EP3781960A1 - Spule sowie einrichtung zur drahtlosen signalübertragung sowie ein verfahren zur herstellung einer derartigen spule - Google Patents

Spule sowie einrichtung zur drahtlosen signalübertragung sowie ein verfahren zur herstellung einer derartigen spule

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EP3781960A1
EP3781960A1 EP19719459.0A EP19719459A EP3781960A1 EP 3781960 A1 EP3781960 A1 EP 3781960A1 EP 19719459 A EP19719459 A EP 19719459A EP 3781960 A1 EP3781960 A1 EP 3781960A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
conductor tracks
impedance
wireless signal
signal transmission
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19719459.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Enrico Pannicke
Marcus PRIER
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.)
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Original Assignee
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg filed Critical Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Publication of EP3781960A1 publication Critical patent/EP3781960A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/36—Electrical details, e.g. matching or coupling of the coil to the receiver
    • G01R33/3628—Tuning/matching of the transmit/receive coil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F17/0013—Printed inductances with stacked layers
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    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/341—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F2038/143—Inductive couplings for signals
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    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
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    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits

Definitions

  • the invention relates to a coil in the form of a transmitting and / or receiving coil of a device for wireless signal transmission, e.g. by means of electromagnetic waves, or for wireless signal reception, the coil having an impedance matching circuit for adapting the connection impedance of the coil to an input impedance of a signal transmitting and / or receiving device of the device for wireless signal transmission to be connected to the coil having.
  • the invention also relates to a device for wireless signal transmission or for wireless signal reception, comprising a signal transmission and / or reception device and a coil connected to the signal transmission and / or reception device.
  • the invention also relates to a method for producing such a coil.
  • Such devices for wireless signal transmission can be found in various fields of technology.
  • the field of magnetic resonance tomography MRI
  • strong magnetic fields are radiated by means of such a coil and the resulting effects of a person to be examined are received again by such a coil.
  • Other fields of application of such coils can be found, for example, in energy harvesting or in the transmission of RFID signals.
  • a wireless signal transmission here is a signal transmission in the broadest sense understood, ie any transmission of signals, even if they are not evaluated, any receiving signals and any transmission of signals between a transmitter and a receiver. In the field of magnetic resonance tomography, such transmission and reception but no direct signal transmission takes place between these transmitting and receiving coils.
  • the transmitting coil uses a quantum mechanical effect, which leads to the generation of an externally effective magnetization. This occurs when a spin ensemble is exposed to a strong static magnetic field and high-frequency alternating field at the so-called Larmor frequency.
  • the high-frequency alternating field is generated by the transmitting coil.
  • the receiving coil can pick up the induced signal by the time-varying magnetization.
  • the coil according to the invention is therefore particularly suitable for signal reception of the induced signal.
  • the invention is therefore based on the issue to realize the necessary impedance adjustment without the aforementioned disadvantages.
  • the impedance matching circuit is formed entirely or at least partially by at least partially overlapping conductor tracks of the coil.
  • the coil may be formed, for example, as a conductor loop.
  • the invention has the advantage that an impedance matching can be realized with little effort, by the flexibility and reliability of the coil and the entire arrangement thus formed is not affected.
  • a complete impedance matching can be realized by the mutually at least partially overlapping conductor tracks, so that no further components are required for the realization of the impedance matching circuit.
  • each conductor loop has an intrinsic resonance and can thus be understood as a resonant circuit.
  • the coil can thus be adapted in such a way that the function of the parallel-connected capacitor is replaced by the intrinsic resonance.
  • the adaptation of the resonance behavior by using the intrinsic resonance is subject to external restrictions in some cases, such as e.g. a desired diameter of the coil that may not allow complete matching of the resonance behavior at the desired operating frequency. Therefore, at least a partial adaptation can be carried out by the inherent resonance of the conductor tracks, the complete adaptation can be done by adding, for example, a series-connected capacitor.
  • a distributed capacitance is introduced by the partial overlapping of the conductor tracks, wherein the intrinsic capacitance can be changed by lengthening or shortening the conductor tracks, in order in this way to realize the desired impedance matching on the coil side. If the tracks of the coil are overlapped, These form a capacity, and the resonance of the system conductor loop can be varied at fixed diameters.
  • connection lines of the coil which serve to connect the coil to the signal transmitting and / or receiving device, outside the overlapping region of the overlapping conductor tracks of the coil are connected to the conductor tracks of the coil.
