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Schlitzleitung
und Koppelelement zur berührungslosen
Informationsübertragung
mitels elektromagnetischer Wellen zwischen zwei relativ zueinander
bewegten Gegenständen
sowie Verbindungselement zur feldgekoppelten Verbindung von zwei
Teilstücken
einer Schlitzleitung sowie Anschlußelement zum feldgekoppelten
Anschluß einer
Schlitzleitung an mindestens einen elektromagnetischen Wellenleiter
anderer Art.
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Die
Erfindung betrifft eine Schlitzleitung zur berührungslosen Informationsübertragung
mittels elektromagnetischer Wellen zwischen zwei relativ zueinander
bewegten Gegenständen,
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, und ein Koppelelement zur berührungslosen
Informationsübertragung
mittels elektromagnetischer Wellen zwischen zwei relativ zueinander
bewegten Gegenständen,
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 5 sowie ein Verbindungselement zur feldgekoppelten
Verbindung zweier Teilstücke
einer Schlitzleitung, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 6, sowie ein Anschlußelement zum feldgekoppelten
Anschluß einer
Schlitzleitung an mindestens einen elektromagnetischen Wellenleiter
anderer Art, gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 10.
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Schlitzleitung
und Koppelelement wirken funktional zusammen und bilden zusammen
mit den zugehörigen,
an der Schlitzleitung bzw. dem Koppelelement angeschlossenen Sende/Empfangsgeräten ein
Informationsübertragungssystem.
Innerhalb dieses Informationsübertragungssystems
kann die Schlitzleitung als durchgängige Einheit vorliegen oder
in Form von mehreren Teilstücken,
die mittels der Verbindungselemente verbunden sind. Andere Komponenten
weiterführender
Systeme oder des Informationsübertragungssystems beispielsweise
die Sende/Empfangsgeräte,
können
zum Beispiel über
Koaxialkabel mittels der Anschlußelemente angeschlossen sein.
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Bekannt
ist (z.B. aus: H. Dalichau: "Offene
Wellenleiter für
die Nachrichtenübertragung
zu spurgeführten
Fahrzeugen", Seite
61 bis 77; in: Fortschrittberichte der VDI-Zeitschriften, Reihe 9, Nr. 28, VDI-Verlag,
Düsseldorf,
1981), oder aus: K. Bretting: "Abstrahlende
Hochfrequenzleitung zur Bahnsteig-Überwachung"; in: Funkschau 1975, Heft 13/333, Seiten
66 bis 67), daß Schlitzleitungen
aus Koaxialkabeln mit längsgeschlitztem Außenleiter
zur Funkübertragung
zu Schienen- und Kraftfahrzeugen insbesondere in geschlossenen Räumen oder
in funktechnisch abgeschatte ten Gebieten (Straßentunnel, U-Bahn, Tiefgaragen)
verwendet werden. Außerdem
werden sie zur drahtlosen Datenübertragung
mittels Funk innerhalb von Bürogebäuden eingesetzt. Koaxiale
Schlitzleitungen sind wie herkömmliche
Koaxialkabel aus Innenleiter, Isolierung, Außenleiter und Kabelmantel aufgebaut,
wobei der Außenleiter
in Längsrichtung
nicht vollständig
geschlossen ist (Längsschlitz).
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Zur
Theorie der Ausbreitung bzw. Verteilung der elektromagnetischen
Felder von Schlitzleitungen sei auf H. Buchholz: "Elektrische und magnetische
Potentialfelder" (Springer-Verlag,
Berlin, 1957), Seiten 139 bis 151 verwiesen.
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Herkömmliche
Schlitzleitungen aus Koaxialkabeln haben den Nachteil, daß sie als
separate Bauelemente verlegt werden müssen. Um sie vor mechanischer
Zerstörung
schützen
zu können,
müssen
sie entweder aufwendig armiert werden (z.B. durch für elektromagnetische
Felder durchlässige
Kabelschächte)
oder im Boden, in den Seitenwänden
oder Decken verlegt werden, was ebenfalls mit hohem Verlegeaufwand
verbunden ist.
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Herkömmliche
Verbindungs- und Anschlußelemente
für Wellenleiter
benötigen
häufig
elektrisch leitenden (galvanischen) Kontakt. Oft wird hierfür mittels
Löten eine
feste Verbindung geschaffen. Dies erfordert einen hohen Montage- und Demontageaufwand.
Desweiteren weisen solche Verbindungsarten im allgemeinen nur eine
geringe Toleranz auf gegenüber
thermisch bedingten Längenänderungen
der Wellenleiter.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, kostengünstige Komponenten (speziell
eine Schlitzleitung, ein Koppelelement, ein Verbindungselement für die Verbindung
von Teilstücken
der Schlitzleitung, ein Anschlußelement
für den
Anschluß der
Schlitzleitung an elektromagnetische Wellenleiter anderer Art) für ein Gesamtsystem
zur berührungslosen
Informationsübertragung
zwischen zwei relativ zueinander bewegten Gegenständen sowie
das aus diesen Komponenten aufgebaute Gesamtsystem zu schaffen,
wobei gegenüber
bekannten Lösungen
sowohl eine Verringerung des Montage-/Demontageaufwandes als auch
eine höhere
Sicherheit gegenüber
mechanischer Beschädigung
erzielt werden soll.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe in Bezug auf die zu schaffende Schlitzleitung ist durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf
das zu schaffende Koppelelement durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 5 wiedergegeben sowie in Bezug auf das zu schaffende
Verbindungselement durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
6 wiedergegeben und in Bezug auf das zu schaffende Anschlußelement
durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 10 wiedergegeben.
