DE102018122111A1

DE102018122111A1 - Patchantenne

Info

Publication number: DE102018122111A1
Application number: DE102018122111.8A
Authority: DE
Inventors: Anatoli Stobbe; Norman Maass; Andreas Werner
Original assignee: Astra Gesellschaft fuer Asset Management mbH and Co KG
Current assignee: Astra Gesellschaft fuer Asset Management mbH and Co KG
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-12
Also published as: EP3624260A1

Abstract

E s wird Patchantenne einer RFID-Lesestation mit einem Masseflächenträger (40), auf dem wenigstens eine ebene elektrisch leitfähige Massefläche (31) angeordnet ist, und einem Strahlerflächenträger mit einer ebenen elektrisch leitfähigen Strahlerfläche beschrieben.
Der Strahlerflächenträger ist mittels wenigstens eines Abstandshalters parallel und mit Abstand vom Masseflächenträger (40) getragen und mit einem Koppelelement, über das die Strahlerfläche kapazitiv an die Massefläche (31) angekoppelt. Dabei besteht ein Strahler (10) mit seiner Strahlerfläche aus dem gesamten Strahlerflächenträger selbst und ist mittels wenigstens eines elektrisch leitfähigen Abstandshalters (20) mit wenigstens einem auf dem Masseflächenträger (40) angeordneten Masseplättchen (30) galvanisch verbunden. Das wenigstens eine Masseplättchen (30) ist kapazitiv mit der elektrisch leitfähigen Massefläche (31) auf dem Masseflächenträger (40) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Patchantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Patchantennen ermöglichen mit einem relativ einfachen mechanischen Aufbau hohe Richtwirkungen und einen großen Antennengewinn zu erzielen. Nachteilig ist, dass Patchantennen mit Luft als Dielektrikum zwischen dem Strahler und der Massefläche vergleichsweise viel Bauraum benötigen. Ein alternatives Dielektrikum mit einer höheren Dielektrizitätskonstante bringt in der Regel höhere elektrische Verluste mit sich oder besteht aus sehr viel teurerem HF-Material.
Aus der DE 10 2012 101 443 B4 ist eine planare Antennenanordnung bekannt, die einen Massenflächenträger und einen Sendeflächenträger umfasst. Der Sendeflächenträger wie auch der Massenflächenträger sind als Leiterplatten ausgebildet. Auf dem Sendeflächenträger befindet sich eine ebene elektrisch leitfähige Sendefläche und mit einem Spaltabstand zum Rand der Sendefläche sind mehrere elektrisch leitende Koppelelemente angeordnet, über die die Sendefläche kapazitiv an die Massenfläche angekoppelt ist. Zwischen den Koppelelementen und der Massenfläche auf dem Massenflächenträger sind elektrisch leitende Abstandshalter angeordnet.
Die bekannte planare Antennenanordnung benötigt einen Sendeflächenträger, der größer als die Sendefläche selbst ist, da zusätzlich Platz für den Spalt am Rand der Sendefläche und die Koppelelemente benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Patchantenne anzugeben, die bei gleicher Resonanzfrequenz mit einer geringeren Fläche des Sendeflächenträgers auskommt und außerdem im mechanischen Aufbau einfacher und billiger.
Diese Aufgabe wird bei einer Patchantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Fläche des Sendeflächenträgers auf die Fläche der Strahlerfläche beschränkt. Die gesamte verfügbare Fläche stellt dann den Strahler dar. Bei gleicher Fläche ergibt sich ein höherer Gewinn und eine höhere Güte. Hingegen wird die kapazitive Kopplung gegenüber der Massefläche auf den Masseflächenträger verlagert. Statt einer Leiterplatte, die zur Bildung eines isolierenden Spalts zwischen der Strahlerfläche und der für die kapazitive Kopplung zusätzlich beanspruchten Fläche benötigt wird, kommt diese Lösung mit einem rein metallischen Element ohne Isolierschicht oder kapazitiver Fläche aus.
Vorzugsweise ist die Fläche des wenigstens einen Masseplättchens mindestens um den Faktor 25 kleiner als die Fläche der Massefläche.
Dadurch wird nur ein kleiner Teil der Fläche in Anspruch genommen, die insgesamt für das Masseplättchen und die Massefläche zur Verfügung steht. Außerdem kann die Kapazität zwischen dem Masseplättchen und der Massefläche in einem großen Bereich variiert und angepasst werden.
