EP1285476B1 - Vorrichtung zur breitbandigen elektrischen signal- bzw. energieuebertragung mit richtkopplern - Google Patents

Vorrichtung zur breitbandigen elektrischen signal- bzw. energieuebertragung mit richtkopplern Download PDF

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EP1285476B1
EP1285476B1 EP01944909A EP01944909A EP1285476B1 EP 1285476 B1 EP1285476 B1 EP 1285476B1 EP 01944909 A EP01944909 A EP 01944909A EP 01944909 A EP01944909 A EP 01944909A EP 1285476 B1 EP1285476 B1 EP 1285476B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signals
coupling
conductor structure
unit
directional coupler
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01944909A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1285476A1 (de
Inventor
Georg Lohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schleifring und Apparatebau GmbH
Original Assignee
Schleifring und Apparatebau GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schleifring und Apparatebau GmbH filed Critical Schleifring und Apparatebau GmbH
Publication of EP1285476A1 publication Critical patent/EP1285476A1/de
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Publication of EP1285476B1 publication Critical patent/EP1285476B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/06—Movable joints, e.g. rotating joints
    • H01P1/061—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a translation along an axis common to at least two rectilinear parts, e.g. expansion joints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting electrical signals or energy between a plurality of mutually movable units.
  • the first of these transmission techniques uses a stripline for transmission, while the second of these transmission techniques employs a ladder structure consisting of a plurality of discrete reactive elements.
  • This offers the advantage of a very high interference suppression.
  • Both ladder systems are not connected at the ends to a closed ring like the first cited ladder system. They are open and can be adapted to any trajectory. At both ends of these conductor structures there is a terminating element for reflection-free termination.
  • the signal is fed in firmly a suitable location in the ladder structure.
  • the signal transmission always takes place from the conductor structure to a unit movably arranged with respect to this.
  • this system has serious disadvantages in various applications. If z. B.
  • the object of the invention is to provide according to the claim 1, a device for contactless transmission of electrical signals, which allows transmission from a movable unit to the conductor structure or the simultaneous transmission of signals in both directions.
  • a symmetrical conductor structure operated with a differential signal is used which is terminated without reflection at at least one end.
  • This conductor structure can be any arrangement for conducting electromagnetic waves, such as arrangements of dummy elements or strip lines.
  • at least two directional couplers are provided, which cause the direction separation of the signals of the two directors.
  • a particularly advantageous embodiment of the arrangement is designed such that signals can be transmitted in both directions.
  • the signal transmission direction from the conductor pattern to a movable element will be referred to as the first transmission direction, the opposite direction as the second transmission direction.
  • the signal transmission takes place in the first direction by feeding the transmission signal at a fixed predetermined point in the conductor structure.
  • it makes sense to put the feed point in the middle of the conductor structure, ie, the same distance from both ends.
  • the signal propagation times at both ends of the conductor structure are the same length and correspondingly the phase shift is equal to zero. This leads when passing over the conductor ends to a continuous phase without jumps.
  • the signal transmission in the second Direction is in the manner described above from the movable unit to the conductor structure.
  • the receiver of the second direction can here be attached to the conductor structure at the same coupling point as the transmitter for the first direction.
  • d. h. Data can be transmitted in only one of the two directions at the same time.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in that the signals of the first and the second data transmission direction are separated from one another by means of directional couplers. This allows simultaneous transmission in both directions (full-duplex operation).
  • At least one of the two signals for the first or the second direction is additionally modulated onto a carrier. If this carrier is selected outside the transmission range of the other signal, then a simple separation of the two signals in duplex mode is possible.
  • At least one directional coupler for direction-selective decoupling of the signals is integrated into the carrier of the conductor structure.
  • At least one directional coupler for separating the direction of the signals is integrated into the supply line to the coupling-in point of the conductor structure.
  • both the input and the decoupling of signals in the conductor structure by relative to these movable units This allows signal transmission between units moving at different relative speeds.
  • an additional fixed coupling and decoupling of signals to the conductor structure is provided.
  • At least one movable relative to the conductor structure coupling unit is designed as a directional coupler. This allows signals to be coupled in and out depending on the direction. This allows a better separation of transmit and receive signals.
  • a receiver is permanently connected at both ends of the conductor structure. Furthermore, at least two movable transmitting units are provided, which are designed as directional couplers. These transmission units are arranged so that the first transmission unit emits the signals in the direction of the first receiver assigned to it. The second transmitting unit is arranged to transmit its signals in the opposite direction to its associated receiver.
