EP2559099A1

EP2559099A1 - Vorrichtung zur drahtlosen vernetzung von geräten der automatisierungstechnik

Info

Publication number: EP2559099A1
Application number: EP11714277A
Authority: EP
Inventors: Thorsten Godau; Alois Ineichen
Original assignee: Pilz GmbH and Co KG
Current assignee: Pilz GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2013-02-20
Also published as: WO2011128359A1; JP2013528026A; US20130033412A1; DE102010015650A1; CN102939686A

Abstract

Eine Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von Sensoren, Aktoren und zumindest einer gemeinsamen Steuereinheit, besitzt einen ersten Anschlusspunkt (52) zum Einspeisen eines HF-Sendesignals (42) von einem HF-Sender (30) und zum Bereitstellen eines HF-Empfangssignals (44) von einer Antenne (35). Die Vorrichtung besitzt einen zweiten Anschlusspunkt (54), der zu der Antenne (35) führt, und einen Signalkoppler (62), der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt (52, 54) angeordnet ist. Der Signalkoppler (62) überträgt das HF-Sendesignal (42) von dem ersten Anschlusspunkt (52) zu der Antenne (35) und er überträgt das HF-Empfangssignal (44) von der Antenne (35) zu dem ersten Anschlusspunkt (52). Der Signalkoppler (62) besitzt eine variable Koppeldämpfung mit einem kleinen ersten und zumindest einem größeren zweiten Dämpfungsfaktor. Der Signalkoppler (62) überträgt das HF-Empfangssignal (44) mit dem kleinen ersten Dämpfungsfaktor und das HF-Sendesignal (42) mit dem größeren zweiten Dämpfungsfaktor.

Description

Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von Sensoren, Aktoren und zumindest einer gemeinsamen Steuereinheit, mit einem ersten Anschlusspunkt zum Einspeisen eines HF-Sendesignals von einem HF-Sender und zum Bereitstellen eines HF-Empfangssignals von einer Antenne, mit einem zweiten Anschlusspunkt, der zu der Antenne führt, und mit einem Signalkoppler, der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt angeordnet ist, um das HF- Sendesignal von dem ersten Anschlusspunkt zu der Antenne zu übertragen und das HF-Empfangssignal von der Antenne zu dem ersten Anschlusspunkt zu übertragen.

[0002] Eine solche Vorrichtung ist aus DE 10 2007 058 258 AI bekannt.

[0003] Es ist bereits seit vielen Jahren bekannt, Sensoren und Aktoren zur Steuerung einer automatisierten Anlage räumlich entfernt von einer Steuereinheit anzuordnen, die Sensordaten von den Sensoren verarbeitet und in Abhängigkeit davon Aktordaten erzeugt, mit denen die Aktoren angesteuert werden. Aktoren sind beispielsweise elektrische Antriebe, Magnetventile oder Schütze, mit denen ein Laststrom ein- oder ausgeschaltet werden kann. Sensoren detektieren Anlagen- oder Prozesszustände, wie etwa die Drehzahl eines elektrischen Antriebs, die Betätigung eines Tasters, die Temperatur eines Stoffes oder den Öffnungszustand einer Tür. Vielfach sind die Sensoren und Aktoren in einer automatisierten Anlage verteilt, während die Steuereinheit an einem zentralen Punkt angeordnet ist. Darüber hinaus gibt es Anlagen, in denen mehrere Steuereinheiten zum Einsatz kommen, die ebenfalls verteilt innerhalb der Anlage angeordnet sein können.

[0004] Zur Übertragung der Steuerdaten zwischen den Sensoren, Steuereinheiten und Aktoren werden mittlerweile Kommunikationsnetze verwendet, die eine flexible Datenkommunikation ermöglichen. Aktuelle Kommunikationsnetze basieren auf ähnlichen Technologien, die auch zur Vernetzung von Computern in Heim- und Büroanwendungen zum Einsatz kommen. Es gibt allerdings technische Unterschiede, die vor allem daraus resultieren, dass die Sensor- und Aktordaten (Steuerdaten) in aller Regel mit sehr engen zeitlichen Toleranzen übertragen werden müssen, um eine schnelle Reaktion der Steuereinheit auf Veränderungen in der gesteuerten Anlage oder dem gesteuerten Prozess zu gewährleisten. Dies gilt in besonderem Maße, wenn sicherheitsrelevante Steuerdaten übertragen und verarbeitet werden, von denen die Gesundheit oder gar das Leben eines Anlagenbedieners abhängt, beispielsweise beim Abschalten eines elektrischen Antriebs in Reaktion auf das Betätigen eines Not- Aus-Tasters.

[0005] Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn die Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten drahtlos miteinander vernetzt werden sollen, weil automatisierte Anlagen häufig in Werkhallen und/oder in Bereichen mit zahlreichen metallischen Strukturen (Stahlträger, Stahlgerüste, Wellblechwände, Metallgitter, Kräne, Maschinen u.a.) stehen. Die metallischen Strukturen erzeugen eine Vielzahl von Undefinierte Reflexionen eines elektromagnetischen Sendesignals mit der Folge, dass der Empfänger ein Sendesignal zu unterschiedlichen Zeitpunkten mehrfach empfängt. Diese so genannte Mehrwegeausbreitung ist grundsätzlich auch von anderen drahtlosen Kommunikationsnetzen bekannt, etwa vom Mobilfunk. Sie ist jedoch in industriellen Umgebungen mit vielen metallischen Strukturen extrem und führt sehr häufig zu Kommunikationsabbrüchen und dementsprechend instabilen Kommunikationsverbindungen .

[0006] Eine Möglichkeit, um die Stabilität von Kommunikationsverbindungen in Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung zu verbessern, ist die Verwendung von mehreren Antennen auf Seiten des Empfängers, wobei die mehreren Antennen an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind (sogenanntes Antennendiversity) . Der Empfänger kann zwischen den verschiedenen Empfangsantennen umschalten und somit auf unterschiedliche Empfangsverhältnisse reagieren. [0007] Die oben genannte DE 10 2007 058 258 AI schlägt eine Vorrichtung mit einem Antennenumschalter vor, der einen Signalpfad zum Übertragen eines hochfrequenten Signals wahlweise mit einer ersten oder mit einer zweiten Antenne verbindet, wobei ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter aus aufeinanderfolgenden Signalpaketen eines HF-Sendesignals erzeugt wird. Da die Kommunikation zwischen den Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten der automatisierten Anlage zyklisch innerhalb definierter Zeitintervalle erfolgt, schaltet der vorgeschlagene Antennenumschalter in regelmäßigen Zeitintervallen automatisch zwischen den Antennen um. Die Vorrichtung ermöglicht auf recht kostengünstige Weise eine höhere Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei der drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik.

[0008] Die prioritätsgleiche DE 10 2007 058 257 AI schlägt eine vorteilhafte Antennenkonstruktion mit zwei integrierten Antennen vor, zwischen denen mit einem geeigneten Antennenumschalter gewechselt werden kann.

[0009] Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannte Antennenkonstruktion und der bekannte Antennenumschalter noch nicht in allen Fällen optimal sind für Anwendung in Werkhallen mit zahlreichen metallischen Strukturen und daraus resultierenden, extrem starken Mehrfachreflexionen. Dementsprechend besteht der Wunsch, Alternativen zu finden, um eine stabile drahtlose Kommunikationsverbindung in Werkhallen und ähnlichen Umgebungen mit starker Mehrwegeausbreitung zu ermöglichen.

[0010] Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die eine stabilere Kommunikationsverbindung unter schwierigen Empfangsbedingungen in Folge von starker Mehrwegeausbreitung ermöglicht.

