DE19649682C2 - Vorrichtung zur breitbandigen Signal- bzw. Energieübertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur breitbandigen Signal- bzw. Energieübertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels einer reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung, welche zumindest eine Quelle und/oder Senke für Signale bzw. Energie besitzen, die induktiv bzw. galvanisch an die Leitung angekoppelt sind.

Zur Energie- und Signalübertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten gibt es eine Vielzahl bekannter 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 A1 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 Streuinduktivitat 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 gewic­ kelten 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-Be­ reich übertragen werden. Für solche Bandbreiten sind die zuvor beschriebenen Systeme mit hoher Streuinduktivität oder auch kapazitiv oder induktiv gekoppelte Trägerfrequenzsysteme, die nur eine geringe Kanalbandbreite aufweisen, ungeeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine breitbandige, berührungslose Signal- bzw. Energieübertragung zwischen beweglichen Einheiten derart zu ermöglichen, daß ein der Übertragungsaufgabe entsprechender Anteil des Signals bzw. der Energie in bzw. aus dem Leitungssystem ein bzw. ausgekoppelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Kommunikation der gegeneinander beweglichen Einheiten erfolgt mittels einer reflexionsfrei abgeschlossenen Lei­ tung. Der Begriff Leitung bezieht sich hier im allgemein­ sten Sinne auf elektrisch leitfähige Gebilde, in denen elektromagnetische Wellen in TEM-Moden ausbreitungsfähig sind. Derart abgeschlossene Leitungen sind bekanntermaßen sehr breitbandig und können gleichzeitig sehr störarm bzw. störunempfindlich gestaltet werden. Da in der Praxis eine absolut reflexionsfreie Leitung nicht realisierbar ist, be­ zieht sich in dieser Patentanmeldung der Begriff "refle­ xionsfrei" auf möglichst reflexionsarme Leitungsabschlüsse, so daß eine einwandfreie Signalübertragung gewährleistet ist. Gerade bei der Übertragung von Digitalsignalen können relativ hohe Reflexionsfaktoren zugelassen werden, da eine saubere Kurvenform bereits mit relativ einfachen tech­ nischen Mitteln wiederhergestellt werden kann.

Aus der DE 44 12 958 A1 ist eine Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einem Sendemodul und einem Empfangsmodul, die relativ zueinander verstellbar sind, bekannt. Von dieser Lösung wurde bei der Bildung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung ausgegangen. Eine breitbandige Koppelung mit geringer Dämpfung ist mit dieser Lösung zu bewerkstelligen. Es ist jedoch nicht möglich, einen der Übertragungsaufgabe entsprechenden Anteil des Signals bzw. der Energie in bzw. aus dem Leitungssystem ein- bzw. auszukoppeln.

Die Ein- bzw. Auskopplung der elektrischen Signale bzw. Energie erfolgt mittels einer induktiven Koppeleinrichtung, die im Falle der Einspeisung in die Leitung in dieser Ströme induzieren kann. Hierbei ist die Koppeleinrichtung so zu gestalten, daß sie in der Leitung kein Gleichtakt­ sondern ein echtes Gegentaktsignal erzeugt. Denn nur bei Gegentaktsignalen ist die Leitungsimpedanz 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 Koppeleinrichtung lassen sich problemlos mit breitbandigen Verstärkern anheben.