  • a transmitter for the first signal transmission direction and a receiver for the second signal transmission direction are coupled by means of a directional coupler at least one end of the conductor structure.
  • This directional coupler can be constructed according to the prior art with line elements or even discrete components, such as transformers.
  • For receiving the signals of the first transmission direction designed as a directional coupler receiving element is provided.
  • the transmission or the coupling of the transmission signals in the second transmission direction via a second relative to the conductor structure movable coupling unit. To avoid over-coupling of the signals of the mobile transmitter to the mobile receiver, this must be located on the side of the receiver which is remote from the transmitter associated with the first signal transmission direction.
  • At least one transmitter or receiver is firmly coupled to the conductor structure via directional couplers, and a movable transmitter, which has a coupling element designed as a directional coupler, is provided.
  • the movable receiving unit can be executed here without any directional selection, if it is located on the side of the movable transmitter, which faces away from the end of the conductor structure, which is connected to the receiver of the second signal transmission direction.
  • Fig. 1 shows an image for the simultaneous transmission of two channels.
  • a receiving device is arranged at each end of the conductor structure.
  • the coupling of the signals from the mobile units via coupling elements, which are designed as directional coupler (20), (21).
  • the coupling direction of both directional couplers (20), (21) points in opposite directions to the respective associated receivers. It is in each case the transmitter for the first transmission direction with T1, the associated receiver with R1.
  • the elements of the second transmission direction are labeled T2 and R2.
  • the symmetrically designed conductor structures (1) are shown as simple lines in this and the following illustrations.
  • the coupling elements for signal input or output are designed as directional couplers, these are realized as symmetrical components. If directional couplers are coupled via lines to the conductor structure or coupling elements, then these can be constructed either symmetrically or asymmetrically.
  • An asymmetric structure is useful if the directional coupler via a Symmetrierelement such as a balun is coupled to the symmetrically constructed conductor structure.
  • Fig. 2 shows a similar arrangement with reverse data transmission direction.
  • transmitters (T1), (T2) are arranged at both ends of the conductor structure.
  • the associated receivers (R1), (R2) are arranged movably via coupling elements, which are designed as directional couplers (20), (21).
  • the coupling direction of the two directional couplers is opposite, so that each receiver receives only the signals of its associated transmitter.
  • Fig. 3 shows an arrangement in which at one end of the conductor structure, a transmitter (T1) and a receiver (R2) are coupled via directional couplers.
  • the transmitter (T1) feeds the signal into the conductor structure for the first transmission direction
  • the directional coupler (22) selectively conducts the signal which comes from the conductor structure to the receiver (R2) of the second transmission direction.
  • a directional coupler (20) is provided, which selectively transmits the signals from the direction of its associated transmitter (T1) to the receiver (R2).
  • a transmitter which transmits its signals by means of a direction-unselective coupling element (27) in the conductor structure.
  • the signal of this transmitter now propagates in both directions in the conductor structure. It is on the one hand via the directional coupler connected to the conductor structure, the receiver (R2) of the second signal direction.
  • the second wave traveling in the opposite direction is absorbed by the reflection-free termination (3) of the conductor pattern.
  • Fig. 4 shows an arrangement in which compared to the previous arrangement, the direction-selective elements are reversed.
  • the transmitter (T2) of the second transmission direction is coupled to the conductor structure via a directional coupler (20).
  • the movable receiver is coupled to the conductor structure via a direction-unselective coupling element (29).
  • directional selectivity in the mobile receiver is not necessary since the mobile transmitter signal (T2) is transmitted only in the direction of the receiver (R1) fixedly connected to the conductor pattern.
  • FIG. 5 shows a further arrangement in which directional couplers are used for signal input and output coupling of the movable units. This arrangement has over the previous two arrangements the advantage that the decoupling between the movable transmitter and the movable receiver is much higher.
  • Fig. 6 shows an arrangement in which the transmitter (T1) for the first transmission direction and the receiver (R2) for the second transmission direction by means of a directional coupler (22) are firmly connected to the conductor structure. Furthermore, a movable combined transmitting and receiving unit is provided, in which the signals from transmitter (T2) and receiver (R1) are likewise separated via directional couplers (23). For coupling or decoupling the Signals is a direction unselective coupling element (29) is used.
  • Fig. 7 shows an arrangement as it can be preferably used for rotational transmission or at least in closed trajectories.
