DE102016217614B4

DE102016217614B4 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE102016217614B4
Application number: DE102016217614.5A
Authority: DE
Inventors: Roland Baur; Daniel Schultheiss
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: US20190260107A1; TW201814967A; CN109417217B; DE102016217614A1; WO2018050420A1; CN109417217A; US11631932B2

Abstract

Antennenanordnung (1) für ein Füllstandmessgerät (22), die Antennenanordnung (1) umfassend:- eine Antenne (2),- eine Hornantenne (3),- ein Kunststoffgehäuse (4),- eine Leiterplatte und- eine Vergussmasse (6), wobei- die Antenne (2) dazu eingerichtet ist, die Leiterplatte kommunikativ mit einem externen Gerät (7) zu verbinden,- die Hornantenne (3) die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweist,- zumindest eine Innenseite (11) der Hornantenne (3) mit einem metallischen Werkstoff versehen ist,- die Antenne (2), die Hornantenne (3), die Leiterplatte und die Vergussmasse (6) innerhalb des Kunststoffgehäuses (4) angeordnet sind, - die Antenne (2) und die Hornantenne (3) von der Vergussmasse (6) zumindest teilweise umgeben sind,- die Antenne (2) zwischen dem Kunststoffgehäuse (4) und der Hornantenne (3) angeordnet ist, und- die Antenne (2) durch die Vergussmasse (6) von dem Kunststoffgehäuse (4) und der Hornantenne (3) getrennt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit einer Antenne, einer Hornantenne, einem Kunststoffgehäuse und einer Leiterplatte. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Füllstandsmessgerät mit der Antennenanordnung, insbesondere ein Radarwellen-Füllstandsmessgerät, z.B. zur Messung eines Wasserpegels, zur Messung eines Bestands in einem Behälter oder zur Messung einer Schüttguthöhe in einem Behälter.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, auf einer Leiterplatte eines Füllstandsmessgeräts eine Antenne anzubringen, zum Beispiel eine Patch-Antenne, wobei die Antenne Signale aussenden und empfangen kann. Insbesondere sind die Leiterplatte und eine Hornantenne des Füllstandsmessgeräts derart zueinander angeordnet, dass die Patch-Antenne der Leiterplatte Signale durch die Hornantenne leiten kann und nach einer Reflexion wieder empfangen kann. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der Patentschrift EP 2 871 450 B1 der Anmelderin ein Füllstandsmessgerät bekannt, welches insbesondere einen Mikrowellensender und eine mit dem Mikrowellensender verbundene Antenne umfasst, die eine Austrittsöffnung zum gerichteten Aussenden von Mikrowellenstrahlung aufweist, wobei es sich bei der Antenne insbesondere um eine Hornantenne handeln kann. Ferner kann die Antenne aus einem metallbeschichteten Kunststoff bestehen.
Aus der DE 102 48 915 A1 ist weiterhin ein Radarsensor mit einem nach oben offenen, wannenförmigen Gehäuse bekannt, welches auf seiner Innenseite im Bereich seines Gehäusebodens ein Hochfrequenzteil aufweist. Das Hochfrequenzteil umfasst auf seiner dem Gehäuseboden zugewandten Unterseite Hochfrequenz-Patch-Antennen. Die Antennen sind auf der Unterseite einer Hochfrequenzplatine angeordnet, senden und empfangen Signale durch den Gehäuseboden und können unmittelbar an den Boden des Gehäuses angrenzen. Das Hochfrequenzteil samt Antennen wird von einer Schutzhaube schützend abgedeckt. Oberhalb des Hochfrequenzteils ist im wannenförmigen Gehäuse ein Niederfrequenzteil vorgesehen, welches insbesondere eine Leiterplatine umfasst, auf der elektronische Bauteile angeordnet sind. Oberhalb der Leiterplatine ist das Gehäuse weitgehend vollständig mit Füllmasse aufgefüllt. Die Füllmasse, die vorteilhafter Weise im flüssigen Zustand in das Gehäuse eingefüllt wird und anschließend aushärtet, verhindert, dass Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen kann und das Hochfrequenzteil oder das Niederfrequenzteil negativ beeinflussen kann. Durch die Füllmasse wird außerdem eine dauerhafte positionsgenaue Fixierung des Niederfrequenzteils und des Hochfrequenzteils erreicht. Durch Vorsehen der Schutzhaube wird ein negativer Einfluss der Füllmasse auf das empfindliche Hochfrequenzteil ausgeschlossen.
Ferner kann in einem Füllstandsmessgerät eine weitere Antenne vorgesehen sein, welche dazu eingerichtet ist, der Leiterplatte eine Kommunikation mit einem externen Gerät, zum Beispiel einer Computereinheit, zu ermöglichen. Dadurch können beispielsweise Messdaten, welche auf der Leiterplatte hinterlegt sind, an das externe Gerät übertragen werden. Weiterhin kann das externe Gerät Steuerdaten an die Leiterplatte senden, um beispielsweise Messungen des Füllstandsmessgeräts zu steuern.
