DE102012101443B4

DE102012101443B4 - Planare Antennenanordnung

Info

Publication number: DE102012101443B4
Application number: DE102012101443.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Reppel
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: DE102012101443A1; DE102012101443A9

Abstract

Planare Antenne, insbesondere zur Kommunikation mit einem RFID-Tag, mit einer von einem Massenflächenträger (2) getragenen, ebenen, elektrisch leitfähigen Massenfläche (1) und einer ebenen elektrisch leitfähigen Sendefläche (3), wobei die Sendefläche (3) von einem dielektrischen Sendeflächenträger (4) mittels mindestens eines Abstandshalters (5) parallel und mit Abstand vom Massenflächenträger (2) getragen wird, mit mindestens einem mit einem Spaltabstand zum Rand (6) der Sendefläche (3) in der Ebene der Sendefläche (3) angeordneten elektrisch leitenden Kopplungselement (7), über das die Sendefläche (3) kapazitiv an die Massenfläche (1) ankoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefläche (3) und die ein oder mehreren Kopplungselemente (7) von einer Metallbeschichtung einer den Sendeflächenträger (4) bildenden Leiterplatte gebildet sind, dass die Massenfläche (1) von einer Metallbeschichtung einer den Massenflächenträger (2) bildenden Leiterplatte gebildet ist, wobei sich zwischen den beiden Leiterplatten lediglich Luft befindet und die beiden Leiterplatten über elektrisch leitende Abstandshalter (5) miteinander verbunden sind, welche Abstandshalter (5) die Kopplungselemente (7) elektrisch an die Massenfläche (1) ankoppeln, wobei die vom elektrischen Sendeflächenträger (4) getragene Sendefläche (3) einen Sekundärstrahler ausbildet, der ohne direkte elektrische Leitverbindung mit einem HF-bestromten Primärstrahler (10) zusammenwirkt, der als ebene Sendefläche auf der zum Sendeflächenträger (4) weisenden Seite der den Massenflächenträger (2) ausbildenden Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Massenfläche (1) auf der vom Sendeflächenträger (4) wegweisenden Seite des Massenflächenträgers (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine planare Antenne gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße planare Antenne ist in den 2A, B der US 8,081,114 B2 dargestellt. Die Sendefläche ist elektrisch leitend mit einem HF-Oszillator verbunden.
Die US 7,436,363 B1 , die US 2011/0134008 A1 und die WO 02/067377 A1 beschreiben Antennenanordnungen, bei denen zwei parallel zueinander angeordnete plattenförmige Antennen vorgesehen sind, die mittels Abstandshalter auf Abstand gehalten sind.
Die US 7,432,862 B2 beschreibt eine Antenne mit einer elektrisch leitenden Planarfläche, die eine Massenfläche ausbildet. Eine parallel dazu angeordnete elektrisch leitende Planarfläche bildet eine Sendefläche aus. Die Sendefläche wird von einem Sendeflächenträger parallel und mit Abstand zur Massenfläche getragen.
Die US 7,821,460 B2 beschreibt eine planare Antennenanordnung, bei der zwischen zwei elektrisch leitenden Planarflächen ein großvolumiges Dielektrikum angeordnet ist.
Die WO 99/57785 A1 beschreibt eine planare Antennenanordnung, bei der zwei metallisch leitende Planarflächen in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Die DE 10 2006 027 694 B3 beschreibt eine mehrschichtige Antenne planarer Bauart, bei der eine leitende Strahlungsfläche vorgesehen ist, die in einem seitlichen Abstand zu einer Massenfläche angeordnet ist.
Patchantennen mit parallel zueinander angeordneten elektrisch leitendenden Sende- bzw. Massenflächen sind ebenfalls bekannt aus der US 2011/0134008 A1 und der WO 02/067377 A1 bekannt.
