Spule sowie Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spule Die Erfindung betrifft eine Spule in Form einer Sende- und/oder Empfangsspule einer Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung, z.B. mittels elektromagnetischen Wel- len, oder zum drahtlosen Signalempfang, wobei die Spule eine Impedanz-Anpas- sungsschaltung zur Anpassung der Anschlussimpedanz der Spule an eine Ein- gangsimpedanz einer an die Spule anzuschließenden Signalsende- und/oder -emp- fangseinrichtung der Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung aufweist. Die Er- findung betrifft außerdem eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signalempfang, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangs- einrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung ange- schlossene Spule. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung ei- ner derartigen Spule.

Derartige Einrichtungen zur drahtlosen Signalübertragung finden sich in verschiede- nen Bereichen der Technik. Beispielhaft sei das Gebiet der Magnetresonanztomo- graphie (MRT) genannt. Hierbei werden starke magnetische Felder mittels einer sol- chen Spule abgestrahlt und resultierende Effekte einer zu untersuchenden Person durch eine solche Spule wieder empfangen. Andere Anwendungsgebiete solcher Spulen sind z.B. beim Energy Harvesting oder bei der Übertragung von RFID-Signa- len zu finden. Unter einer drahtlosen Signalübertragung wird hierbei eine Signalübertragung im weitesten Sinne verstanden, d.h. jegliches Aussenden von Signalen, auch wenn diese nicht ausgewertet werden, jegliches Empfangen von Signalen sowie jegliches Übertragen von Signalen zwischen einem Sender und einem Empfänger. Auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie werden solche Sende- und Empfangsspu- len verwendet, wobei aber zwischen diesen Sende- und Empfangsspulen keine un- mittelbare Signalübertragung stattfindet. Die Sendespule nutzt einen quantenmecha- nischen Effekt aus, der zur Erzeugung einer nach außen hin wirksamen Magnetisie- rung führt. Dieser tritt auf, wenn ein Spin-Ensemble einem starken statischen Mag- netfeld und hochfrequentem Wechselfeld auf der sogenannten Larmorfrequenz aus- gesetzt wird. Das hochfrequente Wechselfeld wird hierbei von der Sendespule er- zeugt. Zu einem anderen Zeitpunkt kann die Empfangsspule das induzierte Signal durch die zeitveränderliche Magnetisierung aufnehmen. Für die Anwendung in der Magnetresonanztomographie eignet sich die erfindungsgemäße Spule daher insbe- sondere für den Signalempfang des induzierten Signals.

Es ist bekannt, dass beim Verbinden solcher Bauteile wie einer Spule und einer Sig nalsende- und/oder -empfangseinrichtung eine Impedanzanpassung notwendig ist, um optimale Ergebnisse bei der Signalübertragung zu erzielen. Bei MRT-Spulen wird dies z.B. durch eine Schaltung aus Kondensatoren realisiert, die direkt an der Spule angebracht werden, z.B. indem sie an Leiterzügen oder Anschlussleitungen der Spule angelötet werden. Dies führt aber zu einer Versteifung der Strukturen in der Anordnung, die die Flexibilität und Zuverlässigkeit verringern können, weil z.B. poten- zielle Bruchstellen geschaffen werden. In manchen Anwendungen, z.B. für die Mag- netresonanztomographie, sollen die Spulen aber möglichst flexibel sein, um diese z.B. in einem Operationstuch integrieren zu können.