Leider kommt es oftmals vor, dass die weitere Antenne das Opfer von Vandalismus wird. Weiterhin kann die Hornantenne die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen der weiteren Antenne behindern.
Endress Hauser: Technical Information Micropilot FMR20, TI01267F/00/EN/03.16, Online-Dokumentation, 07.09.2016 beschreibt ein Füllstandmessgerät.
Endress Hauser: Installation Instruction UNI slip on flange Micropilot FMR20, FMR50, FMR56, EA01181F/00/A2/01.16, Online-Dokumentation, 07.09.2016 beschreibt die Installation von Füllstandmessgeräten.
DE 10 2005 056 042 A1 beschreibt einen metallisierten Kunststoffantennentrichter für ein Füllstandradar.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Antenne und das metallisierte Hindernis vor Vandalismus schützt und dabei eine gute Rundstrahlcharakteristik aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Antennenanordnung für ein Füllstandsmessgerät bereitgestellt. Die Antennenanordnung umfasst eine Antenne, eine Hornantenne, ein Kunststoffgehäuse, eine Leiterplatte und eine Vergussmasse.
Die Antenne ist dazu eingerichtet, die Leiterplatte kommunikativ mit einem externen Gerät, z.B. einer Computereinheit, zu verbinden. Bei der Antenne kann es sich insbesondere um eine Bluetooth-Antenne in unterschiedlichen Bauformen, z.B. in Form einer Monopol-Antenne, einer Ringdipol-Antenne, oder einer Faltdipolantenne handeln. Unter „extern“ kann hierbei insbesondere verstanden werden, dass das Gerät kein Teil der Antenne ist. Sofern die Antennenanordnung ein Bestandteil des Füllstandsmessgeräts ist, ist das externe Gerät insbesondere ebenfalls kein Bestandteil des Füllstandsmessgeräts. Die Antenne kann zum Beispiel in die Leiterplatte integriert sein. Insbesondere können entsprechende Kontakte der Antenne mit der Leiterplatte verlötet sein. Weiterhin kann die Antenne räumlich getrennt zu der Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Antenne zum Beispiel über eine drahtlose Funkverbindung oder über Drähte bzw. Kabel in bekannter Weise mit der Leiterplatte verbunden ist. Über die Antenne können Messdaten zu dem externen Gerät insbesondere zur weiteren Auswertung übertragen werden. Weiterhin können Befehle von dem externen Gerät über die Antenne auf die Leiterplatte übertragen werden, um insbesondere Füllstandsmessungen zu initiieren bzw. zu steuern.
Die Hornantenne weist die Form eines hohlen Kegelstumpfs auf. Eine derartige Form ist insbesondere für ein Füllstandsmessgerät besonders geeignet. Bevorzugt ist eine Massefläche oder die Leiterplatte (welche die Massefläche umfassen oder ein Teil der Massefläche sein kann) im Bereich einer Deckfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet, wobei die Deckfläche mit einer Grundfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne über einen sich innerhalb der kegelstumpfförmigen Hornantenne befindlichen Hohlraumes verbunden ist. Durch diese Anordnung kann zum Beispiel eine Patch-Antenne, welche auf der Leiterplatte angeordnet sein kann, Mikrowellen oder Radarwellen in die Hornantenne abstrahlen und aus der Hornantenne empfangen.
Zumindest eine Innenseite der Hornantenne ist mit einem metallischen Werkstoff, z.B. einem Silberleitlack, versehen oder zumindest teilweise galvanisch beschichtet.
Die Hornantenne kann auch vollständig aus dem metallischen Werkstoff bestehen. Der metallische Werkstoff ermöglicht, dass elektromagnetische Wellen innerhalb des Hohlraums der Hornantenne nicht über Seitenwände der Hornantenne, welche die Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne ausbilden, verlassen können. Eine lediglich von innen mit dem metallischen werkstoffbeschichtete Hornantenne ist besonders preisgünstig und weist ein besonders geringes Gewicht auf.
Die Antenne, die Hornantenne, die Leiterplatte und die Vergussmasse sind innerhalb des Kunststoffgehäuses angeordnet. Das Gehäuse kann insbesondere einteilig oder mehrteilig, hohlzylindrisch, wannenförmig mit oder ohne Deckel, offen oder geschlossen ausgeführt sein. Innerhalb des Gehäuses sind die Elemente der Antennenanordnung bereits vor äußeren Einflüssen und Vandalismus teilweise geschützt. Bei der Platine kann es sich beispielsweise um eine FR4-Platine mit geschlossener Mantelfläche handeln.