  • the coupling of the transmitter for the first signal transmission direction (T1) and the receiver (R2) for the second signal transmission direction by a directional coupler (26) takes place approximately in the middle of the conductor structure.
  • the coupling can take place at any point of the conductor structure.
  • the signal phases of the signals at the ends should be as equal as possible. This can be achieved by the same signal propagation time of both signals and thus by the same conductor lengths.
  • the unit movable relative to this conductor structure is designed such that it can transmit and receive data from any position of the conductor structure.
  • the transmission of the data (T2) from the mobile unit takes place with the direction-unselective coupling element (27).
  • the reception of the signals (R1) takes place depending on the relative position of the fixed coupling unit to the movable coupling unit either via one of the two directional coupler (24) or (25).
  • the signal (T1) is coupled into the conductor structure and coupled via the directional coupler (25) to the receiver (R1).
  • the directional coupler (24) can decouple only a negligible signal component because of the wrong direction.
  • the linking of the two directional couplers takes place in the linking unit (28) optionally via an adder or else via a changeover switch, which can be controlled by a position encoder, for example.
  • FIG. 8 shows an improved embodiment of the arrangement shown in FIG. 7. If, in the arrangement from FIG. 7, the coupling-in element (27) is located directly above the stationary coupling point of the transmission signal (T1) or the reception signal (R2), reception is not possible since the transmission signal is transmitted via the conductor structure in the directions of the signals largest coupling loss along the directional coupler (24) and (25) moves. Thus, only a very small signal component can be extracted.
  • the ladder structure is divided into two parts. Both pieces are as before complete the entire conductor structure at both ends by the terminating impedances (2), (12) and (3), (13) without reflection.
  • the stationary feed points are located close to each other at a distance which, however, is at least as great as one of the two directional couplers (24) or (25) used for the movable signal extraction plus the length of the coupling element (27). This ensures that at least one of the two directional couplers (24) or (25) receives a signal of the direction (T1) in the signal direction of low attenuation.
  • the two signals decoupled by the directional couplers (31) and (32) are linked together via a unit (33).
  • This unit (33) can be designed as an adder or else also contain a switch, which switches position-dependent or signal-strength-dependent between the two signals from the directional coupler (31) or (32).

Landscapes

  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.
  • Der Übersichtlichkeit halber wird in dieser Patentschrift nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Erfindung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen hier die selben sind.
  • Bei linear beweglichen Einheiten wie Kran- und Förderanlagen und auch bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen ist es notwendig zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen. Zur Signalübertragung sind kontaktierende, wie auch kontaktlose Verfahren bekannt. In der US-Patentschrift US 520 85 81 wird ein Verfahren beschrieben, welches mit einer geschlossenen Leiterbahn eine Signalübertragung auf kontaktierendem Wege ermöglicht. Dieses Verfahren besitzt zwei entscheidende Nachteile. Zum Einen ist es nur auf geschlossene rotationssymmetrische Anordnungen anwendbar und stellt somit keine Lösung für lineare Übertragungseinrichtungen, wie sie z. B. bei Krananlagen benötigt werden, zur Verfügung. Weiterhin bietet dieses System im Falle der Weiterhin bietet dieses System im Falle der Signaleinspeisung einer beweglichen Einheit in die Signalbahnen sehr schlechte Hochfrequenzeigenschaften. Das Problem hierbei ist, dass diametral gegenüberliegend zum Einspeisepunkt ein Abschlusswiderstand über eine zweite Schleifkontaktanordnung angekoppelt werden muss. Die Signalübertragung funktioniert nur dann einwandfrei, wenn sowohl die Einspeiseankoppelung als auch der Abschluss einwandfrei angekoppelt sind. Dies ist in der Praxis mit den üblichen Schleifkontaktanordnungen, wie Goldfederdrähten oder Silbergraphitkohlen, nur sehr schwer zu erreichen. Der Grund liegt darin, dass derartige Kontaktsysteme einen Übergangswiderstand