DE102020108104A1

DE102020108104A1 - Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse

Info

Publication number: DE102020108104A1
Application number: DE102020108104.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Schäuble; Julian Bockstaller; Thomas Blödt; Simon Gerwig
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse (2) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (3) einer bestimmten Wellenlänge (λ), umfassend:- das Gehäuse (2),- eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (11) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (3),- mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete und in einer Ebene (E) ausgebildete Primärantenne (4) zum Aus- und Einkoppeln der elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11),- genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge bzw. eine Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung LSchlitz= λ/2 ± λ/25 gilt und die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) und die Primärantenne (4) derartig zueinander angeordnet sind, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) in einer Längsrichtung um einen Winkel α ≥ 30° zur Ebene (E) in der die Primärantenne (4) ausgebildet ist gedreht ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung und einem Feldgerät der Automatisierungstechnik.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig sind in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen noch Zweileiterfeldgeräte, die über eine Zweidrahtleitung zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind, gängig. Die Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Signals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Zur Übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART Protokoll bewährt, bei welchem dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß dem HART Protokoll wird zwischen 1200 Hz und 2400 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedrigere Frequenz für eine logische „0“ und die höhere Frequenz für eine logische „1“ steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, sodass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung ist es jedoch wünschenswert, dass die Daten nicht nur über die Zweidrahtleitung, also rein drahtgebunden, übertragen werden können, sondern dass die Daten auch drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen kommuniziert werden. Sei es um die Daten drahtlos zu einer Datenbank, bspw. einer Cloud-Datenbank, zu übertragen und dort verfügbar zu machen oder um Daten zwischen dem Feldgerät und einer mobilen Bedieneinheit drahtlos zu übertragen, um bspw. das Feldgerät über das mobile Bediengerät drahtlos zu parametrieren bzw. konfigurieren.
Hierfür werden immer häufiger sogenannte Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung eingesetzt, mit deren Hilfe es möglich ist, die bestehenden Feldgeräte für die drahtlose Datenübertragung nachzurüsten. Derartige Feldgeräteadapter können dabei direkt in die Zweidrahtleitung eingebunden werden. D.h. der Feldgeräteadapter wird quasi als selbstständige Einheit zwischen die übergeordnete Einheit und dem Feldgerät geschaltet. Alternativ kann der Feldgeräteadapter mechanisch auch direkt an das Feldgerät, bspw. über eine Kabelverschraubung angeschlossen und elektrisch mit einer Feldgeräteelektronik verbunden werden.
Um die Feldgeräteadapter bzw. die Feldgeräte in Bereichen einzusetzen, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, ist ein metallisches Gehäuse bzw. Metallgehäuse vorgeschrieben. Diese lassen jedoch im Allgemeinen keine Wellenabstrahlung für die drahtlose Datenübertragung zu. Eventuelle Anbauten an den Feldgeräteadaptern bzw. den Feldgeräten, wie beispielsweise externe Stabantennen, stellen mechanische Schwachstellen für das Gehäuse dar, sodass diese vermieden werden. Weiterhin sollen beim Abreißen einer Antenne hohe Feldstärken am Fußpunkt, welche insbesondere die zulässige Energiedichte in explosionsgefährdeten Bereichen überschreiten könnten, vermieden werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Übertragung von Signalen mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen auch bei metallischen Gehäusen möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, den Feldgeräteadapter gemäß Patentanspruch 15 und dem Feldgerät gemäß Patentanspruch 16.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge λ, umfassend:

- das Gehäuse, welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Außenkontur aufweist,
- eine in dem Gehäuse angeordnete Sende-/Empfangseinheit zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen,
- mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete und in einer Ebene ausgebildete Primärantenne zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen der Sende-/Empfangseinheit und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen an die Sende-/Empfangseinheit,
- genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge bzw. eine Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/2 ± λ/25 gilt und die schlitzförmige Gehäuseöffnung und die Primärantenne derartig zueinander angeordnet sind, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung in einer Längsrichtung um einen Winkel α ≥ 30°, bevorzugt um einen Winkel α ≥ 60°, besonders bevorzugt um einen Winkel von ca. 90° zur Ebene in der die Primärantenne ausgebildet ist gedreht ist, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung im Zusammenspiel mit der Primärantenne die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise, vorzugsweise einem im Wesentlichen vollständigen metallischen Gehäuse vorgeschlagen, welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische Außenkontur aufweist. Um eine Rundum-Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen zu erreichen wird ein einziger Schlitz als Gehäuseöffnung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Schlitz in seiner Längsrichtung gegenüber einer Ebene, in der die in dem Gehäuse angeordnete Primärantenne ausgebildet ist, verdreht ist. Beispielsweise kann sich der Schlitz in seiner Längsrichtung in azimutaler Richtung in dem Gehäuse erstrecken, wenn die Primärantenne sich in axialer Richtung in dem Gehäuse erstreckt. In diesem Fall würde die schlitzförmige Gehäuseöffnung in Längsrichtung um 90° gegenüber der Ebene, in der die Primärantenne liegt, verdreht sein. Alternativ kann der Schlitz aber auch in axialer Richtung in dem Gehäuse ausgebildet sein und die Primärantenne gegenüber der axialen Richtung in dem Gehäuse verdreht angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, die schlitzförmige Gehäuseöffnung in dem Gehäuse so auszubilden, dass für eine Länge bzw. in dem Fall, dass der Schlitz sich nicht in axialer Richtung des Gehäuses erstreckt, eine Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/2 ± λ/25 gilt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht ferner ein aus einem Material mit einer relativen Dielektrizitätszahl echt größer eins (ε_r> 1) gefertigtes Formteil, welches einen an die schlitzförmige Gehäuseöffnung angepassten hervorstehenden schlitzförmigen Bereich aufweist, mit dem das Formteil bis zu einer spezifizierten Tiefe maximal in die Gehäuseöffnung eingreift, wobei für Länge bzw. die Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung $L_{Schlitz} = λ' / 2 \pm λ' / 25 mit λ' = \frac{λ}{\sqrt{μ_{T} \cdot ε_{r}}}$
gilt, wobei µ_T die magnetische Permeabilität des Materials des Formteils ist. Durch das Einbringen des Formteils wird die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Welle in Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl (ε_r) bzw. Permeabilitätszahl des durchstrahlten Materialies verändert. Im Wesentlichen wird die Wellenlänge hierbei durch die Dielektrizitätszahl um den Faktor 1/√ε_r verkürzt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass für eine Breite (B_Schlitz ) der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) B_Schlitz < 25mm, bevorzugt B_Schlitz ≤ 10mm, besonders bevorzugt B_Schlitz ≤ 6mm, ganz besonders bevorzugt B_Schlitz ≅ 4mm gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung eine Kerbe aufweist, die vorzugsweise in Längsrichtung gesehen im mittleren Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse an einer ersten Stirnseite eine erste Kabeldurchführung zum Durchführen eines Kabels oder ein Gewinde zum Anschrauben des Gehäuses an ein Feldgerät aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse zumindest an einer zweiten Stirnseite eine zweite Kabeldurchführung zum Durchführen eines Kabels aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass für die Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung ferner B_Schlitz ≥ 1/100·λ gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass für eine Materialstärke des Gehäuses zumindest im Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung D_Gehäuse≤ 1/30·λ gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass ferner eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Leiterplatte die derartig als Primärantenne zum Aus- und/oder Einkoppeln der elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen seitlich an einer Leiterplattenkante aus- bzw. eingekoppelt werden und wobei die Leiterplatte so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass die Leiterplattenkante zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung hin gerichtet ist und vorzugsweise unmittelbar daran angrenzt. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Primarantenne in Form einer planaren Struktur, insbesondere in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte in der Ebene ausgebildet ist und in einem Randbereich der Leiterplatte angeordnet ist und/oder dass die Leiterbahn aus zwei im Wesentlichen parallelen Teilabschnitten besteht, die über einen 180° Bogenabschnitt miteinander verbunden sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Leiterplatte ferner ein HF-Schirmzaun umfasst, welcher vorzugsweise aus zumindest einer Reihe von Metalleinbringungen, insbesondere Vias ausgebildet ist, wobei der HF-Schirmzaun zumindest auf derselben Seite der Leiterplatte wie die Primärantenne ausgebildet ist und vorzugsweise einen auf der ersten Seite der Leiterplatte an die Leiterplattenkante angrenzenden rechteckige Bereich ausbildet, in dem die Primärantenne angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Leiterplatte ferner ein Metall aufweisendes HF-reflektierendes Element umfasst, welches vorzugsweise ein elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. aufweist, und wobei das HF-reflektierende Element auf der anderen Seite der Leiterplatte wie die Primärantenne ausgebildet ist.