Weiterhin sind zumindest die Antenne und die Hornantenne von der Vergussmasse zumindest teilweise umgeben bzw. umgossen. Die Antenne kann auch so abgestimmt werden, dass sie einwandfrei funktioniert, wenn das Gehäuse nur zu einem Teil vergossen ist. Die Antenne ist dabei jedoch trotzdem von der Vergussmasse umschlossen. Der Füllpegel sollte dabei mindestens einen Teil der Antenne überdecken, da sonst die Eigenschaften des dielektrischen Leiters nicht mehr ausgenutzt werden können. Dies könnte dann Sinn machen, wenn z.B. aus Gewichtsgründen oder aus Kostengründen weniger Vergussmasse verwendet werden soll und ein Teil des zu befüllenden Volumens beispielsweise mit einem Styroporformteil ausgefüllt wird. Auch die Leiterplatte kann von der Vergussmasse umgeben bzw. umgossen sein. Mit anderen Worten sind zumindest die Antenne und ein Teil des metallisierten Hindernisses der Antennenanordnung in die Vergussmasse eingebettet. Dadurch sind sowohl die Antenne als auch das metallisierte Hindernis von außen nicht sichtbar und somit vor Vandalismus geschützt. Die Vergussmasse trägt weiterhin dazu bei bzw. ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung der Antenne im Sinne eines dielektrischen Leiters um das Metallhindernis in Form der Hornantenne herum zu lenken und auf einer eigentlich von dem Metallhindernis abgeschatteten Seite abzustrahlen. Dadurch kann die Antenne eine besonders gute Rundstrahlcharakteristik aufweisen. Ferner ist durch die Vergussmasse eine Position der Antenne und der Hornantenne innerhalb des Gehäuses und relativ zu den anderen Komponenten der Antennenanordnung innerhalb des Gehäuses fixiert. Bei der Vergussmasse kann es sich um eine Kunststoff-Vergussmasse handeln, z.B. eine dielektrische Vergussmasse.
Bei einer geeigneten Positionierung der Antenne relativ zu den übrigen Komponenten innerhalb des Gehäuses kann zudem ein Übergang von dem Kunststoffgehäuse zu einer Luft, welche das Kunststoffgehäuse umgibt, als Reflektor wirken, wobei das metallisierte Hindernis als Direktor wirken kann. Die Position der Antenne ist dabei insbesondere von einer Form und einer Größe des metallisierten Hindernisses abhängig und kann so gewählt werden, dass sich Reflektionen bei einer Nutzfrequenz der Antenne konstruktiv überlagern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Antenne zwischen dem Kunststoffgehäuse und der Hornantenne angeordnet, und die Antenne ist durch die Vergussmasse von dem Kunststoffgehäuse und der Hornantenne getrennt. Dabei ist die Grundfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne bevorzugt in einem Bodenbereich des Gehäuses angeordnet. Die Antenne ist bevorzugt zwischen einer Seitenwand des Gehäuses und der Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet. Zwischen der Antenne und der kegelstumpfförmigen Hornantenne befindet sich die Vergussmasse. Bevorzugt umgibt die Vergussmasse die Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne vollständig oder zumindest teilweise. Ebenfalls bevorzugt umgibt die Vergussmasse die Antenne vollständig. Die Vergussmasse trägt gemäß dieser Ausführungsform besonders stark dazu bei, eine von der Antenne ausgesendete elektromagnetische Strahlung um die kegelstumpfförmige Hornantenne herum zu lenken und auf der eigentlich abgeschotteten Seite abzustrahlen.
Im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass die Antenne eine Monopolantenne ist, die Antenne an einer Massefläche angeordnet ist, ein stabförmiger Teil der Antenne seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet ist und bevorzugt parallel zu einer zentralen Höhe der kegelstumpfförmigen Hornantenne verlaufen kann. Weiterhin kann die Massefläche auf einer Deckfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne aufliegen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die vorstehend genannten zusätzlichen Merkmale insbesondere dafür sorgen, dass die Antenne ein sehr breitbandiges Verhalten mit einer sehr guten Rundstrahlcharakteristik um die kegelstumpfförmige Hornantenne herum aufweist. Die zentrale Höhe der kegelstumpfförmigen Hornantenne ist dabei eine senkrechte Verbindung zwischen der Deckfläche und einer Grundfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne, wobei die zentrale Höhe die Mittelpunkte der Deckfläche und der Grundfläche miteinander verbindet.