Bei einer ersten Variante besteht der Masseflächenträger aus einem Platinenisoliermaterial, insbesondere FR4. Dabei sind das wenigstens eine Masseplättchen und die Massefläche auf derselben Seite des Platinenisoliermaterials angeordnet und das wenigstens eine Masseplättchen ist durch einen umlaufenden elektrisch nicht leitfähigen Spalt galvanisch von der Massefläche getrennt.
Die Beschichtung des Platinenisoliermaterials kann so auf eine Seite beschränkt werden. Weiterhin ist die Kapazität zwischen dem wenigstens einen Masseplättchen und der Massefläche klein, da sich die Flächen nicht gegenüberstehen und daraus resultierend dielektrische Verluste durch das Platinenisoliermaterials gering sind.
Bei einer zweiten Variante besteht der Masseflächenträger ebenfalls aus einem Platinenisoliermaterial, z. B. FR4. Dabei sind das wenigstens eine Masseplättchen und die Massefläche auf unterschiedlichen Seiten des Platinenisoliermaterials angeordnet. Galvanisch getrennt vom wenigstens einen Masseplättchen ist wenigstens eine Kontaktfläche auf derselben Seite wie das wenigstens eine Masseplättchen auf dem Platinenisoliermaterial angeordnet und die Kontaktfläche ist galvanisch durchkontaktiert und so mit der Massefläche auf der anderen Seite des Platinenisoliermaterials verbunden.
Bei dieser Ausführung wird die Massefläche nicht durch den Platz reduziert, den das Masseplätzchen einnimmt, sondern sogar durch die Kontaktfläche vergrößert.
Vorzugsweise ist die kapazitive Kopplung zwischen dem wenigstens einen Masseplättchen und der Massefläche durch einen diskreten Kondensator dargestellt.
Dadurch wird für den Kondensator weder ein Flächenanteil zur Bildung der Kondensatorplatten noch das Platinenisoliermaterial zur Bildung eines Dielektrikums benötigt. Der Strahler und die Massefläche können daher die mechanisch zur Verfügung stehende Fläche voll ausnutzen.
Der diskrete Kondensator kann ein analog oder digital einstellbarer Kondensator (DTC) sein.
Dadurch besteht die Möglichkeit einer Anpassung unterschiedlicher Antennenparameter der Patchantenne.
Alternativ kann die kapazitive Kopplung zwischen dem wenigstens einen Masseplättchen und der Massefläche durch auf unterschiedlichen Seiten des Platinenisoliermaterials gegenüberliegenden Massebereichen dargestellt sein.
Diese Lösung eignet sich für kleine, nicht variable Kapazitäten. Sie ist billiger, da keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.
Der Strahler kann als flächiges Vieleck ausgestaltet und über wenigstens drei Abstandshalter mit jeweils einem Masseplättchen pro Abstandshalter verbunden sein.
Der Strahler ist somit statisch bestimmt und stabil am Masseflächenträger befestigt. Jeder Abstandshalter ist kapazitiv mit der Massefläche gekoppelt und durch Variieren der Kopplung lassen sich unterschiedliche Antennenparameter verändern, wie z. B. Anpassungen an unterschiedliche Betriebsfrequenzen und Umgebungen, Veränderungen der Polarisation (linear, zirkular rechts, zirkular links), Veränderungen der Hauptkeule, Veränderungen der Anpassung und gegebenenfalls bewusste Fehlanpassung.
Durch unterschiedliche Einstellungen der diskreten Kondensatoren kann die Polarisation der Patchantenne verändert werden. Dadurch ist es möglich, die Polarisationsebene unter Beibehaltung derselben Einspeisung zu variieren.
Der Strahler kann aus einem ebenen Blech bestehen, von dem Abstandshalter senkrecht abgewinkelt sein und leitend mit den Masseplättchen durch Löten, Schweißen, Krimpen, Rasten, Klemmen oder Verschrauben verbunden sein.
Hierdurch kann der Strahler unter geringem Materialeinsatz und Montageaufwand realisiert werden.
Der Masseflächenträger kann gleichzeitig eine gedruckte elektronische Schaltung tragen.
Durch die doppelte Nutzung des Masseflächenträgers kann die Patchantenne mit einer elektronischen Schaltung, zum Beispiel einem Transceiver oder einem kompletten Lesegerät, vereint sein und so eine insgesamt kompakte Bauform erzielt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer Patchantenne nach der Erfindung,
2 eine erste Variante der Erfindung mit einer variablen Koppelkapazität und
3 eine zweite Variante der Erfindung mit einer variablen Koppelkapazität.