Der HF-Schirmzaun und/oder das HF-reflektierende Element ist vorzugsweise derartig auf der Leiterplatte angeordnet, dass Wellenanteile daran zur schlitzförmigen Gehäuseöffnung hin reflektiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das HF-reflektierende Element und/oder der HF-Schirmzaun so auf der Leiterplatte angeordnet sind, dass die Primärantenne zwischen dem HF-reflektierenden Element bzw. dem HF-Schirmzaun und der Leiterplattenkante angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen gelöst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend einen Feldgeräteadapter nach der zuvor beschriebenen Ausgestaltung gelöst, wobei das Gehäuse an einer zweiten Stirnseite ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen des Feldgeräteadapters an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3a: einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3b: eine Detailskizze zur Verdeutlichung der Anordnung der Ebene, in der die Primärantenne ausgebildet ist, zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung,
4: eine schematische Darstellung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung und der Leiterplatte auf der die Primärantenne ausgebildet ist,
5: eine Schnittdarstellung A-A durch die Vorrichtung an der in 2 durch A-A angedeuteten Position.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Funkadapters. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 2, welches im Wesentlichen aus einem Metall, vorzugsweise einem Edelstahl gefertigt ist. Das Gehäuse 2 kann alternativ aber auch aus einem Kunststoff gefertigt sein und mit einer, vorzugsweise an seiner Innenfläche metallischen Schicht verkleidet sein. Das Gehäuse 2 ist dabei geometrisch derartig ausgebildet, dass es äußerlich eine im Wesentlichen rotationssymmetrische in sich geschlossene Form aufweist. Beispielsweise kann das Gehäuse wie in 1 dargestellt eine mit Ausnahme von möglichen Kabeldurchführungen 13, 14 sowie der erfindungsgemäß ausgestaltete Gehäuseöffnung 5 im Wesentlichen zylindrische Außenkontur aufweisen.
An der ersten und/oder zweiten Stirnfläche 21, 22 des zylindrischen Gehäuses 2 kann jeweils eine Kabeldurchführung 13, 14 vorgesehen sein, über die ein Kabel 1a, 1b mit zumindest einer Signalleitung in das Gehäuse bzw. aus dem Gehäuse 2 geführt wird. Das Kabel 1a, 1b kann beispielsweise eine in der Prozess- und/oder Fabrikautomatisierung übliche Zweidrahtleitung umfassen. Alternativ kann an einer der beiden Stirnseiten ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen, insbesondere Anschrauben der Vorrichtung an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist. Alternativ zu der Kabeldurchführung kann, wie es in 1 dargestellt ist, eine der beiden Stirnflächen auch ein Gewinde 13 zum Anschrauben des Funkadapters an ein Feldgerät 7 aufweisen.
In dem Gehäuse 2 ist eine Leiterplatte 6 angeordnet, zu der bzw. von der das Kabel 1a, 1b mit der Signalleitung führt bzw. abgeht. Die Leiterplatte 6 umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 11 zum Erzeugen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die Sende-/Empfangseinheit 11 kann bspw. ein in Form eines Chips ausgebildetes HF-Modem sein. Die Leiterplatte 6 umfasst ferner eine Primärantenne 4 zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen und zum Einkoppeln und Übertragen der empfangenen elektromagnetischen Wellen und ferner eine Anpassstruktur 15. Die Anpassstruktur 15 kann als ein Teil der Sende-/Empfangseinheit und/oder ein Teil der Primärantenne ausgebildet sein. Alternativ kann die Anpassstruktur 15 auch als eigenständiges Bauteil auf der Leiterplatte 6 ausgebildet sein.
Die Sende-/Empfangseinheit 11 ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Wellen mit einem Frequenzband von 2,4 GHz zu erzeugen bzw. zu empfangen, sodass die Signale, die über das Kabel bzw. die Zweidrahtleitung übertragen werden, durch die Vorrichtung auch drahtlos mittels Bluetooth (ggfl. auch Bluetooth Low Energy) oder einer der zuvor genannten Varianten übertragen werden können.
Das Gehäuse weist erfindungsgemäß eine einzige, sich in azimutaler Richtung des Gehäuses erstreckende, schlitzförmige Öffnung 5 auf, die eine Länge im Bereich von ca. λ/2 ± λ/25 aufweist. Da das Gehäuse des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eine zylindrische Außenkontur aufweist, ist unter der Länge das Bogenmaß zu verstehen, welches im Bereich von ca. λ/2 ± λ/25 liegt. Eine Breite der schlitzförmigen Öffnung 5 kann so gewählt sein, dass für die Breite B_Schlitz < 25mm, bevorzugt B_Schlitz ≤ 10mm, besonders bevorzugt B_Schlitz ≤ 6mm, ganz besonders bevorzugt B_Schlitz ≅4mm gilt.
