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Die
Erfindung betrifft eine Schleifen-Antenne für mobile Funkstrecken, welche
heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungen angetroffen werden kann.
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Beispielsweise
werden in Zugangskontrollsystemen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik,
mobile Funkstrecken zwischen einer stationären Basisstation, beispielsweise
innerhalb des Fahrzeugs und einem mobilen ID-Geber, verwendet, um
die Zugangsberechtigung über
positive Authentifizierung bis hin zum Motorstart zu ermöglichen.
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Hierzu
werden beispielsweise fahrzeugseitig als Antenne Stab- und Patch-Antennen
verwendet, um Signale im HF, UHF, möglicherweise auch im Mikrowellenbereich
zu übertragen.
Nachteiligerweise erfordert der Einsatz von Patch-Antennen einen
relativ hohen Platzbedarf und ist zudem kostenintensiv. Weitere
bekannte Antennen wie Stabantennen besitzen eine Antennencharakteristik,
welche je nach Lage der Antenne des ID-Gebers zur Antenne der fahrzeugseitigen
Basisstation mehrere Minima bzw. Totpunkte aufweist, so dass, obwohl
sich ein ID-Geber innerhalb der Reichweite einer fahrzeugseitigen Basisstation
befindet, dennoch keine korrekte Übertragung erfolgen kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antenne
zu schaffen, welche die vorliegenden Nachteile beseitigt und auch
in verschiedenen Lagen eine möglichst
gute Übertragung bei
gleichzeitig möglichst
geringen Kosten gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schleifen-Antenne
mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Verwendung einer
solchen Antenne gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Durch
einen zusätzlichen
Kondensator innerhalb einer Schleife einer Schleifen-Antenne lässt sich
die Antennencharakteristik, welche ohne diesen zusätzlichen
Kondensator der Charakteristik einer Stabantenne ähnelt, derart
verändern,
so dass einen größeren Bereich
einer Lageveränderung
sowohl die horizontale als auch vertikale Komponente einer elektromagnetischen
Welle gesendet und/oder empfangen werden kann. Hierbei ist bei dem
vorzugsweisen Einsatzgebiet nach der Erfindung von über 300 MHz
bis in den GHz-Bereich (UHF) bei Entfernungen von 10, 15 bis 50
oder gar bis 100 m bereits im Verhältnis zur Wellenlänge von
einer relativ großen
Entfernung zu sprechen, so dass vorwiegend die elektrische Komponente
der elektromagnetischen Welle betrachtet wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der zusätzliche
Kondensator in einem bestimmten Mindestabstand von dem ersten Kondensator
von beispielsweise mindestens 45 Grad hinsichtlich der jeweiligen
Lage zum Mittelpunkt, wobei sich bei Simulationen herausgestellt
hat, dass insbesondere ein Winkel von 90 Grad eine möglichst
gute Annäherung
hinsichtlich der vertikalen zur horizontalen Polarisation bewirkt.
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Die
Schleifen-Antenne, welche vorzugsweise als gleichschenkliges Vieleck
oder als Kreis mit geringem Durchmesser, beispielsweise 1/10 bis 1/100
der Wellenlänge
ausgebildet ist, weist in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
eine induktive Einkopplung auf, welche aufgrund der symmetrischen
Einkopplung und Massefreiheit vorteilhafterweise mehrere Freiheitsgrade
bei der Anpassung der Schleifen-Antenne ermöglicht. Selbstverständlich ist es
jedoch denkbar, die erfindungsgemäße Schleifen-Antenne mit anderen
Einkopplungsarten, beispielsweise kapazitive Einkopplung oder Gamma-Einkopplung
auszubilden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die Ansteuerungselektronik
der Antenne zusammen mit der erfindungsgemäßen Schleifen-Antenne auf der
Oberfläche
einer Platine, wodurch vorteilhafterweise eine Platzeinsparung für den räumlich begrenzten
Einsatz ermöglicht
wird.
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Hierbei
können
die Eingänge
bzw. Anschlüsse
der Ansteuerungselektronik der Schleifen-Antenne ebenfalls innerhalb
der Schleife liegen, wobei hierzu auch eine Durchkontaktierung auf
die andere Platinenseite denkbar ist, so dass vorteil hafterweise
sowohl die Schleifen-Antenne, als auch die Einkopplungsschleife
bei der induktiven Einkopplung inklusive deren Anschlüsse auf
einer einzigen Seite bzw. Oberfläche
einer Platine ausgebildet sein können.
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Die
erfindungsgemäße Schleifen-Antenne kann
besonders vorteilhaft in Zugangskontrollsystemen, insbesondere in
einem Fahrzeugzugangskontrollsystem wie z. B. PASE (Passive start
and entry) und RKE (Remote keyless entry) -Systemen verwendet werden,
wobei der Einsatz der erfindungsgemäßen Schleifen-Antenne in der fahrzeugseitigen
Basisstation bzw. Sende- und/oder
Empfangseinrichtung und/oder im ID-Geber bzw. mobilen Sende- und/oder
Empfangseinrichtung denkbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer im Stand der Technik bekannten Schleifen-Antenne mit
induktiver Einkopplung;
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2 ein
Diagramm des im Versuch gemessenen Antennengewinns in Abhängigkeit
eines Winkels Theta der Antenne nach 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer Schleifen-Antenne mit induktiver Einkopplung nach der
Erfindung und
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4 ein
Diagramm des im Versuch gemessenen Antennengewinns in Abhängigkeit
eines Winkels Theta der erfindungsgemäßen Antenne nach 3.