Die in dem zuvor zitierten Stand der Technik beschriebenen Antennen dienen zur Kommunikation mit sog. RFID-Tags. Die RFID-Systeme bestehen aus einem räumlich bewegbaren ”Tag”, der eine Antenne und ein Speicher-IC aufweist. Über die Antenne wird das Speicher-IC drahtlos mit Energie versorgt, so dass es beschrieben und ausgelesen werden kann. Die Datenkommunikation erfolgt dabei ebenfalls drahtlos. Energieversorgung und Datentransfer erfolgen über dieselbe Antennenanordnung. RFID-Systeme werden in typischen Frequenzbereichen betrieben, häufig bei 13 MHz, 870 MHz oder im niedrigen GHz-Bereich.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Antennen, die mit RFID-Geräten kommunizieren, deren Frequenz zwischen 840 MHz und 960 MHz liegt. In einem derartigen UHF-Frequenzband werden zum Senden und Empfangen sog. Patchantennen benutzt, bei denen die Sendeflächen Metallflächen sind. Es besteht einerseits das Bedürfnis, die Transponder mit ausreichender Energie zu versorgen und dies vorzugsweise in einem möglichst großen Abstand zur Antenne. Andererseits besteht das Bedürfnis, die Antenne so zu konstruieren, dass sie ein möglichst breitbandiges Sende-Empfangs-Verhalten zeigt, um also gleichermaßen mit Transpondern bei 870 MHz als auch bei 930 MHz bzw. mit darüber bzw. darunter liegenden Frequnzen kommunizieren zu können. Zudem besteht die Anforderung, die Antennenanordnungen möglichst raumsparend zu gestalten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich einer gattungsgemäßen Planarantenne zur Kommunikation mit einem RFID-Tag zu vergrößern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen anliegende Erfindung. Am Rande der Sendefläche in der Ebene der Sendefläche ist mindestens ein elektrisch leitendes Kopplungselement angeordnet.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass am Rande der Sendefläche in der Ebene der Sendefläche mindestens ein elektrisch leitendes Kopplungselement angeordnet ist. Dieses Kopplungselement ist in der Lage, die Sendefläche kapazitiv an die Massenfläche anzukoppeln. Zufolge dieser Ausgestaltung vergrößert sich die Resonanzwellenlänge der Sendefläche, so dass sich die Baugröße vermindert. Je größer die kapazitive Ankopplung ist, desto stärker ist der die Resonanzwellenlänge vergrößernde Effekt. Bei dieser Sendefläche handelt es sich um einen Sekundärstrahler, der ohne direkte elektrische Leitverbindung mit einem HF-bestromten Primärstrahler zusammenwirkt. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens zwei Kopplungselemente vorgesehen. Bevorzugt erfolgt die Ankopplung der Kopplungselemente an die Massenfläche über elektrisch leitende Abstandshalter. Die Abstandshalter können hierzu von Metallstäben ausgebildet sein. Sie können elektrisch leitend mit der Massenfläche bzw. mit den Kopplungselementen verbunden sein. Grundsätzlich reicht es aber aus, wenn die Abstandshalter oder von den Abstandshaltern ausgebildete elektrisch leitfähige Elemente lediglich kapazitiv mit der Massenfläche oder mit dem zugehörigen Kopplungselement verbunden sind. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Sendefläche von der Metallbeschichtung einer Leiterplatte gebildet. Der Sendeflächenträger wird bei dieser Ausgestaltung von einer Leiterplatte ausgebildet, wobei die Kopplungselemente von Flächenelementen der Metallbeschichtung gebildet sind, die lediglich durch einen isolierenden Spalt von der Sendefläche getrennt sind. Die Kopplungsflächen können streifenförmig ausgebildet sein. Sie können dem Rand der Sendefläche folgen, so dass sich ein länglicher Spalt ausbildet. Dieser Spalt kann über seine gesamte Länge eine gleichbleibende Spaltbreite aufweisen. Die Spaltbreite kann aber auch variieren. Die Kopplungselemente sind in der Ebene des Sendeflächenträgers bevorzugt nicht elektrisch leitend miteinander verbunden, um Resonanzen zu vermeiden. Zwischen einem Massenflächenträger, der ebenfalls von einer beschichteten Leiterplatte ausgebildet sein kann, ist bevorzugt kein weiteres Dielektrikum, sondern lediglich Luft vorgesehen. Die Massenfläche kann von einer Beschichtung einer Leiterplatte ausgebildet