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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine Antenne für Nahfeldkommunikation umfasst, wobei die Antenne eine Schleifenstruktur umfasst, die im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist, wobei die Schleifenstruktur mindestens eine erste Schleife und eine zweite Schleife umfasst, wobei die erste und die zweite Schleife als benachbarte Schleifen ausgeführt und konzentrisch angeordnet sind, wobei ein erstes Gebiet auf der Ebene, das durch die erste Schleife definiert ist, größer als ein zweites Gebiet ist, das auf der Ebene durch die zweite Schleife definiert ist, wobei die zweite Schleife im Wesentlichen von der ersten Schleife umschlossen wird.
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Nahfeldkommunikation (NFC) ist eine Form drahtloser Kommunikation, bei der eine Antenne einer Sendevorrichtung magnetisch mit einer Antenne einer Empfangsvorrichtung koppelt, um Informationen zu senden. Im Allgemeinen sind Antennen für Nahfeldkommunikation (NFC) zusammen mit einer Senderempfängereinheit direkt auf einer Leiterplatte oder einem anderen Substrat platziert. Die Senderempfängereinheit umfasst eine Verarbeitungseinheit, die dazu dient, ein magnetisches Kommunikationssignal zu erzeugen und/oder zu interpretieren, wobei das Signal jeweils von der Antenne gesendet und/oder empfangen wird. Die Antenne weist im Allgemeinen eine Größe von dreißig Zentimeter auf und kann einige Schleifen umfassen, gewöhnlicherweise in der Form einer Spule. Die Antenne kann rechtwinklig gestaltet sein oder eine beliebige andere geeignete Gestalt aufweisen, wie beispielsweise trapezförmig, elliptisch, kreisförmig oder H-förmig usw.
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Die Effektivität, d. h. die Datenübertragungsrate, der Kopplungsfunktionalität einer NFC-Vorrichtung hängt im Allgemeinen von der Größe der jeweiligen Sende- und Empfangsantennen ab sowie von den gegenseitigen Positionen der Antennen. Eine optimale magnetische Kopplung, und somit die höchsten Datenraten, können erreicht werden, wenn die Antennen derselben Größe direkt einander gegenüberliegend positioniert sind, so dass die Oberflächengebiete, die von den Antennen definiert werden, ausgerichtet sind.
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Allerdings entsprechen diese Idealbedingungen in vielen Anwendungen nicht der Norm. Beispielsweise werden viele Kraftfahrzeuge mit der Fähigkeit designt, über die NFC-Antenne, die in vielen Smartphones enthalten ist, mit einem Mobiltelefon zu kommunizieren. Die Kommunikationsschnittstelle umfasst im Allgemeinen ein Gebiet, das zum Aufnehmen eines Mobiltelefons vorgesehen ist. Das für diesen Zweck designte Aufnahmegebiet muss allerdings erheblich größer als die Standardabmessungen eines Mobiltelefons sein, um das Ablegen und Entnehmen des Telefons zu erleichtern. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein in diesem Gebiet abgelegtes Mobiltelefon bezogen auf eine in diesem Aufnahmegebiet integrierte Antenne konzentrisch angeordnet ist.
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Es ist für die NFC-Antenne der NFC-Schnittstelle in einem Kraftfahrzeug wünschenswert, über das Aufnahmegebiet hinweg über eine gleichmäßige Kopplungsfähigkeit zu verfügen, so dass eine vorbestimmte Datenrate für die Informationsübertragung garantiert ist. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass eine NFC-Antenne für ein Aufnahmegebiet gute Leistung und Betreibbarkeit eines Mobiltelefons aufweist, selbst bei Anwesenheit einer drahtlosen Ladeeinheit, die eine Spule aufweist, die gleich unter der Bodenebene eines Aufnahmegebiets eines Mobiltelefons platziert ist.
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Die Patentveröffentlichung
GB 2504620 A offenbart eine NFC-Antennenstruktur, die dazu dient, die Kopplungsfähigkeit einer NFC-Vorrichtung zu verbessern, indem eine zweite Spule auf einem Substrat bereitgestellt wird, die die Geometrie der ersten Spule spiegelt, wobei sich die zweite Spule in einem Offenkreis befindet.
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Die koreanische Patentveröffentlichung
KR 1020140021127 A offenbart einen passiven NFC-Tag, der eine Antenne umfasst, die eine äußere und eine innere Schleife aufweist, um einen Nullpunkt zu entfernen.