Die übrigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schlitzleitung
(Ansprüche
2 bis 4), des erfindungsgemäßen Verbindungselementes
(Ansprüche
7 bis 9) und des erfindungsgemäßen Anschlußelementes
(Ansprüche
11 bis 14) sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung (Ansprüche 15 bis
19).
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Schlitzleitung
sowie die Verbindung- und Anschlußelemente in bestehende Wand-
bzw. Schienensysteme integriert sind. Damit sind sie sowohl sicher
vor mechanischer Zerstörung
als auch sehr kostengünstig,
da zum einen der Außenleiter
bereits in Form der wand bzw. Schiene vorliegt und zum anderen der
Montage- und Demontageaufwand im Vergleich zu festen Verbindungen,
wie beispielsweise gelöteten
Verbindungen, sehr gering ist.
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Ein
weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß mit der Kombination Koppelelement/Schlitzleitung
erheblich geringere elektromagnetische Feldstärken für eine zuverlässige und
sichere Informationsübertragung
ausreichen, was sich im Hinblick auf EMV-Anforderungen (EMV = Elektromagnetische
Verträglichkeit)
vorteilhaft auswirkt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Die
Figuren sind nicht maßstäblich dargestellt,
zum Zwecke der Verdeutlichung sind einzelne Komponenten in abweichenden
Maßstäben wiedergegeben.
Es zeigen
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1 mehrere
bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schlitzleitung
in perspektivischer Sicht sowie im Querschnitt;
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2 eine
erste vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Koppelelements
in Form eines differentiellen Koppelelements mit zwei Koppelleitungen
und einem Wilkinson-Teiler in der Draufsicht sowie im Querschnitt
von der Seite (Schnitt AB) und von vorn (Schnitt CD, mit zu sätzlich in
dieser Seitenansicht sichtbarem koaxialen Anschluß);
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3 eine
zweite vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Koppelelements
in Form eines einfachen Koppelelements mit einer Koppelleitung in
der Draufsicht;
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4 eine
dritte vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Koppelelements
in Form eines doppelten Koppelelements mit zwei Koppelleitungen
und einem Wilkinson-Teiler in der Draufsicht;
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5 eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbindungselements
in der Seitenansicht von vorne (5a) und
hinten (5b) sowie im Querschnitt von
der Oberseite (5c; Schnitt AB, mit zusätzlich in
dieser Ansicht sichtbaren zwei Schlitzleitungsteilstücken und
einem Befestigungselement in Form eines Metallwinkels) und im Querschnitt
von der Stirnseite (5d; Schnitt CD, mit zusätzlich in
dieser Ansicht sichtbarem Befestigungselement und Schlitzleitung)-
in 5c und 5d sind
die Koppelleitungen, das Mikrostreifenleitungspaar und die Masseplatte
zum Zwecke der Verdeutlichung dicker dargestellt als in ihrer realen
Ausfertigung;
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6 eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Anschlußelements
in der Seiten ansicht von vorne (6a) und
hinten (6b) sowie im Querschnitt von
der Oberseite (6c; Schnitt AB, mit zusätzlich in
dieser Ansicht sichtbarem Schlitzleitungsendstück und einem Befestigungselement
in Form eines Metallwinkels) und im Querschnitt von der Stirnseite
(6d; Schnitt CD, mit zusätzlich in dieser Ansicht sichtbarem
Befestigungselement und Schlitzleitung)- in 6c und 6d sind
die Koppelleitung, das Mikrostreifenleitungspaar und die Masseplatte
zum Zwecke der Verdeutlichung dicker dargestellt als in ihrer realen
Ausfertigung;
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7 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Informationsübertragungssystems
mit einer Schlitzleitung gemäß 1 sowie
einem Koppelelement;
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8 zwei
bevorzugte Anordnungen eines Koppelelementes relativ zur Längsrichtung
einer Schlitzleitung, in H-Feld-Kopplung (längs zur Schlitzleitung) und
in E-Feld-Kopplung (quer zur Schlitzleitung);
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9 Änderung
der Koppeldämpfung
dAk in Abhängigkeit
von der Spurauslenkung ds des Koppelelementes gegenüber der
Schlitzleitung für
eine H-Feld-Kopplung
(9a) und eine E-Feld-Kopplung (9b) für eine bevorzugte
Ausführungsform
eines Informationsübertragungssystems
gemäß 7.
