(57)【要約】【課題】自動化技術における無線ネットワーク化する装置、特にセンサ、アクチュエータおよび少なくとも1つの共有の制御ユニットをネットワーク化するための装置であって、深刻な多重伝搬から生じる困難な受信条件の下で、より安定した通信リンクを可能にする装置を提供する。【解決手段】本装置は、RF送信器（30）からRF送信信号（42）を取り入れ、かつ、アンテナ（35）からのRF受信信号（44）を受信器に供給するための第1接続点（52）と、アンテナ（34, 35）へと続く第2接続点（54）と、前記第1接続点（52）と前記第2接続点（54）との間に配置された信号カプラ（62）とを有している。前記信号カプラ（62）は、低い第1減衰係数、および、少なくとも1つの、より高い第2減衰係数を有する可変の結合減衰を有している。前記信号カプラ（62）は、前記RF受信信号（44）を、前記低い第1減衰係数を使用して伝送し、前記RF送信信号（42）を、前記より高い第2減衰係数を使用して伝送する。【選択図】図２
2013528026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動化技術における無線ネットワーク化するための装置（12、14、16、18）、特にセンサ、アクチュエータおよび少なくとも1つの共有の制御ユニットをネットワーク化するための装置であって、
RF送信器（30）からRF送信信号（42）を取り入れ、かつ、アンテナ（34, 35）で受信されたRF受信信号（44）を受信器に供給するための第1接続点（52）と、前記アンテナ（34, 35）へと続く第2接続点（54）と、前記RF送信信号（42）を前記第1接続点（52）から前記アンテナ（34, 35）へ伝送するため、かつ、前記RF受信信号（44）を前記アンテナ（34, 35）から前記第1接続点（52）へ伝送するために、前記第1接続点（52）と前記第2接続点（54）との間に配置された信号カプラ（62）とを備え、
前記信号カプラ（62）は、第1減衰係数および少なくとも1つの第2減衰係数を有する可変の結合減衰を有し、前記第1減衰係数は前記第2減衰係数よりも小さく、前記信号カプラ（62）は、前記RF受信信号（44）を、前記第1減衰係数を使用して伝送し、前記RF送信信号（42）を、前記第2減衰係数を使用して伝送する、装置。
【請求項２】
前記アンテナ（34, 35）は所定のアンテナゲインを有し、前記第2減衰係数は前記所定のアンテナゲインにほぼ等しい、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記信号カプラ（62）は、第1カプラポート（P1）、第2カプラポート（P4）、および、少なくとも1つの第3カプラポート（P2、P3）を有し、前記第1カプラポート（P1）は前記第1接続点（52）に接続され、前記第2カプラポート（P4）は前記第2接続点（54）に接続され、前記第3カプラポート（P2、P3）は、さまざまに調節可能なインピーダンスを有する構成要素（80）に接続され、前記信号カプラ（62）の前記結合減衰は、前記構成要素（80）の前記インピーダンスに依存している、請求項1または請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記構成要素（80）は、前記信号カプラ（62）が前記第1減衰係数をデフォルトの係数として有するように選択された、インピーダンス基準値を有している、請求項3に記載の装置。
【請求項５】
前記信号カプラ（62）が前記第2減衰係数を採用するように前記構成要素（80）の前記インピーダンスを設定するよう設計された第1制御信号（85）を生成するための第1制御回路（84）を備える、請求項3または請求項4に記載の装置。
【請求項６】
前記信号カプラ（62）が前記RF送信信号（42）を伝送しているときに、前記制御回路（84）は自動的に前記第1制御信号（85）を生成する、請求項5に記載の装置。
【請求項７】
前記RF送信信号（42）は可変の送信信号電力を有し、前記制御回路（84）は前記可変の送信信号電力にほぼ比例した前記制御信号（85）を生成するよう設計されている、請求項5または請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記第3カプラポート（P2、P3）は、当該第3カプラポート（P2、P3）に印加された交流電圧を、バッファに格納された直流電圧に変換する整流回路（88、90）に接続されている、請求項3〜請求項7のいずれか1項に記載の装置。
【請求項９】
前記信号カプラ（62）は、加算点（74）において同相で組み合わされる2つの第3カプラポート（P2、P3）を有している、請求項3〜請求項8のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１０】
前記信号カプラ（62）はブランチラインカプラ、特に3本腕のブランチラインカプラである、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１１】
多数の第1放射素子（56）、多数の第2放射素子（58）、および、少なくとも1つの切り換え素子（60）を有するアンテナ（35）を特徴とし、前記第1放射素子（56）は前記第2接続点（54）に直接接続され、前記第2放射素子（58）は前記少なくとも1つの切り換え素子（60）を介して前記第2接続点（54）に接続され、前記少なくとも1つの切り換え素子（60）は、前記RF送信信号（42）から生成された第2制御信号（92）により制御される、請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動化技術における無線ネットワーク化するための装置構成に関し、特にセンサ、アクチュエータおよび少なくとも1つの共有の制御ユニットを無線ネットワーク化するための装置構成に関するものである。本発明は、RF送信器からRF送信信号を取り入れ、かつ、アンテナからのRF受信信号を供給するための第1接続点と、アンテナへと続く第2接続点と、RF送信信号を第1接続点からアンテナへ送信するため、かつ、RF受信信号をアンテナから第1接続点へ送信するために、第1接続点と第2接続点との間に配置された信号カプラとを備える装置構成を前提とする。
【背景技術】
【０００２】
以上のような構成は、下記特許文献1に開示されている。
制御ユニットから離れており、センサからのセンサデータを処理し、それに基づき、アクチュエータを制御するのに使用されるアクチュエータデータを生成する自動化されたシステムを制御するために、センサおよびアクチュエータを配置することは、すでに長年の間公知となっている。
