DE10206160A1 - Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen beweglichen Einheiten - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen Einheiten, welche entlang vorgegebener Bahnen beweglich sind. DOLLAR A Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Sender zur Erzeugung elektrischer Signale, mindestens eine Leiteranordnung zur Führung der elektrischen Signale entlang der Bahn der Bewegung sowie mindestens einen Empfänger zur Auskopplung elektrischer Signale aus einer Leiteranordnung. Mindestens eine Leiteranordnung umfasst mindestens eine Leiterstruktur zur Leitung elektrischer Signale, eine dieser zugeordneten elektrische Bezugsfläche sowie mindestens ein Dielektrikum zwischen Leiterstruktur und Bezugsfläche. Ein solches Dielektrikum weist eine hohe Homogenität bzw. eine hohe Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur auf.

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.
• Der Übersichtlichkeit halber wird in diesem Dokument nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Erfindung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen hier die selben sind.
• Stand der Technik
• Bei linear beweglichen Einheiten wie Kran- und Förderanlagen und auch bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen ist es notwendig, zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen. Eine hierfür geeignete Vorrichtung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 12 958 A1 beschrieben. Das zu übertragende Signal wird hier in eine Streifenleitung der ersten Einheit, welche längs des Weges der Bewegung der gegeneinander beweglichen Einheiten angeordnet ist, eingespeist. Mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung wird das Signal von der zweiten Einheit abgegriffen. Eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung, wie sie beispielsweise in der WO 98/29919 beschrieben ist, basiert auf einer speziellen Leiterstruktur, welche gleichzeitig Filtereigenschaften besitzt. Mit derartige Strukturen lassen sich extrem breitbandige Übertragungssysteme im Bereich von einigen MHz bis GHz realisieren. In den folgenden Ausführungen bezieht sich der Begriff Leiterstrukturen auf alle denkbaren Formen von Leiterstrukturen, welche geeignet sind, elektrische Signale zu führen. Die Signale werden im Nahfeld der Leiterstruktur ausgekoppelt. Die Signalauskopplung soll im Idealfall ausschließlich im Bereich der zweiten Einheit erfolgen. Eine weitere Signalaussendung in anderen Bereichen der Leiterstruktur ist im Gegensatz zu den bekannten Leckleitungen meist unerwünscht, da die breitbandigen Signale zu Störungen in anderen Geräteteilen bzw. Geräten führen können.
• Die Konstruktions- und Dimensionierungsprinzipien von Leckleitungen, wie beispielsweise in der US 5,936,203 beschrieben, sind für diese Art von Leiterstrukturen nicht anwendbar. Leckleitungen sind gerade dafür ausgelegt, über die gesamte Länge einen bestimmten Anteil der geführten Hochfrequenzenergie nach außen abzustrahlen. Genau das soll aber hier vermieden werden.
• Technisch ähnlich mit der kontaktlosen Signalauskopplung ist auch die kontaktierende Signalauskopplung. Eine kontaktlose Auskopplung wird jedoch meist vorgezogen, da sie zuverlässiger und wartungsfrei ist.
• Die hier beschriebenen Leiterstrukturen können wahlweise kontaktierend oder auch kontaktlos ausgeführt werden. Dabei sind selbstverständlich Anpassungen entsprechend der Übertragungsaufgabe möglich. So kann eine Leiterstruktur zur kontaktierenden Übertragung eine besonders gut leitende Oberfläche, beispielsweise mit Silberbeschichtung aufweisen. Im Gegensatz hierzu kann eine Leiterstruktur zur kontaktlosen Übertragung mit einer Lackschicht auf der Oberfläche als Korrosionsschutz versehen sein. Die grundlegenden Prinzipien zur Ausgestaltung der Leiterstrukturen sind in diesen Fällen jedoch identisch. Eine besondere Ausführung einer kontaktierenden Übertragungseinrichtung ist in der US-Patentschrift 5,208,581 beschrieben. Hier ist auch ein unsymmetrisches Leitersystem beschrieben. Die Geometrie ist hier zwar symmetrisch, allerdings wird das Leitersystem mit einem unsymmetrischen Signal gespeist. Der Signalfluss erfolgt über den mittleren Leiter vom Sender zum Empfänger und teilweise über einen bzw. beide Außenleiter oder auch das Computertomographensystem selbst zurück. Die Bezugfläche ist hier das Gerät selbst. Die Geometrie der Bezugfläche ist hier nicht eindeutig symmetrisch ausgeführt. Aufgrund der unsymmetrischen Signale mit einem nicht eindeutig definierten Signalpfad und der undefinierten Bezugfläche strahlt dieses System hohe HF-Leistungen ab. Bereits mit Datenraten von 50 MBaud können die aktuellen EMV-Normen nicht mehr ohne zusätzliche, teure Schirmung eingehalten werden.
• Die hier zur Übertragung verwendeten Leiteranordnungen sind üblicherweise als Streifenleitungen bzw. Leiterstrukturen mittels doppelseitiger Leiterplatten aufgebaut. Als Träger und Dielektrikum dient üblicherweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Dieser Träger ist auf einer Seite mit einer durchgehenden Leiterfläche als elektrische Bezugsfläche bzw. Masse und auf der anderen Seite mit einem streifenförmigen Leiter bzw. der Leiterstruktur versehen.