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Die
Ausführungsformen
der Schlitzleitung in 1 weisen keinen herkömmlichen
Koaxialkabelaufbau auf. Die Schlitzleitungen bestehen statt dessen
aus einem mit dielektrischem Isolationsmaterial 3 umgebenen Draht-Innenleiter 4,
der in eine als Außenleiter
wirkende Nut 2 eines Metallkörpers 1 eingelegt
ist.
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Der
Querschnitt dieser Nut 2 kann, wie in 1 zu
sehen ist, z.B. rechteckförmig,
trapezförmig
oder kreisförmig
(mit angeschnittener Kreisfläche)
sein. Der Innenleiter 4 kann – wie ebenfalls in 1 gezeigt – ein Draht
mit z.B. kreisförmigem
oder rechteckförmigem
Querschnitt sein.
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Das
Koppelelement in 2 zeigt einen in Mikrostreifenleitungsstruktur
aufgebauten Viertelwellenkoppler in der Form eines differentiellen
Kopplers. Mit einem solchen Koppelelement lassen sich bei einer
Orientierung in Längsrichtung
der Schlitzleitung (H-Feld-Kopplung, vergleiche 8)
auf einfache Weise Signalpegelschwankungen bei der Signalübertragung
zwischen Koppelelement und Schlitzleitung infolge seitlicher Spurführungsschwankungen
des Koppelelements gegenüber
der Schlitzleitung ausgleichen.
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Das
Koppelelement besteht aus zwei parallel zueinander verlaufenden
gleich langen Mikrostreifenleitungen 60, deren Länge in etwa
einem Viertel der mittleren Wellenlänge λ der Schlitzleitung im Betriebsfrequenzbereich
entspricht und die als Koppelleitungen wirken, sowie aus einem Wilkinson-Teiler 61,
der mit seinen beiden Armen an die beiden Koppelleitungen 60 angeschlossen
ist. An dem freien Ende der Koppelleitungen 60 sind SMD-Widerstände 65 (SMD
= Surface-Mounted-Device) angeordnet. Die beiden Arme des Wilkinson-Teilers 61 sind über einen
SMD-Widerstand 66 miteinander verbunden. Diese Mikrostreifenleitungsstruktur 60, 61, 65, 66 ist
auf einer Leiterplatte 62 angeordnet, die ihrerseits in
einem oben offenen Gehäuse 63 befestigt
ist.
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Der
Wilkinson-Teiler ist mit seinem dritten "Summen-Arm" an einen koaxialen Anschluß 64 angeschlossen.
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In 3 ist
ein einfaches Koppelelement 6 in der Draufsicht gezeigt.
Das Koppelelement besteht aus einer Mikrostreifenleitung 60,
deren Länge
in etwa einem Viertel der mittleren Wellenlänge λ der Schlitzleitung im Betriebsfrequenzbereich
entspricht und die als Koppelleitung wirkt. Die Leitung ist an dem
einen Ende an SMD-Widerstände 65 angeschlossen
und an dem anderen Ende mit einem (nicht gezeigten) koaxialen Anschluß verbunden.
Die Mikrostreifenleitung 60 ist auf einer Leiterplatte 62 angeordnet,
die ihrerseits in einem oben offenen Gehäuse 63 befestigt ist.
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Einfache
Koppelelemente dieser Art sollten vorzugsweise in E-Feld-Kopplung
angewendet werden (vergleiche 8). In H-Feld-Kopplung
können
sie vorteilhaft nur in den Anwendungen eingesetzt werden, in denen
nicht mit störenden
seitlichen Spurführungsschwankungen
zwischen Koppelelement und Schlitzleitung zu rechnen ist.
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In 4 ist
ein doppeltes Koppelelement 6 in der Draufsicht gezeigt.
Das Koppelelement besteht aus zwei kollinear zueinander angeordneten
Mikrostreifenleitungen 60, deren Länge in etwa einem Viertel der
mittleren Wellenlänge λ der Schlitzleitung
im Betriebsfrequenzbereich ent spricht und die als Koppelleitung
wirken, sowie aus einem Wilkinson-Teiler 61, der mit seinen
beiden Armen an die beiden Koppelleitungen 60 angeschlossen
ist. Die beiden Koppelleitungen 60 sind in einem Abstand
angeordnet, der in etwa einem Viertel der mittleren Wellenlänge λ im Betriebsfrequenzbereich
der Schlitzleitung entspricht. An den freien Enden der beiden Koppelleitungen 60 sind
SMD-Widerstände 65 angeordnet.
Die beiden Arme des Wilkinson-Teilers 61 sind über einen
SMD-Widerstand 66 miteinander gekoppelt. Diese Mikrostreifenleitungsstruktur 60, 61, 65, 66 ist auf
einer Leiterplatte 62 angeordnet, die ihrerseits in einem
oben offenen Gehäuse 63 befestigt
ist.
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Mit
einem doppelten Koppelelement dieser Art lassen sich bei H-Feld-Kopplung
auf einfache Weise kurze Unterbrechungen in der Schlitzleitung überbrücken, ohne
daß die
Signalübertragung
beim Überfahren dieser
Unterbrechungsstelle unterbrochen wird.