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In diesem Kontext besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung einzuführen, die eine NFC-Antennenstruktur aufweist, wobei die Stärke des magnetischen Kopplungsfelds unter einem vorbestimmten Abstand von der Ebene, in der die Antenne angeordnet ist, über ein vorbestimmtes Gebiet hinweg innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs konstant ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erfüllt. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dann durch eine Vorrichtung erfüllt, die eine Antenne für Nahfeldkommunikation umfasst, wobei die Antenne eine Schleifenstruktur umfasst, die im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist, wobei die Schleifenstruktur mindestens eine erste Schleife und eine zweite Schleife umfasst, wobei die erste und die zweite Schleife als benachbarte Schleifen ausgeführt und konzentrisch angeordnet sind, wobei ein erstes Gebiet auf der Ebene, das durch die erste Schleife definiert ist, größer als ein zweites Gebiet ist, das auf der Ebene durch die zweite Schleife definiert ist, wobei die zweite Schleife im Wesentlichen von der ersten Schleife umschlossen wird, wobei die erste und die zweite Schleife im Wesentlichen dieselbe Gestalt aufweisen und integriert aus einem kontinuierlichen, elektrisch leitenden Material ausgebildet sind und wobei das Verhältnis des ersten Gebiets zum zweiten Gebiet größer als zehn zu neun, bevorzugt größer als drei zu zwei, besonderes bevorzugt größer als sieben zu vier ist.
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Benachbarte Schleifen sind im Sinne der Erfindung Schleifen, die derart ausgeführt sind, dass keine zusätzliche Schleife derselben Spule und/oder der integral ausgebildeten Antennenstruktur zwischen den benachbarten Schleifen angeordnet ist.
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Das von einer Schleife definierte Gebiet ist im Wesentlichen das von der Schleife umschlossene Gebiet. Da allerdings die Schleifen von veränderlicher Größe sind und da die Antennenstruktur integral ausgebildet ist, ist ein Verbindungsabschnitt vorgesehen, so dass im Umfang der Schleife ein kleiner Spalt vorhanden sein kann. Daher ist das von einer Schleife definierte Gebiet das von der Schleife umschlossene Gebiet, wenn der Verlauf des leitenden Materials als über diesen Spalt hinweg hinausgehend aufgefasst wird. Falls die Gestalt der Schleifen im Wesentlichen rechteckig ist, wird das von einer Schleife definierte Gebiet als im Wesentlichen dasselbe Gebiet angesehen, das sich aus dem Produkt der Länge von zwei senkrechten Seiten des Rechtecks ergibt.
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Eine Vorrichtung, die eine derartige Antennenstruktur umfasst und 100 bis 200 mA Strom liefert, kann selbst bei einem Abstand von 3 cm von der Ebene, in welcher die Antenne angeordnet ist, eine Feldstärke von 2,5 A/m erzeugen. Daher kann eine derartige Antenne vorteilhaft ein hohes Niveau an Empfindlichkeit/Tag-Lesbarkeit für eine Mobiltelefonschnittstelle erreichen, während der negative Einfluss von Induktionsspulen, die für drahtlose Ladeanwendungen verwendet werden, abgemildert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Minimalabstand zwischen der ersten Schleife und der zweiten Schleife mindestens fünfmal größer als eine Dicke des elektrisch leitenden Materials, bevorzugt mindestens zehnmal größer, besondere bevorzugt mindestens 15-mal größer.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist das kontinuierliche elektrisch leitende Material ein Draht oder ein Stromverlauf, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Schleifenstruktur eine dritte Schleife, wobei die dritte Schleife angeordnet ist zum Definieren des im Wesentlichen gleichen Gebiets wie die erste Schleife.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Schleifenstruktur eine vierte Schleife, wobei die vierte Schleife angeordnet ist zum Definieren des im Wesentlichen gleichen Gebiets wie die zweite Schleife.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist ein minimaler Trennabstand zwischen einem Punkt in der ersten Schleife und einem Punkt in der dritten Schleife und/oder zwischen einem Punkt auf der zweiten Schleife und einem Punkt auf der vierten Schleife mindestens fünfmal, bevorzugt zehnmal und besonderes bevorzugt fünfzehnmal kleiner als ein Minimalabstand zwischen einem Punkt auf der ersten Schleife und einem Punkt auf der zweiten Schleife.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Antennenstruktur einen Verbindungsabschnitt, wobei der Verbindungsabschnitt zum elektrischen Verbinden der ersten Schleife und der zweiten Schleife dient.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist der Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit der ersten Schleife angeordnet, derart, dass die Tangentialrichtung der ersten Schleife und die Tangentialrichtung des Verbindungsabschnitts an der Verbindung im Wesentlichen senkrecht sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist der Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit der zweiten Schleife angeordnet, derart, dass die Tangentialrichtung der zweiten Schleife und die Tangentialrichtung des Verbindungsabschnitts an der Verbindung im Wesentlichen senkrecht sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst jede Schleife der Antennenstruktur eine im Wesentlichen rechteckige Form.
