DE102007059168A1 - Kommunikationsmodul mit Schlitzantenne - Google Patents

Kommunikationsmodul mit Schlitzantenne

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Abstract

Kommunikationsmodul für eine Radiofrequenzkommunikation, enthaltend ein einen Chip aufweisendes Funkmodul und eine Antenne, wobei die Antenne mit einer Öffnung versehen ist, wobei das Funkmodul eine elektrisch mit dem Chip verbundene magnetische Koppelantenne aufweist und dass das Funkmodul in einem solchen Bereich der Antenne positioniert ist, in dem die Antenne die höchste magnetische Feldstärke aufweist, derart, dass die Daten und/oder die Energie unter Kopplung zwischen der Antenne und der magnetischen Koppelantenne übertragen werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsmodul für eine Radiofrequenzkommunikation enthaltend ein einen Chip aufweisendes Funkmodul und eine Antenne, wobei die Antenne mit einer Öffnung versehen ist.
  • Drahtlose Kommunikationsmodule in miniaturisierter Bauform und insbesondere ohne eine eigene Energieversorgung finden in der Logistik mit der Radiofrequenz-Identifikation (RFID) eine stark zunehmende Verbreitung, die eine sehr preiswerte Realisierung unter den unterschiedlichsten Anwendungssituationen erlaubt. Besonders erschwerende Bedingungen entstehen beim Einsatz der Kommunikationsmodule auf großen, elektrisch leitenden Flächen. Das können Metallflächen sein, aber auch Behälter mit z. B. wässrigen Lösungen.
  • Aus der DE 20 2007 006 597 U1 ist eine Patchantenne mit einer kapazitiven Ankopplung eines Transponderchips bekannt. Die Patchantenne ist grundsätzlich für den Einsatz auf größeren, elektrisch leitenden Flächen geeignet. Nachteilig ist aber der verhältnismäßig komplizierte Aufbau der Patchantenne aus einer Abfolge von dielektrischen und elektrisch leitenden Schichten. Die Aufbringung des Transponderchips ist ebenfalls individuell erforderlich. Antennenaufbau und Kontaktierung führen zu einem technologischen Aufwand, der unter Umständen eine unzureichende Wirtschaftlichkeit bewirkt.
  • Aus der DE 10 2006 029 248 A1 ist ein Kommunikationsmodul für die Radiofrequenzkommunikation bekannt, das zum einen aus einer Schlitzantenne und zum anderen aus einem Transpondermodul besteht, welches separat gefertigt werden kann. Das Transpondermodul weist im Wesentlichen einen Chip auf. Ferner weist das Transpondermodul zwei Kontaktflächen auf, die an voneinander wegweisenden Oberflächen des Transpondermoduls angeordnet sind und ein Kontaktieren des Transpondermoduls mit der Schlitzantenne gewährleisten. Da die Schlitzantenne an der beschriebenen Kontaktstelle eine sehr hohe Anschlussimpedanz aufweist, sind geeignete Konstruktionen vorgeschlagen, die auch eine Impedanzanpassung erlauben. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass die voneinander wegweisenden Flächen der Antenne mit Kontaktflächen des Transpondermoduls zu kontaktieren sind. Darüber hinaus wirken sich solche Einbauten an der Kontaktstelle der Antenne wegen der dort bestehenden höchsten Impedanz störend auf die funktechnischen Eigenschaften aus.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kommunikationsmodul derart weiterzubilden, dass die Einspeisung eines Hochfrequenzsignals in ein Funkmodul mit einem geringen Herstellungsaufwand verbessert wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul eine elektrisch mit dem Chip verbundene magnetische Koppelantenne aufweist und dass das Funkmodul in einem solchen Bereich der Antenne positioniert ist, in dem die Antenne die höchste magnetische Feldstärke aufweist, derart, dass die Daten und/oder die Energie unter Kopplung zwischen der Antenne und der magnetischen Koppelantenne übertragen werden.
  • Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Antennenwirkung eines metallischen Bauteils mit einer Öffnung zur Einspeisung bzw. Übertragung eines Hochfrequenzsignals genutzt werden kann, ohne dass ein den Chip aufweisendes Modul mit der Antenne galvanisch gekoppelt sein muss. Grundgedanke der Erfindung ist es, ein Funkmodul enthaltend einen Chip und eine magnetische Koppelantenne in einem Bereich der Antenne zu positionieren bzw. zu montieren, in dem sich die höchste magnetische Feldstärke an der Antenne ausbildet. Das Hochfrequenzsignal wird somit unter Kopplung der Antenne mit der magnetischen Koppelantenne des Funkmoduls in das Funkmodul eingeprägt. Die Übertragung des Hochfrequenzsignals erfolgt somit vermittels einer relativ großen Antenne, die durch eine metallische Fläche begrenzt ist, und einer relativ kleinen magnetischen Koppelantenne (Leiterschleife), die in dem Funkmodul integriert angeordnet ist.
