專利名稱：用于非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于在至少兩個可以互相相對移動的部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置，其中在至少一個部件上設置多個規(guī)定的電磁耦合元件，耦合元件具有一個產(chǎn)生非接觸傳輸?shù)母浇鼒觥?br> 這種裝置被用于在兩個或兩個以上可以互相相對移動的部件之間相應地傳輸電信號或能量。這個移動可以是旋轉(zhuǎn)、平移或者復合運動。
為了易于理解起見，在本敘述中，對多個互相可移動的單元之間以及一個固定單元和幾個可對它相對移動的單元之間的傳輸不進行區(qū)分，因為這僅僅是一個局部關(guān)系問題，對本發(fā)明裝置的工作方式不產(chǎn)生任何影響。同樣，也不對信號傳輸和能量傳輸進行區(qū)別，因為工作機理是完全一樣的。
在適用于平移特別是線性運動的單元例如升降和傳送帶系統(tǒng)中，以及在可轉(zhuǎn)動的單元例如雷達裝置或計算機斷層顯像中，必須在互相可移動的單元之間或者在一個固定單元和至少一個安排得相對它進行運動的單元之間傳輸電信號或能量。
每當各單元的相對速度例如說比較高時，提供非接觸傳輸總是方便的。與接觸傳輸例如通過滑動接觸的傳輸相比，當在數(shù)字信號的傳輸中要傳送高數(shù)據(jù)速率時或者在需要大帶寬傳輸模擬信號時，非接觸傳輸表現(xiàn)出更多的優(yōu)點。
在常規(guī)的(圓形的)滑環(huán)中，滑環(huán)的直徑限制著可傳輸?shù)淖畲箢l率。當滑環(huán)的周長相當于被傳輸信號的一半波長時，就會達到這個程度。
用于非接觸傳輸信號或電能的裝置已知道許多不同的結(jié)構(gòu)。關(guān)于這方面，參考Meinke/Gundlach的著名教課書即1968年柏林Springer-Verlag出版的“Taschenbuch der Hochfrequenztechnik”[高頻技術(shù)手冊]第186頁(諧振發(fā)射器)。
建立在這一基礎上并用于在至少兩個可以互相相對移動的部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置(專利要求1或3的導言就從它開始)可從德國專利DE42 36 340 C2知道。在用于從放置在定子上的初級線圈裝備有至少一個二次線圈的消耗裝置(可從現(xiàn)有技術(shù)文獻知道)電感傳輸中頻能量的系統(tǒng)中，初級線圈包括成組排列的串聯(lián)線圈，每組串聯(lián)一個電容器。所有的組各自并聯(lián)到一個中頻配電線路上，每組線圈和相應電容器的阻抗大小定得在一組線圈電感耦合到可移動的能量消耗裝置之一的情況時，至少對這一組近似滿足諧振條件。
雖然那個已知的裝置非常適合于傳輸電能量，但由于它作為Resonanzubertrager(諧振發(fā)射器)工作這樣一個事實，還是不適合于寬帶傳輸電信號。而且，由于三維排列線圈的結(jié)果，它也不能應用于MHz范圍和更高工作頻率。這就妨礙了例如說在計算機斷層顯像中的應用。
從德國專利DE33 31 722 A1知道一種特別準備應用在計算機斷層顯像中的裝置，裝置用于在兩個可沿著一條路徑互相相對移動特別是可旋轉(zhuǎn)的部件之間傳輸電信號，部件上連接一個發(fā)射器或者一個接收器系統(tǒng)。該已知裝置包括放在每個部件上的若干耦合元件，每個耦合元件至少包含有一個電極，以便用電容方法經(jīng)由相應的對置電極傳輸信號。
但是，該種產(chǎn)生于1983年的方法也伴有缺點，它不適合傳輸具有目前用于計算機斷層顯像所需要帶寬的信號，因為耦合元件上已經(jīng)在低頻出現(xiàn)反射。雖然對每一個耦合元件使用單獨的放大器是一種補救辦法，但使用大量的放大器將會產(chǎn)生成本很高的后果。
此外，借助開放式耦合元件的結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生很高電磁噪聲輻射的后果。
公開的德國專利申請DE-OS 26 53 209披露了一種用于傳輸高頻能量的同軸多旋轉(zhuǎn)式耦合器，其中使用了電容器平板形式的耦合元件，而且永久地100％占用。這個結(jié)構(gòu)實際上不產(chǎn)生反射，因而得到一個寬帶終端。
另一方面，旋轉(zhuǎn)耦合器復雜，因而開支大，特別是在系統(tǒng)需要具有例如說在計算機斷層顯像所要求的大直徑尺寸時尤其如此。
德國專利DE 44 12 958 A1和DE 195 33 819 A1披露了用于高數(shù)據(jù)速率特別是在計算機斷層顯像系統(tǒng)中通信的大體相似的裝置和方法。
為此目的，例如在計算機斷層顯像當中，借助這種承擔耦合器功能，亦即產(chǎn)生和通信工程中的磁漏線一樣作用的線，通過耦合器從傳輸線上引出電能。關(guān)于這一點，參考前面提到的Meinke/Gundlach的書第304頁(參考字耦合的線)。
