(57)【要約】本発明の実施形態は、空隙を介してデータを送信することに適合可能な非接触のデータ接続部を提供する。データ接続部は、第１の基板と、疎結合の広帯域パルス変圧器であって、データ送信を、変圧器の一次巻線を二次巻線から分離する空隙を介して行なう変圧器とを含む。変圧器の一次巻線は、第１の基板上および／または基板内の平行面に形成された少なくとも２つの平面巻線であって、平面巻線の分布キャパシタンスおよびインダクタンスに起因する伝送線共振を中和することを容易にする平面巻線を含む。
2009529809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
疎結合の広帯域パルス変圧器であって、前記変圧器の一次巻線を二次巻線から分離する空隙を介してデータを送信する広帯域パルス変圧器と
を備え、
前記変圧器の前記一次巻線は、前記第１の基板上および基板内の少なくとも一方の平行面に形成された少なくとも２つの平面巻線であって、前記平面巻線のキャパシタンスおよびインダクタンスの分布に起因する伝送線共振を中和することを容易にする平面巻線を含む、非接触の電磁気的データ接続部。
【請求項２】
正確に２つの平面巻線が存在する、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項３】
前記平面巻線はそれぞれ、同一の巻数で形成される、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項４】
前記二次巻線は、第２の基板上および基板内の少なくとも一方に形成された単一の平面巻線を含み、前記第２の基板は前記空隙によって第１の基板から分離される、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項５】
前記平面巻腺のインダクタンスおよびキャパシタンスの分布に起因して生じる伝送線共振を中和するために、実質的に巻線の幾何学的中心に配置された少なくとも１つの抵抗器
をさらに備える、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項６】
前記二次巻線の前記単一の平面巻線の実質的に幾何学的中心に配置された少なくとも１つの抵抗器
をさらに備える、請求項４に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項７】
前記抵抗器の値は、前記平面巻線間の総キャパシタンスと前記平面巻線に沿って生じる信号伝搬遅延とによって決定される、請求項５に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項８】
前記値は、抵抗器間の総キャパシタンスと平面巻線に沿って生じる信号伝搬遅延とにより、１つの平面巻線の端子を測定することによって決定される、請求項７に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項９】
前記平面巻線が、フェライト・バックストップに極めて接近して配置されて、前記一次巻線によって生成される磁界を成形する、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１０】
前記一次巻線に極めて接近して電気的に接続された増幅器であって、ベース・ユニットから前記一次巻線へのデータを表わす信号を増幅して、前記ベース・ユニットを前記一次巻線から物理的に分離することを可能にする増幅器
をさらに備える、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続。
【請求項１１】
前記増幅器と前記一次巻線との間に配置されたアドミッタンス・イコライザであって、増幅器に対する抵抗負荷を与えるためのアドミッタンスを等しくするアドミッタンス・イコライザ
をさらに備える、請求項１０に記載の非接触の磁気的データ接続。
【請求項１２】
前記一次変圧器の、磁界が生成される前記一次変圧器領域以外を囲む金属製ハウジング
をさらに備える、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１１】
前記金属製ハウジングと、ベース・ユニットから前記一次変圧器へデータを伝えるケーブルのシールドとに電気的に接続される鋸歯状の接地リング
をさらに備える、請求項１２に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１４】
前記ケーブル中の導体の平衡差動対
をさらに備える、請求項１１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１５】
同相モードＤＣ電圧を前記平衡差動対に供給する電源
をさらに備える、請求項１４に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１６】
前記一次巻線が前記二次巻線中に誘起する信号を変更するイコライザを有するベース・ユニット
をさらに備え、前記イコライザは、前記変圧器の周波数応答に対する補償を、フィルタの自然の挿入損失に対処するための付随の増幅器を伴う多段のパッシブ・フィルタを用いて行なう、請求項１に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１７】
前記イコライザは、極およびゼロの分布を含んで、コンポーネントおよび変圧器パラメータ変動に対する振幅感度として、線形関数ではなくて二次関数の振幅感度を与える、請求項１６に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１８】
前記ベース・ユニットに極めて接近して電気的に接続された自動利得制御装置であって、前記ベース・ユニットからネットワーク・インターフェース・デバイスに与えられる信号振幅を調整する自動利得制御装置
をさらに備える、請求項１０に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項１９】