  • the connecting leads of the coil can be made neutral in this regard, e.g. in the form of a cable designed with the terminal impedance of the coil, e.g. a coaxial cable.
  • the conductor tracks of the coil which may also be referred to as printed conductors, may, for example, have a circular cross-sectional shape.
  • the overlap region extends over an angular range which is not a multiple of 360 degrees.
  • the overlap area may differ by at least +15 degrees / -15 degrees from a multiple of 360 degrees.
  • the angles refer to a circle of 360 degrees (360 °).
  • the Lei ter shoes the coil at least partially or completely have a flattened cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape can for example be substantially rectangular, wherein the corners of the rectangular shape can also be rounded.
  • the cross-sectional shape may have a height-to-width ratio of less than 1: 3 or less than 1: 5. In this way, the overlap area between the conductor tracks of the coil can be optimized with regard to the intrinsic capacitance formed thereby.
  • the Lei ter shoes the coil at least partially or completely from flexible Porterplattenma- are formed. This allows a simple and inexpensive provision of such a coil with sufficient flexibility.
  • the coil is thus suitable, for example, for applications in medical technology, eg for magnetic resonance tomography.
  • the coil is designed as an air-core coil. Accordingly, the coil is formed without a core.
  • the coil may e.g. have an inner diameter which is at least 10 times as large as the width of the conductor tracks of the coil.
  • a device for wireless signal transmission or for wireless signal reception comprising a signal transmission and / or reception device and a coil connected to the signal transmission and / or reception device, the device being characterized by a decoupling circuit and a connecting line is coupled to the coil.
  • the coil can be designed as a coil of the previously described type whose connection impedance is completely or partially matched to the input impedance of the signal transmitting and / or receiving device by means of the conductor tracks which at least partially overlap one another. This also allows the advantages explained above to be realized.
  • the decoupling circuit is designed as an active decoupling circuit, by which the coil is operated outside of its intrinsic resonance during operation as a transmitting coil.
  • the active decoupling circuit has a diode, for example, has a PIN diode.
  • the diode can in particular be arranged on the output side of the decoupling circuit This means that it can be connected upstream of the downstream signal transmission and / or reception device.
  • the diode can be connected directly to the downstream signal transmitting and / or receiving device, or indirectly via at least one further component, for example via a capacitor connected in series.
  • the diode in its conductive state, short-circuits an upstream filter, thereby neutralizing the circuit from the connected connection line to the coil, which may be a 1/2-connection line. In the off state, the diode acts as a capacitor, whereby the filter scarf performs the function of a phase shifter.
  • the filter circuit may e.g. as a 1/4 filter, e.g. as Collins filter.
  • the diode is connected via the capacitor connected in series with the signal transmitting and / or receiving device, then as an additional development of the invention, an independent tuning of the two states is possible, which can be caused by the diode (diode in the conducting state / diode in Blocking state).
  • the device is coupled to the coil by the active decoupling circuit and a connecting line (eg connecting cable), wherein the arrangement of the active decoupling circuit and the connecting line has an electrical length of (2-n).
  • a connecting line eg connecting cable
  • n is a natural number
  • lambda (l) is the wavelength.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for producing a coil of the type described above, wherein the overlapping region in which the at least partially overlapping conductor tracks of the coil are formed is changed by lengthening or shortening until the connection impedance the coil reaches a predetermined impedance value. This also makes it possible to realize the advantages explained above.
  • the terminal impedance of the coil may be 50 ohms or 25 ohms.
  • 1 shows a device for wireless signal transmission
  • Figure 2 is a coil
  • Figure 4 shows another embodiment of a coil
  • FIG 5 shows the individual conductor tracks of the coil according to Figure 4.
  • FIG. 6 shows a cross section through the conductor tracks of the coil according to FIG. 4 and
  • FIG. 7 shows a coil with active decoupling circuit in a further embodiment.
  • FIG. 1 shows a device 1 for wireless signal transmission by means of electromagnetic waves.
  • the device 1 has a signal transmitting and / or receiving device 2, which has an input impedance ZE.
  • a coil 3 is shown, the conductor tracks 4 has.
  • the conductor tracks 4 of the coil 3 are connected to connection lines 5 of the coil 3. Via the connecting lines 5, the coil 3 can be connected to the terminals of the signal transmitting and / or receiving device 2 which have the input impedance ZE.
  • the coil 3 has a connection impedance ZS. The aim now is to adapt the connection impedance ZS to the input impedance ZE.