• Zu den schwierigsten technischen Probleme bei derartigen Übertragungssystemen zählt das Erreichen einer hohen Störfestigkeit sowie einer niedrigen Abstrahlung. Um nun eine besonders störarme Signalübertragung zu erreichen werden beispielsweise zwei parallel laufende Leitungen bzw. Leiterstrukturen symmetrisch mit einem Differenzsignal gespeist. Dadurch wird zumindest bei Leiterabständen, die kleiner als die Wellenlänge sind, das Fernfeld näherungsweise zu null. Somit wird nur eine äußerst geringe Energie abgestrahlt. Im umgekehrten Falle wird bei einer unerwünschten Einkopplung elektromagnetischer Wellen von außen in beiden Leitern das gleiche Signal erzeugt. Dieses kann nun von einer Empfangsschaltung mit hoher Gleichtaktunterdrückung ausgefiltert werden. Wesentlich für eine hohe Störfestigkeit ist die Symmetrie der gesamten Anordnung.
• Um die Störfestigkeit zu erhöhen, kann normalerweise der Signalpegel des Senders nicht beliebig erhöht werden. Trotz hoher Symmetrie findet immer eine geringe Abstrahlung statt. Mit höherer Symmetrie wird die Abstrahlung geringer und die Signalpegel können weiter erhöht werden.
• Bei hohen Bandbreiten bzw. Datenraten im Bereich von einigen 100 MHz bis mehrere GHz treten nicht mehr vernachlässigbare Dämpfungen bzw. Verzerrungen der Signale auf. So wurden bei üblichen Leitermaterialien und einer Frequenz von 1 GHz Dämpfungen in der Größenordnung von 10 dB pro Meter gemessen. Dies führt bei großen Längen zu unakzeptablen Dämpfungen. Zudem besteht eine erhöhte Gefahr von Unsymmetrien. Oftmals werden die Leitungen bzw. Leiterstrukturen in Breiten von mehreren Millimetern bis Zentimetern gefertigt, so dass die mechanischen Toleranzen in der Bahn zwischen den bewegten Teilen durchaus einige Millimeter betragen können, ohne dass dabei die Signalübertragung beeinflusst wird. Derart breite Leiterstrukturen sind besonders empfindlich gegen Änderungen der Eigenschaften des Dielektrikums. Somit werden besonders hohe Anforderungen an die Homogenität des Dielektrikums gestellt, da Änderungen der Dicke, der Dielektrizitätskonstanten und auch des Verlustfaktors die Ausbreitung des Signals, die Symmetrie und auch die Abstrahleigenschaften beeinträchtigen. So muss das Dielektrikum über die Länge und insbesondere über die Breite der Anordnung sehr homogen sein. Standard- Leiterplattenmaterialien erfüllen diese Anforderungen bei weitem nicht. Auch spezielle Leiterplattenmaterialien, wie sie für Hochfrequenztechnik-Leiterplatten eingesetzt werden, sind hier oft ungeeignet. Beim üblichen Einsatz in Leiterplatten kleiner Geometrie wie beispielsweise 50 mm .50 mm und Streifenleitungen mit Breiten im Bereich von 1 mm sind die Streuungen der Materialeigenschaften kaum von Bedeutung. Geeignete, dem Stand der Technik entsprechende Materialien wie beispielsweise spezielle, besonders homogene Teflon- oder Keramikmaterialien sind problematisch in der Verarbeitung und sehr teuer. Das Hauptproblem bei derartigen Materialien ist allerdings, dass diese nicht in den geforderten großen Längen von einigen Metern verfügbar sind. Diese sind allenfalls in typischen Plattengrößen von 50 cm.50 cm lieferbar. Es müssten also neue Fertigungsprozesse zur Herstellung von Leiteranordnungen mit den zuvor beschriebenen hochwertigen Materialien in großen Längen entwickelt werden. Alternativ hierzu könnten kurze Segmente der Leiteranordnung der Länge nach miteinander verbunden werden. Die hierbei notwendigen Verbindungsstellen bzw. Lötstellen verursachen ein hohen Fertigungsaufwand, haben meist Reflexionen und Unsymmetrien am Ort der Verbindung zur Folge und reduzieren die Zuverlässigkeit der gesamten Leiteranordnung wesentlich.
• Eine Lösung, die diese Probleme von vorneherein vermeidet, ist in der US-Patentschrift 5,287,117 angegeben. Hierin wird die Leiteranordnung durch mehrere kleine Antennensegmente ersetzt. Diese können auf Leiterplatten kleiner Fläche mit hochwertigen Materialien hergestellt werden. Die Speisung über lange Distanzen kann mit hochwertigen Koaxialkabeln hoher Schirmung und niedriger Dämpfung erreicht werden. Allerdings ergibt sich auch hier durch die hohe Anzahl von Antennensegmenten ein hoher Materialeinsatz und insbesondere ein hoher Montageaufwand, was zu hohen Fertigungskosten führt.
