einen Geteilter-Ring-Resonator 4 mit vier Kondensatorkopplungen 4a-4d, eine Antennenstruktur 5, eine Antennenspule 6, einen verschachtelten Geteilter-Ring-Resonator 7, eine Antennenstruktur 8, eine Antennenstruktur 9, eine Antennenstruktur 10, eine Übertragungsleitungsstruktur 11, eine Antennenstruktur 12, gekoppelte Geteilter-Ring-Resonatoren 13, einen Geteilter-Ring-Resonator 14, eine Teil-Ring- oder -Kopplungsstruktur 15 und einen gekoppelten Geteilter-Ring-Resonator 16.
Die Übertragungsleitungsstruktur 11 kann eine Dämpfungsstruktur oder Verzögerungsstruktur sein. Dieselbe kann in einer abwechselnden Konfiguration mit Resonatoren verwendet werden, um eine gedämpfte oder phasenverschobene Kopplung zwischen denselben herzustellen, anstatt dieselben direkt zu koppeln. Die Kopplung mit den Resonatoren kann kapazitiv oder galvanisch sein. Dieselbe kann sich auch auf eine zweite Schicht erstrecken, z. B. mit einer identischen Struktur, die eine echte Übertragungsleitung bildet (d. h. zwei parallele Drähte).
Die Teil-Ring- oder -Kopplungsstruktur 15 kann als Teil-Ringstruktur bezeichnet werden, wenn dieselbe die Hälfte eines Geteilter-Ring-Resonators 18 ist. In diesem Zusammenhang ist die Teil-Ring-Struktur 15 mit einer zweiten Schicht gekoppelt, um einen Resonator zu bilden. Die Teil-Ring- oder -Kopplungsstruktur 15 kann auch als Kopplungsstruktur wie bei dem Beispiel in 6B verwendet werden. In diesem Zusammenhang stellt dieselbe eine kapazitive Kopplung zwischen Ringresonatorelementen bereit, ist aber nicht so stark in Resonanz (zumindest bei der niedrigen Frequenz) wie die gekoppelten Geteilter-Ring-Resonatoren.
Darüber hinaus können die Elementarstrukturen auch dreidimensional sein, wie z. B. Spiralspulen und verschachtelte Geteilter-Ring-Resonatoren, die in allen drei kartesischen Koordinatenrichtungen ausgerichtet sind. Darüber hinaus können dreidimensionale Strukturen durch Schichten zweidimensionaler Elementarstrukturen in einer gestapelten Anordnung erzeugt werden. So können beispielsweise zwei Elementarstrukturen in vertikaler Richtung so übereinander geschichtet werden, dass dieselben sich gegenseitig überlappen. Auf diese Weise kann eine vertikale kapazitive Kopplung zwischen den beiden Elementarstrukturen erreicht werden, die durch Variieren des Überlappungsbetrags in horizontaler Richtung eingestellt werden kann.
1A zeigt ferner eine gestapelte Geteilter-Ring-Resonatorstruktur 17 mit drei übereinander gestapelten Geteilter-Ring-Resonatoren. Die gestapelte Geteilter-Ring-Resonatorstruktur 17 kann durch Verwendung von drei übereinander gestapelten Metallisierungsschichten gebildet werden. 1A zeigt ferner einen Geteilter-Ring-Resonator 18, der aus zwei Halbringstrukturen 15 besteht, die sich so überlappen, dass zwischen den beiden Halbringstrukturen eine vertikale kapazitive Kopplung besteht. Durch Variieren des Überlappungsbetrags kann die Schleifengröße vergrößert (z. B. durch Verringern des Überlappungsbetrags) oder verkleinert (z. B. durch Vergrößern des Überlappungsbetrags) werden, was wiederum zu einer geringeren vertikalen kapazitiven Kopplung bzw. zu einer höheren vertikalen kapazitiven Kopplung führt.
1A zeigt ferner eine S-förmige Elementarstruktur 19 und eine asymmetrische Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 mit zwei Kondensatorkopplungen 20a und 20b. Die kapazitiven Kopplungen sind zwischen zwei Bogenstrukturen 20c und 20d der asymmetrischen Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 gebildet. Insbesondere sind die beiden Bogenstrukturen 20c und 20d durch zwei Zwischenräume (20a und 20b) getrennt, durch die die kapazitive Kopplung erfolgt. Die jeweiligen Enden der beiden Bogenstrukturen 20c und 20d sind durch jeweilige Zwischenräume 20a und 20b voneinander getrennt.
1B ist eine Draufsicht einer asymmetrischen Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die asymmetrische Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 ist asymmetrisch um eine planare Achse 20e und umfasst zwei Bogenstrukturen 20c und 20d, die durch zwei Zwischenräume 20a und 20b voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten, die beiden Bogenstrukturen 20c und 20d sind vollständig voneinander getrennt. In diesem Fall haben die beiden Bogenstrukturen 20c und 20d also den gleichen (in der Ebene liegenden) Innenradius und den gleichen (in der Ebene liegenden) Außenradius r, d. h. ihre radialen Dicken t1 und t2 sind gleich.
Darüber hinaus hat jede Bogenstruktur 20c und 20d eine mittlere Umfangslänge L1 bzw. L2. Die mittlere Umfangslänge ist ein Mittelwert zwischen einer äußeren Umfangslänge und einer inneren Umfangslänge der Bogenstruktur. Bei diesem Beispiel sind die äußeren Umfangslängen der Bogenstrukturen 20c und 20d gleich, ebenso wie ihre inneren Umfangslängen.
Die Winkelmaße φ3 und φ4 der Zwischenräume 20a und 20b können gleich sein, was bedeutet, dass aufgrund der Asymmetrie die Winkelmaße φ1 und φ2 unterschiedlich sind und dass die mittleren Umfangslängen L1 und L2 unterschiedlich sind. Alternativ können die Winkelmaße φ3 und φ4 der Zwischenräume 20a und 20b ungleich sein, was bedeutet, dass aufgrund der Asymmetrie die Winkelmaße φ1 und φ2 gleich sein können, was wiederum bedeutet, dass die mittleren Umfangslängen L1 und L2 gleich sein können.
In beiden Fällen ist die asymmetrische Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 asymmetrisch um eine planare Achse 20e (d. h. die Asymmetrieachse). Die Übertragung und die Reflexion durch eine Elementarstruktur sind stark von der Ausrichtung des Metamaterials in Bezug auf die Polarisation der einfallenden mm-Wellen abhängig. Aufgrund ihrer Asymmetrie weist die asymmetrische Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 eine schärfere Resonanz bei linearer Polarisation der einfallenden mm-Wellen auf als symmetrische Elementarstrukturen. Diese scharfe Resonanz der asymmetrischen Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 nimmt mit zunehmendem Winkel φ5 zwischen dem elektrischen Feldvektor und der planaren Achse 20e der Elementarstruktur stark ab. Somit kann die Arbeitsfrequenz der asymmetrischen Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 entsprechend ihrer Asymmetrie abgestimmt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die asymmetrische Geteilter-Ring-Elementarstruktur 20 aufgrund einer asymmetrischen Charakteristik der asymmetrischen Geteilter-Ring-Struktur 20 (z. B. ungleich große Zwischenräume 20a und 20b oder ungleich große getrennte Strukturen 20c und 20d) eine Fano-Resonanz aufweist. Vollständig getrennte Strukturen haben unterschiedliche Moden mit entsprechenden Stromverteilungen, die dazu führen, dass die Elementarstruktur eine Fano-Resonanz erzeugt. In einigen Fällen haben die getrennten Strukturen getrennte Resonanzen, die die Fano-Resonanz erzeugen.
Beispielsweise weist die Bogenstruktur 20c eine erste Stromverteilung und die Bogenstruktur 20d eine zweite Stromverteilung auf, die gegenphasig zur ersten Stromverteilung fließt. Die von den Stromverteilungen erzeugten elektromagnetischen Felder heben sich teilweise gegenseitig auf, was zu einer schwachen Kopplung mit dem freien Raum führt. Dieser Modus entspricht einer Fano-Resonanz. In einer Fano-Resonanz-Elementarstruktur fließt der Strom in beiden getrennten Strukturen 20c und 20d in derselben Drehrichtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) für die gesamte Elementarstruktur. Hier fließen der Strom ic in der Bogenstruktur 20c und der Strom id in der Bogenstruktur 20d beide im Uhrzeigersinn. Metamaterialien mit Elementarstrukturen, bei denen eine Fano-Resonanz beobachtet wird, zeichnen sich im Allgemeinen durch eine asymmetrische Form der Resonanz aus, die in einem Spektraldiagramm zu sehen ist, sowie durch eine schnelle Veränderung der Phase um die Resonanz herum, was eine schärfere Resonanzwirkung und eine höhere Auflösung der Position oder des Winkels ermöglicht. Eine symmetrische Elementarstruktur, wie die Elementarstrukturen 2, 3, 7, 17 und 18, kann zumindest für linear polarisierte einfallende Wellen keine Fano-Resonanz erzeugen. Beispielsweise erzeugen symmetrische Elementarstrukturen mit getrennten Strukturen keine Fano-Resonanz, zum Teil deshalb, weil die Ströme in den getrennten Strukturen in entgegengesetzten Drehrichtungen fließen.
Um ein quasi-homogenes makroskopisches Verhalten zu erreichen, werden die Elementarstrukturen in Arrays angeordnet, deren Abmessungen typischerweise größer sind als eine Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs und die eine Vielzahl von Elementarstrukturen in jeder genutzten Richtung umfassen.
Die 2A-2C zeigen ein Segment einer mm-Wellen-Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Eine mm-Wellen-Metamaterialspur ist ein Streifen aus mm-Wellen-Metamaterial, der mehrere Elementarstrukturen aufweist, die sowohl in der Breitenrichtung als auch in der Längsrichtung angeordnet sind. Die mm-Wellen-Metamaterialspur kann in Umfangsrichtung um eine Drehachse (d. h. getrennt von der Drehachse, aber konzentrisch mit derselben) eines rotierenden Objekts angeordnet sein, oder kann linear auf einem sich linear bewegenden Objekt angeordnet sein, parallel zu der Bewegungsrichtung der linearen Bewegung ausgerichtet ist. Eine Bewegungsrichtung kann eine Drehrichtung oder eine lineare Richtung sein und kann unidirektional oder bidirektional sein.
2A zeigt insbesondere ein Beispiel eines 2D-Metamaterialarrays 27 aus symmetrischen Geteilter-Ring-Resonatoren, die sich sowohl in horizontaler als auch in Dreh(Umfangs)-Richtung weiter erstrecken sollen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Geteilter-Ring-Resonatoren mit jeder Art von Elementarstruktur ausgetauscht werden können, zum Beispiel mit einer der in 1A gezeigten Strukturen. Jeder Geteilter-Ringresonator besteht aus einem offenen Ring, der eine Induktivität (L) darstellt, und einem Zwischenraum oder einer Öffnung, die eine kapazitive Kopplung (C) bereitstellt. Somit ist jeder Geteilter-Ringresonator eine Art von LC-Resonator.
Es besteht eine gegenseitige Kopplung der Strukturen im Array 27, die eine kapazitive Kopplung, eine induktive Kopplung oder beides sein kann. In diesem Fall sind beide Arten der Kopplung vorhanden. So besteht beispielsweise eine kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen in vertikaler Richtung (d. h. entlang der Drehrichtung) an den Seiten, an denen die Ringe dicht beieinander liegen. Darüber hinaus wird die induktive Kopplung zwischen den Strukturen durch das von jedem Geteilter-Ring-Resonator erzeugte Feld bereitgestellt.