因此，這些已知的裝置不包括多個規(guī)定的耦合元件，而是只有一個帶狀線，使得它們屬于一種不同于專利要求1或3的導言從之開始的型式的一般型式。這種帶狀線的缺點是從充當耦合器的線上寬帶發(fā)射高頻能量。
線路例如說在計算機斷層顯像中具有長達4m的長度，而在傳送帶系統(tǒng)中則是這個長度的好多倍。因此，即使些微的失配，它也已經(jīng)如像一個具有很低下限頻率的發(fā)射器那樣工作。此外，由于線路很長，使它對外部噪聲高度靈敏。這個噪聲從線路上接收并傳送到所有其他單元。
德國專利DE 195 33 819 A1中敘述的屏蔽罩僅產(chǎn)生一點點的改善。代替那里所敘述的最大55dB衰減的是，在測試中僅測得10db(峰值為20dB)的寬帶衰減。
這些已知方法和裝置的另一個缺點是即使在信號被適用于相對運動的單元耦合到線路上，也僅有小量的能量可以被傳輸。為了改善耦合供給量，應當加大線的表面。但這又會產(chǎn)生線路的阻抗低因而增加噪聲靈敏度的后果。
本發(fā)明的基本問題是提供一種用于在適合互相相對運動的至少兩個部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置，裝置將在一個大帶寬或者可能的高數(shù)據(jù)速率情況下表現(xiàn)出對噪聲的低響應。
對這個問題的一個本發(fā)明解決方案界定在并列的專利要求1和3中。發(fā)明的改進則是非獨立權(quán)利要求的內(nèi)容。
在權(quán)利要求1所界定的本發(fā)明辦法中，設置在至少一個部件上的各個耦合元件包含有至少一個由能夠自身諧振的單元件組成的諧振器，且與其他耦合元件無關(guān)。諧振器的諧振頻率分別近似等于被傳輸信號的頻率。各個諧振器通過一條用無反射方式端接的線互相連接起來。因此，有可能以比較低的發(fā)射損失高效傳輸要被傳輸?shù)南鄳盘柣螂娔?。與此同時，本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)簡單，因而是低成本設計。各個諧振器的諧振可以是串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。
這種裝置將通過導體結(jié)構(gòu)的干擾發(fā)射減至最小。
權(quán)利要求2界定各種非限定性的但卻是比較好的可能諧振器設計。除了諧振腔、電諧振器、鐵磁諧振器和/或壓電諧振器之外，一種特別優(yōu)選的可能性是應用線式諧振器，因為這些諧振器設計簡單，因而成本低，并且主要是易于控制。
這些線式諧振器可以例如說在絕緣體上具有一種導電表面的梳狀排列，用規(guī)定的波電阻端接梳狀排列，使得與現(xiàn)有技術(shù)相比，有可能獲得更寬的三度空間范圍。這一排列提供的另外優(yōu)點是能夠在一塊“印刷電路板上實現(xiàn)簡單因而成本低的設計。
在這里例如短線段形式的耦合元件構(gòu)成一個在其諧振頻率具有特別有用的耦合特性的諧振器。這種諧振器也可以是向線路系統(tǒng)提供阻抗匹配的耦合裝置的線路變壓器。為使諧振系統(tǒng)的帶寬和質(zhì)量與相應的傳輸對象匹配，諧振器可以被衰減或者可以與調(diào)諧到不同諧振頻率的諧振器互相組合起來。
在本發(fā)明的另一個實施例中，耦合元件被設計成能夠諧振的耦合線。這些耦合線就是一些不屏蔽且僅僅用于耦合目的的線段。
根據(jù)本發(fā)明所界定的問題的一個替代解決方案界定在專利要求3中。在該辦法中，耦合元件在至少一個部件上組成一個構(gòu)造得配備有無反射終端的級聯(lián)電路導體結(jié)構(gòu)。而且，每一個耦合元件都是與該部件上的其他耦合元件無關(guān)的諧振系統(tǒng)，其諧振頻率高于要被傳輸?shù)膶拵盘柕淖罡哳l率。
在本發(fā)明中，“諧振系統(tǒng)”或“諧振能力”被理解為分別適合于能夠相應地用于信號傳輸或濾波的諧振。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，“級聯(lián)電路”被理解為適用于電路四極場的一般情形，不是普通的串聯(lián)或并聯(lián)電路。級聯(lián)電路的一個實例是當連接耦合元件引出前級耦合元件的至少一個仿真元件上的電壓或電流作為輸入信號的情形。
特別是，用耦合元件組成的系統(tǒng)可能表現(xiàn)出低通特性。線路系統(tǒng)因而具有低頻導電特性并且表現(xiàn)出一個很高的高頻衰減，使得本發(fā)明的裝置呈現(xiàn)出以噪聲的很高阻抗。名詞“低頻”在這里被理解為可用于傳輸信號的一個頻段，它可以在最高達到幾百個MHz至10個GHz的范圍之內(nèi)。在這里，本發(fā)明本質(zhì)的東西是這樣一個事實，即范圍能夠選擇為對傳輸有用的頻段例如在0和300MHz之間，而高于這個頻段的頻率則受到強烈的抑制。
在任何情形下，最好導體結(jié)構(gòu)作為一個整體不能諧振。這意味著是諧振器而不是導體結(jié)構(gòu)具有一個在傳輸所用頻段內(nèi)的諧振頻率。