• Darstellung der Erfindung
• Es stellt sich die Aufgabe, eine breitbandige und kostengünstige Vorrichtung zur Signalübertragung darzustellen, welche eine Leiteranordnung mit Leitern bzw. Leiterstrukturen aufweist, die auch bei hohen Frequenzen eine hohe Symmetrie des Signals sowie niedrige Dämpfungswerte erreicht.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung in der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Signalübertragung umfasst mindestens einen Sender, der die zu übertragenden elektrischen Signale erzeugt und in eine Leiteranordnung einspeist. Mindestens eine solche Leiteranordnung ist entlang der Bahn der Bewegung angeordnet und führt die vom Sender eingespeisten Signale. Mindestens ein Empfänger, welcher gegenüber Sender und Leiteranordnung beweglich ist, dient zur Auskopplung der Signale aus der Leiteranordnung. Entsprechend dem Anwendungsfall kann auch ein Sender mehrere Leiteranordnungen speisen. Ebenso kann eine Leiteranordnung von mehreren Sendern gespeist werden. Weiterhin ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Empfängern zur Auskopplung von Signalen an einer Leiteranordnung einzusetzen.
• Eine Leiteranordnung umfasst mindestens eine Leiterstruktur, in der elektrische Signale geführt werden können. Eine solche Leiterstruktur enthält einen oder mehrere Leiter aus einem vorzugsweise gut leitenden Material.
• Weiterhin umfasst eine Leiteranordnung mindestens eine jeder Leiterstruktur zugeordnete elektrisch leitende Bezugsfläche. Zwischen der Leiterstruktur und der Bezugsfläche befindet sich mindestens ein Dielektrikum zur Isolation von Leiterstruktur und Bezugsfläche. Ein solches Dielektrikum besitzt wahlweise eine hohe Homogenität bzw. eine hohe Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur. Der Symmetriebegriff bezieht sich hier auf eine Symmetrie des elektrischen Feldes. Ausgehend von der elektrischen Mitte der Leiterstruktur sollen die elektrischen Feldlinien symmetrisch verlaufen. Dies ist beispielsweise mit einer spiegelsymmetrischen Anordnung realisierbar. Ebenso aber sind andere Realisierungen vorstellbar, wie beispielsweise im Falle eines geschichteten Dielektrikums bei Leitern parallel zur Bezugsfläche. Hier kann grundsätzlich die Schichtenabfolge des Dielektrikums bei den Leitern unterschiedlich sein, wenn die gesamten Dielektrizitätskonstanten auf beiden Seiten gleich sind und auch die Flächen gleich groß sind.
• Die Symmetrie des elektrischen Feldes wird bezogen auf eine Äquipotentialfläche mit einem Potential, welches dem mittleren Potential zwischen den aktiven, d. h. zur Signalführung verwendeten Leitern entspricht.
• Eine hohe Homogenität bedeutet hier, dass die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Dielektrizitätskonstanten sowie die dielektrischen Verluste nur geringen Schwankungen unterliegen. Typische Werte von Toleranzen dieser Werte sind < 5% und vorzugsweise < 1%. Werden besonders hohe Anforderungen gestellt, so sind auch Toleranzen von 0.1% angebracht. Ergeben sich bei der Fertigung unterschiedliche Homogenitäten des Dielektrikums in unterschiedlichen Richtungen, so ist senkrecht zur Richtung der Längsachse der Leiterstruktur die höchste Homogenität vorzusehen. In Richtung der Längsachse können geringere Homogenitäten toleriert werden. Wesentlich hierbei ist, dass entsprechend dem vorhergehenden Betrachtungen zur Symmetrie an jedem Punkt entlang der Längsachse der Leiterstruktur Symmetrie besteht und entsprechend die Eigenschaften des Dielektrikums symmetrisch sind.
• Dieser relativ komplexe Symmetriebegriff soll anhand eines einfachen Beispiels erläutert werden. Es wird von einer Leiterstruktur aus zwei parallelen, gleich breiten und gleich dicken Leitern ausgegangen. Die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur liegt hier genau in der Mitte zwischen den Leitern. Nun sollen für jede infinitesimal kurze Strecke dieser Leiterstruktur die elektrischen Parameter des Dielektrikums für beide Leiter gleich sein. Bei der Betrachtung eines solch kurzen Leiterstückes spielt es keine Rolle, aus welcher Schichtung oder Zusammensetzung des Dielektrikums sich eine bestimmte Dielektrizitätskonstanten oder ein bestimmter Verlustfaktor ergibt. Wesentlich ist, dass diese Werte für beide Leiterstücke gleich sind. Im weiteren Verlauf des Leiters können noch Änderungen der Werte zu vorhergehenden Teilstücken toleriert werden, vorausgesetzt sie sind für beide Leiter gleich. Somit kann eine hohe Symmetrie mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften erreicht werden
• Eine hohe Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur verhindert, dass die Signale bei symmetrischen Leitern oder bei unsymmetrischen Leitersystem mit mehreren Leitern auf Grund unterschiedlicher Laufzeiten bzw. Dämpfungen unsymmetrisch werden.