sein, die auf der vom Sendeflächenträger weg gerichteten Breitseite der Leiterplatte angeordnet ist. Auf der zum Sendeflächenträger hin gerichteten Breitseitenfläche des Massenflächenträgers kann eine Planarantenne angeordnet sein, die einen Primärstrahler bildet, der mit der dann als Sekundärstrahler wirkenden beabstandeten Sendefläche zusammenwirkt. Die den Primärstrahler ausbildende Sendefläche kann eine Kreuzform aufweisen. Sie kann aber auch eine Kreisform oder eine Rechteckform und insbesondere eine Rechteckform mit zentralem Freiraum ausbilden. Die von der Massenfläche mittels Abstandshalter beabstandete Sendefläche kann rund sein. Sie kann mehrkantig sein. Sie hat insbesondere die Form eines regelmäßigen Mehrkantes, so dass sie in der Lage ist, ein zirkularpolarisiertes elektromagnetisches Wechselfeld abzustrahlen und ein vom Transponder abgestrahltes Wechselfeld zu empfangen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 das erste Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung,
3 die Draufsicht auf die Sendefläche 3 des Sendeflächenträgers 4 des ersten Ausführungsbeispiels,
4 eine Draufsicht auf den Massenflächenträger 2 nach Entfernung des Sendeflächenträgers 4,
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 3,
6 eine perspektivische Rückansicht auf die Massenfläche 1 des ersten Ausführungsbeispiels,
7 eine erste Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
8 eine zweite Explosionsdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels,
9 eine perspektivische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels,
10 eine Draufsicht auf die Sendefläche 3 des zweiten Ausführungsbeispiels und
11 eine Draufsicht auf die zweite Sendefläche 10 des zweiten Ausführungsbeispiels.
Bei den in den Ausführungsbeispielen dargestellten Antennen handelt es sich jeweils um eine Patchantenne, die im Wesentlichen aus zwei beschichteten Leiterplatten besteht. Es handelt sich dabei um ein kostengünstiges dielektrisches Trägermaterial, bspw. FR4. Eine dieser beiden Leiterplatten bildet einen Massenflächenträger 2, der beidseitig mit einer Metallschicht beschichtet ist, die eine laterale Struktur aufweist. Eine zweite Leiterplatte bildet einen Sendeflächenträger 4, der lediglich einseitig metallbeschichtet ist, wobei auch hier die Metallbeschichtung lateral in voneinander isolierte Flächenabschnitte strukturiert ist. Die beiden Leiterplatten sind mit mehreren elektrisch leitenden Abstandshaltern 5 miteinander verbunden, wobei die elektrisch leitenden Abstandshalter 5 von handelsüblichen Platinenträgern ausgebildet sind. Ihre Enden durchragen Bohrungen der beiden Leiterplatten 2, 4 und sind dort im Wege einer Schrauben-Muttern-Verbindung miteinander verbunden. Der Abstandshalter 5 kann auch als elektrisch leitende Hülse ausgebildet sein. Er kann auch nicht leitendende Bestandteile aufweisen. Wesentlich ist aber, dass zumindest die beiden Enden des Abstandshalters 5 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Eine Unterseite des Massenflächenträgers 2 ist im Wesentlichen vollflächig beschichtet, besitzt allerdings im Zentrum einen isolierten Flächenabschnitt. Die Massenfläche 1 kann mit der Masse eines Antennenzuleitungskabels verbunden werden. Hierzu kann der Anschlusskontakt 14 verwendet werden. Bei den Ausführungsbeispielen sind die Abstandshalter 5 elektrisch leitend mit der Massenfläche 1 verbunden.
Auf der Frontseite des Massenflächenträgers 2 befindet sich eine Sendefläche 10. Bei dem in den 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel hat die Sendefläche 10 im Wesentlichen eine Kreuzform. Diese Sendefläche 10 bildet einen Primärstrahler aus, der unmittelbar an eine HF-Zuleitung angeschlossen ist.
Die beim ersten Ausführungsbeispiel auf den Eckpunkten eines Rechtecks sitzenden Abstandshalter 5 sind im Eckbereich mit einer rechteckigen Sendeflächenträgerplatine 4 verbunden. Der Sendeflächenträger 4 ist über den größten Teil seiner vom Massenflächenträger 2 wegweisenden Oberfläche mit einer Sendefläche 3 beschichtet. Der Rand 6 der Sendefläche 3 ist allerdings vom Rand des Sendeflächenträgers 4 beabstandet.