前記ベース・ユニットに極めて接近して電気的に接続されたローカル・エリア・ネットワーク接続であって、ネットワークとベース・ユニットとの間の相互接続点を与えるローカル・エリア・ネットワーク接続
をさらに備える、請求項１８に記載の非接触の磁気的データ接続部。
【請求項２０】
空隙を介してデータを送信する疎結合の広帯域パルス変圧器を形成する、空隙によって分離された一次巻線を有する第１の基板と二次巻線を有する第２の基板とであって、前記変圧器の前記一次巻線は、同一の巻数で第１の基板上および基板内の少なくとも一方の平行面に形成された少なくとも２つの平面巻線であって、前記平面巻線のキャパシタンスおよびインダクタンスの分布に起因する伝送線共振を中和することを容易にする平面巻線を含む、第１および第２の基板と、
平面巻線のインダクタンスおよびキャパシタンスの分布に起因して生じる伝送線共振を中和するために、実質的に前記平面巻線の幾何学的中心に配置された少なくとも１つの抵抗器と
を備える、非接触の電磁気的データ接続部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、非接触のデータ信号連結の分野に関し、より具体的には、空隙を介した広帯域通信に対して最適化された非接触のデータ信号連結メカニズムの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、仮出願である発明の名称「非接触のデータ通信用連結器」（２００６年１月７日出願、出願番号６０／７５７，０４６）に関連し、その優先権を主張する。なおこの文献の全体の開示は、本明細書において参照により取り入れられている。さらに本出願は、ＰＣＴ出願である発明の名称「列車連結環境における非接触のデータ通信用連結器の方法およびシステム」、（２００６年７月７日出願、出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０６／２６６７２）に関連し、その優先権を主張する。なおこの出願は、本明細書において参照により完全に取り入れられている。
【０００３】
本発明は一般的に、非接触のデータ信号連結の分野に関し、より具体的には、列車連結環境に対して最適化された非接触のデータ信号連結メカニズムの分野に関する。
貨車（たとえば市街電車または鉄道車両）間の電気的連結は一般的に、電力または低バンド幅のデータ信号を伝えることに限られている。互いに接続された貨車間で行なうデータ通信をより高速にすることがますます求められている。たとえば、要求として、１つまたは複数の鉄道車両の内部のリアル・タイム・ビデオ観察、多数のシステム・モニタリング・データ値のリアル・タイム観察、および鉄道列車の複数の車両間で行なう他のデータ通信の実現が求められているために、鉄道車両の周辺で行なうデータ送信に必要なデータ・レートが増加して、５０メガビット／秒を超える値になり、しばしば９０メガビット／秒を超える値になっている。一般的に、このような高速データ転送が、急速着脱連結に組み込まれる接続部を介して実現可能となることは、鉄道用連結器の物理的なサイズ、構造、および環境によって制約される。貨車間で高バンド幅のデータ転送を実現する代替的な方法として、ＲＦ通信を用いることが挙げられる。しかしＲＦ通信は、異なる列車間で生じる干渉およびクロス・トークを受ける。そのため、適切な通信接続が、同じ列車内の鉄道車両間のみで確実に行なわれるように、軽便鉄道で使用される車両すべてについて、一意にアドレス指定する必要がある。
【０００４】
貨車（市街電車、路面電車、および軽量の鉄道車両を含む）（以下「車両」）は一般的に、機械連結器によって互いに接続されている。電気連結器ヘッド（以下「ヘッド」）（箱形の電気絶縁体を含む）が、各機械連結器に取り付けられている。ヘッドの電気絶縁体には、ほぼ直径０．３７５インチ（約１ｃｍ）の円筒型開口部が複数個、金属のピンを受け入れるために設けられている。電力または低バンド幅のデータ信号に対する既知の電気的連結は一般的に、２つのヘッドの対応するピン間のオーム接触を用いることによって行なわれ、各ヘッドは、一対の連結された機械連結器に取り付けられている。集中的な信号処理を行なわずに、このような電気的連結は、電力または１メガビット／秒未満の低バンド幅のデータ信号を伝えることに限られている。なぜならば、高速のデータ・ケーブルのインピーダンスと、ピンおよびピン間の接合部のインピーダンスとの間に大きな差があるからである。このような粗いピン接続はまた、ヘッドに含まれる隣接ピン間の間隔が大きいことに起因する電気放射および干渉も受ける。ピンを用いた電気的連結は、機械連結器が連結されていないと急速に電気的連結が断たれるという意味で、急速着脱連結と考えられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の対象は特に、本明細書の結びにおける請求項において示され、明確に請求される。前記の特徴および他の特徴、ならびに本発明の優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかとなる。
【０００６】
本発明の実施形態は、空隙を介してデータを送信することに適合可能な非接触のデータ接続部を提供する。データ接続部は、第１の基板と、疎結合の広帯域パルス変圧器であって、データ送信を、変圧器の一次巻線を二次巻線から分離する空隙を介して行なう変圧器とを含む。変圧器の一次巻線は、第１の基板上および／または基板内の平行面に形成された少なくとも２つの平面巻線であって、平面巻線の分布キャパシタンスおよびインダクタンスに起因する伝送線共振を中和することを容易にする平面巻線を含む。
【０００７】
これらの実施形態では、主に磁界結合を用いて、ベースバンド・データまたはＲＦ信号の通信を、電気連結器ヘッド内に容易に取り付け可能な急速着脱の電気的連結デバイスを通して行なう。
【０００８】