Die schlitzförmige Öffnung 5 hat keine elektrische Verbindung zu der Leiterplatte 6 und wird von der innerhalb des Gehäuse 2 liegenden Primärantenne 4 angestrahlt. Ferner kann die Gehäuselänge L_Gehäuse so gewählt werden, dass sie kleiner als eine Wellenlänge 1·λ ist. Bevorzugt gilt für die Gehäuselänge L_Gehäuse < 0,95·λ, besonders bevorzugt L_Gehäuse < 0,90·λ. Auf diese Weise tritt einerseits das Gehäuse nicht als Resonator bei einer Betriebsfrequenz auf, und andererseits ist keine Ausbreitung als Hohlleiter innerhalb des zylindrischen Gehäuses 2 möglich.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung an beiden Stirnflächen 21, 22 jeweils eine Kabeldurchführung 13, 14 auf. In 2 ist eine Seitenansicht der Leiterplatte 6 dargestellt, die in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 umfasst zwei Stirnflächen 21, 22, in welche jeweils eine Kabeldurchführung 13, 14 (mitsamt Kabel und Klemme) angebracht ist. Weiterhin ist in 2 die Primärantenne 4, welche auch als Abstrahlstruktur bzw. Primärstrahler bezeichnet wird, dargestellt. Die Primärantenne 4 ist insbesondere dazu eingerichtet, ein Nahfeld zu erzeugen und bildet zusammen mit der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 und dem Gehäuse 2 eine Antenne. Um die Leiterplatte 6 vor dem Einbau prüfen zu können, kann die Primärantenne 4 ferner derartig ausgebildet sein, dass diese auch ohne Gehäuse 2 zumindest im Nahfeld 8 mindestens eine leichte Antennenwirkung aufweist. Die Primärantenne 6 ist in einer Ebene, in der auch eine erste Seite 63 der Leiterplatte 6 liegt, ausgebildet. Die Ebene erstreckt sich, in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, also orthogonal aus der Zeichenfläche heraus. Erfindungsgemäß ist die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 in Längsrichtung um einen Winkel α ≥ 30°, bevorzugt um einen Winkel α ≥ 60° zur Ebene, in der die Primärantenne ausgebildet ist, gedreht. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 beispielsweise um 90° gedreht.
3a zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der die Leiterplatte 6 vorzugsweise so ausgebildet ist, dass für eine Leiterplattendicke DPCB > BSchlitz/2 gilt, sodass die Leiterplatte 6 zumindest teilweise, insbesondere hälftig die schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 überdeckt, wenn die Leiterplatte 6 mit einer Leiterplattenkante 61 an der die Primärantenne angrenzt auf einen Mittelpunkt MP des Durchmessers des zylindrischen Gehäuses 2 ausgerichtet wird.
Ferner ist in 3b eine Detailskizze der Anordnung der Ebene, in der die Primärantenne ausgebildet ist, zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 dargestellt. Auch hier ist exemplarisch die schlitzförmige Gehäuseöffnung um einen Winkel von α = 90° zu der Ebene, in der die Primärantenne ausgebildet ist, gedreht. Die Ebene E erstreckt sich in dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel orthogonal aus der Zeichenfläche heraus.
Die auf der Leiterplatte 6 ausgebildete Primärantenne 4 ist dazu ausgebildet, als ein- bzw. auskoppelendes Element zu dienen. Hierdurch wird von der Primärantenne 4 ein elektrisches Nahfeld 8 erzeugt, welches in einem mittleren Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 ein magnetisches Nahfeld erzeugt. Die Primärantenne 4 kann ferner derartig dimensioniert sein, dass das Nahfeld ein elektrisches Fernfeld 9 erzeugt, dessen Feldlinien vom Gehäuse 2 nicht mehr berührt werden bzw. die sich von diesem komplett ablösen. Dies bietet den Vorteil, dass eine derartige Leiterplatte beispielsweise auch in einem Kunststoffgehäuse eingesetzt werden kann.
Um diese Eigenschaft zu begünstigen, kann die schlitzförmige Gehäuseöffnung optional eine Kerbe bzw. eine kerbenförmige Ausnehmung aufweisen. Die Kerbe ist in Längsrichtung gesehen vorzugsweise in einem mittleren Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung angeordnet. Die Kerbe dient dazu, eine Wellenimpedanz anzupassen.