In den Eckbereichen des Sendeflächenträgers 4 befinden sich streifenförmige Kopplungselemente 7, die Teile der strukturierten Metallbeschichtung sind. Die Kopplungselemente 7 verlaufen als Metallstreifen beabstandet vom Rand 6 der Sendefläche 3. Zwischen dem zur Sendefläche weisenden Rand 9 der Kopplungselemente 7 und dem Rand 6 der Sendefläche 3 erstreckt sich ein winkelförmiger Spalt 8, der über seine gesamte Länge eine gleichbleibende Spaltweite aufweist. Über diesen Spalt 8 ist das Kopplungselement 7 lediglich kapazitiv an die Sendefläche 3 angekoppelt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Kopplungselemente 7 vorgesehen, die jeweils elektrisch leitend mit dem Abstandshalter 5 und über den Abstandshalter 5 auch elektrisch leitend mit der Massenfläche 1 verbunden sind. Die einzelnen Kopplungselemente 7 sind in der Ebene der Sendefläche 3 angeordnet aber dort nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Zwischen den jeweils in einer Ecke angeordneten Kopplungselementen 7 besteht ein elektrisch isolierender Abstand.
Im Zentrum des Massenflächenträgers 2 und dem flächenmäßig gegenüber dem Massenflächenträger 2 kleineren Sendeflächenträger 4 befindet sich ein weiterer Abstandshalter 11, der ebenfalls aus Metall besteht, der aber nicht leitend mit der Sendefläche 3 oder der Massenfläche 1 verbunden ist. Der Kopf des Abstandshalters 11 stützt sich zwar auf einem metallisierten Abschnitt des Sendeflächenträgers 4 ab. Dieser metallisierte Abschnitt 12 bildet ein weiteres Kopplungselement, das durch einen Ringspalt 13 von der umgebenden Sendefläche 3 getrennt ist. Auch das andere Ende des Abstandshalters 11 besitzt keine elektrisch leitende Verbindung zur Massenfläche 1. Dort ist ein metallisierter Abschnitt 12 durch einen Spalt 13 von der Massenfläche 1 getrennt. Über den zentralen Abstandshalter 11 ist die Sendefläche 3 aber dennoch mit der Massenfläche 1 kapazitiv gekoppelt.
Die Sendefläche 10 bildet einen Primärstrahler aus, der elektromagnetisch mit der parallel dazu verlaufenden Sendefläche 3 wechselwirkt. Der Rand der Sekundärsendefläche 3 ist zumindest bereichsweise von elektrisch leitenden Kopplungselementen 7 umgeben, die zu einer Vergrößerung der Resonanzwellenlänge führen. Die Antenne kann in einem Frequenzband zwischen 840 MHz und 960 MHz betrieben werden.
Auch beim zweiten, in den 7 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Massenflächenträger 2 und der Sendeflächenträger 4 jeweils von Leiterplatten ausgebildet, die in entsprechender Weise beschichtet sind. Hier haben die beiden Leiterplatten 2, 4 die Umrisskontur eines Achtecks. Die Sekundärsendefläche 3 hat auch hier keinen galvanischen Kontakt zur Massenfläche 1 oder zur Primärsendefläche 10. Sie ist auch hier bereichsweise von Kopplungselementen 7 umgeben, die voneinander und von der Sendefläche 3 galvanisch getrennt sind. Zwischen den insgesamt vier streifenförmig ausgestalteten Kopplungselementen 7 und dem achteckigen Rand 6 der Sendefläche 3 verläuft ein Spalt 8 mit gleichbleibender Spaltweite.
Die Kopplungselemente 7 sind auch hier mittels metallischer Abstandshalter 5 elektrisch leitend mit der Massenfläche 1 des Massenflächenträgers 2 verbunden.
Anders als beim ersten Ausführungsbeispiel besitzt der Primärstrahler 10 eine Rechteck-Ringstruktur. Innerhalb des Ringfreiraums der Sendefläche 10 befindet sich hier jedoch eine Metallisierung 15. Auch diese Antenne arbeitet in einem Frequenzband zwischen 840 MHz und 960 MHz.