aufweisen, welcher breitbandigen Rauschcharakter bis zu mehreren Megahertz Bandbreite haben kann. Wird nun zur einwandfreien Funktion der Übertragungsstrecke eine Serienschaltung (Einspeisepunkt und Abschluss) von zwei derartigen Kontaktsystemen benötigt, so ist eine störarme Übertragung nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar. Vorteile bieten hier kontaktlose Übertragungstechniken, wie sie im US-Patent US 553 04 22 und in der deutschen Patentschrift DE 197 00 110 sowie der WO 98/029919 beschrieben sind. Die erste dieser Übertragungstechniken benutzt zur Übertragung eine Streifenleitung, während die zweite dieser Übertragungstechniken eine aus einer Vielzahl von diskreten Blindelementen bestehende Leiterstruktur einsetzt. Diese bietet den Vorteil einer sehr hohen Störunterdrückung. Beide Leitersysteme sind nicht wie das zuerst zitierte Leitersystem an den Enden zu einem geschlossenen Ring verbunden. Sie sind offen und können damit jeder beliebigen Trajektorie angepasst werden. An beiden Enden dieser Leiterstrukturen befindet sich jeweils ein Abschlusselement zum reflexionsfreien Abschluss. Die Signaleinspeisung erfolgt fest an einer geeigneten Stelle in die Leiterstruktur. Damit erfolgt die Signalübertragung immer von der Leiterstruktur zu einer gegenüber dieser beweglich angeordneten Einheit. Dieses System besitzt jedoch in verschiedenen Anwendungen gravierende Nachteile. Wird z. B. im Falle einer linearen Übertragung der Signale von beweglichen Krananlagen zu einer stationären Einheit gewünscht, so muss an dieser beweglichen Krananlage ein Antennenelement, welches die gesamte Länge des Verfahrweges abdeckt, angebracht sein. Dies bedeutet, dass am Fuße der Krananlage ein z. B. 50 m langer Antennenträger befestigt sein muss. Dies ist in der Praxis nicht realisierbar. In anderen Anwendungsgebieten, wie z. B. Computertomographen, ist die Leiterstruktur auf einem mechanischen Schleifring aufgebracht, der sich mit dem rotierenden Teil dreht. Damit ist eine Datenübertragung vom rotierenden Teil zum stationären Teil problemlos möglich, aber eine Übertragung in umgekehrter Richtung erfordert einen zusätzlichen Ring zur Aufnahme einer stationären Leiterstruktur. Dies ist aber gerade im Bereich der Computertomographen aus Kostengründen nicht realisierbar. Nachfolgend wird der Begriff Leiterstruktur als Oberbegriff für Strukturen in denen sich elektromagnetische Wellen ausbreiten können, wie Anordnungen aus Blindelementen, Streifenleitungen oder anderen Leitersystemen benutzt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend dem Anspruch 1 eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale vorzustellen, die eine Übertragung von einer beweglichen Einheit zur Leiterstruktur oder die gleichzeitige Übertragung von Signalen in beiden Richtungen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird mittels der im Anspruch eins und seinen Unteransprüchen dargestellten Mitteln gelöst.
    Zur Signalübertragung zwischen zwei entlang einer beliebigen Trajektorie angeordneten gegeneinander beweglichen Teilen wird eine symmetrische mit einem Differenzsignal betriebene Leiterstruktur benutzt, die an zumindest einem Ende reflexionsfrei abgeschlossen ist. Diese Leiterstruktur kann eine beliebige Anordnung zur Leitung elektromagnetischer Wellen wie Anordnungen aus Blindelementen oder Streifenleitungen sein. Zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen in beide Richtungen sind wenigstens zwei Richtkoppler vorgesehen, welche die Richtungstrennung der Signale der beiden Richtangen bewirken.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Anordnung ist derart ausgelegt, dass in beide Richtungen Signale übertragen werden können. Im Folgenden wird die Signalübertragungsrichtung von der Leiterstruktur zu einem dazu beweglichen Element als die erste Übertragungsrichtung, die entgegengesetzte Richtung als die zweite Übertragungsrichtung bezeichnet. Grundsätzlich erfolgt die Signalübertragung in der ersten Richtung durch Einspeisung des Sendesignals an einem fest vorgegebenen Punkt in die Leiterstruktur. Bei drehbaren Anordnungen ist es sinnvoll, den Einspeisepunkt in die Mitte der Leiterstruktur, d. h., dem Ort, der von beiden Enden gleich weit entfernt ist, zu legen. Damit sind die Signallaufzeiten zu beiden Enden der Leiterstruktur gleich lang und entsprechend die Phasenverschiebung gleich Null. Dies führt beim Überfahren der Leiterenden zu einem kontinuierlichen Phasenverlauf ohne Sprünge. Die Signalübertragung in der zweiten Richtung erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise von der beweglichen Einheit zur Leiterstruktur.