4 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 und der Leiterplatte 6 auf der die Primärantenne ausgebildet ist. Die Leiterplatte 6 kann ferner einen HF-Schirmzaun 16, welcher aus Vias (Durchkontaktierungen) 17 ausgebildet ist, umfassen. Die Vias 17 können hierbei so ausgestaltet sein, dass diese von einer ersten Seite der Leiterplatte (Oberseite) 63 zu einer zweiten Seite der Leiterplatte (Unterseite) 64 ragen. Dies bedeutet, dass die Vias 17 durch alle Lagen der Leiterplatte 6 hindurchgehen können. Alternativ können die Vias 17 auch so ausgebildet sein, dass diese nur von der ersten Seite der Leiterplatte 63 zu einer mittleren Leiterkartenlage führen. Der HF-Schirmzaun 16 kann vorzugsweise mindestens zweireihig, besonders bevorzugt in versetzter Anordnung zueinander ausgeführt sein, um eine maximale Zaunwirkung auch bei kleinen kostengünstig zu fertigenden Durchkontaktierungen zu erreichen und bewirkt eine sehr starke Reduktion des Einflusses weitere Elemente im Gehäuse, wie beispielsweise eingeschraubter Kabel. Durch den HF-Schirmzaun 16 kann ein im Wesentlich rechteckiger Bereich 65 auf der ersten Seite der Leiterplatte 63 aufgespannt werden, welcher an einer Seite von der Leiterplattenkante 61 begrenzt wird.
Der HF-Schirmzaun 16 kann ferner durch ein HF-Schirmblech 18, welches auf der zweiten Seite der Leiterplatte (Rückseite) 64 angeordnet ist, ergänzt werden. In 4 ist die Anordnung des HF-Schirmblechs auf der Rückseite der Leiterplatte durch die gestrichelte Linie angedeutet. Das HF-Schirmblech 18 kann neben der Schirmung der HF-Wellen auch eine andere Funktion auf der Leiterplatte 6 erfüllen. Beispielsweise kann das HF-Schirmblech 18 ein, ein Metall aufweisendes elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. umfassen, wobei das HF-Schirmblech 18 vorzugsweise mit dem HF-Schirmzaun 16 elektrisch verbunden ist. Alternativ können auch sonstige Metallteile, Bauteile mit hohem Metallgehalt wie Spulen oder Bauteile aus Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (DK) wie flache SMD-Kondensatoren auf der Leiterplatte 6 als HF-Schirmblech 18 dienen.
Weiterhin umfasst die in 4 dargestellte Leiterplatte 6 die Sende- und/oder Empfangseinheit 11, die Primärantenne 4, und die Anpassstruktur 15 zur Impedanzanpassung und/oder Reflexionsverminderung zwischen der Sende- und/oder Empfangseinheit 11.
Wie aus 4 ersichtlich, ist die Primärantenne 4 in dem rechteckigen Bereich 65 angeordnet. Die Primärantenne 4 ist vorzugsweise in Form einer Leiterbahn 41, 42, 43, 44 ausgebildet, die einen aktiven Teilbereich 42 und einen inaktiven Teilbereich 41 aufweist. Der aktive und inaktive Teilbereich 41, 42 ist über einen 180° Bogenabschnitt 43 miteinander verbunden, sodass die Leiterbahn eine spezifische Gesamtlänge aufweist, um einen Resonator bei einer Betriebsmittenfrequenz darzustellen. Am Ende dieser Länge befindet sich ein abgerundeter Bereich 44, um die Güte des Resonators zu verringern, und zwar gerade in dem Maße, um ein Nachklingeln unterhalb einer Pfadlänge des Viterbi-Algorithmus der verwendeten Sende- und/oder Empfangseinheit zu halten.
Der aktive Teilbereich 42 dient hierbei als eigentlicher „Abstrahier“, wobei die Energie von dem inaktiven Teilbereich 41 über eine aus dem HF-Schirmzaun 16 herausragende Massefläche 181 des HF-Schirmblechs 18 auf der Leiterkartenunterseite 64 zurückgeleitet wird, um nicht als „Abstrahier“ zu wirken. Das Zusammenspiel aus dem aktiven und inaktiven Teilbereich 41 und 42 ermöglicht die Ausbildung eines Strahlers, welcher eigentlich über eine gesamte Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 gehen würde, auf eine Breite zu reduzieren, die etwas schmäler als die der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 ist. Auf diese Weise können Beugungseffekte an den äußeren Kanten der schlitzförmigen Gehäuseöffnung den Strahler nur teilweise und definiert beeinflussen und dennoch ist eine Abstrahlung durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung möglich. Die Massefläche 181 weist im Seitenprofil insbesondere eine L-förmige Struktur auf. Um den Wirkungsgrad der Ableitung zu erhöhen, kann auf der Unterseite der Leiterplatte 64 ferner eine Struktur angebracht sein. Die Struktur kann beispielsweise auch ein HF-Schirmblech oder ein anderes Metallteil umfassen. Hierdurch wird die Restleistung umgelenkt und zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 abgestrahlt. Dies führt zusätzlich zu einer besseren Anpassung der Antenne (-20...30 dB im Bereich +-5% um die Mittenfrequenz) und ferner zu einer zusätzlichen Stabilität gegenüber Fertigungstoleranzen. Die Abstrahlung des notwendigen 180°Bogenabschnitts 43 wird mit einer Struktur 20, die ebenfalls in dem rechteckigen Bereich der Leiterplatte 65 angeordnet ist, auf einen Impedanzwert nahe über Null Ohm und vorzugsweise auch möglichst gleich einer Impedanz der Vias angepasst, um anschließend im HF-Schirmzaun 16 kurzgeschlossen zu werden. Die Struktur kann beispielsweise in einer Draufsicht der Leiterplatte ein Sägezahnprofil aufweisen.
