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Die Erfindung betrifft Magnetantennen mit verringerten Verlusten und die Verwendung einer solchen Magnetspule.
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Magnetantennen mit einem Magnetkern und einer Spule, die den Magnetkern umgibt, können als Sende- und oder Empfangsantennen verwendet werden. In sogenannten schlüssellosen Zugangssystemen z. B. „passive entry, passive start“ Systemen im Automobilbereich kann ein Autoschlüssel mit dem zugehörigen Fahrzeug über solche Magnetantennen ohne direkten Kontakt kommunizieren. Solche Magnetantennen können eine oder mehrere Windungen aufweisen, die zwischen einem elektrischen Signal und einem magnetischen Signal wandeln.
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Magnetantennen sind z. B. aus der
EP 2045878 A1 bekannt. Solche Magnetantennen können bei metallischer Umgebung Wirbelströme erzeugen, was wiederum Einfluss auf die Güte und die Bandbreite des zugehörigen Übertragungssystems haben kann.
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Problematisch sind Magnetantennen dann, wenn Sie in der Nähe metallischer Gegenstände verwendet werden. Denn dann können emittierte Magnetfelder im Metall Wirbelströme erzeugen, was zu Verlusten führt und die Antennenimpedanz verändert. Die Verwendung von Magnetantennen in Kraftfahrzeugen, die üblicherweise große Mengen an Metallen umfassen, ist somit besonders problematisch.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, Magnetantennen anzugeben, die verringerte Verluste aufweisen, insbesondere wenn sie in der Nähe von Metall angeordnet sind.
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Eine solche Magnetantenne ist im unabhängigen Anspruch 1 beschrieben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen und eine vorteilhafte Verwendung an.
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Die Magnetantenne hat einen Magnetkern und eine Spule. Zusätzlich hat die Magnetantenne eine Abschirmung. Die Spule umgibt den Magnetkern. Die Abschirmung ist in der Nähe des Magnetkerns, z. B. längsseitig neben dem Magnetkern, angeordnet.
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Zur Verringerung von Verlusten ist es möglich, den Abstand zwischen Magnetkern mit Spule und dem die Verluste bewirkenden Metall zu erhöhen oder ein Anbringen des Kerns in der Nähe von Metall zu verhindern. Obwohl die Verwendung von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen auch im Kfz-Bereich schon Einzug gehalten hat, sind Karosserien aus Metall mit großem Abstand am weitesten verbreitet. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen Antenne und Metall resultiert ebenfalls in der Reduktion von Verlusten. Doch solche Einschränkungen der Freiheit beim Entwickeln von Kraftfahrzeugen sind unerwünscht.
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Das Hinzufügen einer verlustarmen Abschirmung, z. B. aus Aluminium oder Kupfer, führt zur Verringerung von Verlusten in einer Stahlblechkarosserie, so dass ein Anbringen der Antennen in der Nähe eines Stahlblechs möglich ist und damit Einschränkungen beim Designen von Kraftfahrzeugen entfallen.
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Der Magnetkern kann eine längliche Form haben. Die Abschirmung selbst kann eine flache Form haben. Dann ist die Abschirmung bevorzugt längsseitig neben dem Kern angeordnet, z. B. zwischen dem Kern und dem am nächsten gelegenen Blech, z. B. aus Stahl.
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Der Kern kann dabei im Wesentlichen parallel zum Metallblech ausgerichtet sein, um die Bauhöhe so gering wie möglich zu halten. Metallblech, Abschirmung und Magnetkern sind dann so flach wie möglich gestapelt.
