DE19649682A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Signalübertragung zwischen beweglichen Einheiten - Google Patents
Vorrichtung zur berührungslosen Signalübertragung zwischen beweglichen EinheitenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die
eine Energie- bzw. Signalübertragung auf berührungslo
sem Weg zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten
ermöglicht.
Zur Energie- und Signalübertragung zwischen gegeneinan
der beweglichen Einheiten gibt es eine Vielzahl bekann
ter Verfahren. Besonders verbreitet sind mechanische
Schleifringe oder auch Schleifbahnen. Hierbei erfolgt
die Übertragung von Energie bzw. Signalen über einen
galvanischen Kontakt. Diese mechanisch kontaktierten
Systeme zeichnen sich durch Einfachheit und niedrige
Kosten aus. Ein schwerwiegender Nachteil ist der durch
den direkten mechanischen Kontakt verursachte Abrieb
und Verschleiß. Dieser hat eine Verkürzung der Lebens
dauer und einen erhöhten Wartungsaufwand zur Folge. Bei
Anlagen mit hohen Verfahrgeschwindigkeiten oder auch
hohen Drehzahlen können derartige mechanische Systeme
kaum mehr eingesetzt werden.
Abhilfe schaffen hier berührungslose Übertragungssyste
me, die Energie bzw. Information auf berührungslosem
Wege übertragen. Eine derartige Anordnung ist in der
deutschen Patentanmeldung DE 44 46 779 beschrieben. Eine
langgestreckte Sendespule wird von einem Leistungsgene
rator gespeist. Der Abgriff der Energie erfolgt hier
über eine beweglich angeordnete Empfangsspule, welche
von einem Ferritkern umgeben ist. Durch die große räum
liche Ausdehnung und die schlechte Verkopplung der bei
den Spulen ergibt sich eine hohe Streuinduktivität.
Diese Streuinduktivität kann durch eine Kapazität zu
einem Resonanzkreis ergänzt werden. Dadurch ist die
Energieübertragung bei der durch Streuinduktivität und
Kapazität vorgegebenen Resonanzfrequenz problemlos mög
lich. Für eine breitbandige Informationsübertragung ist
dieses System aber gänzlich ungeeignet.
Ähnliche Systeme sind in der Telemetrie verbreitet.
Hier wird z. B. bei der Übertragung auf drehende Teile
eine Spule aus mehreren, um die Rotationsachse gewickelten
Leitern, eingesetzt. Die Verkopplung erfolgt
über eine Spule mit ferromagnetischem Kern auf der Sta
torseite. Auch hier ergibt sich durch die lose Verkopp
lung eine hohe Streuinduktivität und als Folge davon
eine niedrige Übertragungsbandbreite.
Bei modernen Meßsystemen wie z. B. Computertomographen
oder Radarantennen müssen Datenraten im 100 MBaud bis
GBaud-Bereich übertragen werden. Für solche Bandbreiten
sind die zuvor beschriebenen Systeme mit hoher Streuin
duktivität oder auch kapazitiv oder induktiv gekoppelte
Trägerfrequenzsysteme, die nur eine geringe Kanalband
breite aufweisen, ungeeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine breitban
dige, berührungslose Signal- bzw. Energieübertragung
zwischen beweglichen Einheiten zu ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un
teransprüche.
Die Kommunikation der gegeneinander beweglichen Einhei
ten erfolgt mittels einer reflexionsfrei abgeschlosse
nen Leitung. Der Begriff Leitung bezieht sich hier im
allgemeinsten Sinne auf elektrisch leitfähige Gebilde,
in denen elektromagnetische Wellen in TEM-Moden aus
breitungsfähig sind. Derart abgeschlossene Leitungen
sind bekanntermaßen sehr breitbandig und können gleich
zeitig sehr störarm bzw. störunempfindlich gestaltet
werden. Da in der Praxis eine absolut reflexionsfreie
Leitung nicht realisierbar ist, bezieht sich in dieser
Patentanmeldung der Begriff "reflexionsfrei" auf mög
lichst reflexionsarme Leitungsabschlüsse, so daß eine
einwandfreie Signalübertragung gewährleistet ist. Gera
de bei der Übertragung von Digitalsignalen können rela
tiv hohe Reflexionsfaktoren zugelassen werden, da eine
saubere Kurvenform bereits mit relativ einfachen tech
nischen Mitteln wiederhergestellt werden kann.