例如，有300MHz諧振頻率的100米長導體結(jié)構(gòu)有一個大約3MHz這樣的諧振。這個諧振應當不用于信息傳輸而適當?shù)匾种频簟?br> 這就將通過導體結(jié)構(gòu)的干擾發(fā)射減到了最小。
在兩個發(fā)明解決方案中，可以互相相對移動的部件通過多個規(guī)定的電磁耦合元件相耦合，電磁耦合元件則用具有無反射終端(即具有一個規(guī)定的匹配波阻抗)的線或?qū)w結(jié)構(gòu)互相連接起來。于是，避免了現(xiàn)有技術(shù)所存在的直接影響到線路的缺點。
因此，除了別的以外，線路系統(tǒng)能夠優(yōu)化為用于信號傳輸?shù)难b置并且每一個耦合元件能夠單獨優(yōu)化為用于信號耦合的裝置。這里線路系統(tǒng)可以由單根線組成或者甚至由多根互相連接的線(也可按現(xiàn)有技術(shù)連接)組成。
一種對稱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是比較好的。
在大多數(shù)普通情形下，耦合可以通過電磁場與電磁波特別是用電感和/或電容的辦法實現(xiàn)。在一個具體實施例中，也可能只通過電場或磁場提供耦合。
另外，每個能夠諧振的耦合元件最好由一個元件組成，這個元件則包括至少一個電感元件和一個產(chǎn)生電容作用的元件。
特別是，每個耦合元件可以由一個單電感器和一個單電容器組成。這個解決方案在工程上特別簡單，只需要低數(shù)量的開支。在這一情形下，也可以決定出耦合的具體型式。在用電容器實現(xiàn)的實施例中，絕大多數(shù)耦合均通過電場實現(xiàn)，而相比之下，在使用電感器的實施例中，則通過磁場來實現(xiàn)。當然，也可以使用包括有高階諧振電路(其中例如說用兩個并聯(lián)連接的電感器把兩個電容器連接起來)的耦合元件。
一個部件上各個不同耦合元件的電感器最好串聯(lián)連接(每個耦合元件用一個單電感器)，以使低通系統(tǒng)的極限頻率可以很容易地調(diào)到所需要的頻率，特別是在100到10000MHz的范圍之內(nèi)。因此，串聯(lián)連接的電感器本身組成導電結(jié)構(gòu)，使得它們不像現(xiàn)有技術(shù)的情形那樣需要任何的配電線路。
對上述頻率范圍的再一個優(yōu)點是一條連續(xù)的特別是“筆直的”線組成各個電感器。
在任何情形下，電感器或電容器可以作成印制電路板的結(jié)構(gòu)，以便獲得特別簡單的和低成本的結(jié)構(gòu)，這又使得能夠與互相相對移動的部件的相應幾何形狀簡單匹配。
這個目的也通過規(guī)定印制電路板為一種可彎曲的板來達到，因為這種板可以很容易地形成幾乎任何形狀(特別是當它呈現(xiàn)一個具體的幾何形狀例如狹槽時)。相比之下，使用開槽的印制電路板在帶狀線的情形天生就是不可能的。
另外，在使用印制電路板的本發(fā)明裝置設計中，有可能將電容器作成可彎曲電路板上的平板導電元件。平板導電元件可以通過支線連接到連續(xù)線上或者直接從橫側(cè)連到線上。而且可以將平板導電元件設置在連續(xù)線的任何一側(cè)。
特別是，可以在印制電路板的任何一側(cè)設置包含有一個接地面、一些電容器和/或電感器的導電結(jié)構(gòu)。
當然，電感器和/或電容器也可以是分立元件。甚至一種分立元件和在印制電路板上實現(xiàn)的元件的組合也都是可能的。
在本發(fā)明的另一個實施例中，幾個調(diào)諧到不同頻率范圍的耦合元件按緊密的三維關(guān)系排列，以獲得調(diào)諧到這些頻率范圍的一個耦合器結(jié)構(gòu)。借助這一措施，寬帶傳輸和幾個獨立頻段的多通道傳輸兩者就都是可能的了。這就提供了一種能有選擇性地耦合這些預定頻段的耦合器結(jié)構(gòu)。在一個例如說工作在100MHz至900MHz頻率范圍的裝置中，可以使用用于低頻段的分立式諧振電路以及用于高頻段的線式諧振器的組合形式。由于這樣一種組合，在這兩個頻段之間的范圍內(nèi)就可以獲得提高了的噪聲抑制能力。
在本發(fā)明的再一個實施例中，將幾個耦合元件這樣互相組合起來，以便獲得一個預定的外部輻射場圖。這可以根據(jù)計算天線和發(fā)射器組的普通已知規(guī)則做到。從而可將能量向特別敏感區(qū)域的不良輻射減至最小。
一種將耦合元件作成差分耦合元件并且將差分信號加到耦合元件上的設計能使信號傳輸具有特別高的噪聲抑制。
為此，至少兩個耦合元件必須借助載有差分信號的兩條線或者通過一個對稱的匹配線路例如平衡變壓器給至少兩個耦合元件供應差分信號。
在本發(fā)明的裝置中，互相匹配的能夠諧振的耦合元件可以設置在所有互相匹配的部件上。而且，也可以只在一個部件上設置能夠諧振的耦合元件，在其他的部件上分別設置常規(guī)的發(fā)射器和接收器作為耦合元件。發(fā)射器或接收器可以包括例如說線圈、鐵氧體磁芯和/或電容器。
另外，常規(guī)的耦合元件可以作成與現(xiàn)有技術(shù)一樣的天線(發(fā)射體)形狀。這些天線可以作成例如說具有帶狀線設計的平面天線、或者桿狀天線或框形天線的形式。