  • In einer besonders einfachen Ausführung der Anordnung kann hier der Empfänger der zweiten Richtung an der gleichen Einkoppelstelle wie der Sender für die erste Richtung an der Leiterstruktur angebracht werden. Bei dieser Ausführungsart ist allerdings nur ein Halbduplexbetrieb möglich, d. h., es können in jeweils nur eine der beiden Richtungen zum gleichen Zeitpunkt Daten übertragen werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mittels Richtkoppler die Signale der ersten und der zweiten Datenübertragungsrichtung voneinander getrennt werden. Dadurch ist die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen (Vollduplexbetrieb) möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird zumindest eines der beiden Signale für die erste oder die zweite Richtung zusätzlich auf einen Träger moduliert. Wenn dieser Träger außerhalb des Übertragungsbereiches des jeweils anderen Signals gewählt wird, dann ist eine einfache Trennung der beiden Signale auch im Duplexbetrieb möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung ist mindestens ein Richtkoppler zur richtungsselektiven Auskoppelung der Signale in den Träger der Leiterstruktur integriert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Richtkoppler zur Richtungstrennung der Signale in die Zuleitung zum Einkoppelpunkt der Leiterstruktur integriert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt sowohl die Ein- als auch die Auskoppelung von Signalen in die Leiterstruktur durch relativ gegenüber dieser beweglichen Einheiten. Damit ist eine Signalübertragung zwischen Einheiten, die sich mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten bewegen, möglich.
  • In einer weiteren Ausführung ist eine zusätzliche feste Ein- und Auskoppelung von Signalen an der Leiterstruktur vorgesehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine gegenüber der Leiterstruktur bewegliche Koppeleinheit als Richtkoppler ausgeführt. Damit können Signale richtungsabhängig ein- bzw. ausgekoppelt werden. Dies erlaubt eine bessere Trennung von Sende- und Empfangssignalen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird an beiden Enden der Leiterstruktur jeweils ein Empfänger fest angeschlossen. Weiterhin sind mindestens zwei bewegliche Sendeeinheiten vorhanden, welche als Richtkoppler ausgeführt sind. Diese Sendeeinheiten werden so angeordnet, dass die erste Sendeeinheit die Signale in Richtung des ihr zugeordneten ersten Empfängers aussendet. Die zweite Sendeeinheit wird so angeordnet, dass sie ihre Signale in der entgegengesetzten Richtung zu dem ihr zugeordneten Empfänger überträgt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden an mindestens einem Ende der Leiterstruktur ein Sender für die erste Signalübertragungsrichtung sowie ein Empfänger für die zweite Signalübertragungsrichtung mittels eines Richtkopplers angekoppelt. Dieser Richtkoppler kann entsprechend dem Stand der Technik mit Leitungselementen oder auch diskreten Bauelementen, wie Übertragern, aufgebaut sein. Zum Empfang der Signale der ersten Übertragungsrichtung ist ein als Richtkoppler ausgeführtes Empfangselement vorgesehen. Das Senden bzw. die Einkoppelung der Sendesignale in der zweiten Übertragungsrichtung erfolgt über eine zweite gegenüber der Leiterstruktur bewegliche Koppeleinheit. Um ein Überkoppeln der Signale des beweglichen Senders zum beweglichen Empfänger zu vermeiden, muss sich dieser auf derjenigen Seite des Empfängers befinden, welche dem der ersten Signalübertragungsrichtung zugeordneten Sender abgewandt ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jeweils zumindest ein Sender bzw. Empfänger über Richtkoppler fest an die Leiterstruktur angekoppelt, sowie ein beweglicher Sender, welcher ein als Richtkoppler ausgeführtes Einkoppelelement besitzt, vorgesehen. Die bewegliche Empfangseinheit kann hier ohne jede Richtungsselektion ausgeführt werden, wenn sie sich auf derjenigen Seite des beweglichen Senders befindet, welche demjenigen Ende der Leiterstruktur abgewandt ist, welches mit dem Empfänger der zweiten Signalübertragungsrichtung verbunden ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden bei einer festen Kontaktierung der Leiterstruktur mit Sender und Empfänger über Richtkoppler die beweglichen Koppelelemente für den beweglichen Sender sowie den beweglichen Empfänger als Richtkoppler ausgeführt.