Erfindungsgemäß ist die Impedanz an der induktiven Koppel­ einrichtung und damit der Grad der Ankopplung an die Leitung frequenzabhängig. So kann in dem Frequenzbereich zur Energieübertragung, ein hoher Reflexionsfaktor auf dem Leitungssystem problemlos akzeptiert werden, da es bei der Energieübertragung nicht auf saubere, unverzerrte Signale und konstante 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 realisiert werden, daß sie in dem für die Energieübertragung vorgesehenen Frequenzband einen hohen Energieanteil auskoppelt und dabei auch hohe Reflexionen und Störungen aus der Leitung verursacht. In den für die Signal­ übertragung reservierten Frequenzbändern sind hohe Reflexionen nicht mehr zu akzeptieren. Daher müssen die Auskoppeleinrichtungen so dimensioniert werden, dass sie in diesen Frequenzbereichen nur wenig Energie auskoppeln bzw. einen niedrigen Reflexionsfaktor verursachen. Die frequenzabhängige Anpassung der Auskopplung kann beispielhaft durch die Auswahl geeigneter ferromagnetischer Materialien in der Koppeleinrichtung erfolgen. Alternativ dazu könnte die Auskopplung über frequenzabhängige Filter erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zumindest an einem Ende der reflexionsfrei 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 Wirkungsgrad. Somit ist es sinnvoll, insbesondere eine Quelle zur Energieversorgung der übrigen beweglichen Einheiten direkt an einem Ende der Leitung anzuschließen. Diese Anordnung ist auch im Falle der Übertragung zwischen einer feststehenden und einer relativ dazu bewegten Einheit sinnvoll, da in diesem Fall nur eine induktive Koppeleinrichtung benötigt wird. Soll die erfindungsgemäße 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 reflexions­ freier Anschluß dieser Quelle ist nicht zwingend notwendig, da die von der Quelle in die Leitung eingespeiste 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 werden.

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 Abschluß beider Enden der Leitung notwendig.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die induktive Koppeleinrichtung der beweglichen Einheiten ferromagnetisches Material, welches derart angeordnet ist, daß die magnetische Verkopplung mit der Leitung erhöht wird. Hierbei sollte das ferromag­ netische 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 Erfindung wird die induktive Koppeleinrichtung mit einer niedrigen elektrischen Impedanz betrieben, dies bedeutet, 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 Reflexionsfaktor 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 = (I_K)² × R_K. Dabei ist R_K der Lastwiderstand im Falle einer Signal- bzw. Energiesenke und I_K der durch die Koppeleinrichtung aus der Leitung ausgekoppelte Strom. Im praktischen Einsatz sollte nun hier der Widerstand R_K möglichst niedrig dimensioniert werden, so daß dem Lei­ tungssystem möglichst wenig Energie entzogen wird. Die Verstärkung zu günstigen Signalpegeln hin ist mit modernen Verstärkern problemlos möglich. Im Falle der Energieüber­ tragung muß der Widerstand R_K so dimensioniert werden, daß die gewünschte Energie zur Verfügung steht. Im Sendefall kann eine Signal- bzw. Energiequelle 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 Erfindung sind die Quellen und/oder Senken für Signale bzw. Energie derart gestaltet, daß ihre Impedanzen jeweils für den Sende- bzw. Empfangsfall unterschiedlich angepaßt sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Energieübertragung in einem oder mehreren Frequenzbereichen und/oder die Signalübertragung in einem oder mehreren von der Energieversorgung unterschiedlichen Frequenzbereichen. Damit lassen sich mit einer frequenz­ selektiven Einspeisung bzw. Auskopplung mehrere Energie­ übertragungs- bzw. Signalübertragungskanäle realisieren. Durch die Wahl der unterschiedlichen Frequenzbereiche kann eine gegenseitige Beeinflussung dieser Kanäle ausge­ schlossen werden. Durch die extreme Breitbandigkeit der reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung besteht große Flexibilität in der Wahl der Frequenzbereiche. So kann z. B. eine Energieübertragung mit einem schmalbandigen Signal hoher Amplitude bei 100 kHz erfolgen. Ein erstes Frequenz band zur schnellen Digitalübertragung könnte dann zwischen 10 und 100 MHz liegen, ein zweites Frequenzband zur Signalübertragung könnte den Bereich von 200 bis 500 MHz nutzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Leitung als symmetrische Zweidrahtleitung ausgeführt, wobei die induktive Koppeleinrichtung beide Leiter dieser symmetrischen Zweidrahtleitung weitestgehend umfaßt. Die beste magnetische Verkopplung zwischen Koppeleinrichtung und Leitung läßt sich durch einen vollständig geschlossenen magnetischen Kreis erreichen. Hierzu müßte die Koppeleinrichtung beide Leiter der symmetrischen Zweidrahtleitung ständig umfassen. 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 Leitung 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 geschlossen werden. Dennoch läßt sich gerade bei hohen Frequenzen eine ausreichende Verkopplung erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Leitung als symmetrische Streifenleitung auf einem Träger realisiert. Der Träger ist meist eine ebene Platte aus nicht leitendem Material. Die induktive 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 Nahe 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 Koppeleinrichtung