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Das
in 5 dargestellte Verbindungselement 8 zur
feldgekoppelten Verbindung zweier Teilstücke einer Schlitzleitung basiert
auf einer beidseitig strukturierten Leiterplatte 80. Die
Leiterplatte 80 ist so lang, daß sie den Spalt zwischen den
sich gegenüberstehenden
Enden der beiden Schlitzleitungsteilstücke überbrückt und darüber hinaus mit den Schlitzleitungsteilstücken teilweise überlappt.
Auf einer der beiden Flachseiten der Leiterplatte 80 ist
eine planare Mikrostreifenleitungsstruktur angebracht, die zwei
kollinear zueinander angeordnete Koppelleitungen 81, 82 enthält, welche
sich jeweils in den zur Überlappung
von Schlitzleitungsteilstück und
Leiterplatte 80 gedachten Bereichen der Leiterplatte 80 befinden.
Beide Koppelleitungen 81, 82 sind über zwei
Durchkontaktierungen 83, 84 mit einem feldgekoppelten
Mikrostreifenleitungspaar 85, 86 verbunden, welches
sich auf der anderen Flachseite der Leiterplatte 80 befindet
und zwar in dem zur Überbrückung des
Spaltes zwischen den beiden Enden der Schlitzleitungsteilstücke gedachten
Bereich der Leiterplatte 80. In diesem Überbückungsbereich befindet sich
auf der dem Mikrostreifenleitungspaar 85, 86 abgewandten
Seite der Leiterplatte 80, also zwischen den beiden Koppelleitungen 83, 84,
aber ohne direkten Kontakt zu ihnen, eine Masseplatte 87,
hier beispielhaft ausgeführt
in Form einer Metallisierung dieses Bereiches der Leiterplatte 80.
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Mit
einem Verbindungselement dieser Art lassen sich auf einfache Weise
zwei Teilstücke
einer Schlitzleitung verbinden. Vergleiche hierzu 5c und 5d.
Dort wird deutlich, wie die Leiterplatte 80 mittels eines Befestigungselementes 88 seitlich
neben den Enden der Schlitzleitungsteilstücke angebracht ist. Die als
Außenleiter
wirkende Nut 2 des Metallkörpers 1 ist in diesem
Verbindungsbereich verbreitert, um das Verbindungselement 8 aufnehmen
zu können.
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In
der gezeigten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungselementes 8 befindet
sich das Befestigungselement 88 auf der dem Mikrostreifenleitungspaar 85, 86 gegenüberliegenden
Flachseite der Leiterplatte 80. Das Befestigungselement 88 ist
mittig mit der Leiterplatte 80 verbunden und befindet sich
somit zwischen den beiden Koppelleitungen 81, 82.
Das Befestigungselement 88 ist hier beispielhaft ausgebildet
in Form eines Metallwinkels mit Montagebohrung in dem der Leiterplatte 80 abgewandten Winkelstück. Ein
derartiges Befestigungselement 88 erlaubt eine einfache
Montage, Demontage und Fixierung des Verbindungselementes 8.
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Das
Einsetzen und Fixieren des Verbindungselementes 8 in den
verbreiterten Verbindungsbereich der Nut 2, erfolgt mit
Hilfe des Befestigungselementes 88. Das so beschaffene
Verbindungselement kann ohne Verschieben des Isolationsmaterials 3 und
des Draht-Innenleiters 4 von oben in die verbreiterte Nut 2 eingesetzt
und wieder entfernt werden. Die Fixierung erfolgt über eine
Schraubverbindung durch die Montagebohrung in die Nut 2 des
Metallkörpers 1.
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Die
elektromagnetische Verbindung zwischen zwei Teilstücken der
Schlitzleitung erfolgt über
Feldkopplung; eine feste, leitende Verbindung, beispielsweise eine
gelötete
Verbindung, ist nicht notwendig. Die Koppelleitungen 81 und 82 koppeln
elektromagnetisch an die Enden der jeweiligen Draht-Innenleiter 4 der
beiden Teilstücke
der Schlitzleitung. Eine gute Kopplung wird erzielt aufgrund der
besonderen Überlappung
zwischen den jeweiligen Draht-Innenleitern 4 und
den Koppelleitungen 81 und 82. Die Länge der
Koppelleitungen 81, 82 und damit auch der Überlappungen,
entspricht in etwa einem Viertel der mittleren Wellenlänge λ im Betriebsfrequenzbereich
der Schlitzleitung. Die Länge
der Überlappung
ist innerhalb eines gewissen Rahmens toleranzunempfindlich. Abweichungen
von etwa 5% der Koppelleitungslänge
zeigen keine nennenswerte Auswirkung auf die Kopplungsqualität.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungselementes 8 sind die
Koppelleitun gen 81, 82 und das Mikrostreifenleitungspaar 85, 86 Teile
einer elektronischen Gesamtstruktur. In dieser Gesamtstruktur bildet
das Verbindungselement 8 zumindest einen Teil eines Bandpaßfilters.