  • Eine Grundidee der Erfindung besteht somit darin, eine Antenne und ein Funkmodul über das magnetische Feld beispielsweise einer Schlitzantenne zu koppeln, indem das Funkmodul nur aus einer sehr kurzen magnetischen Koppel schleife mit dem angeschlossenen Funkchip aufgebaut ist und dieses Funkmodul in dem Ort höchster magnetischer Feldstärke der Schlitzantenne platziert wird.
  • Die Schlitzantenne hat in der offenen Apertur im mittleren Bereich der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen die höchste elektrische Feldstärke. Andererseits hat sie an den Schlitzenden dann die höchste magnetische Feldstärke. Durch diese Eigenschaft transformiert sie die empfangene Funkwelle mit der Freiraumimpedanz in Antennenmitte in ein starkes elektrisches Feld und an den schmaleren Antennenseiten in ein magnetisches Feld. Dieses kann mit dem kurzen magnetischen Rahmen des Funkmoduls ausgekoppelt werden und der Funkelektronik respektive dem Funkchip zugeführt werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann der kleine magnetische Rahmen als Chipträger (Chip Carrier) ausgebildet sein, so dass die Herstellung mit Standardtechnologien des Montierens und Verkapselns der Halbleitertechnologie erfolgen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Funkchip in ein Verkleidungsteil oder Funktionsteil aus Kunststoff eingebettet sein. Die Schlitzantenne wird anschließend durch ein Etikett aus einem Etikettenträger mit einer Metallisierung oder anderweitig elektrisch leitenden Schicht gebildet, in dem die Schlitzantenne ausgearbeitet ist. Dadurch ist es möglich, das Kommunikationsmodul durch einfaches Wechseln des Etiketts auf unterschiedliche Frequenzen abzustimmen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Antennenbogen als Kreisbogen ausgeführt, so dass das Funkmodul gleichzeitig auf beiden Schlitzenden aufgesetzt werden kann, wodurch die Empfindlichkeit verbessert wird. Gleichzeitig wird dadurch ein geringerer Einfluss der Lage von Kommunikationsmodul und Leser erreicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer Schlitzantenne mit eingezeichneten magnetischen Feldlinien an den Schlitzenden,
  • 2 eine Draufsicht auf ein Funkmodul,
  • 3 eine Draufsicht auf ein mit einer Schlitzantenne und einem an einem Schlitzende angeordneten Funkmodul bestehendes Kommunikationsmodul nach einer ersten Ausführungsform,
  • 4 eine perspektivische Darstellung eines Kommunikationsmoduls nach einer weiteren Ausführungsform,
  • 5 eine perspektivische Darstellung eines Kommunikationsmoduls mit einer ringförmigen Schlitzantenne,
  • 6 eine Draufsicht auf ein Trägerband zur Aufnahme eines Chips und einer magnetischen Koppelantenne (Leiterschleife),
  • 7 eine Draufsicht auf ein Kommunikationsmodul mit einer Antenne, die eine ovalförmige Öffnung aufweist,
  • 8 eine Draufsicht auf ein Kommunikationsmodul gemäß 7, wobei die Antenne in einem mittleren Bereich abragende Metallstäbe aufweist, und
  • 9 eine Draufsicht auf ein Kommunikationsmodul nach einer weiteren Ausführungsform mit zwei jeweils an den Enden der Öffnung angeordneten Funkmodulen.
  • Ein Kommunikationsmodul 1 besteht zum einen aus einer Antenne 2, die aus einem flächigen Metallkörper 3 und einer Öffnung 4 gebildet ist. Wie aus 1 zu ersehen ist, kann die Antenne 2 beispielsweise als eine Schlitzantenne ausgebildet sein, wobei die Öffnung 4 durch einen Schlitz vorgegebener Länge L gebildet ist. Die Antenne 2 besteht aus einem temperaturstabilen Metallmaterial, das beispielsweise an einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs montiert oder beispielsweise in einem Kunststoffdeckel einer Mülltonne eingespritzt sein kann.
  • Die Öffnung 4 der Schlitzantenne 2 ist als eine Aussparung ausgebildet, die von dem elektrisch leitenden Metallkörper (Metallblech) 3 umgeben ist. Die Länge L des Schlitzes 4 ist auf die Wellenlänge des zu übertragenden Hochfrequenzsignals abgestimmt. Die Länge L der Öffnung 4 der Schlitz antenne 2 entspricht der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge des speisenden hochfrequenten Wechselstroms (Hochfrequenzsignals). Das Hochfrequenzsignal wird vorzugsweise im UHF-Bereich (868 MHz, 2,45 GHz) betrieben bzw. liegt in dessen Nähe.