Die Leiterplatte 6 ist derart im Gehäuse 2 ausgerichtet, dass die äußeren sich bis an der Leiterplattenkante 61 fortsetzenden Vias an der Schlitzbreite in Längsrichtung jeweils ca. 1 mm Abstand zu den Kanten der schlitzförmigen Gehäuseöffnung aufweisen.
5 zeigt eine Schnittdarstellung A-A durch die Vorrichtung an der in 2 angedeuteten Position. Um die Vorrichtung auch in einem explosionsgefährdeten Bereich, insbesondere einem gasexplosionsgefährdeten Bereich, einsetzen zu können, kann die Vorrichtung derartig ausgeführt sein, dass das Gehäuse der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“, (Kennzeichnung Ex-d) gemäß der internationalen Norm IEC 600798-1 (Ausgabe 27.Juni 2014) genügt. Bei der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ wird die Ausbreitung einer Explosion verhindert. Hierbei beruht die Schutzart im Wesentlichen auf konstruktiven Maßnahmen, so dass ein Eindringen von Gasen zwar nicht verhindert wird, aber in dem Fall, dass zu einer Zündung im Inneren des Gehäuses kommt, das Gehäuse dem Explosionsdruck standhält und die Zündung nicht nach außen übertragen wird. Um den Anforderungen der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ zu genügen weist das metallische Gehäuse 2 im einfachsten Fall eine entsprechende Mindestdicke / Materialstärke von bspw. D_Gehäuse = 3 mm auf. Für die Ausgestaltung der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 stellt die Anforderung an die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ jedoch eine erhöhte konstruktive Herausforderung dar, da sichergestellt werden muss, dass eine mögliche Explosion, die im Inneren des Gehäuses stattfindet, nicht über die schlitzförmige Gehäuseöffnung nach außen dringen kann.
Ergänzend oder alternativ kann die schlitzförmige Öffnung 5 mit einem aus einem Material mit einer relativen Dielektrizitätszahl (einheits- bzw. dimensionslose Einheit) echt größer eins (ε_r > 1), insbesondere einer Dielektrizitätszahl zwischen 2 und 4 gefertigten Formteil ausgefüllt sein. Das Formteil ist insbesondere für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich transparent und wird somit im Folgenden auch als Leiter 230 bezeichnet. Beispielsweise kann der Leiter 230 aus einem Kunststoff, insbesondere Polyethylen (PE) gefertigt sein. Alternativ kann der Leiter 230 auch aus einem Glas gefertigt sein. Durch die Wahl der relativen Dielektrizitätszahl ε_r echt größer eins wird eine Verkürzung der Wellenlänge λ bewirkt. Der Leiter 230 ist derartig ausgeführt, dass dieser einen umlaufenden Bereich und einen hervorstehenden schlitzförmigen Bereich 231 aufweist. Der umlaufende 232 und der schlitzförmige Bereich 231 sind derartig ausgeführt, dass, wenn der Leiter 230 in die schlitzförmige Gehäuseöffnung eingesetzt ist, sich der umlaufende Bereich an eine Innenwandung des Gehäuses 2 um den schlitzförmigen Bereich 231 herum anlegt und der schlitzförmige Bereich 231 bis zu einer spezifizierten Tiefe T_Leiter in das Gehäuse eingreift.