Dies erlaubt eine gute Anpassung und Einfügungsdämpfung der zu übertragenen
elektromagnetischen Signale.
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Derartige
Verbindungselemente weisen eine Reihe von Vorteilen auf: Sie sind
aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der leichten Montage und Demontage
sehr kostengünstig.
Die Spurführung
wird an den Verbindungsstellen der Schlitzleitung nicht unterbrochen,
da der Draht-Innenleiter 4 an den Verbindungstellen nicht
aus der Nut 2 herausgeführt
werden muß,
sondern die Verbindungselemente direkt in die Spurführung integriert
werden können.
Dies bedingt eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Korrosion und Verschmutzung. Ferner
werden durch das Bandpaßverhalten
der Verbindungselemente Störsignale
gedämpft.
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Wird
die Schlitzleitung aus vielen kurzen Teilstücken zusammengesetzt, so kommt
es bei Verwendung der beschriebenen Verbindungsstücke zu einer
Reichweitenreduzierung. Diese kann auf einfache Weise durch ein
als Zwischenverstärker
bekannter Arbeitsweise modifiziertes Verbindungsstück kompensiert
werden.
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Das
in 6 dargestellte Anschlußelement 9 zum feldgekoppelten
Anschluß einer
Schlitzleitung an einen elektromagnetischen Wellenleiter anderer
Art basiert auf einer beidseitig strukturierten Leiterplatte 90. Auf
einer der beiden Flachseiten der Leiterplatte 90 ist eine
planare Mikrostreifenleitungsstruktur angebracht, die eine Koppel leitung 91 enthält. Die
Koppelleitung 91 ist über
eine Durchkontaktierung 92 verbunden mit einer der beiden
Mikrostreifenleitungen 93 eines feldgekoppelten Mikrostreifenleitungspaares 93, 94,
welches sich auf der anderen Flachseite der Leiterplatte 90 befindet.
Die andere Mikrostreifenleitung 94 des Mikrostreifenleitungspaares 93, 94 ist
mit dem Innenleiter einer Steckverbindung 95 gekoppelt.
Die Außenleiter
der Schlitzleitung und der Steckverbindung 95 sind ebenfalls
miteinander verbunden. Die Steckverbindung 95 ist hier
beispielhaft ausgebildet als Koaxial-Steckverbindung. Auf der dem
Mikrostreifenleitungspaar 93, 94 abgewandten Seite
der Leiterplatte 90, also seitlich neben der Koppelleitung 91,
aber ohne direkten Kontakt zu ihr, befindet sich eine Masseplatte 96,
hier beispielhaft ausgeführt
in Form einer Metallisierung dieses Bereiches der Leiterplatte 90.
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Zur
weiteren Verbesserung des Übertragungsverhaltens,
z.B. einer besseren breitbandigen Anpassung, empfiehlt es sich,
zwischen Mikrostreifenleitung 94 und Steckverbindung 95 ein
weiteres feldgekoppeltes Mikrostreifenleitungspaar einzufügen. Hierdurch
entsteht eine dem Verhalten der Anordnung aus 5 entsprechende
dreikreisige Bandpaß-Charakteristik.
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Mit
einem Anschlußelement
dieser Art lassen sich auf einfache Weise eine Schlitzleitung und
ein elektromagnetischer Wellenleiter anderer Art aneinander anschließen, hier
beispielhaft eine Schlitzleitung an ein Koaxialkabel. Vergleiche
hierzu 6c und 6d. Dort
wird deutlich, wie die Leiterplatte 90 mittels des Befestigungselementes 97 seitlich
neben dem Ende der Schlitzleitung angebracht ist. Die als Außenleiter
wirkende Nut 2 des Metallkörpers 1 ist in diesem
Verbindungsbereich verbreitert, um das Anschlußelement 9 aufnehmen
zu können.
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In
der gezeigten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlußelementes 9 befindet sich
das Befestigungselement 97 auf der dem Mikrostreifenleitungspaar 93, 94 gegenüberliegenden
Flachseite der Leiterplatte 90 seitlich neben der Koppelleitung 91.
Das Befestigungselement 97 ist hier beispielhaft ausgebildet
in Form eines Metallwinkels mit Montagebohrung in dem der Leiterplatte 90 abgewandten
Winkelstück.
Ein derartiges Befestigungselement 97 erlaubt eine einfache
Montage, Demontage und Fixierung des Anschlußelementes 9.
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Das
Einsetzen und Fixieren des Anschlußelementes 9 in den
verbreiterten Anschlußbereich
der Nut 2, erfolgt mit Hilfe des Befestigungselementes 97,
welches mit der Leiterplatte 90 entsprechend 6 verbunden
ist. Das so beschaffene Anschlußelement
kann ohne Verschieben des Isolationsmaterials 3 und des Draht-Innenleiters 4 von
oben in die verbreiterte Nut 2 eingesetzt und wieder entfernt
werden. Die Fixierung erfolgt über
eine Schraubverbindung durch die Montagebohrung in die Nut 2 des
Metallkörpers 1.