Die Ein- bzw. Auskopplung der elektrischen Signale bzw.
Energie erfolgt mittels einer induktiven Koppeleinrich
tung, die im Falle der Einspeisung in die Leitung in
dieser Ströme induzieren kann. Hierbei ist die Koppe
leinrichtung so zu gestalten, daß sie in der Leitung
kein Gleichtakt- sondern ein echtes Gegentaktsignal er
zeugt. Denn nur bei Gegentaktsignalen ist die Lei
tungsimpedanz genau definiert und der reflexionsfreie
Abschluß wirksam. Wesentlich für die Dimensionierung
der Koppeleinrichtungen ist ihr geringer Einfluß auf
den Reflexionsfaktor der Leitung. Dies läßt sich z. B.
durch eine schwache Ankopplung erreichen. Die dadurch
bedingten niedrigen Signalpegel am Ausgang der Koppe
leinrichtung lassen sich problemlos mit breitbandigen
Verstärkern anheben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung befindet sich zumindest an einem Ende der re
flexionsfrei abgeschlossenen Leitung eine Quelle
und/oder Senke für Signale bzw. Energie. Diese Art der
direkten galvanischen Einkopplung in die Leitung ist
besonders einfach und besitzt einen sehr hohen Wir
kungsgrad. Somit ist es sinnvoll, insbesondere eine
Quelle zur Energieversorgung der übrigen beweglichen
Einheiten direkt an einem Ende der Leitung anzuschlie
ßen. Diese Anordnung ist auch im Falle der Übertragung
zwischen einer feststehenden und einer relativ dazu be
wegten Einheit sinnvoll, da in diesem Fall nur eine in
duktive Koppeleinrichtung benötigt wird. Soll die er
findungsgemäße Anordnung ausschließlich zur Übertragung
von der Leitung zu den Koppeleinrichtungen erfolgen, so
ist nur ein reflexionsfreier Abschluß der Leitung an
ihrem freien Ende notwendig.
Die an einem Ende der Leitung angebrachte Quelle kann
selbst eine beliebige Impedanz besitzen. Ein refle
xionsfreier Anschluß dieser Quelle ist nicht zwingend
notwendig, da die von der Quelle in die Leitung einge
speiste Energie vom Abschluß am anderen Leitungsende
absorbiert wird. Eine Reflexion findet hier nicht
statt. Somit kann auch keine elektromagnetische Welle
zur Quelle zurücklaufen und von dieser reflektiert wer
den.
Im Falle der Energieeinspeisung über eine induktive
Koppeleinrichtung breitet sich vom Punkt der Energie
einspeisung eine elektromagnetische Welle in beide
Richtungen der Leitung aus. Daher ist in diesem Fall
zur Vermeidung von Störungen ein reflexionsfreier Ab
schluß beider Enden der Leitung notwendig.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung enthält die induktive Koppeleinrichtung der be
weglichen Einheiten ferromagnetisches Material, welches
derart angeordnet ist, daß die magnetische Verkopplung
mit der Leitung erhöht wird. Hierbei sollte das ferro
magnetische Material derart angeordnet werden, daß es
die Leitung soweit wie möglich umschließt und damit ein
möglichst geschlossener magnetischer Kreis entsteht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung wird die induktive Koppeleinrichtung mit einer
niedrigen elektrischen Impedanz betrieben, dies bedeu
tet, daß die Quelle und/oder Senke für Signale bzw.
Energie selbst eine niedrige Impedanz besitzt. Durch
die niedrige Impedanz ist einerseits die Auskopplung
magnetischer Energie aus der Leitung und damit der Re
flexionsfaktor gering, andererseits läßt sich bei der
Einkopplung ein möglichst hoher Strom in die Leitung
selbst einkoppeln. Die bei der Auskopplung der Leitung
entnommene Leistung ist:
P = (IK)2×RK. Dabei ist Rk der Lastwiderstand im Falle
einer Signal- bzw. Energiesenke und IK der durch die
Koppeleinrichtung aus der Leitung ausgekoppelte Strom.