在本發(fā)明的一個有用實施例中，體現(xiàn)本發(fā)明設計的耦合元件安排在發(fā)射器一側(cè)，而常規(guī)的耦合元件則放在信號流最佳方向的接收一側(cè)。例如，當剛好設置一個發(fā)射器和至少一個接收器時，或者當剛好在一個方向要求傳輸質(zhì)量盡可能高時，就涉及到這樣一個最佳信號流方向。沿路徑本發(fā)明耦合元件-耦合元件-線路系統(tǒng)-耦合元件-本發(fā)明耦合元件的一個組合形式表現(xiàn)出最低的傳輸質(zhì)量。在這里，從常規(guī)耦合元件過渡到本發(fā)明耦合元件的耦合衰減以及損耗在線路系統(tǒng)中要發(fā)生兩次。常規(guī)耦合元件-本發(fā)明耦合元件-線系統(tǒng)的組合形式比較好，因為在這樣一種情形下從常規(guī)耦合元件過渡到本發(fā)明耦合元件所引起的損失僅發(fā)生一次。但是，最好的是線路系統(tǒng)-本發(fā)明的耦合元件-常規(guī)耦合元件的組合形式，因為在這樣一種情形下，沒有放大的信號僅增加路徑耦合元件衰減。因此，用這個衰減系數(shù)(例如10dB)衰減的信號可以直接在常規(guī)耦合元件中再次放大。在線路系統(tǒng)中，原始信號仍然是高電平傳送。沿著相反的信號路徑(常規(guī)耦合元件-本發(fā)明耦合元件-線路系統(tǒng))則把衰減了的信號引進線路系統(tǒng)，信號在線路系統(tǒng)中由于電平較低平可能更容易受到其他信號的干擾。這一考慮得出的結(jié)論是，沿路徑線路系統(tǒng)-本發(fā)明耦合元件-常規(guī)耦合元件可以獲得最好的信號傳輸質(zhì)量。
另外，在本發(fā)明的裝置中，把用于饋送要被傳輸?shù)男盘柣蚰芰康幕蛘呤怯糜趥魉捅粋魉偷男盘柣蚰芰康木€路系統(tǒng)屏蔽起來并因而把它們設計成與耦合元件去耦的形式使得通過饋送器系統(tǒng)的發(fā)射和對噪聲能量的接收都減至最小是有利的。根據(jù)本發(fā)明，裝置的一個實施例足以證明耦合元件在耦合功能方面占有主導地位。帶有線路系統(tǒng)的可移動耦合裝置的低剩余耦合作用通常沒有什么害處。然而，在某些情況下，把線路完全屏蔽起來則可能是明智的。在只需要窄帶耦合到線路上和周圍環(huán)境中出現(xiàn)寬帶高噪聲電平的情形特別適用。
此外，可以設置至少一個起動單元，僅在相對移動的部件上的耦合元件接近相應的耦合元件時，才起動被接近部件上的相應耦合元件。
在本發(fā)明的另一個有用的實施例中，耦合元件的工作范圍與相應的傳輸任何相匹配。在諧振器被用作耦合元件的情況下，可以這樣來定出它們的尺寸，使得僅當設置在相對運動的部件上的具有某些介電或磁特性的耦合元件接近時，它們才達到自己的額定諧振頻率。借助這一措施就獲得了僅在這些耦合元件接近時才釋放能量的優(yōu)點。
在耦合元件進一步遠離時，例如在諧振器的情形，諧振器失諧，不輻射任何能量，也不對線路系統(tǒng)裝載。失諧的諧振器同樣不能在其工作頻率將能量耦合到線路系統(tǒng)上。此外，耦合元件可以這樣設計，使得它們在不同的耦合裝置接近時能夠調(diào)諧到不同的工作范圍。例如，設置在相對運動部件上的具有不同的相對介電常數(shù)的耦合元件就適合于將耦合元件調(diào)諧到不同的工作頻率。
在本發(fā)明的再一個有用實施例中，耦合元件包括一個判斷耦合裝置是否接近并在接近的情況下起動相應耦合元件的起動裝置。
在本發(fā)明的另一個實施例中，耦合元件通過另外的有源或無源元件耦合到線路系統(tǒng)上。這種元件可以是控制信號流和/或提高信號電平的開關(guān)或者甚至是放大器形式的半導體。用于耦合的無源元件可以是允許信號流進入耦合元件的定向耦合器，例如在從線路系統(tǒng)非定向傳輸?shù)３滞獠吭肼?通過耦合元件接入)不進入線路系統(tǒng)的情形。這也適合耦合元件被作成定向耦合器的情形。對于去耦的不可逆元件例如環(huán)行器當然也可以使用。
在本發(fā)明的再一個實施例中，不同型式的耦合元件被互相組合起來。例如，可能在系統(tǒng)的一個點需要使用電容耦合元件的寬帶傳輸，而另一個處于噪聲干擾環(huán)境中的點則需使用諧振器的窄帶傳輸。
此外，可以通過一個用導電材料制成的屏蔽罩把耦合元件屏蔽起來。這個屏蔽可以包括帶有或者甚至沒有線路系統(tǒng)的耦合元件，或者它的一些部件。屏蔽罩在它包圍有盡可能多耦合元件時發(fā)揮出它的最好作用。
向諧振電路補給能量的電感或電容發(fā)射裝置只在諧振頻率點呈現(xiàn)其最佳傳輸特征。因此，根據(jù)本發(fā)明，電路得到補給能量形成一個功率振蕩器，其中用于傳輸?shù)闹C振電路就是頻率決定電路元件。在這樣一種結(jié)構(gòu)中，發(fā)射器元件的諧振電路是串聯(lián)還是并聯(lián)電路則無關(guān)緊要。也可以用另外的仿真元件構(gòu)造，以形成一個能夠諧振的多電路系統(tǒng)。本質(zhì)的東西是這樣一個事實，即傳輸系統(tǒng)被設計得使它能夠通過合成的振蕩耦合作用而被激勵得至少在系統(tǒng)的一個可以傳輸能量的諧振頻率發(fā)生振蕩。