Die Massefläche bildet dabei im Sinne einer Groundplane ein notwendiges Gegengewicht für die Monoplantenne aus und kann die Leiterplatte umfassen. Weiterhin kann die Massefläche ein Teil der Leiterplatte sein, z.B. eine Masse der Leiterplatte oder eine Schicht auf der Leiterplatte. Die Massefläche kann aber auch ein von der Leiterplatte getrenntes Bauteil darstellen und dazu dienen, die Leiterplatte abzuschirmen. Die Massefläche bzw. die Leiterplatte kann auch wenigstens zwei Teile umfassen, welche voneinander getrennt sein können, wobei lediglich einer der wenigstens zwei Teile im Sinne einer Groundplane ein notwendiges Gegengewicht für die Monoplantenne ausbildet. Die Antenne kann an die Massefläche angeschlossen sein, wobei sich der Anschluss seitlich neben der Höhenachse der kegelstumpfförmigen Hornantenne befindet, und somit sozusagen asymmetrisch zu der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet ist. Der stabförmige Teil der Antenne steht in diesem Fall von einer Unterseite der Massefläche ab. Unter der Unterseite der Massefläche ist in diesem Zusammenhang insbesondere die Oberfläche der Massefläche zu verstehen, welche der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Hornantenne zugewandt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Antenne eine Ringdipol-Antenne, und ein offener Ring der Ringdipol-Antenne verläuft mit Abstand um eine Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne herum. Die kegelstumpfförmige Hornantenne und die Leiterplatte können insbesondere wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben ausgestattet sein. Die Ringdipol-Antenne kann insbesondere an der Unterseite an die Leiterplatte angeschlossen sein. Ein entsprechender Anschluss kann insbesondere symmetrisch zu der Höhenachse der kegelstumpfförmigen Hornantenne verlaufen. Die gemäß der zweiten Ausführungsform zum Einsatz kommende Ringdipol-Antenne zeichnet sich insbesondere durch eine sehr schmale, jedoch sehr tiefe Resonanz aus. Dies hat den Vorteil, dass die hohe Selektivität der Antenne dazu genutzt werden kann, diskrete Bauteile für Filter auf der Platine zu sparen. Die sehr tiefe Resonanz bringt eine sehr gute Anpassung der Antenne und somit verringert es unerwünschte Reflektionsanteile, die von der Antenne zurück auf die Platine reflektiert werden. Weiterhin ermöglicht der um die Mantelfläche der kegelstumpf-förmigen Hornantenne umlaufende Ring der Ringdipol-Antenne eine besonders gute Rundstrahlcharakteristik.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Antenne eine Dipol-Antenne, wobei ein stabförmiger Teil der Dipol-Antenne seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet ist und bevorzugt parallel zu einer zentralen Höhe der kegelstumpfförmigen Hornantenne verlaufen kann. Die Leiterplatte ist zwischen der kegelstumpfförmigen Hornantenne und dem stabförmigen Teil der Dipol-Antenne angeordnet, und die Dipol-Antenne ist durch die Vergussmasse von dem Kunststoffgehäuse und von der kegelstumpfförmigen Hornantenne getrennt. Die Dipol-Antenne kann von Keramik ummantelt sein und auf der Leiterplatte bestückt sein.
Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform ist die Antenne eine Dipol-Antenne, wobei die Leiterplatte oberhalb einer Deckfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne angeordnet ist, und die Dipol-Antenne oberhalb der Leiterplatte angeordnet ist. Ein stabförmiger Teil der Dipol-Antenne kann bevorzugt parallel zu der Deckfläche der kegelstumpfförmigen Hornantenne verlaufen, und die Leiterplatte ist durch die Vergussmasse von der Dipol-Antenne und der kegelstumpfförmigen Hornantenne getrennt. Die Antenne kann auch als Bauteil auf der Platine oder einer kleinen Zusatzplatine bestückt sein. In diesem Fall befindet sich keine Vergussmasse zwischen Antenne und Leiterplatte.
Insbesondere kann die Vergussmasse eine Dielektrizitätskonstante (DK-Wert) von 2,5 oder höher aufweisen. Der DK-Wert hat Einfluss auf die vorzusehende Größe der Antenne. Bei einem höheren DK-Wert kann die Antenne, insbesondere eine λ/4-Stabantenne kleiner (d.h. insbesondere kürzer) dimensioniert werden, und bei einem niedrigeren DK-Wert muss die Antenne, insbesondere eine λ/4-Stabantenne größer (d.h. insbesondere länger) dimensioniert werden. Durch einen DK-Wert von 2,5 oder höher kann die Antenne besonders klein dimensioniert werden, was insbesondere mechanische Vorteile bei der Unterbringung der Antenne bei eingeschränkten Platzverhältnissen ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Füllstandsmessgerät bereitgestellt, welches eine Antennenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Bezüglich Effekten, Vorteilen und Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung verwiesen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehenen sind. Hierbei zeigt:

1 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Monopolantenne innerhalb eines Außengehäuses eines Füllstandsmessgeräts,
2 eine perspektivische Ansicht der Antennenanordnung nach 1,
3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Monopolantenne innerhalb eines Außengehäuses eines Füllstandsmessgeräts,
4 eine perspektivische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Ringdipolantenne innerhalb eines Außengehäuses eines Füllstandsmessgeräts,
5 eine räumliche Darstellung der Antennenanordnung nach 4,
6 eine Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Dipolantenne innerhalb eines Außengehäuses eines Füllstandsmessgeräts,
7 eine Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Dipolantenne innerhalb eines Außengehäuses eines Füllstandsmessgeräts und
8 eine Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Monopolantenne innerhalb eines teilweise mit einer Vergussmasse ausgegossenen Gehäuses.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Beispiel einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, welche eine Antenne 2, z.B. eine Bluetooth-Antenne, eine Hornantenne 3, ein Gehäuse 4 aus Kunststoff, eine Leiterplatte, eine Massefläche 5 und eine Vergussmasse 6 umfasst.