本発明とみなされる対象は特に、本明細書の結びにおける請求項において示され、明確に請求される。前述の目的および他の目的、特徴、ならびに本発明の優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次のことを理解されたい。すなわちこれらの実施形態は、本明細書における画期的な教示が示す多くの優位な使用方法の例に過ぎない。一般的に、本出願の明細書でなされる記載は、必ずしも、請求する種々の発明のいずれかを限定するわけではない。また一部の記載については、本発明の特徴の一部には適用しても良いが、他には適用できない場合がある。一般的に、特に断りのない限り、単一の要素を複数で与えても良く、逆もまた同様であり、これらは何ら一般性を失うことなく可能である。
【００１０】
本出願では、ｉ）仮出願である発明の名称「非接触のデータ通信用連結器」（２００６年１月７日出願、出願番号１０／７５７，０４６）、ｉｉ）ＰＣＴ出願である発明の名称「列車連結環境における非接触のデータ通信用連結器の方法およびシステム」（２００６年７月７日出願、出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０６／２６６７２）、およびｉｉｉ）仮出願である発明の名称「列車連結環境における非接触のデータ通信用連結器の方法およびシステム」（２００５年７月７日出願、出願番号１０／６９７，３１７）の３つの各参考文献を、それぞれ参照により全体に組み込んでいる。
【００１１】
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態を本明細書において開示する。しかし次のことを理解されたい。すなわち、開示する実施形態は本発明の例に過ぎず、本発明は種々の形態で具体化することができる。したがって、本明細書で開示する特定の構造上および機能上の詳細は、限定であると解釈してはならず、単に、請求項に対する根拠、および本発明を事実上任意の適切な詳細な構造において様々に用いることを当業者に教示するための代表的な根拠と解釈しなくてはならない。さらに、本明細書で用いる用語および語句は、限定を意図したものではなく、むしろ、本発明の理解可能な説明を与えることを意図したものである。
【００１２】
用語「複数」は、本明細書で用いる場合、２つまたは２つを超えると規定される。用語「他の」は、本明細書で用いる場合、少なくとも２番目またはそれを超えると規定される。用語「含んでいる」および／または「有している」は、本明細書で用いる場合、「含んでいる」と規定される（すなわち、オープン・ランゲージ）。用語「連結される」は、本明細書で用いる場合、「接続される」であるが、必ずしも直接的には行なわれておらず、また必ずしも機械的には行なわれていないと規定される。用語「信号」、「制御」、「閾値」は、情報をアナログまたはデジタル入力へ伝えるための任意の電気的、磁気的、光学的、生物学的、化学的なもの、またはそれらの組み合わせである。
【００１３】
本発明の代表的な実施形態では、２つの連結された車両間で高速でデータを転送するための２つの異なるアプローチであって、車両間のオーム接触を必要とすることも用いることもない信号連結システムを用いる２つのアプローチのうちの一方を用いる。各アプローチは、たとえば、１００Ｍｂｉｔ／秒のイーサネット信号を、１つの車両から別の車両へ、機械的な列車連結器のヘッドに容易に組み込まれる信号連結ユニットを介して、伝えることができる。これらのアプローチのうちの第１のものは、イーサネット・ベースバンド信号を、各信号連結ユニット内のカスタム・デザインの磁気（システムの専用の能動信号調整回路構成と組み合わせて用いられる）を介して、直接的に連結させるものである。このアプローチでは、全二重イーサネット通信が１００Ｍｂｉｔ／秒で可能である。これらのアプローチのうちの第２のものは、５ＧＨｚの付近で動作する無線周波数（ＲＦ）信号（たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ無線形式）への中間的な変換を取り入れるものである。ＲＦ信号を信号連結ユニット間で送信することが、各信号連結ユニット内の特別にデザインされた短距離の近傍場アンテナの様な連結装置を通して行なわれる。ＲＦアプローチは、半二重の動作を、５４Ｍｂｉｔ／秒（標準装備時）において、または１０８Ｍｂｉｔ／秒（特別な非標準装備時）において、一度に１つの方向に行なうことに限定される。
【００１４】
２つのヘッドの概略
図１は、２つのヘッド１０１および１０２の一部を示す断面図である。各ヘッド１０１および１０２（電気絶縁体１０３および１０４をそれぞれ含む）が、車両の機械連結器（図示せず）に取り付けられている。本発明の代表的な実施形態による少なくとも１つの信号連結ユニットが、各ヘッド１０１および１０２内に取り付けられている。２つのタイプの信号連結ユニットがある。非接触の送信ユニット１０５および１０８と、非接触の受信ユニット１０６および１０７である。各信号連結ユニットには、電気的連結コンポーネントが含まれ、これらコンポーネントはピン状の金属製ハウジング１０９内に含まれている。ハウジング１０９は、少なくとも一次巻線を、磁界が空隙１２０（各送信受信部ユニット対１０３、１０４および１０８、１０７をそれぞれ分離している）を介して生成される領域以外において、囲んでいる。ハウジング１０９は、ヘッド１０１および１０２における円筒型の取り付け用開口部内に容易に取り付け可能である。１つの代表的な実施形態においては、ハウジングの外径は０．７インチ（約１．８ｃｍ）である。ハウジング１０９の外径は、従来技術のピンの外径よりもわずかに大きいため、ハウジングに割り当てられる円筒型の取り付け用開口部の直径は、適切に拡大されている。各信号連結ユニットが、従来技術のピンの代わりに用いられる。車両上の１つの非接触の送信ユニット１０５は、隣接する連結された車両上の１つの非接触の受信ユニット１０６と、対になるかまたは係合している。