[0011] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Signalkoppler eine variable Koppeldämpfung mit einem ersten und zumindest einem zweiten Dämpfungsfaktor besitzt, wobei der erste Dämpfungsfaktor kleiner ist als der zweite Dämpfungsfaktor, und wobei der Signalkoppler das HF-Sendesignal mit dem ersten Dämpfungsfaktor und das HF-Sendesignal mit dem zweiten Dämpfungsfaktor überträgt.

[0012] Die neue Vorrichtung besitzt einen Signalkoppler, der zwischen der Antenne und dem Sender/Empfänger eines Kommunikationsteilnehmers angeordnet ist. Der Signalkoppler überträgt sowohl das ausgehende Sendesignal wie auch das hereinkommende Empfangssignal. Er bedämpft das Sendesignal, das vom HF-Sender zur Antenne übertragen wird, jedoch stärker als ein hereinkommendes Empfangssignal, das in umgekehrter Richtung von der Antenne zu dem Empfänger übertragen wird. Vorzugsweise besitzt der Signalkoppler eine Koppeldämpfung, die in Abhängigkeit von der jeweils am Signalkoppler anliegenden Signalleistung, d.h. von der über den Signalkoppler übertragenen HF-Leistung, automatisch zwischen dem kleineren ersten Dämpfungsfaktor und dem größeren zweiten Dämpfungsfaktor wechselt. Das HF-Sendesignal und das HF-Empfangssignal werden also von dem Signalkoppler unterschiedlich beeinflusst, wobei die Koppeldämpfung des Signalkopplers variabel einstellbar ist. In dem bevorzugten Fall sorgt eine hohe Signalleistung automatisch dafür, dass der Signalkoppler den größeren zweiten Dämpfungsfaktor annimmt, während eine niedrige Signalleistung automatisch zu dem kleineren ersten Dämpfungsfaktor führt. Die Vorrichtung ermöglicht es, eine gemeinsame Antenne sowohl zum Senden von HF-Sendesignalen als auch zum Empfangen von HF- Empfangssignalen zu verwenden, was aus Platz- und Kostengründen von Vorteil ist. Nachteilig an einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne ist jedoch, dass jede Optimierung der Antenne für den Sendefall gleichermaßen den Empfangsfall beeinflusst und umgekehrt.

[0013] Typischerweise ist das HF-Empfangssignal an einer Antenne aufgrund der bereits zurückgelegten Distanz vom entfernten Sender um mehrere Größenordnungen schwächer als ein HF-Sendesignal, das über dieselbe Antenne abgestrahlt wird. Um einen stabilen Empfang zu ermöglichen, ist es generell wünschens- wert, das ohnehin schwache HF-Empfangssignal möglichst wenig weiter zu bedampfen. Demgegenüber kann man eine Bedämpfung des HF-Sendesignals aufgrund der tendenziell hohen Sendeleistung an der Antenne akzeptieren.

[0014] Die neue Vorrichtung nutzt diese Unsymmetrie und ermöglicht konstruktive Gestaltungen der Antenne, die speziell zur Unterdrückung von Mehrwegereflexionen beitragen. Insbesondere ermöglicht die neue Vorrichtung die Verwendung einer Richtantennen anstelle der auf diesem Gebiet bislang üblicherweise verwendeten Rundstrahl-Stabantennen.

[0015] Eine Richtantenne strahlt ein HF-Sendesignal nicht in alle Richtungen gleichmäßig ab. Sie besitzt vielmehr eine oder mehrere Vorzugsrichtungen (so genannte Strahlungskeulen), in die der überwiegende Teil der HF-Sendeleistung gebündelt wird. In Raumbereiche, die abseits der Strahlungskeulen liegen, wird vergleichsweise wenig HF-Sendeleistung abgestrahlt. Häufig können die Strahlrichtungen abseits der Strahlungskeulen im Fernfeld der Antenne gänzlich vernachlässigt werden. Umgekehrt empfängt eine Richtantenne HF-Empfangssignale über die Strahlungskeulen wesentlich stärker als abseits der Strahlungskeulen. Diese Richtwirkung von Richtantennen lässt sich bei der drahtlosen Übertragung von Kommunikationssignalen in Bereichen mit problematischer Mehrwegeausbreitung vorteilhaft nutzen, indem man die Sende- und/oder Empfangsantennen der beiden Kommunikationsteilnehmer mit ihren Hauptkeulen zueinander ausrichtet. Des Weiteren kann man Raumwinkel, aus denen die Mehrwegeausbreitung besonders problematisch ist, mit Richtantennen gewissermaßen "ausblenden". Daher lassen sich Richtantennen sehr vorteilhaft zur Optimierung einer drahtlosen Kommunikationsverbindung einsetzen.

[0016] Allerdings kann eine Richtantenne an einem herkömmlichen Sender für die drahtlose Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik nicht ohne Weiteres eingesetzt werden, ohne dass der Sender in der Hauptstrahlrichtung der Antenne die gesetzlichen Grenzwerte für die maximal abgestrahlte Leistung über- schreitet, da die herkömmlichen Sender in aller Regel eine Sendeleistung aufweisen, die bei Verwendung einer Rundstrahlantenne gerade innerhalb der erlaubten Grenzwerte liegt. Durch die Richtantenne wird zwar die Sendeleistung des Senders selbst nicht erhöht, jedoch wird die insgesamt zur Verfügung stehende Sendeleistung in der Hauptstrahlrichtung gebündelt und übersteigt somit in der Hauptstrahlrichtung die gesetzlichen Grenzwerte. Wenn man daher zur Optimierung der Kommunikationsverbindungen in einer Werkhalle eine Richtantenne anstelle der typischerweise verwendeten Rundstrahlantenne einsetzen wollte, musste man zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte ein zusätzliches Dämpfungsglied extern in den Signalpfad zwischen der Antenne und der Senderendstufe einfügen. Ein solches Dämpfungsglied bedämpft aber auch die - ohnehin sehr schwachen - Empfangssignale, so dass der Vorteil, der mit einer Richtantenne an sich möglich wäre, durch das eingefügte Dämpfungsglied praktisch zunichte gemacht würde.

[0017] Prinzipiell wäre eine Möglichkeit, getrennte Sende- und Empfangsantennen an den Kommunikationsteilnehmern zu verwenden, so dass man ein Dämpfungsglied lediglich im Sendepfad anordnen könnte. Diese Lösung ist jedoch aufwändig, platzintensiv und teuer, weil sie für jeden betroffenen Kommunikationsteilnehmer getrennte Sende- und Empfangsantennen und entsprechend angepasste Transceiver mit getrennten Sende- und Empfangssignalwegen erfordert. Die kostengünstige Verwendung von Sende- und Empfangsgeräten, die in ähnlicher Form für kommerzielle WLAN- Verbindungen in Heim- und Bürobereichen verwendet werden, scheidet dann aus. Für ein Antennendiversity wären zudem schon vier Antennen (2 x Sender, 2 x Empfänger) notwendig, was Platzprobleme zur Folge hätte.

[0018] Die neue Vorrichtung ermöglicht es nun, eine einzige Richtantenne mit einem Antennengewinn größer Null im Vergleich zu einer konventionellen Stabantenne zu verwenden, ohne dass der durch den Antennengewinn erreichbare Vorteil durch Einfügen eines richtungsunabhängigen Dämpfungsgliedes zunichte gemacht wird. Der Signalkoppler der neuen Vorrichtung überträgt das leistungsstarke HF-Sendesignal mit einem relativ hohen Dämpfungsfaktor zu der Antenne. Er kann somit die von der Richtantenne abgestrahlte HF-Sendeleistung in der Hauptkeule auf die zulässigen Grenzwerte bedämpf en. Andererseits überträgt derselbe Signalkoppler ein von der Antenne kommendes HF-Empfangssignal mit einem geringen Dämpfungsfaktor, so dass der Empfänger von der insgesamt höheren Signalstärke aufgrund des Antennengewinns profitiert. Vorteilhafterweise ist der erste Dämpfungsfaktor deutlich kleiner als der Antennengewinn der eingesetzten Richtantenne. Zudem lassen sich Raumwinkel, aus denen starke Mehrwegereflexionen stammen, mit einer Richtantenne gezielt ausblenden.

