DE102019123467A1

DE102019123467A1 - antenna

Info

Publication number: DE102019123467A1
Application number: DE102019123467.0A
Authority: DE
Inventors: Artur Lischke; Matthias Paul Wagener
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Eine Antenne umfasst eine Leiterplatte mit zwei Seiten, auf denen Strahler in Form von Leiterbahnen vorgesehen sind. Auf beiden Seiten der Leiterplatte sind Strahler mit unterschiedlichen Längen vorgesehen, die über ihre Fußpunkte mit einem gemeinsamen Einspeisepunkt in Verbindung stehen.An antenna comprises a printed circuit board with two sides on which radiators in the form of conductor tracks are provided. Radiators with different lengths are provided on both sides of the circuit board, which are connected to a common feed point via their base points.

Description

Moderne Geräte der Unterhaltungselektronik sowie der Hausgerätetechnik sind miteinander vernetzt (IoT-Geräte) und besitzen eine geringe Baugröße. Zur drahtlosen Vernetzung derartiger Geräte sind leistungsfähige Antennen erforderlich, die eine Kommunikation in bestimmen Frequenzbändern, beispielsweise dem ISM-Band ermöglichen. Aus dem Stand der Technik sind hier für einerseits auf einem Chip basierende Antennen bekannt, die zwar klein bauen, jedoch teuer sind. Andererseits sind PCB-Antennen bekannt, bei denen die Antenne durch Leiterbahnen gebildet ist, die auf einer (flexiblen oder starren) Leiterplatte aufgebracht sind. Derartige Antennen bauen üblicherweise zwar relativ groß, sind jedoch kostengünstig. Gleichzeitig ist die Bandbreite bei bislang erhältlichen PCB-Antennen, die vergleichsweise kompakt sind, oft nicht ausreichend.Modern entertainment electronics and home appliance technology devices are networked with one another (IoT devices) and are small in size. For wireless networking of such devices, powerful antennas are required that enable communication in certain frequency bands, for example the ISM band. Antennas based on a chip, on the one hand, are known from the prior art, and although they are small in construction, they are expensive. On the other hand, PCB antennas are known in which the antenna is formed by conductor tracks that are applied to a (flexible or rigid) printed circuit board. Such antennas are usually relatively large, but are inexpensive. At the same time, the bandwidth of the previously available PCB antennas, which are comparatively compact, is often insufficient.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Antenne zu schaffen, die bei ausreichend großer Bandbreite gleichzeitig eine sehr kompakte Baugröße aufweist.It is therefore the object of the present invention to create an inexpensive antenna which, with a sufficiently large bandwidth, is also very compact in size.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Antenne, die eine Leiterplatte mit zwei Seiten aufweist, wobei auf beiden Seiten der Leiterplatte Strahler in Form von Leiterbahnen vorgesehen sind, welche über die Leiterplatte durchdringende leitende Verbindungsstücke (sogenannte Vias) miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß sind sowohl auf der einen Seite wie auch auf der anderen Seite der Leiterplatte mehrere Strahler mit je einem Fußpunkt und je einem freien Ende vorgesehen, wobei die Strahler eine unterschiedliche Länge zwischen Fußpunkt und freiein Ende aufweisen und wobei alle Fußpunkte mit einem gemeinsamen Einspeisepunkt in Verbindung stehen.This object is achieved by the features of claim 1 and in particular by an antenna which has a printed circuit board with two sides, with radiators in the form of conductor tracks being provided on both sides of the printed circuit board, which conductive connecting pieces (so-called vias) penetrate the printed circuit board. are connected to one another in an electrically conductive manner. According to the invention, several radiators are provided on one side as well as on the other side of the circuit board, each with a base and a free end, the radiators having a different length between the base and the free end and all base points being connected to a common feed point stand.