図１において、ヘッド１０１は、１つの非接触の送信ユニット１０５と１つの非接触の受信ユニット１０７とを有し、ヘッド１０２は、１つの非接触の受信ユニット１０６と１つの非接触の送信ユニット１０８とを有する。送信ユニット１０８は受信ユニット１０７と係合し、これらは対を構成する。送信ユニット１０５は受信ユニット１０６と係合し、これらは別の対を構成する。ギャップ１２０が、非接触の送信ユニット１０８（ヘッド１０２内に取り付けられている）と非接触の受信ユニット１０７（ヘッド１０１内に取り付けられている）との間に現れている。またギャップ１２０は、非接触の受信ユニット１０６（ヘッド１０２内に取り付けられている）と非接触の送信ユニット１０５（ヘッド１０１内に取り付けられている）との間にも現れている。一実施形態において、ギャップ１２０の範囲は０〜１５０／１０００インチ（約０〜３．８ｍｍ）とすることができ、これはデータ・エラー・レートに実質的に影響することなく可能である。なお重要なこととして、他の実施形態におけるギャップ１２０は（１５／１０００）インチ（約３．８ｍｍ）より大きくすることができ、これは付加的なゲインおよびわずかに高いレートを伴って可能である。本発明の信号連結ユニットは、従来技術のピンとは異なって、隣接する車両上の相手方と物理的な接触をすることはない。電磁界のみが、対になった信号連結ユニット間のギャップ１２０を埋めている。前述したことは、ベースバンド連結アプローチに適用される。ＲＦ連結アプローチの場合、発信部と受信部との間の区別は消えて、一対の特別なピン（たとえば１０５および１０６）のみが、信号を伝えるのに必要とされる。この区別が生じるのは、任意の単一の無線チャンネルが半二重の性質を有するからである。
【００１５】
次に図１および２を参照して、上部対の対向する信号連結ユニットである非接触の送信ユニット１０８および非接触の受信ユニット１０７は、データを右側の車両２０２から左側の車両２０１へ伝える。一方で、下部対の信号連結ユニットは、データを反対方向に伝える。２対の信号連結ユニットを、イーサネット・ベースバンド・アプローチ（全二重通信を実現する）で用いる。第２のアプローチ（ＲＦ信号に変換する結果、半二重の動作を実現する）では、１対の信号連結ユニットのみを用いる。
【００１６】
イーサネット・ベースバンドに対するネットワーク・アーキテクチャ
図２に、列車編成の車両２０１を車両２０２と連結するネットワーク・アーキテクチャ２００を例示する。ネットワーク・アーキテクチャには、本発明の第１の典型的な実施形態により、非接触イーサネット・ベースバンド信号連結が取り入れられている。セグメント・インターフェースまたはベース・ユニット２０４が、各車両２０１および２０２内に配置される小さいボックスに含まれている。セグメント・インターフェースまたはベース・ユニット２０４には、車両内ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）２０６に対して正しい信号振幅および終端インピーダンスを与える能動回路が含まれている。ＬＡＮ２０６は、各車両内で、従来のカテゴリ−５（ＣＡＴ−５）またはＣＡＴ−５Ｅイーサネット・ケーブルを用いて接続されている。セグメント・ユニット・インターフェースまたはベース・ユニット２０４は、イーサネットＬＡＮケーブルに対するインターフェースとしての機能を果たし、送信および受信信号をさらに増幅することを行ない、送信信号に対する等化ネットワークの初期段階を含んでいる。電力を、線路インターフェース・ユニットまたはベース・ユニットまたはセグメント・インターフェース・ユニット２０４へ供給することが、ＣＡＴ−５ケーブル２０８の内部に含まれる余剰の撚ワイヤ対によって行なわれる。セグメント・インターフェース・ユニット２０４から電力を非接触の受信ユニット１０６および非接触の送信ユニット１０８へ与えることが、車両２０２の第１の端部２５０において行なわれる。ケーブル２１０および２１２によって、セグメント・インターフェース・ユニット２０４を非接触の受信ユニット１０６に接続すること、および非接触の送信ユニット１０８に接続することが、それぞれ行なわれる。一実施形態においては、ケーブル２１０および２１２はツイナックスであるが、他のタイプのケーブルも本発明とともに好都合に使用されることが分かっている。この実施形態においては、セグメント・インターフェース・ユニット２０４上には、コネクタとして、図に示したケーブルに必要とされるもの以外は存在しない。セグメント・インターフェース・ユニット２０４は、車両情報コントローラ２２０に結合されている。車両情報コントローラ２２０は、サブシステム（ＬＡＮ２０６上でデータを共有する）の背後にある制御知能としての機能を果たす。車両情報コントローラ２２０は、スイッチング・ハブ２３０に、また第２のセグメント・インターフェース・ユニット２３４に結合されている。第２のセグメント・インターフェース・ユニット２３４は、第２の組の非接触の連結ユニット（図示せず）に、車両２０２の第２の端部２５２において結合されている。スイッチング・ハブによって、ＬＡＮ２０６上で通信する種々のデバイスを結合させる場所が実現され、またイーサネット・フレームに、それらの送信元および送信先アドレスに基づいて知的なルーティングが実現される。セグメント・インターフェース・ユニット２０４は、ＬＡＮ２０６の一部である（しかし厳密に言えば、イーサネット・デバイスではない）。セグメント・インターフェース・ユニット２０４は、イーサネット信号を伝えるが、それ自身のメディア・アクセス制御アドレスは有していない。
【００１７】
ＲＦ信号連結に対するネットワーク・アーキテクチャ