  • the coil 3 can be provided with an impedance matching circuit 6, for example a matching network formed from capacitors, as FIG. 2 shows.
  • the impedance matching circuit 6 may be one parallel to the coil 3 switched tuning capacitor CT and a switched in series with the coil 3 Matching capacitor CM have.
  • the tuning capacitor CT results in a resonant circuit with the inductance of the conductor tracks 4.
  • the real part of the impedance ZS can be set to the desired impedance value of eg 50 ohms.
  • the matching capacitor CM the remaining imaginary part can be compensated so that the complex input impedance ZS now has the desired value of, for example, 50 ohms.
  • FIG. 3 shows the use of a coil 3 of the type described above in conjunction with an active decoupling circuit 9, 10, 11, 12.
  • the coil 3 is connected to the water decoupling circuit via its connecting lines 5 and an impedance-adapted connecting line 8.
  • the matching capacitor CM is still present on the coil side.
  • the decoupling circuit has a first capacitor 9, which is connected to the connecting line 8 and connected to ground.
  • An inductor 10 is connected in series therewith. Behind the inductance 10, a further capacitor 11, arranged parallel to a diode 12, wherein the further capacitor 11 and the diode 12 are connected to ground.
  • the capacitors 9, 11 form a filter circuit with the inductor 10.
  • the common connection of the components 10, 11, 12 is connected to a preamplifier 13, which may be connected to the signal transmitting and / or receiving device 2.
  • this decoupling circuit 9, 10, 11, 12 its resonant behavior, that is to say the intrinsic resonant circuit of the coil, can be coupled out for the use of the coil 3 during a transmission process by suppressing the current in the coil by means of an impedance transformation ,
  • FIG. 7 shows a further embodiment of such an end coupling circuit, via which the coil 3 is connected to a preamplifier 13.
  • another capacitor 16 is connected in series.
  • the diode 12 is thus connected via the capacitor 16 to the preamplifier 13.
  • the impedance matching circuit 6 described can be formed entirely or at least partially by conductor tracks 4 of the coil 3 that are at least partially overlapping one another, which is shown by way of example in FIG. Let it be assumed that a lower layer 4b of the conductor tracks in an overlapping region 7 overlaps an upper layer 4a of the conductor tracks in an angular range a. As can be seen, the overlap area 7 extends over an angle range a, which is not a multiple of 360 degrees. For example, the angle range a may be in the range of 90 degrees to 270 degrees.
  • the conductor tracks 4a, 4b are connected via respective connection points 15 to conductors of the connection line 5.
  • the conductor tracks 4a, 4b can be used, for example, as conductor tracks on a printed circuit board 14, e.g. a flexible printed circuit board, be formed. Accordingly, it can be a printed circuit board 14 coated on two sides with conductive material, the one conductor run 4a being formed on one side of the conductor plate and the other conductor run 4b being formed on the opposite side of the printed circuit board 14.
  • FIG. 5 illustrates the appearance of the individual conductor tracks 4a, 4b, if they are not shown overlapping.
  • the conductor tracks 4a, 4b may have approximately a sickle shape.
  • FIG. 6 shows a cross section through the arrangement according to FIG. 4 in the overlapping area 7.
  • the conductor tracks 4a, 4b have a comparatively large width B in relation to their height H, for example a width B at least five times as large height H.
  • the inner diameter of the coil 3, characterized by 2ri is substantially larger than the width B of the conductor tracks 4a, 4b, for example at least ten times as large as the width B.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule in Form einer Sende- und/oder Empfangsspule einer Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung mittels elektromagnetischen Wellen, wobei die Spule eine Impedanz-Anpassungsschaltung zur Anpassung der Anschlussimpedanz der Spule an eine Eingangsimpedanz einer an die Spule anzuschließenden Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung der Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung aufweist, wobei die Impedanz-Anpassungsschaltung ganz oder zumindest zum Teil durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge der Spule gebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung mittels elektromagnetischen Wellen, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung angeschlossene Spule. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spule.

Description

Spule sowie Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spule Die Erfindung betrifft eine Spule in Form einer Sende- und/oder Empfangsspule einer Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung, z.B. mittels elektromagnetischen Wel- len, oder zum drahtlosen Signalempfang, wobei die Spule eine Impedanz-Anpas- sungsschaltung zur Anpassung der Anschlussimpedanz der Spule an eine Ein- gangsimpedanz einer an die Spule anzuschließenden Signalsende- und/oder -emp- fangseinrichtung der Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung aufweist. Die Er- findung betrifft außerdem eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signalempfang, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangs- einrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung ange- schlossene Spule. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung ei- ner derartigen Spule.