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Fig. 1 :
    Anordnung zur gleichzeitigen Übertragung von zwei Signalen der bewegten Einheiten zur stationären Einheit;
    Fig. 2 :
    Anordnung zur gleichzeitigen Übertragung von zwei Signalen der stationären Einheit zu den bewegten Einheiten;
    Fig. 3 :
    Anordnung richtungsselektiver Signalauskopplung und richtungsunselektiver Signaleinkopplung der bewegten Einheit;
    Fig. 4 :
    Anordnung richtungsunselektiver Signalauskopplung und richtungsselektiver Signaleinkopplung der bewegten Einheit;
    Fig. 5 :
    Anordnung richtungsselektiver Signalein- und Auskopplung der bewegten Einheit;
    Fig. 6 :
    Anordnung richtungsselektiver Signalein- und Auskopplung der bewegten Einheit über richtungsunselektive Koppelemente;
    Fig. 7:
    Anordnung optimiert für geschlossene Trajektorie;
    Fig. 8:
    Weitere Anordnung optimiert für geschlossene Trajektorie;
    Darstellung von Ausführungsbeispielen
  • Fig. 1 zeigt eine Abbildung zur gleichzeitigen Übertragung von zwei Kanälen. Dabei ist an jedem Ende der Leiterstruktur eine Empfangseinrichtung angeordnet. Die Einkoppelung der Signale von den beweglichen Einheiten erfolgt über Koppelelemente, welche als Richtkoppler (20), (21) ausgeführt sind. Die Koppelrichtung beider Richtkoppler (20), (21) zeigt in entgegengesetzte Richtungen zu den jeweils zugeordneten Empfängern. Es ist jeweils der Sender für die erste Übertragungsrichtung mit T1, der zugehörige Empfänger mit R1 bezeichnet. Die Elemente der zweiten Übertragungsrichtung sind mit T2 und R2 gekennzeichnet.
  • Der Einfachheit halber sind in dieser und den folgenden Darstellungen die symmetrisch ausgeführten Leiterstrukturen (1) als einfache Linien dargestellt. Für diejenigen Fälle, in denen die Koppelelemente zur Signalein- bzw. Auskopplung als Richtkoppler ausgeführt sind, sind diese als symmetrische Bauelemente realisiert. Sind Richtkoppler über Leitungen an Leiterstruktur oder Koppelemente angekoppelt, so können diese wahlweise symmetrisch oder auch asymmetrisch aufgebaut werden. Ein asymmetrischer Aufbau ist sinnvoll, wenn der Richtkoppler über ein Symmetrierelement wie z.B. ein Balun mit der symmetrisch aufgebauten Leiterstruktur verkoppelt ist.
  • Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung mit umgekehrter Datenübertragungsrichtung. Dabei sind an beiden Enden der Leiterstruktur Sender (T1), (T2) angeordnet. Die zugehörigen Empfänger (R1), (R2) sind über Koppelelemente, welche als Richtkoppler (20), (21) ausgeführt sind, beweglich angeordnet. Dabei ist die Koppelrichtung der beiden Richtkoppler entgegengesetzt, so dass jeder Empfänger ausschließlich die Signale des ihm zugeordneten Senders empfängt.
  • Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der an einem Ende der Leiterstruktur ein Sender (T1) sowie ein Empfänger (R2) über Richtkoppler angekoppelt sind. Dabei speist der Sender (T1) für die erste Übertragungsrichtung das Signal in die Leiterstruktur ein, während der Richtkoppler (22) selektiv das Signal, welches aus der Leiterstruktur kommt, zum Empfänger (R2) der zweiten Übertragungsrichtung leitet. Als Auskoppelelement für die erste Übertragungsrichtung ist ein Richtkoppler (20) vorgesehen, der selektiv die Signale aus der Richtung des ihm zugeordneten Senders (T1) zum Empfänger (R2) überträgt. Auf einer zweiten beweglichen Einheit, welche fest mit der ersten beweglichen Einheit verbunden sein kann, befindet sich ein Sender (T2), welcher seine Signale mittels eines richtungsunselektiven Koppelelementes (27) in die Leiterstruktur überträgt. Das Signal dieses Senders breitet sich nun in beiden Richtungen in der Leiterstruktur aus. Dabei wird es einerseits über den mit der Leiterstruktur verbundenen Richtkoppler, dem Empfänger (R2) der zweiten Signalrichtung zugeführt, andererseits wird die zweite in entgegengesetzter Richtung laufende Welle vom reflexionsfreien Abschluss (3) der Leiterstruktur absorbiert.