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Die Antenne ist vorzugsweise eine Ferritstabantenne, bei der die Spule isolierten Schaltdraht oder isolierte Hochfrequenzlitze umfasst, wobei der Draht oder die Litze auf dem Ferritstab aufgebracht, z. B. aufgewickelt, ist. Zusammen mit einem parallel oder in Serie geschalteten kapazitiven Element kann die Spule einen Schwingkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz im Bereich um 125 kHz liegt.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung ein Material mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Stahl umfasst. Die Abschirmung kann dabei insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit größer als 30 * 106 Siemens pro Meter aufweisen. Eine Abschirmung mit einer solchen Leitfähigkeit bewirkt, dass das Magnetfeld des Senders aus Magnetkern und Spule weniger weit in das darunterliegende Material eindringt, so dass die Verluste durch Wirbelströme verringert sind.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung ein Material mit einem höheren Reflektionskoeffizienten für magnetische Signale im Frequenzbereich zwischen 120 kHz und 130 kHz als Stahl, z. B. als der Stahl der Umgebung der Magnetantenne, hat.
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Die magnetischen Signale, die in Form von magnetischem Fluss aus dem Magnetkern hervortreten, werden dann vorzugsweise von der Abschirmung reflektiert. Die magnetische Energie wird nicht dissipiert, sondern steht zur Kommunikation mit einem Transceiver des Zugangssystems zur Verfügung.
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Das Zugangssystem kann dabei eine Arbeitsfrequenz um 125 kHz haben.
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Im Gegensatz zu einer weiteren Möglichkeit, die Reichweite solcher Zugangssysteme trotz Verlusten durch Wirbelströme zu erhöhen, besteht in der Anhebung der Versorgungsspannung einer Treiberschaltung für die Magnetantenne. Die Notwendigkeit zur Erhöhung der Versorgungsspannung ist allerdings unerwünscht. Durch das Vorsehen der Abschirmung kann eine unerwünschte Erhöhung der Versorgungsspannung vermieden werden und eine große Reichweite ist dennoch möglich.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) umfasst oder aus Aluminium oder aus Kupfer besteht.
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Diese zwei Metalle eignen sich aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und aufgrund ihres großen Reflektionskoeffizienten für magnetische Signale des entsprechenden Frequenzbereichs gut. Die Abschirmung kann im Übrigen auch aus einer Legierung aus den zwei Metallen bestehen.
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Es ist möglich, dass der Magnetkern ein Ferrit umfasst oder aus einem Ferrit besteht. Alternativ kann auch ein Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften Verwendung finden.
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Ferrit ist ein bevorzugtes Material für Magnetantennen.
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Es ist ferner zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Magnetantenne ein Anpassnetzwerk umfasst. Das Anpassnetzwerk kann zwischen einer Treiberschaltung und der Spule der Magnetantenne verschaltet sein. Das Anpassnetzwerk kann ein erstes serielles induktives Element, ein erstes paralleles kapazitives Element, ein erstes serielles kapazitives Element, ein erstes paralleles induktives Element und ein zweites serielles kapazitives Element umfassen.
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Das serielle induktive Element und die beiden seriellen kapazitiven Elemente sind im Signalpfad in Serie verschaltet. Die beiden parallelen Schaltungselemente verschalten den Signalpfad mit Masse.
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Es ist möglich, dass das serielle induktive Element eine Induktivität von 495 µH hat. Das parallele kapazitive Element kann eine Kapazität von 1500 pF haben. Das erste serielle kapazitive Element kann eine Kapazität in Höhe von 2100 pF haben. Das parallele induktive Element kann eine Induktivität in Höhe von 80000 µH haben. Das zweite serielle kapazitive Element kann eine Kapazität in Höhe von 26 nF haben. Das erste und das zweite serielle kapazitive Element bildet zusammen mit dem induktiven parallelen Element eine T-Schaltung. Das serielle induktive Element und das parallele kapazitive Element bilden zusammen eine L-Schaltung.
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Es ist möglich, dass die Magnetantenne ein Gehäuse umfasst. In dem Gehäuse sind der Magnetkern und die Spule angeordnet.
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Es ist zusätzlich möglich, dass die Abschirmung ein Teil des Gehäuses ist.
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Die Abschirmung kann zum Beispiel die Bodenplatte des Gehäuses darstellen. Das Gehäuse kann dann zusätzlich Seitenwände und einen Deckel aufweisen. Insgesamt kann das Gehäuse eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt haben und der Magnetkern mit der Spule im Inneren angeordnet sein. Die Bodenplatte ist dann aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Seitenwände und der Deckel können aus einem dielektrischen Material bestehen.