Aus der US 5,049,821 ist eine Einrichtung für die nukleare Magnetresonanz (NMR) sowie eine entsprechende Spule bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Ausgabe zugrunde, die notwendige Impedanzanpas- sung ohne die zuvor genannten Nachteile zu realisieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Spule der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Impedanz-Anpassungsschaltung ganz oder zumindest zum Teil durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge der Spule gebildet ist. Die Spule kann z.B. als Leiterschleife ausgebildet sein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit gerin- gem Aufwand eine Impedanzanpassung realisiert werden kann, durch die die Flexibi lität und Zuverlässigkeit der Spule sowie der gesamten damit gebildeten Anordnung nicht beeinträchtigt wird. Je nach Ausgestaltung der Spule kann durch die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge eine vollständige Impedanzanpassung realisiert werden, sodass für die Realisierung der Impedanz-Anpassungsschaltung überhaupt keine weiteren Bauteile erforderlich sind. In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, durch die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge nur einen Teil der Impedanz-Anpassungsschaltung zu realisieren, z.B. um dadurch einen bei klassischen Anpassnetzwerken parallel zur Spule geschalteten Kondensator zu ersetzen .

Die Realisierung zumindest eines Teils der Impedanz-Anpassungsschaltung durch die überlappenden Leiterzüge ist möglich, weil die überlappenden Leiterzüge gegen- einander wiederum Kapazitäten bilden, die für die Realisierung der Impedanzanpas- sung genutzt werden können. Soll beispielsweise der zuvor erwähnte parallelge- schaltete Kondensator hinsichtlich seiner Funktion durch die überlappenden Leiter- züge ersetzt werden, kann hierzu die Eigenresonanz der Leiterzüge der Spule ge- nutzt werden. Prinzipiell besitzt jede Leiterschleife eine intrinsische Resonanz und kann somit als Schwingkreis aufgefasst werden. Durch entsprechende Anpassung dieses Resonanzverhaltens kann somit die Spule daraufhin angepasst werden, dass durch die intrinsische Resonanz die Funktion des parallelgeschalteten Kondensators ersetzt wird.

Die Anpassung des Resonanzverhaltens durch Nutzung der intrinsischen Resonanz unterliegt in manchen Fällen äußeren Restriktionen, wie z.B. ein gewünschter Durch- messer der Spule, der möglicherweise bei der gewünschten Betriebsfrequenz keine vollständige Anpassung des Resonanzverhaltens erlaubt. Daher kann durch die Ei- genresonanz der Leiterzüge zumindest eine Teilanpassung vorgenommen werden, die vollständige Anpassung kann durch Hinzunehmen bspw. eines in Reihe geschal- teten Kondensators erfolgen.

Es wird somit eine verteilte Kapazität durch das partielle Überlappen der Leiterzüge eingebracht, wobei die intrinsische Kapazität durch Verlängern oder Verkürzen der Leiterzüge verändert werden kann, um auf diese Weise die gewünschte Impedanz- anpassung spulenseitig zu realisieren. Werden die Leiterbahnen der Spule überlappt, bilden diese eine Kapazität, und die Resonanz des Systems Leiterschleife kann bei festen Durchmessern variiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass An- schlussleitungen der Spule, die zum Anschließen der Spule an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung dienen, außerhalb des Überlappungsbereiches der überlappenden Leiterzüge der Spule mit den Leiterzügen der Spule verbunden sind. Auf diese Weise kann durch die Leiterzüge der Spule die gewünschte Sende- oder Empfangsfunktion der Spule sowie die Impedanzanpassung realisiert werden. Die Anschlussleitungen der Spule können diesbezüglich neutral ausgebildet sein, z.B. in Form eines mit der Anschlussimpedanz der Spule ausgelegten Kabels, z.B. eines Koaxialkabels.

Die Leiterzüge der Spule, die auch als Leiterbahnen bezeichnet werden können, kön- nen beispielsweise eine kreisrunde Querschnittsform aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich sich über einen Winkelbereich erstreckt, der kein Vielfaches von 360 Grad ist. Beispielsweise kann der Überlappungsbereich um wenigstens +15 Grad/-15 Grad von einem Vielfachen von 360 Grad abweichen. Die Winkelangaben beziehen sich diese auf ein Kreismaß von 360 Grad (360°).

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lei terzüge der Spule zumindest teilweise oder vollständig eine abgeflachte Quer- schnittsform aufweisen. Die Querschnittsform kann beispielsweise im Wesentlichen rechteckig sein, wobei die Ecken der Rechteckform auch abgerundet sein können.

