DE3854051T2

DE3854051T2 - Antennenstruktur zur erzeugung eines gleichförmigen feldes.

Info

Publication number: DE3854051T2
Application number: DE3854051T
Authority: DE
Inventors: Graham Murdoch
Original assignee: University of Western Australia; Magellan Technology Pty Ltd
Current assignee: Magellan Technology Pty Ltd
Priority date: 1987-12-10
Filing date: 1988-12-12
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2008-12-13
Also published as: EP0608966B1; DE3856320D1; ZA889254B; AU635198B2; EP0393103A4; DE3854051D1; EP0608966A3; EP0608966A2; WO1989005530A1; EP0393103A1; AU2801389A; ATE178438T1; CA1336341C; JPH03502269A; HK1001909A1; EP0393103B1; SG49628A1; ATE124175T1; DE3856320T2

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aktivieren eines Senders.
Die Anmelder kennen eine Anzahl von Sendesystemen, die dreidimensionale (oder beschränkte dreidimensionale) Möglichkeiten bieten. Diese Systeme verwenden eine Vielzahl von Abfragespulen, wobei jede Spule in einer der drei Koordinatenachsen arbeitet, um den dreidimensionalen Betrieb zu erhalten.
U.S. 3,689,885 und U.S. 3,859,624 offenbaren Systeme, in welchen, entlang jeder Achse, die gleiche Spule verwendet wird, um den Sender zu aktivieren sowie Daten von dem Sender zu empfangen. Das Trennen der Aktivierungs- und Empfangsfunktionen wird entweder dadurch erreicht, daß nur eine Achse zu einem Zeitpunkt aktiviert ist und die beiden anderen Achse zum Datenempfangen verwendet werden, oder dadurch, daß Aktivierungsubertragung entlang einer Achse Puls artig stattfindet und, während der "AUS"-Periode der Aktivierungsübertragung, Daten von der gleichen Achse zurückenpfangen werden. Während der "AUS"-Perioden erzeugt ein interner Oszillator auf dem Sender das Takt- und Datenträgersignal des Senders. Sollte ein Sender entlang nur einer Achse orientiert sein, dann wird das Abfrageschema, wie offenbart, nicht komplett arbeiten. Kein Signal von dem Sender koppelt in die anderen zwei Spulenachsen und demgemäß werden keine Daten empfangen. Jedoch, nur wenn die Übertragungsantenne des Senders nicht koplanar mit seiner Aktivierungsempfangsantenne ist, würde ein Betrieb garantiert sein. Während nicht koplanare Senderspulen herstellbar sind, würde ihre praktische Realisierung relativ teuer sein.
Das zweite Abfrageschema leidet an einer Unfähigkeit der genauen Steuerung der Takt- und Trägerfrequenzen, die von dem Sender verwendet werden. Die Frequenz von selbsterregenden Oszillatoren oder Kristalloszillatoren kann sich mit der Zeit verändern. Zusätzlich sind Kristalloszillatoren nicht integrierbar und relativ teuer einzubauen.
U.S. 3,832,539 offenbart ein Paket- oder Taschensortiersystem, das das Prinzip der Leistungsabsorption des Senders zum Datenübertragen verwendet. Die Abfrageantennen sind als ein Kubus aufgebaut, der so ausgestaltet ist, daß er um ein Fördersystem herumpaßt. Alle drei Achsen werden simultan von einer Signalquelle angetrieben. Dreidimensionaler (3-dimensionaler) Betrieb wird durch Phasenverschiebung des Abfragesignals zu zwei (2) der Spulenachsen erreicht. Diese Phasenveränderung wird nur einmal während der Abfragezeitdauer gemacht. Für eine Spulenanordnung, die zwei oder drei Achsen aktiviert, die in Phase angetrieben sind, wird es eine Nullrichtung geben, für welche die Felder sich aufheben.
Wie offenbart, dreht das Ändern der Phase irgendeiner einzigen Spule die Richtung der Null. Ohne akkurates Festlegen der Nullrichtung vor und nach dem Drehen, ist es möglich, daß der Sender schlecht in das Feld während beider Abfragezyklen einkoppelt und beim Identifizieren versagt.
U.S. 3,938,125 beschreibt ein Antidiebstahlsystem, bei welchem jede der drei Koordinatenachsen eine Leistungsübertragungsantenne und eine Empfangsantenne aufweist.
Das Aktivierungssignal wird sequentiell eingespeist in jede Achse, eine zu einem Zeitpunkt. Das Einspeisen wird mit einer hohen Geschwindigkeit (größer als 1 kHz) bewerkstelligt. Der Sender ist so ausgestaltet, daß er mit zwei der Abfrageachsen zusainmenwirkt. Die Gegenwart eines Senders wird begründet durch ein Signal, das simultan auf zwei der drei Achsen erfaßt wird. Das offenbarte System ist nicht zum Übertragen von Daten anders als in eine einfache gegenwärtige Richtung fähig.
Die offenbarten Systeme erzeugten keine gleichförmige Feldverteilung unter Verwendung ihrer Abfragespulen.
U.S. 3,859,624 beschreibt detailliert einen sorgfältig ausgearbeiteten Spannungssteuerungsschaltkreis, der ungeeignet für ein billiges, integrierbares Sendesystem scheint. Die Fig.en 1 und 2 zeigen bekannte Spulenanordnungen.
AU-B1-85462/75 offenbart eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Gemäß einem Aspekt der gegenwärtigen Erfindung wird eine Vorrichtung zum Aktivieren eines Senders auf ein im wesentlichen gleichförmiges Leistungsniveau, in wesentlichen unabhängig von der Orientierung des Senders und innerhalb eines Raumvolumens mit einer Breitenrichtung, einer Höhenrichtung und einer Tiefenrichtung, geliefert, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
erste, zweite und dritte Aktivierungsspulen jeweils zum Ausstrahlen eines entsprechenden Aktivierungsfeldes zum Empfangen durch den Sender in der Breitenrichtung, Höhenrichtung oder Tiefenrichtung in besagten Raumvolumen; und
Anregungsmittel zum Anlegen eines Stroms an jede Spule in einer vorherbestimmten Art, dadurch gekennzeichnet, daß:
(a) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig irgendwelche zwei der Spulen zu irgendeinem Zeitpunkt durch Liefern eines Sinussignals mit einer einzigen Frequenz zu einer der Spulen und eines Kosinussignals mit einer einzigen Frequenz zu einer anderen der Spulen anregt, während die nicht angeregte Spule untätig bleibt;
die Anregung in einer aufeinander folgenden und periodischen Weise geliefert wird, so daß die Anregung von der Spulenwicklung, die für die längste Zeitdauer angeregt ist, entfernt und auf die zuvor nicht angeregte Spule angelegt wird; und
jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist; oder
(b) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig drei der Spulen anregt, eine Spule mit einem ersten Sinussignal bei einer ersten Frequenz, die andere Spule mit einem im wesentlichen gleichphasigen zweiten Sinussignal an der ersten Frequenz und die dritte Spule mit einem dritten Kosinussignal an der ersten Frequenz; und