Derartige Einrichtungen zur drahtlosen Signalübertragung finden sich in verschiede- nen Bereichen der Technik. Beispielhaft sei das Gebiet der Magnetresonanztomo- graphie (MRT) genannt. Hierbei werden starke magnetische Felder mittels einer sol- chen Spule abgestrahlt und resultierende Effekte einer zu untersuchenden Person durch eine solche Spule wieder empfangen. Andere Anwendungsgebiete solcher Spulen sind z.B. beim Energy Harvesting oder bei der Übertragung von RFID-Signa- len zu finden. Unter einer drahtlosen Signalübertragung wird hierbei eine Signalübertragung im weitesten Sinne verstanden, d.h. jegliches Aussenden von Signalen, auch wenn diese nicht ausgewertet werden, jegliches Empfangen von Signalen sowie jegliches Übertragen von Signalen zwischen einem Sender und einem Empfänger. Auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie werden solche Sende- und Empfangsspu- len verwendet, wobei aber zwischen diesen Sende- und Empfangsspulen keine un- mittelbare Signalübertragung stattfindet. Die Sendespule nutzt einen quantenmecha- nischen Effekt aus, der zur Erzeugung einer nach außen hin wirksamen Magnetisie- rung führt. Dieser tritt auf, wenn ein Spin-Ensemble einem starken statischen Mag- netfeld und hochfrequentem Wechselfeld auf der sogenannten Larmorfrequenz aus- gesetzt wird. Das hochfrequente Wechselfeld wird hierbei von der Sendespule er- zeugt. Zu einem anderen Zeitpunkt kann die Empfangsspule das induzierte Signal durch die zeitveränderliche Magnetisierung aufnehmen. Für die Anwendung in der Magnetresonanztomographie eignet sich die erfindungsgemäße Spule daher insbe- sondere für den Signalempfang des induzierten Signals.
Es ist bekannt, dass beim Verbinden solcher Bauteile wie einer Spule und einer Sig nalsende- und/oder -empfangseinrichtung eine Impedanzanpassung notwendig ist, um optimale Ergebnisse bei der Signalübertragung zu erzielen. Bei MRT-Spulen wird dies z.B. durch eine Schaltung aus Kondensatoren realisiert, die direkt an der Spule angebracht werden, z.B. indem sie an Leiterzügen oder Anschlussleitungen der Spule angelötet werden. Dies führt aber zu einer Versteifung der Strukturen in der Anordnung, die die Flexibilität und Zuverlässigkeit verringern können, weil z.B. poten- zielle Bruchstellen geschaffen werden. In manchen Anwendungen, z.B. für die Mag- netresonanztomographie, sollen die Spulen aber möglichst flexibel sein, um diese z.B. in einem Operationstuch integrieren zu können.
Aus der US 5,049,821 ist eine Einrichtung für die nukleare Magnetresonanz (NMR) sowie eine entsprechende Spule bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Ausgabe zugrunde, die notwendige Impedanzanpas- sung ohne die zuvor genannten Nachteile zu realisieren.
Diese Aufgabe wird bei einer Spule der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Impedanz-Anpassungsschaltung ganz oder zumindest zum Teil durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge der Spule gebildet ist. Die Spule kann z.B. als Leiterschleife ausgebildet sein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit gerin- gem Aufwand eine Impedanzanpassung realisiert werden kann, durch die die Flexibi lität und Zuverlässigkeit der Spule sowie der gesamten damit gebildeten Anordnung nicht beeinträchtigt wird. Je nach Ausgestaltung der Spule kann durch die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge eine vollständige Impedanzanpassung realisiert werden, sodass für die Realisierung der Impedanz-Anpassungsschaltung überhaupt keine weiteren Bauteile erforderlich sind. In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, durch die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge nur einen Teil der Impedanz-Anpassungsschaltung zu realisieren, z.B. um dadurch einen bei klassischen Anpassnetzwerken parallel zur Spule geschalteten Kondensator zu ersetzen .