Im praktischen Einsatz sollte nun hier der Widerstand RK
möglichst niedrig dimensioniert werden, so daß dem Lei
tungssystem möglichst wenig Energie entzogen wird. Die
Verstärkung zu günstigen Signalpegeln hin ist mit mo
dernen Verstärkern problemlos möglich. Im Falle der
Energieübertragung muß der Widerstand RK so dimensio
niert werden, daß die gewünschte Energie zur Verfügung
steht. Im Sendefall kann eine Signal- bzw. Energiequel
le mit niedrigerer Ausgangsimpedanz einen höheren Strom
in die induktive Koppeleinrichtung speisen. Damit läßt
sich in diesem Falle durch eine niedrige Quellimpedanz
der Wirkungsgrad erhöhen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung sind die Quellen und/oder Senken für Signale
bzw. Energie derart gestaltet, daß ihre Impedanzen je
weils für den Sende- bzw. Empfangsfall unterschiedlich
angepaßt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung erfolgt die Energieübertragung in einem oder
mehreren Frequenzbereichen und/oder die Signalübertra
gung in einem oder mehreren von der Energieversorgung
unterschiedlichen Frequenzbereichen. Damit lassen sich
mit einer frequenzselektiven Einspeisung bzw. Auskopp
lung mehrere Energieübertragungs- bzw. Signalübertra
gungskanäle realisieren. Durch die Wahl der unter
schiedlichen Frequenzbereiche kann eine gegenseitige
Beeinflussung dieser Kanäle ausgeschlossen werden.
Durch die extreme Breitbandigkeit der reflexionsfrei
abgeschlossenen Leitung besteht große Flexibilität in
der Wahl der Frequenzbereiche. So kann z. B. eine Ener
gieübertragung mit einem schmalbandigen Signal hoher
Amplitude bei 100 KHz erfolgen. Ein erstes Frequenzband
zur schnellen Digitalübertragung könnte dann zwischen
10 und 100 MHz liegen, ein zweites Frequenzband zur Si
gnalübertragung könnte den Bereich von 200 bis 500 MHz
nutzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung ist die Impedanz an der induktiven Koppelein
richtung und damit der Grad der Ankopplung an die Lei
tung frequenzabhängig. So kann im zuvor beschriebenen
Beispiel in dem Frequenzbereich zur Energieübertragung,
ein hoher Reflexionsfaktor auf dem Leitungssystem pro
blemlos akzeptiert werden, da es bei der Energieüber
tragung nicht auf saubere, unverzerrte Signale und kon
stante Amplituden ankommt. Selbstverständlich kann ein
Reflexionsfaktor von 100% nicht akzeptiert werden, da
dann an einigen Stellen der Leitung keine Energieüber
tragung mehr möglich wäre. Mit modernen Schaltreglern
in den beweglichen Einheiten, läßt sich aber problemlos
eine Schwankung der verfügbaren Signalamplitude von 50%
ausregeln. Daher kann nun die Ankopplung derart rea
lisiert werden, daß sie in dem für die Energieübertra
gung vorgesehenen Frequenzband einen hohen Energiean
teil auskoppelt und dabei auch hohe Reflexionen und
Störungen aus der Leitung verursacht. In den für die
Signalübertragung reservierten Frequenzbändern sind ho
he Reflexionen nicht mehr zu akzeptieren. Daher müssen
die Auskoppeleinrichtungen so dimensioniert werden, daß
sie in diesen Frequenzbereichen nur wenig Energie aus
koppeln bzw. einen niedrigen Reflexionsfaktor verursa
chen. Die frequenzabhängige Anpassung der Auskopplung
kann beispielhaft durch die Auswahl geeigneter ferroma
gnetischer Materialien in der Koppeleinrichtung erfol
gen. Alternativ dazu könnte die Auskopplung über fre
quenzabhängige Filter erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung wird die Leitung als symmetrische Zweidrahtlei
tung ausgeführt, wobei die induktive Koppeleinrichtung
beide Leiter dieser symmetrischen Zweidrahtleitung wei
testgehend umfaßt. Die beste magnetische Verkopplung
zwischen Koppeleinrichtung und Leitung läßt sich durch
einen vollständig geschlossenen magnetischen Kreis er
reichen. Hierzu müßte die Koppeleinrichtung beide Lei
ter der symmetrischen Zweidrahtleitung ständig umfas
sen. Ein solche Ankopplung kann realisiert werden, wenn
eine Abstützung der Leitung nicht notwendig ist. Dies
ist z. B. dann der Fall, wenn die Leitung zwischen ihren
beiden Endpunkten frei gespannt wird oder wenn die Lei
tung durch die beweglichen Einheiten und ihre Koppeleinrichtungen
ausreichend mechanisch abgestützt ist.