das erste Sinussignal und das zweite Sinussignal mit einer niedrigen Frequenz und einem phasenverschobenen Winkel von im wesentlichen 90º zwei-seitenbändig moduliert sind; oder
(c) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig drei der Spulen anregt, eine Spule mit einem Sinussignal mit einer einzigen Frequenz, eine andere Spule mit einem Kosinussignal mit einer einzigen Frequenz und die dritte Spule mit einem Signal, das sich nur marginal in der Frequenz von der einzigen Frequenz des Sinus- und Kosinussignals unterscheidet; und
jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist; oder
(d) das Mittel zum Anlegen des Stroms drei der Spulen sinusförmig anregt, eine Spule mit einem ersten Signal mit einer einzigen Frequenz, eine andere Spule mit einem zweiten Signal mit einer einzigen Frequenz und die dritte Spule mit einem dritten Signal, wobei sich die Signale jeweils nur marginal in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden;
und
jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist.
Eine der Aktivierungsspulen kann eine Solenoid-Spule sein.
Jede Spule kann aus einem Paar von Wicklungen einer vorherbestimmten Konfiguration gebildet sein, wobei das Wicklungspaar benachbart zueinander in einer umgekehrten und sich gegenüberstehenden Anordnung positioniert ist. In diesem Fall, kann jedes Wicklungspaar einen Trennungsabstand in einem Bereich von 0,1 bis zweimal eine Länge (d) einer der Wicklungsseiten enthalten. Der Trennungsabstand kann im wesentlichen 0,8 d betragen. Die vorherbestimnte Anordnung kann quadratisch oder rechteckig oder ellipsoid oder kreisförmig oder C-förmig sein. Die Wicklungen jedes Wicklungspaars können in im wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sein. Die Vorrichtung kann ferner ein transformatorisches Kopplungselement in der Form einer Induktionsspule in Reihe mit zumindest einer der Spulen zum erheblichen Reduzieren der gegenseiten Kopplung zwischen den Spulen für unterschiedliche Feldrichtungen umfassen, wobei alle Induktionsspulen gegenseitig gekoppelt sind, jeweils über das Magnetfeld zumindest einer anderen Spule.
Die Vorrichtung kann ferner eine Empfangseinheit umfassen, die eine Pickup-Spule aufweist und innerhalb des im wesentlichen gleichförmigen Magnetfeldes angeordnet ist. Zumindest ein Bereich besagter Pickup-Spule kann von einer Faraday-Abschirmung umschlossen sein. Auch kann die Vorrichtung weiterhin ein Spulenelement oder Spulenelemente umfassen, wobei das oder jedes Element in Reihe mit einer entsprechenden Empfangsspule bereitgestellt ist, das Spulenelement zum Reduzieren der gegenseitigen Kopplung der Empfangsspulen und der Reihenelemente geeignet ist und zumindest eine der Spulen das Aktivierungsfeld liefert. Die Vorrichtung kann außerdem ein Interferenzelement oder Interferenzelement umfassen, wobei das oder jedes Element in Reihe mit einer entsprechenden Spule bereitgestellt ist und das Interferenzelement eine weitere Spule ist, die zum Verhindern der Abstrahlung von Interferenzsignalen von Quellen außerhalb des Aufbaus geeignet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der gegenwärtigen Erfindun wird ein Verfahren zum Aktivieren eines Senders innerhalb eines Raumvolumens mit einer Breiten-, einer Höhen- und einer Tiefenrichtung geliefert, wobei das Verfahren ein im wesentlichen gleichförmiges Leistungsniveau an den Sender liefert, im wesentlichen unabhängig von der Orientierung des Senders und der Position innerhalb des Raumvolumens, das Verfahren das Liefern von Strom an jede der ersten, zweiten und dritten Aktivierungsspulen in der Breiten-, Höhen- bzw. Tiefenrichtung in dem Raumvolumen umfaßt und gekennzeichnet ist durch:
(a) Liefern eines Sinussignals mit einer einzigen Frequenz an eine der Spulen und eines Kosinussignals mit einer einzigen Frequenz an eine andere der Spulen und Unangeregtlassen der dritten Spule, wobei das für die längste Zeitdauer an eine Spule angelegte Signal entfernt und an die zuvor nicht angeregte Spule angelegt wird und die Signale unmoduliert sind sowie in einer aufeinanderfolgenden und periodischen Weise bereitgestellt werden; oder
(b) Anlegen von Signalen, die alle die gleiche Frequenz haben, an die drei Spulen, ein erstes Sinussignal an eine Spule, ein im wesentlichen gleichphasiges zweites Sinussignal an eine andere Spule und ein Kosinussignal an die dritte Spule, wobei das erste und das zweite Sinussignal mit einer niedrigen Frequenz und einem phasenverschobenen Winkel von im wesentlichen 90º zwei-seitenbändig moduliert werden;
oder
(c) Anlegen von unmodulierten Signalen an die Spulen, ein Sinussignal mit einer einzigen Frequenz an eine Spule, ein Kosinussignal mit einer einzigen Frequenz an eine andere Spule und ein Signal, das sich nur marginal in der Frequenz von dem Sinus- und Kosinussignal unterscheidet, an die dritte Spule; oder
(d) Anlegen von unmodulierten Signalen an die Spulen, ein erstes Signal mit einer einzigen Frequenz an eine Spule, ein zweites Signal mit einer einzigen Frequenz an eine andere Spule und ein drittes Signal an die dritte Spule, wobei sich die Signale jeweils voneinander marginal in der Frequenz unterscheiden.
Die gegenwärtige Erfindung wird nunmehr, anhand von Beispielen, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig.en 1 und 2 eine bekannte Anordnung, wie zuvor beschrieben, zeigen;
Fig.en 3 und 4 eine Spulenbeabstandung zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Leistungsfeldes in einer Achse zeigen;
Fig. 5 Feldstärkenmessungen der Anordnungen der Fig.en 3 und 4 darstellt;
Fig.en 6a, 6b, 7a und 7b weitere Feldradiatoranordnungen zeigen, wobei zu bemerken ist, daß Fig. 7b sowohl eine Explosionsansicht sowie eine 3D-Ansicht zeigt;
Fig. 8 eine Antennenschleife darstellt;
Fig. 9 eine parallel verbundene Antennenschleife darstellt;
Fig. 10 eine in Reihe verbundene Antennenschleife zeigt;
Fig.en 11 und 12 zwei in Reihe bzw. zwei parallel geschaltete Spulenanordnungen zeigen, die eine variable Induktionsspule umfassen;
Fig.en 13 und 14 eine Phasenrückkopplungsschleife zeigen;
Fig. 15 eine bevorzugte Ausführungsform der variablen Induktionsspule zeigt;
Fig. 16 Wellenformen, die zu einer variablen Induktionsspule gehören, zeigt;
Fig. 17 eine Ausführungsform eines Resonanzfrequenzsteuerungsschaltkreises zeigt;
Fig. 18 eine andere Ausführungsform einer variablen Induktionsspule zeigt;
