DE102018103288A1

DE102018103288A1 - Antenne zur Kommunikation mit einem Transponder

Info

Publication number: DE102018103288A1
Application number: DE102018103288.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Reppel
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-08-14
Also published as: EP3753073A1; CN111684656A; US20200358194A1; WO2019158543A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Datenaustausch mit einem Transponder. Auf einer Breitseitenfläche eines dielektrischen Körpers (4) erstreckt sich eine erste Antennenfläche (1). Auf der gegenüberliegenden Breitseitenfläche eine Reflektionsfläche (5). Rückwärtig der Reflektionsfläche (5) ist ein Speisenetzwerk (7) vorgesehen zur Bereitstellung einer phasenverschobenen Wechselspannung, die an mehreren voneinander verschiedenen Einspeisestellen (2) mittels die Reflektionsfläche (5) isoliert durchdringende Einspeiseelemente (8) in die Antennenfläche (1) eingekoppelt wird. Eine zweite Antennenfläche (11) ist mittels Abstandshaltern (15) in einem Abstand (A) von der ersten Antennenfläche (1) beabstandet.

Description

Gebiet der Technik
Eine Antennenanordnung bestehend aus einer ersten Antenne, einem Reflektor und einem Antennenspeisenetzwerk wird in „Broad-Band Single-Patch Circularly Polarized Microstrip Antenna with Dual Capacitively Coupled Feeds“ IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 49, NO.1, JANUARY 2001 offenbart.
Auf der Rückseite einer ersten Platine befindet sich ein aus Mikrostreifen bestehendes Speisenetzwerk, das an zwei voneinander verschiedenen Speisestellen kapazitiv Wechselspannungssignale in eine kreisscheibenförmige Antenne einkuppelt. Die Wechselspannungen sind um 90° phasenverschoben, so dass die Antennenfläche senkrecht zueinander stehende, um 90° phasenverschobene elektromagnetische Wellen aussendet, die aufgrund ihrer Phasenverschiebung zirkular polarisiert sind. Der Amplitudenunterschied der 90° zueinander stehenden Teilwellen beträgt dort bis zu 3 dB.
Derartige planare Antennen werden benutzt, um Daten im 900 MHz Band mit RFIDs auszutauschen und um Energie drahtlos an derartige Transponder zu übertragen. Mittels der zum Transponder übertragenen Energie wird das Speicher-IC des Transponders in die Lage versetzt, drahtlos Daten an die Antennenanordnung zu übertragen bzw. drahtlos Informationen von der Antennenanordnung zu empfangen. Die Betriebsfrequenz liegt im Bereich zwischen 840 MHz und 960 MHz. Um die Datenkommunikation unabhängig von der Polarisierung der elektromagnetischen Wellen durchführen zu können, wird das elektromagnetische Signal zirkular polarisiert.
Stand der Technik
Eine planare Antenne gemäß oben genanntem Stand der Technik besitzt eine erste Metallfläche, die als Antennenelement zum Senden und Empfangen verwendet wird. Eine zweite, größere Metallfläche dient als Reflektor und rückwärtige Abschirmung. Der Abstand der beiden Metallflächen beträgt beim Stand der Technik typischerweise 5 bis 25 mm. Die laterale Abmessung des Antennenelementes beträgt ungefähr 150 mm, also etwa die Hälfte der Freiraumwellenlänge des genannten Frequenzbereichs. Der Reflektor ist größer als das Antennenelement und besitzt eine laterale Abmessung von etwa 200 mm. Als Folge der rückwärtigen Abschirmung ist es möglich, die Antennenanordnung flach an einer Wand zu befestigen. Ferner kann die RFID-Steuerelektronik unmittelbar rückwärtig der Antenne bzw. des Reflektors angeordnet werden. Aufgrund der mehreren Einspeisestellen ist es möglich, linear- oder zirkular-polarisierte elektromagnetische Wellen zu empfangen oder zu senden. Das Achsverhältnis sollte dabei nicht unter einem dB liegen.