Sind zusätzliche Stützen zur mechanischen Fixierung der
Leiter notwendig, dann müssen in der Koppeleinrichtung
entsprechende Aussparungen vorgesehen werden. Dadurch
kann der magnetische Kreis nicht mehr vollständig ge
schlossen werden. Dennoch läßt sich gerade bei hohen
Frequenzen eine ausreichende Verkopplung erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung wird die Leitung als symmetrische Streifenlei
tung auf einem Träger realisiert. Der Träger ist meist
eine ebene Platte aus nicht leitendem Material. Die in
duktive Koppeleinrichtung muß so gestaltet werden, daß
sie beide Leiter soweit wie möglich umfaßt. Zur Verbes
serung der magnetischen Kopplung kann unter der Strei
fenleitung eine Schicht aus ferromagnetischem Material
eingesetzt werden. Damit kann zusammen mit einer ent
sprechend ausgebildeten Koppeleinrichtung ein nahezu
geschlossener magnetischer Kreis erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung ist die reflexionsfrei abgeschlossene Leitung
als unsymmetrische Streifenleitung ausgeführt. Um in
diesem Fall eine Verkopplung mit dem Magnetfeld eines
einzelnen Leiters erreichen zu können ist es notwendig,
zwischen dem Signalleiter und seiner Masse eine Schicht
aus Material mit ferromagnetischen Eigenschaften anzu
bringen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung erfolgt die Ankopplung an die reflexionsfrei
abgeschlossene Leitung mit Hilfe einfacher Leiter, wel
che parallel in unmittelbarer Nähe zur Leitung angeord
net sind. Im Falle einer unsymmetrischen reflexionsfrei
abgeschlossenen Leitung muß dieser Leiter parallel dem
signalführenden Leiter angeordnet werden. Im Falle ei
ner symmetrischen Zweidrahtleitung kann wahlweise ein
einzelner Leiter parallel zu einem der beiden Leiter
der Leitung angeordnet werden oder es können zwei Lei
ter eingesetzt werden, von denen jeweils einer parallel
zu einem Leiter der Zweidrahtleitung angeordnet ist.
Zur Erhöhung der Gleichtaktunterdrückung kann zwischen
der reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung und dem par
allel dazu angeordneten Leiter ein Schirm angebracht
werden. Er verhindert eine kapazitive Einkopplung des
Signals.
Insbesondere im Falle von ausgedehnten, geschlossenen
Trajektorien der Bewegung, wie dies bei Drehübertragern
häufig der Fall ist, führen die Laufzeiten entlang der
reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung zu signifikanten
Phasenunterschieden zwischen Anfang und Ende dieser
Leitung. Bewegt sich nun eine induktive Koppelein
richtung über den Punkt an dem Anfang und Ende der Lei
tung zusammentreffen, so ergibt sich insbesondere bei
hohen Frequenzen ein nicht zu vernachlässigender Pha
sensprung. Dieser Effekt kann verbessert werden, indem
die reflexionsfrei abgeschlossene Leitung in mehrere
kurze Segmente mit geringeren Laufzeiten aufgeteilt
wird. Diese Segmente müssen nun alle mit gleicher Phase
aus einer Quelle gespeist werden. Im Empfangsfalle
sollte die Empfängerschaltung ebenfalls über gleich
lange Verbindungsleitungen zu den reflexionsfrei abge
schlossenen Leitungssegmenten verbunden werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung
der Erfindung wird im Falle einer geschlossenen Bahn
der Bewegung die Weglänge in zwei elektrisch gleich
lange Teilstücke derart unterteilt, daß die Laufzeit
des elektrischen Signals in beiden Leitungen gleich
lang ist. Die Speisung beider Leitungen erfolgt von ei
nem Punkt der Bewegungsbahn aus. An dem entferntesten
Punkt der Bahn befinden sich die reflexionsfreien Ab
schlüsse beider Leitungen. Damit können keine Phasen
sprünge mehr an den Schnittstellen dieser beiden Lei
tungsteile stattfinden. So ist am Einspeisepunkt der
Leitungen mit den beiden Leitungsstücken die Phase
gleich, da diese direkt mit der Quelle verbunden sind.
