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Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Empfangen und/oder zum Senden von Hochfrequenzenergie insbesondere in der Größenordnung von Dezimeterwellen (UHF-Spektrum), wie sie für die uni- und bidirektionale Kommunikation mit mobilen Endgeräten zum Einsatz gelangt, also etwa beim zellularen Mobilfunk, beim Kurzwellenfunk (WLAN, Bluetooth) oder bei Transponder-Lesegeräten (RFID), aber auch bei tragbaren Computern und in Chipkarten. Typischerweise, aber nicht einschränkend, handelt es sich um zunehmend flachbauende mobile Geräte, bei denen die Antenne in eine Gehäuseschale wie die Rückwand oder den Batteriedeckel eingebaut oder sogar integriert ist. Mit steigenden Anforderungen an geringe Bauhöhe und möglichst flach gestaltete, extrem dünnwandige Gehäuseschalen steigen auch die Anforderungen hinsichtlich möglichst geringen Auftragens der Antennenstruktur.
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Diese Anforderungen werden bisher von den so genannten Folienantennen erfüllt. Beispielhaft wird dazu auf die
DE 10 2008 059 111 A1 verwiesen. Eine dünne Isolierstoff-Folie trägt ein- oder beidseitig eine Leiterbahnenstruktur, die aufgedruckt oder aus einer metallenen Kaschierung freigeätzt ist. Die Leiterbahnen-Folie ist zum Gehäuse-Äußeren hin mit einer Trägerfolie beklebt, die als Dekorfolie ausgestaltet sein kann. Dieser Folienverbund wird in einer Spritzgussform mit Kunststoff hinterspritzt und dabei dreidimensional zur Gehäuseschale verformt, deren Äußeres durch die dekorierte Trägerfolie gegeben ist.
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Solch eine Antenne beruht also auf den beiden jedes für sich kritischen Fertigungsverfahren der Ausbildung einer Leiterstruktur als Antennenmuster auf einer dünnen Isolierstoff-Folie und des Verformens und Umspritzens dieser Leiterstruktur. Um Kurzschlüsse bei sich kreuzenden Leiterstrukturen zu vermeiden, können kostspielige Durchstiege durch die Folie zu Überbrückungsleiterbahnen auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Folie erforderlich werden. Die Leiterstruktur muss für eine hinreichende Antennengüte einen niedrigen ohmschen Widerstand, also einen ausreichenden Querschnitt aufweisen; was angesichts des Flächenbedarfes für ein geometrisches Antennenmuster schmale dicke Leiterbahnen bedingt, die aber – zumal mit der erforderlichen Widerstandskonstanz über der Leiterbahnenlänge – schwierig herzustellen sind. Und je dicker die Leiterbahnen des Antennenmusters auftragen, desto größer ist die Gefahr von Bruch oder auch nur von Haarrissen beim Verformen der Antennenstruktur vor dem oder bei dem Kunststoff-Einguss in der Spritzguss-Form. Selbst bei Massenproduktion mit sehr hohen Stückzahlen sind die Gestehungskosten solch einer Antennen-Gehäuseschale deshalb noch recht hoch; kleinere Stückzahlen lassen sich gar nicht wirtschaftlich fertigen.
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In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, Antennen für etwa die erwähnten Anwendungsgebiete mindestens ebenso flach aber in Groß- wie auch in Kleinserie spürbar kostengünstiger fertigen zu können.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale erfüllt. Danach ist eine magnetische Antenne vorgesehen, die nur wenige Windungen (im angegebenen Dezimeter-Frequenzspektrum um drei Windungen) von vorzugsweise backlackisoliertem sehr dünnem Draht längs konstruktiv vorgegebener Geometrie für den Verlauf der Windungen (etwa polygonal oder rechteckig) aufweist. Die Folge der Windungen verläuft, schnecken- oder spiralartig, im Wesentlichen in einer Ebene – dabei derart dicht nebeneinander, dass sie leicht punktuell oder längs Berührungsstrecken durch einen Klebstofftropfen oder durch vorübergehende lokale Erwärmung ihrer thermoplastischen Isolation miteinander zu einer formstabilen Einheit verklebt oder verbacken werden kann.