Fig.en 19, 20, 21A und 21B einen alternativen, variablen Kondensator und seine jeweiligen Wellenformen zeigen;
Fig. 22 ein System zum Kompensieren gegenseitiger Kopplung zwischen Aktivierungsspulenachsen zeigt;
Fig. 23 ein Streufeldreduktionsschema zeigt;
Fig. 24 ein Verfahren zum Reduzieren der Gesamtspannung über die Aktivierungsspulen oder -spulenpaare, in Reihe, zeigt;
Fig.en 25, 26A und 26B ein Verfahren zum Reduzieren der Kopplung zu einer Antenne zeigen;
Fig. 27 ein Verfahren zum Reduzieren von Interferenz zu einer Antenne zeigt;
Fig. 28 das bevorzugte Spulenanregungsachsenschema zeigt;
Fig. 29 ein Verfahren zum Erzeugen eines Aktivierungsfeldes von konstanter Größe zeigt, wobei Zwei-Seitenband- Modulation auf zwei Achsen stattfindet und eine kontinuierliche Welle auf der dritten Achse vorhanden ist;
Fig. 30 ein anderes Verfahren zum Erzeugen eines Aktivierungsfeldes einer konstanten Größe zeigt, wobei ein Sinus und ein Kosinus auf zwei Achsen und auf der dritten Achse eine kontinuierliche Welle mit einer Offset-Frequenz angelegt ist;
Fig. 31 ein noch weiteres Verfahren zum Erzeugen eines Aktivierungsfeldes einer konstanten Größe zeigt, wobei eine marginal unterschiedliche Frequenz auf den drei Achsen ist;
Fig.en 32A und 32B zwei bevorzugte Sendeschaltkreise zum Erfassen von Modulationen des Aktivierungsfeldes zeigen;
Fig.en 33A und 33B zwei bevorzugte Schaltkreise zum Erzeugen einer FSK- oder PSK-Modulation des Aktivierungsfeldes zeigen;
Fig.en 34A, 34B und 34C drei bevorzugte Schaltkreise zum Modulieren der Amplitude des Aktivierungsfeldes für ein AM-, PM- oder ein anderes Amplituden-Modulationsschema zeigen.
Die gegenwärtige Erfindung ist vorteilhafterweise geeignet für passive Sende-, Aktivierungs- und Kommunikationssysteme und -verfahren, aber die Offenbarung hier sollte nicht aufgefaßt werden als Beschränkung auf solch eine Sendesystemanwendung.
Die Anwendung der gegenwärtigen Erfindung liefert hingegen ein Beispiel zu Erklärungszwecken. Demgemäß wird die weitere Beschreibung der Erfindung in einer nicht beschränkenden Weise bezüglich solch einer Anwendung gemacht. Die gegenwärtige Erfindung ermöglicht ein Aktivieren und/oder eine Kommunikation innerhalb eines Raumes, der mit einem elektromagnetischen Feld von einer im wesentlichen konstanten Größe durchstrahlt ist.
Der simultane Betrieb einer Leistungsübertragung und Daten- oder Befehlsübertragung durch das gleiche Magnetfeld kann die Fernbedienung von elektromechanischen Vorrichtung und elektronischen Schaltkreisen sowie das Abstandsprogrammieren von einem E²PROM- oder herkömmlichen CMOS-Speicher mit Batteriereserve auf bekannte Weise ermöglichen.
Der Sender verwendet eine Spule, um simultan das Aktivierungsmagnetfeld auf zunehmen und übermittelt das Senderidentifikationssignal.
Die von der Sendespule aufgenommene Spannung ist abhängig von dem Kosinus des Winkels zwischen der Sendespulenachse und der Richtung des Magnetfeldes.
Für diejenigen Anwendungen, bei denen die Orientierung des Senders beliebig sein wird, wie bei Gepäck- oder Viehidentifikation, sind spezielle Antriebsspulen und Spulenantreiber notwendig.
Idealerweise würde die Leistung, die zu der Sendespule übertragen wird, unabhängig von der Senderorientierung und konstant über ein Raumvolumen sein, so daß sich schnell bewegende Sender zufriedenstellend identifiziert werden können.
Dreidimensionale Aktivierungs- und Kommunikationsstrukturen sollten verwendet werden, bei denen die Senderorientierung zufällig sein kann.
Für Situationen, in welchen die Sendespulenorientierung stets in der gleichen Ebene ist, kann nur eine Struktur mit zumindest einer Spule vonnöten sein.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Datenübermitteln und/oder Aktivieren unter Verwendung eines Induktionsaktivierungsfeldes kann wie folgt sein:
Im allgemeinen können Daten- oder Steuerbefehle durch Modulation eines oszillierenden Magnetfeldes übertragen werden. Das oszillierende Feld kann auch verwendet werden, um Leistung zu einer induktiv gekoppelten, abgestimmten, entfernten Einheit zu übertragen. Die entfernte Einheit kann ein Sender, ein Stellglied oder irgendeine Einheit sein. Ein Modulationsdetektor auf oder in dem Sender kann die Modulation erfassen und sie so zu einem geeigneten Decodierungsschaltkreis führen (Fig.en 32A und 32B).
Der Sender kann die Frequenz des Aktivierungsfeldes als eine Referenzfrequenz für die Erzeugung seiner internen Taktsignale und seines Datenträgersignals bzw. seiner Datenträgersignale verwenden. Die Verwendung des Aktivierungsfeldes als eine Frequenzreferenz zu allen Zeitpunkten ermöglicht dem Abfragegerät, eine kohärente Erfassung der Senderdatensignale zu verwenden. Die Kohärenzerfassungsschaltung des Abfragegerätes ist auf ähnliche Weise mit der Aktivierungsfeldfrequenzreferenz verbunden.
Für ein beliebig moduliertes, oszillierendes Magnetfeld kann die Datenrate durch die Bandbreite des Senders beschränkt sein. Diese Bandbreite sollte ausreichend groß sein, um eine Datenrate einer benötigten Anzahl von Bits pro Sekunde zu erlauben.
Vorzugsweise kann das Magnetfeld phasen- oder frequenzmoduliert sein, da dies die Größe oder Intensität der von dem Transmitter zu der Empfangseinheit übermittelten Leistung nicht erheblich beeinflußt.
Frequenz-, Phasen-, Anplituden- oder Impulsbreiten- oder Positionsmodulation oder irgendeine Kombination davon kann verwendet werden, um das magnetische Aktivierungsfeld zu modulieren (Fig.en 33A, 33B, 34A, 34B und 34C).
Um ein im wesentlichen gleichförmiges Aktivierungsfeld zu liefern, können drei Sätze von Spulen entlang der X-, Y- bzw. Z- Achsen angeordnet werden. Die Phase und die Frequenz, die zum Antreiben dieser Spulen verwendet werden, können sorgfältig gesteuert werden, um ein Aktivierungsfeld von im wesentlichen konstanter Größe zu erzeugen. Auch wird das Magentfeld entlang jeder Achse von einer, zwei oder mehreren Spulen, wie notwendig, erzeugt, um ein gleichmäßiges Feld über ein Raumvolumen bereitzustellen. Die Spulengröße, -form und -abstandsverhältnisse repräsentieren eine erhebliche Abweichung von der Standard-Helmholtz-Spulenanordnung, d.h. zwei Spulen stehen sich gegenüber, aber Spulen, die im wesentlichen quadratisch ausgeformt sind, sind mit einem Abstand in einem Bereich von 1,2 bis 0,5 und vorzugsweise im wesentlichen 0,8 mal die Länge einer benachbarten Kante einer der Spulen getrennt voneinander angeordnet. Diese neue Beabstandung liefert ein adequates Feld entlang der Spulenachse und ein im wesentlichen konstantes Feld über einen großen Bereich des Volumens, das von den Spulen umschlossen wird. Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung.