An dem Punkt des reflexionsfreien Abschlusses beider
Leitungen besteht ebenfalls keine Phasendifferenz, da
beide Signale bis zum Erreichen dieses Punktes den
gleichen elektrischen Weg zurückgelegt haben und damit
auch gleichzeitig ankommen. Wichtig bei dieser Anord
nung ist, daß die Signale am Einspeisepunkt derart ein
gespeist werden, daß der Stromfluß zu jedem Zeitpunkt
entlang der Trajektorie der Bewegung in einer Richtung
verläuft. Dies bedeutet, daß die Quelle im Falle einer
unsymmetrischen Leitung in den einen Leitungspfad das
invertierte Signal des zweiten Leitungspfades ein
speist. Im Falle einer symmetrischen Leitung bedeutet
dies, daß die Einspeisung in den einen Leitungszweig,
ebenfalls mit invertiertem Signal, zum anderen Lei
tungszweig erfolgt. Dies läßt sich besonders einfach
durch ein Vertauschen der Leitungen erreichen. Die hier
für den Sendefall geschilderte Funktionsweise gilt
selbstverständlich auch für den Empfangsfall.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird
die beidseitig reflexionsfrei abgeschlossene Leitung
als symmetrische Zweidrahtleitung ausgeführt, welche
von einem metallisch leitenden Gehäuse zur elektrischen
Abschirmung weitgehend umschlossen wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem
plarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Vorrichtung zur Breitbandübertragung mit re
flexionsfrei abgeschlossener Leitung und indukti
ven Koppeleinrichtungen
Fig. 2 Induktive Koppeleinrichtung
Fig. 3 Induktive Koppeleinrichtung bei abgestützter
Zweidrahtleitung
Fig. 4 Leitung in Streifenleitungstechnik mit Koppel
einrichtung
Fig. 5 Induktive Koppeleinrichtung mit unsymmetri
scher Streifenleitung
Fig. 6 Beispielhafte Koppeleinrichtung für unsymme
trische Leitungen
Fig. 7 Beispielhafte Koppeleinrichtung für symmetri
sche Leitungen
Fig. 8 Übertragungsvorrichtung mit geschlossener Bahn
und unsymmetrischer Leitung
Fig. 9 Übertragungsvorrichtung mit geschlossener Bahn
und symmetrischer Leitung
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend
aus einer Leitung (3), welche durch einen geeigneten
Widerstand (2) reflexionsfrei abgeschlossen ist. Diese
Leitung ist hier beispielhaft als symmetrische Zwei
drahtleitung ausgeführt. Selbstverständlich können hier
auch unsymmetrische Leitungstypen eingesetzt werden.
Weiterhin sind mehrere bewegliche Einheiten darge
stellt, welche jeweils aus einer induktiven Koppelein
richtung (12, 22, 32) sowie den zugehörigen Quellen
und/oder Senken für Signale bzw. Energie (11, 21, 31)
bestehen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hier
jeweils das elektrische Schaltsymbol einer Wechselspan
nungsquelle eingesetzt. Grundsätzlich bezieht sich der
Begriff Quelle in dieser Patentschrift auf eine Quelle
und/oder Senke für Signale bzw. Energie in allgemein
ster Form. Weiterhin ist beispielhaft an einem Ende der
reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung (3) eine Quelle
und/oder Senke für Signale bzw. Energie (1) angebracht.
Fig. 2 zeigt beispielhaft eine induktive Koppeleinrich
tung zur Ankopplung an die reflexionsfrei abgeschlosse
ne Leitung. Diese Leitung ist hier wieder beispielhaft
als symmetrische Zweidrahtleitung ausgeführt und be
steht aus den beiden Leitern (4) und (5). Diese werden
umschlossen von einem Kern aus ferromagnetischen Mate
rialien (6), der die Aufgabe hat, das magnetische Feld
der beiden Leiter (4) und (5) durch eine Koppelspule
(7) zu führen. An den freien Leitungsenden dieser An
koppelspule sind die Quellen und/oder Senken für Signa
le bzw. Energie angeschlossen.
Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung einer
induktiven Koppeleinrichtung zur Ankopplung einer Zwei
drahtleitung. Die beiden Leiter (4) und (5) der Zwei
drahtleitung sind hier über Stützen vom Untergrund ab
gestützt. Dadurch ist ein vollständiges Umschließen der
Leiter durch den ferromagnetischen Kern der Koppel
einrichtung (6) nicht mehr möglich. Dieser Kern ist
hier so angeordnet, daß er die beiden Leiter zumindest
weitgehend umschließt. In der hier gezeigten Anordnung
ist die Umschließung ausreichend, um den magnetischen
Fluß durch die Koppelspule (7) zu leiten.
Fig. 4 zeigt eine Leitung in Streifenleitungstechnik,
bestehend aus den Leitern (4) und (5), aufgebracht auf
einem isolierenden Trägermaterial (8). Die induktive
Koppeleinrichtung besteht aus einem Körper aus ferroma
gnetischem Material (6) und der Koppelspule (7). Zur
Verbesserung des magnetischen Flusses kann hier als
Träger der Leiter (4) und (5) ein Isoliermaterial (8)
mit ferromagnetischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Isolation kann zwischen den Lei
tern (4) und (5) und dem wahlweise ferromagnetischen
Material (8) ein dünner Isolierfilm angebracht werden.
Fig. 5 zeigt die Einkoppeleinrichtung im Falle einer
unsymmetrischen Streifenleitung. Die unsymmetrische
Streifenleitung, bestehend aus einem Signalleiter (4)
und einem Masseleiter (5), getrennt durch ein Isolier
material (9), ist auf der Trägerfläche (8) aufgebracht.
Der induktive Abgriff erfolgt nun mittels eines Kerns
aus ferromagnetischem Material (6) und einer Koppelspu
le (7). In diesem Fall muß das Magnetfeld zwischen dem
Signalleiter (4) und dem Masseleiter (5) hindurchtre
ten. Zur Verbesserung des magnetischen Flusses sollte
hier die Isolierschicht (9) möglichst dick dimen
sioniert werden und/oder ferromagnetische Eigenschaften
besitzen.
Grundsätzlich beziehen sich in dieser Patentanmeldung
die Begriffe ferromagnetisches Material auf derartige
Materialien sowie auf andere Materialien mit ferroma
gnetischen Eigenschaften. Die können Eisenmaterialien,
Ferrite oder auch Verbundwerkstoffe wie Ferrit-Polymer-Compounds
sein.
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine einfache Koppeleinrich
tung für eine unsymmetrische Leitung. Fig. 4 ist der
signalführende Leiter der unsymmetrischen Leitung. Aus
diesem wird mittels einer Koppelspule (7) ausgeführt
als Leiterschleife induktiv das Signal ein- bzw. ausge
koppelt. Zur Unterdrückung kapazitiver Beeinflussung
kann zusätzlich ein Schirm (13) angebracht werden.
Fig. 7 zeigt eine besonders einfache Ein- bzw. Auskop
peleinrichtung für den Fall einer symmetrischen Zwei
drahtleitung. Hier dient die Koppelspule (7) ausgeführt
als Leiterschleife zur Verkopplung mit den beiden Lei
tern (4) und (5) der Zweidrahtleitung.
Fig. 8 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vor
richtung für eine geschlossene Trajektorie der Bewegung
der einzelnen beweglichen Einheiten, wie dies z. B. bei
einem Drehübertragungssystem der Fall ist. Bei einer
solchen Übertragungseinrichtung mit geschlossener Bahn
ist eine lückenlose Übertragung auf der ganzen Strecke
besonders wichtig. Darüber hinaus sollten keine Stellen
mit Phasensprüngen des Signales vorhanden sein. Wird
beispielsweise eine lineare Anordnung, wie beispielhaft
in Fig. 1 dargestellt, zu einem Kreis geschlossen, so
ergibt sich bei einer Bewegung über den Einspeisepunkt
ein Phasensprung. Dieser kommt dadurch zustande, daß
unmittelbar über dem Einspeisepunkt ein unverzögertes
Signal und unmittelbar über dem Abschluß der Leitung
ein um die Laufzeit der Leitungslänge verzögertes Si
gnal anliegt. Befindet sich die induktive Koppelein
richtung zunächst unmittelbar über dem Abschluß, so er
hält sie das um die Signallaufzeit verzögerte Signal.