• Idealerweise wird ein Dielektrikum hoher Homogenität und hoher Symmetrie eingesetzt. Damit lassen sich erfahrungsgemäß die besten Ergebnisse bei einem vertretbaren Aufwand erzeugen. Kann eine symmetrische Anordnung des Dielektrikums nicht erreicht werden, so bringt auch der Einsatz eines Dielektrikums hoher Homogenität eine deutliche Verbesserung. Ebenso bringt eine symmetrische Anordnung eine Verbesserung, auch wenn keine hinreichende Homogenität des Dielektrikums erreichbar ist.
• Die Leiterstruktur ist meist nach einer Seite hin zum freien Raum offen. Von dieser Seite aus erfolgt die Ankopplung von Empfängern. Die Gegenseite und optional auch deren Begrenzung sind von möglichst symmetrischen Flächen mit leitender Oberfläche abgeschlossen. Damit lässt sich einerseits eine definierte Impedanz des Leitersystem erreichen und andererseits eine definiert symmetrische Begrenzung realisieren. Würde hier keine definierte Bezugsfläche vorhanden sein, so wäre mindestens ein Teil des Gerätes, in dem die Vorrichtung angebracht ist, als elektrischer Bezug dienen. Sicherlich würde hier nicht auf der ganzen Länge der Leiterstruktur die erforderliche Symmetrie erreicht werden, da verschiedene Bauteile bzw. Baugruppen des Gerätes nicht beliebig symmetrisch anzuordnen wären.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst mindestens ein Dielektrikum eine Luft- bzw. Gasschicht.
• Die meisten der bekannten technisch einsetzbaren Gase, insbesondere die Luft, welche eine variierende Kombination aus verschiedenen Gasen mit einem hohen Stickstoffanteil ist, besitzen ähnliche dielektrische Eigenschaften mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten nahe 1 und einen nahezu vernachlässigbaren Verlustfaktor. In diesem Dokument wird daher nur noch auf Luft als Dielektrikum bzw. eine Luftschicht Bezug genommen. Hierin eingeschlossen sind auch Mischungen aus mehreren unterschiedlichen Gasen mit elektrischen Eigenschaften ähnlich Luft. An Stelle von Luft können auch Flüssigkeiten mit sehr niedrigen Verlustfaktoren eingesetzt werden.
• Wesentlich für die Funktion ist der geringe dielelektrische Verlustfaktor der Gase. Somit haben auch Schwankungen des Verlustfaktors nur geringe Auswirkungen.
• Ist die Dämpfung gering, so hat bei gleicher Toleranz der Dämpfung diese einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Toleranz der Signalpegel wie bei hohen Dämpfungswerten. Ein Beispiel soll dies erläutern. Weist ein bestimmtes Material mit vorgegebenen Geometrie eine Dämpfung des Signals um 10% mit einer Toleranz von ±10% der Dämpfung, so kann der tatsächliche Dämpfungswert zwischen 9% und 11% schwanken. Der Pegel des gedämpften Signals ist somit um 9% bis 11% geringer als das ursprüngliche Signal. Abhängig von dem aktuellen Dämpfungswert kann nun der Signalpegel um 2% variieren. Beträgt dagegen die Dämpfung des Materials nur 1% mit derselben Toleranz von ±10% der Dämpfung, so kann der Signalpegel zwischen 0.9% und 1.1% gegenüber dem ursprünglichen Signalpegel gedämpft sein.
• Somit kann in diesem Falle abhängig vom aktuellen Dämpfungswert der Signalpegel nur noch um 0.2% variieren. Weiterhin wird durch den geringen Dämpfungswert die Amplitude des Signals auch bei langen Leiterstrukturen nur geringfügig gedämpft. Durch eine gleichmäßig hohen Signalpegel wird nur eine geringe Dynamik des Empfängers gefordert. Gleichzeitig lässt sich die Störfestigkeit maximieren, da an Empfänger immer der maximal mögliche Eingangspegel zur Verfügung steht.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst mindestens ein Dielektrikum eine wabenförmige bzw. gitterförmige Struktur eines Isoliermaterials. Die Zwischenräume bzw. Hohlräume sind mit Luft gefüllt. Grundsätzlich sind auch andere Hohlstrukturen, welche zur Aufnahme von Luft geeignet sind, einsetzbar.
• Im Falle derartiger Hohlstrukturen besteht das Dielektrikum aus einer Kombination des Isoliermaterials mit meist einer höheren Dielektrizitätskonstanten als Luft und einem höheren Verlustfaktor als Luft. Das elektrische Feld wird nun bevorzugt durch Stege aus Isoliermaterial, welche die Lücke zwischen den Leitern bzw. den Leitern und der Bezugsfläche überbrücken, verlaufen. Daher sollten diese Stege mit möglichst kleinem Querschnitt ausgelegt werden. Im Großteil der gesamten Fläche wird das elektrische Feld durch eine Serienschaltung aus Isoliermaterial und Luft verlaufen. Hier dominieren dann die hervorragenden elektrischen Eigenschaften der Luft, da an den Luftstrecken eine umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstanten höhere Feldstärke anliegt.