[0019] Wie weiter unten anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert wird, kann die neue Vorrichtung sehr vorteilhaft in den Signalpfad zwischen der Antenne und den Antennenstecker des Kommunikationsteilnehmers platziert werden. Dies macht es möglich, die neue Vorrichtung mit einem herkömmlichen Sende- und Empfangsgerät zu verwenden, das hinsichtlich seiner abgestrahlten Sendeleistung eigentlich für die Verwendung mit einer Stabantenne ausgelegt ist. Dementsprechend ermöglicht die neue Vorrichtung die vorteilhafte Verwendung einer gemeinsamen Richtantenne für den Sende- und Empfangsfall zusammen mit einem herkömmlichen Sende- und Empfangsgerät, wobei die gesetzlichen Bestimmungen in Bezug auf die maximal abgestrahlte Sendeleistung in allen Raumrichtungen gewährleistet werden können, ohne den Vorteil der Richtantenne im Empfangsfall zunichte zu machen. Die neue Vorrichtung ist daher eine vorteilhafte Ergänzung oder gar ein Ersatz für andere Maßnahmen, die dazu dienen, eine stabile drahtlose Kommunikationsverbindung in Umgebungen mit starken Mehrwegeausbreitungen zu realisieren.

[0020] Darüber hinaus kann die variable Koppeldämpfung mit einem Signalkoppler im Signalpfad zwischen den beiden Anschlusspunkten sehr einfach und kostengünstig realisiert werden, wie weiter unten anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die neue Vorrichtung einschließlich des Signalkopplers in die mechanische Konstruktion der Antenne integriert sein, so dass der Anwender lediglich "eine neue Richtantenne" einschließlich der neuen Vorrichtung mit einem vorhandenen Sende- und Empfangsgerät verbinden muss, um in den Genuss der Vorteile zu kommen. Die neue Vorrichtung lässt sich daher in bestehenden drahtlosen Kommunikationsnetzen vorteilhaft einsetzen, um die Verfügbarkeit und Stabilität der drahtlosen Kommunikation zu verbessern.

[0021] Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

[0022] In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Antenne einen definierten Antennengewinn, wobei der zweite Dämpfungsfaktor in etwa gleich dem definierten Antennengewinn ist.

[0023] Der Antennengewinn ist generell das Verhältnis der Strahlstärke (und gleichermaßen Empfangsstärke) einer Richtantenne in Hauptstrahlrichtung bezogen auf die Strahl-/Empf angstärke einer ungerichteten Rundstrahlantenne. Häufig wird der Antennengewinn relativ zu einem idealen Kugelstrahler angegeben, d.h. relativ zu einer Antenne, die in alle Raumrichtungen (in Elevation und Azimut) gleichmäßig abstrahlt. Ein solcher Kugelstrahler ist jedoch ein Idealmodell, das tatsächlich nicht existiert. Dem Kugelstrahler am nächsten kommen Stabantennen und so genannte Dipol-Antennen. Im Vergleich zu einem idealen Kugelstrahler besitzen diese jedoch bereits einen Antennengewinn. Im Rahmen der vorliegenden Ausgestaltung ist der zweite Dämpfungsfaktor in etwa gleich demjenigen Antennengewinn, der sich durch Verwendung einer Richtantenne anstelle einer Stabantenne oder Dipol-Antenne realisieren lässt. Dementsprechend besitzt die Antenne in dieser Ausgestaltung einen definierten Antennengewinn größer Null relativ zu einer Stabantenne. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die in Strahlrichtung erhöhte Sendeleistung durch den zweiten Dämpfungsfaktor des Signalkopplers weitgehend egalisiert wird. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in Bezug auf die maximal abgestrahlte Sendeleistungen für alle Raumwinkel zu gewährleisten, aber auch nicht stärker abzusenken als nötig.

[0024] In einer bevorzugten Variante dieser Ausgestaltung beinhaltet die Richtantenne die neue Vorrichtung, d.h. die Richtantenne und die Vorrichtung sind eine bauliche Einheit, die lediglich über ein Antennenkabel und/oder eine Antennenbuchse mit einem Sende- und Empfangsgerät verbunden werden muss. In diesem Fall ist der Antennengewinn der verwendeten Richtantenne bekannt, und der zweite Dämpfungsfaktor entspricht betragsmäßig dem bekannten Antennengewinn der Antenne relativ zu einer Stabantenne.

[0025] In anderen Varianten kann die neue Vorrichtung getrennt von der verwendeten Richtantenne realisiert sein. In diesen Fällen ist es von Vorteil, wenn der Signalkoppler eine Vielzahl von zweiten Dämpfungsfaktoren besitzt, die in definierten Stufen oder kontinuierlich ausgewählt und eingestellt werden können. Die neue Vorrichtung lässt sich somit an verschiedene Richtantennen mit individuellen Antennengewinnen anpassen.

[0026] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Signalkoppler einen ersten Koppleranschluss, einen zweiten Koppleranschluss und zumindest einen dritten Koppleranschluss, wobei der erste Koppleranschluss mit dem ersten Anschlusspunkt verbunden ist, wobei der zweite Koppleranschluss mit dem zweiten Anschlusspunkt verbunden ist, und wobei der dritte Koppleranschluss mit einem Bauelement mit einer Impedanz verbunden ist, die variabel einstellbar ist, wobei die Koppeldämpfung des Signalkopplers von der Impedanz des Bauelements abhängt.

[0027] In bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung ist das Bauelement eine Varaktordiode mit einer Sperrschichtkapazität, die über eine von außen zugeführte Steuerspannung variiert werden kann. Prinzipiell kann das Bauelement jedoch auch auf andere Weise realisiert sein, beispielsweise als elektrischer Schaltkreis mit einem oder mehreren aktiven Bauelementen.

[0028] Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache, kostengünstige und vor allem leistungsarme Einstellung des Dämpfungsfaktors der neuen Vorrichtung. Die Kapazität (und damit die Impedanz) einer Varaktordiode kann mit einer geringen Steuerspannung variiert werden. Vorteilhafterweise kann die Impedanz des Bau- elements über mehr als zwei Stufen hinweg verändert werden, was eine mehrstufige Einstellung der Koppeldämpfung ermöglicht. Signalkoppler mit zumindest drei Koppleranschlüssen lassen sich in Hochfrequenzschaltungen recht einfach und kostengünstig realisieren.

[0029] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Bauelement einen Impedanzgrundwert, der so gewählt ist, dass der Signalkoppler den ersten Dämpfungsfaktor als Defaultfaktor besitzt.

[0030] In dieser Ausgestaltung besitzt der Signalkoppler ohne die Steuerspannung am Bauelement den kleineren ersten Dämpfungsfaktor, der vorzugsweise so gering wie möglich ist. Der Signalkoppler ist im Standardfall (Defaultfall) also für den Empfang eines HF-Empfangssignals dimensioniert. Nur wenn ein HF-Sendesignal abgestrahlt werden soll, wird der Dämpfungsfaktor verändert, indem die Impedanz des Bauelements auf einen definierten Impedanzwert eingestellt wird, der von dem Impedanzgrundwert abweicht. Durch Einstellen des abweichenden Impedanzwertes wird der Kopplungsgrad des Signalkopplers verändert. Infolgedessen verändern sich die Verhältnisse, mit denen ein Signal von einem Koppleranschluss zu den anderen Koppleranschlüssen übertragen wird. Die Impedanzänderung des Bauelements verändert also die Signalverteilung innerhalb des Signalkopplers und infolgedessen den Dämpfungsfaktor, mit dem ein eingespeistes HF-Sendesignal oder HF- Empfangssignal zwischen den externen Anschlusspunkten übertragen wird. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der niedrige erste Dämpfungsfaktor automatisch stets dann vorliegt, wenn das Bauelement kein Steuersignal erhält. Daher kann der für den Empfangsfall benötigte Dämpfungsfaktor leistungslos eingestellt werden. Lediglich für den Sendefall wird ein Steuersignal benötigt. Allerdings steht im Sendefall zumindest die HF-Sendeleistung zur Verfügung, die in einigen Ausführungsbeispielen vorteilhaft zum Erzeugen des Steuersignals genutzt wird.