1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Patchantenne nach der Erfindung. Auf einem Masseflächenträger 40 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat, z. B. einem Platinenisoliermaterial FR4, sind auf dessen Unterseite eine Massefläche 50 und auf dessen Oberseite Masseplättchen 30 angeordnet. Die Masseplättchen 30 tragen metallische Abstandshalter 20, die ihrerseits einen metallischen Strahler 10 auf dem Masseflächenträger 40 abstützen. Durch die metallischen Abstandshalter 20 ist der metallische Strahler 10 galvanisch mit den Masseplättchen 30 verbunden. Die Masseplättchen 30 ihrerseits bilden in Verbindung mit dem Dielektrikum des Substrats 40 und der Massefläche 50 Koppelkapazitäten. Bei dieser Ausführung sind somit die Koppelkapazitäten von der Ebene des Strahlers 10 auf die des Masseflächenträgers 40 verlagert worden. Dadurch beschränkt sich die vom metallischen Strahler 10 eingenommene Fläche ausschließlich auf die durch die mechanischen Abmessungen bestimmte elektromagnetische Resonanzfläche.
2 zeigt als Detail aus 1 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs, in der einer der Abstandshalter 20 auf einem Masseplättchen 30 angeordnet ist. Dieses Masseplättchen 30 ist außerdem über einen digital einstellbaren Kondensator 60 mit einer Kontaktfläche 51 verbunden und die Kontaktfläche 51 ist über eine Durchkontaktierung 52 mit der Massefläche 50 auf der gegenüberliegenden Seite des Masseflächenträgers 40 verbunden. Durch die konzentrierte Kapazität des digital einstellbaren Kondensators 60 ist eine stärkere kapazitive Kopplung zwischen dem Masseplättchen 30 und der Massefläche 50 ohne zusätzlichen Flächenbedarf das Masseplättchens 30 möglich. Außerdem kann die Kopplung variiert werden. Ein Nebenschluss des digital einstellbaren Kondensators 60 ist zwar durch das der Massefläche 50 gegenüberstehende Masseplättchen 30 weiterhin vorhanden, jedoch ist dieser Anteil und auch der dielektrische Verlust des Substrats nur von untergeordneter Bedeutung.
3 zeigt als Detail im Querschnitt eine weitere Variante der kapazitiven Kopplung des Strahlers 10 mit einer der Masseflächen 31 und 50. In diesem Fall stellt der metallische Abstandshalter 20 eine galvanische Verbindung zwischen dem Strahler 10 und einem Masseplättchen 30 auf der dem Strahler 10 abgewandten Seite des Masseflächenträgers 40 dar. Ein digital einstellbarer Kondensator 60 befindet sich zwischen dem Masseplättchen 30 und einer Massefläche 50. Ähnlich wie in 2 ist auch hier mittels des digital einstellbaren Kondensators 60 eine variable kapazitive Kopplung zwischen dem Strahler 10 und der Massefläche 50 möglich. Bei dieser Ausführung befindet sich auf der dem Strahler 10 zugewandt Seite des Masseflächenträgers 40 eine weitere Massefläche 31. Am Ort des Abstandshalters 20 ist diese Massefläche unterbrochen. Ansonsten ist aber die Massefläche 31 kapazitiv mit der Massefläche 50 gekoppelt und vergrößert somit deren Kapazität.
Bezugszeichenliste