Die Querschnittsform kann insbesondere ein Verhältnis von Höhe zu Breite von we- niger als 1 :3 oder weniger als 1 :5 aufweisen. Hierdurch kann der Überlappungsbe- reich zwischen den Leiterzügen der Spule hinsichtlich der dadurch gebildeten intrinsi schen Kapazität optimiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lei terzüge der Spule zumindest teilweise oder vollständig aus flexiblem Leiterplattenma- terial gebildet sind. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Bereitstellung ei- ner solchen Spule mit ausreichender Flexibilität. Die Spule ist damit beispielsweise für Anwendungen in der Medizintechnik geeignet, z.B. für die Magnetresonanztomo- graphie.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule als Luftspule ausgebildet ist. Dementsprechend ist die Spule ohne Kern aus- gebildet. Die Spule kann z.B. einen Innendurchmesser aufweisen, der wenigstens 10mal so groß ist wie die Breite der Leiterzüge der Spule.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung oder zum drahtlosen Signalempfang, aufweisend eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung und eine an die Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung angeschlossene Spule, wobei die Einrichtung durch eine Ent- kopplungsschaltung und eine Verbindungsleitung mit der Spule gekoppelt ist. Die Spule kann dabei als Spule der zuvor erläuterten Art ausgebildet sein, deren An- schlussimpedanz mittels der einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge ganz oder teilweise an die Eingangsimpedanz der Signalsende- und/oder -empfangs- einrichtung angepasst ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile reali- siert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ent- kopplungsschaltung als eine aktive Entkopplungsschaltung ausgebildet ist, durch die die Spule beim Betrieb als Sendespule außerhalb ihrer intrinsischen Resonanz be- trieben ist. Dies hat den Vorteil, dass während des Sendevorgangs gewährleistet werden kann, dass die Spule kein die Signalübertragung störendes resonantes Ver- halten aufweist. Hierdurch kann insbesondere bei einer Verwendung der Spule für die Magnetresonanztomographie eine unerwünschte Variation des Sendefeldes und damit eine Verschlechterung der Bildgebung der Magnetresonanztomographie ver- mieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ak- tive Entkopplungsschaltung eine Diode aufweist, z.B. eine PIN-Diode aufweist. Die Diode kann insbesondere ausgangsseitig der Entkopplungsschaltung angeordnet sein, das heißt sie kann der nachgeschalteten Signalsende- und/oder -empfangsein- richtung vorgeschaltet sein. Die Diode kann dabei unmittelbar mit der nachgeschalte- ten Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung verbunden sein, oder mittelbar über wenigstens ein weiteres Bauteil, z.B. über einen in Reihe geschalteten Kondensator.

Die Diode bewirkt in Ihrem leitfähigen Zustand das Kurzschließen eines vorgelager- ten Filters, wodurch die Schaltung gegenüber der angeschlossenen Verbindungslei- tung zur Spule, die als l/2-Verbindungsleitung ausgeführt sein kann, neutralisiert wird. Im Sperrzustand wirkt die Diode wie ein Kondensator, wodurch die Filterschal tung die Funktion eines Phasenverschiebers ausführt. Die Filterschaltung kann z.B. als l/4-Filter ausgebildet sein, z.B. als Collins-Filter.

Ist die Diode über den in Reihe geschalteten Kondensator mit der Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung verbunden, dann ist als zusätzliche Weiterbildung der Erfindung ein unabhängiges Tuning der beiden Zustände möglich, die durch die Diode hervorgerufen werden kann (Diode im leitenden Zustand/Diode im Sperrzu- stand).