[0031] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung einen ersten Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines ersten Steuersignals, das dazu ausgebildet ist, die Impedanz des Bauelements so einzustellen, dass der Signalkoppler den zweiten Dämpfungsfaktor besitzt.

[0032] In dieser Ausgestaltung ist der Steuerschaltkreis zum Erzeugen des Steuersignals für das Bauelement ein Bestandteil der Vorrichtung. Alternativ oder ergänzend könnte ein solcher Steuerschaltkreis getrennt von der Vorrichtung realisiert sein, um das Umschalten vom ersten Dämpfungsfaktor auf den zweiten Dämpfungsfaktor von außen zu steuern. Die Integration des Steuerschaltkreises in die Vorrichtung besitzt den Vorteil, dass die Vorrichtung autark betrieben werden kann. Insbesondere erleichtert diese Ausgestaltung die Integration der neuen Vorrichtung in eine Antenne, was eine sehr einfache und robuste Montage ermöglicht.

[0033] In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt der Steuerschaltkreis das erste Steuersignal automatisch jeweils dann, wenn der Signalkoppler das HF-Sendesignal überträgt.

[0034] Der Steuerschaltkreis kann das HF-Sendesignal beispielsweise an der Signalstärke an einem definierten Messpunkt erkennen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Steuerschaltkreis einen Hüllkurven und Schwellenwertdetektor, der aus dem HF-Sendesignal ein Hüllkurvensignal abzweigt, das im Vergleich zu der Hochfrequenz des HF-Sendesignals eine niedrigere Signalfrequenz aufweist. Dieses Hüllkurvensignal signalisiert mit einem Puls, wenn das HF- Sendesignal an dem Signalkoppler anliegt. Mit Hilfe des Hüllkurvensignals wird vorteilhaft die Impedanz des Bauelements verändert, um den zweiten Dämpfungsfaktor einzustellen. Die Ausgestaltung gewährleistet, dass das HF-Sendesignal automatisch mit dem größeren zweiten Dämpfungsfaktor übertragen wird. Damit trägt die Ausgestaltung dazu bei, die Einhaltung von gesetzlichen Grenzwerten für die maximal zulässige Strahlungsleistung einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu gewährleisten. [0035] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das HF-Sendesignal eine variable Sendeleistung, wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, das Steuersignal in etwa proportional zu der variablen Signalleistung zu erzeugen.

[0036] Auch in dieser Ausgestaltung wird das Steuersignal bevorzugt aus dem HF-Sendesignal selbst abgeleitet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt der Steuerschaltkreis eine Temperaturkompensation, die dazu beiträgt, die proportionale Abhängigkeit des Steuersignals von der HF-Sendesignalleistung zu erhalten. Die proportionale Abhängigkeit besteht bevorzugt für den überwiegenden Teil des Arbeitsbereichs, in dem die Sendesignalleistung des HF-Sendesignals variieren kann. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Durchschnittswert des Hüllkurvensignals bestimmt, und dieser Durchschnittswert bildet das Steuersignal. Die Ausgestaltung ermöglicht eine vorteilhafte Regelung des Dämpfungsfaktors mit einer individuellen Anpassungen an wechselnde Betriebsumgebungen. Sie ermöglicht ferner eine optimale Anpassung des Dämpfungsfaktors an die am ersten Anschlusspunkt eingespeiste HF-Sendesignalleistung. Damit trägt diese Ausgestaltung dazu bei, die neue Vorrichtung mit der jeweils maximal zulässigen Sendesignalleistung zu betreiben.

[0037] In einer weiteren Ausgestaltung ist der dritte Koppleranschluss mit einem Gleichrichterschaltkreis verbunden, der eine am dritten Koppleranschluss anliegende Wechselspannung in eine gepufferte Gleichspannung umwandelt.

[0038] In dieser Ausgestaltung wird die "überschüssige Sendesignalleistung", die mit Hilfe des zweiten Dämpfungsfaktors von der Antenne ferngehalten wird, zum Erzeugen einer gepufferten Gleichspannung verwendet. Die gepufferte Gleichspannung dient vorteilhaft als Betriebsspannung für die aktiven Komponenten der neuen Vorrichtung. Die Ausgestaltung nutzt eine charakteristische Eigenschaft bei der drahtlosen Kommunikation von Geräten der Automatisierungstechnik, nämlich die in aller Regel zyklisch wiederkehrenden Sendeimpulse. Die mit Hilfe des Bauelements erzeugte Fehlanpassung des Signalkopplers am zweiten Koppleranschluss hat zur Folge, dass die überschüssige HF-Sendesignalleistung dem dritten Koppleranschluss zugeführt wird. Dort wird sie vorteilhaft in die gepufferte Gleichspannung umgewandelt, die als Betriebsspannung zur Versorgung von aktiven Komponenten der Vorrichtung dient. Die Ausgestaltung ermöglicht einen autarken Betrieb der neuen Vorrichtung ohne eine von außen zugeführte Betriebsspannung. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, wenn die neue Vorrichtung baulich in eine Richtantenne integriert ist, da die Richtantenne mit der integrierten Vorrichtung trotz aktiver Komponenten lediglich einen HF-Antennenanschluss benötigt. Gleichzeitig werden Signalstörungen vermieden, die leicht auftreten können, wenn man versuchen würde, über den einen Antennenanschluss eine externe Betriebsspannung einzuspeisen.

[0039] In einer weiteren Ausgestaltung weist der Signalkoppler zwei dritte Koppleranschlüsse auf, die an einem Summationspunkt phasenrichtig zusammengeführt sind.

[0040] In dieser Ausgestaltung besitzt der Signalkoppler zumindest vier Koppleranschlüsse. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt der Signalkoppler genau vier Koppleranschlüsse, von denen der erste und der zweite Koppler- anschluss mit dem ersten bzw. zweiten Anschlusspunkt verbunden sind. Die "beiden dritten" Koppleranschlüsse dienen zum Abzweigen der überschüssigen HF- Sendesignalleistung. Die Verwendung von zwei dritten Koppleranschlüssen, die an dem Summationspunkt phasenrichtig zusammengeführt sind, ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad, insbesondere bei der vorteilhaften Erzeugung der gepufferten Gleichspannung.

[0041] In einer weiteren Ausgestaltung ist der Signalkoppler ein Sprossen- koppler (so genannter Branch Line Coupler bzw. 90° Hybrid). Besonders vorteilhaft ist ein dreiarmiger Sprossenkoppler, insbesondere wenn die mittlere Sprosse dicker ist als die beiden äußeren Sprossen. [0042] Wie sich gezeigt hat, besitzen Sprossenkoppler die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich die Impedanz an dem ersten und zweiten Koppleranschluss nur relativ wenig ändert, wenn die Impedanz des Bauelements an dem dritten Koppleranschluss verändert wird. Mit anderen Worten ist die Rückwirkung der Impedanzänderung am dritten Koppleranschluss auf den ersten und zweiten Koppleranschluss relativ gering. Daher trägt diese Ausgestaltung dazu bei, den Signalfluss zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt nur im Rahmen der gewünschten Änderung des Dämpfungsfaktors zu beeinflussen. Die Anpassung des Signalkopplers an das Sende- und Empfangsgerät und die Antenne wird bei Verwendung eines Sprossenkopplers kaum negativ beeinflusst.