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Gewisse Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren ausführlich erläutert. Diese zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der NFC-Antennenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;
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3: eine graphische Darstellung der Magnetfeldstärke der in 2 gezeigten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der NFC-Antennenstruktur 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Antenne eine einzige Spule. Die Spule ist aus einem freischwebenden Metalldraht 7 gebildet. Die Spule umfasst vier Schleifen L1, L2, L3, L4. Jede Schleife ist rechteckig ausgebildet. Die Schleifen sind in einer gemeinsamen Ebene 5 angeordnet. Eine erste und eine dritte Schleife L1, L3 sind angeordnet, um im Wesentlichen dasselbe Gebiet F1 in der Ebene 5 zu definieren. Das Gebiet F1 ist durch eine erste Länge A einer kürzeren Seite der ersten Schleife und eine zweite Länge B einer längeren Seite der ersten Schleife definiert.
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Eine zweite Schleife L2 und eine vierte Schleife L4 sind innerhalb des Gebiets F1, das durch die erste und die dritte Schleife L1, L3 definiert ist, angeordnet. Die zweite und die vierte Schleife L2, L4 definieren ein zweites Gebiet F2 innerhalb der Ebene 5. Das Gebiet F2 ist durch eine dritte Länge C einer kürzeren Seite der zweiten Schleife L2 und eine vierte Länge D einer längeren Seite der zweiten Schleife L2 definiert.
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Das von der ersten Schleife L1 sowie der dritten Schleife L3 definierte Gebiet ist somit A multipliziert mit B und das von der zweiten Schleife L2 sowie der vierten Schleife L4 definierte Gebiet F2 ist C multipliziert mit D. Das Verhältnis der Gebiete F1/F2 ist somit durch die Formel A·B/C·D gegeben. Es ergab sich, dass die in 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung bei einem vorbestimmten Abstand von der Ebene 5, in der die Antennenspule 2 angeordnet ist, eine besonders wünschenswerte Magnetfeldstärke erzeugt. Das Verhältnis der von der inneren und der äußeren Schleife definierten Gebiete gemäß der obigen Formel ist mit Vorteil größer als 10 zu 9 und größer als 3 zu 2.
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Die erste Schleife L1 ist elektrisch mit der zweiten Schleife L2 über einen Verbindungsabschnitt des Drahts verbunden. Der Verbindungsabschnitt 3 ist senkrecht zur Richtung einer kürzeren Seite A, C der ersten Schleife L1 und der zweiten Schleife L2 angeordnet.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung. Wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die in 2 gezeigte Ausführungsform eine einzelne integral ausgebildete Spule 2, die vier Schleifen L1, L2, L3, L4 aufweist. Die vier Schleifen sind als elektrisch leitende Verläufe 7 auf der Oberfläche einer Leiterplatte 9 ausgeführt. Die Leiterplatte 9 definiert die Ebene 5, in welcher die Schleifen angeordnet sind.
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In der Mitte der kleineren Schleifen, nämlich der zweiten und der vierten Schleife L2, L4, ist eine Öffnung in der Platte 9 vorgesehen. Die Öffnung kann dazu verwendet werden, eine drahtlose Ladespule für ein Mobiltelefon zu beherbergen und/oder zum Montieren der Platte 9 unter einem Aufnahmegebiet für Mobiltelefone.
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3 zeigt eine graphische Darstellung der Magnetfeldstärke der in 2 gezeigten Ausführungsform, wobei die in 2 gezeigte aufgespulte Antennenstruktur mit einer Stromstärke der Größenordnung von 100–200 mA versorgt wird. Man erkennt, dass die Feldstärke schart mit abnehmendem Abstand zur Mitte der Antennenstruktur ansteigt. An einem gewissen Punkt setzt sich die Feldstärke, d. h. die Signalstärke, und verbleibt konstant bei etwa 270 H[mV] innerhalb eines Toleranzbereichs von ca. ±10 H[mV]. Wie die räumlichen Abmessungen anzeigen, erstreckt sich die gleichmäßige Magnetfeldstärke über ein Gebiet von mindestens 8 cm mal 8 cm. Dies ermöglicht es, ein Aufnahmegebiet für ein Mobiltelefon derart zu designen, dass ein Großteil der NFC-Antenne in einem Mobiltelefon, das innerhalb des Aufnahmegebiets platziert ist, immer dem Magnetsignal mit einer vorbestimmten Signalstärke ausgesetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antenne
- 2
- Schleifenstruktur
- 3
- Verbindungsabschnitt
- 5
- Ebene
- 7
- elektrisch leitendes Material
- 9
- Leiterplatte
- L1
- erste Schleife
- L2
- zweite Schleife
- L3
- dritte Schleife
- L4
- vierte Schleife
- F1
- erstes Gebiet
- F2
- zweites Gebiet
- D1min
- erster Minimalabstand
- D2min
- zweiter Minimalabstand
- A
- Länge der kurzen Seite der ersten Schleife
- B
- Länge der langen Seite der ersten Schleife
- C
- Länge der kurzen Seite der zweiten Schleife
- D
- Länge der langen Seite der zweiten Schleife
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2504620 A [0006]
- KR 1020140021127 A [0007]