Erfindungsgemäß wird einerseits durch die Verteilung der verschiedenen Strahler auf zwei Seiten der Leiterplatte eine sehr geringe Fläche für die Antenne benötigt, d.h. die Antenne baut kompakt. Andererseits würde sich durch eine kompakte Bauweise die Bandbreite verringern. Um dies zu kompensieren, sind erfindungsgemäß die verschiedenen Strahler auf beiden Seiten der Leiterplatte unterschiedlich lang ausgebildet, wodurch die Antenne unterschiedliche und sich überlappende Frequenzspektren abstrahlt, sodass insgesamt eine ausreichend große Gesamtbandbreite der Antenne zur Verfügung steht.According to the invention, on the one hand, due to the distribution of the different radiators on two sides of the circuit board, a very small area is required for the antenna, i.e. the antenna is compact. On the other hand, a compact design would reduce the bandwidth. In order to compensate for this, according to the invention the various radiators are designed to be of different lengths on both sides of the circuit board, as a result of which the antenna emits different and overlapping frequency spectra, so that overall a sufficiently large overall bandwidth of the antenna is available.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are described in the description, the drawing and in the subclaims.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können die Strahler auf der einen Seite und die Strahler auf der anderen Seite der Leiterplatte übereinander angeordnet sein, sodass deren seitliche Begrenzungslinien fluchtend ausgerichtet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders guten Platzersparnis.According to a first advantageous embodiment, the radiators on one side and the radiators on the other side of the circuit board can be arranged one above the other, so that their lateral boundary lines are aligned. This has the advantage of saving particularly good space.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Fußpunkt eines Strahlers auf einer Seite über ein leitendes Verbindungsstück mit einem Fußpunkt eines Strahlers auf der anderen Seite leitend verbunden sein. Dies ermöglicht ebenfalls eine kompakte Bauweise, die insbesondere dann relativ einfach umgesetzt werden kann, wenn die beiden Strahler übereinanderliegend angeordnet sind.According to a further advantageous embodiment, the base point of a radiator on one side can be conductively connected to a base point of a radiator on the other side via a conductive connecting piece. This also enables a compact design, which can be implemented relatively easily in particular when the two radiators are arranged one above the other.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Fußpunkt eines Strahlers auf einer Seite mit einem Fußpunkt eines Strahlers auf der gleichen Seite leitend verbunden sein. Eine solche Verbindung lässt sich auf einfache Weise durch eine Leiterbahn verwirklichen, um die HF-Signale vom Einspeisepunkt zu den Strahlern zu leiten.According to a further advantageous embodiment, the base point of a radiator on one side can be conductively connected to a base point of a radiator on the same side. Such a connection can be implemented in a simple manner by means of a conductor track in order to conduct the HF signals from the feed point to the radiators.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können zwei Strahler auf einer Seite geradlinig und parallel zueinander verlaufen, sodass insgesamt eine geringe Fläche für die Antenne benötigt wird. Hierbei kann es auch vorteilhaft sein, wenn alle Strahler geradlinig und parallel zueinander verlaufen, um den Flächenbedarf für die Antenne weiter zu minimieren.According to a further advantageous embodiment, two radiators can run in a straight line and parallel to one another on one side, so that overall a small area is required for the antenna. It can also be advantageous here if all radiators run in a straight line and parallel to one another in order to further minimize the area required for the antenna.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann von dem Einspeisepunkt auf einer Seite eine L-förmige Leiterbahn ausgehen, deren einer Schenkel rechtwinklig und deren anderer Schenkel parallel zu den Strahlern verläuft. Mit einer solchen Leiterbahn lässt sich das HF-Signal vom Einspeisepunkt zu den Fußpunkten der Strahler weiterleiten, wobei auf der anderen Seite über der L-förmigen Leiterbahn weitere Leiterbahnstücke vorgesehen werden können, beispielsweise um eine Impedanzanpassung zu erzielen. Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn die L-förmige Leiterbahn mit zumindest einem Leiterbahnstück auf der anderen Seite verbunden ist, das unter der L-förmigen Leiterbahn angeordnet ist, insbesondere unter demjenigen Teil der L-förmigen Leiterbahn, der rechtwinklig zu den Strahlern verläuft. Ein solches Leiterbahnstück auf der anderen Seite kann dann mit Masse verbunden werden, wodurch eine Impedanzanpassung erzielt werden kann.According to a further advantageous embodiment, an L-shaped conductor run can extend from the feed point on one side, one leg of which runs at right angles and the other leg of which runs parallel to the radiators. With such a conductor track, the HF signal can be passed on from the feed point to the base points of the radiators, with further conductor track pieces being provided on the other side above the L-shaped conductor track, for example in order to achieve impedance matching. For this purpose, it can be advantageous if the L-shaped conductor track is connected to at least one conductor track piece on the other side, which is arranged under the L-shaped conductor track, in particular under that part of the L-shaped conductor track that runs at right angles to the radiators. Such a conductor track section on the other side can then be connected to ground, as a result of which impedance matching can be achieved.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wurden gute Ergebnisse dadurch erzielt, dass die Strahler auf einer Seite länger gewählt wurden als die Strahler auf der anderen Seite.According to a further advantageous embodiment, good results were achieved in that the radiators were chosen to be longer on one side than the radiators on the other side.