Die Realisierung zumindest eines Teils der Impedanz-Anpassungsschaltung durch die überlappenden Leiterzüge ist möglich, weil die überlappenden Leiterzüge gegen- einander wiederum Kapazitäten bilden, die für die Realisierung der Impedanzanpas- sung genutzt werden können. Soll beispielsweise der zuvor erwähnte parallelge- schaltete Kondensator hinsichtlich seiner Funktion durch die überlappenden Leiter- züge ersetzt werden, kann hierzu die Eigenresonanz der Leiterzüge der Spule ge- nutzt werden. Prinzipiell besitzt jede Leiterschleife eine intrinsische Resonanz und kann somit als Schwingkreis aufgefasst werden. Durch entsprechende Anpassung dieses Resonanzverhaltens kann somit die Spule daraufhin angepasst werden, dass durch die intrinsische Resonanz die Funktion des parallelgeschalteten Kondensators ersetzt wird.
Die Anpassung des Resonanzverhaltens durch Nutzung der intrinsischen Resonanz unterliegt in manchen Fällen äußeren Restriktionen, wie z.B. ein gewünschter Durch- messer der Spule, der möglicherweise bei der gewünschten Betriebsfrequenz keine vollständige Anpassung des Resonanzverhaltens erlaubt. Daher kann durch die Ei- genresonanz der Leiterzüge zumindest eine Teilanpassung vorgenommen werden, die vollständige Anpassung kann durch Hinzunehmen bspw. eines in Reihe geschal- teten Kondensators erfolgen.
Es wird somit eine verteilte Kapazität durch das partielle Überlappen der Leiterzüge eingebracht, wobei die intrinsische Kapazität durch Verlängern oder Verkürzen der Leiterzüge verändert werden kann, um auf diese Weise die gewünschte Impedanz- anpassung spulenseitig zu realisieren. Werden die Leiterbahnen der Spule überlappt, bilden diese eine Kapazität, und die Resonanz des Systems Leiterschleife kann bei festen Durchmessern variiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass An- schlussleitungen der Spule, die zum Anschließen der Spule an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung dienen, außerhalb des Überlappungsbereiches der überlappenden Leiterzüge der Spule mit den Leiterzügen der Spule verbunden sind. Auf diese Weise kann durch die Leiterzüge der Spule die gewünschte Sende- oder Empfangsfunktion der Spule sowie die Impedanzanpassung realisiert werden. Die Anschlussleitungen der Spule können diesbezüglich neutral ausgebildet sein, z.B. in Form eines mit der Anschlussimpedanz der Spule ausgelegten Kabels, z.B. eines Koaxialkabels.
Die Leiterzüge der Spule, die auch als Leiterbahnen bezeichnet werden können, kön- nen beispielsweise eine kreisrunde Querschnittsform aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich sich über einen Winkelbereich erstreckt, der kein Vielfaches von 360 Grad ist. Beispielsweise kann der Überlappungsbereich um wenigstens +15 Grad/-15 Grad von einem Vielfachen von 360 Grad abweichen. Die Winkelangaben beziehen sich diese auf ein Kreismaß von 360 Grad (360°).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lei terzüge der Spule zumindest teilweise oder vollständig eine abgeflachte Quer- schnittsform aufweisen. Die Querschnittsform kann beispielsweise im Wesentlichen rechteckig sein, wobei die Ecken der Rechteckform auch abgerundet sein können.