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ein- richtung durch die aktive Entkopplungsschaltung und eine Verbindungsleitung (z.B. Verbindungskabel) mit der Spule gekoppelt ist, wobei die Anordnung aus der aktiven Entkopplungsschaltung und der Verbindungsleitung eine elektrische Länge von (2-n - 1 )·l/4 aufweist, wobei n eine natürliche Zahl und Lambda (l) die Wellenlänge ist. Da- bei kann n grundsätzlich jede natürliche Zahl größer 0 sein, z.B. n=1 , 2, 3 und so weiter. Es wurde somit erkannt, dass eine besonders vorteilhafte Verbindung der Spule mit der Einrichtung über ein Verbindungsnetzwerk möglich ist, dass eine ge- samte elektrische Länge mit einem ungeraden Vielfachen von Kl 4 aufweist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Spule lediglich als Empfangsspule dient.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Her- stellung einer Spule der zuvor erläuterten Art, wobei der Überlappungsbereich, in dem die einander zumindest partiell überlappenden Leiterzüge der Spule gebildet sind, durch Verlängern oder Verkürzen verändert wird, bis die Anschlussimpedanz der Spule einen vorgegebenen Impedanzwert erreicht. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.

Beispielsweise kann die Anschlussimpedanz der Spule 50 Ohm oder 25 Ohm sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen- dung von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung und

Figur 2 eine Spule und

Figur 3 eine Spule mit aktiver Entkopplungsschaltung und

Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer Spule und

Figur 5 die einzelnen Leiterzüge der Spule gemäß Figur 4 und

Figur 6 ein Querschnitt durch die Leiterzüge der Spule gemäß Figur 4 und Figur 7 eine Spule mit aktiver Entkopplungsschaltung in einer weiteren Aus- führungsform.

In der Figur 1 ist eine Einrichtung 1 zur drahtlosen Signalübertragung mittels elektro- magnetischen Wellen dargestellt. Die Einrichtung 1 weist eine Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung 2 auf, die eine Eingangsimpedanz ZE aufweist. Ferner ist als Teil der Einrichtung 1 eine Spule 3 dargestellt, die Leiterzüge 4 aufweist. Die Leiter- züge 4 der Spule 3 sind mit Anschlussleitungen 5 der Spule 3 verbunden. Über die Anschlussleitungen 5 kann die Spule 3 mit den die Eingangsimpedanz ZE aufwei- senden Anschlüssen der Signalsende- und/oder -empfangseinrichtung 2 verbunden werden. Im dargestellten Beispiel weist die Spule 3 eine Anschlussimpedanz ZS auf. Ziel ist es nun, die Anschlussimpedanz ZS an die Eingangsimpedanz ZE anzupas- sen.

Hierfür kann die Spule 3 mit einer Impedanz-Anpassungsschaltung 6 versehen wer- den, z.B. ein aus Kondensatoren gebildetes Anpassnetzwerk, wie die Figur 2 zeigt. Die Impedanz-Anpassungsschaltung 6 kann beispielsweise einen parallel zur Spule 3 geschalteten Tuning-Kondensator CT sowie einen in Reihe zur Spule 3 geschalte- ten Matching-Kondensator CM aufweisen. Der Tuning-Kondensator CT ergibt mit der Induktivität der Leiterzüge 4 einen Schwingkreis. Durch den Tuning-Kondensator CT kann der Realteil der Impedanz ZS auf den gewünschten Impedanzwert von z.B. 50 Ohm eingestellt werden. Mit dem Matching-Kondensator CM kann der verblei- bende Imaginärteil kompensiert werden, sodass die komplexe Eingangsimpedanz ZS nun den gewünschten Wert von z.B. 50 Ohm aufweist.

Die Figur 3 zeigt den Einsatz einer Spule 3 der zuvor beschriebenen Art in Verbin- dung mit einer aktiven Entkopplungsschaltung 9, 10, 11 , 12. Die Spule 3 ist über Ihre Anschlussleitungen 5 und eine Impedanz-angepasste Verbindungsleitung 8 mit die ser Entkopplungsschaltung verbunden. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass der Matching-Kondensator CM spulenseitig noch vorhanden ist.