Ein gleichförmig verteiltes Feld, über das größtmögliche Abfragevolumen, erhöht die Identifikationszuverlässigkeit durch Bereits teilen eines konstanten Kopplungswirkungsgrads über dieses Volumen. Konstante Kopplung stellt sowohl gleichförmige Datenübertragung von dem Sender und Aktivierung desselben mit meßbaren Reduktionen in der Spannungssteuerschaltung auf dem Sender sicher.
Fig.en 7a und 7b zeigen drei Spulensätze (in X-, Y- und Z-Achse), die zum Bilden einer kasten- oder ballartigen Struktur angeordnet sind, durch deren Mitte ein Sender hindurchtreten kann. Innerhalb des Aufbaus der gegenwärtigen Erfindung ist die von dem Sender übermittelte Leistung im wesentlichen konstant in ihrer Größe über ein gut definiertes Volumen innerhalb des umschlossenen Raums.
Es sollte bemerkt werden, daß für diejenigen Anwendungen, in denen die Orientierung der Markierung feststeht oder bekannt ist, können sorgfältig ausgearbeitete Aktivierungsschemata unnötig sein. Nur eine Spule oder ein Spulenpaar kann erforderlich sein, um ein Aktivierungsfeld zu liefern, das in der Orientierung arbeitet, die der festgelegten oder bekannten Orientierung entspricht.
Es kann gezeigt werden, daß eine sinusförmige, magnetische Anregung der drei Koordinatenachsen für eine einzige Frequenz stets eine Nullrichtung aufweist, d.h. eine Richtung, in welcher das Feld Null betragen wird.
Es gibt mehrere Verfahren, durch die das Aktivierungsfeld von konstanter Größe erzeugt werden kann; nur einige davon sind im Anschluß detailliert beschrieben als bevorzugte Verfahren (a) bis (d):
(a) Zwei der Spulen oder Spulenpaaren können bei einer Frequenz mit einem Phasenwinkel von im wesentlichen 0º betrieben werden. Die dritte Spule oder das dritte Spulenpaar kann bei der gleichen Frequenz, aber mit einem Phasenwinkel von im wesentlichen 90º betrieben werden. Die Amplitude der ersten beiden Spulen ist dann zwei-seiteneinem Phasenwinkel von im wesentlichen 90º zwischen den beiden Amplituden, die zum Modulieren der Spulen verwendet werden. Diese Signalkombination stellt ein zirkular polarisiertes Magnetfeld her, das um die Achse der dritten Spule rotiert. Durch Einstellen der relativen Größen der Signale entlang jeder Achse zum Kompensieren der Frequenzcharakteristiken der Sender-Pickup-Spule wird eine konstante Leistung, unabhängig von der Orientierung, von dem Sender absorbiert (Fig. 29).
(b) Zwei der Spulen oder Spulenpaare können mit der gleichen Frequenz, deren Phasen im wesentlichen 90º voneinander getrennt sind, betrieben werden. Dies Liefert ein zirkular polarisiertes Feld in der Achsenebene der beiden Spulen. Die dritte Spule oder das dritte Spulenpaar kann mit einer ein wenig unterschiedlichen Frequenz betrieben werden. Das zirkular polarisierte Feld kann auf seine Seite gekippt werden und fortschreiten, um um die dritte Spule an der Differenzfrequenz zwischen den beiden Antriebsfrequenzen zu präzidieren. Die von einem Sender aufgenommene Leistung ist im wesentlichen gleichförmig, ohne Rücksicht auf die Orientierung (Fig. 30).
(c) Die drei Spulen oder Spulenpaare können bei drei ein wenig unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Vorausgesetzt, daß die Feldgröße jeder Achse so eingestellt ist, daß die Frequenzcharakteristiken des Senders kompensiert werden, dann wird die von dem Sender aufgenommene Leistung im wesentlichen unabhängig von der Orientierung sein (Fig. 31).
(d) Die Spulen oder Spulenpaare können nacheinander oder zyklisch aktiviert werden, daß zumindest eine der Spulen oder der Spulenpaare zu jedem Zeitpunkt aktiviert ist. Die Zykluszeit muß kurz genug sein, um sicherzustellen, daß Zykluszeit muß kurz genug sein, um sicherzustellen, daß ein Sender nicht durch die Antriebsspulen hindurchtreten kann, ohne aktiviert zu werden. Schnelles periodisches Wiederkehren der Spulenaktivierung sollte es ermöglichen, daß die durch einen hindurchtretenden Sender aufgenommene Leistung unabhängig von seiner Orientierung ist.
Die Optionen (a) bis (d) repräsentieren nur einige bevorzugte Wahlmöglichkeiten für Aktivierungsfelder von im wesentlichen gleichförmiger Größe.
Ein anderes Verfahren und eine andere Vorrichtung zum Erzeugen eines gleichförmigen Magnetfeldes über ein gut definiertes Volumen, das zum zwei- oder dreidimensionalen induktiven Aktivieren eines beliebig orientierten Senders geeignet ist, ist auch hier beschrieben. Zu bemerken ist, daß alle numerischen Werte, die hier beschrieben sind, nur ungefähr angegeben sind und sich lediglich auf die bevorzugten Ausführungsformen beziehen.
Die Spulenaufbauten, die hier beschrieben werden, sind hergestellt worden, um ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld, bezüglich seiner Größe, über ein gut definiertes Volumen herzustellen. Die im wesentlichen gleichförmige Feldstärke ermöglicht es, daß eine gleichförmige Spannung in einen Sender oder eine andere Einheit induziert werden kann, wodurch die Nachfrage nach irgendeinem Spannungssteuerungsschaltkreis reduziert wird, der vonnöten sein kann, um in dem Sender enthalten zu sein.
Der Spulenaufbau, der in Fig. 3 gezeigt ist, besteht aus einem Paar von Spulen, die sich gegenüberstehen. Die Lücke zwischen den Spulen kann so ausgewählt werden, daß die notwendige gleichförmige Feldstärke erzeugt wird. Es ist festgestellt worden, daß für quadratische und kreisförmige Spulen ein Spulenabstand in einem Bereich von 1,2 bis 0,5 und vorzugsweise 0,8 mal die Länge einer Seite (d) oder des Durchmessers (d) einer Spule eine im wesentlichen konstante Feldgrößenverteilung ermöglicht, die entlang der H-Feldachse zwischen den getrennt voneinander angeordneten Spulen erhalten werden kann. Die Feldstärke an einem Punkt um bis zu im wesentlichen 0,25 d senkrecht oder seitlich verschoben zu der Achse wird eine Feldintensität liefern, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.