Das Gehäuse 4 besteht z.B. aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem Polyphenylensulfid (PPS), z.B. Fortron®-PPS. Das Gehäuse 4 weist eine zylindrische Seitenwand 8 auf und ist beidseitig stirnseitig geöffnet ausgeführt. Das Gehäuse 4 bildet zwischen der Seitenwand 8 einen Hohlraum aus, innerhalb welchem die Antenne 2, die Hornantenne 3, die Leiterplatte, die Massefläche 5 und die Vergussmasse 6 angeordnet sind.
Das Gehäuse 4 bildet weiterhin einteilig die Hornantenne 3 aus, welche die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweist. Im Sinne eines solchen hohlen Kegelstumpfs weist die Hornantenne 3 eine ebene kreisförmige Grundfläche 9, eine ebene kreisförmige Deckfläche 10, eine innere Mantelfläche 11 und eine äußere Mantelfläche 12 auf. Die innere Mantelfläche 11 und die äußere Mantelfläche 12 werden durch eine Kegelwand 13 der Hornantenne 3 ausgebildet. Zwischen der inneren Mantelfläche 11, der Grundfläche 9 und der Deckfläche 10 bildet die Hornantenne 3 einen kegelstumpfförmigen Hohlraum 14 aus. Die Grundfläche 9 stellt eine Öffnung dar, welche durch ein Außengehäuse 21 eines nicht weiter dargestellten Füllstandsmessgeräts 22 verschlossen werden kann. Das Außengehäuse 21 verschließt weiterhin auch das nach oben hin offene Gehäuse 4. Die Deckfläche 10 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 ist geschlossen ausgeführt. In dem Bereich der Deckfläche 10 können sich nicht gezeigte Einspeisungsmittel für die Hornantenne 3 befinden. Die innere Mantelfläche 11 der Hornantenne 3 ist mit einem metallischen Werkstoff versehen, z.B. einem Silberleitlack.
Die Massefläche 5 kann eine Leiterplatte umfassen. Weiterhin kann die Massefläche 5 ein Teil der Leiterplatte sein, z.B. eine Masse der Leiterplatte oder eine Schicht auf der Leiterplatte. Die Massefläche 5 kann aber auch ein von der Leiterplatte getrenntes Bauteil darstellen und dazu dienen, die Leiterplatte abzuschirmen. Die Massefläche 5 weist eine Oberseite 15 und eine Unterseite 16 auf. Die Oberseite 15 der Massefläche 5 ist der Hornantenne 3 abgewandt und die Unterseite 16 der Massefläche 5 ist der Hornantenne 3 zugewandt. Die Massefläche 5 liegt mit ihrer Unterseite 16 auf der Deckfläche 10 der Hornantenne 3 auf. Ein Flächenwert der Unterseite 16 der Massefläche 5 ist größer als ein Flächenwert der Deckfläche 10 der Hornantenne 3. Somit liegt lediglich ein Teil der Unterseite 16 der Massefläche 5 auf der Deckfläche 10 der Hornantenne 3 auf. Der übrige Teil der Unterseite 16, welcher nicht auf der Deckfläche 10 aufliegt, erstreckt sich im Wesentlichen in Richtung einer gedachten Verlängerung der Deckfläche 10 bis zur Seitenwand 8 des Gehäuses 4. Die Massefläche 5 kann z.B. ein dünnes Blech sein, dessen Oberseite 15 und Unterseite 16 kreisförmig sind (2). Ein Durchmesser der Oberseite 15 und der Unterseite 16 kann dabei einem Innendurchmesser der Seitenwand 8 des Gehäuses 4 entsprechen oder geringfügig kleiner sein.
In der durch 1 gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der Antenne 2 um eine Monopolantenne in Form einer λ/4-Stabantenne, welche mit einer Frequenz von 2,4 GHz betrieben werden kann. Die Antenne 2 weist einen stabförmigen Teil 17 auf, welcher parallel zu einer zentralen Höhenachse H der Hornantenne 3 verläuft. Der stabförmige Teil 17 der Antenne 2 durchdringt die Massefläche 5 und ist auf der Oberseite 15 der Massefläche 5 in einem Verbindungsbereich 18 an der Massefläche 5 befestigt. Auf diese Weise kann die Massefläche im Sinne einer Groundplane ein notwendiges Gegengewicht für die Monoplantenne 2 ausbilden. Die Antenne 2 kann weiterhin Daten von der Leiterplatte empfangen und drahtlos an ein externes Gerät 7, z.B. einen Computer, übertragen. Ferner kann die Antenne 2 Daten von dem externen Gerät 7 empfangen und an die Leiterplatte übertragen. Auf diese Weise ist die Antenne 2 dazu eingerichtet, die Leiterplatte kommunikativ mit dem externen Gerät 7 zu verbinden.