  • Aus 1 ist durch Angabe von magnetischen Feldlinien 5 ersichtlich, dass sich die maximale magnetische Feldstärke an Schlitzenden 6 des Schlitzes 4 einstellt.
  • Das Kommunikationsmodul 1 weist ferner ein in 2 dargestelltes Funkmodul 7 auf, das im Wesentlichen aus einem Chip 8 und eine Leiterschleife 10 gebildet ist. Der Chip 8 ist über Kontaktflächen 9 mit der eine Antennenfunktion aufweisenden Leiterschleife (Rahmenantenne) 10 elektrisch leitend kontaktiert. Der Chip 8 und die Leiterschleife 10 sind auf einem elektrisch nicht leitenden Träger 11 angeordnet.
  • Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 weist das Kommunikationsmodul 1 die Schlitzantenne 2 auf, an deren stirnseitigen Endbereich 12 das Funkmodul 7 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt ist. Beispielsweise kann das Funkmodul 7 durch Verklebung an dem stirnseitigen Endbereich 12 der Schlitzantenne 2 befestigt sein. Das Funkmodul 7 befindet sich somit in einem Bereich der Schlitzantenne 2, in dem die Schlitzantenne 2 die höchste magnetische Feldstärke aufweist. Das Hochfrequenzsignal – und damit die Daten und/oder Energie – wird somit unter elektromagnetischer Kopplung zwischen der Schlitzantenne 2 und der Leiterschleife 10 in das Funkmodul 7 eingekoppelt. Vorzugsweise ist die Länge L der Antenne 2 auf die Länge der Leiter schleife 10 abgestimmt. Die Länge der Leiterschleife 10 kann von der Dämpfung der Antenne 2 und/oder von der Impedanz des im Chip befindlichen Schaltkreises abhängig sein. Das Funkmodul 7 kann unmittelbar an dem Schlitzende 6 der Öffnung 4 oder in der Nähe des Schlitzendes 6 befestigt sein.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 unterscheidet sich von dem Kommunikationsmodul 1 gemäß 3 dadurch, dass ein Metallkörper 13 mit gegenüberliegenden Befestigungsflanschen 14 vorgesehen ist, so dass das Kommunikationsmodul 15 auf einfache Weise an Funktionsbauteile befestigbar ist. Die Ausführung der Schlitzantenne 2 und des Funkmoduls 7 stimmen mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel überein.
  • Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform eines Kommunikationsmoduls 16 gemäß 5 ist ein quadratischer Metallkörper 17 mit endseitig gegenüberliegenden Befestigungsflanschen 18 vorgesehen, der einen ringförmigen Schlitz 19 als Antenne aufweist. Das Funkmodul 7 ist im Bereich eines Endes 20 des Ringschlitzes 19 angeordnet. Der ringförmige Schlitz 19 ist als ein Kreisringausschnitt ausgebildet, der sich entlang eines überstumpfen Winkels, beispielsweise 300°, erstreckt. Die Länge des ringförmigen Schlitzes 19 ist der halben Wellenlänge des Hochfrequenzsignals (Betriebsfrequenz) bzw. auf einem Vielfachen der halben Wellenlänge des Hochfrequenzsignals angenähert.
  • In 6 ist ein Träger 21 (Chip Carrier) für die Montage einer Vielzahl von Funkmodulen 7 und die anschließende Einhausung mit an sich bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie dargestellt. In einem elektrisch leitenden Trägerband 22 werden die Antennenringe als Leiterschleifen 23 ausgearbeitet. Damit diese nicht verloren gehen, bleiben sie mit Stegen 24 an dem Randstreifen stehen. An den offenen Enden der Leiterschleifen 23 wird der Chip 8 platziert und kontaktiert. Nach vergießen des so gebildeten Bauteils enthaltend den Chip 8 und die Leiterschleife 23 werden die Randstreifen entlang der Linie 25 abgetrennt.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform eines Kommunikationsmoduls 26 gemäß 7 ist eine plattenförmige metallische Antenne 27 mit einer ovalförmigen oder ellipsoiden Öffnung 28 vorgesehen. Das Funkmodul 7 ist an einem stirnseitigen Rand 29 der ovalen Öffnung 28 befestigt, wobei die Befestigung vorzugsweise in einem Bereich einer Kontur der ovalen Öffnung 28 erfolgt, die die stärkste Krümmung aufweist. Die Länge der ovalen Öffnung 28 ist – wie oben beschrieben – auf die Wellenlänge des Hochfrequenzsignals angepasst.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform eines Kommunikationsmoduls 30 gemäß 8 ist – wie gemäß der Ausführungsform nach 7 – eine ovalförmige Öffnung 32 mit jeweils in einem mittleren Bereich abragenden Stegen 33 vorgesehen, die symmetrisch zu einer Längsachse der ovalförmigen Öffnung 32 zueinander gerichtet abragen. Hierdurch kann die Formung des elektrischen und magnetischen Feldes verbessert werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform eines Kommunikationsmoduls 34 gemäß 9 ist eine Schlitzantenne 2 – wie gemäß Ausführungsbeispiel nach 3 – vorgesehen. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen sind an der Antenne 2 zwei Funkmodule 7, 7' platziert. Das eine Funkmodul 7 ist an einem ersten Schlitzende 6, das andere Funkmodul 7' an dem gegenüberliegenden Schlitzende 6' der schlitzförmigen Öffnung 4 befestigt. Vorteilhaft kann hierdurch der Einsatz unterschiedlicher Funkdienste, Modulationen oder Codes ermöglicht werden.