Die maximal spezifizierte Tiefe T_Leiter kann derartig gewählt sein, dass eine Kugel bzw. Halbkugel MK, beim Herabfallen auf die schlitzförmige Gehäuseöffnung gerade nicht den in der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 eingeführten schlitzförmigen Bereich berührt. In 5 ist die Kugel schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen MK versehen. Als Kugel bzw. Halbkugel kommt insbesondere eine gehärtete Stahlkugel mit einem Durchmesser von 25 mm in Betracht. Die Schlagfestigkeitsprüfung wird insbesondere gemäß den Angaben in der internationalen Norm IEC 60079-0 (Ausgabe 13.12.2017) durchgeführt.
Zum Betrieb der Vorrichtung bei einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Wellenlänge von ca. λ = 122,36 mm kann die mit dem Formteil bestückte/ausgefüllte schlitzförmige Ausgestaltung beispielsweise eine Bogenlänge bzw. eine Länge im Bereich von L_Schlitz ≅ 61,18 ± 4,89 mm und eine Breite von ca. B_Schlitz ≅ 4 mm aufweisen.
Um eine mechanische sichere Anbindung des Leiters 230 an das Gehäuse 2 bzw. dessen Innenseite zu gewährleisten kann ein Federstahlbügel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die dazu dient, den Leiter 230 mit dem umlaufenden Bereich 232 an die Innenseite des Gehäuses 2 zu pressen.
Zur exakten Positionierung der Leiterplattenkante 61 kann der Leiter 230 einen oder mehrere Stege 237 aufweisen, die die Leiterplatte 6 halten und/oder positionieren. Der Steg 237 kann beispielsweise in Form einer länglichen im Querschnitt U-förmigen Ausnehmung ausgestaltet sein, in die die Leiterplatte 6 eingesteckt werden kann.
Um ein Eindringen von Staub und/oder Wasser zu verhindern, kann der hervorstehende umlaufende Bereich 231 des Leiters 230 an den in dem eingebauten Zustand zur Gehäusewand gerichteten Seitenfläche eine Aufnahme 235 für eine Dichtung 26 aufweisen. Als Dichtung kann beispielsweise ein allseitig umlaufender ovaler Ring vorgesehen sein, der im eingebauten Zustand in die Aufnahme 235 eingebracht ist.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Kabel
2: Gehäuse
21: Erste Stirnseite des Gehäuses
22: Zweite Stirnseite des Gehäuses
230: Formteil bzw. Leiter
231: Hervorstehender schlitzförmiger Bereich des Leiters
232: Umlaufender Bereich des Leiters
235: Seitliche Aufnahme für Dichtung
237: Steg zur Halterung und/oder Positionierung der Leiterplatte
3: Elektromagnetische Wellen
4: Primärantenne
41: Inaktiver Teilbereich der Leiterbahn
42: Aktiver Teilbereich der Leiterbahn
43: 180° Bogenabschnitt der Leiterbahn
44: Abgerundeter Bereich der Leiterbahn
5: Schlitzförmige Gehäuseöffnung
51: Kerbe bzw. kerbenförmige Ausnehmung
6: Leiterplatte
61: Leiterplattenkante
63: Erste Seite der Leiterplatte
64: Zweite Seite der Leiterplatte
65: Rechteckiger Bereich
7: Feldgerät
71: Feldgeräteelektronik
8: Nahfeld
9: Fernfeld
11: Sende-/Empfangseinheit
13: Kabeldurchführung oder Gewinde zum Anschrauben an ein Feldgerät
14: Kabeldurchführung für Kabelabführung
15: Anpassnetzwerk bzw. Anpassstruktur
16: HF-Schirmzaun
17: Metalleinbringungen, insbesondere Vias bzw. Durchkontaktierungen
18: HF-reflektierendes Element bzw. HF-Schirmblech
181: Aus dem Schirmblech herausragende Massefläche
20: Struktur zur Impedanzanpassung
DGehäuse: Materialstärke des Gehäuses
LGehäuse: Länge Gehäuse
LSchlitz: Länge schlitzförmige Gehäuseöffnung
BSchlitz: Breite schlitzförmige Gehäuseöffnung
DPCB: Leiterkartendicke bzw. -stärke
λ: Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen
MP: Mittelpunkt des Durchmessers des Gehäuses
E: Ebene in der die Primärantenne ausgebildet ist
α: Winkel

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse (2) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (3) einer bestimmten Wellenlänge (λ), umfassend: - das Gehäuse (2), welches im Wesentlichen eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Außenkontur aufweist, - eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (11) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (3), - mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete und in einer Ebene (E) ausgebildete Primärantenne (4) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (3) an die Sende-/Empfangseinheit (11), - genau eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) die derartig ausgebildet ist, dass für eine Länge bzw. eine Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L_Schlitz = λ/2 ± λ/25 gilt und die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) und die Primärantenne (4) derartig zueinander angeordnet sind, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) in einer Längsrichtung um einen Winkel α ≥ 