Die Antenne 4 kann beispielsweise über ein Koaxialkabel (nicht gezeigt) gespeist werden, das mit der Leiterplatte verbunden ist, die - wie weiter oben beschrieben - ein Teil der Massefläche 5 sein kann oder als ein von der Massefläche getrenntes Bauteil an einer beliebigen anderen Stelle innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet sein kann. Die Massefläche 5 kann dabei die Antenne 4 von der Leiterplatte abschirmen, was besonders vorteilhaft im EMV-Bereich ist. Die Massefläche 5 verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der Höhenachse H der Hornantenne 3. Somit sind auch der stabförmiger Teil 17 der Antenne 2 und die Massefläche 5 im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Die Antenne 2 ist zwischen der Hornantenne 3 und dem Gehäuse 4 angeordnet. Somit verläuft der stabförmige Teil 17 der Antenne 2 seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 und parallel zu der zentralen Höhe bzw. Höhenachse H der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3. Die zentrale Höhe H der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 ist dabei eine senkrechte Verbindung zwischen der Deckfläche 10 und der Grundfläche 9 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3, wobei die zentrale Höhe H die Mittelpunkte der Deckfläche 10 und der Grundfläche 9 miteinander verbindet. Die Höhenachse bildet die beidseitige Verlängerung der Höhe H.
In dem durch 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand x₁ zwischen dem stabförmigen Teil 17 der Antenne 2 und der Höhenachse H der Hornantenne 3 ungefähr fünfmal so groß wie ein Abstand x₂ zwischen dem stabförmigen Teil 17 der Antenne 2 und der Seitenwand 8 des Gehäuses 4. (x1 und x2 sind vertauscht!) Diese Abstände sind jedoch nur beispielhaft und nicht zwingend. Die Abstände der Antenne 2 wurden durch Simulation und Versuche durch die Erfinder ermittelt, und sind bezüglich der Form und Größe der Hornantenne 3 optimal, sodass sich Reflektionen bei einem Betrieb der Antenne 2 in ihrer Nutzfrequenz konstruktiv überlagern. Die Länge des stabförmigen Teils 17 der Antenne 2 ergibt sich aus dem vorgesehenen Frequenzbereich von 2,4 GHz der Antenne 2 und dem DK-Wert der Vergussmasse 6.
Ein Innenraum 19 (ist in keiner der Skizzen zu finden) zwischen der äußeren Mantelfläche 12 der Hornantenne 3, einer Innenfläche der Seitenwand 8 des Gehäuses 4 sowie der oberen offenen Stirnseite des Gehäuses 4 ist vollständig mit der Vergussmasse 6 ausgegossen. Die Vergussmasse 6 umgibt somit vollständig die Antenne 2, die Leiterplatte, die Massefläche 5 sowie die äußere Mantelfläche 12 der Hornantenne 3. Die Antenne 2 ist durch die Vergussmasse 6 von dem Gehäuse 4 und der Hornantenne 3 getrennt. Bei der Vergussmasse 6 handelt es sich gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 um eine dielektrische Vergussmasse, welche einen DK Wert von 2,5 aufweist. Durch die Vergussmasse 6 ist insbesondere die Antenne 2 von außen nicht sichtbar und vor Vandalismus geschützt. Die Vergussmasse 6 trägt dazu bei, eine elektromagnetische Strahlung, welche von der Antenne 2 abgegeben wird, um die Hornantenne 3 herum zu lenken, welches ein Metallhindernis darstellt, und von einem eigentlich durch die Hornantenne 3 abgeschatteten Bereich, in 1 zur Verdeutlichung mit dem Bezugszeichen „20“ versehen, abzustrahlen. Die Vergussmasse 6 erfüllt somit die Funktion eines dielektrischen Leiters. Die durch 1 gezeigte Position der Antenne 2 innerhalb des Gehäuses 4 erlaubt weiterhin, dass die Antenne 2 beim Übergang des Kunststoffgehäuses 4 bzw. des Außengehäuses 22 zu einer Luft, welche das Kunststoffgehäuse 4 bzw. das Außengehäuse 22 außen umgibt, als Reflektor wirken kann, wobei die Hornantenne 3 als Direktor wirkt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, welche ähnlich ausgestaltet ist wie die Antennenanordnung 1 nach 1 und 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen. Die Massefläche 5 oder Leiterplatte kann gemäß 3 in einen ersten Teil 5.1 und in einen zweiten Teil 5.2 geteilt sein, wobei der erste Teil 5.1 und der zweite Teil 5.2 voneinander getrennt sein können. Die Antenne 4 ist mit dem ersten Teil 5.1 der Massefläche 5 bzw. Leiterplatte verbunden, sodass nur der erste Teil 5.1 als Groundplane für die Antenne dient und nicht der zweite Teil 5.2 der Massefläche 5 bzw. Leiterplatte.