【０００３】
アクチュエータには例えば電気的な伝導装置、ソレノイドバルブまたは接触器が挙げられ、これらは負荷電流をオンまたはオフに切り換えるために使用することができる。センサはシステム状態を検知し、または状態（例えば、電気的な伝導装置の回転速度、プッシュボタンの作動、物質の温度、もしくは、ドアの開放位置）を処理する。
多くの場合、センサおよびアクチュエータは自動化されたシステム中に分散配置されているが、制御ユニットは中央部に配置されている。複数の制御ユニットが使用されるシステムもあり、それらは同様にシステム内に分散した仕方で配置することができる。
【０００４】
通信ネットワークは、センサ、制御ユニットおよびアクチュエータの間で制御データを送信して、柔軟なデータ通信を可能にするために使用される。今日の通信ネットワークは、家庭およびオフィス用途でコンピュータをネットワーク化するのに使用されているものと類似した技術に基づいている。
しかし、制御されたシステムまたは制御された処理における変化への、制御ユニットによる素早い応答を保証するために、センサデータおよびアクチュエータデータ（制御データ）が通常、非常に厳しい時間公差で送信されなければならないという要請ゆえに主に生じる技術的相違がある。緊急停止プッシュボタンの作動に応答して電気的な伝導装置のスイッチをオフにするなど、機械の運転者の健康または命さえもがかかっている安全関連の制御データの送信および処理時に、これは特に当てはまる。
【０００５】
センサ、アクチュエータおよび制御ユニットが無線で互いにネットワーク化されることになる場合、特に困難が生じる。これは、自動化されたシステムがしばしば、（鋼製のスタンド、鋼製のラック、波形の金属壁、金属の格子、クレーン、機械を含む）多くの金属的な構造物を収容する工場の部屋および/または区域に配置されているためである。
金属的な構造物は電磁気的な送信信号の多数の不規則な反射を生み出し、その結果、受信器が一度に複数の地点で送信信号を複数回受信する。これは「多重伝搬」として知られており、携帯型のラジオなどの他の無線通信ネットワークにおいても知られている。しかし、多くの金属的な構造物を収容する工業的な環境では、これは極端であり、通信の切断およびその結果としての不安定な通信リンクをしばしば引き起こす。
【０００６】
多重伝搬が存在する環境で通信リンクの安定性を向上させるための一つのやり方は、受信器に複数のアンテナを使用することである。その際、複数のアンテナは異なる位置に配置される（これは「アンテナ・ダイバーシティ」と呼ばれる）。受信器は異なる受信アンテナの間で切り換えることができ、それにより異なる受信条件に対応することができる。
下記特許文献1は、アンテナ切り替えスイッチを有する構成を提案している。アンテナ切り替えスイッチは、無線周波数信号を送信するための信号経路を第1アンテナまたは第2アンテナへ選択的に接続する。その際、アンテナスイッチ用の低周波切り替え信号が、RF送信信号の連続した信号バーストから生成される。自動化されたシステムのセンサ、アクチュエータおよび制御ユニットの間の通信は所定の時間間隔内で周期的に行われるため、提案されたアンテナ切り替えスイッチは、一定の時間間隔でアンテナの間を自動で切り換える。この構成によって、非常に手ごろな経費で自動化技術における構成の無線ネットワーク化の有用性および信頼性を、より高めることができる。
【０００７】
下記特許文献2は、適切なアンテナ切り替えスイッチを使用して切り換えることのできる、2つの一体のアンテナを有する有利なアンテナ設計を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許第10 2007 058 258号明細書
【特許文献２】独国特許第10 2007 058 257号明細書
【特許文献３】独国特許第2007 058 257号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、公知のアンテナ設計および公知のアンテナ切り替えスイッチは、多くの金属的な構造物およびそこから生じる極端に強い複数の反射を有する工場の部屋で使用されるあらゆる場合に最適であるとは証明されていない。そのため、深刻な多重伝搬がある工場の部屋および類似の環境で、安定した無線通信リンクを可能にする代替手段を見つけることが望まれている。
【００１０】
このような背景で、本発明の目的は、深刻な多重伝搬から生じる困難な受信条件の下で、より安定した通信リンクを可能にする装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一局面によれば、本目的は冒頭で述べた種類の装置において、信号カプラは、第1減衰係数および少なくとも1つの第2減衰係数を有する可変の結合減衰を有し、第1減衰係数は第2減衰係数よりも減衰が小さく、信号カプラは、RF送信信号を、第1減衰係数を使用して伝送し、RF送信信号を、第2減衰係数を使用して伝送する。
本発明の装置は、通信ノードのアンテナおよび送信器/受信器の間に配置された信号カプラを有している。信号カプラは、出て行く送信信号および入って来る受信信号の両方を中継する。しかし、それは、RF送信器によりアンテナへと伝送される送信信号を、アンテナから受信器へと反対方向に伝送される、入って来る受信信号よりも、より強く減衰させる。信号カプラに現在印加されている信号電力に応じて（すなわち、信号カプラを介して受信されたRF電力に従って）、より小さな第1減衰係数と、より大きな第2減衰係数との間を自動で切り換える結合減衰を、信号カプラは有しているのが好ましい。ゆえに、RF送信信号およびRF受信信号は、信号カプラから異なる仕方で作用を受ける。その際、信号カプラの結合減衰はさまざまに調節可能である。好ましい場合では、高い信号電力は自動的に、より大きな第2減衰係数を採用する信号カプラとなるが、低い信号電力は自動的に、より小さな第1減衰係数となる。
【００１２】
本装置により、RF送信信号を送信するため、および、RF受信信号を受信するための両方に共通のアンテナを使用することが可能になる。これは、空間的な理由および経費面での理由で有利である。しかし、共通の送信および受信アンテナの一般的な短所は、送信の場合のためにアンテナを最適化すると、同等の影響が受信の場合に及び、かつ、その逆も起こることにある。
【００１３】