Somit führt die Anordnung der Elementarstrukturen in einem Array elektrisch zu einer gegenseitigen Kopplung zwischen den Elementarstrukturen, wobei der Kopplungseffekt das elektrische Feld (kapazitive Nahfeldkopplung), das magnetische Feld (induktive Nahfeldkopplung), Wellenleiterkopplung oder elektromagnetische Wellen (Fernfeldkopplung) nutzen kann. Aufgrund der Abmessungen der Arrays und je nach Art der verwendeten Elementarstrukturen besteht der Kopplungseffekt typischerweise aus einer Mischung aller Mechanismen.
Die Art und Weise, in der die Strukturen gekoppelt sind, beeinflusst das Kopplungsverhalten des Arrays oder eines Teils dieses Arrays. Diese Änderung des Kopplungsverhaltens hat wiederum Auswirkungen auf die Wirkung, die die einzelnen Strukturen oder eine Gruppe von Strukturen auf eine Übertragungswelle oder ein Signal haben, das auf diese Struktur oder diese Gruppe von Strukturen trifft.
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. daran angrenzen). Beispielsweise zeigt 2B ein Beispiel für eine 2D-Anordnung 28 von Geteilter-Ring-Resonatoren, wobei sich die Ausrichtung der Geteilter-Ring-Resonatoren sowohl in der horizontalen (Breite) als auch in der vertikalen (Länge) Richtung der Anordnung 28 (d. h. der Metamaterialspur) ändert. Mit anderen Worten, die Lage der Zwischenräume jedes Geteilter-Ring-Resonators variiert zwischen benachbarten Strukturen. Infolgedessen ist der Kopplungseffekt zwischen den Strukturen anders als der Kopplungseffekt, der durch die in 2A gezeigten Strukturen erzeugt wird. Die unterschiedlichen Formen (kreisförmig oder rechteckig) können sich auch auf die Charakteristik der Struktur selbst und den Kopplungseffekt auswirken.
Jede Elementarstruktur hat 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. Das Array 27 kann eine einzige Metallisierungsschicht sein, die auf einem Film aufgebracht oder aufgedruckt ist, so dass das Array 27 zweidimensional ist. Wie oben angemerkt, ist es auch möglich, mehrere Metallisierungsschichten zu stapeln, um ein 3D-Array zu bilden.
Somit enthalten die Arrays 27 und 28 mehrere Wiederholungen von Elementstrukturen mit unterschiedlichen Anordnungen zueinander, die aufgrund des veränderten Kopplungseffekts zwischen den Strukturen eine andere Eigenschaft auf eine darauf einfallende Übertragungswelle oder ein Signal hervorrufen.
In ähnlicher Weise zeigt 2C ein Beispiel für ein 2D-Metamaterial-Array 29 aus asymmetrischen Geteilter-Ring-Resonatoren 20, die sich sowohl in horizontaler als auch in Dreh(Umfangs)-Richtung weiter erstrecken sollen. Das 2D-Metamaterialarray 29 oder die Metamaterialspur hat ein Metamaterialmuster, das so gestaltet ist, dass sich zumindest eine Eigenschaft der Elementstrukturen mit der Verschiebung entlang einer bestimmten Richtung (z. B. entlang der Dreh(Umfangs)-Richtung ändert.
Dabei werden die Elementstrukturen so angeordnet, dass sich ihre radiale Ausrichtung (d.h. eine Ausrichtung in Bezug auf den Radialvektor) entlang der Bewegungsrichtung schrittweise ändert. Die Ausrichtung verschiebt sich für jede nachfolgende Reihe von Elementstrukturen auf drehende Weise (z. B. im Uhrzeigersinn). Insbesondere sind die Elementstrukturen so angeordnet, dass sich deren Ausrichtung in einem beleuchteten Segment einer mm-Welle mit der Bewegung der Metamaterialspur (z. B. mit deren Drehung) ändert. Man kann also sagen, dass sich das Muster der Elementarstrukturen kontinuierlich oder schrittweise in diskreten Inkrementen entlang der Metamaterialspur ändert.
Zumindest ein Segment des Metamaterialarrays wird durch zumindest einen mm-Wellensender beleuchtet. Auf diese Weise werden die Sende- und Reflexionssignale des beleuchteten Segments der Metamaterialspur periodisch mit der Bewegung der Metamaterialspur (z. B. mit deren Drehung) moduliert. Damit ist es möglich, einen kontaktlosen Sinus-Codierer zu realisieren.
Die Bewegungsrichtung kann beispielsweise eine Drehrichtung sein, und das Metamaterialmuster kann sich entlang der Drehrichtung inkremental ändern, so dass sich das Muster einmal über 360° der Metamaterialspur wiederholt. Mit anderen Worten, eine einzelne Periode der Charakteristik-Änderung des Metamaterialmusters wird um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert.
In diesem Fall kann das sinusförmige Sende- oder Reflexionssignal von dem beleuchteten Segment der Metamaterialspur erzeugt werden, wenn sich die Metamaterialspur in der Drehrichtung dreht. Das heißt, das Metamaterialmuster kann so gestaltet sein, dass dasselbe eine Periode der Sinusmodulation entlang einer Drehung der Metamaterialspur codiert. Da eine Periode auf das Metamaterialmuster codiert ist, entspricht jede Reihe von Elementstrukturen eindeutig einer diskreten Position (z. B. einem Drehwinkel oder einem Maß der linearen Verschiebung). Anders ausgedrückt, unterschiedliche beleuchtete Segmente, die entlang der Bewegungsrichtung der Metamaterialspur angeordnet sind, erzeugen ein unterschiedliches Sende- oder Reflexionssignal in Amplitude und/oder Phase, wenn dieselben von einer mm-Welle beleuchtet werden. Die Position des beleuchteten Segments ist eindeutig für die absolute Position der Metamaterialspur. Das Sende- oder Reflexionssignal ist somit auch für die absolute Position der Metamaterialspur eindeutig und schwingt als sinusförmiges Signal, wenn sich die Metamaterialspur in Bezug auf einen mm-Wellensender bewegt. Im Falle einer Drehbewegung ist die absolute Position des beleuchteten Segments eindeutig für den Drehwinkel der Metamaterialspur um eine Drehachse und das Sende- oder Reflexionssignal ist ebenfalls eindeutig für den Drehwinkel der Metamaterialspur um eine Drehachse.
Alternativ kann sich das Metamaterialmuster entlang der Drehrichtung inkremental ändern, so dass sich das Muster über 360° der Metamaterialspur mehrfach wiederholt. In diesem Fall kann man sagen, dass die Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360°/N haben, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, wobei N eine Ganzzahl größer eins ist. In diesem Fall kann das Metamaterialmuster so gestaltet sein, dass dasselbe mehrere Perioden der Sinusmodulation entlang einer Drehung der Metamaterialspur codiert und dadurch ein sinusförmiges Sende- oder Reflexionssignal mit höherer Auflösung erzeugt, wenn dasselbe von einer mm-Welle beleuchtet wird.
Wie in der folgenden Beschreibung deutlich wird, können eine oder mehrere mm-Wellen-Metamaterialspuren verwendet werden, um außeraxiale Winkelmessungen an einem drehbaren Zielobjekt oder eine lineare Positionserfassung an einem linear bewegbaren Zielobjekt durchzuführen.
3A ist eine Querschnittsansicht eines Drehsensorsystems 300A gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. 3B ist eine Querschnittsansicht eines Drehsensorsystems 300B gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die beiden Systeme unterscheiden sich durch die Sendevorrichtungen, die zum Senden von mm-Wellenstrahlen (d.h. elektromagnetischen Sendesignalen) an ihren jeweiligen mm-Wellen-Metamaterialspuren verwendet werden, und die Empfangsvorrichtungen, die zum Empfangen von mm-Wellenstrahlen (d.h. elektromagnetischen Empfangssignalen) von ihren jeweiligen mm-Wellen-Metamaterialspuren verwendet werden.
Die Drehsensorsysteme 300A und 330B können jede Art von Dreh- oder Positionssensor umfassen, z. B. Geschwindigkeit, absoluter Winkel, inkrementeller Winkel, Drehmoment oder eine Kombination davon. Die Systeme 300A und 300B umfassen ein drehbares Zielobjekt 30, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse 31 zu drehen, und die Drehsensorsysteme 300A und 300B sind dazu konfiguriert, zumindest einen Drehparameter des drehbaren Zielobjekts 30 zu messen, z. B. Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und absolute Winkelposition (z. B. in Grad). Das drehbare Zielobjekt 30 kann eine Scheibe oder ein Rad sein, das über eine Kupplungsstruktur 37 mit einer Welle 32 gekoppelt ist, die sich entlang der Drehachse 31 erstreckt. Wenn sich die Welle 32 dreht, dreht sich auch das drehbare Zielobjekt 30. Das drehbare Zielobjekt 30 stellt ein mechanisches Ziel für einen oder mehrere mm-Wellen-Strahlen dar.
Das drehbare Zielobjekt 30 umfasst vier mm-Wellen-Metamaterialspuren 33-36, die jeweils eine geschlossene Schleife um die Welle 32 bilden. In diesem Beispiel sind die vier mm-Wellen-Metamaterialspuren 33-36 konzentrische Schleifen, die in unterschiedlichen Abständen von der Drehachse 31 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist es möglich, eine einzige Metamaterialspur mit geschlossener Schleife oder mehr als vier Metamaterialspuren mit geschlossener Schleife zu verwenden. Die mm-Wellen-Metamaterialspuren 33-36 sind an dem drehbaren Zielobjekt 30 befestigt, so dass sich dieselben mit dem drehbaren Zielobjekt 30 mitdrehen, wenn sich dasselbe dreht.
Es ist auch möglich, Spuren mit unterschiedlichen Charakteristik-Variationen der Muster zu verwenden, z. B. durch Implementieren einer Sinusfunktion oder einer Kosinusfunktion in die variierende Charakteristik des Metamaterials. Darüber hinaus können Referenzspuren, die die Charakteristik des Metamaterials nicht verändern, von Interesse sein, um den Einfluss von Umwelteinflüssen oder Einstellungsparametern wie dem Abstand zwischen der Antenne und dem Metamaterialstreifen oder der Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung zu charakterisieren. Es können mehrere Referenzstreifen mit unterschiedlichen Metamaterialeinstellungen verwendet werden, um verschiedene Referenzmessungen zu erhalten. Zum Beispiel können verschiedene Referenzstreifen verwendet werden, um ein Minimum und ein Maximum der Variation der Metamaterialeigenschaften zu erhalten.
Das Drehsensorsystem 300A verwendet Sende/Empfangsgeräte 41-44 und/oder Sende/Empfangsgeräte 45-48, deren Antennen jeweils nahe genug an ihren jeweiligen mm-Wellen-Metamaterialspuren platziert sind, um eine räumliche Differenzierung zwischen den Sende- und Empfangssignalen zu erreichen. Wie nachfolgend erläutert wird, können die Sende/Empfangsgeräte 41-44 als Sende/Empfangsgeräte implementiert werden, um mm-Wellen als elektromagnetisches Sende- und Empfangssignal zu senden und zu empfangen. Jedes Sende/Empfangsgerät umfasst einen Richtkoppler, um das Senden und Empfangen über dieselbe Antenne zu ermöglichen. In ähnlicher Weise können die Sende/Empfangsgeräte 45-48 als Sende/Empfangsgeräte zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Sende- und Empfangssignalen implementiert sein. In anderen Fällen können die Sende/Empfangsgeräte 41-44 als Sender und die Sende/Empfangsgeräte 45-48 als Empfänger implementiert sein. Alternativ kann auch das Gegenteil der Fall sein, wo die Sende/Empfangsgeräte 45-48 als Sender und die Sende/Empfangsgeräte 41-44 als Empfänger implementiert sein können. Jede Kombination davon ist ebenfalls möglich. So kann jedes Sende-/Empfangsgerät je nach Konfiguration einfach ein Sender oder ein Empfänger sein.