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Diese Antennenspule ist zweckmäßigerweise in eine flache Einsenkung angepasster Geometrie in der Innenseite der Gehäuseschale eingelegt, etwa eingeklebt. Die beiden mechanisch, chemisch oder thermisch abisolierten Enden des Spulendrahtes werden dahin verlegt, wo sie später aus dem Gehäuse heraus mit Federstiften zur Sende-Empfangs-Schaltung kontaktiert werden sollen. Wegen des im Übrigen isolierten Spulendrahtes können die Enden beliebig über die Spulenwindungen hinweg geführt und positioniert werden, dabei auftretende Kreuzungsverläufe führen ja nicht zu Kurzschlüssen.
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Zweckmäßigerweise werden die Enden des Spulendrahtes mit Klebstoff auf der Innenseite der Gehäuseschale festgelegt. Der Einsatz von Leitkleber führt zu einem größeren Kontaktbereich, was zu einer sichereren Kontaktierung von bei geschlossener Gehäuseschale hier anliegenden Federstiften führt. Diese Kontaktierung lässt sich noch zuverlässiger ausgestalten, indem auf das jeweilige Spulendraht-Ende, mit dem umgebenden Gehäusebereich als abstützender Unterlage, ein metallenes Plättchen als Kontakt-Elektrode aufgebracht – aufgeschweißt oder aufgeklebt – wird.
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Um die Antennencharakteristik abstrahlseitig durch stärkere Bündelung zu optimieren, kann der Antennenspule eine Ferritscheibe hinterlegt, etwa aufgeklebt werden. Die ergibt dann zugleich für die elektronische Schaltung hinter der Antennenspule, also im Gehäuse-Innern, eine recht wirksame Abschirmung gegen abgestrahlte Hochfrequenzenergie. Um für im Gehäuse betriebene Schaltungskomponenten auch noch in die Antennenspule hinein ragenden Einbauraum zu eröffnen, ist die Ferritscheibe in der Projektion der kernfreien Spuleninnenfläche freigestanzt, so dass die Antennenspule von einem Ferritrahmen hinterklebt bleibt. Bei dem recht kostspieligen Ferritmaterial lassen sich Schnittverluste praktisch vermeiden, wenn rückwärtig auf die Spule (zum Gehäuse-Innern hin) kein einteiliger, sondern ein aus einzelnen linearen und/oder abgewinkelt oder gebogen verlaufenden Ferritstreifen zusammengesetzter Rahmen aufgeklebt ist.
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Die Gehäuseschale besteht vorzugsweise aus einem mehrlagigen dünnen Gewebe von sich kreuzenden langen Fasern, die miteinander etwa verwebt oder verwirkt sind und die in ihren Verlaufsrichtungen an der zu erwartenden mechanischen Beanspruchung der Gehäuseschale orientiert sein können. Aber auch Gewebe-Matten mit fliesförmig losen, ungerichteten Verstärkungsfasern sind für die flache, außen flach gewölbte bis absolut ebene Gehäuseschale einsetzbar. Dabei kann es sich um Kohlenstofffasern handeln, aber auch um Basaltfasern oder um insbesondere PE- oder PP-Kunststofffasern. Für gute Hochfrequenzdurchlässigkeit der mit einer Antenne hinterlegten Gehäuseschale werden statt Carbonfasern hier Glasfasern oder Fasern aus besonders reißfest eingestellten aromatischen Polyamiden (Aramid) favorisiert. Bevorzugt ist dieses Gewebe der Gehäuseschale beidseitig mit je einer dünnen Deckschicht preiswert verfügbaren thermoplastischen Kunststoffes, etwa Elastomeren auf Urethanbasis oder Polyamiden, laminiert; aber auch amorphes Terpolymer oder das schlagzähe Polycarbonat ist vorteilhaft einsetzbar. Die Stärke dieses mehrlagigen Gewebes insgesamt kann bis hinab zu einem Millimeter, aber auch noch deutlich darunter betragen.
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Wenn eine Leiterplatte oder dergleichen Schaltungsplatine im Gerätegehäuse gleich unter der Gehäuseschale angeordnet ist, dann ergibt sich eine besonders zweckmäßige Kontaktierung im Zuge des Zusammenbaues des Gehäuses, etwa bei seiner Bestückung mit der Rückwand-Schale, wenn jeweils eine Feder, etwa eine Blatt- oder Schraubenfeder, oder ein federnd gelagerter Kontaktstift von der Leiterplatte her gegen eine der Elektroden an den Drahtenden der Antennenspule zur Anlage kommt.