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Die
elektromagnetische Verbindung zwischen der Schlitzleitung und dem
elektromagnetischen Wellenleiter anderer Art erfolgt über Feldkopplung;
eine feste, leitende Verbindung, beispielsweise eine gelötete Verbindung,
ist nicht notwendig. Die Koppelleitung 91 koppelt elektromagnetisch
an das Ende des Draht-Innenleiters 4 der Schlitzleitung.
Die Koppelleitung 91 ist über die Durchkontaktierung 92 mit
dem gekoppelten Mikrostreifenleitungspaar 93, 94 verbunden,
welches sich auf der der Schlitzleitung abgewandten Seite der Leiterplatte 90 befindet.
Der Draht-Innenleiter 4 der Schlitzleitung und die Koppelleitung 91 überlappen,
wobei die Länge
der Überlappung
in etwa einem Viertel der mittleren Wellenlänge λ des Betriebsfrequenzbereichs der
Schlitzleitung entspricht. Die Länge
der Überlappung
ist innerhalb eines gewissen Rahmens toleranzunempfindlich. Abweichungen
von etwa 5% der Koppelleitungslänge
zeigen keine nennenswerte Auswirkung auf die Kopplungsqualität.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlußelementes 9 sind
die Koppelleitung 91 und das Mikrostreifenleitungspaar 93, 94 Teile
einer elektronischen Gesamtstruktur. In dieser Gesamtstruktur bildet
das Anschlußelement 9 zumindest
einen Teil eines Bandpaßfilters.
Dies erlaubt eine gute Anpassung und Einfügungsdämpfung der zu übertragenen
elektromagnetischen Signale.
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Derartige
Anschlußelemente
weisen eine Reihe von Vorteilen auf: Sie sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus
und der leichten Montage und Demontage sehr kostengünstig. Die
Anschlußelemente
können
direkt in die Spurführung
integriert werden. Dies bedingt eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Korrosion
und Verschmutzung. Ferner werden durch das Bandpaßverhalten
der Anschlußelemente
Störsignale
gedämpft.
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Wird
die Wellenleiterstrecke aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt, beispielsweise
eine Verbindung mittels Kabel durch eine Wand, so kommt es bei Verwendung
der beschriebenen Anschlußelemente 9 zu
einer Reichweitenredu zierung. Diese kann auf einfache Weise durch
ein als Zwischenverstärker
bekannter Arbeitsweise modifiziertes Anschlußstück kompensiert werden.
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Weist
die Wellenleiterstrecke Verzweigungen auf, so kann der Anschluß der verschiedenen
Zweige auf einfache Weise durch ein Anschlußstück mit mehreren Steckverbindungen
erfolgen, welches als Verteiler bekannter Arbeitsweise entsprechend
zu modifizieren wäre.
Besonders geeignet als Verteiler erweist sich hier beispielsweise
ein Wilkinson-Teiler.
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In 7 sind
die Schlitzleitung 2-4 gemäß 1 und das
Koppelelement 6 gemäß einer
der 2, 3 oder 4 zu einem
Informationsübertragungssystem
zusammengekoppelt worden (mit 1 ist der Metallkörper bezeichnet, in dem die
Schlitzleitung 2-4 integriert ist). Die Schlitzleitung 2-4 ist
dabei an ein erstes Sende/Empfangsgerät 5 angeschlossen
(z.B. über
einen Koaxialstecker), das Koppelelement 6 ist mit einem zweiten
Sende/Empfangsgerät 7 verbunden.
Verschiedene Teilstücke
der Schlitzleitung können
vorteilhaft mittels eines Verbindungselementes 8 gemäß 5 verbunden
werden (in 7 nicht gezeigt). Der Anschluß des ersten
Sende/Empfangsgerätes 5 an
die Schlitzleitung kann vorteilhaft über das Anschlußelement 9 gemäß 6 erfolgen
(in 7 nicht gezeigt). Die beiden Sende/Empfangsgeräte 5, 7 können nun über das Koppelelement
und die Schlitzleitung funktechnisch miteinander kommunizieren,
was im folgenden näher
beschrieben wird.
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Der
beschriebene Aufbau der Schlitzleitung 2-4 bildet
bei geeigneten Abmessungen einen längsgeschlitzten koaxialen Wellenleiter,
wobei der in das Isolationsmaterial 3 eingebettete Draht 4 als
Innenleiter und die Oberfäche
der Nut 2 als Außenleiter
interpretiert werden können.
Mittels eines (nicht gezeigten) Anschlußelementes 9 eingekoppelte
elektromagnetische Wellen breiten sich entlang der Schlitzleitung 2-4 aus.
An der offenen Seite der Nut 2 reichen Feldanteile der
sich ausbreitenden Wellen in den Außenraum. Auf das Koppelelement 6,
welches in die Feldanteile eintaucht, wird ein Teil der in dem Wellenleiter 2-4 transportierten
elektromagnetischen Energie berührungslos übertragen.