Die Querschnittsform kann insbesondere ein Verhältnis von Höhe zu Breite von we- niger als 1 :3 oder weniger als 1 :5 aufweisen. Hierdurch kann der Überlappungsbe- reich zwischen den Leiterzügen der Spule hinsichtlich der dadurch gebildeten intrinsi schen Kapazität optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lei terzüge der Spule zumindest teilweise oder vollständig aus flexiblem Leiterplattenma- terial gebildet sind. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Bereitstellung ei- ner solchen Spule mit ausreichender Flexibilität. Die Spule ist damit beispielsweise für Anwendungen in der Medizintechnik geeignet, z.B. für die Magnetresonanztomo- graphie.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule als Luftspule ausgebildet ist. Dementsprechend ist die Spule ohne Kern aus- gebildet. Die Spule kann z.B. einen Innendurchmesser aufweisen, der wenigstens 10mal so groß ist wie die Breite der Leiterzüge der Spule.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signalempfang, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung angeschlossene Spule, wobei die Einrichtung durch eine Ent- kopplungsschaltung und eine Verbindungsleitung mit der Spule gekoppelt ist. Die Spule kann dabei als Spule der zuvor erläuterten Art ausgebildet sein, deren An- schlussimpedanz mittels der einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge ganz oder teilweise an die Eingangsimpedanz der Signalsende- und/oder -empfangs- einrichtung angepasst ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile reali- siert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ent- kopplungsschaltung als eine aktive Entkopplungsschaltung ausgebildet ist, durch die die Spule beim Betrieb als Sendespule außerhalb ihrer intrinsischen Resonanz be- trieben ist. Dies hat den Vorteil, dass während des Sendevorgangs gewährleistet werden kann, dass die Spule kein die Signalübertragung störendes resonantes Ver- halten aufweist. Hierdurch kann insbesondere bei einer Verwendung der Spule für die Magnetresonanztomographie eine unerwünschte Variation des Sendefeldes und damit eine Verschlechterung der Bildgebung der Magnetresonanztomographie ver- mieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ak- tive Entkopplungsschaltung eine Diode aufweist, z.B. eine PIN-Diode aufweist. Die Diode kann insbesondere ausgangsseitig der Entkopplungsschaltung angeordnet sein, das heißt sie kann der nachgeschalteten Signalsende- und/oder -empfangsein- richtung vorgeschaltet sein. Die Diode kann dabei unmittelbar mit der nachgeschalte- ten Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung verbunden sein, oder mittelbar über wenigstens ein weiteres Bauteil, z.B. über einen in Reihe geschalteten Kondensator.
Die Diode bewirkt in Ihrem leitfähigen Zustand das Kurzschließen eines vorgelager- ten Filters, wodurch die Schaltung gegenüber der angeschlossenen Verbindungslei- tung zur Spule, die als l/2-Verbindungsleitung ausgeführt sein kann, neutralisiert wird. Im Sperrzustand wirkt die Diode wie ein Kondensator, wodurch die Filterschal tung die Funktion eines Phasenverschiebers ausführt. Die Filterschaltung kann z.B. als l/4-Filter ausgebildet sein, z.B. als Collins-Filter.
Ist die Diode über den in Reihe geschalteten Kondensator mit der Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung verbunden, dann ist als zusätzliche Weiterbildung der Erfindung ein unabhängiges Tuning der beiden Zustände möglich, die durch die Diode hervorgerufen werden kann (Diode im leitenden Zustand/Diode im Sperrzu- stand).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ein- richtung durch die aktive Entkopplungsschaltung und eine Verbindungsleitung (z.B. Verbindungskabel) mit der Spule gekoppelt ist, wobei die Anordnung aus der aktiven Entkopplungsschaltung und der Verbindungsleitung eine elektrische Länge von (2-n - 1 )·l/4 aufweist, wobei n eine natürliche Zahl und Lambda (l) die Wellenlänge ist. Da- bei kann n grundsätzlich jede natürliche Zahl größer 0 sein, z.B. n=1 , 2, 3 und so weiter. Es wurde somit erkannt, dass eine besonders vorteilhafte Verbindung der Spule mit der Einrichtung über ein Verbindungsnetzwerk möglich ist, dass eine ge- samte elektrische Länge mit einem ungeraden Vielfachen von Kl 4 aufweist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Spule lediglich als Empfangsspule dient.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Her- stellung einer Spule der zuvor erläuterten Art, wobei der Überlappungsbereich, in dem die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge der Spule gebildet sind, durch Verlängern oder Verkürzen verändert wird, bis die Anschlussimpedanz der Spule einen vorgegebenen Impedanzwert erreicht. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Beispielsweise kann die Anschlussimpedanz der Spule 50 Ohm oder 25 Ohm sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen- dung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung und
Figur 2 eine Spule und
Figur 3 eine Spule mit aktiver Entkopplungsschaltung und
Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer Spule und
Figur 5 die einzelnen Leiterzüge der Spule gemäß Figur 4 und
Figur 6 ein Querschnitt durch die Leiterzüge der Spule gemäß Figur 4 und Figur 7 eine Spule mit aktiver Entkopplungsschaltung in einer weiteren Aus- führungsform.
In der Figur 1 ist eine Einrichtung 1 zur drahtlosen Signalübertragung mittels elektro- magnetischen Wellen dargestellt. Die Einrichtung 1 weist eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung 2 auf, die eine Eingangsimpedanz ZE aufweist. Ferner ist als Teil der Einrichtung 1 eine Spule 3 dargestellt, die Leiterzüge 4 aufweist. Die Leiter- züge 4 der Spule 3 sind mit Anschlussleitungen 5 der Spule 3 verbunden. Über die Anschlussleitungen 5 kann die Spule 3 mit den die Eingangsimpedanz ZE aufwei- senden Anschlüssen der Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung 2 verbunden werden. Im dargestellten Beispiel weist die Spule 3 eine Anschlussimpedanz ZS auf. Ziel ist es nun, die Anschlussimpedanz ZS an die Eingangsimpedanz ZE anzupas- sen.