Von dem oben genannten 900 MHz Band werden regional voneinander verschiedene Subbänder verwendet. Es können Subbänder im Bereich unterhalb 900 MHz und Subbänder oberhalb von 900 MHz verwendet werden. Beim Stand der Technik besitzt die Antennenanordnung ein optimales Sende-Empfangs-Verhalten nur im Bereich eines Maximums, welches üblicherweise bei 900 MHz liegt, sofern es sich um eine universal verwendbare Antenne handelt, oder welche in der Mitte eines der verwendeten Subbänder liegt. Im letzteren Fall ist diese Antenne nur für die Verwendung im jeweiligen Subband optimal geeignet.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig zu fertigende Antennenanordnung zur Kommunikation mit einem Transponder im 900 MHz Band anzugeben, welche ein möglichst frequenzunabhängiges Sende-Empfangs-Verhalten besitzt. Zudem besteht das Bedürfnis, die Antenne so zu gestalten, dass sie möglichst ideale zirkular polarisierte Wellen erzeugt, um die räumlich bewegbaren RFID-Tags unabhängig von ihrer Orientierung zu erfassen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Die Unteransprüche stellen nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen des Hauptanspruchs dar, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe. Mit den in den Ansprüchen genannten Merkmalen wird der Anwendungsbereich einer gattungsgemäßen planaren Antenne zur Kommunikation mit einem RFID-Tag vergrößert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Antennenanordnung zum Datenaustausch mit einem Transponder und zur Energieübertragung an einen Transponder, insbesondere im 900 MHz Band. Es ist eine erste Antennenfläche zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen vorgesehen. Rückwärtig und parallel zur ersten Antennenfläche erstreckt sich eine Reflektionsfläche. Die von der Antennenfläche weg von der Reflektionsfläche gerichtete Flächennormale definiert eine Wirkrichtung, in der die elektromagnetischen Wellen gesendet bzw. aus der elektromagnetische Wellen vom Transponder empfangen werden können. Die Antennenfläche besitzt einen ersten Abstand zur Reflektionsfläche. Der Abstandsraum zwischen erster Antennenfläche und Reflektionsfläche wird bevorzugt von einem dielektrischen Körper vollständig ausgefüllt, bei dem es sich bevorzugt um eine Leiterplatte handeln kann, so dass der erste Abstand im Bereich zwischen 0,5 und 3 mm liegt. In einer Variante ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Antennenfläche und der Reflektionsfläche eine zusätzliche Metallisierung angeordnet ist, die bevorzugt keine elektrische Wirkung besitzt. Die zusätzliche Metallisierung ist mittels zweier dielektrischer Körper von der Antennenfläche und der Reflektionsfläche elektrisch getrennt. Die zusätzliche Metallisierung kann sich zwischen zwei dielektrischen Körpern erstrecken. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Antennenfläche von einer ersten Metallisierung gebildet ist, die sich auf einer ebenen Oberfläche eines Tragkörpers erstreckt. Die Reflektionsfläche ist eine Metallisierung einer zweiten Oberfläche des Tragkörpers, wobei die beiden Oberflächen parallel zueinander verlaufen und der Tragkörper im Wesentlichen dielektrisch ist. Auf der - bezogen auf die Wirkrichtung - rückwärtigen Seite der Reflektionsfläche befindet sich eine Mikrostreifenstruktur. Zwischen Mikrostreifenstruktur und Reflektionsfläche befindet sich ebenfalls ein dielektrischer Körper. Die Mikrostreifenstruktur kann von Metallstreifen einer Leiterplatte ausgebildet sein und bildet ein Speisenetzwerk aus. Das Speisenetzwerk, die Reflektionsfläche und die erste Antennenfläche können von einer dreilagigen Leiterplatte realisiert werden, wobei die beiden nach außen weisenden Metallisierungsflächen durch Ätzen, oder mechanische Einwirkungen strukturiert sind, nämlich zu einer ersten Antennenfläche und zu einem Speisenetzwerk, das aus ein oder mehreren Mikrostreifen besteht, deren Länge Phasenverschiebungen verursacht. In einer Variante werden das Speisenetzwerk, die Reflektionsfläche und die erste Antennenfläche von einer mindestens vierlagigen Leiterplatte realisiert. Hier ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der ersten Antennenfläche und der Reflektionsfläche eine weitere, insbesondere elektrisch wirkungslose Metallisierung (Dummy-Metallisierung) angeordnet ist. Die Mikrostreifenstruktur dient der Bereitstellung phasenverschobener Wechselspannungssignale. Bevorzugt sind vier Einspeisestellen vorgesehen, an denen jeweils um 90° phasenverschobene Wechselspannungssignale in die erste Antennenfläche eingekoppelt werden. Bevorzugt handelt es sich um Einspeisestellen, an denen das Wechselspannungssignal mit Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° eingespeist wird. Die Einspeisestellen sind hierzu bevorzugt in einer vierzähligen Symmetrie um eine Symmetrieachse der ersten Antennenfläche angeordnet. Die Einspeisung erfolgt kapazitiv, bevorzugt aber galvanisch, wozu Einspeiseelemente verwendet werden, die an mehreren voneinander verschiedenen Stellen isolierend die Reflektionsfläche durchdringen. Es kann sich dabei um Kontaktstifte handeln, die die Mikrostreifenstruktur galvanisch mit den Einspeisestellen der ersten Antennenfläche verbinden. Die Antennenfläche ist somit in der Lage, zirkular polarisierte oder aber auch linear polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden. Der erste Abstand ist wesentlich geringer, als die geführte Wellenlänge, also die sich bei der Arbeitsfrequenz