Die Kopplung erfolgt über
das E-Feld oder über
das H-Feld. Vergleiche hierzu 8. Die E-Feld-Kopplung
verhält
sich gegenüber
seitlichen Spurführungsschwankungen
unempfindlicher als die H-Feld-Kopplung. Bei H-Feld-Kopplung können seitliche
Spurführungsschwankungen
durch Anwendung des in 2 gezeigten differentiellen
Koppelelementes ausgeglichen werden. Der Vorteil der H-Feld-Kopplung besteht
im wesentlich geringeren Platzbedarf in der Vorzugsrichtung, hier
der Längsrichtung
der Schlitzleitung. Vergleiche hierzu 8.
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Die
berührungslose Übertragung
der elektromagnetischen Energie erfolgt an beliebiger Stelle entlang der
Schlitzleitung 2-4, wobei sich das Koppelelement 6 zweckmäßigerweise
in geringem Abstand, vorzugsweise weniger als 10 mm, über der
Nutöffnung
befindet. Beide Übertragungsrichtungen
von der Schlitzleitung 2-4 zum Koppelelement 6 und
vom Koppelelement 6 zur Schlitzleitung 2-4 andererseits
verhalten sich gleich. Eine Übertragung
ist auch möglich,
wenn das Koppelelement 6 entlang der Schlitzleitung 2-4 bewegt
wird.
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Durch
Anwendung von in der Funktechnik üblichen Modulationsverfahren
kann die beschriebene Anordnung zur berührungslosen Informationsübertragung
zwischen gegeneinander bewegten Körpern verwendet werden (vgl. 7).
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In
dem in 9 gezeigten Beispiel wird das Spurführungsverhalten
bei H-Feld-Kopplung (9a) mit dem bei E-Feld-Kopplung (9b)
verglichen. Dieser Vergleich findet statt anhand der dargestellten Änderung der
Koppeldämpfung
dAk in Abhängigkeit
von der (horizontalen) Spurauslenkung ds des Koppelelementes gegenüber der
Schlitzleitung. Bei einer Spurauslenkung von ds = 0 liegt die geometrische
Mitte des Koppelelementes über
der Schlitzmitte der Schlitzleitung. Der Abstand zwischen der elektrischen
Mitte des Koppelelementes und der geometrischen Mitte der Schlitzleitung
beträgt
bei H-Feld-Kopplung und bei E-Feld-Kopplung in diesem Beispiel jeweils
10 mm. Es wird deutlich, daß bei
einer E-Feld-Kopplung die horizontale Spurführungstoleranz deutlich größer ist
als bei einer H-Feld-Kopplung.
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Zum
Aufbau der Schlitzleitung gemäß 1 ist
noch folgendes anzumerken:
- – Dielektrische Isolierung 3 und
Innenleiter 4 miteinander vergossen oder getrennt (Innenleiter
und zwei Isolierungshälften).
- – Verschiedene
Querschnitte von Innenleiter 4 und Nut 2 (siehe 1 auch
andere Querschnittsformen sind möglich).
- – Befestigung
der Isolierung 3 im Metallkörper 4 durch Einpressen
oder Einkleben in die Nut 2.
- – Streckenführung beliebig
(Geraden, Kurven Bögen,
...).
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Zum
Aufbau der Koppelelemente gemäß einer
der 2, 3 oder 4 ist noch
folgendes anzumerken:
- – In Mikrostreifenleitungstechnik
aufgebauter Viertelwellenkoppler.
- – Informationsübertragung über H-Feld-Kopplung
oder E-Feld-Kopplung.
- – Anschluß über koaxialen
Stecker 64 oder Koaxialkabel.
- – Anpassung
der Koppelleitungen an die Wellenlänge des Schlitzkabels durch
das Substrat der Mikrostreifenleitungsstruktur (einschichtiges oder
mehrschichtiges Substrat).
- – Differentielles
Koppelelement (2): Zwei parallel zueinander
angeordnete Viertelwellenkoppler 60 über einen ebenfalls in Mikrostreifenleitungstechnik
aufgebauten Leistungsteiler 61 miteinander verbunden; Funktion:
Ausgleich von Signalpegelschwankungen in der Signalübertragung
infolge seitlicher Spurführungsschwankungen
zwischen Koppelelement und Schlitzleitung bei H-Feld-Kopplung.
- – Doppeltes
Koppelelement (4): Zwei kollinear zueinander
angeordnete Viertelwellenkoppler 60 über ein en ebenfalls in Mikrostreifenleitungstechnik
aufgebauten Leistungsteiler 61 miteinander verbunden; Funktion: Überbrücken von
Unterbrechungen in der Schlitzleitung bei H-Feld-Kopplung.
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Zum
Aufbau der Verbindungselemente gemäß 5 ist noch
folgendes anzumerken:
- – In Mikrostreifenleitungstechnik
aufgebaute Viertelwellenkopplung.
- – Störsignaldämpfung durch
Auslegung als Bandpaßfilter
- – Reichweitenverlängerung
durch Auslegung als Zwischenverstärker
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Zum
Aufbau der Anschlußelemente
gemäß 6 oder 7 ist
noch folgendes anzumerken:
- – In Mikrostreifenleitungstechnik
aufgebaute Viertelwellenkopplung.