アンテナでのRF受信信号は、遠方の送信器からすでに移動した距離のゆえに、同じアンテナから放射されたRF送信信号よりも、通常数オーダーの強度だけ弱くなっている。安定した受信を可能にするために、ただでさえ弱いRF受信信号をさらに減衰させることを最小にするのが一般に望ましい。一方、RF送信信号の減衰は、アンテナの送信電力が高い傾向にあるため、許容できる。
【００１４】
本発明の装置はこの非対称性を使用して、多重反射を抑制するのに適したアンテナの構造的な設計を可能にしている。特に、本発明の装置は、この分野で今に至るまで一般に使用されてきた全方向性ロッドアンテナに代わって、指向性アンテナを使用することを可能にする。
指向性アンテナは、RF送信信号をすべての方向に等しく放射するわけではない。むしろ、これは、RF送信電力の大部分が集中される、1つ以上の好ましい方向（「放射ローブ」と呼ばれる）を有している。比較的小さなRF送信電力が、放射ローブの外側にある空間的な領域に放射される。放射ローブの外側の放射方向はしばしば、アンテナの遠距離場において完全に無視することができる。反対に、指向性アンテナは、放射ローブの外側よりもはるかに強く、放射ローブを介してRF受信信号を受信する。2つの通信ノードの送信および/または受信アンテナを整列させて、それらのメインローブ互いに向かい合わせることにより、問題のある多重伝搬を有する領域において、通信信号の無線送信で、指向性アンテナのこの指向性効果を有利に使用することができる。くわえて、多重伝搬が特に厄介であるいくつかの二面角を、ある程度「消去」するために、指向性アンテナを使用することができる。ゆえに、指向性アンテナは、無線通信リンクを最適化するために、非常に有利に使用することができる。
【００１５】
しかし、指向性アンテナは、アンテナの主要な放射方向における最大放射電力の法定限度を超える送信器なしで、自動化技術装置の無線ネットワーク化用に、従来の送信器上で単純に使用することはできない。なぜなら、全方向性アンテナを使用する際、従来の送信器は通常、ちょうど許容限度内にある送信電力を有しているからである。指向性アンテナは送信器自体の送信電力を増加させることはないが、利用可能な総送信電力が主要な放射方向に集中され、それゆえに主要な放射方向において法定限度を超える。ゆえに、通常採用される全方向性アンテナの代わりに指向性アンテナを使用して、工場の部屋で通信リンクを最適化することが望まれる場合、法定限度に従うために、アンテナと送信器出力ステージとの間の信号経路に、追加の減衰器を外付けで挿入することが必要になるであろう。
【００１６】
しかし、このような減衰器は、ともかくも非常に弱い受信信号をも減衰してしまい、それゆえに、指向性アンテナ自体を使用することで可能になるであろう利点は、挿入された減衰器のために事実上相殺されてしまうであろう。
原則として、通信ノード上で別体の送信アンテナおよび受信アンテナを使用して、信号経路にのみ減衰器を配置することが可能であろう。しかし、この解決手段は複雑で、空間集約的であり、かつ高価である。なぜなら、これは、各通信ノードを別体の送信アンテナおよび受信アンテナに関連付けることを要求し、ふさわしく適合されたトランシーバが別体の送信信号経路および受信信号経路を有することを要求するからである。これにより、家庭およびオフィス分野で市販のWLANリンク用に類似の形態で使用されるトランシーバを廉価に使用することが排除される。くわえて、4つのアンテナ（2×送信器、2×受信器）がアンテナの相違のために必要となるであろうし、それによりスペースの問題が生じる。
【００１７】
本発明の装置により今や、従来のロッドアンテナと比較して、ゼロよりも大きなアンテナゲインを有する単独の指向性アンテナを使用することが可能になる。その際、方向非依存性の減衰器を使用した場合に、アンテナゲインにより実現可能な利点が相殺されることがない。
本発明の装置の信号カプラは、比較的高い減衰係数を使用して、高電力RF送信信号をアンテナへ伝送する。その際、これは、メインローブの指向性アンテナにより放射されるRF送信電力を許容限度へと減衰することができる。一方、同じ信号カプラが、低い減衰係数を使用して、アンテナから来るRF受信信号を伝送し、それにより、受信器が、アンテナゲインから生じる全体としてより高い信号強度からの利益を受ける。有利なことに、第1減衰係数は、使用される指向性アンテナのアンテナゲインよりも大幅に低い。くわえて、指向性アンテナは、強い多重反射を生じさせる二面角を選択的に消去するために使用することができる。
【００１８】
以下に実施形態を参照しながら説明するように、本発明の装置は、アンテナと通信ノードのアンテナコネクタとの間の信号経路内に非常に有利に配置することができる。これにより、その放射送信電力を考慮してロッドアンテナとともに使用するために実際に設計された従来のトランシーバとともに、本発明の装置を使用することが可能になる。
ゆえに、本発明の装置は、従来のトランシーバと一緒に、送信および受信の場合用の共通の指向性アンテナを有利に使用することを可能にしながら、受信の場合に指向性アンテナの利点を相殺することなく、すべての空間的な方向における最大放射送信電力に関する法的な要求を満たすことができる。ゆえに、本発明の装置は、深刻な多重伝搬がある環境で、安定した無線通信リンクを実現するのに使用される他の措置への有利な追加となる、または他の措置の代替案とさえなる。
【００１９】
さらに、実施形態を参照しながら以下に示すように、2つの接続点の間の信号経路内で信号カプラを使用して、可変の結合減衰を非常に容易に、かつ低費用で実施することができる。特に好ましい実施形態では、信号カプラを含む本発明の装置をアンテナの機械的な構造と一体化することができ、それにより、ユーザは、利益を享受するために、本発明の装置を含む「新規な指向性アンテナ」を既存のトランシーバに接続するだけでよい。ゆえに、無線通信の有用性および安定性を改善するために、本発明の装置を、既存の無線通信ネットワークで有利に使用することができる。
【００２０】
ゆえに、前記目的は完全に達成される。
改良形態において、アンテナは所定のアンテナゲインを有し、第2減衰係数は所定のアンテナゲインにほぼ等しい場合がある。
アンテナゲインは一般に、無指向性の全方向性アンテナの放射/受信強度に対する、主要な放射方向への指向性アンテナの放射強度（および同等に受信強度）の比率となっている。アンテナゲインはしばしば、理想の等方性放射体に対して（すなわち、（高さおよび方位における）すべての空間的な方向に等しく放射するアンテナに対して）規定されている。しかし、このような等方性放射体は、実際には存在しない理想のモデルである。ロッドアンテナと、ダイポールアンテナとして知られるものとが、等方性放射体に最も近い。しかし、理想の等方性放射体と比較して、これらのアンテナはすでにアンテナゲインを有している。