innerhalb des dielektrischen Körpers ausbildende Wellenlänge. Die lateralen Abmessungen der Antennenfläche sind so gewählt, dass dort zwei senkrecht zueinander stehende Stehwellen entstehen. Der Abstand zwischen Reflektionsfläche und erster Antennenfläche ist insbesondere kleiner als ein Zehntel der Vakuumwellenlänge. Der Abstand zwischen dem Speisenetzwerk und dem Reflektor kann geringer sein, als der Abstand zwischen erster Antennenfläche und Reflektor. Der Abstand zwischen Speisenetzwerk und Reflektor kann im Bereich zwischen 0,1 und 3 mm liegen. Das Speisenetzwerk kann zwei Einspeisepunkte aufweisen, die derart mit der Mikrostreifenstruktur verbunden sind, dass sich je nach Wahl des Einspeisepunktes eine linksdrehende oder eine rechtsdrehende polarisierte Welle ausbildet. Die Leiterplatte besteht bevorzugt aus dem Verbundmaterial FR4 mit drei oder vier Metallisierungsebenen aus Kupfer. Auf einer obersten Ebene befindet sich die erste Antennenfläche. Die bei einer dreilagigen Leiterplatte mittlere Ebene ist nahezu vollständig metallisiert und bildet dadurch einen Antennenreflektor. Die mittlere Ebene dient gleichzeitig als Abschirmung zum Speisenetzwerk, das sich auf der untersten Ebene befindet. Das Speisenetzwerk wird bevorzugt durch Mikrostreifenleitungen ausgebildet und ist mit Durchkontaktierungen mit den Einspeisestellen verbunden. Die Einspeisepunkte zum Anschluss an eine 50 Ohm Übertragungsleitung können von koaxialen SMD-Steckverbindern gebildet sein. Sie können durch Standard-Reflow-Lötverfahren dort befestigt sein, um die Antenne mit der RFID-Steuerungselektronik zu verbinden. Die Einspeiseelemente, die die Einspeisestellen der Antennenfläche mit dem Speisenetzwerk verbinden, durchdringen von der Reflektionsfläche isoliert die Reflektionsfläche. Bei der Variante, bei der sich zwischen der Reflektionsfläche und der Antennenfläche eine weitere Metallisierung befindet, durchdringen die Einspeiseelemente auch isoliert von der Metallisierung die Metallisierung. Die Metallisierung ist eine Zwischenschicht zwischen zwei dielektrischen Schichten. Die Antennenfläche ist bei dieser Variante durch die Materialstärke zweier dielektrischer Körper und einer dazwischen angeordneten Metallisierung von der Reflektionsfläche beabstandet. Der gegenüber dem Stand der Technik stark verminderte zweite Abstand, also die vom Dilektrikum ausgefüllte Strecke zwischen Reflektionsfläche und erster Antennenfläche führt - alleine betrachtet - zu einer Verschlechterung des Sende-Empfangs-Verhaltens. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung kompensiert diesen eventuellen Nachteil mit einer zweiten Antennenfläche, die in Wirkrichtung mit einem dritten Abstand von der ersten Antennenfläche beabstandet ist. Dieser Abstand ist geringer als ein Viertel der sich mit der Dilektrizitätskonstanten im Abstandsraum zwischen erster Antennenfläche und zweiter Antennenfläche ergebenden Wellenlänge. Der Abstand ist aber größer, als der erste Abstand, also der Abstand zwischen erster Antennenfläche und Reflektionsfläche. Die zweite Antennenfläche kann eine Metallfläche sein, die sich auf einer zweiten Leiterplatte oder auf einem vergleichbaren Trägermaterial erstreckt. Die Metallfläche kann dabei zur ersten Antennenfläche weisen, so dass die Dilektrizitätskonstante im Abstandsraum im Wesentlichen die Dilektrizitätskonstante von Luft ist. Die zweite Antennenfläche kann aber auch von der ersten Antennenfläche weggerichtet auf dem Trägermaterial angeordnet sein, so dass das im Vergleich zum dritten Abstand dünne Trägermaterial zur Dilektrizität des Abstandsraumes geringfügig beitragen kann. Der die zweite Antennenfläche tragende Träger kann mittels elektrisch leitenden oder nicht leitenden Abstandshaltern mit dem dielektrischen Körper verbunden sein, der die erste Antennenfläche trägt. Bevorzugt sind sämtliche Metallisierungen Metallschichten von Leiterplatten, so dass die Abstandshalter im Wesentlichen zwei Leiterplatten miteinander verbinden, wobei sich die Leiterplatten parallel zueinander erstrecken. Die erste Antennenfläche und die zweite Antennenfläche sind bevorzugt gegeneinander isoliert, so dass keine galvanische Verbindung zwischen den beiden Antennenflächen besteht. In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Antennenfläche durch eine Metallfläche eines Gehäuses realisiert ist. Das Gehäuse kann ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil aufweisen. Das Gehäuseunterteil kann aus einem nicht leitenden Werkstoff, bevorzugt aber aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt werden. Der Gehäusedeckel ist bevorzugt nicht leitend, besteht bspw. aus PC-ABS oder Polyamid 6 (PA⁶). Die zweite Antennenfläche kann dabei durch verschiedene Methoden verwirklicht werden, bspw. kann eine Metallfolie oder eine dünne Metallfläche in den Deckel des Gehäuses eingeklebt, eingeklipst oder eingepresst werden. Diese Metallfläche kann auch auf einem weiteren, nicht leitenden Träger aufgebracht sein. Es ist auch der Zweikomponenten-Spritzguss oder die Laser-Direkt-Strukturierung vorgesehen. Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Antennenfläche mit der ersten Antennenfläche ausschließlich über ein elektromagnetisches Feld gekoppelt ist. Der dritte Abstand, also der Abstand zwischen den beiden Antennenflächen, die grundsätzlich auch im Sinne der Erfindung mit Antennenelementen bezeichnet werden können, beeinflusst das Sende-Empfangs-Verhalten. Ein kleiner Abstand zwischen den Antennenelementen führt zu einer starken Kopplung der Antennenelemente. Bei einem großen Abstand ist diese Kopplung schwächer. Eine starke Kopplung führt zu einer Aufspaltung der Resonanzfrequenz in eine untere Resonanzfrequenz und in eine obere Resonanzfrequenz. Um den Abstand zwischen den Antennenflächen möglichst gering zu halten, was der angestrebten flachen Bauform der Gesamtvorrichtung förderlich ist, wird erfindungsgemäß eine der Antennenfläche mit Unterbrechungsstrukturen unterbrochen. Bei den Unterbrechungsstrukturen handelt es sich um metallisierungsfreie Zonen der ansonsten geschlossenen Antennenfläche, bspw. können die Unterbrechungsstrukturen inselförmige Freiräume in einer ansonsten vollständig metallisierten Fläche sein. Es ist aber auch möglich, mit den Unterbrechungsstrukturen die Antennenflächen in mehrere galvanisch voneinander getrennte Teilflächen zu unterteilen. Es ist besonders bevorzugt, dass lediglich eine Antennenfläche Unterbrechungsstrukturen aufweist und die jeweils andere Antennenfläche unterbrechungsstrukturenfrei ist, also einen einheitlichen Rand besitzt, der eine durchgehend metallisierte Fläche umgibt. Bevorzugt weist die zweite Antennenfläche die Unterbrechungsstrukturen auf. Sie besitzt insbesondere ein oder mehrere inselförmige nicht leitende Freiflächen oder wird durch nicht leitende Schlitze in mehrere galvanisch voneinander getrennte Teilflächen unterteilt. Die Aufteilung der Antennenfläche mittels der Unterbrechungsstrukturen erfolgt bevorzugt rotationssymmetrisch oder mit einer vierzähligen Symmetrie. In gleicher Weise besitzen die Antennenflächen bevorzugt eine rotationssymmetrische oder vierzählig symmetrische Umrisskontur. Auch die Einspeisestellen sind bevorzugt in einer vierzählig symmetrischen Anordnung angeordnet. Ferner ist es möglich, die Antennenflächen seitlich zu versetzen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die lateralen Abmessungen der zweiten Antennenfläche größer sind als die lateralen Abmessungen der ersten Antennenfläche. Insbesondere kann die Gesamtfläche der zweiten Antennenfläche größer sein als die Gesamtfläche der ersten Antennenfläche. Auch die charakteristischen Längen der beiden Antennenflächen, also bspw. ein Durchmesser oder eine Kantenlänge eines Quadrates sind derart voneinander verschieden, dass die charakteristische Länge der zweiten Antennenfläche größer ist als die charakteristische Länge der ersten Antennenfläche. Besitzen die beiden Antennenflächen eine von der Rotationssymmetrie abweichende Flächengestalt, so ist insbesondere vorgesehen, dass die Antennenflächen um einen Winkel um die Flächennormalen versetzt zueinander angeordnet sind, bspw. um einen Winkel von 45°. Die beiden Antennenflächen können somit bspw. jeweils von quadratischen Flächen ausgebildet sein, die mit ihren Mittelpunkten übereinanderliegen, aber um 45° zueinander verdreht sind. Die Einspeisestellen sind - bezogen auf den Mittelpunkt der ersten Antennenfläche - symmetrisch angeordnet. Die Abmessungen bzw. die charakteristische Länge des ersten Antennenelementes, also der ersten Antennenfläche, beträgt bevorzugt die halbe geführte Wellenlänge der bestimmungsgemäßen Betriebsfrequenz. Auch das zweite Antennenelement ist so ausgelegt, dass seine Abmessungen, insbesondere seine charakteristische Länge der halben Wellenlänge der bestimmungsgemäßen Betriebsfrequenz entspricht. Die Einspeisestellen des Speisenetzwerkes sind bevorzugt derart ausgelegt, dass die die Einspeisepunkte miteinander verbindenden Mikrostreifen eine Länge haben, die dem Phasenversatz entspricht, so dass nahezu eine ideale zirkulare Polarisation der gesamten Antennenstruktur erreicht wird. Das Achsverhältnis der erfindungsgemäßen planaren Antenne liegt bei einer bestimmungsgemäßen Betriebsfrequenz zwischen 840 MHz und 960 MHz unter 1 dB. In einem besonders interessanten Frequenzbereich zwischen 900 MHz und 930 MHz kann das Achsverhältnis sogar unterhalb von ¼ dB liegen.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch die Draufsicht auf eine erste Antennenfläche 1, die einen quadratischen Grundriss aufweist und strichpunktiert das unterhalb der ersten Antenne 1 angeordnete Speisenetzwerk 7,
2 die Draufsicht auf eine Leiterplatte 10, die eine zweite Antenne 11, die mittels kreuzförmig angeordneter Schlitze 16, 17 in vier galvanisch voneinander getrennte Einzelfelder aufgeteilt ist, 3 einen Schnitt gemäß der Linien III-III in den 1 und 2 einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels,
4 vergrößert den Bereich IV in 3,
5 das Speisenetzwerk,
6a bis 6d vier verschiedene Varianten zur Gestaltung des Grundrisses einer ersten Antennenfläche 1, es sind weitere, nicht dargestellte Varianten vorgesehen, bei denen die erste Antennenfläche 1 einen quadratischen, einen kreisförmigen Grundriss aufweist,
7a bis 7h acht verschiedene Varianten zur Gestaltung einer zweiten Antennenfläche 11 mit inselförmigen Unterbrechungsstrukturen 18,
8a bis 8c drei verschiedene Gestaltungsvarianten einer zweiten Antennenfläche 11 mit schlitzförmigen Unterbrechungsstrukturen 16, 17, die in sich kreuzender Anordnung die Antennenfläche 11 in insgesamt vier gleiche Teilflächen unterteilt,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Explosionsdarstellung,
10 schematisch einen Schnitt durch das in der 9 dargestellte Ausführungsbeispiel,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte als Trägerin der Antennenfläche 1 und der Reflektionsfläche 5.