Um eine homogene Abstrahlung auf jeder Metamaterialspur zu erreichen, wird jede Antenne auf eine andere Spur fokussiert. In diesem Fall können die Sendeantennen parallel oder mit getrennten Sendern betrieben werden. Hier ist das Sende/Empfangsgerät 41 dazu konfiguriert, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal (z. B. einen linear polarisierten mm-Wellen-Strahl) auf der mm-Wellen-Metamaterialspur 33 zu senden, das Sende/Empfangsgerät 42 ist dazu konfiguriert, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal (z.B. einen linear polarisierten mm-Wellenstrahl) auf der mm-Wellen-Metamaterialspur 34 zu senden, das Sende/Empfangsgerät 43 ist dazu konfiguriert, ein drittes elektromagnetisches Sendesignal (z.B. einen linear polarisierten mm-Wellenstrahl) auf der mm-Wellen-Metamaterialspur 35 zu senden, und das Sende/Empfangsgerät 44 ist dazu konfiguriert, ein viertes elektromagnetisches Sendesignal (z.B. einen linear polarisierten mm-Wellenstrahl) auf der mm-Wellen-Metamaterialspur 36 zu senden. Die Antenne jedes Sende-/Empfangsgeräts 41-48 ist in der Nähe der jeweiligen Metamaterialspur 33-36 angeordnet (d. h. über einen Kopplungseffekt mit derselben gekoppelt), damit die Sende-/Empfangsgeräte eine räumliche Differenzierung zwischen ihren Sendesignalen und letztlich auch zwischen ihren Empfangssignalen A, B, R und S erreichen.
Das Drehsensorsystem 300B verwendet Sende/Empfangsgeräte 41-44 und/oder Sende/Empfangsgeräte 45-48, die jeweils mit einem entsprechenden Wellenleiter 51-58 verbunden sind. Die Wellenleiter 51-58 werden verwendet, um elektromagnetische Sende- und/oder Empfangssignale zu/von ihren jeweiligen Sende/Empfangsgeräten 41-48 zu richten. Auf diese Weise können die Antennen der Sende- und Empfangsgeräte 41-48 weiter von ihrer mm-Wellen-Metamaterialspur entfernt platziert werden, wobei dennoch eine räumliche Differenzierung zwischen den Signalen A, B, R und S erreicht wird.
Bei der Implementierung als Sende/Empfangsgerät ist jedes Sende/Empfangsgerät 41-44 dazu konfiguriert, eine teil reflektierte mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) von einer entsprechenden Metamaterialspur der vier Metamaterialspuren 33-36 zu empfangen. Mit anderen Worten, die Empfangsantennen der Sende/Empfangsgeräte 41-44 sind so voneinander isoliert, dass die Empfangsantenne des Sende/Empfangsgeräts 41 im Wesentlichen eine teilreflektierte mm-Welle nur von einer der Spuren (z. B. Metamaterialspur 33) empfängt, die Empfangsantenne des Sende/Empfangsgeräts 42 im Wesentlichen eine reflektierte mm-Welle nur von der anderen der Spuren (z. B, Metamaterialspur 34) empfängt, die Empfangsantenne des Sende/Empfangsgeräts 43 im Wesentlichen eine reflektierte mm-Welle nur von der anderen der Spuren (z. B. Metamaterialspur 35) empfängt, und die Empfangsantenne des Sende/Empfangsgeräts 44 im Wesentlichen eine reflektierte mm-Welle nur von der anderen der Spuren (z. B. Metamaterialspur 36) empfängt. Daher können Isolierungen zwischen den Antennen oder zwischen den Spuren, wie z. B. ein Metallstreifen, vorgesehen sein.
Obwohl an jeder Antenne ein kleiner Teil einer nicht korrespondierenden reflektierten mm-Welle empfangen werden kann, kann dieses Signal so weit abgeschwächt sein, dass dasselbe von den Sende/Empfangsgeräten 41-44 ignoriert oder als Rauschen herausgefiltert werden kann.
Unabhängig von der Sender-/Empfängerkonfiguration wird davon ausgegangen, dass zumindest ein Sender und zumindest ein Empfänger zum Senden und Erfassen von mm-Wellenstrahlen implementiert sind, wobei unterschiedliche Empfangsantennen und Empfängerschaltungsanordnungen eins-zu-eins unterschiedlichen Metamaterialspuren mit geschlossener Schleife entsprechen. Die Sender und Empfänger können elektrisch mit einer Systemsteuerung und/oder einem DSP gekoppelt sein.
Die Drehsensorsysteme 300A und 300B können dazu konfiguriert sein, eine mm-Welle zu überwachen, die durch die Metamaterialspuren 33-36 läuft, anstatt reflektierte mm-Wellen zu überwachen. Infolgedessen wird für jede Metamaterialspur ein Sender-/Empfängerpaar verwendet. Beispielsweise kann der Sender 41 einen mm-Strahl auf der Metamaterialspur 33 senden, der zumindest teilweise durch die Metamaterialspur 33 verläuft, wo derselbe von dem Empfänger 44 empfangen wird. In diesem Fall ist das als ein Empfänger ausgeführte Sende/Empfangsgerät 44 dazu konfiguriert, eine teilweise gesendete mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) als Ergebnis der Wechselwirkung der gesendeten mm-Welle mit der Metamaterialspur 33 (d. h. der teilweisen Absorption und Übertragung durch dieselbe) zu empfangen. In ähnlicher Weise können die Empfänger 46-48 dazu konfiguriert sein, eine teilweise gesendete mm-Welle (d.h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) als Ergebnis der Wechselwirkung der jeweiligen gesendeten mm-Wellen mit den jeweiligen Metamaterialspuren 34-36 (d. h. der teilweisen Absorption und Übertragung durch dieselben) zu empfangen.
Es wird auch deutlich, dass eine Kombination verschiedener Empfängerkonfigurationen realisiert werden kann. Zum Beispiel kann ein Empfänger so angeordnet sein, dass er eine teilreflektierte mm-Welle von einer der Metamaterialspuren (d.h. Metamaterialspur 33) erfasst und misst, und ein anderer Empfänger kann so angeordnet sein, dass er eine teilweise gesendete mm-Welle erfasst und misst, die durch die andere der Metamaterialspuren (d.h. Metamaterialspur 34) verläuft. Darüber hinaus können zwei Empfänger für die Analyse derselben Metamaterialspur verwendet werden, wobei ein Empfänger eine teilreflektierte mm-Welle und der andere eine teilweise gesendete mm-Welle erfasst und misst. Dementsprechend können eine oder mehrere Metamaterialspuren mit einem höheren Reflexionsvermögen und andere Metamaterialspuren mit einem höheren Absorptionsvermögen im Verhältnis zueinander konfiguriert sein.
Es wird auch deutlich, dass eine Kombination von 3A und 3B mit einer Mischung aus nahen Sende/Empfangsgeräten, Sendern und/oder Empfängern, wie in 3A, und Wellenleitern mit entfernten Sende/Empfangsgeräten, Sendern und/oder Empfängern, wie in 3B, realisiert werden kann.
Basierend auf den in 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispielen und Kombinationen von Sende/Empfangsgeräten, Sendern und/oder Empfängern wird ein elektromagnetisches Sendesignal durch Wechselwirkung mit einer Metamaterialspur in ein elektromagnetisches Empfangssignal umgewandelt. Die Wechselwirkung kann eine Reflexion, eine Absorption, eine Übertragung oder eine Kombination davon umfassen. Die Spur 33 wandelt das erste elektromagnetische Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal um (Reflexionssignal A in 3A und 3B), die Spur 34 wandelt das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal um (Reflexionssignal B in 3A und 3B), die Spur 35 wandelt das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal um (Reflexionssignal R in 3A und 3B), und die Spur 36 wandelt das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein elektromagnetisches Empfangssignal um (Reflexionssignal S in 3A und 3B). Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Empfangssignalen auch um Signale handeln, die die Metamaterialspuren durchlaufen haben, anstatt reflektiert zu werden.
Jede Empfangsantenne ist mit einer Empfängerschaltungsanordnung verbunden, die dazu konfiguriert ist, ein Empfangssignal zu demodulieren, um eine Charakteristik des Empfangssignals zu bestimmen. Eine Drehgeschwindigkeit, eine Drehrichtung und/oder eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts 30 wird dann von der Empfängerschaltung oder einer Systemsteuerung unter Verwendung eines Signalprozessors basierend auf der bestimmten Charakteristik eines oder mehrerer Empfangssignale bestimmt, die von einer oder mehreren Metamaterialspuren empfangen werden.
Insbesondere ist jede Metamaterialspur konfiguriert, so dass sich eine Charakteristik oder eine Eigenschaft des Metamaterials entlang des Umfangs der Spur ändert. So ändert sich die Wechselwirkung des Metamaterials mit einer mm-Welle entlang des Umfangs der Spur. Beispielsweise können die Elementarstrukturen eines Arrays ein periodisches Muster von 360° aufweisen, das sich um den Umfang des drehbaren Ziels und/oder entlang des Umfangs der Metamaterialspur kontinuierlich ändert. So ändert sich das Muster entlang der geschlossenen Schleife der Metamaterialspur kontinuierlich von 0° bis 360° und wiederholt sich dann.
In diesem Fall ist eine Eigenschaft und/oder Anordnung des Metamaterials spezifisch für eine absolute Winkelposition entlang der Metamaterialspur und 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. Die Referenzwinkelposition kann beispielsweise null Grad betragen, und eine absolute Winkelposition kann eine bestimmte Position sein, die von null Grad aus über eine Periode von 360° gedreht wird. Somit hat jede absolute Winkelposition einen absoluten Winkelwert von 0° bis 360°.
Für die Kommutation von mehrpoligen Elektromotoren mit 3N Polen muss der elektrische Winkel, der die Summe aller Pole ist, 360° betragen. Somit kann das periodische Muster der Elementarstrukturen eines Arrays für den mechanischen Winkel eine Periode von 360°/N haben, wobei N eine Ganzzahl 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 gegenüber einer der Referenzwinkelpositionen. Jede Referenzwinkelposition kann basierend auf der Charakteristik oder der Eigenschaft des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Spur ermittelt werden.
Die Charakteristik oder Eigenschaft des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Spur führt zu einem winkelabhängigen Verhalten oder einer Wechselwirkung mit einer mm-Welle, wobei das winkelabhängige Verhalten oder die Wechselwirkung 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 unter Verwendung einer Amplitudenanalyse und/oder Phasenanalyse auswerten. Beispielsweise kann die Empfängerschaltung eine Amplitudenänderung oder eine Phasenverschiebung des Empfangssignals auswerten. Die Empfängerschaltung kann dann eine absolute Winkelposition der Metamaterialspur und/oder des drehbaren Zielobjekts basierend auf der ermittelten Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation bestimmen. Beispielsweise kann die Empfängerschaltung auf eine Nachschlagetabelle zurückgreifen, die im Speicher bereitgestellt ist, die Winkelpositionen relativ zu einer bestimmten Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation speichert
So wird entweder die Amplitude oder die Phase des empfangenen Signals oder beides in Bezug auf die gleiche Eigenschaft des gesendeten Signals analysiert. Das Metamaterial ist eine passive Struktur, dasselbe kann die Frequenz des Signals nicht verändern. Es kann jedoch seine eigene Resonanzfrequenz oder, besser gesagt, die Positionen seiner Pole und Nullstellen ändern, die dann das reflektierte oder das gesendete Signal beeinflussen können und in Amplitude und Phase oder im Real- und Imaginärteil des Signals erfasst werden können. Beide Kombinationen beschreiben die mögliche Beeinflussung 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 Auswerteschaltung.