【００２１】
本改良形態の場合、第2減衰係数が、ロッドアンテナまたはダイポールアンテナの代わりに指向性アンテナを使用することにより達成できるアンテナゲインにほぼ等しい。ゆえに、本改良形態のアンテナは、ロッドアンテナに対してゼロよりも大きい所定のアンテナゲインを有している。本改良形態は、放射方向の増大された送信電力が、信号カプラの第2減衰係数により大部分等化されているという利点を有している。本改良形態は、すべての二面角についての最大の放射送信電力に関し、必要以上にこれを低下させないようにもしながら、法的な規制に従うよう支援する。
【００２２】
本改良形態の変更例では、指向性アンテナが本発明の装置を備えている。すなわち、指向性アンテナおよび本装置は、アンテナケーブルおよび/またはアンテナソケットを介してトランシーバに接続されるだけでよい構造的なユニットである。この場合、指向性アンテナのアンテナゲインは公知であり、第2減衰係数は、アンテナの公知のアンテナゲインの強度を、ロッドアンテナに対して等化する。
【００２３】
別の変更例では、本発明の装置を、使用される指向性アンテナと別体で実施することができる。これらの場合、信号カプラが、所定のステップで、または連続的に選択および調節できる複数の第2減衰係数を有しているのが有利である。その際、本発明の装置は、個別のアンテナゲインを有する異なる指向性アンテナに適合させることができる。
さらなる改良形態では、信号カプラは、第1カプラポート、第2カプラポート、および、少なくとも1つの第3カプラポートを有し、第1カプラポートは第1接続点に接続され、第2カプラポートは第2接続点に接続され、第3カプラポートは、さまざまに調節可能なインピーダンスを有する構成要素に接続され、信号カプラの結合減衰は、構成要素のインピーダンスに依存している。
【００２４】
本改良形態の好ましい実施形態では、構成要素は、外部から供給される制御電圧により変更できる接合静電容量を有する可変容量ダイオードである。しかし、原則として、構成要素はまた、例えば1つ以上の能動部品を含む電気回路などとして、異なる仕方で実施されてもよい。
本改良形態により、本発明の装置の減衰係数の、非常に簡単で、低費用で、かつ何より低電力の調節が可能になる。可変容量ダイオードの静電容量（およびそれゆえにインピーダンス）は、低い制御電圧を使用して変更することができる。構成要素のインピーダンスは、2つ以上の水準にわたって有利に変更することができ、結合減衰の多段階の調節を可能にする。少なくとも3つのカプラポートを有する信号カプラを、高周波回路中で、非常に容易に、かつ経済的に実施することができる。
【００２５】
さらなる改良形態では、構成要素は、信号カプラが第1減衰係数をデフォルトの係数として有するように選択された、インピーダンス基準値を有している。
本改良形態では、構成要素に制御電圧がかかっていない場合に、信号カプラが、好ましくはできるだけ低い、より小さな第1減衰係数を有している。ゆえに、信号カプラは、デフォルトの場合に、RF受信信号を伝送するよう設計されている。RF送信信号が放射されることになる場合にのみ、構成要素のインピーダンスをインピーダンス基準値と異なる所定のインピーダンス値に調節することにより、減衰係数が変更される。信号カプラの結合係数は、異なるインピーダンス値を設定することにより変更される。その結果、信号が1つのカプラポートから他のカプラポートへ伝送される条件が変化する。ゆえに、構成要素のインピーダンス変化は信号カプラ内の信号分配を、およびそれゆえに、供給されたRF送信信号またはRF受信信号が外部の接続点の間で送信される減衰係数を変化させる。
【００２６】
本改良形態には、構成要素が制御信号を受信していないときに、低い第1減衰係数が常に自動的に存在するという利点がある。このようにして、受信の場合に必要とされる減衰係数を、電力を使用せずに設定することができる。制御信号は送信の場合にのみ必要とされる。しかし、送信の場合、少なくともRF送信電力が利用可能であり、RF送信電力は、いくつかの実施形態では、制御信号を生成するために有利に使用される。
【００２７】
さらなる改良形態では、本装置は、信号カプラが第2減衰係数を有するように構成要素のインピーダンスを設定するよう設計された第1制御信号を生成するための第1制御回路を有している。
この改良形態では、構成要素用の制御信号を生成するための制御回路が、本装置の一部となっている。あるいは、または追加で、このような制御回路は、第1減衰係数から第2減衰係数への切り替えを外部から制御するために、本装置とは別体に実施されてもよい。制御回路を本装置と一体化することには、本装置を独立して作動させることができるという利点がある。特に、この改良形態によって、本発明の装置をアンテナと一体化することが、より容易になり、きわめて簡単かつ頑丈な組み立て品が実現される。
【００２８】
さらなる改良形態では、信号カプラがRF送信信号を伝送しているときに、制御回路は自動的に第1制御信号を生成する。
制御回路は、例えば、所定の測定点での信号強度から、RF送信信号を検知することができる。好ましい実施形態では、制御回路は包絡線および閾値検知器を備えている。包絡線および閾値検知器は、RF送信信号の高周波数よりも低い信号周波数を有する包絡線信号を、RF送信信号から転用する。この包絡線信号は、RF送信信号が信号カプラに印加されたときに、パルスにより信号を送る。第2減衰係数を設定するために、包絡線信号を使用して、構成要素のインピーダンスが有利に変更される。本改良形態により、より大きな第2減衰係数を使用して、RF送信信号が自動で送信されることが確実となる。このようにして、本改良形態は、無線通信リンクの最大許容放射電力についての法定限度を確実に遵守することを支援する。
【００２９】
さらなる改良形態では、RF送信信号は可変の送信電力を有し、制御回路は可変の送信信号電力にほぼ比例した制御信号を生成するよう設計されている。