[0043] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Vorrichtung eine Antenne mit einer Anzahl von ersten Strahlerelementen, einer Anzahl von zweiten Strahlerelementen und zumindest einem Schaltelement, wobei die ersten Strahlerelemente mit dem zweiten Anschlusspunkt direkt verbunden sind, wobei die zweiten Strahlerelemente mit dem zweiten Anschlusspunkt über das zumindest eine Schaltelement verbunden sind, und wobei das zumindest eine Schaltelement mit einem zweiten Steuersignal angesteuert ist, das aus dem HF-Sendesignal erzeugt ist.

[0044] In dieser Ausgestaltung ist die Antenne Teil der neuen Vorrichtung. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind der Signalkoppler und die weiteren Schaltungsbestandteile der Vorrichtung baulich in den Antennenkörper integriert. Die Antenne dieser Ausgestaltung besitzt zumindest zwei verschiedene Strahlerelemente, von denen eines dauerhaft mit dem Signalkoppler verbunden ist, während das andere über ein Schaltelement wahlweise mit dem Signalkoppler verbunden werden kann oder von dem Signalkoppler getrennt werden kann.„Direkt" im Sinne dieser Ausgestaltung schließt also nicht aus, dass eventuell noch andere Bauelemente, wie etwa ein Bandfilter, zwischen dem zweiten Anschlusspunkt und dem ersten Strahlerelement liegen. Allerdings handelt es sich bei diesen anderen Bauelementen nicht um Schaltelemente, die zum Verändern der Strahlanordnung dienen. In einer Variante wird das zumindest eine zweite Strahlerelement immer dann mit dem Signalkoppler verbunden, wenn ein HF-Sendesignal über die Antenne abgestrahlt wird. Im Empfangsfall ist das zweite Strahlerelement über das Schaltelement "abgeschaltet", d.h. es liefert keinen Signalbeitrag an den Signalkoppler. In einer anderen Variante ist das zumindest eine zweite Strahlerelement immer (nur) dann mit dem Signalkoppler verbunden, wenn ein HF-Empfangssignal über die Antenne empfangen wird, beim Abstrahlen eines HF-Sendesignals ist das zumindest eine zweite Strahlerelement über das Schaltelement vom Sendesignal getrennt.

[0045] Durch das Hinzuschalten oder Wegschalten des zweiten Strahlerelements verändert sich die Richtcharakteristik der Antenne und damit auch der Antennengewinn. Infolgedessen ermöglicht diese Ausgestaltung eine weitere Optimierung der Sende- und Empfangseigenschaften zur Beherrschung von Kommunikationsstörungen aufgrund von Mehrwegeausbreitung. In vorteilhafter Weise erfolgt das Umschalten zwischen den verschiedenen Richtcharakteristiken der Antenne auch hier automatisch in Abhängigkeit von dem HF-Sendesignal. Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch in dieser Ausgestaltung die zum Erzeugen des zweiten Steuersignals benötigte Betriebsspannung aus dem HF-Sendesignal erzeugt wird, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde. Zusätzlich zu der richtungsabhängigen Bedämpf ung der HF-Signale wird nun auch die Richtcharakteristik der Antenne und damit der Antennengewinn verändert. In einer bevorzugten Variante strahlt die Antenne der neuen Vorrichtung im Sendefall mit einem geringeren Antennengewinn in einem breiteren Raumbereich ab, während sie im Empfangsfall mit einem höheren Antennengewinn arbeitet und dementsprechend nur Signale aus einem engeren Raumwinkelbereich aufnimmt. Diese Variante lässt sich durch Hinzuschalten der zweiten Strahlerelemente im Sendefall einfach realisieren. Prinzipiell ist jedoch auch die umgekehrte Variante denkbar, d.h. die Antenne wird im Empfangsfall mit einem geringeren Antennengewinn und im Sendefall mit einem höheren Antennengewinn (schmalere Richtcharakteristik) betrieben. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vor allem die Richtcharakteristik in der Elevation verändert. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Richtcharakteristik im Azimut abhängig vom Sendeoder Empfangsfall automatisch umzuschalten. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Strahlerelemente Patch-Strahlerelemente, die mit einer zirkulären Polarisation abstrahlen und empfangen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Strah- lerelemente eine vorwiegend horizontale Polarisation oder eine vorwiegend vertikale Polarisation aufweisen.

[0046] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

[0047] Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Steuersystems zum automatisierten Steuern einer technischen Anlage, wobei eine Steuereinheit drahtlos mit Sensoren und Aktoren vernetzt ist und wobei die neue Vorrichtung zur Beherrschung von Mehrwegeausbreitung zum Einsatz kommt,

[0048] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und

[0049] Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Signalkopplers mit variabler Koppeldämpfung für die Vorrichtung aus Fig. 2.

[0050] In Fig. 1 ist ein Steuersystem zum automatisierten Steuern einer technischen Anlage in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Steuersystem 10 beinhaltet eine Steuereinheit 12, beispielsweise in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung, und eine Anzahl von Signaleinheiten 14, 16, 18. Die Signaleinheiten 14, 16, 18 sind räumlich entfernt von der Steuereinheit 12 angeordnet und kommunizieren drahtlos über Funksignale mit der Steuereinheit 12. Die Steuereinheit 12 kann darüber hinaus mit weiteren Signaleinheiten (hier nicht dargestellt) über Netzwerkleitungen verbunden sein. Des Weiteren kann das Steuersystem 10 mehrere Steuereinheiten 12 beinhalten, die verteilt angeordnet sind und untereinander drahtlos und/oder über Netzwerkkabel miteinander kommunizieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient das Steuersystem 10 zum Steuern einer Krananlage, die in einer Werkhalle angeordnet ist. In anderen Ausführungsbeispielen steuert das Steuersystem eine Produktionslinie mit Robotern, Werkzeugmaschinen, Transportbändern, Verpackungsmaschinen und anderem. Generell kann die neue Vorrichtung bei allen technischen Anlagen eingesetzt werden, in denen Steuer- und/oder Signaleinheiten drahtlos miteinander kommunizieren. Bevorzugt kommt die neue Vorrichtung bei Steuereinheiten und/oder Signaleinheiten zum Einsatz, die überwiegend oder ausschließlich in festen Zeitintervallen zyklisch miteinander kommunizieren. Typischerweise tauschen die Steuer- und/oder Signaleinheiten in jedem Kommunikationszyklus nur wenige Datentelegramme aus. In einigen Fällen versendet die Steuereinheit in jedem Zyklus genau ein Datentelegramm an jede Signaleinheit, und sie empfängt jeweils genau ein Datentelegramm von jeder Signaleinheit.

[0051] Die Steuereinheit 12 besitzt einen Signal- und Datenverarbeitungsteil 20, der in den bevorzugten Ausführungsbeispielen mehrkanalig-redundant aufgebaut ist. In Fig. 1 sind die redundanten Kanäle beispielhaft anhand von zwei Prozessoren 22a, 22b dargestellt. Bevorzugt erfolgt zumindest ein Teil der Signal- und Datenverarbeitung redundant, wobei die Prozessoren 22a, 22b ihre jeweiligen Ergebnisse miteinander vergleichen und/oder sich gegenseitig überwachen, um eine fehlersichere Signal- und Datenverarbeitung im Sinne der Normen EN 954-1, IEC 61508 und/oder EN ISO 13849-1 zu gewährleisten. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Steuereinheit 12 fehlersicher im Sinne der Kategorie 3 und höher der EN 954-1 oder im Sinne vergleichbarer Anforderungen ausgebildet, etwa SIL 2 gemäß IEC 61508.