Hierfür kann die Spule 3 mit einer Impedanz-Anpassungsschaltung 6 versehen wer- den, z.B. ein aus Kondensatoren gebildetes Anpassnetzwerk, wie die Figur 2 zeigt. Die Impedanz-Anpassungsschaltung 6 kann beispielsweise einen parallel zur Spule 3 geschalteten Tuning-Kondensator CT sowie einen in Reihe zur Spule 3 geschalte- ten Matching-Kondensator CM aufweisen. Der Tuning-Kondensator CT ergibt mit der Induktivität der Leiterzüge 4 einen Schwingkreis. Durch den Tuning-Kondensator CT kann der Realteil der Impedanz ZS auf den gewünschten Impedanzwert von z.B. 50 Ohm eingestellt werden. Mit dem Matching-Kondensator CM kann der verblei- bende Imaginärteil kompensiert werden, sodass die komplexe Eingangsimpedanz ZS nun den gewünschten Wert von z.B. 50 Ohm aufweist.
Die Figur 3 zeigt den Einsatz einer Spule 3 der zuvor beschriebenen Art in Verbin- dung mit einer aktiven Entkopplungsschaltung 9, 10, 11 , 12. Die Spule 3 ist über Ihre Anschlussleitungen 5 und eine Impedanz-angepasste Verbindungsleitung 8 mit die ser Entkopplungsschaltung verbunden. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass der Matching-Kondensator CM spulenseitig noch vorhanden ist.
Die Entkopplungsschaltung weist einen ersten Kondensator 9 auf, der mit der Verbin- dungsleitung 8 verbunden ist und gegen Masse geschaltet ist. Hieran ist in Reihe eine Induktivität 10 geschaltet. Hinter der Induktivität 10 ist ein weiterer Kondensator 11 , parallel zu einer Diode 12, angeordnet, wobei der weitere Kondensator 11 sowie die Diode 12 gegen Masse geschaltet sind. Die Kondensatoren 9, 11 bilden mit der Induktivität 10 eine Filterschaltung. Der gemeinsame Anschluss der Bauteile 10, 11 , 12 ist mit einem Vorverstärker 13 verbunden, der mit der Signalsende-/ und oder - empfangseinrichtung 2 verbunden sein kann. Durch diese Entkopplungsschaltung 9, 10, 11 , 12 kann für die Nutzung der Spule 3 bei einem Sendevorgang deren reso- nantes Verhalten, das heißt der intrinsische Schwingkreis der Spule, ausgekoppelt werden, indem durch eine Impedanztransformation der Strom in der Spule unter- drückt wird.
In der Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform einer derartigen Endkopplungsschal- tung dargestellt, über die die Spule 3 mit einem Vorverstärker 13 verbunden ist. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 3 ist ausgangsseitig der Entkopplungs- schaltung, das heißt hinter der Parallelschaltung aus der Diode 12 und dem Konden- sator 11 , in Reihe ein weiterer Kondensator 16 geschaltet. Die Diode 12 ist somit über den Kondensator 16 mit dem Vorverstärker 13 verbunden. Durch diesen zusätz- lichen Kondensator 16 ist ein unabhängiges Tuning der sich in den beiden Schaltzu- ständen der Diode 12 einstellenden Zustände möglich.
Die beschriebene Impedanz-Anpassungsschaltung 6 kann ganz oder zumindest teil- weise durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge 4 der Spule 3 ge- bildet werden, was in der Figur 4 beispielhaft dargestellt ist. Es sei angenommen, dass eine untere Lage 4b der Leiterzüge in einem Überlappungsbereich 7 eine obere Lage 4a der Leiterzüge in einem Winkelbereich a überlappt. Wie man erkennt, er- streckt sich der Überlappungsbereich 7 über einen Winkelbereich a, der kein Vielfa- ches von 360 Grad ist. Beispielsweise kann der Winkelbereich a im Bereich von 90 Grad bis 270 Grad liegen.