4 und 5 zeigen ein Beispiel einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, welche ähnlich ausgestaltet ist wie die Antennenanordnungen 1 nach 1 bis 3 und sich durch die Art und Anordnung der Antenne 2 auszeichnet. Bei der Antenne 2 handelt es sich um eine Bluetooth-Antenne in Form einer Ringdipol-Antenne. Ein offener Ring 23 der Ringdipol-Antenne 2 verläuft mit Abstand um die äußere Mantelfläche 12 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 herum. Die Ringdipol-Antenne 2 weist zwei parallel und mit Abstand zueinander verlaufende stabförmige Teile 24 auf. Einer der stabförmigen Teile 24 ist mit einer Masse verbunden, der andere der stabförmigen Teile 24 dient zum Anschluss des Signals ähnlich wie der stabförmige Teil 17 der Monopol-Antenne 2 nach 1, 2 oder 3. Die Ringdipol-Antenne 4 benötigt keine Massefläche 5, diese kann jedoch dazu beitragen, eine Leiterplatte vor Strahlung abzuschirmen. Die stabförmigen Teile 24 verlaufen parallel zu der Höhenachse H der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3. Ein Verhältnis zwischen der Höhe H des hohlen Kegelstumpfs 3 und einer Länge der stabförmigen Teile 24 beträgt in dem durch 4 gezeigten Beispiel ungefähr 10 zu 3, dies ist jedoch nicht zwingend.
Der Anschluss der Antenne 2 ist symmetrisch, weswegen ein Balun (Symmetrierglied, nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 5 vorgesehen ist. Für eine Anpassung kann ein Kondensator, zum Beispiel mit 0, 9 pF, vorgesehen sein. Der offene Ring 23 umgibt die äußere Mantelfläche 12 der Kegelwand 13, wobei der offene Ring 23 einen konstanten Abstand zu der Mantelfläche 12 der Kegelwand 13 aufweist. Der offene Ring 23 weist ein erstes offenes Ende 25 und ein zweites offenes Ende 26 auf, welche einander gegenüberliegenden. Die offenen Enden 25 und 26 sind jeweils mit einem der stabförmigen Teile 24 verbunden bzw. gehen jeweils in die stabförmigen Teile 24 über.
6 zeigt ein Beispiel einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, welche ähnlich ausgestaltet ist wie die Antennenanordnung 1 nach 1 und sich durch die Art und Anordnung der Antenne 2 sowie der Anordnung der Leiterplatte 5 auszeichnet. Die Antenne 2 ist eine Bluetooth-Antenne in Form einer Stabdipol-Antenne. Um die Baugröße der Stabdipol-Antenne 2 möglichst gering zu halten, kann die Stabdipol-Antenne 2 wie durch 6 gezeigt in einer Keramikhülle 28 verpackt sein. Die Stabdipol-Antenne 2 besteht im Gegensatz zu der Stabmonopol-Antenne 2 nach 1, 2 oder 3 aus zwei Schenkeln, welche jeweils eine Länge von λ/4 aufweisen. Somit ist die Stabdipol-Antenne 2 nach 6 prinzipiell doppelt so lang wie die Stabmonopol-Antenne 2 nach 1, 2 oder 3. Durch die Verwendung einer Vergussmasse 6 mit einem relativ hohen DK-Wert kann ein relativ hoher Verkürzungsfaktor erhalten werden, wodurch die Länge der Stabdipol-Antenne 2 auf ein praktikables Maß verkürzt werden kann. Die Stabdipol-Antenne 2 verläuft seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 und parallel zu der zentralen Höhe H der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3. Die Stabdipol-Antenne 2 ist gemäß dem durch 6 gezeigten Ausführungsbeispiel parallel und mit Abstand zu der Leiterplatte 5 angeordnet. Die Leiterplatte 5 und die Stabdipol-Antenne 2 sind kommunikativ miteinander verbunden, wobei die Stabdipol-Antenne 2 über eine Bluetooth-Verbindung Daten zwischen der Leiterplatte 5 und einem externen Gerät 7 übertragen kann.
Die Leiterplatte 5 verläuft parallel zu der Stabdipol Antenne 2 und liegt nicht auf der Deckfläche 10 der Hornantenne 3 auf. Die Leiterplatte 5 ist stattdessen zwischen der Stabdipol-Antenne 2 und der äußeren Mantelfläche 12 der Kegelwand 13 der Hornantenne 3 angeordnet. Durch die Vergussmasse 6 ist die Stabdipol -Antenne 2 auf einer in 6 rechts dargestellten Seite von der Innenseite der Seitenwand 8 des Gehäuses 4 getrennt und auf einer in 6 links dargestellten Seite von der Leiterplatte 5 getrennt. Die Leiterplatte 5 ist weiterhin durch die Vergussmasse 6 von der äußeren Mantelfläche 12 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 getrennt.