Als Beispiel für die Bestimmung einer absoluten Winkelposition oder eines diskreten Winkelwerts für eine bestimmte Metamaterialspur kann die Metamaterialspur 35 mit einem periodischen Muster von 360° konfiguriert sein, so dass eine einzelne Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der Metamaterialspur 35 codiert wird. Das Sende/Empfangsgerät 43 kann eine kontinuierliche mm-Welle als Trägersignal mit konstanter Frequenz aussenden. Die Metamaterialspur 35 empfängt das Trägersignal und reflektiert oder sendet das Signal teilweise an einen entsprechenden Empfänger (z. B. zurück zu dem Sende/Empfangsgerät 43 oder weiter zu dem Sende/Empfangsgerät 47). Der Empfänger umfasst eine Empfängerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein empfangenes Signal von der entsprechenden Metamaterialspur zu demodulieren. Die Empfängerschaltung ist dazu konfiguriert, eine Phase und/oder eine Amplitude des 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 Metamaterialspur abzuleiten. Eine bestimmte Änderung der Phase oder Amplitude relativ zum Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) kann der absoluten Winkelposition der entsprechenden Metamaterialspur entsprechen.
Darüber hinaus kann eine Phasenverschiebung zwischen zwei Empfangssignalen analysiert werden, um eine absolute Winkelposition zu bestimmen. Beispielsweise können die Muster der Metamaterialspuren 33 und 34 gleich sein, aber um 90° (z. B. im oder gegen den Uhrzeigersinn) gegeneinander verschoben sein, so dass sich nach der Auswertung der Metamaterialeigenschaft eine 90°-Phasenverschiebung in den extrahierten Signalen der beiden Metamaterialspuren ergibt. Das bedeutet, dass zwei Metamaterialspuren mit demselben entsprechenden Drehwinkel extrahierte Signale erzeugen würden, die um 90° zueinander phasenverschoben sind. Dadurch entstehen bei der Drehung des drehbaren Zielobjekts im Wesentlichen ein Sinus-Messsignal und ein Cosinus-Messsignal, die im Vergleich zueinander eine eindeutige Winkelposition identifizieren. In diesem Fall bilden die Muster der Metamaterialspuren 33 und 34 ein Paar von Spuren, auf denen die gleiche Anzahl von periodischen Mustern mit Perioden von 360°/N codiert ist, wobei N größer als eins ist.
Alternativ können die Muster der Metamaterialspuren 33 und 34 um die Drehachse gegeneinander verschoben sein, aber nicht unbedingt um 90°. Dennoch haben beide ein periodisches Muster von 360°/N, was dazu führt, dass ihre elektromagnetischen Empfangssignale um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Die Phasenverschiebung oder Phasendifferenz von 90° kann durch eine Kombination aus der relativen Verschiebung der Muster um die Spur und der Art der für die Spuren verwendeten Charakteristik-Änderung und/oder Metamaterialeigenschaft verursacht werden.
Gleichartig dazu bilden die Metamaterialspuren 35 und 36 ein Paar von Spuren, die die gleiche Anzahl von periodischen Mustern mit Perioden von 360°/M haben, wobei M größer als Null und eine andere Ganzzahl als N ist. Die periodischen Muster der Metamaterialspuren 35 und 36 können auch um die Drehachse gegeneinander verschoben sein, so dass es eine 90°-Phasenverschiebung in den extrahierten Signalen gibt, die sich aus den beiden Metamaterialspuren nach der Auswertung der Metamaterialeigenschaften ergeben. Dadurch entstehen bei der Drehung des drehbaren Zielobjekts im Wesentlichen ein Sinus-Messsignal und ein Cosinus-Messsignal, die im Vergleich zueinander eine eindeutige Winkelposition identifizieren.
Die periodischen Muster von 360°/N und von 360°/M liefern zwei Paare von Spuren mit unterschiedlicher Winkelauflösung. Bei hohen Drehzahlen kann eine niedrigere Winkelauflösung verwendet werden und bei niedrigen Drehzahlen kann eine höhere Winkelauflösung verwendet werden. So kann ein Prozessor einer Empfängerschaltung (z. B. ein DSP) dazu konfiguriert sein, zumindest eine der ersten, zweiten, dritten und vierten mm-Wellen-Metamaterialspuren zu verwenden, um eine Drehgeschwindigkeit des drehbaren Zielobjekts zu messen, und selektiv Empfangssignale von entweder der ersten und zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur 33 und 34 oder der dritten und vierten mm-Wellen-Metamaterialspur 35 und 36 basierend auf der gemessenen Drehgeschwindigkeit zu verarbeiten, um zumindest einen Drehparameter des drehbaren Zielobjekts zu messen. Ein Geschwindigkeitsschwellenwert kann verwendet werden, um zu bestimmen, dass die Empfangssignale von den Spuren 33 und 34 verwendet werden, wenn die Drehgeschwindigkeit kleiner als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist, und dass die Empfangssignale von den Spuren 35 und 36 verwendet werden, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich wie oder größer als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist.
Die Analyse eines Empfangssignals von einer einzelnen Spur kann zur Bestimmung der Winkelposition (d. h. eines Winkelwerts) des drehbaren Zielobjekts verwendet werden, wenn die Spur eine einzige Periode aufweist, die darauf codiert ist. Daraus kann auch die Drehgeschwindigkeit berechnet werden, indem eine Änderungsrate der Winkelwerte bestimmt wird.
Bei Spuren, auf denen mehrere Perioden codiert sind, kann die Drehzahl durch die Bestimmung einer Charakteristik-Änderungsrate des Empfangssignals oder durch Zählen der Anzahl der Signalperioden über die Zeit berechnet werden.
Zusätzlich kann durch Erhalten von zwei Messsignalen (z. B. zwei um 90° phasenverschobene Signale von einem Paar von Spuren) auch die Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts bestimmt werden.
Beispielsweise kann die Drehrichtung bei jedem Nulldurchgang oder bei einem anderen Schaltschwellenwert 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 ferner die Korrelation mit einem negativen Wert oder einem positiven Wert eines zweiten Messsignals (z. B. dem anderen des Sinus-Messsignals und des Kosinus-Messsignals) analysieren.
Zum Beispiel kann ein negativer Wert des zweiten Messsignals bei einer abfallenden Flanke des ersten Messsignals eine erste Drehrichtung anzeigen. Ein positiver Wert des zweiten Messsignals bei einer ansteigenden Flanke des ersten Messsignals kann ebenfalls die erste Drehrichtung anzeigen. Ein positiver Wert des zweiten Messsignals bei einer abfallenden Flanke des ersten Messsignals kann eine zweite Drehrichtung anzeigen. Ein negativer Wert des zweiten Messsignals bei einer ansteigenden Flanke des ersten Messsignals kann ebenfalls die zweite Drehrichtung anzeigen. Da das zweite Messsignal gegenüber dem ersten Messsignal um 90° phasenverschoben ist, ist die Bestimmung der Drehrichtung 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 Drehrichtung gleich. Wechselt das Vorzeichen des zweiten Messsignals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen jedoch nicht (+ + oder - -), wird von dem DSP eine Richtungsänderung erkannt.
In Fällen, in denen Sinus und Kosinus für die Berechnung des Winkels zur Verfügung stehen, ist die Drehrichtung in Abhängigkeit von der Zunahme oder Abnahme des Winkelwerts ohne Verwendung einer Schaltschwelle offensichtlich.
Die große Bandbreite an Varianten, die Metamaterialien mit unterschiedlichen Strukturen, Schichten und gegenseitiger Kopplung bieten, könnte basierend auf einer vollständigen Messung der Parameter mit einem frequenzmodulierten Signal über den Bereich, in dem die spektral relevanten Effekte des Metamaterials auftreten, bewertet werden. Die angestrebten Anwendungen ermöglichen jedoch eine kostengünstige Messung im Vergleich zu einem herkömmlichen Radar. Daher kann der Schaltungsaufwand minimiert werden, und der RX/TX-Aufbau wird vom endgültigen Metamaterialentwurf abhängen.
3C ist eine Querschnittsansicht der in 3A und 3B gezeigten Drehsensorsysteme 300A und 300B. 3C zeigt die konzentrischen Metamaterialspuren 33-36, die auf dem drehbaren Zielobjekt 30 angeordnet sind, das mit der Welle 32 gekoppelt ist. Darüber hinaus sind beleuchtete Segmente 33i, 34i, 35i und 36i jeder Spur gezeigt, wobei jedes Segment ein Bereich ist, der von einem entsprechenden Sender (z. B. den Sende/Empfangsgeräten 41-44) beleuchtet wird. Die beleuchteten Segmente 33i-36i sind linear entlang einer radialen Richtung des drehbaren Zielobjekts 30 angeordnet. Die Sende/Empfangsgeräte 41-44 sind fixiert. Wenn sich also das drehbare Zielobjekt 30 dreht, ändert sich der Teil jeder Metamaterialspur, der durch den mm-Wellenstrahl beleuchtet wird, mit der Drehung. Die Empfangssignale A, B, R und S werden von den beleuchteten Segmenten 33i-36i ihrer jeweiligen Spur reflektiert. Dementsprechend ändert sich die Phase und/oder eine Amplitude jedes Empfangssignals A, B, R und S entsprechend der Charakteristik-Änderung seiner Metamaterialspur.
4 zeigt mögliche Signalmodulationen für ein elektromagnetisches Empfangssignal gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere wird die Amplitude des Empfangssignals durch eine der Metamaterialspuren mit einem periodischen Muster von 360° moduliert, so dass eine einzelne Periode der Charakteristik-Änderung um den Umfang der Metamaterialspur codiert wird. Die Amplitude des Empfangssignals hat eine absolute Winkelcodierung, die sich alle 360° der Drehung wiederholt. Solche Signalmodulationen können zum Beispiel dem Signal R entsprechen, das auf dem periodischen Muster der Metamaterialspur 35 basiert. Das Signal S kann den gleichen Signalverlauf wie das Signal R haben, aber um 90° gegenüber dem Signal R phasenverschoben sein. Die Signale A und B können ebenfalls einen dieser Signalverläufe haben, aber stattdessen mehrere Perioden, die für jede 360°-Drehung codiert sind, wobei die Signale A und B eine Phasendifferenz von 90° zueinander aufweisen.
Die Empfängerschaltungsanordnung kann insbesondere das Signal A oder B auswählen, um eine Drehgeschwindigkeit des drehbaren Zielobjekts 30 zu berechnen, die Signale A und B oder die Signale R und S auswählen, um eine Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts 30 zu berechnen, und das Signal R oder S auswählen, um die absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts 30 zu berechnen. Auf diese Weise können ein oder mehrere Drehparameter des drehbaren Zielobjekts 30 bestimmt werden.
5 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur eines Beispiels eines Sende/Empfangsgeräts gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zeigt. Das Sende/Empfangsgerät 41 umfasst relevante Senderschaltungsanordnungen und Empfängerschaltungsanordnungen für die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es wird auch deutlich, dass relevante Senderschaltungsanordnungen und Empfängerschaltungsanordnungen je nach Implementierung zwischen dem Sender 41 und dem Empfänger 44 aufgeteilt sein können.
Frequenzmodulation kann auf der Senderseite verwendet werden, um die Übertragungsfunktion des Sendekanals einschließlich des Metamaterials über die Frequenz zu charakterisieren. Es kann jedoch auch eine kontinuierliche Trägerwelle mit einer konstanten Frequenz verwendet werden.