Beschreibung der Ausführungsformen
Die 1 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der es sich um eine Antennenanordnung zur Kommunikation mit einem RFID-Tag im 900 MHz Band handelt. Eine Leiterplatte 4 trägt auf ihrer Frontseite eine erste Beschichtung, die zu einem Quadrat strukturiert ist. Die quadratische Metallfläche 3 bildet eine erste Antennenfläche 1, deren Eckpunkte Einspeisestellen 2 ausbilden. Die mit der Kantenlänge a voneinander beabstandeten Einspeisestellen 2 dienen dem Einspeisen von phasenverschobenen Wechselspannungssignalen mit einer Frequenz, die mit der Kantenlänge a den folgenden Zusammenhang besitzt: Die Kantenlänge a entspricht etwa der Hälfte der geführten Wellenlänge, also der durch die die Elektrizitätskonstante der Leiterplatte reduzierten Wellenlänge.
Eine rückwärtige, der Metallfläche 4 gegenüberliegende Metallisierung der Leiterplatte 4 bildet eine Reflektionsfläche 5, die sich im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Leiterplatte 4 erstreckt. Bezogen auf die in der 3 mit W bezeichnete Wirkrichtung befindet sich oberhalb der Reflektionsfläche 5, also oberhalb des dielektrischen Körpers 4, der die erste Antennenfläche 1 von der Reflektionsfläche 5 trennt, ein weiterer dielektrischer Körper 6, ebenfalls in Form einer Leiterplatte mit einer weiteren Metallisierung. Diese Metallisierung ist mit Mikrostrukturen als Speisenetzwerk 7 strukturiert. Die einzelnen Mikrostreifen 9, 14 des Speisenetzwerkes 7 zeigt die 5. Die Mikrostreifen 9, 14 besitzen eine derartige Länge, dass ein an einem Anschluss 12 oder 13 eingespeistes Wechselspannungssignal an den Einspeisestellen 2 jeweils gegenüber der benachbarten Einspeisestelle 2 eine um 90° verschobene Phase aufweist. Das Einspeisen eines Wechselspannungssignals in den Anschluss 12 führt zu einer linksdrehenden Welle. Das Einspeisen eines Wechselspannungssignals in den Anschluss 13 zu einer rechtsdrehenden Welle. Das gleichzeitige Einspeisen von zwei gleich großen Wechselspannungssignalen in beide Anschlüsse 12 und 13 führt zu einer linear polarisierten Welle. Die Polarisationsrichtung wird durch den elektrischen Phasenunterschied der beiden gleich großen Wechselspannungssignale bestimmt und kann so eingestellt werden, dass, zu einer definierten Bezugsebene, eine horizontal und eine vertikal polarisierte Welle entsteht.
Der 4 ist zu entnehmen, dass die erste Antennenfläche 1 an den Einspeisestellen 2 galvanisch mittels Kontaktelementen 8 mit dem Speisenetzwerk 7 verbunden ist. Die Kontaktelemente 8 bilden Einspeiseelemente, die durch Öffnungen der Metallisierung der Reflektionsfläche 5 hindurchtreten. Sie sind insbesondere durchkontaktiert.
Die 2 zeigt eine zweite Leiterplatte 10, die mit einer zweiten Antennenfläche 11 strukturiert ist. Die zweite Antennenfläche 11 besitzt ebenfalls einen quadratischen Grundriss, allerdings mit einer Kantenlänge b, die größer ist, als die Kantenlänge a. Die Kantenlänge b steht aber im selben Zusammenhang mit der Betriebsfrequenz der Antennenanordnung, jedoch bezogen auf die Dielektrizitätskonstante des Abstandsraumes A zwischen erster Antennenfläche 1 und zweiter Antennenfläche 11. Die Kantenlänge b entspricht in etwa der Hälfte der Freiraumwellenlänge. Zur Beabstandung der ersten Antennenfläche 1 von der zweiten Antennenfläche 11 sind optionale Abstandshalter 15 vorgesehen, die die Leiterplatte 10 mit der Leiterplatte 4 verbinden. Die Abstandshalter 15 können aus Metall oder einem dielektrischen Werkstoff gefertigt sein. Ihre Länge definiert die Größe des Abstandsfreiraumes A.
Mittels zweier sich kreuzender Schlitze 16, 17 ist die zweite Antennenfläche 11 in vier Rechteckflächen unterteilt, die gleich groß sind. Die Schlitze 16, 17 kreuzen sich im Mittelpunkt des Grundrisses der zweiten Antennenfläche 11.