Die erfindungsgemäße Antenne zeichnet sich durch eine einfache Bauform aus. Sie ist kostengünstig herzustellen, da als Trägermaterial Leiterplatten verwendet werden können, die mit an sich bekannten metallischen Abstandshaltern miteinander verbunden sind. Die Abstandshalter 5 erfüllen eine Doppelfunktion. Sie distanzieren die beiden Leiterplatten 2, 4 in einer parallelen Abstandslage und bilden gleichzeitig die elektrischen Ankopplungselemente, mit denen die Massenfläche 1 mit den Kopplungselementen 7 zusammenwirkt.
In den Ausführungsbeispielen hat der Spalt 8 zwischen Kopplungselement 7 und Sendefläche 3 jeweils eine im Wesentlichen über seine gesamte Länge gleichbleibende Spaltbreite. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann diese Spaltbreite aber auch variieren. Beispielsweise kann der Spalt sich keilförmig aufweiten oder auch bogenförmig verlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Massenfläche
2: Massenflächenträger
3: Sendefläche
4: Sendeflächenträger
5: Abstandshalter
6: Rand der Sendefläche
7: Kopplungselement
8: Spalt
9: Rand der Kopplungselemente
10: Sendefläche
11: Abstandshalter
12: Kopplungselement
13: Spalt
14: Anschluss
15: Metallisierung

Claims

Planare Antenne, insbesondere zur Kommunikation mit einem RFID-Tag, mit einer von einem Massenflächenträger (2) getragenen, ebenen, elektrisch leitfähigen Massenfläche (1) und einer ebenen elektrisch leitfähigen Sendefläche (3), wobei die Sendefläche (3) von einem dielektrischen Sendeflächenträger (4) mittels mindestens eines Abstandshalters (5) parallel und mit Abstand vom Massenflächenträger (2) getragen wird, mit mindestens einem mit einem Spaltabstand zum Rand (6) der Sendefläche (3) in der Ebene der Sendefläche (3) angeordneten elektrisch leitenden Kopplungselement (7), über das die Sendefläche (3) kapazitiv an die Massenfläche (1) ankoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefläche (3) und die ein oder mehreren Kopplungselemente (7) von einer Metallbeschichtung einer den Sendeflächenträger (4) bildenden Leiterplatte gebildet sind, dass die Massenfläche (1) von einer Metallbeschichtung einer den Massenflächenträger (2) bildenden Leiterplatte gebildet ist, wobei sich zwischen den beiden Leiterplatten lediglich Luft befindet und die beiden Leiterplatten über elektrisch leitende Abstandshalter (5) miteinander verbunden sind, welche Abstandshalter (5) die Kopplungselemente (7) elektrisch an die Massenfläche (1) ankoppeln, wobei die vom elektrischen Sendeflächenträger (4) getragene Sendefläche (3) einen Sekundärstrahler ausbildet, der ohne direkte elektrische Leitverbindung mit einem HF-bestromten Primärstrahler (10) zusammenwirkt, der als ebene Sendefläche auf der zum Sendeflächenträger (4) weisenden Seite der den Massenflächenträger (2) ausbildenden Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Massenfläche (1) auf der vom Sendeflächenträger (4) wegweisenden Seite des Massenflächenträgers (2) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Abstandshalter (5) von Metallstäben oder -hülsen gebildet sind, die elektrisch leitend zumindest aber kapazitiv mit der Massenfläche (1) und/oder dem zugehörigen Kopplungselement (7) verbunden sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kopplungselemente (7) vorgesehen sind, die jeweils mittels eines Abstandshalters (5) insbesondere elektrisch leitend, zumindest aber kapazitiv mit der Massenfläche (1) verbunden sind, jedoch voneinander galvanisch getrennt in der Ebene des Sendeflächenträgers (4) angeordnet sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (7) von der Umrisskontur (6) der Sendefläche (3) mit gleichmäßigem Spaltabstand folgenden Streifen ausgebildet sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefläche (3) eine regelmäßige Mehrkantfläche oder eine Kreisfläche ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne in einem Frequenzband zwischen 840 MHz und 960 MHz betreibbar ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Abstandshalter (5) Bohrungen der beiden Leiterplatten (4, 5) durchragen, die im Wege einer Schrauben-Muttern-Verbindung miteinander verbunden sind.