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Weitere Alternativen und zusätzliche Abwandlungen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch hinsichtlich deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung auf das Funktionswesentliche abstrahiert und nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
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1 den Blick in eine mit ferrithinterlegter Antennenspule bestückte, abgebrochen dargestellte Gehäuseschale und
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2 in ebenfalls abgebrochener Skizze im Querschnitt die mit ferrithinterlegter Antennenspule bestückte Gehäuseschale als Rückwand eines mit Hochfrequenzschaltungen bestückten Gehäuses.
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Die Innenwand 11 einer Gehäuseschale 12 weist eine rahmenförmige oder wie skizziert flächige Einsenkung 13 auf, in welche eine Antennenspule 14 fast gleicher Außenabmessungen eingelegt, beispielsweise eingeklebt ist, wenn die Antennenspule 14 nicht flach auf die Innenwand 11 appliziert ist.
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Bei der Gehäuseschale 12 handelt es sich etwa um die Rückwand oder den Batteriedeckel eines batteriebetriebenen mobilen Funkgerätes wie eines Mobiltelefons. Dessen Gehäuseschale 12 besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus so genanntem Organoblech, einem beidseitig thermoplastisch laminierten Glasfasergewebe; wobei in vorliegendem Rahmen der Begriff des Gewebes weit gefasst zu verstehen ist und sich deshalb auch über andersartige mehrlagige dünne Fasermatten, wie etwa Gewirke, Gelege oder verfilzte beziehungsweise geflockte Matten, erstreckt. Die im Verhältnis zu ihren Querschnittsabmessungen sehr dünne aber mechanisch sehr hoch belastbare Gehäuseschale 12 kann eine leicht gewölbte, aber auch eine völlig ebene Außenfläche aufweisen. Jedenfalls handelt es sich um eine außerordentlich flachbauende und dünne, damit leichte aber dennoch formstabile Gehäuseschale 12 mit auch ausgezeichneten haptischen und visuellen Eigenschaften.
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Die auf der, dem Gehäuse 22 im Übrigen zugewandten, Innenseite der Gehäuseschale 12 aufgenommene Antennenspule 14 ist als Luft-Flachspule gewickelt, also mit in etwa einer Ebene nebeneinander gelegenen Windungen 15 ohne ferromagnetisches Kernmaterial. Das Wickeln der Antennenspule 14 kann mittels eines Handhabungsautomaten erfolgen, angesichts der im UHF-Spektrum sehr geringen Windungszahl aber auch manuell, sogar direkt unter Klebearretierung in die Einsenkung 13 hinein.
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Mit dem dünnen, typischerweise samt doppelter Lackisolierung einen Gesamtdurchmesser von höchstens 0,125 mm aufweisenden Kupfer-Draht der Antennenspule 14 sind beliebige Kreuzungsverläufe ohne besondere Vorkehrungen zur Kurzschlussvermeidung – wie Durchstiege auf die andere Seite einer Leiterplatte oder lokale Isolierungen – möglich, also etwa der skizzierte Kreuzungsverlauf 16 über Windungen 15 hinweg zu einer Anschluss-Stelle 17.
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Die Windungen 15 verlaufen zumindest bereichsweise einander derart dicht benachbart, dass sie – extern gelegt – längs Berührungsstrecken 18 miteinander zur relativ formstabilen, dann komplett in die Einsenkung 13 einlegbaren Antennenspule 14 miteinander verbunden sein können. Solches Verbinden der Spulenwindungen 15 miteinander kann etwa durch lokales Aufbringen von möglichst schnell aushärtendem Klebstoff erfolgen, oder durch lokales Erhitzen zu oberflächigem Verschmelzen der einander berührenden Drahtisolierungen miteinander.
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Die mechanisch oder thermisch abisolierten Drahtenden 19 sind zu den beiden Anschluss-Stellen 17 am Rande der Einsenkung 13 geführt und dort auf der Innenwand 11 fixiert, vorzugsweise durch je einen Tropfen Leitklebstoff 26. Im Interesse einer zuverlässigen Kontaktierung zur Antennenspule 14 ist an den Drahtenden 19 zweckmäßigerweise je eine Elektrode 20 etwa in Form eines für geringen Übergangswiderstand galvanisierten, zumal vergoldeten Metallplättchens auf die Innenwand 11 aufgebracht, vorzugsweise im Zuge des Festlegens der Drahtenden 19 dort jeweils elektrisch leitend auf diese aufgeklebt.