Während der Abstand von der ersten Antennenfläche 1 zur Reflektionsfläche 5 etwa 0,5 bis 3 mm, bevorzugt 1,5 mm beträgt, beträgt der Abstand zwischen erster Antennenfläche 1 und zweiter Antennenfläche 11 etwa 0,5 bis 2 cm. Der Abstand A (3) ist kleiner als ein Viertel der Vakuumwellenlänge der Betriebsfrequenz, bspw. der mittleren Frequenz des 900 MHz Bandes. Um die gesamte Antennenanordnung möglichst flach zu bauen, ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Abstand A zwischen erster Antennenfläche 1 und zweiter Antennenfläche 1 kleiner ist, als ein Zehntel der Luftwellenlänge der Betriebsfrequenz, welche Luftwellenlänge etwa 30 cm beträgt. Die Platinenanordnung 4, 6, 10 kann von einer Dreilagenplatine ausgebildet sein, die eine Materialstärke von etwa 2 mm besitzt, so dass die die Mikrostreifen 9, 14 des Speisenetzwerks 7 mit 2 mm von der ersten Antennenfläche 1 beabstandet sind und die Reflektionsfläche 5 zwischen Mikrostreifenanordnung 9, 14 und erster Antennenfläche 1 verläuft.
Die 6a bis 6d zeigen kreuzförmige Anordnungen der ersten Antennenfläche. In einem nicht bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass auch die zweite Antennenfläche 11 derartige Umrisskonturen aufweist. Die Umrisskonturlinie der in den 6a bis 6d dargestellten Antennenflächen umgeben eine unterbrechungsfrei durchgehend metallisierte Fläche. Die Umrisskontur der Antennenfläche kann aber auch quadratisch oder kreisförmig sein.
Die 7a bis 7h zeigen voneinander verschiedene Antennenflächen, wie sie bevorzugt von der zweiten Antennenfläche 11 ausgebildet werden können. Die Grundrisse der Antennenflächen umgeben eine metallisierte Fläche, die nicht metallisierte Inseln 18 ausbildet. Die Inseln 18 können im Bereich der Mitte der quadratischen oder runden Antennenflächen 11 angeordnet sein. Die Grundrisse der Inseln 18 können quadratisch oder rund sein. Es können auch mehrere voneinander getrennte Inseln 18 mit einem runden oder quadratischen Grundriss in vierzähliger Symmetrie um den Mittelpunkt der Antennenfläche 11 angeordnet sein.
Die 8a bis 8c zeigen Antennenflächen 11, die mittels sich kreuzender Schlitze 16, 17 in galvanischen, nicht miteinander verbundenen Metallflächen getrennt sind. Die 8a, 8b zeigen quadratische Antennenflächen 11, die jeweils in vier gleich große Flächenabschnitte geteilt sind, wobei die Schlitze 16, 17 durch den Mittelpunkt der Antennenfläche 11 hindurchtreten. Während bei der 8a die Schlitze 16,17 parallel zu den Kanten des Quadrates verlaufen, verlaufen die Schlitze 16, 17 bei dem in der 8b dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Ecken der quadratischen Antennenfläche 11.
Die 8c zeigt eine runde Antennenfläche 11, die mittels der Schlitze 16, 17 in vier Viertelkreisflächen unterteilt sind.
Die 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem aus einem Gehäusebodenteil 19 und einem Gehäusedeckelteil 20 bestehenden Gehäuse ist die Antennenanordnung angeordnet. Das Gehäusebodenteil 19 kann aus Metall bestehen. Der Gehäusedeckel 20 besteht hingegen aus einem dielektrischen Material, insbesondere einem Kunststoff.
In dem Gehäuse 19, 20 ist eine dreilagige Platine 4, 6 angeordnet. Die beiden dielektrischen Schichten der Platine 4, 6 trennen drei Metallisierungslagen. Eine zuoberst liegende Metallisierung bildet mit einer quadratischen Metallfläche 3 eine erste Antennenfläche 1, die mittels Einspeiseelementen 8 galvanisch mit einem Speisenetzwerk 7 verbunden ist. Das Speisenetzwerk 7 wird von einer unteren Metallisierung der Mehrlagenplatine ausgebildet, die zu Mikrostreifen 9, 14 strukturiert ist und an der Anschlüsse 12, 13 befestigt sind.
Die zweite Antennenfläche 11 besitzt einen kreisförmigen Grundriss mit einem zentralen Fenster 18, welches nicht metallisiert ist. Die zweite Antennenfläche 11 ist an der nach innen weisenden Unterseite der Deckelfläche des Gehäusedeckels 20 befestigt. Die Befestigung kann durch Kleben, Klipsen oder anderweitige Mittel erfolgen. Die zweite Antennenfläche 11 ist galvanisch von der ersten Antennenfläche 1 getrennt.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Platinenanordnung 4, 6 von einer Dreilagenplatine ausgebildet. Die Leiterplatten 4, 6 können deutlich unterschiedliche Dicken aufweisen. Beispielsweise kann die Leiterplatte 4 eine Dicke von 1,5 mm und die Leiterplatte 6 eine Dicke von 0,36 mm aufweisen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität dieser Platinenanordnung ist bei dem in der 11 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vierlagenplatine vorgesehen. Zwischen der Antennenfläche 1 und der Reflektionsfläche 5 befindet sich eine weitere Metallisierung 21 in Form einer im Wesentlichen ganzflächigen Metallschicht aus beispielsweise Kupfer. Diese Metallisierung 21 ist durch einen dielektrischen Körper 4 elektrisch gegenüber der Reflektionsfläche 5 und mit einem dielektrischen Körper 22 elektrisch gegenüber der Antennenfläche 1 isoliert. Die Einspeiseelemente 8, mit denen elektrische Signale von dem Speisenetzwerk 7, das mittels eines dielektrischen Körpers 6 von der Reflektionsfläche 5 beabstandet ist, durchdringen dabei isolierend sowohl die Reflektionsfläche 5 als auch die weitere Metallisierung 21.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die weitere Metallisierung 21 keine elektrische Funktion besitzen. Es handelt sich um eine „Dummy“-Meteallisierung, die die gesamte Anordnung mechanisch stabilisiert.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Dicke des dielektrischen Körpers 4 bei etwa 0,36 mm liegt. Die Dicke des weiteren dielektrischen Körpers 22 kann bei etwa 1,19 mm liegen. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Dicke des weiteren dielektrischen Körpers 22 bei etwa 0,36 mm liegt und die des dielektrischen Körpers 4 bei etwa 1,19 mm liegt.