Für zwei- oder dreidimensionale induktive Aktivierung kann ein Paar von quadratischen oder kreisförmign Spulen, die mit 0,8 d voneinander getrennt angeordnet sind, verwendet werden, um das Magnetfeld entlang jeder gewünschten orthogonalen Achse zu erzeugen. Wenn alle drei Spulenpaare miteinander verbunden sind, um einen kubischen Aufbau zu liefern, wird darin ein schmaler Bereich oder Punkt mit konstanter Feldgröße bereitgestellt. Ein Kubus oder eine Kugel, innerhalb des oder der die Feldintensität nur marginal variiert, umgibt diesen konstanten Punkt. Der Kubus hat eine Seitenlänge von 0,5 d (d.h. zweimal 0,25 d) und die Kugel einen Radius von 0,5 d. Innerhalb dieses Kubus oder dieser Kugel wird die Leistung in ihrer Größe im wesentlichen um 20% mehr nahe an den Aktivierungsspulen und im wesentlichen um 10% weniger in der Mitte jeder Seite relativ zu dem konstanten Punkt variieren. Daher liefert der Aktivierungsaufbau einen Bereich, innerhalb dessen ein akzeptierbares Aktivierungsfeld bereitgestellt wird.
Ein komplizierteres Spulenpaar, das in den Fig.en 6a und 6b gezeigt ist, kann auch verwendet werden, um die gleichmäßige Verteilung des magnetischen Feldes über ein großes Volumen eines kubischen oder sphärischen Aufbaus weiter zu verbessern. Die bevorzugte Beabstandung der Feldabstrahlungsspulen beträgt 0,4 d, wie in den Fig.en 6a und 6b gezeigt. Strom, der in diesem Spulenpaar zirkuliert, kann ein Feld entlang der H-Achse, im wesentlichen wie angezeigt, erzeugen. Dieser Typ des Spulenaufbaus umfaßt Spulen, die im wesentlichen "C"-förmig, wenn von der Seite betrachtet, sind. Ein kubischer oder sphärischer Aufbau kann aus C-förmigen Spulen gebildet werden, wobei ein Feld von im wesentlichen gleichmäßiger Größe in einem Kubus oder einer Kugel geliefert wird, wobei der Kubus Seiten in einer Länge von 0,79d aufweist (im Vergleich mit einem Kubus mit im wesentlichen 0,5 d für die flache Spulenstruktur von Fig. 3), und die Kugel einen Radius von 0,35 d aufweist (im Vergleich zu im wesentlichen 0,25 d für die flache Spulenstruktur von Fig. 4). Eine Kombination von flachen und C-förmigen Spulen kann Gleichmäßigkeit innerhalb eines Kubus, dessen Größe in einem Bereich von 0,7 d bis 0,5 d liegt, oder innerhalb einer Kugel, deren Radius in einem Bereich von 0,35 d bis 0,25 d liegt, erhalten werden. Innerhalb des Kubus oder der Kugel wird das Feld in seiner Intensität um +20% bis -10% variieren.
Aufblähen der Spulenumdrehungen, so daß eine solenoidartige Struktur erreicht wird, kann eine ebenmäßigere Feldverteilung liefern. Fig. 7 zeigt drei Spulenaufbauten, die, wenn sie miteinander verbunden sind, ein im wesentlichen gleichförmiges Feld über einen Bereich von mehr als im wesentlichen 0,7 d des Spulenquerschnitts liefern. Es sollte bemerkt werden, daß der Aufbau von Fig. 7, wenn verbunden, Aktivierung in drei Dimensionen, wie zuvor beschrieben, liefern wird, aber auch zwei Seiten des 3D-Kubus offen haben wird, um Eintritts- und Austrittsdurchgänge zu ermöglichen, durch welche eine externe Einheit bzw. externe Einheiten fortschreiten können und so von dem 3D-Feld, unabhängig von der Orientierung der Einheit(en), beinflußt wird bzw. werden. Je größer die Anzahl der Spulenwicklungen in jeder orthogonalen Achse ist, desto größer ist der Bereich, über welchen ein konstantes Feld hergestellt wird. Das Magnetfeld (H) kann in allen drei Achsen erzeugt werden, wie gezeigt.
Das bevorzugteste zweidimensionale Leistungsfeld wird von zwei orthogonalen Spulenpaaren erzeugt, wobei die Spulen mit einem Sinuswellensignal bzw. einem Kosinuswellenpaar angeregt werden. Dies erzeugt ein zirkular polarisiertes Magnetfeld in der Ebene der beiden Spulenpaare. Leistung, die zu einem Sender übertragen wird, der innerhalb der Spulen enthalten ist, ist im wesentlichen gleichförmig und unabhängig von der Axialposition innerhalb der beiden Ebenen.
Für dreidimensionale Aktivierung werden drei orthogonale Spulenpaare benötigt. Genaue Steuerung der jedes Spulenpaar anregenden Frequenz und Phase ist zum Erzeugen eines Aktivierungsfelds von konstanter Größe notwendig.
Ein bevorzugtes Verfahren umfaßt das Anregen zweier Spulenpaare zur gleichen Zeit; das dritte Spulenpaar bleibt untätig. Die beiden "Ein"-Spulenpaare werden dann durch einen Sinuswellenstrom bzw. einen Kosinuswellenstrom aktiviert, wie in dem zweidimensionalen Fall. Aufnahme von Antwortssignalen von einem feldangeregten Sender wird durch eine Antenne oder Antennen in der gleichen Achse wie die beiden "Ein"-Spulenpaare durchgeführt, die das Aktivierungsfeld abstrahlen.
Dies kann ein zirkular polarisiertes Magnetfeld in der Ebene der beiden angeregten Spulenpaare erzeugen. Die polarisierte Magnetebene kann dann zwischen den drei möglichen Polarisationsebenen sequentiell eingespeist werden. Dieses Einspeisen kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Vorzugsweise können die ersten und zweiten Spulenpaare mit einem Sinusbzw. Kosinusstrom angeregt werden. Die Sinusstromanregung des ersten Spulenpaares kann dann abgeschaltet und auf das dritte Spulenpaar umgelenkt werden. Anschließend kann das Kosinusstromsignal des zweiten Spulenpaars entfernt und auf das erste Spulenpaar gerichtet werden. Dieser Prozeß des Entfernens von Anregungen von dem Spulenpaar, das am längsten in Betrieb ist, und Umlenken auf die untätige Spule kann kontinuierlich oder sequentiell wiederholt werden (Fig. 28). Die Schaltungsrate sollte so ausgewählt werden, daß sie einem beliebig orientierten Sender genügend Zeit zum Identifizieren läßt. Es sollte bemerkt werden, daß, bei jedem Sequenzintervall, die Phase der Anregung, die zu dem untätigen Spulenpaar umgelenkt wird, um 180º umgekehrt wird, ohne den gleichmäßigen Leistungstransfer zu beeinträchtigen. Beim Verwenden dieses Verfahrens des Einstellens und Schaltens von Spulenpaaren kann die durchschnittlich von einer Sender-Pick-up-Spule übertragene Leistung erheblich uniform und im wesentlichen unabhängig von der Orientierung der Pickup-Spule innerhalb des Aktivierungsfeldes sein.
Obwohl jedes Spulenpaar orthogonal bezüglich der anderen Spulenpaare angeordnet ist, wird ein wenig gegenseitige Kopplung zwischen den Spulenpaare vorhanden sein. Diese gegenseitige Kopplung kann erheblich durch Wickeln einer kleinen Kompensationsspule in Reihe mit den Spulenpaaren auf jeder Achse reduziert werden. Die Kompensationsspule ist mit dem Feld der anderen Achsen gekoppelt, so daß die gegenseitige Kopplung, die bereits zwischen zwei entsprechenden Spulenachsen besteht, im wesentlichen aufgehoben oder reduziert wird. Es ist erwähnenswert, daß die gegenseitige Kopplung zwischen Spulen, die in ihrem Kern Luft aufweisen, Reziprozität aufweist. Daher annulliert das Aufheben der gegenseitigen Kopplung von der X-Achse zu der Y-Achse auch die von der Y-Achse zu der X-Achse.