  • Fig. 4 zeigt eine Anordnung bei der gegenüber der vorhergehenden Anordnung die richtungsselektiven Elemente vertauscht sind. Hier ist nun der Sender (T2) der zweiten Übertragungsrichtung über einen Richtkoppler (20) an die Leiterstruktur angekoppelt. Der bewegliche Empfänger wird über ein richtungsunselektives Koppelelement (29) mit der Leiterstruktur verkoppelt. Bei dieser Anordnung ist eine Richtungsselektivität im beweglichen Empfänger nicht notwendig, da das Signal des beweglichen Senders (T2) ausschließlich in die Richtung des mit der Leiterstruktur fest verbundenen Empfängers (R1) übertragen wird.
  • Fig 5 zeigt eine weitere Anordnung, bei der zur Signalein- und Auskoppelung der beweglichen Einheiten Richtkoppler eingesetzt werden. Diese Anordnung besitzt gegenüber den beiden vorhergehenden Anordnungen den Vorteil, dass die Entkoppelung zwischen dem beweglichen Sender und dem beweglichen Empfänger wesentlich höher ist.
  • Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der der Sender (T1) für die erste Übertragungsrichtung sowie der Empfänger (R2) für die zweite Übertragungsrichtung mittels eines Richtkopplers (22) fest an die Leiterstruktur angeschlossen sind. Weiterhin ist eine bewegliche kombinierte Sende- und Empfangseinheit vorgesehen, bei der die Signale von Sender (T2) und Empfänger (R1) ebenfalls über Richtkoppler (23) getrennt werden. Zur Ein- bzw. Auskopplung der Signale wird ein richtungsunselektives Koppelelement (29) verwendet.
  • Fig. 7 zeigt eine Anordnung, wie sie vorzugsweise zur Drehübertragung oder zumindest bei geschlossenen Trajektorien eingesetzt werden kann. Hierbei erfolgt beispielsweise die Ankoppelung des Senders für die erste Signalübertragungsrichtung (T1) sowie des Empfängers (R2) für die zweite Signalübertragungsrichtung durch einen Richtkoppler (26) näherungsweise in der Mitte der Leiterstruktur. Grundsätzlich kann die Einkopplung an jedem beliebigen Punkt der Leiterstruktur erfolgen. Sind die beiden Enden der Leiterstruktur jedoch nahe beieinander angeordnet, so sollten die Signalphasen der Signale an den Enden möglichst gleich sein. Dies lässt sich durch die gleiche Signallaufzeit beider Signale und damit durch gleiche Leiterlängen erreichen. Die gegenüber dieser Leiterstruktur bewegliche Einheit ist derart ausgeführt, dass sie von jeder Position der Leiterstruktur aus Daten senden bzw. empfangen kann. Das Senden der Daten (T2) von der beweglichen Einheit erfolgt mit dem richtungsunselektiven Koppelelement (27). Der Empfang der Signale (R1) erfolgt abhängig von der relativen Position der festen Einkoppeleinheit zur beweglichen Einkoppeleinheit wahlweise über einen der beiden Richtkoppler (24) oder (25). So wird im dargestellten Fall das Signal (T1) in die Leiterstruktur eingekoppelt und über den Richtkoppler (25) zum Empfänger (R1) ausgekoppelt. Der Richtkoppler (24) kann hier wegen der falschen Richtung nur einen vernachlässigbaren Signalanteil auskoppeln. Die Verknüpfung der beiden Richtkoppler erfolgt in der Verknüpfungseinheit (28) wahlweise über einen Addierer oder aber auch über einen Umschalter, welcher beispielsweise durch einen Positionsencoder gesteuert werden kann.
  • Fig. 8 zeigt eine verbesserte Ausführung der in Fig. 7. dargestellten Anordnung. Befindet sich in der Anordnung aus Fig. 7 das Einkoppelelement (27) direkt über der stationären Ankoppelstelle des Sendesignals (T1) bzw. des Empfangssignals (R2), so ist ein Empfang nicht möglich, da sich das Sendesignal über die Leiterstruktur in den Richtungen der größten Koppeldämpfung entlang der Richtkoppler (24) und (25) bewegt. Damit kann nur ein sehr geringer Signalanteil ausgekoppelt werden. Dem hilft die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ab. Hier wird die Leiterstruktur in zwei Stücke unterteilt. Beide Stücke sind wie zuvor die gesamte Leiterstruktur an beiden Enden durch die Abschlussimpedanzen (2), (12) bzw. (3), (13) reflexionsfrei abgeschlossen. Die stationären Einspeisepunkte befinden sich nahe beieinander in einem Abstand, der jedoch mindestens so groß ist, wie einer der beiden zur beweglichen Signalauskoppelung eingesetzten Richtkoppler (24) oder (25) plus die Länge des Koppelelementes (27). Dadurch ist sichergestellt, dass zumindest einer der beiden Richtkoppler (24) oder (25) ein Signal der Richtung (T1) in der Signalrichtung niedriger Dämpfung erhält. Zur Signalauskoppelung an den stationären Punkten werden die beiden durch die Richtkoppler (31) bzw. (32) ausgekoppelten Signale über eine Einheit (33) miteinander verknüpft. Diese Einheit (33) kann als Addierer ausgestaltet sein oder aber auch einen Schalter enthalten, welcher positions- oder signalstärkeabhängig zwischen den beiden Signalen aus dem Richtkoppler (31) oder (32) umschaltet.