[0052] Die Steuereinheit 12 besitzt ferner Speicher 24, 26, wobei der Speicher 24 hier als Nur-Lese-Speicher dargestellt ist, während der Speicher 26 ein Lese- und Schreib-Speicher ist. Im Speicher 24 ist hier ein Betriebssystem der Steuereinheit 12 gespeichert. Den Speicher 26 verwendet die Steuereinheit 12 zum Zwischenspeichern von Daten im Verlauf der Signal- und Datenverarbeitung. Ein Steuerprogramm, nach dem die Steuereinheit 12 Daten von den Signaleinheiten 14, 16, 18 verarbeitet, kann in einem der Speicher 24, 26 oder in beiden Speichern gespeichert sein. [0053] Mit Bezugsziffer 28 ist ein Sende- und Empfangsteil bezeichnet. Der Sende- und Empfangsteil 28 beinhaltet einen HF-Sender 30 und einen HF-Empfänger 32. Sender 30 und Empfänger 32 sind dazu ausgebildet, HF-Signale über eine oder mehrere Antennen 34 auszusenden bzw. zu empfangen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Frequenz der HF-Signale bei etwa 2,4 GHz und/oder bei etwa 5 GHz. Prinzipiell sind jedoch auch andere Frequenzbänder möglich.

[0054] Die Steuereinheit 12 besitzt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Antennen 34a, 34b, die alternativ zueinander sowohl als Sendeantenne und als Empfangsantenne genutzt werden. Eine bevorzugte Antennenkonstruktion für die Antennen 34a, 34b ist in DE 2007 058 257 AI beschrieben.

[0055] Die Signaleinheiten 14, 16, 18 sind ähnlich aufgebaut wie die Steuereinheit 12. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzen die Signaleinheiten 14, 16, 18 ebenfalls einen mehrkanalig-redundanten Signal- und Datenverarbeitungsteil 20, so dass die Signaleinheiten 14, 16, 18 fehlersicher im Sinne der oben angegebenen Normen sind. Jede Signaleinheit 14, 16, 18 besitzt einen Sende- und Empfangsteil 28 sowie eine Antenne 35. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Antenne 35 Teil der neuen Vorrichtung, wie dies weiter unten anhand Fig. 2 erläutert wird. Anders ausgedrückt ist die neue Vorrichtung hier konstruktiv in den Körper der Antenne 35 integriert, und sie wird lediglich über ein konventionelles Antennenkabel (typischerweise ein Koaxialkabel) mit dem Sende- und Empfangsteil 28 verbunden.

[0056] Die Signaleinheit 14 ist hier beispielhaft mit einem Lichtgitter 36 verbunden. Sie steuert das Lichtgitter 36 an und berichtet den Status des Lichtgitters 36 (frei oder unterbrochen) an die Steuereinheit 12. Die Signaleinheit 16 ist mit einem elektrischen Antrieb 38 verbunden und steuert den Antrieb 38 in Abhängigkeit von Aktordaten, die die Signaleinheit 16 von der Steuereinheit 12 erhält. Die Signaleinheit 18 ist beispielhaft mit einem Not- Aus-Taster 40 verbunden und berichtet den Zustand des Not- Aus-Tasters 40 (betätigt oder nicht-betätigt) an die Steuereinheit 12. Die Steuereinheit 12 bestimmt in Abhängigkeit von den Sensordaten der Signaleinheiten 14, 18 die Aktordaten für die Signaleinheit 16. Es versteht sich, dass das Steuersystem 10 über die hier dargestellten Signaleinheiten 14, 16, 18 und die Sensoren 36, 40 und Aktoren 38 hinaus weitere Sensoren und Aktoren beinhalten kann, die mit der Steuereinheit 12 vernetzt sind. Es ist insbesondere möglich, dass eine Signaleinheit mehrere Sensoren und/oder Aktoren überwacht und/oder ansteuert.

[0057] Die Steuereinheit 12 kommuniziert mit den Signaleinheiten 14, 16, 18 über Funksignale 42, 44. In Fig. 1 ist ein HF-Sendesignal 42 gezeigt, das die Steuereinheit 12 über eine der Antennen 34a, 34b aussendet. In der Darstellung empfängt die Signaleinheit 16 das HF-Sendesignal 42 von der Steuereinheit, und sie erzeugt ein HF-Signal 44, das die Steuereinheit 12 als HF-Empfangssignal empfängt. Es versteht sich, dass jedes HF-Sendesignal 42 für alle anderen Kommunikationsteilnehmer ein HF-Empfangssignal 44 ist.

[0058] Die HF-Signale 42, 44 transportieren jeweils ein oder mehrere Datentelegramme 46, in denen die Sensor- und Aktordaten enthalten sind. Im HF- Empfänger 32 werden die Datentelegramme 46 aus den HF-Empfangssignalen 44 extrahiert und dem Signal- und Datenverarbeitungsteil 20 zur Verfügung gestellt. Umgekehrt moduliert der HF-Sender 30 ein HF-Sendesignal 42 so, dass das Datentelegramm 46 in dem HF-Signal enthalten ist. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die Kommunikation zwischen der Steuereinheit 12 und den Signaleinheiten 14, 16, 18 zyklisch in regelmäßigen definierten Zeitintervallen, wobei die Steuereinheit 12 die Signaleinheiten 14, 16, 18 der Reihe nach anspricht und jeweils auf eine Antwort wartet. Jede Signaleinheit 14, 16, 18 erkennt anhand einer in den Datentelegrammen 46 enthaltenen Adresse, ob sie angesprochen ist oder nicht.

[0059] In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet. Die Vorrichtung 50 besitzt einen ersten Anschlusspunkt 52 und einen zweiten Anschlusspunkt 54. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 50 baulich in den Anten- nenkörper integriert, d.h. die Vorrichtung 50 beinhaltet die Antenne 35. Daher ist der zweite Anschlusspunkt 54 im vorliegenden Fall kein "sichtbarer" Anschlusspunkt in Form eines Steckers oder einer Buchse. Demgegenüber ist der erste Anschlusspunkt 52 hier eine Antennenbuchse, an der ein Antennenkabel angeschlossen werden kann. Der Anschlusspunkt 52 verbindet die Vorrichtung 50 sowohl mit einem HF- Sender als auch mit einem HF-Empfänger. Eine etwaig benötigte Signaltrennung zwischen HF-Sendesignal und HF-Empfangssignal findet in den bevorzugten Ausführungsbeispielen im Sende- und Empfangsteil 28 statt.

[0060] Die Antenne 35 besitzt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Anzahl von ersten Strahlerelementen 56 und zweiten Strahlerelementen 58. Die ersten Strahlerelemente 54 sind dauerhaft mit dem Anschlusspunkt 54 verbunden. Die zweiten Strahlerelemente 58 sind über ein Schaltelement 60 mit dem Anschlusspunkt 54 verbunden und können über das Schaltelement 60 von dem Anschlusspunkt 54 getrennt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Strahlerelemente 56, 58 jeweils weitgehend quadratische Patch-Elemente in einer planaren Matrix von Strahlerelementen in Reihen und Spalten. Jedes Strahlerelement 56, 58 besitzt zwei um 90° räumlich zueinander versetzte Anschlüsse, um die Abstrahlung und den Empfang von zirkulär polarisierten Wellen zu ermöglichen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten Strahlerelemente 56 in einer mittleren Zeile zwischen zwei Zeilen von zweiten Strahlerelementen 58 angeordnet. Wenn die zweiten Strahlerelemente 58 über die Schaltelemente 60 mit den ersten Strahlerelementen 56 verbunden sind, wird die Strahlungskeule der Antenne 35 schmaler als im umgekehrten Fall, in dem die Strahlerelemente 58 über die Schaltelemente 60 von den ersten Strahlerelementen 56 getrennt sind. Die Schaltelemente 60 ermöglichen somit, die Strahlungskeule der Antenne 35 (und damit den Antennengewinn) zu verändern. In dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Gruppe von zweiten Strahlerelementen 58 oberhalb und unterhalb einer Gruppe von ersten Strahlerelementen 56 angeordnet, so dass die Strahlungskeule der Antenne 35 in der Elevation verändert wird. [0061] Die Vorrichtung 50 besitzt ferner einen Signalkoppler 62. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Signalkopplers 62 ist in Fig. 3 gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie in Fig. 2.