Fig. 22 zeigt diagrammartig ein System zum Reduzieren der gegenseitigen Kopplung zwischen allen drei Achsen. Das Ausmaß der Kopplung zu jeder Kompensationsspule wird variiert, um die gegenseitige Kopplung zu Null zu machen.
Die komplette Aktivierungsspulenstruktur kann innerhalb eines metallischen Abschirmgehäuses beherbergt sein. Die Abschirmung reduziert sowohl die Strahlung des magnetischen Aktivierungsfeldes von den Aktivierungsspulen als auch den Empfang externer Interferenz durch die Sendersignalempfänger. Idealerweise sollte die Abschirmung aus einem sehr leitfähigen Metall, wie Kupfer oder Aluminium, mit einer Dicke von 4 bis 5 mal die Skintiefe bei der Aktivierungsfrequenz, vorzugsweise ungefähr 1 mm, hergestellt sein.
Um die Aktivierungsfeldstreuung von den Eingangs- und Ausgangsöf fnungen des Abschirmgehäuses zu reduzieren, können Feldannullierungsspulen koaxial zu dem Punkt verwendet werden. Strom wird durch diese Spulen geführt, so daß das erzeugte Feld gegen das axiale Streufeld wirkt (Fig. 23).
Kapazitive Strahlung von den Aktivierungsspulen kann durch Minimierung der Spannung über die Umdrehungen der Aktivierungsspulen reduziert werden. Dies kann durch Verteilen des Reihenabstimmkondensators entlang der Spule bewerkstelligt werden, d.h. Einfügen von Teilen des Reihenabstimmkondensators in Reihe mit der Aktivierungsspule bzw. den Aktivierungsspulen an Punkten, die vorzugsweise gleichmäßig entlang der Spulenlänge verteilt sind (Fig. 24).
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfangen von einem induktiven RF-, Code- oder codierten Signal bzw. Signalen, die von irgendeiner Anzahl von entfernt angeordneten Einheiten bzw. einer Einheit oder Sendern bzw. einem Sender übermittelt werden, wird nunmehr beschrieben. Das Empfangen kann simultan mittels Antennen durchgeführt werden, innerhalb des gleichen Aufbaus, die magnetische Leistung übermitteln.
Eine Antennenschleife bzw. Antennenschleifen können anpaßbar eingestellt sein auf die Trägerfrequenz und können das Sendersignal empfangen. Die Schleife(n) kann (können) durch Faraday- Abschirmungen abgeschirmt werden, um Streukapazitätskopplung zum Ändern der eingestellten Frequenz der Schleifen zu mindern. Jede Schleife kann aus einer oder mehreren Spulen des Leiters bestehen. Die Spulen, wenn in einer Struktur ausgeformt, die getrennt aber umschlossen von den Aktivierungsspulen ist, können in einer ähnlichen Weise wie die Aktivierungsspulen angeordnet sein, wodurch sie das entlang jeder der orthogonalen X-, Y- oder Z-Achsen übermittelte Signal empfangen. Ein Paar von Schleifen kann für jede Achse verwendet werden, und, in einer bevorzugten Ausführungsform, kann eine auf jeder Seite des gleichmäßigen Aktivierungsbereichs angeordnet werden. Die Schleifenpaare können so nahe wie möglich an den Bereich angeordnet werden, in welchem induktive Aktivierung auftritt, da dies eine größere Kopplungseffizienz zwischen dem Sender und den Antennenschleifen liefert. Jede Variation der Signalübertragung, die mit der Position des Senders zusammenhängt, kann einfach durch eine elektronische, automatische Verstärkungsregelungsschaltung auf bekannte Weise korrigiert werden.
Es ist bevorzugt, daß die in die Antennenschleifen durch das Aktivierungsfeld induzierte Spannung so klein wie möglich gehalten wird, um jeglichen Einfluß auf den empfindlichen Empfangsschaltkreis zu minimieren. Durch Streckung jeder Antenne, um eine Kompensationsspule zu bilden, gegen das Aktivierungsspulenpaar in der gleichen Achse wie die Antenne kann diese induzierte Spannung im wesentlichen genullt werden (Fig. 25).
Durch Positionieren jeder Kompensationsspule zum Aufnehmen von Signalen von den anderen Spulenachsen oder durch Hinzufügen weiterer Kompensationsspulen entlang der anderen Achsen kann jede Pick-up-Spannung von den anderen Achsen im wesentlichen genullt werden (Fig.en 26A und 26B).
Interferenz von externen Quellen kann im wesentlichen reduziert oder genullt werden durch eine extern angebrachte Kompensationsspule, die so ausgestaltet ist, daß sie Interferenzsignale empfängt und diese von dem von der Antennenschleife bzw. den Antennenschleifen aufgenommenen Singal abzieht (Fig. 27).
Umschließen aller Kompensationsspulen in Faraday-Abschirmungen verhindert im wesentlichen kapazitive Kopplung von den Aktivierungsspulen.
Fig. 8 zeigt, wie die Antennenschleifen vorzugsweise um den induktiven Aktivierungsbereich herum aufgebaut sein können.
Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes Paar von parallel verbundenen Antennenschleifen. Alternativerweise können die Schleifenpaare in Reihe verbunden sein, und das Ausgabesignal an dem einen Ende kann als das empfangene Signal verwendet werden. Ein Abstimmkondensator kann auch verwendet werden, um die in Reihe verbundenen Schleifen abzustimmen.
Fig. 10 zeigt eine bevorzugte in Reihe verbundene Antennenschleife.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Aufbaus für zwei- oder dreidimensionale induktive Aktivierung einer entfernt angeordneten Vorrichtung durch Steuerung der Frequenz und der Phase des Magnetfeldes wird nunmehr beschrieben.
Das Magnetfeld kann durch Ströme erzeugt werden, die in speziell strukturierten Spulenpaaren zirkulieren, wie oben detailliert beschrieben, oder das Feld kann auf irgendeine herkömmliche Weise erzeugt werden. Um den Strom bzw. die Ströme innerhalb der Spule bzw. Spulen zu verbessern, wird jedes Spulenpaar in Resonanz oder nahe der Resonanz auf eine Betriebsfrequenz eingestellt. Genaues Abstimmen der Spule bzw. Spulen liefert einen effizienteren Betrieb. Steuern der Resonanzfrequenz kann durch Verwendung einer variablen Induktionsspule (sättigbare Drosselspule) oder eines variablen Kondensators in Reihe oder parallel mit jeder Spule oder jedem Spulenpaar geliefert werden.