10: Strahler
20: Abstandshalter
30: Masseplättchen
31: Massefläche
40: Masseflächenträger
50: Massefläche
51: Kontaktfläche
52: Durchkontaktierung
60: digital einstellbarer Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012101443 B4 [0003]

Claims

Patchantenne einer RFID-Lesestation mit einem Masseflächenträger (40), auf dem wenigstens eine ebene elektrisch leitfähige Massefläche (31) angeordnet ist, und einem Strahlerflächenträger mit einer ebenen elektrisch leitfähigen Strahlerfläche, wobei der Strahlerflächenträger mittels wenigstens eines Abstandshalters parallel und mit Abstand vom Masseflächenträger (40) getragen ist, und mit einem Koppelelement, über das die Strahlerfläche kapazitiv an die Massefläche (31) angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahler (10) mit seiner Strahlerfläche aus dem gesamten Strahlerflächenträger selbst besteht und mittels wenigstens eines elektrisch leitfähigen Abstandshalters (20) mit wenigstens einem auf dem Masseflächenträger (40) angeordneten Masseplättchen (30) galvanisch verbunden ist und das wenigstens eine Masseplättchen (30) kapazitiv mit der elektrisch leitfähigen Massefläche (31) auf dem Masseflächenträger (40) gekoppelt ist.
Patchantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des wenigstens einen Masseplättchens (30) mindestens um den Faktor 25 kleiner als die Fläche der Massefläche (31) ist.
Patchantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseflächenträger (40) aus einem Platinenisoliermaterial, insbesondere FR4, besteht, dass das wenigstens eine Masseplättchen (30) und die Massefläche (31) auf derselben Seite des Platinenisoliermaterials angeordnet und das wenigstens eine Masseplättchen (30) durch einen umlaufenden elektrisch nicht leitfähigen Spalt galvanisch von der Massefläche (31) getrennt ist.
Patchantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseflächenträger (40) aus einem Platinenisoliermaterial, insbesondere FR4, besteht, dass das wenigstens eine Masseplättchen (30) und die Massefläche (31) auf unterschiedlichen Seiten des Platinenisoliermaterials angeordnet sind und dass galvanisch getrennt vom wenigstens einen Masseplättchen (30) wenigstens eine Kontaktfläche (51) auf derselben Seite wie das wenigstens eine Masseplättchen (30) auf dem Platinenisoliermaterial angeordnet ist und die Kontaktfläche (51 galvanisch durchkontaktiert (52) mit der Massefläche (50) auf der anderen Seite des Platinenisoliermaterials verbunden ist.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kopplung zwischen dem wenigstens einen Masseplättchen (30) und der Massefläche (31) durch einen diskreten Kondensator dargestellt ist.
Patchantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der diskrete Kondensator ein analog oder digital einstellbarer Kondensator (DTC) (60) ist.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kopplung zwischen dem wenigstens einen Masseplättchen (30) und der Massefläche (31) durch auf unterschiedlichen Seiten des Platinenisoliermaterials gegenüberliegenden Massebereichen dargestellt ist.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (10) als flächiges Vieleck ausgestaltet ist und über wenigstens drei Abstandshalter (20) mit jeweils einem Masseplättchen (30) pro Abstandshalter (20) verbunden ist.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Einstellungen der diskreten Kondensatoren die Polarisation veränderbar ist.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (10) aus einem ebenen Blech besteht, von dem Abstandshalter (20) senkrecht abgewinkelt sind und leitend mit den Masseplättchen (30) durch Löten, Schweißen, Krimpen, Rasten, Klemmen oder Verschrauben verbunden sind.
Patchantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseflächenträger (40) gleichzeitig eine gedruckte elektronische Schaltung trägt.