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Eine zugehörige Treiberschaltung und ein Anpassnetzwerk, wenn vorhanden, können ebenfalls im Gehäuse untergebracht sein.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung parallel zum Magnetkern angeordnet ist. Der Magnetkern kann stabförmig ausgebildet sein und eine Länge LMK haben. Die Abschirmung kann eine Länge LA haben, wobei die Länge der Abschirmung größer oder gleich der Länge des Magnetkerns ist (LA ≥ LMK).
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Zur Kommunikation emittiert der Magnetkern im Wesentlichen an den Enden des stabförmigen Körpers Magnetfeldlinien. Ohne Abschirmung und bei in der Nähe angeordneten Metallen einer üblichen Kfz-Karosserie würden Magnetfeldlinien insbesondere an den Stellen der beiden Enden in das Metall der Karosserie eindringen und dort unerwünschte Wirbelströme induzieren.
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Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn gerade diese Bereiche durch die Abschirmung abgedeckt sind. Durch die oben angegebene Länge der Abschirmung erstreckt sich die Abschirmung in diesen kritischen Bereich.
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Es ist möglich, dass der Magnetkern und die Abschirmung mittig ausgerichtet sind. Das heißt, dass die Mitte des Magnetkerns im Wesentlichen vertikal über der Mitte der Abschirmung angeordnet ist.
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Eine noch bessere Abschirmung wird erreicht, wenn die Länge der Abschirmung größer als die Länge des Magnetkerns ist (LA > LMK). Dann ragt die Abschirmung in longitudinaler Richtung vorzugsweise über den Magnetkern auf beiden Seiten hinaus. Die longitudinale Richtung ist dabei durch die Längsrichtung des im Wesentlichen stabförmigen Magnetkerns vorgegeben.
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Es ist möglich, dass die Abschirmung aus einem Metall oder einer Legierung mit rechtwinkeliger Grundfläche und einer Dicke zwischen 0,1 mm und 0,8 mm besteht. In einer Ausführungsform hat die Abschirmung eine Dicke von 0,2 mm, eine Breite von 18 mm und eine Länge von 135 mm. Die Abschirmung besteht dann im Wesentlichen aus einem Quader aus Kupfer oder Aluminium. Es ist alternativ möglich, dass die absoluten Abmessungen der Abschirmung von diesen Abmessungen abweichen. Länge, Breite und Höhe können aber stets im Verhältnis 0,2 zu 18 zu 135 gewählt sein.
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Es ist möglich, dass eine solche Magnetantenne in einem schlüssellosen Zugangssystem Verwendung findet, bei dem die Magnetantenne im Abstand von weniger als 10 cm von einem Stahlblech angeordnet ist.
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Obwohl das Zugangssystem als schlüssellos bezeichnet wird, kann das Zugangssystem dennoch einen Transponder umfassen, der einen Schlüssel - allerdings ohne Notwendigkeit eines direkten Kontakts - aufweist.
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Die Magnetantenne, die zugrunde liegenden Funktionsprinzipien und beispielhafte Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren gezeigt und näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau der Magnetantenne in einer seitlichen Ansicht,
- 2 eine Draufsicht auf die Magnetantenne,
- 3 das Integrieren des Magnetkerns und der Spule in einem Gehäuse,
- 4 die problematische Anregung von Wirbelströmen konventioneller Magnetantennen,
- 5 frequenzabhängige Impedanzen konventioneller Antennen,
- 6 frequenzabhängige Impedanzen konventioneller Magnetantennen.