図３に、列車編成の車両３０１を車両３０２に連結するネットワーク・アーキテクチャ３００を例示する。ネットワーク・アーキテクチャには、無線ネットワーク標準（たとえばＩＥＥＥ８０２．１１）によるＲＦ信号連結が取り入れられている。ＲＦベースのネットワーク・アーキテクチャ３００には、ＬＡＮ３０６が含まれている。ＲＦベースのネットワーク・アーキテクチャ３００は、図２に例示したイーサネット・ベースバンド・ネットワーク・アーキテクチャ２００と複数の類似点がある。しかし線路インターフェース・ユニット、ベース・ユニットまたはセグメント・インターフェース・ユニット２０４の代わりに、無線ネットワーク・ブリッジ３０４が用いられ、ツイナックス２１０の代わりに高周波の同軸ケーブル３１０が用いられている。無線ネットワーク・ブリッジ３０４には、ＲＦ送受信装置およびネットワーク・アダプタが含まれている。他の違いは、ＲＦベースのネットワーク・アーキテクチャ３００にパワー・オーバー・イーサネット・アダプタ３６２および３６４が含まれている点である。アダプタ３６２および３６４は、車両情報コントローラ３２０に、スイッチング・ハブ３３０に、無線ネットワーク・ブリッジおよび第２の無線ネットワーク・ブリッジ３３４に結合されている。パワー・オーバー・イーサネット・アダプタ３６２および３６４は、ＣＡＴ−５ケーブル内の使用されない撚線対のうちの１つに４８ＶＤＣを設定して、電力をデバイス（たとえば８０２．１１ブリッジ）（ＬＡＮ３０６上で通信する一方で、その電力をＬＡＮから引き出すことを、ＩＥＥＥ標準８０２．３ａｆに従って行なう）に送る。各信号連結ユニット３１１および３１２の内部には、高周波の近傍場アンテナ（図示せず）が設けられている。
【００１８】
イーサネット・ベースバンド・ネットワーク・アーキテクチャ２００およびＲＦベースのネットワーク・アーキテクチャ３００の両方において、制御信号２２２および３２２によって、車両情報コントローラ２２０および３２０がそれぞれ有効にされ、車両２０２および３０２の一方または両方の端部におけるシステムの無線連結が無効にされる。この特徴によって、車両２０２および３０２の非連結端から意図しない信号放射が起こることが防止されるとともに、列車編成の数え上げにも役立つ。
【００１９】
イーサネット・ベースバンドに対する概略的なシステム
図４および図５に、非接触イーサネット・ベースバンド連結システムを構成するコンポーネントを示すブロック図を例示する。一次の送信ユニットと標示されたブロックおよび一次の受信ユニットと標示されたブロック（図４）は、連結器搭載ハードウェアを表しており、変圧器巻き線、ローカル増幅器（送信部ドライバおよび受信部プリアンプと言う）、ならびに同相モードＤＣ電圧として差動（ツイナックス）ケーブルに供給される動作電力を取り出すための回路構成が含まれている。用語「一次」は、本明細書で用いる場合、初期設定の送信チャンネルを示しており、変圧器の一次巻線を指すわけではない。バックアップ送信ユニットと標示されたブロックおよびバックアップ受信ユニットと標示されたブロック（図５）は、バックアップ送信チャンネル（一次のチャンネル上に障害が発生したときに用いられる）に対する対応する連結器搭載ハードウェアを表わす。またブロック図には、各チャンネルに対する発信部ユニットの内部の変圧器一次巻線に対するアドミッタンス等化回路網（ＹＥＱと標示される）の表示も含まれている。図示される他の特徴は、ＡＧＣメカニズム（ＡＧＣ増幅器、トラック・アンド・ホールド、ＡＧＣサーボ、およびピーク検出器からなる）、ならびにゲイン等化ネットワーク（ＡＥＱおよびＡＥＱ２と標示される）である。これらの機能ブロックは、各チャンネルに対する回路構成において繰り返されている。最後に、ブロック図には、標準化されたインターフェースをイーサネットＬＡＮに提供するために用いられる単一チップのスイッチング・ハブが示されている。このインターフェース・デバイスはまた、ネットワークを通過したイーサネット・データ・フレームに対する蓄積交換サービスも提供する。
【００２０】
周波数応答
図６は、本発明の第１の代表的な実施形態のイーサネット・ベースバンド連結を通して連結される信号に対する周波数ドメイン伝達関数を示すグラフ６００である。ｘ軸は周波数を示す。左のｙ軸は大きさを示す。右のｙ軸は位相を示す。図６では、４つの曲線を示している。それらは以下の通りである。すなわち、「Ｖ（ｏｕｔ）、大きさ」６０１（セグメント・インターフェース・ユニット内の受信部増幅器の出力のシミュレートされた大きさ）、「Ｖ（ｏｕｔ）、位相」６０２、（セグメント・インターフェース・ユニット２０４内の受信部増幅器の出力のシミュレートされた位相）、「Ｖ（ｘ４ｓ＋）、位相」（パッケージされた市販のイーサネット変圧器のカスケード対の出力のシミュレートされた位相）、および「Ｖ（ｘ４ｓ＋）、大きさ」（パッケージされた市販のイーサネット変圧器のカスケード対の出力のシミュレートされた大きさ）である。パッケージされた市販のイーサネット変圧器のシミュレートされた出力は、比較のために示している。本発明の非接触のデータ通信連結システムは、イーサネット・ベースバンド信号を、空隙として最大で１５０／１０００インチ（約３．８ｍｍ）を介して連結することに成功している。図６の示すところによれば、本発明の非接触のデータ通信連結システムに対する周波数応答６０１および６０２は、従来技術のイーサネット変圧器対の結合特性に近づいていて優位である。図６において、「Ｖ（ｏｕｔ）、大きさ」と標示された曲線は、スイッチ・チップ受信端末から見た電圧の周波数−ドメイン表現であって、ＩＥＥＥ８０２．３において規定される１００Ｂａｓｅ−ＴＸに対する標準のライン振幅で規格化したものである。ＡＧＣ回路は、この振幅における受信信号を、広範囲の空隙値に渡って調整する。本発明の非接触のデータ通信連結システムがイーサネット信号の連結に成功するギャップ１２０のサイズは、部分的には、巻き線の直径に依存し、直径の増加とともに増加することに注意されたい。また送信距離は、セグメント・インターフェース・ユニット内の受信部増幅器チェーンにゲインを加えることによって、増加させることができる。
【００２１】
周波数応答