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Zweckmäßigerweise ist die Antennenspule 14 mit Ferritmaterial hinterlegt. Das bewirkt in vorteilhafter Weise eine Bündelung der Sende- und der Empfangs-Antennencharakteristik vor der Gehäuseschale 12 vom Gehäuse-Innern fort gerichtet; und dadurch zugleich eine Abschirmung des Schaltungsbereiches hinter der Gehäuseschale 12 im Gehäuse 22 selbst gegen abgestrahlte Hochfreqenzenergie.
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Dabei ist es zum Minimieren von Schnittverlusten vorteilhaft, die Antennenspule 14 nicht mit einer einteiligen Ferritscheibe zu hinterlegen, die vollflächig oder womöglich dann noch nach Maßgabe des lichten Innenraumes der Luftspule freigestanzt ist. Vielmehr erstreckt das abschirmende Ferritmaterial sich nur als, aus etwa linear, gebogen oder abgewinkelt verlaufenden, Ferritstreifen 21 zusammengesetzter Rahmen hinter den Windungen 15 der Antennenspule 14. In 1 der Zeichnung sind als Beispiel zwei gegensinnig orientierte L-förmige Streifen 21 skizziert, unter denen die Spulen-Windungen 15 längs der Innenwand-Einsenkung 13 zu den beiden aufgeklebten Elektroden 20 verlaufen. Dieser Ferrit-Rahmen kann grundsätzlich in Anpassung an die örtlichen Einbaugegebenheiten eine beliebige Geometrie in der Ebene aufweisen, statt rechteckig also auch etwa rund, oval oder dreieckförmig (in der Zeichnung nicht dargestellt) begrenzt sein, aber auch dreidimensional einer Wölbung der Gehäuseschale 12 folgen. Jedenfalls folgt der aus Ferritstreifen 21 zusammengesetzte Rahmen der von der davor liegenden Antennenspule 14 vorgegebenen Geometrie.
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Solche zum Gehäuse-Innern hin hinter die flache Antennenspule 14 aufgeklebten Ferritstreifen 21 brauchen bei einer Permeabilität mit μr-Werten etwa zwischen 10 und 100 lediglich eine Stärke von ca. 0,3 Millimeter aufzuweisen. Dafür ist ein Verbund von Trägerfolie und gesinterten Ferritplättchen verfügbar. Bessere Ergebnis sind zu erzielen durch Einsatz einer polymerbasierten Folie mit direkt eingelagerten Ferritfüllstoffen (weshalb eine zusätzliche Trägerfolie entfällt), die flexibel sind und deren Dickenabmessung durch gesteigerten Füllstoffgehalt noch verringert werden kann. Derartiger kunststoffgebundener Ferrit kann auch als leistungsfördernde Ferritschicht direkt auf die Windungen 15 der Antennen-Flachspule 14 aufgedruckt werden. Wenn die Antennenspule 14 unmittelbar in eine Spritzgussform zum Anformen von Konstruktionselementen an die Gehäuseschale 12 gewickelt wird, kann der Antennenspule 14 die Ferritschicht gleich im Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren mit aufgespritzt werden, was eine besonders robuste flache Antennen-Baugruppe im Verbund mit der Gehäuseschale 12 ergibt.
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Gemäß 2 handelt es sich bei der skizzierten Gehäuseschale 12 um eine auf ein flaches Gehäuse 22 aufgerastete, fast ebene sehr flache und dünne Rückwand. Die Einsenkung 13 erstreckt sich hier nicht grabenförmig, sondern über die gesamte Fläche der darin eingelagerten Antennenspule 14. Deren Windungen 15 sind von rückwärtig aufgeklebten Ferritstreifen 21 hinterlegt.
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Die abisolierten Spulendrahtenden 19 sind an einander benachbarte Anschluss-Stellen 17 geführt und dort mit vorzugsweise einfach elektrisch leitend aufgeklebten Elektroden 20 bestückt. Bei denen kann es sich um Metallplättchen etwa aus Messing, im Interesse niedrigen elektrischen Übergangswiderstandes bevorzugt mit vergoldeter Oberfläche, handeln, was – gegenüber lediglich einem bloßen Tropfen 26 aus erhärtetem Leitkleber – eine plane und mechanisch belastbare Kontaktfläche liefert. Wenn man sich aber aus Kostengründen mit einem erhärteten Leitkleber-Tropfen 26 für die Kontaktierung begnügen muss, dann ist dafür der Einsatz einer polymerbasierten silbergefüllten Paste anzuraten, weil die schon bei Raumtemperatur eine kurze Aushärtezeit aufweist. Andere Möglichkeiten sind der Einsatz von epoxydbasierenden Pasten oder von wässrigen oder lösungsmittelbasierenden Suspensionen, die mit Silber oder mit anderen leitfähigen Stoffen gefüllt sind.