7 zeigt ein Beispiel einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, welche ähnlich ausgestaltet ist wie die Antennenanordnung 1 nach 2 und sich durch die Art und Anordnung der Antenne 2 sowie der Anordnung der Leiterplatte 5 auszeichnet. Die Antenne 2 ist eine Bluetooth-Antenne in Form einer Stabdipol-Antenne. Um die Baugröße der Stabdipol -Antenne 2 möglichst gering zu halten, kann die Stabdipol-Bluetooth-Antenne 2 wie durch 7 gezeigt in einer Keramikhülle verpackt sein. Die Leiterplatte 5 und die Stabdipol-Antenne 2 sind kommunikativ miteinander verbunden, wobei die Stabdipol-Antenne 2 über eine Bluetooth-Verbindung Daten zwischen der Leiterplatte 5 und einem externen Gerät 7 übertragen kann.
Die Leiterplatte 5 ist oberhalb und mit Abstand zu der Deckfläche 10 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 angeordnet. Die Stabdipol-Antenne 2 ist oberhalb und mit Abstand zu der Leiterplatte 5 angeordnet. Die Leiterplatte 5 verläuft parallel zu der Deckfläche 10. Ebenso verläuft die Stabdipol-Antenne 2 parallel zu der Deckfläche 10 und somit auch parallel zu der Leiterplatte 5. Die Leiterplatte 5 ist weiterhin durch die Vergussmasse 6 von der Stabdipol -Antenne 2 und der Deckfläche 10 der kegelstumpfförmigen Hornantenne 3 getrennt.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eine Antennenanordnung 1, welche der Antennenanordnung 1 nach 1 ähnlich ist und sich von dieser dadurch unterscheidet, dass die Stabantenne 2 vollständig von der Vergussmasse 6 umgossen ist, die Hornantenne 3 jedoch nur in ihrem oberen Bereich. Weiterhin ist das Außengehäuse 21 des Füllstandsmessgerät 22 nicht dargestellt. Somit ist der Innenraum 19 zwischen der zylindrischen Wand 8 des Gehäuses 4 und der Hornantenne 3 lediglich teilweise ausgegossen. Der untere Volumenbereich des Innenraums 19, welcher nicht mit der Vergussmasse 6 ausgegossen ist, kann beispielsweise mit einem Styroporformteil, dessen Form dem unteren Volumenbereich entspricht ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann Vergussmasse 6 und Gewicht eingespart werden.

Claims

Antennenanordnung (1) für ein Füllstandmessgerät (22), die Antennenanordnung (1) umfassend: - eine Antenne (2), - eine Hornantenne (3), - ein Kunststoffgehäuse (4), - eine Leiterplatte und - eine Vergussmasse (6), wobei - die Antenne (2) dazu eingerichtet ist, die Leiterplatte kommunikativ mit einem externen Gerät (7) zu verbinden, - die Hornantenne (3) die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweist, - zumindest eine Innenseite (11) der Hornantenne (3) mit einem metallischen Werkstoff versehen ist, - die Antenne (2), die Hornantenne (3), die Leiterplatte und die Vergussmasse (6) innerhalb des Kunststoffgehäuses (4) angeordnet sind, - die Antenne (2) und die Hornantenne (3) von der Vergussmasse (6) zumindest teilweise umgeben sind, - die Antenne (2) zwischen dem Kunststoffgehäuse (4) und der Hornantenne (3) angeordnet ist, und - die Antenne (2) durch die Vergussmasse (6) von dem Kunststoffgehäuse (4) und der Hornantenne (3) getrennt ist.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei - die Antenne (2) eine Monopol-Antenne ist, - die Antenne (2) an einer Massefläche (5) angeordnet ist, - ein stabförmiger Teil (17) der Antenne (2) seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) angeordnet ist, und - die Massefläche (5) auf einer Deckfläche (10) der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) aufliegt.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei - die Antenne (2) eine Ringdipol-Antenne ist, und - ein offener Ring (23) der Ringdipol-Antenne (2) mit Abstand um eine Mantelfläche (12) der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) herum verläuft.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei - die Antenne (2) eine Dipol-Antenne ist, - ein stabförmiger Teil (17) der Dipol-Antenne seitlich neben der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) angeordnet ist, - die Leiterplatte (5) zwischen der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) und der Dipol-Antenne (2) angeordnet ist, - die Dipol-Antenne (2) durch die Vergussmasse (6) von dem Kunststoffgehäuse (4) und von der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) getrennt ist.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei - die Antenne (2) eine Dipol-Antenne ist, - die Leiterplatte (5) oberhalb einer Deckfläche (10) der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) angeordnet ist, - die Dipol-Antenne (2) oberhalb der Leiterplatte (5) angeordnet ist, und - die Leiterplatte (5) durch die Vergussmasse (6) von der Dipol-Antenne (2) und der kegelstumpfförmigen Hornantenne (3) getrennt ist.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vergussmasse (6) eine Dielektrizitätskonstante von 2,5 oder höher aufweist.
Füllstandmessgerät (22) umfassend eine Antennenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.