図８は、本発明の第１の代表的な実施形態のイーサネット・ベースバンド連結を通して連結される信号に対する周波数ドメイン伝達関数を示すグラフ６００である。ｘ軸は周波数を示す。左のｙ軸は大きさを示す。右のｙ軸は位相を示す。図６８では、４つの曲線を示している。それらは以下の通りである。すなわち、「Ｖ（ｏｕｔ）、大きさ」６０１（セグメント・インターフェース・ユニット内の受信部増幅器の出力のシミュレートされた大きさ）、「Ｖ（ｏｕｔ）、位相」６０２、（セグメント・インターフェース・ユニット２０４内の受信部増幅器の出力のシミュレートされた位相）、「Ｖ（ｘ４ｓ＋）、位相」（パッケージされた市販のイーサネット変圧器のカスケード対の出力のシミュレートされた位相）、および「Ｖ（ｘ４ｓ＋）、大きさ」（パッケージされた市販のイーサネット変圧器のカスケード対の出力のシミュレートされた大きさ）である。パッケージされた市販のイーサネット変圧器のシミュレートされた出力は、比較のために示している。本発明の非接触のデータ通信連結システムは、イーサネット・ベースバンド信号を、空隙として最大で５０／１０００インチ（約１．３ｍｍ）を介して連結させることに成功しており、またイーサネット・ベースバンド信号を、空隙として最大で１５０／１０００インチ（約３．８ｍｍ）で連結させることが可能であり得る。図６の示すところによれば、本発明の非接触のデータ通信連結システムに対する周波数応答６０１および６０２は、従来技術のイーサネット変圧器対の結合特性に近づいていて優位である。次のことに注意されたい。すなわち、本発明の非接触のデータ通信連結システムがイーサネット信号の連結に成功するギャップ１２０のサイズは、部分的には、巻き線の直径に依存し、直径の増加とともに増加する。また送信距離は、セグメント・インターフェース・ユニット内の受信部増幅器チェーンにゲインを加えることによって、また自動利得制御装置（図示せず）を加えることによって、増加させることができる。
【００２２】
優位なことに、いったん、列車編成の車両（たとえば車両２０１および２０２）が互いに連結されて、種々の車両内のネットワーク・デバイスが互いを見出して通信が確立されると、列車幅のネットワークが形成されて、単一のＬＡＮとして効果的に機能する。
【００２３】
非接触のデータ通信用連結器の詳細
非接触のデータ通信用連結器システムは、１００Ｍｂのイーサネット・ベースバンド信号の直接の通信を、列車連結器を介して、空隙を介して動作する疎結合の広帯域パルス変圧器によって遂行する。図７は、発信部７０２および受信部７１２の一実施形態を例示する正面図である。一次巻線７０４は送信ユニット（第１の列車車両１上に配置される）内にあり、二次巻線７１４は受信ユニット（第２の列車車両上に配置される）内に含まれる。一次巻線は、基板７０６上および／または基板内にあり、一実施形態においては略環状である。一実施形態においては、一次巻線７０４は２つの層を有し（後記する図９において詳細に示す）、１１回転／層である。ここで、一方の層は他方の層の上部に形成されることが、実質的に電力面内で行なわれて、基板７０６上および／または基板内に配置される２つの平面巻線を形成している。２つの平面巻線を形成しているのは、平面巻線の分布キャパシタンスおよびインダクタンスに起因する伝送線共振を中和するためである。さらに一次巻線は、終端抵抗器７０８としてほぼ１１０オームのものを有している。
【００２４】
一実施形態においては、二次巻線７１４は、１つの巻き線が１つの層内にあって７回転を有すると示されている。次のことに注意されたい。すなわち、一次巻線７０４および二次巻線７１４の両方において、他の幾何学的形状、他の巻数、ならびに他の層数であって、平面巻線の分布キャパシタンスおよびインダクタンスに起因する伝送線共振を中和する層の数は、本発明の真の範囲および趣旨に入る。
【００２５】
図８は、本発明による図７の受信部プリント回路基板および発信部プリント回路基板を示す側面図である。発信部７０２の基板７０６と受信部７１２の基板７１６とは、空隙８２０によって分離されていると示されており、これらは、発信部７０２および受信部７１２の一実施形態を例示するものである。発信部７０２は回路基板８０２に結合しており、同様に、受信部は回路基板８１２に結合している。フェライト・ディスク８０８および８１８が、発信部７０２の基板７０６と受信部７１２の基板７１６との真下に、配置されている。本発明は、空隙８２０と好都合に動作して、発信部７０２と受信部７１２との間に電磁場８５２を生成することが分かっている。発信部７０２と受信部７１２との間の範囲は、０．０１インチ〜０．１５０インチ（約０．２５〜３．８ｍｍ）であるが、他のバンド幅に対しては他の範囲も可能である。
【００２６】
フェライトの目的は、磁束線を真っ直ぐにし、インダクタンスをわずかなマージンだけ増加させて、発信部または受信部ハウジング内の近くの回路に対する浮遊磁気結合を防止することである。フェライトの正確な特性はそれほど重要ではない。なぜならば、空隙が磁気回路の抵抗の約８０％を占めるからである。それでも、良好なパルス変圧器フェライトを選択すべきである。本明細書の一実施形態において使用される材料は、ニッケル亜鉛フェライトであって、初期透磁率がほぼ１３００（５０ｋＨｚ）、１００（１００ＭＨｚ）、および１０（１ＧＨｚ）のものである。Ｑ（損失の逆の測定値）の範囲は、２３（５０ｋＨｚ）〜０．３２（１００ＭＨｚ）である。本発明は、空隙１０２０と好都合に動作して、発信部７０２と受信部７１２との間に電磁場１０５２を生成することが分かっている。発信部７０２と受信部７１２との間の範囲は、０．０１インチ〜０．１５０インチ（約０．２５〜３．８ｍｍ）であるが、他のバンド幅に対しては他の範囲も可能である。
【００２７】
空隙パルス変圧器における固有の限界への対処
本発明は、広帯域のパルス列を疎結合の変圧器内で伝達することに付随する問題に対処するものである。問題には以下のものが含まれる。
【００２８】
１）巻き線によって表わされる等価な伝送線内の波面反射によって生じる共振歪み、
２）小さい巻き線でかなりの空隙を有するものから利用できるインダクタンスが限られていることによって生じる周波数歪み。
【００２９】