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) reflekionsfrei 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. 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 (12)

1. Vorrichtung zur gleichzeitigen breitbandigen Signal- und schmalbandigen Ener­ gieübertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels einer re­ flexionsfrei abgeschlossenen Leitung, wobei zumindest eine Signalquelle sowie eine Signalsenke und eine Energiequelle sowie eine Energiesenke induktiv be­ weglich bzw. galvanisch fest an die Leitung angekoppelt sind, und zumindest eine induktive Koppel Einrichtung zur ausschließlichen Ein- bzw. Auskopplung von Gegentaktsignalen vorhanden ist, deren Grad der Ankopplung an die Leitung für den Fall der Signalauskopplung in dem zur Signalübertragung verwendeten Fre­ quenzbereich auf die Auskopplung geringer Energie ausgelegt ist und gleichzeitig für den Fall der Energieauskopplung in dem zur Energieübertragung verwende­ ten Frequenzbereich zur Auskopplung großer Energiemengen ausgelegt ist und wobei die Übertragung von Signalen und Energie in unterschiedlichen Frequenz­ bereichen erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einem Ende der reflexionsfrei abge­ schlossenen Leitung eine Quelle und/oder Senke für Signale bzw. Energie an­ gebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der induktiven Koppeleinrichtung ferromagneti­ sche Materialien zur frequenzabhängigen Ankopplung an die reflexionsfrei abge­ schlossenen 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 zugeordnete induktive Koppeleinrichtung mit einer niedrigen Impedanz betrieben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Energie und Signale gleichzeitig in getrennten Freuenzbereichen übertragen werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abgeschlossene Leitung als symmetrische Zweidrahtleitung ausgeführt ist und die induktive Koppeleinrichtung beide Leiter dieser Zweidrahtleitung weitestgehend umfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abgeschlossene Leitung als symmetrische Streifenleitung ausgeführt ist und die induktive Koppeleinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die beiden Leiter dieser Streifenleitung weitestge­ hend abdeckt und wahlweise das Trägermaterial der Streifenleiter ferromagneti­ sche Eigenschaften besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsfrei abgeschlossene Leitung als un­ symmetrisch Streifenleitung ausgeführt ist und zur besseren Ankopplung durch eine induktive Koppeleinrichtung, welche den Signalleiter abdeckt, eine zusätzli­ che Schicht aus Material mit ferromagnetischen Eigenschaften zwischen diesem Signalleiter und seiner Masseleitung, angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Koppeleinrichtung im Falle einer un­ symmetrischen reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung aus einem Leiter parallel in unmittelbarer Nähe zum Signalleiter dieser Leitung und im Falle einer symme­ trischen reflexionsfrei abgeschlossenen Leitung aus einem Leiter parallel in un­ mittelbarer 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.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer geschlossenen Bahn der Trajektorie der Bewegung, wie dies insbesondere bei Drehübertragern der Fall ist, die refle­ xionsfrei abgeschlossene Leitung in mehrere kurze Leitungssegmente aufge­ spalten ist, wobei jedes dieser Leitungssegmente an mindestens einem Ende mit einer Quelle und/oder Senke für Signale bzw. Energie, über gleich lange Leitun­ gen verbunden ist und die Speisung bzw. Auswertung dieser Segmente phasen­ synchron erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer weitgehend geschlossenen Trajekt­ orie der Bewegung, die reflexionsfrei 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 Leitungssegmente derart erfolgt, daß diese Segmente mit invertierten Si­ gnalen gespeist bzw. im Empfangsfall invertiert ausgewertet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die symmetrische Zweidrahtleitung von einem diese weitgehend umschließenden Gehäuse aus elektrisch gut leitendem Material geschirmt wird.