この改良形態では、制御信号が再びRF送信信号自体から導出されているのが好ましい。好ましい実施形態では、制御信号は、RF送信信号電力に対する制御信号の比例した依存状態を維持するのを支援する温度補償を有している。比例した依存状態は、RF送信信号の送信信号電力が変化できる作動範囲の大部分に関して、存在していることが好ましい。例示的な実施形態では、包絡線信号の平均値が決定され、この平均値が制御信号を形成する。本改良形態により、変化する作動条件に向けた個々の調節による、減衰係数の有利な調整が可能になる。これにより、第1接続点に供給されるRF送信信号への、減衰係数の最適な調節も可能になる。このようにして、この改良形態は、いずれの時点においても本発明の装置を最大許容送信信号電力で作動させることを支援する。
【００３０】
さらなる改良形態では、第3カプラポートは、当該第3カプラポートに印加された交流電圧を、バッファに格納された直流電圧に変換する整流回路に接続されている。
この改良形態では、第2減衰係数によりアンテナから隔離されている「過度の送信信号電力」が、バッファに格納された直流電圧を生成するのに使用される。バッファに格納された直流電圧は、本発明の装置の能動部品用の作動電圧として、有利に使用される。本改良形態は、自動化技術における装置の無線通信での固有の特性、すなわち、送信パルスの大略的に周期的な反復を使用している。第2カプラポートでの、構成要素が引き起こす信号カプラのミスマッチは、過度のRF送信信号電力が第3カプラポートに供給されることにつながる。ここで、これは、バッファに格納された直流電圧に有利に変換され、バッファに格納された直流電圧は、本装置の能動部品に供給するための作動電圧として使用される。本改良形態により、外部から供給される作動電圧なしで、本発明の装置の独立した作動が可能になる。本発明の装置が指向性アンテナと構造的に一体化されている場合に、本改良形態は特に有利である。なぜなら、この一体化された装置を含む指向性アンテナは、能動部品にもかかわらず、RFアンテナ接続しか必要としないからである。同時に、これにより信号干渉が予防される。1つのアンテナ接続を介して外部の作動電圧を供給しようと試みる場合に、信号干渉は容易に起こる可能性がある。
【００３１】
さらなる改良形態では、信号カプラは、加算点において同相で組み合わされた2つの第3カプラポートを有している。
この改良形態では、単独のカプラが少なくとも4つのカプラポートを有している。好ましい実施形態では、単独のカプラは厳密に4つのカプラポートを有しており、そのうち、第1カプラポートおよび第2カプラポートは第1接続点および第2接続点にそれぞれ接続されている。「2つの第3」カプラポートは、過度のRF送信信号電力を迂回させるのに使用される。加算点において同相で組み合わされた2つの第3カプラポートの使用により、バッファに格納された直流電圧の有利な生成という点で特に、高い効率性が実現される。
【００３２】
さらなる改良形態では、信号カプラは90°ハイブリッドカプラとしても知られる、ブランチラインカプラである。中央の腕が2つの外側の腕よりも厚みが大きい場合に特に、3本腕のブランチラインカプラは特に有利である。
第3カプラポートにおける構成要素のインピーダンスが変化したときに、第1カプラポートおよび第2カプラポートのインピーダンスが比較的わずかしか変化しないという有利な特性を有していることを、ブランチラインカプラはすでに示してきた。すなわち、第1および第2カプラポートへの、第3カプラポートにおけるインピーダンスの変化のフィードバックは、比較的低くされている。ゆえに、この改良形態は、減衰係数の所望の変化についてのみ、第1接続点と第2接続点との間の信号フローに影響するよう支援する。ブランチラインカプラを使用する場合、単独のカプラをトランシーバおよびアンテナに整合させることに、悪影響がほとんどまったく及ばない。
【００３３】
さらなる改良形態では、本装置は、多数の第1放射素子、多数の第2放射素子、および、少なくとも1つの切り換え素子を有するアンテナを備え、第1放射素子は第2接続点に直接接続され、第2放射素子は少なくとも1つの切り換え素子を介して第2接続点に接続され、少なくとも1つの切り換え素子は、RF送信信号から生成された第2制御信号により制御される。
【００３４】
この改良形態では、アンテナが本発明の装置の一部とされている。好ましい実施形態では、信号カプラおよび本発明の装置の他の回路素子が、アンテナ本体に構造的に一体化されている。この改良形態のアンテナは少なくとも2つの異なる放射素子を有しており、そのうちの一方は恒常的に信号カプラに接続されているが、他方は、切り換え素子を介して選択的に信号カプラに接続する、または、信号カプラから接続解除することができる。ゆえに、この改良形態に関連する「直接」は、帯域フィルタなどの他の構成要素も第2接続点と第1放射素子との間に存在する場合を排除しない。しかし、これらの他の構成要素は、放射構成を変更するのに使用される切り換え素子ではない。
【００３５】
一変更例では、少なくとも1つの第2放射素子は、RF送信信号がアンテナを介して放射されたときに、信号カプラに接続される。受信の場合、第2放射素子は、切り換え素子を介して「オフに切り換え」られる。すなわち、これは信号カプラに信号寄与を与えない。別の変更例では、少なくとも1つの第2放射素子は、RF受信信号がアンテナを介して受信されている場合に（のみ）、信号カプラに常に接続されている。RF送信信号が放射されている場合、少なくとも1つの第2放射素子は、切り換え素子を介して送信信号から接続解除されている。
【００３６】
第2放射素子のスイッチを入れるまたは切ることにより、アンテナの指向性が、そしてそれゆえにアンテナゲインが変化する。ゆえに、この改良形態により、多重伝搬により生じる通信障害に対処するために、送信および受信特性のさらなる最適化が可能になる。ここで、アンテナの異なる指向性の間の切り換えも、RF送信信号に依存して自動的に、有利に行われる。
【００３７】
この改良形態でも、第2制御信号を生成するのに必要な作動電圧が、上述したように、RF送信信号から生成されるのが特に有利である。RF信号の指向性に依存した減衰に加えて、アンテナの指向性およびそれゆえにアンテナゲインも変更される。
好ましい変更例では、本発明の装置のアンテナは、送信の場合に、より低いアンテナゲインを使用して、より広い空間的な領域で放射するが、受信の場合、これは、より高いアンテナゲインを使用して作動し、その結果、より狭い二面角範囲からの信号のみを拾う。この変更例は、送信の場合に第2放射素子に切り換えることにより、容易に実施することができる。しかし原則として、逆の変更例も可能である。すなわち、アンテナを、受信の場合に、より低いアンテナゲインを使用し、送信の場合に、より高いアンテナゲイン（より狭い指向性）を使用して作動させる。特に好ましい実施形態では、指向性は主に高さにおいて変化される。あるいは、または、くわえて、方位において指向性を自動的に切り換えて、送信の場合または受信の場合に適応することが可能である。好ましい実施形態では、放射素子は、円偏波とともに送信および受信するパッチ放射素子である。他の実施形態では、放射素子は、顕著な水平偏波または顕著な垂直偏波を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】制御ユニットがセンサおよびアクチュエータとともに無線ネットワーク化され、本発明の装置が多重伝搬に対処するために使用されている、技術設備の自動化された制御用の制御システムの模式図である。