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Die
in 1 dargestellte herkömmliche, im Stand der Technik
bekannte Schleifen-Antenne 1 weist eine quadratische Schleife 3 auf,
in deren einer Seite mittig ein Kondensator 5 angeord net
ist. Auf der dem Kondensator 5 gegenüberliegenden Seite ist innerhalb
der Schleife 3 bis etwa zu einem Drittel des Durchmessers
eine Koppelschleife 7 angeordnet, welche der induktiven
Einkopplung der Schleifen-Antenne 1 dient. Die Koppelschleife 7,
welche keine direkte galvanische Verbindung zur Schleife 3 besitzt, weist
außerhalb
der Schleife 3 liegende Anschlüsse 9 auf, über welche
die Koppelschleife 7 und damit die Antenne 1 gespeist
werden kann.
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In 2 ist
als Diagramm der Antennengewinn der Schleifen-Antenne nach 1 dargestellt und
dessen Abhängigkeit
bzw. Änderung
bei einer Auslenkung aus einer Mittellage (0 Grad) um einen Winkel
Theta (positiv oder negativ). Für
eine solche Messung wurde die Schleifen-Antenne 1 senkrecht zur
Bodenebene mit ihren Anschlüssen 9 nach
unten angeordnet, wobei in einem vorbestimmten Abstand von beispielsweise
20 Metern eine Messantenne in Form eines Dipols in einer Ebene parallel
zur Bodenebene (in Höhe
der Schleifen-Antenne 1) und in einer Ebene parallel zur
Schleifen-Antennenebene angeordnet ist.
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Die
Messung erfolgt bei einer Frequenz von 300 MHz, so dass die Entfernung
zwischen Messantenne und Schleifen-Antenne 1 relativ groß zur Wellenlänge ist
und damit im Wesentlichen die elektrische Komponente bzw. das elektrische
Feld der in diesem Fall sendenden Schleifen-Antenne 1 gemessen
wird. Im Diagramm nach 2 ist auf der X-Achse der Winkel
Theta in Grad aufgetragen, bei welchem die Lage 0 Grad der vorgenannten
Messanordnung entspricht und bei einer Änderung des Winkels Theta die
Schleifen-Antenne 1 um eine senkrecht zur Bodenebene stehenden
Drehachse bzw. Mittelachse (durch den Mittelpunkt M der Schleifen-Antenne 1) ausgelenkt
wird.
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In
dieser Lage wird die horizontale Komponente des elektrischen Feldes
(horizontale Polarisation) gemäß Kurve 11 gemessen,
wobei der Antennengewinn (im Diagramm als Amplitude dargestellt) bezüglich einer
optimalen Vergleichsantenne in dB auf der Y-Achse angetragen ist.
Hierbei wird deutlich, dass der Antennengewinn ein Maximum bei 0
Grad hat und entlang der Kurve 11 bei einer positiven oder negativen
Auslenkung von bis zu +/– 90
Grad zu beiden Seiten symmetrisch dach- bzw. kuppelförmig abfällt.
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Führt man
nun vorgenannte Messung mit einem Dipol, welcher statt in einer
Ebene parallel zur Bodenebene in einer Ebene senkrecht zur Bodenebene
und nach wie vor in einer Ebene parallel zur Schleifenebene liegt,
durch, so erfasst man die vertikale Komponente des elektrischen
Feldes (vertikale Polarisation), welche durch die Kurve 13 beschrieben ist.
Hierbei wird deutlich, dass in der vorgenannten Null-Lage (Theta
gleich 0 Grad) der Antennengewinn ein Minimum aufweist und bei einer
Drehung der Schleifen-Antenne 1 um ihre senkrechte Mittelachse um
einen Winkel +/– Theta
jeweils symmetrisch auf ein Maximum bei etwa Theta gleich +/– 45 Grad
ansteigt und bei Theta gleich +/– 90 Grad ebenso wie die Kurve 11 völlig abfällt.
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Diese
bekannte Charakteristik, welche beispielsweise auch der eines Dipols
in einer Lage entsprechend der oberen Seite der Schleifen-Antenne
in vorgenannter Versuchsanordnung (mit mittigem Kondensator 5)
entspricht, hat demzufolge eine Antennencharakteristik, bei welcher
allein durch die Lageänderung
zweier Antennen zueinander trotz optimalem Theta von beispielsweise
0 Grad durch eine Lageänderung
beispielsweise der anderen Antenne (durch eine Drehung aus der horizontalen
Polarisation heraus in die vertikale Polarisation hinein) nachteiligerweise
nur noch ein Minimum gesendet oder empfangen werden kann, so dass
eine Übertragung bei
dieser und anderen ungünstigen
Lagen zwischen beiden Antennen nicht mehr möglich ist.