裝置包括一個給諧振發(fā)射裝置供電的放大元件。信號裝置根據(jù)諧振元件的電流和電壓決定一個包含有至少一個相位信息的信號并將這個信息用信號通知放大元件。為了獲得一個振蕩結(jié)構(gòu)，這個裝置中需要一個開關(guān)或放大元件提供放大以滿足諧振條件[參閱Springer-Verlag出版的Tietge，Schenk的書“Halbleiterschaltungstechnik”[半導體技術(shù)第10版459頁。在這里，開關(guān)或放大元件是設計成一個簡單的半導體開關(guān)還是設計成一個線性放大元件的形式對本發(fā)明裝置的功能不會產(chǎn)生任何影響。因此在下文中不對開關(guān)和放大器進行區(qū)分。
在本發(fā)明一個特別有用的實施例中，信號裝置包括一個在串聯(lián)諧振的情況下引出諧振電流的一個預定百分數(shù)的功率抽頭。這個功率抽頭可以是一個測流電阻器、一個功率變換器或者是一個霍爾元件。諧振電流同樣可以一個諧振元件上的電壓降的形式測量。
在本發(fā)明的再一個有用的實施例中，信號裝置包括一個在并聯(lián)諧振的情況下引出并聯(lián)諧振電路上所加電壓的一個預定份額的元件。這些電壓也可以通過流過這些元件的電流間接確定出來。
在本發(fā)明另一個有用的實施例中，信號裝置包括若干用于在多電路諧振系統(tǒng)的情形決定出至少一個并聯(lián)諧振電壓的預定百分比或者至少一個串聯(lián)諧振電流的預定份額的合成量的元件。信號裝置在這一情形下可以設計得通過對這些幅值的簡單加法(沒有相位誤差)進行分析。借助這一措施就可以使電路根據(jù)相應的負載情況工作于串聯(lián)或并聯(lián)諧振。作為替代方案，一個倒向開關(guān)也可以識別所涉及的是串聯(lián)還是并聯(lián)諧振并相應地決定出與之一致的諧振電壓或諧振電流的份額。
在本發(fā)明的再一個有用的實施例中，信號裝置包括有用于在諧振電壓或諧振電流標本之間進行預選的濾波元件。
在本發(fā)明的再一個有用的實施例中，信號裝置包括有一個在接通電源電壓時使系統(tǒng)容易起振的二次振蕩器。通常，一接通電源電壓，振蕩器就根據(jù)噪聲條件開始振蕩。為了確?？煽慷挚焖倨鹫瘢@樣一種振蕩器也可接收一個預定頻率的起動信號。若這個頻率選擇得靠近所需要的工作頻率，振蕩便開始得特別決。在有幾個可能諧振的情形，如果確定出起始信號，振蕩也能在所要求的諧振頻率發(fā)生。在振蕩器根據(jù)噪聲條件起振這樣一種情形下，可能會發(fā)生功率振蕩器也朝著不合需要的諧振頻率開始振蕩。
在本發(fā)明的另一個有用實施例中，還設置一個使用電路本身工作頻率決定可以互相相對移動的部件之間的距離的分析器。在電感傳輸?shù)那樾蜗?，借助作為互相移動元件的函?shù)而變化的工作頻率，可以根據(jù)工作頻率很容易地確定出相應的距離變化。
下面，將參照附圖更詳細地敘述本發(fā)明，在附圖中

圖1a至1c示出用于非接觸傳輸電信號和/或能量的本發(fā)明裝置的基本結(jié)構(gòu)；圖2說明本發(fā)明的第一實施例，它包括一個電容耦合系統(tǒng)；圖3示出圖2所示實施例的一個變例，它包括一個帶屏蔽的平衡系統(tǒng)；圖4是帶有一個電感耦合系統(tǒng)的第二實施例的一個視圖；圖5說明旋轉(zhuǎn)變壓器上的本發(fā)明裝置；
圖6a和6b示出在差分信號傳輸中現(xiàn)有技術(shù)裝置和本發(fā)明裝置之間的一個比較；圖7a和b是用于解釋低通特性的說明；以及圖8至10說明諧振耦合的各個實例。
在下面的諸圖中，同一樣的標號被用來表示完全一樣的元件或者產(chǎn)生同一樣作用的元件，為的是可以在這里略去一部分重復的討論。
圖1a至1c示出本發(fā)明裝置用于非接觸傳輸電信號和/或能量的各種實施例，而且在各圖中僅表示出發(fā)送器而未表示出接收器。
一個信號源S經(jīng)由一個導體結(jié)構(gòu)2連接到相應的耦合元件C和L，并且還以一種無反射的方式端接一個特性阻抗Zo。當一個本發(fā)明結(jié)構(gòu)的單元被用作接收器時，所傳輸?shù)男盘栐谛盘栐碨的位置引出。這里所說明的裝置因為涉及一個特別有用的實施例而呈現(xiàn)一種對稱或平衡的結(jié)構(gòu)。當然，也可以設想不平衡或不對稱的實施例。
圖1a示出一個電容耦合的實例；在這一情形下，產(chǎn)生電容耦合的平板導電元件C經(jīng)由一條支線連接到連續(xù)導體2或者像這里所說明的實施例一樣直接連接到連續(xù)導體2。
圖1b示出一個電感式耦合的實例；這里的導體結(jié)構(gòu)2和分立元件L形成產(chǎn)生電感耦合的若干回路。
圖1c是電感和電容耦合的一個實例的視圖；在這一情形下，既設置了導體回路L又設置了平板導電元件C。
下面將參照其他附圖更詳細地解釋本發(fā)明。