30°, bevorzugt um einen Winkel α ≥ 60°, besonders bevorzugt um einen Winkel von ca. 90° zur Ebene (E) in der die Primärantenne (4) ausgebildet ist gedreht ist, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) im Zusammenspiel mit der Primärantenne (4) die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen (3) in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein aus einem Material mit einer relativen Dielektrizitätszahl (ε_r) echt größer eins (ε_r > 1) gefertigtes Formteil (230, 231, 232, 235, 237), welches einen an die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) angepassten hervorstehenden schlitzförmigen Bereich (231) aufweist, mit dem das Formteil bis zu einer spezifizierten Tiefe (T_Leiter) maximal in die Gehäuseöffnung eingreift, wobei für Länge bzw. die Bogenlänge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung $L_{Schlitz} = λ' / 2 \pm λ' / 25 mit λ' = \frac{λ}{\sqrt{μ_{T} \cdot ε_{r}}}$
gilt, wobei µ_T die magnetische Permeabilität des Materials des Formteils ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine Breite (B_Schlitz) der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) B_Schlitz < 25mm, bevorzugt B_Schlitz ≤ 10mm, besonders bevorzugt B_Schlitz ≤ 6mm, ganz besonders bevorzugt B_Schlitz ≅ 4mm gilt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) eine Kerbe (51) aufweist, die vorzugsweise in Längsrichtung gesehen im mittleren Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) an einer ersten Stirnseite (21) eine erste Kabeldurchführung (13) zum Durchführen eines Kabels oder ein Gewinde (13) zum Anschrauben des Gehäuses (2) an ein Feldgerät aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) zumindest an einer zweiten Stirnseite (22) eine zweite Kabeldurchführung (14) zum Durchführen eines Kabels (1a, 1b) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung ferner B_Schlitz ≥ 1/100·λ gilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine Materialstärke des Gehäuses (D_Gehäuse) zumindest im Bereich der schlitzförmigen Gehäuseöffnung D_Gehäuse ≤ 1/30·λ gilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leiterplatte (6) die derartig als Primärantenne (4) zum Aus- und/oder Einkoppeln der elektromagnetischen Wellen (3) ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen (3) seitlich an einer Leiterplattenkante (61) aus- bzw. eingekoppelt werden und wobei die Leiterplatte so in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, dass die Leiterplattenkante (61) zu der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) hin gerichtet ist und vorzugsweise unmittelbar daran angrenzt.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Primarantenne (4) in Form einer planaren Struktur, insbesondere in Form einer Leiterbahn auf der Leiterplatte in der Ebene (E) ausgebildet ist und in einem Randbereich (62) der Leiterplatte (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leiterbahn aus zwei im Wesentlichen parallelen Teilabschnitten (41, 42) besteht, die über einen 180° Bogenabschnitt (43) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Leiterplatte (6) ferner ein HF-Schirmzaun (16) umfasst, welcher vorzugsweise aus zumindest einer Reihe von Metalleinbringungen, insbesondere Vias (17) ausgebildet ist, wobei der HF-Schirmzaun (16) zumindest auf derselben Seite der Leiterplatte (63) wie die Primärantenne (4) ausgebildet ist und vorzugsweise einen auf der ersten Seite der Leiterplatte (63) an die Leiterplattenkante (61) angrenzenden rechteckige Bereich (65) ausbildet, in dem die Primärantenne (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Leiterplatte (6) ferner ein Metall aufweisendes HF-reflektierendes Element (18) umfasst, welches vorzugsweise ein elektrisches Bauteil, wie beispielsweise eine Spule, ein Kondensator, ein Übertrager, eine Klemme o.ä. aufweist, und wobei das HF-reflektierende Element (18) auf der anderen Seite der Leiterplatte (64) wie die Primärantenne (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und/oder 13, wobei das HF-reflektierende Element (18) und/oder der HF-Schirmzaun (16) so auf der Leiterplatte (6) angeordnet sind, dass die Primärantenne (4) zwischen dem HF-reflektierenden Element (18) bzw. HF-Schirmzaun (16) und der Leiterplattenkante (61) angeordnet ist.
Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Feldgerät der Automatisierungstechnik (7) umfassend einen Feldgeräteadapter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gehäuse (2) an einer zweiten Stirnseite (22) ein mechanisches Anschlusselement zum Anschließen des Feldgeräteadapters an eine Kabeldurchführung des Feldgerätes aufweist.