• In einer weiteren, verbesserten Ausgestaltung der Erfindung umfasst mindestens ein Dielektrikum einen Schaum eines Isoliermaterials. Die Hohlräume des Schaums sind mit Luft gefüllt. Bei einem Schaum lassen sich naturgemäß extrem dünne Wandstärken des Isoliermaterials und damit extrem geringe Brückenquerschnitte realisieren. Somit ist die vom Isoliermaterial ohne Zwischenschaltung von Luft überbrückte Fläche wesentlich geringer als bei Waben- bzw. Gitterstrukturen. Zudem lassen sich Schäume preisgünstig herstellen und verarbeiten. Alternativ zu Schäumen können auch Granulate oder luftgefüllte Hohlkugeln eingesetzt werden.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein Dielektrikum einen Polyethylen-Schaum umfasst. Polyethylen ist ein Kunststoff mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften. Es ist eines der Isoliermaterialien mit dem niedrigsten Verlustfaktor. Gleichzeitig lassen sich mit diesem Material preiswerte Schäume herstellen. Eine Verarbeitung ist insbesondere in Form von dünnen Folien mit Stärken von einigen Millimetern besonders einfach und preisgünstig.
• Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst einen mehrschichtigen Aufbau eines Dielektrikums. Durch einen solchen mehrschichtigen Aufbau können beispielsweise unterschiedliche Dielektrika mit unterschiedlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften kombiniert werden. So sind besonders vorteilhaft dünne Stege aus mechanisch stabilem Isoliermaterial kombiniert mit großflächigen Anordnungen aus Dielektrika unter Einschluss von Luft.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Dielektrikum einen Aufbau aus mehreren parallel zu Leiterstruktur angeordneten Schichten auf. Mit einer derartigen parallelen Schichtstruktur lassen sich auch großflächig Isoliermaterialien mit schlechten elektrischen Eigenschaften zusammen mit Isoliermaterialien mit guten elektrischen Eigenschaften kombinieren, insbesondere wenn diese eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweisen. Somit lassen sich in der Kombination noch relativ gute elektrischen Eigenschaften erzielen.
• Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass ein Dielektrikum, welches Luft einschließt und demzufolge nur eine geringe mechanische Stabilität aufweist mit mindestens einem zweiten Isoliermaterial in massiver Bauform und entsprechender hoher mechanische Stabilität kombiniert wird. So kann dieses zweite Isoliermaterial zur Stabilisierung der Kombination aus verschiedenen Dielektrika eingesetzt werden. Damit ist unabhängig von den schlechteren mechanischen Eigenschaften der ersten Schicht eine präzise und für eine hohe Symmetrie zwingend notwendige Fixierung der Dielektrika gegeben.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Schicht als mechanisch steife Schicht zur Fixierung bzw. Stabilisierung der ersten Schicht ausgebildet und mit dieser verbunden. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch Formschluss oder aber auch durch Klebung erfolgen. Mit einer solchen Ausgestaltung ergibt sich nicht nur eine hohe Stabilität, sondern auch eine präzise definierte Geometrie. Zudem kann nun der Fertigungsprozess vereinfacht werden, wenn alle Schichten eines Dielektrikums zusammen vorgefertigt und als Einheit endmontiert werden können.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die zweite Schicht zusätzlich als Träger der Leiterstruktur ausgebildet ist. Dadurch sind sämtliche Komponenten des elektrischen Systems der Leiteranordnung zu einer Einheit verbunden und können mit geringsten Toleranzen äußerst kostengünstig montiert werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens eine zusätzliche Schicht aus leitfähigem Material bzw. Material mit hoher Leitfähigkeit und unvollständiger Flächenüberdeckung, wie beispielsweise eine Gitterstruktur vorgesehen ist. Derartige Schichten wirken als Äquipotentialflächen und helfen Unsymmetrien im Dielektrikum auszugleichen. Je nach Ausbildung bzw. Anordnung der Flächen sind diese elektrische isoliert angeordnet oder auch an den Enden der Leiterstruktur Reflexionsfrei abgeschlossen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst mindestens ein Dielektrikum einen Aufbau aus mehreren senkrecht zu Leiterstruktur angeordneten Schichten. Derartige Schichten können beispielsweise als Stütze der Leiterstruktur eingesetzt werden.
• Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausbildung dieser Schichten symmetrisch zur elektrischen Mitte der Längsachse der Leiterstruktur. Damit wird die Symmetrie aufrechterhalten.
• Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass in einem Dielektrikum aus einem ersten Material, umfassend Luft senkrecht zu Leiterstruktur angeordneten Schichten aus einem zweiten, mechanisch steifen Isoliermaterial vorgesehen sind. So werden die elektrischen Eigenschaften der Anordnung dominierend von dem großflächigen ersten Material bestimmt. Das zweite Material ist als Stütze zur Fixierung der Leiterstruktur und zur Stabilisierung des ersten Materials, falls dies beispielsweise ein Schaum oder Hohlkörper ist, vorgesehen. Selbstverständlich sollten die Querschnittfläche der Stützen aus dem Zweiten Material möglichst gering sein, um das Feld möglichst wenig zu beeinflussen. Weiterhin können die Stützen in unregelmäßigen Abständen angeordnet werden, um Resonanzen auf dem Leitersystem zu verhindern.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das den Leiteraufbau tragende Teil eine Nut zur Aufnahme mindestens eines Dielektrikums auf. Mit Hilfe einer solchen Nut lässt sich das Dielektrikum einfach und in der Fertigung kostengünstig fixieren.
• Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Nut zur Aufnahme mindestens eines Dielektrikums gleichzeitig zur Fixierung der Leiterstruktur vorgesehen ist.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leiterstruktur ein symmetrisches Leitersystem. Derartige symmetrische Leitersysteme können besonders Abstrahlungsarm realisiert werden. Insbesondere in einer symmetrischen Ausbildung des Leitersystems und beim Betrieb mit symmetrischen elektrischen Signalen heben sich in der Ferne die elektrischen Felder und die magnetischen Felder der Leiter gegenseitig auf. Solche Leitersysteme werden bevorzugt mit zwei Leitern eingesetzt. Zu weiteren Darstellung wird auf die Offenbarung der US-Patentschrift 5,530,422 sowie der internationalen Veröffentlichung WO 98/29919 verwiesen.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leiterstruktur ein unsymmetrisches Leitersystem. Es gibt spezielle Fälle von unsymmetrischen Leitersystemen, in denen auch die Abstrahlung gering gehalten werden kann. Ein Beispiel hierfür ist das in der US-Patentschrift 5,208,581 dargestellte System. Hierbei werden entsprechend der Signalpolarität unterschiedliche Leitersysteme vom Strom durchflossen. Allerdings ist bei unsymmetrischen Leitersystemen meist ein wesentlich höherer technischer Aufwand zur Störunterdrückung notwendig als bei symmetrischen Leitersystemen.
Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
• Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
• Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Leiteranordnung.
• Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Leiteranordnung mit einem Dielektrikum, welches zumindest Feststoffe enthält.
• Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einem Träger aus Isoliermaterial.
• Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einem leitfähigen Träger.
• Fig. 6 zeigt eine Anordnung in einem leitfähigen Träger mit abgeschrägter Bezugsfläche.
• Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit einem parallel zu Leiterstruktur und Bezugsfläche geschichteten Dielektrikum.
• Fig. 8 zeigt eine vorteilhaften Ausführung mit senkrecht zu Leiterstruktur und Bezugsfläche geschichteten Dielektrikum in einem Schnitt längs zur Bewegungsrichtung.
• Fig. 9 zeigt eine vorteilhaften Ausführung mit senkrecht zu Leiterstruktur und Bezugsfläche geschichtetem Dielektrikum in einem Schnitt quer zur Bewegungsrichtung.
• Fig. 10 zeigt eine Anordnung mit senkrecht zu Leiterstruktur und Bezugsfläche geschichtetem in Dielektrikum, wobei die Schichten als Stützen in Längsrichtung der Leiterstruktur ausgebildet sind.
• Fig. 11 zeigt eine Anordnung mit einer besonders Kapazitätsarm ausgebildeten Stütze aus massivem Dielektrikum.
• In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft abgebildet. Ein Sender (10) speist elektrische Signale in die Leiteranordnung (11) ein. Gegenüber der Leiteranordnung (11) und dem damit verbundenen Sender (10) ist der Empfänger (12) beweglich angeordnet. Die relative Bewegung erfolgt auf vorgegebenen Bahnen. Derartige Bahnen können beispielsweise linear oder auch kreisförmig sein. Die Leiteranordnung (11) ist entlang mindestens einer dieser Bahnen der Bewegung angeordnet, so dass an jedem Punkt der Bewegung, an dem Signale übertragen werden sollen nur eine kurze Distanz zwischen der Leiteranordnung (11) und dem Empfänger (12) besteht. Typischerweise liegen die Distanzen in einem Bereich von 0.1 mm bis ca. 10 mm. Ein direkter Kontakt mit einer Distanz von 0 ist möglich. Hierbei liegt der Fall einer galvanischen Übertragung vor. Um hier eine hohe Lebensdauer des Kontaktsystems zu erhalten, ist es notwendig, wie Oberflächen besonders zu gestalten. Im Normalfall ist jedoch eine kontaktlose und damit verschleißarme Übertragung erwünscht. Größere Abstände als ca. 10 mm sind nicht ausgeschlossen, aber in den meisten Fällen unerwünscht, da die Abstrahlung der gesamten Leiteranordnung (11) derart niedrig sein soll, dass keine Störung bzw. Beeinflussungen anderer Geräteteile bzw. Geräte erfolgt. Daher ist das Übertragungssystem gezielt so ausgelegt, dass das elektromagnetische Fernfeld der Leiteranordnung (11) möglichst gering und im Idealfall gleich 0 ist.
• Die Fig. 2 zeigt beispielhaft eine besonders einfache Ausführungsform einer Leiteranordnung (11). Die Leiteranordnung umfasst mindestens eine Leiterstruktur (1) sowie eine dieser zugeordnete Bezugsfläche (2) und ein Dielektrikum (3). Zur besseren Veranschaulichung sind auf der Leiterstruktur (1) zwei Leiter (1a, 1b) dargestellt. Diese Leiter können beliebige, dem Stand der Technik entsprechende Verläufe aufweisen. Die Bezugsfläche (2) selbst ist zumindest an deren Oberfläche elektrisch leitfähig. In diesem Beispiel befindet sich zwischen der Leiterstruktur (1) und der Bezugsfläche (2) eine Hohlraum, welcher mit Luft oder einem ähnlichen Gas geführt ist. Somit ist in diesem Falle die Luft das Dielektrikum.