圖2示出一個帶有不對稱設計的電容耦合的實施例。在載體1特別是例如說可彎曲的印制電路板上，設置一個導體結(jié)構(gòu)或者線路網(wǎng)絡2將電容式耦合元件3a、3b和3c互相連接起來。
電信號和/或能量就通過這些耦合元件和通過充當接收器且可相對于這些耦合元件移動的耦合裝置4傳輸。當然，耦合裝置4可以是有同樣設計的元件，但也可以是常規(guī)的接收器。在所說明的實施例(這里參照圖2的側(cè)視圖)中，耦合裝置4是一種放置在耦合元件3a至3c旁邊的常規(guī)接收器。接地面有時可以設在印刷電路板的背面上。
圖3是圖2所示實施例的一個變例的橫截面視圖，其中設置一個帶有屏蔽罩的對稱裝置。裝置包括一個由相應的第一導體2和第二導體12組成的平衡線系統(tǒng)或平衡線結(jié)構(gòu)。這些導體供應電容耦合元件3和13。
在這里，耦合裝置4設計成一種以U形結(jié)構(gòu)圍繞印制電路板1的平衡耦合裝置，印制電路板1上則安排有導體結(jié)構(gòu)和耦合裝置。此外，屏蔽罩6設置得圍繞整個裝置。仍然可以是一種印制電路板的載體1通過隔離器5和15緊固在屏蔽罩6上。
圖4是其中實現(xiàn)了電感耦合的本發(fā)明的第二實施例的一個視圖。在也可以將導電層設置到背面的載體1上，還設置一個導體結(jié)構(gòu)2將電感耦合元件3a至3c連接起來。在這里，耦合元件3a至3c按導電回路的方式構(gòu)造。標號4仍然表示常規(guī)型式的耦合裝置。
上面已經(jīng)參照圖1至4給出了示例性說明的本發(fā)明裝置表現(xiàn)出的若干優(yōu)點，下面將參照圖5至7更詳細解釋。
圖5示出一個實施例，其中本發(fā)明裝置作成可以例如說安裝在旋轉(zhuǎn)變壓器上的形式。具有帶電容元件3(和/或電感元件)的本發(fā)明設計的導體結(jié)構(gòu)2可以制成一種其中生出一些狹槽的平面膜或箔或者印制電路1以允許彎曲到很小的半徑。使用現(xiàn)有技術(shù)中通用的帶狀線不可能做到這一點。
另外，本發(fā)明的裝置還提供一個優(yōu)點，即利用一種彎曲的設計安排和差分信號耦合來獲得僅用稍稍不同的線長度，即導致延遲時間的不同，從而導致信號噪聲和干擾輻射的不同。因此，本發(fā)明的裝置特別適合于傳輸差分信號，這又帶來另一個優(yōu)點，即由于外部空間的場實際上幾乎完全互相抵消而使對外輻射減至最小。
圖6示出設計成差分結(jié)構(gòu)的常規(guī)帶狀線SL(a圖部分)和本發(fā)明的裝置(b圖部分)之間的一個比較。
由圖6a和6b顯然看出，帶有耦合元件3和13的線2和12在本發(fā)明裝置的情形被放置得互相很靠近，使得它們的半徑r1和r2的差很小，因而延遲時間的差別變得比較大。
圖7a示出本發(fā)明裝置的一個簡化了的等效電路圖。如圖7a所示，本發(fā)明的裝置表現(xiàn)出一個低通特性。因此，本發(fā)明的裝置由于不通過高于閾值頻率的任何噪聲而必然伴有對噪聲的高抑制，因而既不能接收也不能發(fā)射。
圖7b是計算出的本發(fā)明裝置頻率響應的一個示例性說明，其中頻率沿橫軸標出(以MHz為單位)，被接收信號標在縱軸上(以V為單位)。這里明顯看出，在所示的實施例中，本發(fā)明的裝置在1MHz和大約300MHz之間表現(xiàn)出實際上不變的頻率響應，而在差不多300MHz處則陡降至“零”。當然，同樣可以實現(xiàn)除300MHz以外的閾值頻率(可以更高或者更低些)。
圖8是用供應消耗裝置84的相應電感或電容耦合元件83組成諧振耦合的本發(fā)明裝置的一個說明。這個耦合元件由至少一個仿真元件82補給電能以組成一個能夠諧振的結(jié)構(gòu)。信號裝置85用耦合元件或補加的仿真元件處的諧振電流或電壓生成一個再生耦合信號，該信號具有這樣一個幅度和這樣一個相位，使得它連接的開關(guān)或放大元件81與仿真元件82以及83一起共同滿足振蕩條件。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的裝置用于電容式傳輸裝置情形的一個示例性說明。電容耦合元件93供應消耗裝置94。它則由電感器92補給電能量以形成一個能夠諧振的結(jié)構(gòu)。在這一情形下，信號裝置包括一個測流電阻器95，它通過電感和電容向開關(guān)或放大元件91發(fā)送一個正比于串聯(lián)諧振電流的信號。
圖10示出本發(fā)明的系統(tǒng)在依靠一個電感耦合元件并聯(lián)諧振的情形下的特別簡單實施例的一個實例。在這一情形下，電感耦合元件103供應消耗裝置104。電感器靠電容器補給以形成一個并聯(lián)諧振電路。在此，這個信號裝置用具有兩個電阻器105和106的分壓器組成，由它引出電感和電容的并聯(lián)諧振電壓的一個預定份額，并將該電壓份額傳送到相應的開關(guān)或放大元件上。
至此，已經(jīng)通過示例性實施例敘述了本發(fā)明，沒有對總的發(fā)明思想和總的適用范圍進行任何限制。特別是，不僅可以將本發(fā)明應用于例如在計算機斷層顯像、雷達發(fā)射塔等等中的旋轉(zhuǎn)變壓器，而且可以應用于例如起重機等等上面需要的適合直線運動的變壓器。此外，本發(fā)明還可用在執(zhí)行復合運動的變壓器中。