[0062] Der Signalkoppler 62 besitzt vier Koppleranschlüsse PI, P2, P3 und P4. Die Koppleranschlüsse PI und P2 sind die freien Enden eines ersten Längszweigs 64. Die Koppleranschlüsse P4 und P3 sind die freien Enden eines zweiten Längszweigs 66. Die zwei parallelen Längszweige 64, 66 sind über drei parallele Querzweige 68, 70, 72 miteinander verbunden. Die Längszweige 64, 66 und Querzweige 68, 70, 72 bilden hier eine "Sprossenleiter". Ein vierter Querzweig 74 ist etwa U-förmig ausgebildet und verbindet die freien Enden P2 und P3 der Längszweige 64, 66. Der Querzweig 74 bildet einen Summationszweig, über den Signale von den Koppleranschlüssen P2 und P3 phasenrichtig addiert werden.

[0063] Der erste Koppleranschluss PI ist über eine Impedanzanpassung 76 mit dem ersten Anschlusspunkt 52 verbunden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Impedanzanpassung 76 eine geeignet geformte Mikrostreifenleitung. Der Koppleranschluss P4 ist über eine weitere Impedanzanpassung 76' und ein Bandpassfilter 78 mit den Strahlerelementen 56, 58 verbunden. Der Koppleranschluss PI bildet somit den Signaleingang für ein HF-Sendesignal, das über den Koppleranschluss P4 zu der Antenne 35 übertragen wird. Umgekehrt bildet der Koppleranschluss P4 einen Signaleingang für ein HF-Empfangssignal von der Antenne 35, das über den Koppleranschluss PI zum Anschlusspunkt 52 übertragen wird.

[0064] An den Koppleranschlüssen P2 und P3 ist jeweils ein Bauelement 80 mit einer variabel einstellbaren Impedanz angeordnet. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Bauelement 80 eine Varaktordiode, deren Sperrschichtkapazität mit Hilfe einer Steuerspannung verändert werden kann. Die Steuerspannung für das Bauelement 80 wird hier mit Hilfe eines Hüllkurvendetektors 82 und eines Regelspannungserzeugers 84 erzeugt. Der Hüllkurvendetektor 82 erzeugt aus einem am Koppleranschluss PI anliegenden HF-Signal ein im Vergleich zu dem HF-Signal niederfrequentes Wechselsignal, das in etwa der Hüllkurve des HF-Signals am Koppleranschluss PI entspricht. Der nachfolgende Regelspannungserzeuger 84 erzeugt eine Gleichspannung, die in etwa der mittleren Leistung des Hüllkurvensignals vom Hüllkurvendetektor 82 entspricht. Die Ausgangsspannung 85 des Regelspannungserzeugers 84 ist den Bauelementen 80 als erstes Steuersignal zugeführt und bestimmt die Impedanz der Bauelemente 80.

[0065] In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzen die Bauelemente 80 einen Impedanzgrundwert, der ohne Zuführen der Regelspannung vom Regelspannungserzeuger 84 vorliegt. Dieser Impedanzgrundwert kann durch die Regelspannung 85 verändert werden. Bevorzugt ist der Impedanzgrundwert der Bauelemente 80 so gewählt, dass die Koppleranschlüsse P2 und P3 im "spannungslosen" Zustand, also ohne die Regelspannung 85, eine maximale Fehlanpassung in Bezug auf die Koppleranschlüsse P2 und P3 haben. Die Fehlanpassung hat zur Folge, dass ein am Koppleranschluss PI anliegendes Signal überwiegend zu dem Koppleranschluss P4 übertragen wird und kaum oder gar nicht an den Koppleranschlüssen P2 und P3 erscheint. Die Koppeldämpfung vom Koppleranschluss PI zu den Koppleranschlüssen P2 bzw. P3 ist ohne die Regelspannung 85 maximal. Folglich ist die Koppeldämpfung zwischen dem Koppleranschluss PI und dem Koppleranschluss P4 in diesem Fall minimal.

[0066] Der Regelspannungserzeuger 84 und die Bauelemente 80 sind hier so dimensioniert, dass die Koppeldämpfung zwischen den Koppleranschlüssen PI und P4 mit zunehmender HF-Signalleistung ansteigt, während die Koppeldämpfung zwischen dem Koppleranschluss PI und den Koppleranschlüssen P2 bzw. P3 geringer wird. Dies hat zur Folge, dass mit zunehmender HF-Signalleistung am Koppleranschluss PI ein zunehmend größerer Anteil des HF-Signals vom Anschluss PI zu den Koppleranschlüssen P2 und P3 übertragen wird.

[0067] Im Sendefall ist die HF-Leistung des HF-Sendesignals am Koppleranschluss PI relativ groß. Daher wird die Impedanz der Bauelemente 80 über den Regelspannungserzeuger 84 verändert. Die Koppleranschlüsse P2 und P3 sind nun besser an den Koppleranschluss PI angepasst und entziehen dem Signal, das zum Koppleranschluss P4 gelangt, HF-Leistung. Das am Koppleranschluss P4 ankommende HF-Sendesignal ist dementsprechend schwächer als das am Koppleranschluss PI eingespeiste HF-Sendesignal. Folglich wird über die Antenne 35 ein schwächeres HF- Sendesignal abgestrahlt. Im Idealfall wird dem HF-Sendesignal, das über die Antenne 35 abgestrahlt wird, genau in dem Maße Sendesignalleistung entzogen, in dem die Antenne 35 das HF-Sendesignal in Hauptstrahlrichtung gegenüber einer alternativen Stabantenne erhöht. Dadurch wird die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in Bezug auf maximal zulässige Sendesignalleistungen auch dann eingehalten, wenn eine bislang verwendete Stabantenne durch die Vorrichtung 50 einschließlich der Richtantenne 35 ersetzt wird.

[0068] Im Empfangsfall ist die am Koppleranschluss PI ankommende HF- Signalleistung sehr gering. Folglich erzeugt der Regelspannungserzeuger 84 keine nennenswerte Regelspannung 85. Die Bauelemente 80 besitzen daher einen Impedanzwert, der in etwa gleich dem Impedanzgrundwert ist. Aufgrund der bewussten Fehlanpassung des Impedanzgrundwertes an den Koppleranschlüssen P2 und P3 ist die Koppeldämpfung zwischen den Koppleranschlüssen P4 und PI dann minimal.

[0069] Die im Sendefall abgezweigte HF-Sendesignalleistung wird am Sum- mationspunkt 74 phasenrichtig zusammengeführt und über eine weitere Impedanzanpassung 76" einem HF-Gleichrichter 88 zugeführt. Der HF-Gleichrichter 88 erzeugt eine pulsierende Gleichspannung, die mit einem Schaltregler in eine gepufferte Gleichspannung U_DC umgewandelt wird. Die gepufferte Gleichspannung U_DC wird vorteilhaft als Betriebsspannung für die aktiven Komponenten der Vorrichtung 50 genutzt.