• In Fig. 3 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Leiteranordnung (11) entsprechend Fig. 2, wobei der Hohlraum zwischen der Leiterstruktur (1) und der Bezugsfläche (2) mit einem Dielektrikum (3) gefüllt ist, welches zumindest teilweise aus Feststoffen besteht. Derartige Dielektrika können beispielsweise Gitterstrukturen oder auch Schäume eines Isoliermaterials sein.
• Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Leiterstruktur (1) in einem Träger (6) aus Isoliermaterial befestigt ist. Zur Aufnahme des Dielektrikums (3) und der Bezugsfläche (2) ist eine Nut in dem Träger vorgesehen. In diesem Falle ist die Bezugsfläche (2) als elektrisch leitende Fläche im Boden der Nut ausgeführt. Eine solche elektrisch leitende Fläche kann beispielsweise mittels eines leitfähigen Lackes oder eines dünnen Folienstreifens realisiert werden. Ein solcher Folienstreifen kann durch Adhäsion, aber auch durch Klebemittel wie doppelseitiges Klebeband befestigt werden. Durch die vergleichsweise robuste Befestigung in einem massiven Träger ist die Geometrie und damit auch die Symmetrie der Anordnung präzise definiert und langzeitstabil fixiert.
• In Fig. 5 ist eine Anordnung mit einem leitfähigen Träger dargestellt. Dieser leitfähigen Träger besitzt eine Nut zur Aufnahme des Dielektrikums und erfüllt mit seiner Oberfläche die Funktion der Bezugsfläche (2). Optional ist die Oberfläche im inneren der Nut veredelt, um eine langzeitstabile, gut leitfähige Oberfläche zu erhalten. Weiterhin kann die Nut derart ausgestaltet sein, dass sie zur präzise definierten Aufnahme der Leiterstruktur (1) ausgelegt ist. In dieser Ausführungsform kann die Geometrie meist noch präziser als mit einem leitfähigen Träger und einer zusätzlichen Bezugsfläche definiert werden, da hier Toleranzen durch das Aufkleben bzw. durch die Dickentoleranzen der zusätzlichen Bezugsfläche entfallen. Weiterhin besteht in dieser Ausführungsform ein größerer Freiheitsgrad zur Gestaltung der Nut selbst. Diese kann nun auch im Hinblick auf kostengünstige Fertigung optimiert werden, ein da hier kein zusätzlicher Leiter als Bezugsfläche eingebracht werden muss.
• Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, in der das Dielektrikum (3) sowie die Leiterstruktur (1) in einem leitfähigen Träger aufgenommen sind. Hierbei weist die Nut zur Aufnahme einen symmetrischen, beidseitig abgeschrägten Boden auf.
• In Fig. 7 ist eine Ausführungsform mit einem parallel zu Leiterstruktur und Bezugsfläche geschichtete Dielektrikum dargestellt. Zur Aufnahme dient ein Träger (6), in den eine Nut eingebracht ist, dessen Innenseite gleichzeitig als Bezugsfläche (2) dient. Das Dielektrikum weist hier beispielhaft eine erste Schicht (5) bestehend aus einem massiven Isoliermaterial auf. Parallel zur dieser befindet sich eine zweite Schicht bestehend aus einem Dielektrikum umfassend Luft bzw. Gas. Das erste Dielektrikum hat primär die Aufgabe, die Leiterstruktur (1) zu tragen und in einer definierten Position zu fixieren. Eine präzise Fixierung der Leiterstruktur an der vorgegebenen Position symmetrisch zur Umgebung und insbesondere zur Bezugsfläche (2) ist wesentlich für eine hohe Symmetrie der Signale und damit eine hohe Störfestigkeit bzw. eine niedrige Störemission. Um hier eine ausreichende mechanische Stabilität zu erreichen, wurde in diesem Beispiel eine große Schichtdicke der ersten Schicht gewählt. Die zweite Schicht (4) besteht aus einem Dielektrikum mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringen Verlusten. Durch die elektrische Serienschaltung mit der ersten Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante ist der überwiegende Anteil der gesamten elektrischen Feldstärke und somit auch der im Feld gespeicherten Energie in der zweiten Schicht (5) mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Dadurch, dass diese auch einen wesentlich geringeren Verlustfaktor aufweist, ist der Gesamt-Verlustfaktor der Anordnung wesentlich geringer.
• In Fig. 8 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit senkrecht zu Leiterstruktur bzw. Bezugsfläche geschichtetem Dielektrikum in einem Schnitt längs der Ausbreitungsrichtung dargestellt. In bestimmten Abständen sind Stützen aus einem massiven Isoliermaterial (5) senkrecht zwischen Leiterstruktur und Bezugsfläche angeordnet, um eine definierte Ausrichtung der Leiterstruktur zur Bezugsfläche zu gewährleisten. Die Zwischenräume sind mit einem Isoliermaterial umfassend Luft bzw. Gas gefüllt. Die Stützen selbst können in konstantem oder auch Variablen Abständen zueinander angebracht sein. Variable Abstände helfen Resonanzen in dem Leitungssystem zu verhindern. Idealerweise werden die Stützen schmal ausgeführt, so dass die Kapazität am Ort der Stützen relativ gering ist. Damit lassen sich die Reflexionen am Ort dieser Stützen minimieren.