Auf der Messseite (Empfängerseite) wäre nach wie vor Betrag (Amplitude) und Phase oder I und Q immer noch die anspruchsvollste und flexibelste Lösung. Im Hinblick auf die Kosten kann jedoch ein System mit konstanter Trägerfrequenz vorzuziehen sein. In diesem Fall wird die Frequenz so gewählt, dass dieselbe in einem definierten Bereich in Bezug auf die Pole und Nullstellen liegt, in dem die Phasen- oder Amplitudenübertragungsfunktion ein monotones Verhalten in Bezug auf die modifizierte Eigenschaft des Metamaterials aufweist. Dann wird eine lokale Messung der Phasenverschiebung oder Amplitudendämpfung verwendet.
Dementsprechend sind zumindest eine Sendeantenne 401 (TX-Antenne) und zumindest eine Empfangsantenne 402 (RX-Antenne) mit einem in einen Chip integriertes HF-Front-End 403 verbunden, das alle Schaltungskomponenten enthalten kann, die für die HF-Signalverarbeitung erforderlich sind. Diese Schaltungskomponenten umfassen beispielsweise einen Lokaloszillator (LO), HF-Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker (LNA), Richtungskoppler (z. B. Ringleitungs-Koppler, Zirkulatoren usw.) und Mischer zum Abwärtsmischen (oder Abwärtsumsetzen) der HF-Signale in das Basisband oder ein Zwischenfrequenzband (ZF-Band). Das HF-Front-End 403 kann - möglicherweise zusammen mit weiteren Schaltungskomponenten - in einen Chip integriert werden, der üblicherweise als eine monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC) bezeichnet wird.
Das abgebildete Beispiel zeigt ein bistatisches (oder pseudo-monostatisches) Radarsystem mit getrennten RX- und TX-Antennen. Bei einem monostatischen Radarsystem würde eine einzige Antenne sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen der elektromagnetischen (Radar-) Signale verwendet werden. In diesem Fall kann ein Richtkoppler (z. B. ein Zirkulator) verwendet werden, um die auszusendenden HF-Signale von den empfangenen HF-Signalen (Radarechosignalen) zu trennen. in der Praxis verfügen Radarsysteme in der Regel über eine Mehrzahl von Sende- und Empfangskanälen (TX/RX-Kanälen) mit einer Mehrzahl von TX- und RX-Antennen, was u. a. die Messung der Richtung (DoA), aus der die Radarechos empfangen werden, ermöglicht. In solchen Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO)-Systemen haben die einzelnen TX- und RX-Kanäle in der Regel eine identische oder ähnliche Struktur.
Im Falle eines frequenzmodulierten Dauerstrich(FMCW)- Radarsystems können die von der Sendeantenne 401 ausgesendeten HF-Signale beispielsweise im Bereich von etwa 10 GHz bis 500 GHz liegen. Die hier verwendeten Frequenzbänder hängen jedoch von den Strukturen ab, die für die Erzeugung des Metamaterialziels verwendet werden. Wie bereits erwähnt, umfasst das von der Empfangsantenne 402 empfangene HF-Signal die Radarechos (Chirp-Echosignale), d. h. diejenigen Signalkomponenten, die an einem oder mehreren Radarzielen rückgestreut werden. Das empfangene HF-Signal wird z. B. in das Basisband (oder ein ZF-Band) heruntergemischt und im Basisband mittels analoger Signalverarbeitung weiterverarbeitet (siehe analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 404). Die analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 404 umfasst im Wesentlichen die Filterung und möglicherweise Verstärkung des Basisbandsignals. Das Basisbandsignal wird schließlich digitalisiert (siehe Analog/Digital-Wandler 405) und in dem digitalen Bereich weiterverarbeitet. Die digitale Signalverarbeitungskette kann zumindest teilweise in Form von Software implementiert sein, die auf einem Prozessor, z. B. einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor (DSP) 406 oder einer anderen Rechnereinheit, ausgeführt werden kann. Die Steuerung des Gesamtsystems erfolgt in der Regel über eine Systemsteuerung 407, die ebenfalls zumindest teilweise in Form von Software implementiert sein kann, die auf einem Prozessor, wie z.B. einem Mikrocontroller, ausführbar ist. Das HF-Fron-End 403 und die analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 404 (optional auch der Analog/Digital-Wandler 405) können gemeinsam in einem einzigen MMIC (d.h. einem HF-Halbleiterchip) integriert sein. Alternativ können die einzelnen Komponenten auch auf mehrere integrierte Schaltungen verteilt sein. Ein einziger DSP kann die jeweiligen digitalen Empfangssignale von jeder der Empfangsantennen empfangen, um die Drehparameter des drehbaren Zielobjekts 30 zu berechnen.
Der DSP 406 ist dazu konfiguriert, die oben erwähnte Phasenanalyse, Amplitudenanalyse und/oder Frequenzanalyse durchzuführen, um einen Drehparameter (z. B. Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung oder absolute Winkelposition) der Metamaterialspur und/oder des drehbaren Zielobjekts basierend auf der bestimmten Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation zu bestimmen. Die Phasenmodulation eines empfangenen Signals kann eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals in Bezug auf eine Phase der gesendeten mm-Welle (d. h. des Trägersignals) sein. Gleichartig dazu kann die Amplitudenmodulation eines empfangenen Signals eine Amplitudenverschiebung des empfangenen Signals in Bezug auf eine Amplitude der gesendeten mm-Welle sein.
Der DSP 406 kann dazu konfiguriert sein, eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung eines empfangenen Signals zu bestimmen und die Verschiebung entweder direkt aus einem einzelnen Empfangssignal oder in Kombination mit einem anderen Empfangssignal in einen Drehparameter zu übersetzen (z. B. werden zwei phasenverschobene Empfangssignale zur Bestimmung der Drehrichtung verwendet). Beispielsweise kann der DSP 406 auf eine Nachschlagtabelle zurückgreifen, die im Speicher bereitgestellt ist, die Winkelpositionen oder -werte relativ zu einer bestimmten Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation speichert, wenn die Spur ein periodisches Muster von 360° aufweist.
Darüber hinaus kann der DSP 406 eine Phasenverschiebung zwischen zwei Empfangssignalen analysieren, um eine absolute Winkelposition zu bestimmen, wie hier beschrieben. Der DSP 406 kann auch die Drehgeschwindigkeit berechnen, durch Analysieren der Änderungsrate der Winkelwerte. Darüber hinaus kann der DSP 406 durch den Erhalt von zwei Messsignalen (z. B. zwei um 90° phasenverschobene Signale) auch eine Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts bestimmen. Im Allgemeinen können zwei Empfangssignale verwendet werden, um einen eindeutigen Messbereich von 360° zu erreichen. Für ein System, das in einem begrenzten Bereich misst, muss die Eigenschaft des Metamaterials nicht unbedingt nach einem Sinus/Cosinus-System verändert werden. Für einen begrenzten Bereich (z. B. +/- 60°) würde ein Sinus allein ausreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Strukturen oder deren Anordnung in dem Array von Elementarstrukturen, aus denen eine Metamaterialspur besteht, um die Drehachse variiert wird und zumindest eine der mm-Welleneigenschaften der Anordnung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der aktuellen Position ändert. Die mm-Wellen-Eigenschaft kann z.B. das Reflexionsvermögen, die Transitivität, die Polarisation oder die Phasenverschiebung des Empfangssignals (d.h. der teilreflektierten oder der teilweise gesendeten Welle) sein. Typischerweise wirken sich Modifikationen durch das Metamaterial auf mehrere dieser mm-Wellen-Parameter gleichzeitig aus.
Das Zielobjekt kann drehsymmetrisch zur Achse sein, wie z. B. eine Scheibe, ein Ring, ein Zylinder, eine Kugel oder eine andere Struktur, die sich um eine Drehachse dreht und es ermöglicht, die Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife zu bilden. Das drehbare Zielobjekt kann z. B. ein Rad, ein Radkranz, ein Zahnrad, eine Welle usw. sein.
Eine mm-Welle wird auf das drehbare Zielobjekt abgestrahlt und an der Oberfläche desselben reflektiert oder durch dasselbe hindurch gesendet und von einem Empfänger empfangen. Je nach Frequenz und Abstand zwischen den Antennen kann es zu einer Fernfeld- oder einer Nahfeldkopplung kommen. Reflexionsvermögen- und Durchlassvermögen-Messungen können kombiniert werden. Die Beziehung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal wird im Hinblick auf die Eigenschaften des Metamaterials ausgewertet, das in Abhängigkeit vom Drehwinkel modifiziert wird. Da sich mehrere Metamaterialeigenschaften gleichzeitig ändern, sind auch mehrere mm-Wellenparameter der empfangenen Signale von dem Drehwinkel abhängig. Zwei oder mehr mm-Wellen-Parameter desselben Empfangssignals oder verschiedener Empfangssignale können gleichzeitig ausgewertet werden, um die Drehposition zu unterscheiden. Ebenso kann ein einzelner Parameter von zwei oder mehr Empfangssignalen ausgewertet werden, um die Drehposition zu unterscheiden. Folglich kann eine Messung aller relevanten Variationen zur Verbesserung der Eindeutigkeit der Winkelbestimmung genutzt werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Metamaterialeigenschaft nach einem periodischen Muster von 360°, 360°/N oder 360°/M zu verändern. Es ist auch klar, dass ein Drehsegment von weniger als 360° angewendet werden kann. So können beispielsweise Anwendungen, die begrenzte Winkelbereiche messen (z. B. Drosselklappe, Fahrgestellniveau, Gaspedal), ebenfalls verwendet werden. In diesen Fällen muss das Zielmuster nicht 360° periodisch sein, sondern das Muster kann sich einfach von einem Minimalwert zu einem Maximalwert über den verwendeten Winkelbereich (z. B. 45°, 60°, 90°, 180° usw.) ändern. Daraus folgt natürlich, dass das Zielobjekt auch keine vollständige Scheibe sein muss und auf ein Segment reduziert sein kann.
Die folgenden verschiedenen Varianten können verwendet werden, um das Verhalten des Metamaterials entlang einer Drehrichtung zu verändern. Zusätzlich zu den 2A-2C zeigen die 6A-6G verschiedene Anordnungen oder Muster von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
6A ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 601 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen Geteilter-Ring-Resonatoren 61a-64a, wobei die Strukturen in jeder Reihe die gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben. Die Strukturen in verschiedenen Reihen haben jedoch unterschiedliche Konfigurationen.
Ein periodisches Muster von 360°, 360°/N oder 360°/M kann verwendet werden, um die Kopplungskapazität der Geteilter-Ring-Resonatoren entlang der Drehrichtung zu ändern. Zum Beispiel kann die Kopplungskapazität in der Drehrichtung erhöht (oder verringert) werden. Hier wird dies erreicht, indem die Länge der Leitungen innerhalb der Öffnung des Geteilter-Ring-Resonators vergrößert (oder verkleinert) wird, was zu einer schrittweisen und kontinuierlichen Zunahme (oder Abnahme) der Kopplungskapazität in Drehrichtung führt. Diese Änderung der Kopplungskapazität entlang der Drehrichtung (d. h. entlang des Umfangs der Metamaterialspur) verschiebt die Resonanzfrequenz so, dass die Änderung der Phasenverschiebung oder der Amplitude des Empfangssignals gegenüber dem Sendesignal gemessen werden kann. Jeder Phasenverschiebungswert oder Amplitudenwert kann für eine absolute Winkelposition (d. h. einen Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts spezifisch sein, wenn das Muster 360° periodisch ist. Jeder Phasenverschiebungs- oder Amplitudenwert kann für einen Winkelwert innerhalb einer 360°/N- oder 360°/M-Periode spezifisch sein, aber nicht bestimmend für eine absolute Winkelposition (d. h. einen Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts über 360°, wenn mehrere Perioden in einer Umdrehung codiert werden (d. h., wenn N oder M größer als eins ist). Beispielsweise kann eine gleiche Phasenverschiebung oder ein gleicher Amplitudenwert bei 180° und 360° auftreten, wenn N=2.