In der 11 sind mit den Bezugsziffern 23, 24 weitere Metallisierungen bezeichnet, die sich auf der Oberseite beziehungsweise auf der Unterseite der mehrlagigen Platine erstrecken. Sie überdecken gewissermaßen die freien Flächen der Antennenfläche 1 und des Speisenetzwerks 7. Diese Metallisierungen 23, 24 sind durch nicht dargestellte Isolationsschichten von der Antennenfläche 1 beziehungsweise dem Speisenetzwerk 7 getrennt.
Bei dem in der 11 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich somit, technisch gesehen, um eine symmetrische Vierlagenplatine mit einem 1,19 mm dicken Kern und auf jeder Seite einem 0,36 mm dicken sogenannten Prepreg. Die Gesamtmaterialstärke dieses Laminatkörpers liegt etwa bei 2 mm.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
Eine Vorrichtung, zum Datenaustausch mit einem und zur Energieübertragung an einen Transponder mit einer ersten Antennenfläche 1 zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz größer als 500 MHz, insbesondere mit einer Frequenz im 900 MHz Band (900 +/- 60 MHz) in bzw. aus einer Wirkrichtung W,

- mit einer parallel zur und bezogen auf die Wirkrichtung W rückwärtig der ersten Antennenfläche 1 sich erstreckenden Reflektionsfläche 5, die gegenüber der ersten Antennenfläche 1 einen ersten Abstand besitzt, der der Materialstärke eines zwischen erster Antennenfläche 1 und Reflektionsfläche 5 angeordneten Körpers 6 entspricht,
- mit einem Speisenetzwerk 7, das bezogen auf die Wirkrichtung W rückwärtig der Reflektionsfläche 5 mit einem zweiten Abstand von der Reflektionsfläche 5 angeordnete Mikrostreifenstrukturen 9 aufweist, zur Bereitstellung phasenverschobener Wechselspannungssignale, die an mehreren voneinander verschiedenen Einspeisestellen 2 mittels die Reflektionsfläche 5 isoliert durchdringender Einspeiseelemente 8 derart in die erste Antennenfläche 1 eingekoppelt werden, dass die von der ersten Antennenfläche 1 gesendeten elektromagnetischen Wellen zirkulär polarisiert sind,
- mit einer zweiten Antennenfläche 11, die in Wirkrichtung W mit einem dritten Abstand von der ersten Antennenfläche 1 beabstandet ist, der geringer ist als ein Viertel der sich mit der Dielektrizitätskonstanten im Abstandsraum zwischen erster und zweiter Antennenfläche ergebenden Wellenlänge und größer ist als der erste Abstand,
- wobei zumindest eine der beiden Antennenflächen 1, 11 von einer durch Unterbrechungsstrukturen 16, 17, 18 unterbrochenen Metallfläche gebildet ist.

Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der beiden Antennenflächen 1, 11 Unterbrechungsstrukturen 16, 17, 18 aufweist und die jeweils andere Antennenflächen 1, 11 von einer durchgehenden Metallfläche gebildet ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennenfläche 11 die Unterbrechungsstrukturen 16, 17, 18 aufweist und die erste Antennenfläche 1 eine geschlossene Metallfläche ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsraum A zwischen der ersten Antennenfläche 1 und der zweiten Antennenfläche 11 im Wesentlichen ein Luftraum ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss der ersten Antenne 1 und/oder der zweiten Antenne 11 ein Kreis oder ein regelmäßiges Mehreck, insbesondere mit einer vierzähligen Symmetrie ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsstrukturen rotationssymmetrisch sind oder eine vierzählige Symmetrie aufweisen und insbesondere von einer Kreisfläche oder sich kreuzenden Schlitzen 16, 17 gebildet sind.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisestellen 2 in einer vierzähligen Symmetrie angeordnet sind.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand kleiner als 3 mm und größer als 0,5 mm ist und/oder dass der zweite Abstand kleiner als 3 mm und größer als 0,1 mm ist und/oder dass der dritte Abstand größer als 0,5 cm und kleiner als 2 cm ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antennenfläche 1, die Reflektionsfläche 5 und/oder die Mikrostreifen 9 jeweils von einer Metallschicht einer mehrlagigen Leiterplatte 4, 6, 10 ausgebildet ist.