Claims (10)

  1. Anordnung zur breitbandigen Signal- bzw. Energieübertragung zwischen mindestens zwei entlang einer beliebigen Bahn gegeneinander beweglichen Einheiten, bestehend aus einer ersten Einheit, welche eine symmetrische mit einem Differenzsignal betriebene Leiterstruktur mit mindestens einem reflexionsfrei abgeschlossenen Ende, in der sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten kann, enthält, sowie mindestens einer zweiten Einheit, welche eine Koppeleinheit zur Signalein- bzw. Auskoppelung elektrischer Signale zur bzw. aus der Leiterstruktur enthält,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens zwei Richtkoppler (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32) vorgesehen sind, welche zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen in beide Richtungen die Richtungstrennung der Signale der beiden Richtungen bewirken.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einspeisepunkt des Sendesignals in die Leiterstruktur im Falle einer geschlossenen, insbesondere einer kreisförmigen Bahn der Bewegung am Punkt halber Leiterlänge angebracht ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Treiberstufen (T1, T2) und/oder Empfangselemente (R1, R2) mittels Richtkopplern (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32) an die Leiterstruktur angekoppelt werden, um Sende- bzw. Empfangssignale zu trennen.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Richtkoppler (22, 26, 31, 32) zur Ein- bzw. Auskoppelung der Signale in die Leiterstruktur integriert ist.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest eine Treiberstufe (T1, T2) mit einem Modulator zur Modulation der Sendesignale vorhanden ist und zumindest ein Empfangselement (R1, R2) einen entsprechenden Demodulator besitzt.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest eine gegenüber der Leiterstruktur bewegliche Koppeleinheit als Richtkoppler (20, 21, 24, 25) zur richtungsabhängigen Signalein- bzw. Auskoppelung ausgeführt ist.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an beiden Enden der Leiterstruktur jeweils ein Empfänger (R1, R2) fest angeschlossen ist, sowie weiterhin eine erste bewegliche als Richtkoppler ausgeführte Koppeleinheit (20) derart angeordnet ist, dass sie Signale überwiegend in Richtung des ihr zugeordneten ersten Empfängers (R1) sendet und weiterhin mindestens eine zweite als Richtkoppler ausgeführte Koppeleinheit (21) derart angeordnet ist, dass sie ihre Signale überwiegend in Richtung der ihr zugeordneten zweiten Empfangseinheit (R2) überträgt.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an einem Ende der Leiterstruktur ein Sender (T1) für die erste Datenrichtung, sowie ein Empfänger (R2) für die zweite Datenrichtung mittels eines Richtkopplers (22) angekoppelt sind und dass weiterhin eine erste beweglich ausgeführte Auskoppeleinheit, welche als Richtkoppler (20) zum Empfang der Daten in der ersten Datenübertragungsrichtung ausgeführt ist, sowie weiterhin mindestens eine zweite bewegliche Koppeleinheit (27) zur Einkoppelung der Signale in der zweiten Signalübertragungsrichtung vorhanden ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an mindestens einem Ende der Leiterstruktur über Richtkoppler (22) ein Sender (T1) für die erste Signalübertragungsrichtung sowie ein Empfänger (R2) für die zweite Signalübertragungsrichtung angekoppelt sind und dass eine bewegliche Koppeleinheit, welche mit einem Sender (T2) für die zweite Signalübertragungsrichtung verbunden ist, als Richtkoppler (20) ausgeführt ist, sowie eine weitere bewegliche Empfangseinheit (R1) für die erste Signalübertragungsrichtung vorhanden ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite bewegliche Koppeleinheit (21) zur Einkoppelung der Signale in der zweiten Datenübertragungsrichtung als Richtkoppler ausgeführt ist.
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