6B ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 602 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen von Geteilter-Ring-Resonatoren 61b-64b, wobei die Strukturen in jeder Reihe die gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben. Die Strukturen in verschiedenen Reihen haben jedoch verschiedene Ausrichtungen.
Somit werden die Geteilter-Ring-Resonatoren 61 b-64b auf der Oberfläche des Zielobjekts in unterschiedlichem Ausmaß entlang der Drehrichtung inkremental gedreht oder geschwenkt (z. B. im oder gegen den Uhrzeigersinn). Infolgedessen haben die Strukturen in jeder Reihe eine andere Winkel- oder Radialausrichtung (d. h. eine Ausrichtung in Bezug auf den Radialvektor) als die Strukturen in den benachbarten Reihen, was zu einer schrittweisen und kontinuierlichen Zunahme (oder Abnahme) der Kopplungskapazität in der Drehrichtung führt. Dies macht das Metamaterial empfindlich für eine Polarisation der mm-Welle und verändert insbesondere die Empfindlichkeit gegenüber der elektrischen Feldkomponente der gesendeten Welle, die sich entlang der Drehrichtung 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. einen Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts ist.
6C ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 603 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen von Geteilter-Ring-Resonatoren 61 c, wobei die Strukturen im gesamten Array die gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben.
Hier wird die gegenseitige kapazitive Kopplung der Strukturen schrittweise und kontinuierlich in der Drehrichtung verändert, indem die Abstände d1, d2, d3 usw. zwischen den Strukturen entlang der Drehrichtung vergrößert oder verkleinert werden. Somit liegen die oberen Reihen näher beieinander als die unteren Reihen des Arrays. Dadurch wird die Kapazität zwischen den Strukturen periodisch über 360°, 360°/N oder 360°/M skaliert.
6D ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 604 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen von Geteilter-Ring-Resonatoren 61 d-64d, wobei die Strukturen in jeder Reihe die gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben. Die Strukturen in verschiedenen Reihen haben jedoch unterschiedliche Konfigurationen.
In diesem Fall wird eine induktive Kopplung durch Verkleinerung oder Vergrößerung des Schleifenbereichs entlang der Drehrichtung skaliert. Beispielsweise ändert sich die Schleifengröße aufeinanderfolgender Reihen schrittweise entlang der Drehrichtung. Somit ist die Schleifengröße der Geteilter-Ring-Resonatoren 61 d größer als die Schleifengröße der Geteilter-Ring-Resonatoren 62d, die wiederum größer als die Schleifengröße der Geteilter-Ring-Resonatoren 63d ist, und so weiter. Dies führt auch zu einer Veränderung des Abstands zwischen den Strukturen in der Richtung senkrecht zur Drehrichtung, was die kapazitive Kopplung weiter verändern kann. Dadurch wird die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen in einer Weise skaliert, die über 360°, 360°/N oder 360°/M periodisch ist.
6E ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 605 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen von Geteilter-Ring-Resonatoren 61e, wobei die Strukturen im gesamten Array eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Drehrichtung geändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Drehrichtung schrittweise und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
Beispielsweise kann jede aufeinanderfolgende Reihe von Strukturen dichter oder weniger dicht besetzt sein als eine vorhergehende Reihe von Strukturen. Beispielsweise kann jede Position in einer ersten Reihe mit einer Struktur besetzt sein, die eine erste (volle) Dichte von Strukturen in dieser Reihe bildet. In einer zweiten Reihe ist weniger als jede Position von einer Struktur besetzt, die eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Reihe bildet, die weniger dicht ist als die erste Dichte. In einer dritten Reihe wird weniger als jede Position von einer Struktur besetzt, die eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Reihe bildet, die weniger dicht ist als die zweite Dichte, und so weiter. Dadurch wird die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen in einer Weise skaliert, die über 360°, 360°/N oder 360°/M periodisch ist.
6F ist eine schematische Darstellung eines Arrays von Elementarstrukturen 606 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Reihen Geteilter-Ring-Resonatoren 61f, wobei die Strukturen im gesamten Array eine gleiche Konfiguration und Ausrichtung haben. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Drehrichtung geändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Drehrichtung schrittweise und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
Bei diesem Beispiel kann ein seitlicher Abstand zwischen den Strukturen in jeder aufeinanderfolgenden Reihe in der Drehrichtung verändert werden, indem der Abstand zwischen den Strukturen entlang der Drehrichtung vergrößert oder verkleinert wird. So kann beispielsweise jede Position in einer ersten Reihe von einer Struktur besetzt sein, die eine erste (vollständige) Dichte von Strukturen in dieser Reihe bildet. In einer zweiten Reihe ist der Abstand zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu dem Abstand zwischen benachbarten Strukturen in der ersten Reihe vergrößert, wodurch eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Reihe entsteht, die weniger dicht ist als die erste Dichte. In einer dritten Reihe ist der Abstand zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu dem Abstand zwischen benachbarten Strukturen in der zweiten Reihe vergrößert, wodurch eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Reihe entsteht, die weniger dicht ist als die zweite Dichte, und so weiter.
6G ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 607 einer Metamaterialspur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier ist das Array ein heterogenes Array aus gemischten unterschiedlichen Strukturen, so dass die Strukturtypen, die das Array besetzen, in verschiedenen Anordnungen in dem Array variiert ist. In diesem Fall werden zwei verschiedene Arten von Strukturen 61g und 62g in einem Muster verwendet, das die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen schrittweise und kontinuierlich in einer Weise verändert, die über 360°, 360°/N oder 360°/M periodisch ist. Es wird klar, dass auch zwei oder mehr Arten von Strukturen verwendet werden können, um das heterogene Array zu bilden.
Hinsichtlich der obigen Beispiele erfolgt die Skalierung einer Metamaterialeigenschaft mit einem Muster von Strukturen, das sich vollständig und kontinuierlich um den Umfang des drehbaren Ziels oder entlang des Umfangs der Metamaterialspur wiederholt oder ändert, so dass eine Änderung des Reflexionsvermögens und/oder Durchlassvermögens einem periodischen Muster von 360°, 360°/N oder 360°/M folgt, wobei das Reflexionsvermögen und/oder Durchlassvermögen für jeden diskreten Winkel einzigartig ist, wenn das Muster 360° periodisch ist.
Ähnliche Prinzipien wie oben beschrieben gelten auch für ein lineares Positionssensorsystem. Insbesondere 7A und 7B stellen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf ein lineares Positionssensorsystem 701 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. In diesem Fall ist ein linear bewegbares Zielobjekt 70 dazu konfiguriert, sich in einer linearen Bewegungsrichtung auf einer linearen Achse 71 linear zu bewegen. Drei mm-Wellen-Metamaterialspuren 73-75 sind mit dem linear bewegbaren Zielobjekt 70 gekoppelt, so dass sich die mm-Wellen-Metamaterialspuren 73-75 jeweils in Längsrichtung entlang der linearen Bewegungsrichtung erstrecken.
Die mm-Wellen-Metamaterialspur 73 besteht aus einem ersten Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik, die sich entlang der mm-Wellen-Metamaterialspur in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang der mm-Wellen-Metamaterialspur bei den vorhergehenden Beispielen im Zusammenhang mit der Erfassung der Drehposition ändert. Die Elementarstrukturen der mm-Wellen-Metamaterialspur 73 können zum Beispiel ein periodisches Muster von L/N aufweisen, bei dem sich die Charakteristik-Änderung N-mal über die Länge L der mm-Wellen-Metamaterialspur wiederholt. N kann eine Ganzzahl gleich oder größer als eins sein. Die Länge L der mm-Wellen-Metamaterialspur 73 kann auch der Länge des linear bewegbaren Zielobjekts 70 oder einem Bereich der linearen Bewegung entsprechen, die das linear bewegbare Zielobjekt 70 erfährt. Die mm-Wellen-Metamaterialspur 73 erzeugt ein Empfangssignal A (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl auf das beleuchtete Segment 73i der Spur auftrifft. Das Empfangssignal A hat einen oszillierenden Signalverlauf, z. B. ähnlich den in 4 dargestellten Signalverläufen, wobei die Anzahl der Signalperioden über die Länge L von N abhängt.
Die mm-Wellen-Metamaterialspur 74 besteht aus einem zweiten Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik, die sich entlang der mm-Wellen-Metamaterialspur in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang der mm-Wellen-Metamaterialspur bei den vorhergehenden Beispielen im Zusammenhang mit der Erfassung der Drehposition ändert. Die Elementarstrukturen der mm-Wellen-Metamaterialspur 74 können beispielsweise ein periodisches Muster von L/N aufweisen, bei dem sich die Charakteristik-Änderung N-mal über die Länge L der mm-Wellen-Metamaterialspur wiederholt. N kann eine Ganzzahl gleich oder größer eins sein. Die mm-Wellen-Metamaterialspur 74 erzeugt ein Empfangssignal B (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl auf das beleuchtete Segment 74i der Spur auftrifft. Das periodische Muster der mm-Wellen-Metamaterialspur 74 kann in der linearen Bewegungsrichtung relativ zu dem periodischen Muster der mm-Wellen-Metamaterialspur 73 linear verschoben sein, so dass das Empfangssignal B in Bezug auf das Empfangssignal A um 90° verschoben ist.
Die mm-Wellen-Metamaterialspur 75 besteht aus einem dritten Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik, die sich entlang der mm-Wellen-Metamaterialspur in der linearen Bewegungsrichtung ändert, ähnlich der Art und Weise, wie sich die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen um den Umfang der mm-Wellen-Metamaterialspur bei den vorhergehenden Beispielen im Zusammenhang mit der Erfassung der Drehposition ändert. Die Elementarstrukturen der mm-Wellen-Metamaterialspur 75 können beispielsweise ein einziges periodisches Muster aufweisen, das sich über die Länge L der mm-Wellen-Metamaterialspur erstreckt, so dass das Reflexionsvermögen und/oder Durchlassvermögen der Spur für jede diskrete lineare Position einzigartig ist. Somit ist die Konfiguration des Arrays von Elementarstrukturen für eine lineare Position der mm-Wellen-Metamaterialspur auf dem linear bewegbaren Zielobjekt 70 eindeutig.
Die mm-Wellen-Metamaterialspur 75 erzeugt ein Empfangssignal R (z. B. ein Reflexionssignal), wenn ein mm-Wellenstrahl auf das beleuchtete Segment 75i der Spur auftrifft. Da nur eine Signalperiode der Charakteristik-Änderung auf der Spur 75 codiert ist, ist die Phasenverschiebung und/oder Amplitudenverschiebung des Empfangssignals R eindeutig auf die absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 zurückzuführen.
Das lineare Positionssensorsystem 701 umfasst außerdem zumindest eine Kombination aus einem Sende/Empfangsgerät, einem Sender und/oder einem Empfänger. Beispielsweise kann das lineare Positionssensorsystem 701 ein Sende/Empfangsgerät 41 mit einer Sendeantenne 401 umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Sendesignal) auf der Metamaterialspur 73 zu senden. Das Sende/Empfangsgerät 41 umfasst auch eine Empfangsantenne 402, die dazu konfiguriert ist, eine teil reflektierte mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Empfangssignal A) von der Metamaterialspur 73 zu empfangen.