Die Leiterzüge 4a, 4b sind über jeweilige Anschlussstellen 15 mit Leitern der An- schlussleitung 5 verbunden. Die Leiterzüge 4a, 4b können beispielsweise als Leiter- bahnen auf einer Leiterplatte 14, z.B. einer flexiblen Leiterplatte, ausgebildet sein. Dementsprechend kann es sich um eine zweiseitig mit leitendem Material beschich- tete Leiterplatte 14 handeln, wobei der eine Leiterzug 4a auf der einen Seite der Lei- terplatte ausgebildet ist und der andere Leiterzug 4b auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 14.
Die Figur 5 verdeutlicht das Aussehen der einzelnen Leiterzüge 4a, 4b, wenn diese nicht überlappend dargestellt sind. Die Leiterzüge 4a, 4b, können beispielsweise in etwa eine Sichelform aufweisen.
Die Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Figur 4 im Überlap- pungsbereich 7. Erkennbar ist, dass die Leiterzüge 4a, 4b eine verhältnismäßig große Breite B im Verhältnis zu Ihrer Höhe H aufweisen, beispielsweise eine wenigs- tens fünfmal so große Breite B wie Höhe H. Erkennbar ist ferner anhand der Figur 4, dass der Innendurchmesser der Spule 3, charakterisiert durch 2ri, wesentlich größer ist als die Breite B der Leiterzüge 4a, 4b, beispielsweise wenigstens zehnmal so groß wie die Breite B.

Claims

Patentansprüche
1. Spule (3) in Form einer Sende- und/oder Empfangsspule einer Einrichtung (1 ) zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signalempfang, wobei die Spule (3) eine Impedanz-Anpassungsschaltung (6) zur Anpassung der An- schlussimpedanz (Zs) der Spule (3) an eine Eingangsimpedanz (ZE) einer an die Spule (3) anzuschließenden Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung (2) der Einrichtung (1 ) zur drahtlosen Signalübertragung aufweist, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Impedanz-Anpassungsschaltung (6) ganz oder zumin- dest zum Teil durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge (4, 4a, 4b) der Spule (3) gebildet ist.
2. Spule nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass An- Schlussleitungen (5) der Spule (3), die zum Anschließen der Spule (3) an die
Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung (2) dienen, außerhalb des Über- lappungsbereiches der überlappenden Leiterzüge (4, 4a, 4b) der Spule (3) mit den Leiterzügen (4, 4a, 4b) der Spule (3) verbunden sind.
3. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (7) der überlappenden Leiterzüge (4, 4a, 4b) der Spule (3) sich über einen Winkelbereich (a) erstreckt, der kein Vielfaches von 360 Grad ist.
4. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterzüge (4, 4a, 4b) der Spule (3) zumindest teilweise oder vollstän- dig eine abgeflachte Querschnittsform aufweisen.
5. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterzüge der Spule (3) zumindest teilweise oder vollständig aus fle- xiblem Leiterplattenmaterial gebildet sind.
6. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) als Luftspule ausgebildet ist.
7. Einrichtung (1 ) zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signal- empfang, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung (2) angeschlossene Spule (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1 ) durch eine Entkopp- lungsschaltung (9, 10, 11 , 12) und eine Verbindungsleitung (8) mit der Spule (3) gekoppelt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, deren Anschlussimpedanz (Zs) mittels der einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge (4, 4a, 4b) ganz oder teilweise an die Eingangsimpedanz (ZE) der Signalsende- und/oder - empfangseinrichtung (2) angepasst ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsschaltung (9, 10, 11 , 12) eine Filterschaltung (9, 10, 11 ) auf- weist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsschaltung (9, 10, 11 , 12) als eine aktive Entkopplungsschal- tung ausgebildet ist, durch die die Spule (3) beim Betrieb als Sendespule au- ßerhalb ihrer intrinsischen Resonanz betrieben ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Entkopplungsschaltung eine Diode (12) aufweist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus der Entkopplungsschaltung (9, 10, 11 , 12) und der Verbin- dungsleitung (8) eine elektrische Länge von (2·h - 1 )·l/4 aufweist, wobei n eine natürliche Zahl und Lambda (l) die Wellenlänge ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (7), in dem die einan- der zumindest partiell überlappenden Leiterzüge (4, 4a, 4b) der Spule (3) gebil det sind, durch Verlängern oder Verkürzen verändert wird, bis die Anschlussim- pedanz (Zs) der Spule (3) einen vorgegebenen Impedanzwert erreicht.
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