【図２】本発明の装置の実施形態を示す模式図である。
【図３】図2の装置用の可変の結合減衰を有する信号カプラの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
前記特徴および以下に説明する特徴は、本発明を逸脱することなく、説明した特定の組み合わせそれぞれにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいても、または単独でも使用することができる。本発明の実施形態を図面に示し、以下の記述において、より詳細に説明する。
図1では、技術設備の自動化された制御システム全体を参照番号10で示している。制御システム10は、例えばプログラマブル論理制御装置の形態の制御ユニット12と、多数の信号ユニット14、16、18とを有している。信号ユニット14、16、18は制御ユニット12から空間的に離れて配置されており、無線信号を介してワイヤレスに制御ユニット12と通信する。制御ユニット12は、ネットワークラインを介して他の信号ユニット（図示せず）に接続することもできる。くわえて、制御システム10は複数の制御ユニット12を備えていてもよい。複数の制御ユニット12は、分散された仕方で配置され、互いの間でワイヤレスに、および/または、互いにネットワークケーブルを介して通信する。
【００４０】
好ましい実施形態では、制御システム10は、工場の部屋に配置されたクレーン設備を制御するために使用される。他の実施形態では、制御システムは、ロボット、工作機械、コンベヤベルト、包装機および他の機器を備える製造ラインを制御する。
本発明の装置は一般に、制御ユニットおよび/または信号ユニットが互いにワイヤレスで通信する技術設備すべてにおいて使用できる。本発明の装置は、一定の時間間隔で主にまたはもっぱら周期的に互いに通信する制御ユニットおよび/または信号ユニットで使用するのが好ましい。通常、制御ユニットおよび/または信号ユニットは、各通信サイクルにおいて2、3のデータメッセージだけを送信する。ある場合、制御ユニットは各通信サイクルにおいて、1件のデータメッセージを各信号ユニットに送り、これは各場合に、各信号ユニットから1件のデータメッセージを受信する。
【００４１】
制御ユニット12は信号およびデータ処理部20を有している。信号およびデータ処理部20は好ましい実施形態ではマルチチャネルの冗長性を有するよう設計されている。
図1では、冗長なチャネルを示すために、2つのプロセッサ22a、22bが例として使用されている。信号およびデータ処理の少なくとも一部が冗長に行われ、その際、規格EN 954-1、IEC 61508および/またはEN ISO 13849-1に規定されるようにフェールセーフな信号およびデータ処理を保証するために、プロセッサ22a、22bがそれぞれの結果を互いに比較する、および/または、互いを監視するのが好ましい。
【００４２】
好ましい実施形態では、制御ユニット12は、カテゴリ3および前記EN 954-1に規定されるように、または、例えばIEC 61508のSIL 2などの類似の要求に規定されるように、フェールセーフになるよう設計されている。
制御ユニット20はメモリ24、26をも備えている。メモリ24はここで、読み出し専用メモリとして示されているが、メモリ26は読出し書込みメモリである。制御ユニット12のオペレーティングシステムはここで、メモリ24に保存されている。制御ユニット12は、信号およびデータ処理中のデータの一時的な保存用にメモリ26を使用する。制御プログラムは、メモリ24、26の一方または両方のメモリに保存することができる。制御プログラムに基づき、制御ユニット12は信号ユニット14、16、18からのデータを処理する。
【００４３】
参照番号28は送信および受信部を示している。送信および受信部28は、RF送信器30およびRF受信器32を備えている。送信器30および受信器32はそれぞれ、1つ以上のアンテナ34を介してRF信号を送信および受信するよう設計されている。好ましい実施形態では、RF信号の周波数は約2.4GHzおよび/または約5GHzとされている。しかし、原則として、他の周波数帯も可能である。
【００４４】
制御ユニット12は、本明細書に示す実施形態では、両方が送信アンテナおよび受信アンテナとして互いに代替的に使用される、2つのアンテナ34a、34bを備えている。アンテナ34a、34bの好ましいアンテナ設計は前記特許文献3に記載されている。
信号ユニット14、16、18は制御ユニット12に類似した設計を有している。同一の参照記号は同一の構成要素を示す。好ましい実施形態では、信号ユニット14、16、18は、マルチチャネルの冗長性を有する信号およびデータ処理部20をも備えており、それにより、信号ユニット14、16、18は前記規格に規定されているようにフェールセーフとなっている。信号ユニット14、16、18はそれぞれ、送信および受信部28ならびにアンテナ35を備えている。
【００４５】
図に示す実施形態では、図2を参照して以下に説明するように、アンテナ35が本発明の装置の一部となっている。すなわち、ここでは、本発明の装置はアンテナ35の本体に構造的に一体化されており、それは、従来のアンテナケーブル（通常は同軸ケーブル）を介して送信および受信部28に簡単に接続されている。
例として、ここでは、信号ユニット14がライトカーテン36に接続されている。これはライトカーテン36を制御して、ライトカーテン36の状態（遮断されていない、または、遮断されている）を制御ユニット12に報告する。信号ユニット16は電気的な伝導装置38に接続されており、信号ユニット16が制御ユニット12から受信するアクチュエータデータに基づき、伝導装置38を制御する。信号ユニット18は例えば緊急停止プッシュボタン40に接続されており、緊急停止プッシュボタン40の状態（作動されている、または、作動されていない）を制御ユニット12に報告する。