Die Entkopplungsschaltung weist einen ersten Kondensator 9 auf, der mit der Verbin- dungsleitung 8 verbunden ist und gegen Masse geschaltet ist. Hieran ist in Reihe eine Induktivität 10 geschaltet. Hinter der Induktivität 10 ist ein weiterer Kondensator 11 , parallel zu einer Diode 12, angeordnet, wobei der weitere Kondensator 11 sowie die Diode 12 gegen Masse geschaltet sind. Die Kondensatoren 9, 11 bilden mit der Induktivität 10 eine Filterschaltung. Der gemeinsame Anschluss der Bauteile 10, 11 , 12 ist mit einem Vorverstärker 13 verbunden, der mit der Signalsende-/ und oder - empfangseinrichtung 2 verbunden sein kann. Durch diese Entkopplungsschaltung 9, 10, 11 , 12 kann für die Nutzung der Spule 3 bei einem Sendevorgang deren reso- nantes Verhalten, das heißt der intrinsische Schwingkreis der Spule, ausgekoppelt werden, indem durch eine Impedanztransformation der Strom in der Spule unter- drückt wird.

In der Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform einer derartigen Endkopplungsschal- tung dargestellt, über die die Spule 3 mit einem Vorverstärker 13 verbunden ist. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 3 ist ausgangsseitig der Entkopplungs- schaltung, das heißt hinter der Parallelschaltung aus der Diode 12 und dem Konden- sator 11 , in Reihe ein weiterer Kondensator 16 geschaltet. Die Diode 12 ist somit über den Kondensator 16 mit dem Vorverstärker 13 verbunden. Durch diesen zusätz- lichen Kondensator 16 ist ein unabhängiges Tuning der sich in den beiden Schaltzu- ständen der Diode 12 einstellenden Zustände möglich.

Die beschriebene Impedanz-Anpassungsschaltung 6 kann ganz oder zumindest teil- weise durch einander zumindest partiell überlappende Leiterzüge 4 der Spule 3 ge- bildet werden, was in der Figur 4 beispielhaft dargestellt ist. Es sei angenommen, dass eine untere Lage 4b der Leiterzüge in einem Überlappungsbereich 7 eine obere Lage 4a der Leiterzüge in einem Winkelbereich a überlappt. Wie man erkennt, er- streckt sich der Überlappungsbereich 7 über einen Winkelbereich a, der kein Vielfa- ches von 360 Grad ist. Beispielsweise kann der Winkelbereich a im Bereich von 90 Grad bis 270 Grad liegen.

Die Leiterzüge 4a, 4b sind über jeweilige Anschlussstellen 15 mit Leitern der An- schlussleitung 5 verbunden. Die Leiterzüge 4a, 4b können beispielsweise als Leiter- bahnen auf einer Leiterplatte 14, z.B. einer flexiblen Leiterplatte, ausgebildet sein. Dementsprechend kann es sich um eine zweiseitig mit leitendem Material beschich- tete Leiterplatte 14 handeln, wobei der eine Leiterzug 4a auf der einen Seite der Lei- terplatte ausgebildet ist und der andere Leiterzug 4b auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 14.

Die Figur 5 verdeutlicht das Aussehen der einzelnen Leiterzüge 4a, 4b, wenn diese nicht überlappend dargestellt sind. Die Leiterzüge 4a, 4b, können beispielsweise in etwa eine Sichelform aufweisen.

Die Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Figur 4 im Überlap- pungsbereich 7. Erkennbar ist, dass die Leiterzüge 4a, 4b eine verhältnismäßig große Breite B im Verhältnis zu Ihrer Höhe H aufweisen, beispielsweise eine wenigs- tens fünfmal so große Breite B wie Höhe H. Erkennbar ist ferner anhand der Figur 4, dass der Innendurchmesser der Spule 3, charakterisiert durch 2ri, wesentlich größer ist als die Breite B der Leiterzüge 4a, 4b, beispielsweise wenigstens zehnmal so groß wie die Breite B.