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Im Gehäuse 22 ist eine Leiterplatte 23 etwa für eine an de Antennenspule 14 anzuschließende Hochfrequenzschaltung 24 gehaltert. Von der Leiterpatte 23 ragen für die elektromechanische Verbindung zwischen der Schaltung 24 und der Antennenspule 14 zwei federnd gelagerte Kontaktstifte 25 in den Bereich der Gehäuseschale 12 vor. Dort geraten sie in Kontakt zu den Elektroden 20 auf den Spulendrahtenden 19 und schließen so im Zuge des Aufsetzens der rückwärtigen Gehäuseschale 12 auf ihr Gehäuse 22 die Hochfrequenzschaltung 24 an die Antennenspule 14 an.
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Angesichts einerseits der hohen, im Spektrum der Dezimeter- und noch kürzeren Wellen liegenden Frequenzen des Mobil- und Kurzstreckenfunkes und andererseits des sehr dünnen Spulendrahtes können Skineffekte sich störend bemerkbar machen, also eine Vergrößerung des wirksamen Widerstandes der Antennenspule 14 infolge Verlagerung des hochfrequenten Stromflusses in die Nähe der äußeren Mantelfläche des Spulendrahtes. Um dem entgegenzuwirken, sind gemäß einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung die Spulenwindungen 15 nicht einadrig, sondern mehradrig aus mehreren isolierten Einzeldrähten gelegt, die bei den Anschlussstellen 17 für die Drahtenden 19 elektrisch zusammengeschaltet sind. Zum Vereinfachen der Handhabung werden dazu die Einzeldrähte nicht parallel zueinander verlegt, sondern miteinander verklebt oder zu einem Strang verdrillt.
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Für im Dezimeterwellenspektrum zu betreibende leistungsfähige Flachantennen, die noch weniger als aktuelle Folienantennen auftragen aber selbst in Kleinstserien spürbar preiswerter und technologisch unkritischer herstellbar sind, werden also erfindungsgemäß flache Gehäuseschalen 12 wie Rückwände oder Batteriedeckel von insbesondere mobilen Telekommunikationsgeräten, ohne den eleganten Eindruck deren insbesondere extrem flachen Formgebung zu beeinträchtigen, auf ihren Innenwänden 11 jeweils in einer Einsenkung 13 mit einer Antennenspule 14 bestückt, die als Luft-Flachspule mit wenigen spiralförmig in einer Ebene einander benachbarten Windungen 15 aus sehr dünnem isoliertem Draht gewickelt ist. Die Spulen-Windungen 15 sind streckenweise miteinander zur gesondert handhabbaren Antennenspule 14 verklebt und mit einem Rahmen aus aufgeklebten oder aufgespritzten Ferritstreifen 21 hinterlegt, zum Bündeln und Ausrichten der Antennencharakteristik vom dahinter gelegenen Gehäuse 22 fort. Die abisolierten Spulendraht-Enden 19 sind, gegebenenfalls über die isolierten Windungen 15 hinweg, zu Anschlussstellen 17 auf der Gehäuseschalen-Innenwand 11 geführt. Dort sind sie mittels Leitklebers 26 festgelegt und mit Elektroden 20 bestückt, gegen die – beim Zusammenbau der Gehäuseschale 12 mit dem Gehäuse 22 im Übrigen – federbelastete Kontaktstifte 25 anliegen können.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Innenwand (von 12)
- 12
- Gehäuseschale (von 22; mit 14)
- 13
- Einsenkung (in 11, für 14)
- 14
- Antennenspule
- 15
- Windung (von 14)
- 16
- Kreuzungsverlauf (über 15 hinweg)
- 17
- Anschluss-Stelle (von 19)
- 18
- Berührungsstrecken (längs 15)
- 19
- Drahtenden (von 14)
- 20
- Elektrode (bei 19)
- 21
- Ferritstreifen (längs 15)
- 22
- Gehäuse (zu 12)
- 23
- Leiterplatte (in 22)
- 24
- Hochfrequenzschaltung (auf 23)
- 25
- Kontaktstifte (zwischen 23 und 19)
- 26
- Leitklebstoff-Tropfen (bei 19 für 20)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059111 A1 [0002]