  • Wie aus 4 zu ersehen ist, kann der Chip 8 des Funkmoduls 7 auch auf einer dem Schlitzende 6 abgewandten Seite des Funkmoduls 7 angeordnet sein. In der Ausführungsform gemäß 3 ist der Chip 8 auf einer dem Schlitzende 6, 12 zugewandten Seite des Funkmoduls 7 angeordnet.
  • Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Antenne 2 auch an einem Schlitzende offen ausgebildet sein. Eine Stirnseite der Antenne 2 weist somit eine Öffnung auf, von der sich der Schlitz 4 entsprechend der vorgegebenen Länge in Längsrichtung der Antenne 2 erstreckt. Das Funkmodul 7 ist auf einer der offenen Stirnseite abgewandten Seite in dem Endbereich 12 des Schlitzes 4 angeordnet. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 4, bei der der Metallkörper 13 an dem Schlitzende 6, dem kein Funkmodul 7 zugeordnet ist, abgeschnitten ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 202007006597 U1 [0003]
    • - DE 102006029248 A1 [0004]

Claims (12)

  1. Kommunikationsmodul für eine Radiofrequenzkommunikation enthaltend ein einen Chip aufweisendes Funkmodul und eine Antenne, wobei die Antenne mit einer Öffnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (7, 7') eine elektrisch mit dem Chip (8) verbundene magnetische Koppelantenne (10) aufweist und dass das Funkmodul (7, 7') in einem solchen Bereich (6, 6') der Antenne (2) positioniert ist, in dem die Antenne (2) die höchste magnetische Feldstärke aufweist, derart, dass die Daten und/oder die Energie unter Kopplung zwischen der Antenne (2) und der magnetischen Koppelantenne (10) übertragen werden.
  2. Kommunikationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) der Antenne (2) eine auf die Länge der magnetischen Koppelantenne (10) des Funkmoduls (7, 7') abgestimmte Länge (L) aufweist.
  3. Kommunikationsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Öffnung (4) der Antenne (2) auf die Wellenlänge des zu übertragenden Hochfrequenzsignals abgestimmt ist.
  4. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Länge (L) der Öffnung (4) der Antenne (2) der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge des zu übertragenden Hochfrequenzsignals entspricht.
  5. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Koppelantenne (10) zusammen mit dem Chip (8) in einem elektrisch nicht leitenden Vergusskörper angeordnet ist und dass der Vergusskörper kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Antenne (2) verbunden ist.
  6. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (7, 7') in einem Endbereich (12) der Öffnung (4) der Antenne (2) angeordnet ist.
  7. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (7, 7') an einem Rand (29) der Öffnung (28) der Antenne (27) angeordnet ist, an dem die Öffnung (28) die größte Krümmung aufweist.
  8. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (2) als eine Schlitzantenne ausgebildet ist, wobei mindestens ein Funkmodul (7, 7') an einem Schlitzende (6, 6') des Schlitzes (4) angeordnet ist.
  9. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) geradlinig oder schleifenförmig verläuft.
  10. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an gegenüberliegenden Endbereichen (12) der Öffnung (4) mehrere Funkmodule (7, 7') positioniert sind zur Ermöglichung von gleichen oder unterschiedlichen Funkdiensten.
  11. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Fläche, in der die Antennenöffnung (4) eingebracht ist aus einem nicht leitenden Träger, z. B. einer Papier- oder Kunststofffolie besteht, die mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, in der die Antennenöffnung (4) einbringbar ist und das Funkmodul (7, 7') in ein separates, elektrisch nicht leitendes Bauteil eingebettet ist und dass die Antenne (2) auf das nicht leitende Bauteil aufgeklebt ist.
  12. Kommunikationsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenöffnung (4) in der nicht leitenden oder elektrisch leitenden Schicht durch Ausstanzen hergestellt ist.
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