一実施形態においては、変圧器巻き線の共振振動を信号帯域よりも上にプッシュすることで前記の共振歪みが緩和されるように、一次巻線７０４および二次巻線７１４導体の全長をできるだけ短くする。導体を短くすることに伴う問題は、インダクタンスに限界があることであり、周波数歪みを悪化させることになる。たとえば、典型的なパッケージされたイーサネット変圧器の場合、最も小さい一次インダクタンスは約３５０μＨである。本発明の疎結合の広帯域パルス変圧器で用いるのは、一次において４μＨ未満であり、二次において４００μＨ未満である。インダクタンスが小さいと、低周波の応答が不十分になり、ベースライン不安定性の増加として現れる。インダクタンスを上げると、巻き線の４分の１波長共振周波数が下がるため、反射されたパルス・エッジが起こす高周波の歪みをさらに悪化させることになる。これらの相互に関連した現象に対処するために、本発明では以下の技術を用いる。
【００３０】
図７においてすでに記載したように、一次巻線７０４を構成するのは、２つのらせん状巻き層であって、それぞれ同じ巻数を有し、それらの電磁界を互いに補強するようになっている層である。図９に示すのは、図９の発信部９０２および受信部９１２の側面図である。２つの層９４２および９４４が、基板９０６上に配置され、それらの中心において、中心ビア９７４を通して結合されている。
【００３１】
フェライト・バックストップまたはフェライト・ディスク８０８が、発信部９０２上の巻き線９４２および９４４の真裏に配置されている。またフェライト・ディスク９８８が、受信部９１２上の巻き線８２０の真裏に配置されている。発信部９０２上のピン９７０および９７６の組と受信部９１２上のピン９８６の組とによって、図８の対応するプリント回路基板８０２および８０４が電気的に結合されている。２つの平面巻線層の間の結合点（巻き線全体の中間点を表わす）において、ある特定の値の抵抗器が挿入されている。この値について、以下でさらに説明する。この抵抗器によって、巻き線層が形成した不均一な分布伝送線が効果的に終了する。受信部増幅器の入力インピーダンスは無限ではないため、二次の構成が、終端抵抗器を伴わない単一の巻き線層であるステップ・ダウン・デザインとなる。この二次の自己共振は約１ＧＨｚであって、信号帯域を十分に上回っており、また増幅器入力端子から見た電源インピーダンスは十分に低いため、高周波の応答が増幅器の入力キャパシタンスによって過渡に影響されることはない。
【００３２】
図１１は、図６および９の斜視図であり、送信ユニットのプリントされた２層のらせん状巻き線が、抵抗器８２８が配置された中間点において、どのようにウェーブレット・キャンセルを起こすかを例示する図である。この場合、上部および下部の回路層を接続する中心のプリント回路「ビア」８２６が、巻き線の中間点を表わして、等価な伝送線の端子シャントに対応する。
【００３３】
一実施形態においては、付加的な負荷インピーダンスとして数１００オームを二次巻線端子間に設けて、一次に対する付加的なダンピングを実現する。この負荷抵抗が低すぎると、システムの高周波性能が悪化する。高すぎると、終端抵抗器を一次に付加してあったとしても、リンギングが多少残る場合がある。
【００３４】
直列ＲＣネットワークを、一次の両端に加えて、送信部増幅器から見た負荷インピーダンスを、対象とするバンドに渡って等しくしなければならない。増幅器から見た負荷インピーダンスは、回路値を適切に選択することによって純粋に抵抗性にすることができることが、解析により示されている。
【００３５】
等化回路網をリンクの受信側に加えて、システムの周波数応答を補正しなければならない。低インダクタンスの変圧器は本質的に高域通過デバイスであり、低周波側を増加して、全体として平坦な応答を５ＯｋＨｚ〜１８０ＭＨにおいて実現しなければならない。この補正した性能は、パッケージされたイーサネット変圧器のそれに密接にマッチする。スペクトルの低域側は情報をほとんど伝えないが、これらの周波数の振幅を復元しておかないと、ベースライン不安定のレートが増加して、信号が最終的に送出されるイーサネットＰＨＹでは補正できないレベルになる。
【００３６】
巻き線の終端抵抗器に対する値
一次巻線の終端抵抗器の値は、次式によって計算することができる。
【００３７】
【数１】
2009529809.tif 000003
ここで、ｔｐは、一次の導体に沿ってどちらかのリード端子から巻き線中間点までの波伝搬時間を意味し、Ｃは、中間層の総キャパシタンスを意味する。伝搬時間は、以下のように計算することができる。
【００３８】
【数２】
2009529809.tif 000004
ここで、ｌｔは、らせん状の層の１つに対する導体長さであり、ｃは真空中の光の速度であり、εｒは巻き線基板の比誘電率である。比透磁率因子μｒは、フェライトが近くに存在した場合には１である。フェライトが近くに存在すると、伝搬する波面に対して抵抗を及ぼす。μｒの適切な値を決定するためには完全な磁界解析が必要であるが、その説明はこの文献の範囲外である。総キャパシタンスＣは容易に測定することができるか、あるいは導体の幾何学的形状と媒体の誘電率とから計算することができる。抵抗器の値は、平面巻線間の総キャパシタンスと平面巻線に沿って生じる信号伝搬遅延とによって、平面巻線の１つの端子を測定することによって決定される。
【００３９】
一次の入力アドミッタンスの等化
負荷がかかった変圧器の一次端子において示されるアドミッタンスは、以下の形式で表現できることが示される。
【００４０】
【数３】
2009529809.tif 000005
ここで、Ｓ０、Ｓ１、およびＳ２は、変圧器の等価回路の十分な解析によって得られる負の実際の基本的な周波数である。Ｋｐｐは、同じ検討から現れる実際の因子である。直列ＲＣネットワークを巻線端子の両端に加えることで、全体的なアドミッタンスを純粋に抵抗性にすることが、抵抗器およびコンデンサ値を次式に従って選択したときに可能である。
【００４１】
【数４】
2009529809.tif 000006