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1 zeigt die grundlegenden Beziehungen zwischen dem Magnetkern MK, der Spule S und der Abschirmung AB. Die Spule S hat eine oder mehr Windungen. Der Magnetkern MK befindet sich im Inneren der Spule S. Der Magnetkern MK hat eine längliche Form und die Abschirmung AB ist längsseitig (d. h. in der in 1 gezeigten Abbildung unterhalb) dem Magnetkern MK angeordnet. Die Abschirmung AB ist dabei zwischen dem Magnetkern MK und einem Stahlbauteil, z. B. einem Stahlblech SB angeordnet. Magnetfeldlinien MF, die die beiden Stirnseiten des Magnetkerns MK verlassen, werden durch die Abschirmung AB gehindert, in das Stahlblech SB einzudringen und dort durch Anregung von Wirbelströmen Verluste zu verursachen. Die Abschirmung AB kann dabei oberhalb des Stahlbleches SB oder direkt auf dem Stahlblech angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist die Abschirmung AB in longitudinaler Ausrichtung länger als der Magnetkern MK. Ebenfalls vorzugsweise sind der Magnetkern MK und die Abschirmung AB in horizontaler Richtung zentriert. Dadurch deckt die Abschirmung die endständigen Abschnitte des Magnetkerns MK optimal ab, so dass die bezüglich der Wirbelströme empfindlichen Bereiche im Stahlblech SB (vgl. 5) maximal abgedeckt sind.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus Magnetkern MK, Spule S und Abschirmung AB. Die Abschirmung AB hat eine rechteckige Grundfläche. Der Magnetkern MK und die Abschirmung AB sind in beiden horizontalen Richtungen zentriert, damit die Abdeckung der empfindlichen Bereiche (vgl. 5) optimal ist.
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3 zeigt die Anordnung des Magnetkerns und seiner Spule im Inneren eines Gehäuses G. Das Gehäuse G hat Seitenwände SW, einen Deckel D und eine Basisplatte, die durch die Abschirmung AB gebildet wird. Die Seitenwände SW und der Deckel D sind aus einem dielektrischen Material gefertigt. Das Gehäuse G mit Magnetkern und Spule und gegebenenfalls weiteren Elementen wie Treiberschaltung und Anpassschaltung können somit als Modul an praktisch beliebiger Stelle einer Fahrzeugkarosserie auf einem Stahlblech SB befestigt werden. Der minimale Abstand zwischen Magnetkern und dem Stahlblech ist deutlich verringert, so dass der Abstand zwischen Stahlblech SB und Oberseite des Gehäuses G im Vergleich mit konventionellen Magnetantennen verringert ist.
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4 illustriert die Situation konventioneller Magnetantennen, bei der Magnetfeldfluss, der die Stirnseiten des stabförmigen Magnetkerns verlässt, in die Oberfläche des Stahlblechs SB eintritt und Wirbelströme WS anregt und dadurch zu Verlusten führt.
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5 zeigt die frequenzabhängige Impedanz einer Antenne im belasteten Zustand, welche mit einem Reflektor gegenüber der Stahlkarosse geschützt ist.
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6 zeigt die frequenzabhängige Impedanz unter Last (gestrichelte Kurve) für eine Magnetantenne. Im Vergleich zur Antenne mit Reflektor (6) ist die durch die Wirbelströme verursachte Zunahme der Impedanz deutlich größer. Die Resonanzfrequenz ist verschoben.
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Bei der Arbeitsfrequenz um 125 kHz kann die Impedanz unter Last für eine Magnetantenne durch eine oben beschriebene Abschirmung auf 25 Ohm oder weniger reduziert werden.
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Die beschriebene Magnetantenne ist durch die in den schematischen Figuren gezeigten Merkmale nicht eingeschränkt. Magnetantennen mit zusätzlichen Schaltungselementen, z. B. in einem Anpassnetzwerk, und zusätzlichen Schichten zur Abschirmung sind ebenfalls umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- AB:
- Abschirmung
- D:
- Deckel
- G:
- Gehäuse
- MA:
- Magnetantenne
- MF:
- Magnetfeld
- MK:
- Magnetkern
- S:
- Spule
- SB:
- Metallkörper, z. B. Stahlblech
- SW:
- Seitenwand
- WS:
- Bereich der Wirbelströme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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