【００４６】
制御ユニット12は、信号ユニット14、18からのセンサデータに基づき、信号ユニット16用のアクチュエータデータを判断する。明らかに、ここに示した信号ユニット14、16、18ならびにセンサ36、40およびアクチュエータ38に加えて、制御システム10は、制御ユニット12にネットワーク化された他のセンサおよびアクチュエータを備えていてもよい。特に、1つの制御ユニットが複数のセンサおよび/またはアクチュエータを監視および/または制御することが可能である。
【００４７】
制御ユニット12は、無線信号42、44により信号ユニット14、16、18と通信する。図1は、アンテナ34a、34bの一方を介して制御ユニット12が送信するRF送信信号42を示している。図において、信号ユニット16は制御ユニットからRF送信信号42を受信し、これは、制御ユニット12がRF受信信号として受信するRF信号44を生成する。明らかに、各RF送信信号42は、他のすべての通信ノードについてRF受信信号44である。
【００４８】
RF信号42、44はそれぞれ、センサデータおよびアクチュエータデータを含む1つ以上のデータメッセージ46を運ぶ。RF受信器32では、データメッセージ46はRF受信信号44から抽出されて、信号およびデータ処理部20に供給される。反対方向では、データメッセージ46がRF信号に含まれるよう、RF送信器30がRF送信信号42を変調させる。好ましい実施形態では、制御ユニット12と信号ユニット14、16、18との間の通信は、所定の時間間隔で周期的に行われ、その際、制御ユニット12は信号ユニット14、16、18を順番にアドレス指定し、それぞれの場合に応答を待つ。各信号ユニット14、16、18は、データメッセージ46に含まれるアドレスから、それがアドレス指定されているか否かを識別する。
【００４９】
図2では、本発明の装置の実施形態が、全体として参照番号50で示されている。構成50は第1接続点52および第2接続点54を備えている。この実施形態では、構成50はアンテナ本体に構造的に一体化されている。すなわち、構成50はアンテナ35を含んでいる。ゆえにこの場合、第2接続点54は、コネクタまたはソケットの形態の「目に見える」接続点ではない。反対に、ここで第1接続点52は、アンテナケーブルを接続することのできるアンテナソケットである。接続点52は構成50をRF送信器およびRF受信器の両方に接続する。RF送信信号とRF受信信号との間で必要とされる場合のある信号絶縁は、この実施形態では送信および受信部28で行われる。
【００５０】
ここに示した実施形態では、アンテナ35は多数の第1放射素子56および第2放射素子58を備えている。第1放射素子56は接続点54に恒常的に接続されている。第2放射素子58は切り換え素子60を介して第2接続点54に接続されており、切り換え素子60を介して第2接続点54から絶縁することができる。好ましい実施形態では、第1放射素子および第2放射素子56、58はそれぞれ、行および列に並んだ放射素子の平面アレイ中の実質的に正方形のパッチ素子である。円偏波の放射および受信を可能にするため、各放射素子56、58は、互いに空間的に90°オフセットされた2つのターミナルを備えている。
【００５１】
この実施形態では、第1放射素子56は、2行の第2放射素子58の間の中央の行に配置されている。第2放射素子58が切り換え素子60を介して第1放射素子56に接続されている場合、アンテナ35の放射ローブは、第2放射素子58が切り換え素子60を介して第1放射素子56から接続解除されている逆の場合よりも狭くなる。ゆえに、切り換え素子60により、アンテナ35の放射ローブ（およびそれゆえにアンテナゲイン）を変更することが可能になる。本実施形態では、第2放射素子58の１グループが、第1放射素子56のグループの上方に配置されており、第2放射素子58の１グループが下方に配置されており、それによってアンテナ35の放射ローブが高さにおいて変化されている。
【００５２】
構成50は信号カプラ62をも備えている。信号カプラ62の実施形態を図3に示す。図2のように、同一の参照番号は同一の素子を示す。
信号カプラ62は4つのカプラポートP1、P2、P3およびP4を有している。カプラポートP1およびP2は第1直列腕64のオープンエンドとなっている。カプラポートP4およびP3は第2直列腕66のオープンエンドとなっている。互いに平行な2つの直列腕64、66は、3つの平行な分岐腕68、70、72を介して互いに接続されている。直列腕64、66および分岐腕68、70、72はここで「はしご」を形成している。第4分岐腕74はほぼU字状の設計を有しており、直列腕64、66のオープンエンドP2およびP3を接続している。分岐腕74は加算腕を形成しており、加算腕を介してカプラポートP2およびP3からの信号が同相で追加される。
【００５３】
第1カプラポートP1はインピーダンス整合器76を介して第1接続点52に接続されている。好ましい実施形態では、インピーダンス整合器76は適切な形状とされたマイクロストリップ線路である。カプラポートP4は、さらなるインピーダンス整合器76’および帯域フィルタ78を介して放射素子56、58に接続されている。ゆえに、カプラポートP1は、カプラポートP4を介してアンテナ35に送信されるRF送信信号用の信号入力を形成している。反対方向において、カプラポートP4は、カプラポートP1を介して接続点52に送信されるアンテナ35からのRF受信信号の信号入力を形成している。
【００５４】
各カプラポートP2およびP3には、さまざまに調節可能なインピーダンスを有する構成要素80が配置されている。好ましい実施形態では、構成要素80は可変容量ダイオードであり、可変容量ダイオードの障壁容量は、制御電圧を使用して変更することができる。構成要素80の制御電圧はここで、包絡線検波器82および調整電圧生成器84を使用して生成される。包絡線検波器82は、カプラポートP1に印加されるRF信号から交流信号を生成する。交流信号は、RF信号に比べて低い周波数を有しており、カプラポートP1でのRF信号の包絡線にほぼ対応する。次の調整電圧生成器84が、包絡線検波器82からの包絡線信号の平均電力にほぼ等しい直流電流を生成する。調整電圧生成器84からの出力電圧85が第1制御信号として構成要素80に供給され、構成要素80のインピーダンスを規定する。
【００５５】