Alternativ kann das lineare Positionssensorsystem 701 einen Empfänger 44 umfassen, der eine Empfangsantenne 408 enthält, die dazu konfiguriert ist, eine teilweise gesendete mm-Welle (d. h. ein elektromagnetisches Empfangssignal A) als Ergebnis davon empfängt, dass die gesendete mm-Welle mit der Metamaterialspur 73 in Wechselwirkung tritt (d. h. teilweise von derselben absorbiert und durch dieselbe übertragen wird). Zusätzliche Sende/Empfangsgeräte, Sender und/oder Empfänger werden zum Senden an und Empfangen von den anderen Metamaterialspuren 74 und 75 auf ähnliche Weise verwendet, wie oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben.
Die Empfängerschaltungsanordnung (z.B., DSP 406) entweder an dem Sende/Empfangsgerät 41 oder an dem Empfänger 44 ist dazu konfiguriert, das elektromagnetische Empfangssignal A zu empfangen und eine lineare Geschwindigkeit des linear bewegbaren Zielobjekts 70 basierend auf dem empfangenen elektromagnetischen Signal A zu bestimmen. Insbesondere ist die mm-Wellen-Metamaterialspur 73 dazu konfiguriert, das elektromagnetische Sendesignal zu modifizieren, wodurch das elektromagnetische Empfangssignal A mit einer Eigenschaft erzeugt wird, die für die lineare Position der mm-Wellen-Metamaterialspur, auf die das elektromagnetische Sendesignal auftrifft, einzigartig ist, und zumindest ein Prozessor ist dazu konfiguriert, die Eigenschaft des empfangenen elektromagnetischen Empfangssignals A auszuwerten und die lineare Geschwindigkeit des linear bewegbaren Zielobjekts basierend auf der ausgewerteten Eigenschaft zu bestimmen.
Die Empfängerschaltungsanordnung (z.B. DSP 406) entweder an dem Sende/Empfangsgerät 42 oder an dem Empfänger 46 ist dazu konfiguriert, das elektromagnetische Empfangssignal B zu empfangen und eine lineare Bewegungsrichtung des linear bewegbaren Zielobjekts 70 basierend auf den empfangenen elektromagnetischen Signalen A und B und insbesondere basierend auf der positiven oder negativen Phasenverschiebung derselben zu bestimmen.
Die Empfängerschaltungsanordnung (z. B. DSP 406) entweder an dem Sende/Empfangsgerät 43 oder an dem Empfänger 47 ist dazu konfiguriert, das elektromagnetische Empfangssignal R zu empfangen und eine absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 basierend auf dem empfangenen elektromagnetischen Signal R gemäß einer eindeutigen Phasenverschiebung und/oder Amplitudenverschiebung zu bestimmen, die der linearen Position des linear bewegbaren Zielobjekts 70 entspricht.
Ähnliche Prinzipien wie oben beschrieben gelten auch für ein Wellenende-Sensorsystem für Drehzahl-, Richtungs- und Positions-Messungen. Insbesondere 8A und 8B stellen schematische Ansichten eines Wellenende-Drehsensorsystems 801 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. 8A ist eine Seitenansicht und 8B ist eine dem Ende zugewandte Ansicht einer Welle 32. Ein mm-Metamaterialarray 81 ist auf einem drehbaren Zielobjekt 80 angeordnet, das an einem Ende 82 der Welle 32 befestigt ist. Das mm-Metamaterialarray 81 kann ein kreis- oder scheibenförmiges Array von Elementarstrukturen sein, das konzentrisch zu der Drehachse 31 ist.
Das Wellenende-Drehsensorsystem 801 umfasst zwei Sende/Empfangsgeräte 41 und 42, die mit jeweiligen mm-Strahlen (d.h. elektromagnetischen Sendesignalen) auf unterschiedliche Segmente des mm-Metamaterialarrays 81 zielen. Insbesondere sind die beiden Sende/Empfangsgeräte 41 und 42 in unterschiedlichen radialen Abständen von der Drehachse 31 angeordnet und zielen daher auf unterschiedliche konzentrische Spuren innerhalb des mm-Metamaterialarrays 81. Auf beiden konzentrischen Spuren können eine oder mehrere Perioden von Charakteristik-Änderungen codiert sein.
Die beiden Sende/Empfangsgeräte 41 und 42 empfangen jeweils elektromagnetische Sendesignale, die von den Elementarstrukturen des Arrays 81 moduliert und von den Empfängerschaltungen verarbeitet werden. Unter Verwendung ähnlicher, oben beschriebener Prinzipien kann die Empfängerschaltungsanordnung die beiden Empfangssignale miteinander vergleichen, um eine eindeutige Winkelposition (d.h. eine absolute Winkelposition) des drehbaren Zielobjekts 80 oder der Welle 32 sowie die Drehrichtung durch Analyse der Phasenverschiebung oder der Differenz in der Amplitude oder der Differenz bei der Resonanzfrequenz zwischen denselben zu identifizieren (d.h. ob die Phasenverschiebung positiv oder negativ ist oder die Differenz zwischen den Amplituden positiv oder negativ ist oder die Differenz bei der Resonanzfrequenz positiv oder negativ ist). Darüber hinaus kann die Empfängerschaltungsanordnung eines der Empfangssignale zur Bestimmung der Drehzahl verwenden, wie es oben beschrieben ist.
Wenn eine der konzentrischen Spuren ein periodisches Muster von 360° aufweist, so dass eine einzige Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der Spur codiert ist, kann die Empfängerschaltung auch die Phase und/oder Amplitude des Empfangssignals mit der Phase und/oder Amplitude des gesendeten Trägersignals vergleichen, um die absolute Winkelposition der entsprechenden Metamaterialspur abzuleiten. Eine bestimmte Änderung der Phase oder Amplitude relativ zu dem Trägersignal (d. h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) kann der absoluten Winkelposition der entsprechenden Metamaterialspur entsprechen.
Um den Vergleich zu vereinfachen, kann auf beiden Spuren die gleiche Anzahl von Perioden codiert sein, wobei eine einzige Periode die größte Flexibilität bei der Berechnung von Drehgeschwindigkeit, Richtung und absoluter Winkelposition unter Verwendung von zwei Sende/Empfangsgeräten bereitstellt.
Es wird auch klar, dass zusätzliche Sende/Empfangsgeräte hinzugefügt werden können, um zusätzliche Empfangssignale (z.B. drei oder mehr Empfangssignale) zu erzeugen, die auf jede hierin beschriebene Weise verarbeitet werden können, um die Drehgeschwindigkeit, Richtung und absolute Winkelposition zu berechnen.
9A und 9B stellen schematische Ansichten eines Wellenende-Drehsensorsystems 901 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. 9A ist eine Seitenansicht und 9B ist eine dem Ende zugewandte Ansicht einer Welle 32. Das Wellenende-Drehsensorsystem 901 verwendet drei getrennte Metamaterialspuren 33, 34 und 35, wie in ähnlicher Weise in den 3A-3C beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Metamaterialspuren 33, 34 und 35 an dem Ende 82 der Welle 32 angeordnet sind. Somit gelten hier ähnliche Grundsätze wie oben beschrieben.
Es wird auch klar, dass zusätzliche Sende/Empfangsgeräte hinzugefügt werden können, um zusätzliche Empfangssignale (z.B. vier oder mehr Empfangssignale) zu erzeugen, die auf jede hierin beschriebene Weise verarbeitet werden können, um die Drehgeschwindigkeit, Richtung und absolute Winkelposition zu berechnen.
Gemäß einem Verfahren zum Bestimmen zumindest eines Drehparameters eines drehbaren Zielobjekts umfasst das Verfahren das Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals zu einer ersten Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um eine Drehachse angeordnet ist, um die sich das drehbare Zielobjekt dreht; Senden eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals zu einer zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um die Drehachse angeordnet ist; Senden eines dritten elektromagnetischen Sendesignals zu einer dritten mm-Wellen-Metamaterialspur, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um die Drehachse angeordnet ist; Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste mm-Wellen-Metamaterialspur; Umwandeln des zweiten elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur; Umwandeln des dritten elektromagnetischen Sendesignals in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal durch die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur; Auswerten des ersten, des zweiten und des dritten elektromagnetischen Empfangssignals durch zumindest einen Prozessor; Bestimmen einer Drehgeschwindigkeit des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal durch den zumindest einen Prozessor; Bestimmen, durch den zumindest einen Prozessor, einer Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal; und Bestimmen einer absoluten Winkelposition des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal durch den zumindest einen Prozessor.
Darüber hinaus umfasst bei dem Verfahren die erste mm-Wellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Elementarstrukturen mit einem periodischen Muster von 360°/N, das sich schrittweise um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, wobei N eine Ganzzahl größer 1 ist, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur umfasst ein zweites Array von Elementarstrukturen mit dem periodischen Muster von 360°/N, das sich kontinuierlich um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, so dass N Perioden der Charakteristik-Änderung um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur umfasst ein drittes Array von Elementarstrukturen mit einem periodischen Muster von 360°, das sich kontinuierlich um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, so dass eine einzige Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist, und das periodische Muster von 360°/N des zweiten Arrays von Elementarstrukturen ist um die Drehachse in Bezug auf das periodische Muster von 360°/N des ersten Arrays von Elementarstrukturen gedreht, so dass das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
Auch wenn verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen im Rahmen der Offenbarung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt werden, außer hinsichtlich der angehängten Ansprüche und deren Äquivalente. In Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Referenz auf ein „Mittel“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, sofern nicht anders angegeben, jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d. h. die funktionell äquivalent ist), auch wenn dieselbe nicht strukturell äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführt.
Darüber hinaus werden die folgenden Ansprüche in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als separates Ausführungsbeispiel stehen kann. Während jeder Anspruch für sich allein als separates Ausführungsbeispiel stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in einen anderen unabhängigen Anspruch einzubeziehen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Es ist ferner zu beachten, dass die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offengelegten Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die über Mittel zur Durchführung jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren verfügt.
Ferner ist klar, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offengelegt werden, nicht so ausgelegt werden kann, dass dieselben in einer bestimmten Reihenfolge liegen. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, es sei denn, solche Schritte oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder in mehrere Teilschritte unterteilt sein. Solche Teilschritte können in die Offenbarung des einzelnen Schritts einbezogen sein, sofern dieselben nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken in einem oder mehreren Prozessoren implementiert werden, einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, digitaler Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC) oder anderer gleichwertiger integrierter oder diskreter Logikschaltungsanordnung sowie beliebiger Kombinationen solcher Komponenten. Der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnung“ kann sich im Allgemeinen auf jede der vorgenannten Logikschaltungsanordnungen beziehen, allein oder in Kombination mit anderen Logikschaltungsanordnungen oder anderen äquivalenten Schaltungsanordnungen. Eine Steuereinheit mit Hardware kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Solche Hardware, Software und Firmware können in derselben Vorrichtung oder in separaten Vorrichtungen implementiert sein, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte erreichen, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es wird für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Es ist klar, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläutert werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch wenn diese nicht ausdrücklich erwähnt sind. Derartige Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente abgedeckt sein.