Durch eine kleine Bewegung der Koppeleinrichtung in
Richtung Einspeisepunkt der Signalquelle, erhält die
Koppeleinrichtung das unverzögerte Signal. Dadurch er
gibt sich auf einem sehr kurzen Weg bzw. in sehr kurzer
Zeit eine starke Änderung der Phase. Derartige Phasen
sprünge können mit einer in Fig. 8 dargestellten Anord
nung vermieden werden. Hierbei wird der gesamte elek
trische Weg in zwei gleich lange Teilstücke (3a) und
(3b) aufgeteilt. Die Einspeisung des Signals erfolgt in
beide Leitungsstücke an einer Trennstelle, an der ande
ren Trennstelle befinden sich die Abschlüsse der Lei
tung (2a) und (2b). Damit kann ein Phasensprung entlang
des Weges sicher verhindert werden. Bei den kritischen
Bereichen sind die Phasen gleich. So ist im Einspeise
punkt die Phase des Stromes durch die gleiche Si
gnallaufzeit für beide Leitungszweige gleich und am
Punkt der Abschlüsse ist ebenso durch die gleich langen
Leitungslängen der Teilstücke (3a) und (3b) die Lauf
zeit und damit die Phase des Signales gleich. Zur Er
füllung der zweiten Bedingung, der lückenlosen Über
tragung über den gesamten Drehbereich, ist eine spezi
elle Signaleinspeisung notwendig. Durch diese Art der
Signaleinspeisung muß sichergestellt werden, daß im
Einspeisepunkt der Stromfluß in beiden Leitungszweigen
in die gleiche Richtung erfolgt. Würde der Stromfluß
jeweils in unterschiedliche Richtungen erfolgen, so
würde unmittelbar an der Position des Einspeisepunktes
keine Übertragung möglich sein, da sich die Magnetfel
der der einzelnen Ströme in der Koppeleinrichtung ge
genseitig aufheben. Die Pfeile zeigen hier beispielhaft
die Richtung des Stromflusses im statischen Fall für
ein positives Signal der Quelle (1). Um hier den Strom
fluß über den ganzen Weg in der gleichen Richtung zu
erzwingen, wird eine Schaltung (14) mit zwei Ausgängen
entgegengesetzter Polarität zur Speisung eingesetzt.
Dies kann beispielsweise eine Kombination aus einem in
vertierendem und einem nicht invertierendem Verstärker
oder auch ein Übertrager sein.
Fig. 9 zeigt beispielhaft die Realisierung einer Über
tragungsstrecke mit geschlossenem Weg mittels einer
symmetrischen Leitung. Die Speisung der beiden gleich
langen Leitungszweige (3a) und (3b), welche mit den Ab
schlüssen (2a) und (2b) reflexionsfrei abgeschlossen
sind, erfolgt hier mit einer symmetrischen Quelle (1).
Die beiden Leitungszweige sind so über Kreuz verschal
tet, daß der Stromfluß über den gesamten Weg konstant
ist. Die Pfeile zeigen hier den Stromfluß in allen Tei
len des Ringes im statischen Fall einer positiven Span
nung. Anstelle der symmetrischen Quelle kann auch eine
unsymmetrische Quelle mit einer nachgeschalteten Symme
trieschaltung eingesetzt werden. Dies kann wie in Fig.