Eine Vorrichtung, die gekennzeichnet ist durch eine mittels dielektrischer Körper 4, 22 isoliert zwischen der Antennenfläche 1 und der Reflektionsfläche 5 angeordnete zusätzliche Metallschicht 21.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die in Wirkrichtung W gemessene Gesamterstreckungslänge der Vorrichtung kleiner ist, als 1/10 der Wellenlänge bezogen auf das Vakuum und eine Frequenz von 900 +/-60 MHz ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem insbesondere aus einem Gehäusebodenteil 19 und einem Gehäusedeckelteil 20 bestehenden Gehäuse angeordnet ist, wobei die zweite Antennenfläche 11 als eine Metallisierung des insbesondere dielektrischen Gehäusedeckelteils 20 ausgebildet ist.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsgehalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf der Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Antennenfläche
2: Einspeisestelle
3: Metallfläche
4: Leiterplatte, dielektrischer Körper, Platinenanordnung
5: Reflektionsfläche
6: Leiterplatte, dielektrischer Körper, Platinenanordnung
7: Speisenetzwerk
8: Einspeiseelement
9: Mikrostreifenanordnung
10: Leiterplatte, Platinenanordnung
11: Antennenfläche
12: Anschluss
13: Anschluss
14: Mikrostreifenanordnung
15: Abstandshalter
16: Unterbrechungsstruktur
17: Unterbrechungsstruktur
18: Unterbrechungsstruktur
19: Gehäusebodenteil
20: Gehäusedeckelteil
a: Kantenlänge
b: Kantenlänge
A: Abstandsraum
W: Wirkrichtung

Claims

Vorrichtung zum Datenaustausch mit einem und zur Energieübertragung an einen Transponder mit einer ersten Antennenfläche (1) zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz größer als 500 MHz, insbesondere mit einer Frequenz im 900 MHz Band (900 +/-60 MHz) in bzw. aus einer Wirkrichtung (W), - mit einer parallel zur und bezogen auf die Wirkrichtung (W) rückwärtig der ersten Antennenfläche (1) sich erstreckenden Reflektionsfläche (5), die gegenüber der ersten Antennenfläche (1) einen ersten Abstand besitzt, der der Materialstärke zumindest eines zwischen erster Antennenfläche (1) und Reflektionsfläche (5) angeordneten Körpers (6) entspricht, - mit einem Speisenetzwerk (7), das bezogen auf die Wirkrichtung (W) rückwärtig der Reflektionsfläche (5) mit einem zweiten Abstand von der Reflektionsfläche (5) angeordnete Mikrostreifenstrukturen (9) aufweist, zur Bereitstellung phasenverschobener Wechselspannungssignale, die an mehreren voneinander verschiedenen Einspeisestellen (2) mittels die Reflektionsfläche (5) isoliert durchdringender Einspeiseelemente (8) derart in die erste Antennenfläche (1) eingekoppelt werden, dass die von der ersten Antennenfläche (1) gesendeten elektromagnetischen Wellen zirkulär polarisiert sind, - mit einer zweiten Antennenfläche (11), die in Wirkrichtung (W) mit einem dritten Abstand von der ersten Antennenfläche (1) beabstandet ist, der geringer ist als ein Viertel der sich mit der Dielektrizitätskonstanten im Abstandsraum zwischen erster und zweiter Antennenfläche ergebenden Wellenlänge und größer ist als der erste Abstand, - wobei zumindest eine der beiden Antennenflächen (1, 11) von einer durch Unterbrechungsstrukturen (16, 17, 18) unterbrochenen Metallfläche gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der beiden Antennenflächen (1, 11) Unterbrechungsstrukturen (16, 17, 18) aufweist und die jeweils andere Antennenflächen (1, 11) von einer durchgehenden Metallfläche gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennenfläche (11) die Unterbrechungsstrukturen (16, 17, 18) aufweist und die erste Antennenfläche (1) eine geschlossene Metallfläche ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsraum (A) zwischen der ersten Antenne (1) und der zweiten Antennenfläche (11) im Wesentlichen ein Luftraum ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss der ersten Antenne (1) und/oder der zweiten Antenne (11) ein Kreis oder ein regelmäßiges Mehreck, insbesondere mit einer vierzähligen Symmetrie ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsstrukturen rotationssymmetrisch sind oder eine vierzählige Symmetrie aufweisen und insbesondere von einer Kreisfläche oder sich kreuzenden Schlitzen (16, 17) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisestellen (2) in einer vierzähligen Symmetrie angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand kleiner als 3 mm und größer als 0,5 mm ist und/ oder dass der zweite Abstand kleiner als 3 mm und größer als 0,1 mm ist und/oder dass der dritte Abstand größer als 0,5 cm und kleiner als 2 cm ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antennenfläche (1), die Reflektionsfläche (5) und/oder die Mikrostreifen (9) jeweils von einer Metallschicht einer mehrlagigen Leiterplatte (4, 6, 10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mittels dielektrischer Körper (4, 22) isoliert zwischen der Antennenfläche (1) und der Reflektionsfläche (5) angeordnete zusätzliche Metallschicht (21).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Wirkrichtung (W) gemessene Gesamterstreckungslänge der Vorrichtung kleiner ist, als 1/10 der Wellenlänge bezogen auf das Vakuum und eine Frequenz von 900 +/-60 MHz ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem insbesondere aus einem Gehäusebodenteil (19) und einem Gehäusedeckelteil (20) bestehenden Gehäuse angeordnet ist, wobei die zweite Antennenfläche (11) als eine Metallisierung des insbesondere dielektrischen Gehäusedeckelteils (20) ausgebildet ist.
Vorrichtung, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.