Claims

Drehsensorsystem (300A, 300B), das folgende Merkmale aufweist: ein drehbares Zielobjekt (30), das dazu konfiguriert ist, sich in einer Drehrichtung um eine Drehachse (31) zu drehen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; einen ersten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, einen Drehparameter des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 1, bei dem eine radiale Ausrichtung der Fano-Resonanz-Elementarstrukturen oder ein Parameter der Fano-Resonanz-Elementarstrukturen sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur inkremental ändert, so dass zumindest eine Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem sich eine Ausrichtung der Fano-Resonanz-Elementarstrukturen um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur inkremental ändert, so dass eine Mehrzahl von Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede der Fano-Resonanz-Elementarstrukturen des ersten Arrays von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen eine erste Struktur und eine zweite Struktur umfasst, die von der ersten Struktur um einen ersten Zwischenraum und einen zweiten Zwischenraum getrennt ist, wobei die Medianlängen der ersten Struktur und der zweiten Struktur unterschiedlich sind oder die Medianlängen des ersten Zwischenraums und des zweiten Zwischenraums unterschiedlich sind.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest eine erste Charakteristik eine mm-Wellen-Eigenschaft der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur beeinträchtigt, so dass die mm-Wellen-Eigenschaft der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 5, bei dem die zumindest eine erste Charakteristik, die sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, zumindest einen Kopplungseffekt zwischen den Fano-Resonanz-Elementarstrukturen des ersten Arrays von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen bewirkt, um sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich zu ändern.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, wobei N eine Ganzzahl größer Null ist.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt (30) gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse (31) angeordnet ist, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, wobei das erste Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein erstes periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, wobei N eine Ganzzahl größer eins ist und wobei das zweite Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein zweites periodisches Muster von 260°/N aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, wobei das zweite periodische Muster von 360°/N in Bezug auf das erste periodische Muster von 360°/N verschoben ist, so dass die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal erzeugt, das in Bezug auf das erste elektromagnetische Empfangssignal 90° phasenverschoben ist.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 8, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal auf der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in das zweite elektromagnetische Empfangssignal umwandelt, zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das zweite elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 8 oder 9, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine dritte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt (30) gekoppelt ist, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse (31) angeordnet ist, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur ein drittes Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen mit zumindest einer dritten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, wobei das dritte Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360° aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 10, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal auf der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; einen dritten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein drittes elektromagnetisches Sendesignal auf der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei der zumindest eine Empfänger dazu konfiguriert ist, das zweite elektromagnetische Empfangssignal und das dritte elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen und der zumindest eine Prozessor dazu konfiguriert ist, eine Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen und eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Drehparameter eine Drehgeschwindigkeit des drehbaren Ziels ist.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem jede Fano-Resonanz-Struktur eine asymmetrische Charakteristik aufweist und eine erste Struktur, die eine erste Stromverteilung aufweist, und eine zweite Struktur umfasst, die eine zweite Stromverteilung aufweist, die in Gegenphasigkeit zu der ersten Stromverteilung fließt, wobei die erste Struktur und die zweite Struktur vollständig voneinander getrennt sind, wobei die erste Stromverteilung ein erstes elektromagnetisches Feld erzeugt und die zweite Stromverteilung ein zweites elektromagnetisches Feld erzeugt, und wobei das erste elektromagnetische Feld und das zweite elektromagnetische Feld einander teilweise aufheben, was zu einer schwachen Kopplung mit dem freien Raum führt.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt (30) gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse (31) angeordnet ist, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, wobei das erste Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, wobei N eine Ganzzahl größer eins ist und wobei das zweite Array von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360° aufweist, das sich in diskreten Inkrementen um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, so dass eine einzelne Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Sender, der dazu konfiguriert ist, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal auf der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei der zumindest eine Empfänger dazu konfiguriert ist, das zweite elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen und der zumindest eine Prozessor dazu konfiguriert ist, eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Drehsensorsystem, das folgende Merkmale aufweist: ein drehbares Zielobjekt (30), das dazu konfiguriert ist, sich in einer Drehrichtung um eine Drehachse (31) zu drehen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; und eine dritte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur ein drittes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer dritten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 16, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine vierte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die vierte mm-Wellen-Metamaterialspur um die Drehachse angeordnet ist, und wobei die vierte mm-Wellen-Metamaterialspur ein viertes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer vierten Charakteristik aufweist, die sich um einen Umfang der vierten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert, zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, zumindest eine der ersten, zweiten, dritten und vierten mm-Wellen-Metamaterialspur zu verwenden, um eine Drehgeschwindigkeit des drehbaren Zielobjekts zu messen, und selektiv Empfangssignale von entweder der ersten und der zweiten der mm-Wellen-Metamaterialspuren oder der dritten und der vierten der mm-Wellen-Metamaterialspuren zu verarbeiten, basierend auf der gemessenen Drehgeschwindigkeit zum Messen von zumindest einem Drehparameter des drehbaren Zielobjekts.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 17, bei dem: das erste Array von Elementarstrukturen ein erstes periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, wobei N eine Ganzzahl größer eins ist, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, das zweite Array von Elementarstrukturen ein zweites periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, das dritte Array von Elementarstrukturen ein erstes periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, wobei N eine Ganzzahl größer Null ist, so dass eine oder mehrere Perioden der Charakteristik-Änderung um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, wobei M und N unterschiedliche Ganzzahlen sind, das vierte Array von Elementarstrukturen ein zweites periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der vierten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, so dass eine oder mehrere Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der vierten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, das zweite periodische Muster von 360°/N in Bezug auf das erste periodische Muster von 360°/N verschoben ist und das zweite periodische Muster von 360°/N in Bezug auf das erste periodische Muster von 360°/N verschoben ist.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die erste, die zweite und die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur konzentrisch miteinander und mit der Drehachse (31) sind.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem: das erste Array von Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, wobei N eine Ganzzahl größer eins ist, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, das zweite Array von Elementarstrukturen das periodische Muster von 360°/N aufweist, das sich um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, das dritte Array von Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360° aufweist, das sich um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, so dass eine einzelne Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist und das periodische Muster von 360°/N des zweiten Arrays von Elementarstrukturen in Bezug auf das periodische Muster von 360°/N des ersten Arrays von Elementarstrukturen um die Drehachse gedreht ist, so dass das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 20, bei dem: das erste, das zweite und das dritte Array von Elementarstrukturen ein periodisches Muster von 360° aufweisen, das sich um den Umfang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur kontinuierlich ändert, so dass eine einzelne Periode einer Charakteristik-Änderung um den Umfang von jeder der ersten, der zweiten, der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist und das periodische Muster von 360° des zweiten Arrays von Elementarstrukturen in Bezug auf das periodische Muster von 360° des ersten Arrays von Elementarstrukturen um die Drehachse gedreht ist, so dass das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, das ferner folgende Merkmale aufweist: zumindest einen Sender, der dazu konfiguriert ist, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal zu der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur und ein drittes elektromagnetisches Sendesignal zu der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt und die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste, das zweite und das dritte elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine Drehgeschwindigkeit des drehbaren Objekts basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen, eine Drehrichtung des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen und eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Drehsensorsystem gemäß Anspruch 22, bei dem: die erste mm-Wellen-Metamaterialspur dazu konfiguriert ist, das erste elektromagnetische Sendesignal zu modifizieren, wodurch das erste elektromagnetische Empfangssignal mit einer ersten Eigenschaft erzeugt wird, die einem erstem beleuchtetem Segment der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur entspricht, auf das das erste elektromagnetische Sendesignal auftrifft, die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur dazu konfiguriert ist, das zweite elektromagnetische Sendesignal zu modifizieren, wodurch das zweite elektromagnetische Empfangssignal mit einer zweiten Eigenschaft erzeugt wird, die einem zweiten beleuchteten Segment der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur entspricht, auf das das zweite elektromagnetische Sendesignal auftrifft, die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur dazu konfiguriert ist, das dritte elektromagnetische Sendesignal zu modifizieren, wodurch das dritte elektromagnetische Empfangssignal mit einer dritten Eigenschaft erzeugt wird, die einmalig ist für ein drittes beleuchtetes Segment der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur, auf die das dritte elektromagnetische Sendesignal auftrifft, wobei das erste, das zweite und das dritte beleuchtete Segment entlang einer Radialrichtung des drehbaren Zielobjekts linear angeordnet sind.
Drehsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine Welle (32), die mit dem drehbaren Zielobjekt (30) gekoppelt ist, wobei sich die Welle entlang der Drehachse (31) erstreckt, wobei die erste, die zweite und die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur jeweils eine entsprechende geschlossene Schleife um die Welle bilden.
Verfahren zum Bestimmen zumindest eines Drehparameters eines drehbaren Zielobjekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals zu einer ersten Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur von Fano-Resonanz-Elementarstrukturen, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur mit dem drehbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur in einer geschlossenen Schleife um eine Drehachse angeordnet ist, um die sich das drehbare Zielobjekt dreht; Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste mm-Wellen-Metamaterialspur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Auswerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen eines Drehparameters des drehbaren Zielobjekts basierend auf dem ausgewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Lineares Positionssensorsystem (701), das folgende Merkmale aufweist: ein linear bewegbares Zielobjekt (70), das dazu konfiguriert ist, sich in einer linearen Bewegungsrichtung linear zu bewegen; eine erste Millimeterwellen(mm-Wellen)-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die erste mm-Wellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur ein erstes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer ersten Charakteristik aufweist, die sich entlang der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur in der linearen Bewegungsrichtung ändert; eine zweite mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur ein zweites Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer zweiten Charakteristik aufweist, die sich entlang einer Länge der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur parallel zu der linearen Bewegungsrichtung ändert; eine dritte mm-Wellen-Metamaterialspur, die mit dem linear bewegbaren Zielobjekt gekoppelt ist, wobei sich die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur in Längsrichtung parallel zu der linearen Bewegungsrichtung erstreckt, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur ein drittes Array von Elementarstrukturen mit zumindest einer dritten Charakteristik aufweist, die sich entlang einer Länge der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur ändert; zumindest einen Sender, der dazu konfiguriert ist, ein erstes elektromagnetisches Sendesignal zu der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur, ein zweites elektromagnetisches Sendesignal zu der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur und ein drittes elektromagnetisches Sendesignal zu der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur zu senden, wobei die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, wobei die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt, und wobei die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umwandelt; zumindest einen Empfänger, der dazu konfiguriert ist, das erste, das zweite und das dritte elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, eine lineare Geschwindigkeit, eine Bewegungsrichtung und eine absolute lineare Position des linear bewegbaren Zielobjekts basierend auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Lineares Positionssensorsystem (701) gemäß Anspruch 26, bei dem: das erste elektromagnetische Sendesignal einen ersten Bereich der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur beleuchtet, das zweite elektromagnetische Sendesignal einen zweiten Bereich der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur beleuchtet und das dritte elektromagnetische Sendesignal einen dritten Bereich der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur beleuchtet und der erste, der zweite und der dritte Bereich in einer Richtung senkrecht zu der linearen Bewegungsrichtung linear angeordnet sind.
Lineares Positionssensorsystem (701) gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem: die erste mm-Wellen-Metamaterialspur das erste Array von Elementarstrukturen mit einem periodischen Muster von L/N aufweist, das sich entlang der Länge der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, wobei L die Länge der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur ist und N eine Ganzzahl größer eins ist, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung entlang der Länge der ersten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, die zweite mm-Wellen-Metamaterialspur das zweite Array von Elementarstrukturen mit einem periodischen Muster von L/N aufweist, das sich entlang der Länge der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, wobei L die Länge der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur ist und N eine Ganzzahl größer eins ist, so dass N Perioden einer Charakteristik-Änderung entlang der Länge der zweiten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert sind, die dritte mm-Wellen-Metamaterialspur das dritte Array von Elementarstrukturen mit einem einzigen periodischen Muster aufweist, das sich entlang der Länge der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur schrittweise ändert, so dass eine einzelne Periode einer Charakteristik-Änderung entlang der Länge der dritten mm-Wellen-Metamaterialspur codiert ist und das periodische Muster von L/N des zweiten Arrays von Elementarstrukturen in Bezug auf das periodische Muster von L/N des ersten Arrays von Elementarstrukturen linear verschoben ist, so dass das erste elektromagnetische Empfangssignal und das zweite elektromagnetische Empfangssignal eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.