Die Induktivität kann durch einen DC-Strom variiert werden. Eine Phasenfühlschaltung kann den Strom innerhalb der Spulenpaare anzeigen und einen DC-Strom zum Steuern der variablen Induktionsspule herstellen. Das Steuern der Phase der Ströme, die in den Spulen zirkulieren, kann durch das Phasenmittel erreicht werden. Eine Signalquelle für die geforderte Frequenz und Phase treibt jedes Spulenpaar an. Die variable Induktionsspule ermöglicht jeder Spule, abgestimmt zu werden, um resonant bei im wesentlichen der gleichen Frequenz zu sein. Die variable Induktionsspule kann auch Kompensation von Fluktuationen in der Spulenabstimmung, die durch Zeit, Temperatur, Objektnähe etc. hervorgerufen wird, liefern. Fig. 11 zeigt zwei Serienkonfigurationen und Fig. 12 zeigt zwei parallele Konfigurationen, die eine variable Induktionsspule zum Steuern der Resonanzfrequenz beinhalten.
Wie den Fig.en 11 und 12 zu entnehmen ist, sind Lc1 und Lc2 zwei Spulen, die zum Erzeugen des magnetischen Felds entlang einer Achse verwendet werden, und Ct ist der Abstimmkondensator und Lv die variable Induktionsspule. Es ist zu verstehen, daß diese Aufbauten auch anwendbar sind, wenn nur eine oder mehr als zwei Spulen verwendet werden.
Ein Transformator für einen Widerstand oder einen Strom von kleinen Wert, der in Reihe mit dem Abstimmkreis angeschlossen ist, kann die Phase des Spulenstroms messen. Ein Phasendetektor kann die Phase des Stroms und die Phase des Eingangssignals miteinander vergleichen, wobei das Ausgangssignal davon gefiltert werden und einen DC-Steuerstrom zum Verwenden durch die variable Induktionsspule liefern kann. Dieses System ist nicht eine phasenverriegelte Schleife, sondern eher eine Phasenrückkopplungsschleife. Fig. 13 zeigt ein Schema dieses Systemtyps, und ein Beispiel einer Schaltungsverwirklichung davon ist in Fig. 14 gezeigt.
Die variable Induktionsspule kann vorzugsweise aus zwei antiparallelen magnetisch isolierten Spulen hergestellt werden. Fig. 15 zeigt dies in stilisierter Form. Zwei hoch permeable Kerne fungieren als Magnetwege für den Flux, der durch die Spulen L1 und L2 erzeugt wird. Diese Spulen werden so gewikkelt, daß ihr jeweiliger Flux in entgegengesetzter Richtung durch die Steuerwicklung Lc geführt wird. L1 und L2 haben die gleiche Anzahl von Umdrehungen. Da sie parallel verdrahtet sind, haben sie beide gleiche Spannungen über sich, wodurch die Rate der Änderung des Fluxes in den jeweiligen Toroidkernen im wesentlichen identisch ist. Demgemäß ist die komplette Fluxänderung in der Steuerwicklung im wesentlichen Null, und eine kleine, wenn überhaupt, Spannung wird in die Steuerwicklung induziert, selbst wenn erhebliche Ströme durch L1 und L2 fließen. Das Hindurchtreten eines DC-Stroms durch die Steuerwicklung magnetisiert die Kerne mit einem unterschiedlich gerichteten Flux vor. Während einer Hälfte des AC-Zyklus steht der DC-Flux dem AC-Flux in einem Kern entgegen, während er in dem anderen Kern demselben hilft. Während der zweiten Hälfte des Zyklus dreht der AC-Flux die Richtung und hilft dem DC- Flux in dem ersten Kern, während er dem in dem zweiten Kern entgegensteht. Dies wiederholt sich für jeden Zyklus. Wenn der Flux in dem Kern mit dem Hilfsflux das Sättigungsniveau übersteigt, dann wird die dynamische Permeabilität sehr klein, und die Induktivität der um den Kern gewickelten Spule wird reduziert. Die Induktivität des Systems ergibt sich im wesentlichen aus den parallelen Induktivitäten von L1 und L2. Daher wird die Induktivität sehr klein. Während die Induktivität nicht über einen Zyklus konstant sein kann, hängt die Modifikation der Resonanzfrequenz der Spule von der Durchschnittsinduktivität pro Zyklus der variablen Induktionsspule ab. Verschiedene Wellenformen der variablen Induktionsspule sind in Fig. 16 gezeigt. Wenn entweder L1 oder L2 gesättigt ist, wird ihre Induktivität sehr klein, und die Spannung über sie wird fast Null. Die Induktivität wird durch die induzierte Spannung für eine Änderungsrate in dem Strom festgelegt. Gewinnen der Grundkomponente der Spannung über die Induktionsspule für einen feststehenden sinusförmigen Strom wird die effektive Induktivität ergeben. Der Effekt von höheren harmonischen Thermen wird durch die Filterhandlung der abgestimmten Spulen gedämpft. Wenn der DC-Steuerstrom erhöht wird, wird die effektive Induktivität von einem maximalen Wert des ungesättigten Kerns reduziert auf den Wert von parallelen Induktionsspulen, deren Kern mit Luft gefüllt ist.
Die bevorzugte Ausführungsform arbeitet gut in dem in Reihe geschalteten Fall, wie in Fig. 11 gezeigt. In diesen Aufbau kann eine kleine Induktivität mit einem großem Steuerbereich eine adequate Steuerung der Resonanzfrequenz des abgestimmten Spulenpaars liefern. Adequate Steuerung ist, natürlich, abhängig von der speziellen Anwendung des kompletten Systems.
Der parallele Fall, wie in Fig. 12 gezeigt, kann eine große parallele Induktivität mit einem kleinen Steuerbereich zum adequaten Steuern der Resonanzfrequenz benötigten. Dies kann durch Plazieren einer großen feststehenden Induktionsspule in Reihe mit einer kleineren variablen Induktionsspule erreicht werden, wie in Fig. 17 gezeigt. Ein Standardtransformatorkern kann auch verwendet werden, um eine variable Induktivität aufzubauen, wie in Fig. 18 gezeigt. Die Änderungsrate des Flux durch das Mittelbein von L1 und L2 ist durch die antiparallele Verbindung von L1 und L2 im wesentlichen auf Null gezwungen. Demgemäß ist relativ keine AC-Spannung in die Steuerwindung Lc eingekoppelt.
Wenn AC-Spannung in das Mittelbein einkoppelt, aufgrund von ungleichmäßiger Wicklung von L1 und L2, dann wird eine Induktivität in Reihe mit der Steuerwicklung jede Störung in dem Steuer-DC-Schaltkreis bezüglich dieser AC-Spannung mindern.
Fig. 19 zeigt einen variablen Kondensator, der zum Steuern der Spulenpaarresonanzfrequenz verwendet wird. Die Kapazität wird durch Steuern des Arbeitszyklus der Schließzeit des Schalters S1 variiert.
Wie Fig. 20 zu entnehmen, wenn die Spannung über den Kondensator C in Fig. 19 Null ist (t&sub1;), schließt der Schalter S1 und bleibt für eine Zeitdauer I geschlossen, wonach er sich öffnet. Der Kondensator C wird während des restlichen Zyklus von dem Spulenstrom aufgeladen. Wenn die Kondensatorspannung nahe der Null ist (t&sub2;), schließt sich der Schalter wieder für I. Der Zyklus wird dann wiederholt. Die effektive Kapazität der Schalter-Kondensator-Kombination variiert von der kompletten Kapazität C, wenn der Schalter stets offen ist, zur unendlichen Kapazität, wenn der Schalter stets geschlossen ist.
Fig. 21 zeigt einige praktische Ausführungsformen des variablen Kondensators. Die DC-Spannung über C variiert mit dem Schaltarbeitszyklus in der in Fig. 21A gezeigten Schaltung. Die in Fig. 21B gezeigte Schaltung leidet nicht daran.