權(quán)利要求
1.用于在至少兩個可以互相相對移動的部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置，其中多個規(guī)定的電磁耦合元件設置在要在其間傳遞信號和/或能量的部件上，就靠這些耦合元件附近的場產(chǎn)生非接觸傳輸。其特征在于設置在至少一個部件上的每個所述耦合元件至少包括一個由本身能夠諧振的單元件組成的諧振器且與其他耦合元件無關(guān)，諧振器具有一個近似等于被傳輸信號的頻率的諧振頻率，并且在于各個諧振器通過被端接成無反射方式的線互相連接起來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述一個諧振器或幾個諧振器是諧振腔，線式諧振器，介電式、鐵磁式和/或壓電式諧振器。
3.用于在至少兩個適于互相相對移動的部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置，其中多個規(guī)定的電磁耦合元件設置在其間要傳送信號和/或能量的部件上，所述耦合元件附近的場產(chǎn)生非接觸傳輸；其特征在于所述至少一個部件上的耦合元件組成一個形成用無反射方式端接的級聯(lián)電路結(jié)構(gòu)，以及與其他耦合元件無關(guān)的每一個耦合元件都是一個諧振系統(tǒng)，具有高于要傳輸?shù)膶拵盘栕罡哳l率的諧振頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征在于用所述耦合元件組成的系統(tǒng)表現(xiàn)出一個低通特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的裝置，其特征在于所述導體結(jié)構(gòu)作為整體不能諧振。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一條的裝置，其特征在于每一個能夠諧振的幅合元件包括一個元件，該元件至少含有一個產(chǎn)生電感和電容作用的元件以及在于連接的耦合元件引出前面耦合元件的至少一個仿真元件上的相應電壓或電流作為輸入信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于每個耦合元件由至少一個最好是單電感器和至少一個電容器組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其特征在于一個部件上不同耦合元件的各個電感器串聯(lián)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的裝置，其特征在于連續(xù)的線組成相應耦合元件的各個電感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的器件，其特征在于電容器構(gòu)造成平板導電元件經(jīng)由分支線連接到所述連續(xù)線或者從橫向直接連到該線上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其特征在于平板導電元件設置在所述連續(xù)線任一側(cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至11任一條的裝置，其特征在于所述電感器或電容器構(gòu)造成一個印刷電路板的結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征在于所述印制電路板是一個可彎曲的電路板。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其特征在于所述印制電路板設有一些狹槽。
15.根據(jù)權(quán)利要求6至14任一條的裝置，其特征在于所述電感器和/或電容器是分立元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15任一條的裝置，其特征在于幾個調(diào)諧到不同頻率范圍的耦合元件按照精確的三維關(guān)系放置，以獲得調(diào)諧到這些頻率范圍的耦合結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16任一條的裝置，其特征在于所述結(jié)構(gòu)是對稱的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17任一條的裝置，其特征在于帶有接地面、電容器和/或電感器的導體結(jié)構(gòu)設置在印制電路板的任一側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18任一條的裝置，其特征在于所述耦合元件構(gòu)造成差分式耦合元件并且在于一個差分信號加到所述耦合元件上。