好ましい実施形態では、構成要素80は、調整電圧生成器84からの調整電圧が供給されていないときに存在するインピーダンス基準値を有している。このインピーダンス基準値は調整電圧85により変更することができる。構成要素80のインピーダンス基準値は、「電源を遮断された」状態の（すなわち調整電圧85なしの）カプラポートP2およびP3が、カプラポートP2およびP3に対して最大のミスマッチを有するように選択されるのが好ましい。ミスマッチの結果は、カプラポートP1に印加される信号のほとんどがカプラポートP4に送信され、カプラポートP2およびP3ではほとんど現れない、または現れないことである。カプラポートP1からカプラポートP2およびP3への結合減衰はそれぞれ、調整電圧85なしで最大となっている。ゆえに、この場合、カプラポートP1とカプラポートP4との間の結合減衰は最小である。
【００５６】
ここで、調整電圧生成器84および構成要素80は、カプラポートP1およびP4の間の結合減衰がRF信号電力を上昇させながら高まり、一方、カプラポートP1とカプラポートP2およびP3との間の結合減衰がそれぞれ低下するように設計されている。その結果、RF信号電力がカプラポートP1で上昇すると、RF信号がますます大きな割合で、ポートP1からカプラポートP2およびP3へと伝送される。
【００５７】
送信の場合、カプラポートP1におけるRF送信信号のRF電力は比較的大きい。ゆえに、構成要素80のインピーダンスは調整電圧生成器84によって変更される。カプラポートP2およびP3は今や、カプラポートP1により良く整合され、カプラポートP4に届く信号からRF電力を抽出する。その結果、カプラポートP4に達するRF送信信号は、カプラポートP1で供給されたRF送信信号よりも弱くなる。ゆえに、より弱いRF送信信号がアンテナ35を介して放射される。理想的な場合、アンテナ35を介して放射されるRF送信信号から抽出された送信信号電力の量は、代替的なロッドアンテナに比べて、アンテナ35が主要な放射方向へRF送信信号を増大させる量とまさに等しい。これは、これまで使用されてきたロッドアンテナが、指向性アンテナ35を含む構成50に置き換えられたときにも、最大許容送信信号電力に関する法的な規制が依然として遵守されることを意味する。
【００５８】
受信の場合、カプラポートP1に達するRF送信信号は非常に低い。ゆえに、調整電圧生成器84はごくわずかの調整電圧85を生成する。ゆえに、構成要素80は、インピーダンス基準値にほぼ等しいインピーダンス値を有している。カプラポートP2およびP3でのインピーダンス基準値の意図的なミスマッチにより、カプラポートP4およびP1の間の結合減衰が最小となる。
【００５９】
送信の場合に迂回されるRF送信信号電力は、加算点74において同相で組み合わされ、さらなるインピーダンス整合器76”を介しRF整流器88へと供給される。RF整流器88は、バッファに格納された直流電圧UDCへと切り換え調整器によって変換されるパルス状の直流電圧を生成する。バッファに格納された直流電圧UDCは、構成50の能動部品用の作動電圧として使用されるのが有利である。
【００６０】
好ましい実施形態では、この種の能動部品は、切り換え素子60用の制御信号を生成する制御信号回路86である。制御信号回路86は、分割器チェーンを形成する多数のD型フリップフロップ（図示せず）を備えている。分割器チェーンは、包絡線検波器82からのパルス状の包絡線信号から、アンテナ35の切り換え素子60を切り換えるために使用される制御信号92を生成する。例示的な実施形態では、切り換え素子60は同様に可変容量ダイオードである。この場合、可変容量ダイオードは可変容量ダイオード80と異なり、「オンオフ状態」で作動される。好ましい実施形態での制御ユニット12と信号ユニット14、16、18との間の通信は、所定の周期的な時間間隔で起こるため、切り換え素子60は所定の周期的な時間間隔で切り換えられる。一実施形態では、切り換え素子60は、RF送信器30から構成50を介して送信される各送信バーストのあとに切り換えられる。別の実施形態では、切り換え素子60は、RF送信器30からの4番目の送信バーストごとに切り換えられる。他の切り換えのリズムも可能である。
【００６１】
好ましい実施形態では、制御信号回路86からの切り換え信号は、RF送信信号も放射素子56、58に届く同一のラインを介して、制御信号92として切り換え素子60に送信される直流電圧信号である。制御信号92はRF送信信号と重ね合わされている。
上述した実施形態では、放射素子56、58は構成50に一体化されているが、他の実施形態では、構成50は、自身が備える放射素子およびアンテナと別体で実施されていてもよい。この場合、第2接続点54はアンテナケーブルを接続するためのソケットとして実施されているのが有利である。
【００６２】
さらなる実施形態では、構成50は、通信ノードの送信および受信部28に一体化されていてもよい。これらの場合、第1接続点は、適用可能であれば、集積回路内の「隠された」信号点であってもよい。
アンテナ35は、ここに示した変更例と異なる仕方で実施されてもよい。例えば、これは、水平および垂直の個々のダイポールで構成されていて、前記ダイポールの間を選択的に切り換えるのに使用される切り換え素子60を有していてもよい。さらに、さらなる実施形態では、アンテナ切り換えなしで済ませ、第1カプラポートP1での（送信）信号電力に基づく信号カプラ62の可変の結合減衰のみを使用することも可能である。原則として、構成50の能動部品に供給するための作動電圧を外部から供給することもでき、それによりRF整流器88および切り換え調整器90なしで済ませることもできる。
【００６３】
少なくとも3つのカプラポートを有する信号カプラが使用され、第3カプラポートに配置された切り換え素子が、第1カプラポートと第2カプラポートとの間の結合減衰が変動するように変更されることが、すべての実施形態に共通している。結合減衰の変動により、RF送信信号電力の一部がRF送信信号から抽出される一方、RF受信信号はほとんど影響を受けずに送信される。結合減衰は、第3カプラポートにおいて意図的なミスマッチを引き起こす、または避けることにより有利に変動される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2013528026.tif 000007
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2013528026.tif 000009
2013528026.tif 000010
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