• In Fig. 9 ist eine Anordnung entsprechend Fig. 8 in einem Schnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung dargestellt. Hierbei sind die Stützen aus massiven Isoliermaterial derart ausgeführt, dass sie sich nicht über die ganze Breite der Nut in dem Träger erstrecken. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung der Verluste in den Stützen. Selbstverständlich können diese Stützen auch aus Stabilitätsgründen auch über die ganze Breite der Nut erstreckt sein.
• Fig. 10 zeigt eine Anordnung mit senkrechter Schichtung des Dielektrikums. Hierbei sind die Schichten derart ausgebildet, dass sich schmale Stege aus dem ersten Dielektrikum (5), aus massivem Isoliermaterial, längs der Leiterstruktur ergeben. Somit sind in Ausbreitungsrichtung längs der Leiterstruktur keine Reflexionen vorhanden. Allerdings muss hier auf einen sehr symmetrische Anordnung und stabile Fixierung der Längsstreifen geachtet werden, um eine hohe Symmetrie zu erreichen.
• Fig. 11 zeigt eine Anordnung mit einer besonders Kapazitätsarm ausgebildeten Stütze aus massivem Dielektrikum, um die Reflexionen am Ort der Stützen zu minimieren. Selbstverständlich können auch andere Arten und Ausbildungen von Stützen eingesetzt werden. Wesentlich hierbei ist die mechanisch tragende Funktion der Stütze. D. h. sie sollte steifer bzw. stabiler als das Dielektrikum, welches im wesentlichen seine Eigenschaften von Luft bzw. Gas erhält, beschaffen sein. Bezugszeichenliste 1 Leiterstruktur
  1a erster Leiter
  1b zweiter Leiter
  2 Bezugsfläche
  3 Dielektrikum (allgemeinen)
  4 Dielektrikum umfassend Luft bzw. Gas
  5 Dielektrikum aus massivem Isoliermaterial
  6 Träger
  10 Sender
  11 Leiteranordnung
  12 Empfänger
  

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen entlang vorgegebenen Bahnen beweglichen Einheiten umfassend
mindestens einen Sender (10) zur Erzeugung elektrische Signale
mindestens eine Leiteranordnung (11) zur Führung mindestens eines der elektrischen Signale mindestens eines Senders entlang der Bahn der Bewegung
mindestens einen Empfänger (12) zur Auskopplung elektrischer Signale aus mindestens einer Leiteranordnung
wobei mindestens eine Leiteranordnung
mindestens eine Leiterstruktur (1) zur Leitung elektrische Signale und
mindestens eine jeder Leiterstruktur zugeordnete elektrisch leitende Bezugsfläche (2) sowie
mindestens ein Dielektrikum (3) zwischen Leiterstruktur und Bezugsfläche umfasst
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Dielektrikum hoher Homogenität und/oder hoher Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum eine Luftschicht bzw. Gasschicht umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum eine wabenförmige bzw. gitterförmige Struktur eines Isoliermaterials umfasst, wobei die Hohlräume bzw. Zwischenräume mit Luft bzw. einem Gas gefüllt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum einen Schaum bzw. ein Granulat eines Isoliermaterials umfasst, wobei die Hohlräume mit Luft bzw. einem Gas gefüllt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum einen Polyethylen-Schaum umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum einen Aufbau aus mehreren Schichten aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum einen Aufbau aus mehreren parallel zu Leiterstruktur angeordneten Schichten aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dielektrikum mindestens eine erste Schicht aus einem ersten Material, welches Luft bzw. ein Gas umfasst bzw. in Hohlräumen einschließt und mindestens eine Schicht aus mindestens einem massiven zweiten Isoliermaterial umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht als mechanisch steife Schicht zur Stabilisierung bzw. Fixierung der ersten Schicht ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht als Träger der Leiterstruktur ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Schicht aus leitfähigem Material bzw. leitfähigem Material mit unvollständiger Flächenüberdeckung, wie beispielsweise einer Gitterstruktur vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum einen Aufbau aus mehreren senkrecht zu Leiterstruktur angeordneten Schichten umfasst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten symmetrisch zur elektrischen Mitte der Längsachse der Leiterstruktur angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dielektrikum aus einem ersten Material, welches Luft bzw. Gas umfasst vorgesehen ist und in vorgegebenen Abständen zur Stabilisierung bzw. Fixierung der Leiterstruktur senkrecht zu Leiterstruktur angeordnete Schichten aus einem mechanisch steifen Isoliermaterial vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Leiteraufbau (11) tragenden Teil eine Nut zur Aufnahme des Dielektrikums (3) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut zur Aufnahme des Dieelektrikums auch zur Fixierung der Leiterstruktur vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Leiteraufbau (11) tragenden Teil eine Nut zur Fixierung der Leiterstruktur vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstruktur ein symmetrisches Leitersystem umfasst.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstruktur ein unsymmetrisches Leitersystem umfasst.