- – Anschlüße: Koaxiale
Stecker, fluchtend oder abgewinkelt.
- – Störsignaldämpfung durch
Auslegung als Bandpaßfilter
- – Reichweitenverlängerung
durch Auslegung als Zwischenverstärker
- – Verzweigungs-Funktion
durch Auslegung als Verteiler, vorzugsweise in Form eines Wilkinson-Teilers.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
vielmehr auch auf andere übertragbar.
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So
ist es z.B. möglich,
die Vorteile des differentiellen Koppelelements (2)
und des doppelten Koppelelements (4) in einem
Koppelelement zusammenzufassen, bei dem über entsprechende Leistungsteiler
Koppelleitungen parallel und kollinaer zueinander angeordnet sind.
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Ferner
ist es möglich,
differentielle Koppelelemente mit mehr als zwei parallel zueinander
angeordneten Koppelleitungen auszustatten.
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Des
weiteren ist es möglich,
die Vorteile der H-Feld-Kopplung und der E-Feld-Kopplung zu kombinieren,
indem das Koppelelement in einer geeigneten Orientierung zur Ausrichtung
der Schlitzleitung, also weder genau senkrecht noch genau waagrecht
zu ihr, positioniert wird.
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Folgende
Vorteile weist die Erfindung gegenüber Informationsübertragungssystemen
mit herkömmlicher
Schlitzleitung auf
- – in vorhandene Metallkörper integrierbar
(z.B. Schienen, Führungen,
Leitplanken, Maschinenelemente, Gehäuse);
- – keine
gesonderten Befestigungselemente notwendig;
- – keine
abstehenden Teile (Schlitzleitung kann mit dem sie umgebenden Metallkörper eine
ebene Fläche bilden);
- – einfacher
und preisgünstiger
Aufbau.
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Folgende
Vorteile weist die Erfindung gegenüber alternativen Verfahren
zur berührungslosen
Informationsübertragung
auf
- – gegenüber Schleifkontakten
oder Schleppkabeln: Kein Verschleiß, keine mechanische Verbindung
zwischen den gegeneinander bewegten Körpern, geringer Platzbedarf,
hohe Übertragungsbandbreite
(große Datenraten);
- – gegenüber Datenlichtschranken:
keine abstehenden Teile, unempfindlich gegen Rauch, Staub und Schmutz;
- – gegenüber der
normalen Funkübertragung:
geringe Störbarkeit
durch Fremdsysteme oder Nachbarsysteme, sehr geringe Abstrahlung
(EMV-Belastung).
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Bevorzugte
Anwendungen der Erfindung sind:
- – Informationsübertragung
zur spurgeführten
Transportelementen in der Güterverteiltechnik.
- – Informationsübertragung
zur Steuerung von beweglichen Maschinenelementen (CNC-Technik).
- – Informationsübertragung
zu beweglichen Teilen in Industrierobotern (z.B. Teleskoparme).
- – Informationsübertragung
zu rotierenden Körpern.
- – Steckerloses
Busmedium zwischen Rechnern und Peripheriekomponenten.
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Folgende
konstruktive Details haben sich als besonders zweckmäßig erwiesen:
Bevorzugte
Materialien: | Schlitzleitung:
Innenleiter: |
| Kupfer,
Aluminium |
| Schlitzleitung:
Metallkörper: |
| Aluminium,
Stahl, Messing |
| Schlitzleitung:
Isolierung: |
| Teflon,
Polyethylen, Plexiglas |
| Koppel-,
Verbindungs-, Anschlußelement: |
| Leiterplatte: |
| Glashartgewebe,
FR4 |
| Koppel-,
Verbindungs-, Anschluß |
| element:
Gehäuse: |
| Aluminium,
Messing |
Bevorzugte
Frequenzen: | ISM-Bänder über 1 GHz,
insbesondere |
| 2,4–2,485 GHz |
Bevorzugte
Abmessungen: | Schlitzleitung:
Innenleiter: |
| 0,5
mm–5 mm |
| Schlitzleitung:
Nutbreite, Nuttiefe: |
| 2,0
mm–20
mm |
| Koppelelement:
Länge: |
| 30
mm–50
mm |
| Koppelelement:
Breite: |
| 10
mm–30
mm. |
| Abstand
Schlitzleitung- |
| Koppelelement: |
| 1–10 mm |
| Verbindungselement:
Länge: |
| 50
mm–100
mm |
| Verbindungselement:
Höhe: |
| 5
mm–15
mm. |
| Verbindungselement:
Breite: |
| (ohne
Befestigungselement) |
| 1
mm–5 mm. |
| Anschlußelement:
Länge: |
| 40
mm–80
mm |
| Anschlußelement:
Höhe: |
| (ohne
Steckverbindung) |
| 5
mm–15
mm. |
| Anschlußelement:
Breite: |
| (ohne
Befestigungselement) |
| 15
mm–25
mm. |