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In 3 ist
dagegen eine Schleifen-Antenne 21 nach der Erfindung dargestellt,
welche ebenfalls wie die Schleifen-Antenne 1 aus einer quadratischen Schleife 22 (beispielsweise
eine Drahtschleife mit einer Windung) besteht und an ihrer einen
Seite (in 3 die rechte Seite) einen ersten
Kondensator 23 aufweist, welcher dem Kondensator 5 der
Schleifen-Antenne 1 entspricht.
Zusätzlich
zu dem ersten Kondensator 23 weist die Schleifen-Antenne 21 in
einem benachbarten Schenkel der Schleife 22 zum Kondensator 23 einen
dort ebenfalls mit tig angeordneten Kondensator 25 auf (in 3 die
obere Seite), so dass die Achsen durch die Kondensatoren 23 und 25 und
dem Schleifenmittelpunkt M (bzw. dem Flächenmittelpunkt oder Flächenschwerpunkt)
einen Winkel Alpha von 90 Grad einschließen.
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Selbstverständlich ist
es als gleichwertig anzusehen, wenn der zweite Kondensator 25 statt
auf der im gegen den Uhrzeigersinn benachbarten Seite (oben) auf
der im Uhrzeigersinn benachbarten Seite (unten) vom Kondensator 23 aus
gesehen angeordnet wäre.
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Weiterhin
weist die Schleifen-Antenne 21 eine Koppelschleife 27 mit
Anschlüssen 29 zur
Speisung der Schleifen-Antenne 21 auf, welche in ihrer Lage
und Form (rechteckige Form) mit Durchmesser in Richtung Schleifenmittelpunkt
M von im Wesentlichen ein Drittel des Schleifendurchmessers bis
maximal zur Hälfte
des Schleifendurchmessers der Koppelschleife 7 der Schleifen-Antenne 1 entspricht.
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Tauscht
man nun bei der vorstehend erläuterten
Versuchsanordnung die Schleifen-Antenne 1 durch die Schleifen-Antenne 21 aus,
so erhält
man für
den Antennengewinn hinsichtlich der vertikalen und horizontalen
Polarisation in Abhängigkeit
eines Auslenkungswinkels Theta das in 4 dargestellte Diagramm
für den
Antennengewinn.
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Die
horizontale Komponente bzw. horizontale Polarisation ist hierbei
als Kurve 31 und die vertikale Komponente des elektrischen
Feldes bzw. vertikale Polarisation als Kurve 33 aufgetragen.
Hierbei wird deutlich, dass nunmehr durch das Vorsehen des zweiten
Kondensators 25 bei der Schleifen-Antenne 21 nach
der Erfindung die Kurve 31 der horizontalen Polarisation – bis auf
einen minimalen Verlust – in
ihrer Form der Kurve 11 also der horizontalen Polarisation
der Schleifen-Antenne 1 entspricht.
Dagegen weist die Kurve 33 der vertikalen Polarisation
gegenüber
der Kurve 13 einen völlig
anderen Verlauf auf, wobei vor allem das Minimum um die Null-Lage
(Theta gleich 0 Grad) verschwunden ist und sich die Kurve 33 der
Kurve 31 angenähert
hat bzw. zu dieser korreliert.
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Entsprechend
ist bei dieser Anordnung sowohl bei einer Änderung der Lage des Dipols
bzw. der Messantenne als auch bei einer Änderung der Lage der Schleifen-Antenne 21 in
einem wesentlich größeren Bereich
von Theta ein ausreichender Antennengewinn gegeben, so dass eine
für eine
erfolgreiche Übertragung
ausreichende Sende- bzw. Empfangssignalstärke gewährleistet ist.
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Demzufolge
ist es leicht vorstellbar, dass durch eine Schleifen-Antenne 21 nach
der Erfindung, welche beispielsweise in einer Fahrzeugtür eines Fahrzeugs
angeordnet ist, eine bessere Übertragung zum
ID-Geber gewährleistet
ist, wobei sich gerade der ID-Geber in seiner Lage zum Fahrzeug ändern kann,
ohne dass eine Übertragung
hierdurch vermindert oder gar unmöglich wird. Da die Schleifen-Antenne 21 zu
ihren beiden offenen Seiten (bzw. in Richtung ihrer Mittelachse
in 3 senkrecht zur Zeichenebene durch den Mittelpunkt
M) optimal sendet bzw. empfängt,
reicht vorteilhafterweise bereits eine Schleifen-Antenne 21,
um zwei Richtungen, beispielsweise linker und rechter Fahrzeugbereich,
und damit eine Annäherung
eines ID-Gebers zur linken oder rechten Fahrzeugseite abzudecken
bzw. zu detektieren.
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Selbstverständlich ist
die vorgenannte quadratische Form der Schleife 22 der erfindungsgemäßen Schleifen-Antenne 21 nur
eine beispielhafte Ausführungsform,
wobei auch beliebige gleichschenklige Vielecke oder ein Kreis als
Form der Schleife 22 in Frage kommen.