[0070] In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine solche aktive Komponente ein Steuersignalschaltkreis 86, der das Steuersignal für die Schaltelemente 60 erzeugt. Der Steuersignalschaltkreis 86 enthält eine Anzahl von D-Flip- Flops (hier nicht dargestellt), die eine Teilerkette bilden. Die Teilerkette erzeugt aus dem pulsierenden Hüllkurvensignal des Hüllkurvendetektors 82 eine Steuerspannung 92, mit der die Schaltelemente 60 der Antenne 35 umgeschaltet werden. In einem Ausführungsbeispiel sind die Schaltelemente 60 ebenfalls Varaktordioden, die hier im Gegensatz zu den Varaktordioden 80 im„An-Aus-Zustand" betrieben werden. Da die Kommunikation zwischen der Steuereinheit 12 und den Signaleinheiten 14, 16, 18 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen in definierten zyklischen Zeitintervallen erfolgt, werden die Schaltelemente 60 in den definierten zyklischen Zeitintervallen umgeschaltet. In einem Ausführungsbeispiel werden die Schaltelemente 60 nach jedem Sendeburst umgeschaltet, der vom HF-Sender 30 über die Vorrichtung 50 übertragen wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Schaltelemente 60 nach jedem vierten Sendeburst des HF-Senders 30 umgeschaltet. Auch andere Schaltrhythmen sind möglich.

[0071] In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Schaltsignal des Steuersignalschaltkreises 86 ein Gleichspannungssignal, das als Steuersignal 92 über dieselbe Leitung zu den Schaltelementen 60 übertragen wird, über die auch das HF- Sendesignal zu den Strahlerelementen 56, 58 gelangt. Das Steuersignal 92 ist dem HF- Sendesignal überlagert.

[0072] Wenngleich die Strahlerelemente 56, 58 in dem dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel in die Vorrichtung 50 integriert sind, kann die Vorrichtung 50 in anderen Ausführungsbeispielen getrennt von Strahlerelementen und einer daraus bestehenden Antenne realisiert sein. In diesem Fall ist der zweite Anschlusspunkt 54 vorteilhafterweise als Buchse zum Anschluss eines Antennenkabels ausgebildet.

[0073] In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 50 in dem Sende- und Empfangsteil 28 eines Kommunikationsteilnehmers integriert sein. In diesen Fällen kann gegebenenfalls der erste Anschlusspunkt 52 ein „versteckter" Signalpunkt innerhalb einer integrierten Schaltung sein. [0074] Die Antenne 35 kann abweichend von der hier dargestellten Variante realisiert sein. Sie kann beispielsweise aus einzelnen horizontalen und vertikalen Dipolen bestehen, zwischen denen wahlweise mit Hilfe von Schaltelementen 60 umgeschaltet wird. Darüber hinaus ist es in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, auf die Antennenumschaltung zu verzichten und lediglich die variable Koppeldämpfung des Signalkopplers 62 in Abhängigkeit von der (Sende-) Signalleistung am ersten Koppleranschluss PI zu nutzen. Prinzipiell kann eine Betriebsspannung zur Versorgung von aktiven Komponenten der Vorrichtung 50 auch extern bereitgestellt werden, so dass dann auf den HF-Gleichrichter 88 und den Schaltregler 90 verzichtet werden kann.

[0075] Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass ein Signalkoppler mit zumindest drei Koppleranschlüssen zur Anwendung kommt, wobei ein am dritten Koppleranschluss angeordnetes Schaltelement so verändert wird, dass die Koppeldämpfung zwischen dem ersten und dem zweiten Koppleranschluss variiert. Über die Variation der Koppeldämpfung wird einem HF-Sendesignal ein Teil der HF- Sendesignalleistung entzogen, während ein HF-Empfangssignal weitgehend unbeein- flusst übertragen wird. Die Koppeldämpfung wird vorteilhaft variiert, indem eine bewusste Fehlanpassung an dem dritten Koppleranschluss herbeigeführt oder vermieden wird.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten (12, 14, 16, 18) der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von Sensoren, Aktoren und zumindest einer gemeinsamen Steuereinheit, mit einem ersten Anschlusspunkt (52) zum Einspeisen eines HF-Sendesignals (42) von einem HF-Sender (30) und zum Bereitstellen eines HF-Empfangssignals (44) von einer Antenne (35), mit einem zweiten Anschlusspunkt (54), der zu der Antenne (35) führt, und mit einem Signalkoppler (62), der zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt (52, 54) angeordnet ist, um das HF-Sendesignal (42) von dem ersten Anschlusspunkt (52) zu der Antenne (35) zu übertragen und das HF- Empfangssignal (44) von der Antenne (35) zu dem ersten Anschlusspunkt (52) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (62) eine variable Koppeldämpfung mit einem ersten und zumindest einem zweiten Dämpfungsfaktor besitzt, wobei der erste Dämpfungsfaktor kleiner ist als der zweite Dämpfungsfaktor, und wobei der Signalkoppler (62) das HF-Empfangssignal (44) mit dem ersten Dämpfungsfaktor und das HF-Sendesignal (42) mit dem zweiten Dämpfungsfaktor überträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (35) einen definierten Antennengewinn besitzt, wobei der zweite Dämpfungsfaktor in etwa gleich dem definierten Antennengewinn ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (62) einen ersten Koppleranschluss (PI), einen zweiten Koppler- anschluss (P4) und zumindest einen dritten Koppleranschluss (P2, P3) besitzt, wobei der erste Koppleranschluss (PI) mit dem ersten Anschlusspunkt (52) verbunden ist, wobei der zweite Koppleranschluss (P4) mit dem zweiten Anschlusspunkt (54) verbunden ist, und wobei der dritte Koppleranschluss (P2, P3) mit einem Bauelement (80) mit einer Impedanz verbunden ist, die variabel einstellbar ist, wobei die Koppeldämpfung des Signalkopplers (62) von der Impedanz des Bauelements (80) abhängt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (80) einen Impedanzgrundwert besitzt, der so gewählt ist, dass der Signalkopp- ler (62) den ersten Dämpfungsfaktor als Defaultfaktor besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen ersten Steuerschaltkreis (84) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (85), das dazu ausgebildet ist, die Impedanz des Bauelements (80) so einzustellen, dass der Signalkoppler (62) den zweiten Dämpfungsfaktor besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (84) das erste Steuersignal (85) automatisch jeweils dann erzeugt, wenn der Signalkoppler (62) das HF-Sendesignal (42) überträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das HF- Sendesignal (42) eine variable Sendesignalleistung besitzt, wobei der Steuerschaltkreis (84) dazu ausgebildet ist, das Steuersignal (85) in etwa proportional zu der variablen Sendesignalleistung zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Koppleranschluss (P2, P3) mit einem Gleichrichterschaltkreis (88, 90) verbunden ist, der eine am dritten Koppleranschluss (P2, P3) anliegende Wechselspannung in eine gepufferte Gleichspannung umwandelt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (62) zwei dritte Koppleranschlüsse (P2, P3) aufweist, die an einem Summationspunkt (74) phasenrichtig zusammengeführt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (62) ein Sprossenkoppler ist, insbesondere ein dreiarmiger Sprossenkoppler.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Antenne (35) mit einer Anzahl von ersten Strahlerelementen (56), einer Anzahl von zweiten Strahlerelementen (58), und zumindest einem Schaltelement (60), wobei die ersten Strahlerelemente (56) mit dem zweiten Anschlusspunkt (54) direkt verbunden sind, wobei die zweiten Strahlerelemente (58) mit dem zweiten Anschlusspunkt (54) über das zumindest eine Schaltelement (60) verbunden sind, und wobei das zumindest eine Schaltelement (60) mit einem zweiten Steuersignal (92) angesteuert ist, das aus dem HF-Sendesignal (42) erzeugt ist.