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19任一條的裝置，其特征在于能夠諧振而且互相匹配的耦合元件設在所有的部件上。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20任一條的裝置，其特征在于能夠諧振的耦合元件設置在一個部件上，并且在于常規(guī)的發(fā)射器或接收器作為設置在另一部件上的耦合元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，其特征在于所述發(fā)射器或接收器分別包括線圈、鐵氧體磁芯和/或電容器。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22任一條的裝置，其特征在于要向電源或線路系統(tǒng)(起到使所傳輸?shù)男盘柣蚰芰客ㄟ^的作用)傳輸?shù)男盘柣蚰芰糠謩e屏蔽起來，以獲得與所述耦合元件去耦合的設計。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一條的裝置，其特征在于至少設置一個起動器單元，僅在相對移動部件的耦合元件接近時才起動相應的耦合元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24任一條的裝置，其特征在于所述耦合元件設計得使它們僅通過接近的耦合元件的介電或磁特性將自己按照本身的電特性調(diào)整到工作點。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至25任一條的裝置，其特征在于所述耦合元件對所述線路系統(tǒng)的耦合通過另外的有源或無源器件例如放大器和/或半導體開關(guān)實現(xiàn)。
27.根據(jù)權(quán)利要求2至26任一條的裝置，其特征在于所述耦合元件被一個用導電材料制成的屏蔽罩屏蔽得不受周圍環(huán)境影響。
28.根據(jù)權(quán)利要求2至27任一條的裝置，其特征在于所述耦合元件由開關(guān)或放大元件供電。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其特征在于設置一個另外的信號裝置，根據(jù)諧振元件的電壓或電流生成一個再生耦合信號，使得在至少一個諧振頻率上出現(xiàn)振蕩。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其特征在于所述信號裝置構(gòu)造得使它輸出一個與串聯(lián)諧振電流的一部分成比例的幅度。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其特征在于所述信號裝置設計得使它輸出一個與并聯(lián)諧振電壓的一部分成比例的幅度。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其特征在于在幾個諧振的情形下，所述信號裝置設計得使它輸出一個由正比于串聯(lián)諧振電流和正比于并聯(lián)諧振電壓的幅度組成的合成信號。
33.根據(jù)權(quán)利要求29至32任一條的裝置，其特征在于設置一個另外的二次振蕩器使電路起振容易些。
34.根據(jù)權(quán)利要求29至33任一條的裝置，其特征在于設置一個分析裝置決定系統(tǒng)的工作頻率并從中得出一個與適合于互相相對移動的所述單元部件的空間尺寸相應的信號。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至34任一條的裝置，其特征在于所述適合于互相相對移動的部件進行旋轉(zhuǎn)運動。
36.根據(jù)權(quán)利要求1至35任一條的裝置，其特征在于所述適合于互相相對移動的部件進行直線平移運動。
全文摘要
這里敘述的是一種用于在至少兩個部件之間非接觸傳輸電信號和/或能量的裝置,其中在其間要傳輸信號和/或能量的部件上設置多個規(guī)定的電磁耦合元件,耦合元件附近的場產(chǎn)生非接觸傳輸。本發(fā)明的裝置的優(yōu)化系統(tǒng)通過在至少一個部件上設置耦合元件組成一個導體結(jié)構(gòu);其構(gòu)造如同用無反射的方式端接的級聯(lián)電路,并且每個耦合元件(與這個部件上其他耦合元件無關(guān))都是一個具有高于要被傳輸?shù)膶拵盘栕罡哳l率的諧振頻率的諧振系統(tǒng)。一個替代實施例的特征在于設置在至少一個部件上的各個耦合元件至少包括一個由本身能夠諧振的單元件組成的諧振器,與其他耦合元件無關(guān)并具有一個近似等于被傳輸信號頻率的諧振頻率,還在于各個諧振器經(jīng)由用無反射方式端接的線互相連接起來。
文檔編號H04B5/00GK1243608SQ98801652
公開日2000年2月2日 申請日期1998年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月3日
發(fā)明者吉奧爾·勞爾 申請人:滑動環(huán)及設備制造有限公司