図１１に、アドミッタンス等化ネットワークが付加された変圧器の低周波数〜中間周波数の等価回路を示す。
【００４２】
システム・ゲインの等化
システム・ゲインの等化（低周波の復元を伴う）は、システム伝達関数の極をシフトするようにデザインされたＲＣネットワークを組み込んだ２つのカスケード増幅段によって行なわれる。かなり複雑なプログラムを用いて、時間ドメインにおいて最大限に平坦なステップ応答を達成するために必要な抵抗器およびコンデンサ値を計算する。この方法では、最小２乗法アプローチを用いており、その結果、ゲイン感度関数が放物線（すなわち、一次ではなくて二次）となる成分値が得られる。したがって、ベース・ユニット２０４における図４のイコライザＥＱ１（４１１）は、ポールおよびゼロ分布を含んで、コンポーネントおよび変圧器パラメータ変動に対する振幅感度として、一次関数ではなくて二次関数のものを実現する。したがって、コンデンサ許容誤差および変圧器パラメータ変動は、このような最適化方法を用いなかった場合のそれに比べれば重要ではない。図８に、一般的な回路トポロジを示す。
【００４３】
非限定的な例
前記した回路は、集積回路チップ用のデザインの一部である。チップ・デザインをグラフィカル・コンピュータ・プログラミング言語で形成して、コンピュータ記憶媒体（たとえばディスク、テープ、物理的なハード・ドライブ、または仮想のハード・ドライブ（たとえば記憶アクセス・ネットワーク内））に記憶する。設計者が、チップも、チップの作製に用いるフォトリソグラフィのマスクも作製しない場合、設計者は、結果として生じるデザインを、物理的な手段によって（たとえば、デザインを記憶する記憶媒体のコピーを得ることによって）、または電子的に（たとえば、インターネットを通して）、このようなエンティティに送信することを、直接的または間接的に行なう。記憶したデザインを次に、フォトリソグラフィのマスクの作製に適切なフォーマット（たとえば、ＧＤＳＩＩ）に変換する。マスクには通常、ウェハ上に形成すべき当該のチップ・デザインの複数のコピーが含まれる。フォトリソグラフィのマスクを用いて、エッチングすべきまたはその他の場合には処理すべきウェハ（および／またはウェハ上の層）の領域を規定する。
【００４４】
前記した方法を、集積回路チップの作製において用いる。
結果として生じる集積回路チップを、製造業者が、未処理のウェハ形態に（すなわち、複数の未パッケージ・チップを有する単一のウェハとして）、裸のチップとして、またはパッケージされた形態で分配することができる。後者の場合、チップを、単一のチップ・パッケージ内に搭載するか（たとえばプラスチックのキャリアであって、リードがマザーボードまたは他のもっと高いレベルのキャリアに取り付けられているもの）、またはマルチチップ・パッケージに搭載する（たとえば一面もしくは両面の表面相互接続または埋め込まれた相互接続を有するセラミック・キャリア）。いずれの場合でも、チップを次に、他のチップ、ディスクリートな回路素子、および／または他の信号処理デバイスと統合して、（ａ）中間製品（たとえばマザーボード）、または（ｂ）最終製品のどちらかの一部とする。最終製品は、集積回路チップを含むものであればどんな製品とすることもでき、玩具および他の低価格用途から高性能なコンピュータ製品（ディスプレイ、キーボード、または他の入力デバイス、および中央処理装置を有する）までに渡る。
【００４５】
本発明の特定の実施形態を開示してきたが、当業者であれば理解するように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくこの特定の実施形態に変形を施すことができる。したがって、本発明の範囲は特定の実施形態に限定してはならず、添付の請求項は、本発明の範囲内である任意のおよびすべての応用例、変更、および実施形態に及ぶことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の代表的な実施形態による信号連結ユニットを組み込む２つの電気連結器ヘッドの一部を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の代表的な実施形態によるベースバンド車両間連結ユニットを用いる車両間ネットワーク・アーキテクチャを示す図である。
【図３】本発明の第２の代表的な実施形態によるＲＦベースの車両間連結ユニットを用いる車両間ネットワーク・アーキテクチャを示す図である。
【図４】非接触イーサネット・ベースバンド連結システムを示すブロック図である。
【図５】非接触イーサネット・ベースバンド連結システムを示すブロック図である。
【図６】図４の非接触イーサネット・ベースバンド連結システムに対する周波数応答のグラフである。
【図７】発信部および受信部の一実施形態を例示する正面図である。
【図８】図７の受信部プリント回路基板および発信部プリント回路基板を示す側面図である。
【図９】図７の発信部および受信部を示す側面図である。
【図１０】図７および９の斜視図であり、送信ユニットのプリントされた２層のらせん状巻き線が、抵抗が配置された中間点において、どのようにウェーブレット・キャンセルを起こすかを例示する図である。
【図１１】アドミッタンス等化ネットワークが付加された変圧器の低周波数〜中間周波数の等価回路を示す図である。
【図１２】一般的な回路トポロジを示す図である。
【図１】
2009529809.tif 000007
【図１２】
2009529809.tif 000008
【図２】
2009529809.tif 000009
【図３】
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【図４】
2009529809.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2009529809.tif 000019
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