8 dargestellt, eine Schaltung (14) mit Ausgängen unter
schiedlicher Polarität bestehend aus aktiven Komponen
ten oder auch Übertragern sein. Die hier gezeigte
kreuzweise Verbindung dient nur zur Veranschaulichung
der Funktionsweise. Sie ist im Falle einer unidirektio
nalen Verbindung mit der Quelle (1) als Sender und ei
ner induktiven Koppeleinrichtung als Empfänger sinn
voll. Bei einer bidirektionalen Übertragung sollten an
der Stelle der Einspeisung beide Leitungen reflexions
frei abgeschlossen sein.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur breitbandigen Signal- bzw. Energie
übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einhei
ten, welche zumindest jeweils eine Quelle und/oder Sen
ke für Signale bzw. Energie besitzen,
dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Trajektorie der
Bewegung eine reflexionsfrei abgeschlossene Leitung
vorhanden ist und die beweglichen Einheiten eine induk
tive Koppeleinrichtung zur Ankopplung an die Leitung
besitzen, welche derart an der Leitung angeordnet ist,
daß in dieser Ströme induziert bzw. fließende Ströme
abgegriffen werden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einem Ende der
reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung eine Quelle
und/oder Senke für Signale bzw. Energie angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß in der induktiven Koppe
leinrichtung ferromagnetische Materialen zur verbesser
ten Ankopplung an die reflexionsfrei abgeschlossene
Leitung eingesetzt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen und/oder Senken
für Signale bzw. Energie selbst eine niedrige Quell- bzw.
Eingangsimpedanz besitzen, so daß die diesen zuge
ordnete induktive Koppeleinrichtung mit einer niedrigen
Impedanz betrieben wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen und/oder Senken
für Signale bzw. Energie jeweils für den Sende- und/oder
Empfangsfall unterschiedliche Impedanzen zum
Betrieb der induktiven Koppeleinrichtung besitzen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß Energie und Signale gleich
zeitig in getrennten Frequenzbereichen übertragen wer
den.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die über die induktive Kop
peleinrichtung in die Leitung transformierte Impedanz
ein vorgegebenes frequenzabhängiges Verhalten besitzt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abge
schlossene Leitung als symmetrische Zweidrahtleitung
ausgeführt ist und die induktive Koppeleinrichtung bei
de Leiter dieser Zweidrahtleitung weitestgehend umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abge
schlossene Leitung als symmetrische Streifenleitung
ausgeführt ist und die induktive Koppeleinrichtung der
art ausgebildet ist, daß sie die beiden Leiter dieser
Streifenleitung weitestgehend abdeckt und wahlweise das
Trägermaterial der Streifenleiter ferromagnetische Ei
genschaften besitzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abge
schlossene Leitung als unsymmetrische Streifenleitung
ausgeführt ist und zur besseren Ankopplung durch eine
induktive Koppeleinrichtung, welche den Signalleiter
abdeckt, eine zusätzliche Schicht aus Material mit fer
romagnetischen Eigenschaften zwischen diesem Signallei
ter und seiner Masseleitung, angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Koppelein
richtung im Falle einer unsymmetrischen reflexionsfrei
abgeschlossen Leitung aus einem Leiter parallel in un
mittelbarer Nähe zum Signalleiter dieser Leitung und im
Falle einer symmetrischen reflexionsfrei abgeschlosse
nen Leitung aus einem Leiter parallel in unmittelbarer
Nähe zu einem der Leiter dieser Leitung oder wahlweise
aus zwei Leitern, welche parallel in unmittelbarer Nähe
zu beiden Leitern der reflexionsfrei abgeschlossenen
symmetrischen Leitung angeordnet sind, besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer geschlosse
nen Bahn der Trajektorie der Bewegung, wie dies insbe
sondere bei Drehübertragern der Fall ist, die refle
xionsfrei abgeschlossene Leitung in mehrere kurze Lei
tungssegmente aufgespalten ist, wobei jedes dieser Lei
tungssegmente an mindestens einem Ende mit einer Quelle
und/oder Senke für Signale bzw. Energie, über gleich
lange Leitungen verbunden ist und die Speisung bzw.
Auswertung dieser Segmente phasensynchron erfolgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer weitgehend
geschlossenen Trajektorie der Bewegung, die refle
xionsfrei abgeschlossene Leitung in zwei Segmente mit
elektrisch gleicher Leitungslänge aufgeteilt ist und
die Speisung bzw. der Empfang jeweils an den beiden am
nächsten beieinander liegenden Endpunkten dieser Lei
tungssegmente derart erfolgt, daß diese Segmente mit
invertierten Signalen gespeist bzw. im Empfangsfall in
vertiert ausgewertet werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die symmetrische Zweidraht
leitung von einem diese weitgehend umschließenden Ge
häuse aus elektrisch gut leitendem Material geschirmt
wird.
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