Claims

1. Vorrichtung zum Aktivieren eines Senders auf ein im wesentlichen gleichförmiges Leistungsniveau, im wesentlichen unabhängig von der Orientierung des Senders und innerhalb eines Raumvolumens mit einer Breitenrichtung, einer Höhenrichtung und einer Tiefenrichtung, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

erste, zweite und dritte Aktivierungsspulen jeweils zum Ausstrahlen eines entsprechenden Aktivierungsfeldes zum Empfangen durch den Sender in der Breitenrichtung, Höhenrichtung oder Tiefenrichtung in besagtem Raumvolumen; und

Anregungsmittel zum Anlegen eines Stroms an jede Spule in einer vorherbestimmten Art, dadurch gekennzeichnet, daß:

(a) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig irgendwelche zwei der Spulen zu irgendeinem Zeitpunkt durch Liefern eines Sinussignals mit einer einzigen Frequenz zu einer der Spulen und eines Kosinussignals mit einer einzigen Frequenz zu einer anderen der Spulen anregt, während die nicht angeregte Spule untätig bleibt;

die Anregung in einer aufeinanderfolgenden und periodischen Weise geliefert wird, so daß die Anregung von der Spulenwicklung, die für die längste Zeitdauer angeregt ist, entfernt und auf die zuvor nicht angeregte Spule angelegt wird; und

jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist; oder

(b) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig drei der Spulen anregt, eine Spule mit einem ersten Sinussignal bei einer ersten Frequenz, die andere Spule mit einem im wesentlichen gleichphasigen zweiten Sinussignal an der ersten Frequenz und die dritte Spule mit einem dritten Kosinussignal an der ersten Frequenz; und

das erste Sinussignal und das zweite Sinussignal mit einer niedrigen Frequenz und einem phasenverschobenen Winkel von im wesentlichen 90º zwei-seitenbändig moduliert sind; oder

(c) das Mittel zum Anlegen des Stroms sinusförmig drei der Spulen anregt, eine Spule mit einem Sinussignal mit einer einzigen Frequenz, eine andere Spule mit einem Kosinussignal mit einer einzigen Frequenz und die dritte Spule mit einem Signal, das sich nur marginal in der Frequenz von der einzigen Frequenz des Sinus- und Kosinussignals unterscheidet; und

jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist; oder

(d) das Mittel zum Anlegen des Stroms drei der Spulen sinusförmig anregt, eine Spule mit einem ersten Signal mit einer einzigen Frequenz, eine andere Spule mit einem zweiten Signal mit einer einzigen Frequenz und die dritte Spule mit einem dritten Signal, wobei sich die Signale jeweils nur marginal in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden; und

jedes die Spulen anregende Signal unmoduliert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Aktivierungsspulen eine Solenoid-Spule ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule aus einem Paar von Wicklungen einer vorherbestimmten Konfiguration gebildet ist, wobei das Wicklungspaar benachbart zueinander in einer umgekehrten und sich gegenüberstehenden Anordnung positioniert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wicklungspaar einen Trennungsabstand in dem Bereich von 0,1 bis zweimal eine Länge (d) einer der Wicklungsseiten enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß der Trennungsabstand im wesentlichen 0,8 d beträgt.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorherbestimmte Anordnung quadratisch oder rechteckig oder ellipsoid oder kreisförmig oder C-förmig ist.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen jedes Wicklungspaars in im wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch ein transformatorisches Kopplungselement in der Form einer Induktionsspule in Reihe mit zumindest einer der Spulen zum erheblichen Reduzieren der gegenseitigen Kopplung zwischen den Spulen für unterschiedliche Feldrichtungen, wobei alle Induktionsspulen gegenseitig gekoppelt sind, jeweils über das Magnetfeld zumindest einer anderen Spule.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch eine Empfangseinheit, die eine Pickup-Spule aufweist und innerhalb des im wesentlichen gleichförmigen Magnetfeldes angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Bereich der Pickup-Spule von einer Faraday-Abschirmung umschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Spulenelement oder Spulenelemente, wobei das oder jedes Element in Reihe mit einer entsprechenden Empfangsspule bereitgestellt ist, das Spulenelement zum Reduzieren der gegenseitigen Kopplung der Empfangsspulen und des Reihenelements geeignet ist und zumindest eine der Spulen das Aktivierungsfeld liefert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Interferenzelement oder Interferenzelemente, wobei das oder jedes Element in Reihe mit einer entsprechenden Spule bereitgestellt ist und das Interferenzelement eine weitere Spule ist, die zum Verhindern der Abstrahlung von Interferenzsignalen von Quellen außerhalb des Aufbaus geeignet ist.

13. Verfahren zum Aktivieren eines Senders innerhalb eines Raumvolumens mit einer Breiten-, einer Höhen- und einer Tiefenrichtung, wobei das Verfahren ein im wesentlichen gleichförmiges Leistungsniveau an den Sender liefert, im wesentlichen unabhängig von der Orientierung des Senders und der Position innerhalb des Raumvolumens, das Verfahren das Liefern von Strom an jede der ersten, zweiten und dritten Aktivierungsspulen in der Breiten-, Höhen- bzw. Tiefenrichtung in dem Raumvolumen umfaßt und gekennzeichnet ist durch:

(a) Liefern eines Sinussignals mit einer einzigen Frequenz an eine der Spulen und eines Kosinussignals mit einer einzigen Frequenz an eine andere der Spulen und Unangeregtlassen der dritten Spule, wobei das für die längste Zeitdauer an eine Spule angelegte Signal entfernt und an die zuvor nicht angeregte Spule angelegt wird und die Signale unmoduliert sind sowie in einer aufeinander folgenden und periodischen Weise bereitgestellt werden; oder

(b) Anlegen von Signalen, die alle die gleiche Frequenz haben, an die drei Spulen, ein erstes Sinussignal an eine Spule, ein im wesentlichen gleichphasiges zweites Sinussignal an eine andere Spule und ein Kosinussignal an die dritte Spule, wobei das erste und das zweite Sinussignal mit einer niedrigen Frequenz und einem phasenverschobenen Winkel von im wesentlichen 90º zwei-seitenbändig moduliert werden;

oder

(c) Anlegen von unmodulierten Signalen an die Spulen, ein Sinussignal mit einer einzigen Frequenz an eine Spule, ein Kosinussignal mit einer einzigen Frequenz an eine andere Spule und ein Signal, das sich nur marginal in der Frequenz von dem Sinus- und Kosinussignal unterscheidet, an die dritte Spule; oder

(d) Anlegen von unmodulierten Signalen an die Spulen, ein erstes Signal mit einer einzigen Frequenz an eine Spule, ein zweites Signal mit einer einzigen Frequenz an eine andere Spule und ein drittes Signal an die dritte Spule, wobei sich die Signale jeweils voneinander marginal in der Frequenz unterscheiden.