Eine besonders kompakte Bauweise kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch erzielt werden, dass der Abstand benachbarter Strahler auf einer Seite kleiner als die Länge des kürzesten Strahlers ist.According to a further advantageous embodiment, a particularly compact design can be achieved in that the spacing adjacent radiator is smaller on one side than the length of the shortest radiator.

Wenn die Länge der Strahler nicht mehr als 10mm und mindestens 2mm gewählt wird, lassen sich trotz der sehr kleinen Bauweise gute Eigenschaften der Antenne erzielen. Hierdurch kann die Antenne so gestaltet werden, dass die von den Strahlern bedeckte Fläche nicht größer als 100 mm² ist.If the length of the radiator is chosen to be no more than 10mm and at least 2mm, good antenna properties can be achieved despite the very small design. As a result, the antenna can be designed in such a way that the area covered by the radiators is no larger than 100 mm ² .

Wenn nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Strahlerlängen so gewählt sind, dass sich überdeckende Frequenzbänder abgestrahlt werden, kann insgesamt trotz der geringen Baugröße eine zufriedenstellende Bandbreite erreicht werden.If, according to a further advantageous embodiment, the radiator lengths are selected such that overlapping frequency bands are emitted, a satisfactory bandwidth can be achieved overall despite the small size.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Strahlerlängen zwischen 2 und 10 mm, insbesondere zwischen 3 und 9 mm und insbesondere zwischen 3,5 und 8,5 mm betragen. Hierdurch lassen sich mit den einzelnen Strahlern Frequenzen zwischen 2,4 GHZ und 2,5 GHZ abstrahlen.It can be advantageous if the radiator lengths are between 2 and 10 mm, in particular between 3 and 9 mm and in particular between 3.5 and 8.5 mm. This allows frequencies between 2.4 GHz and 2.5 GHz to be emitted with the individual radiators.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Antenne;
2 eine Draufsicht auf die Oberseite der Antenne von 1; und
3 eine Darstellung der Leiterbahnführung auf der Unterseite der Antenne von
1, allerdings gesehen von oben.

The present invention is described below purely by way of example using an advantageous embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 a perspective view of an antenna;
2 a top view of the top of the antenna of FIG 1 ; and
3rd a representation of the conductor track routing on the underside of the antenna of
1 , but seen from above.

Die in 1 rein schematisch dargestellt PCB-Antenne umfasst eine Leiterplatte 10 mit einer Oberseite O und einer Unterseite U, wobei auf beiden Seiten der Leiterplatte 10 Leiterbahnen vorgesehen sind. In der Darstellung der 1 sind zur besseren Verständlichkeit lediglich die Leiterbahnen, nicht jedoch die eigentliche Leiterplatte 10 dargestellt. Genauso sind für ein leichteres Verständnis die Begriffe Oberseite und Unterseite für die beiden Seiten der Leiterplatte gewählt. Dies dient allerdings lediglich der besseren Unterscheidbarkeit der beiden Seiten, da es in der Praxis keine Rolle spielt, welche Orientierung die Antenne im Einbauzustand besitzt.In the 1 The PCB antenna, shown purely schematically, comprises a printed circuit board 10 with a top O and a bottom U, being on both sides of the circuit board 10 Conductor tracks are provided. In the representation of the 1 are only the conductor tracks, but not the actual circuit board, for better understanding 10 shown. In the same way, the terms top side and bottom side have been chosen for the two sides of the circuit board for easier understanding. However, this only serves to better distinguish the two sides, since in practice it does not matter which orientation the antenna has when it is installed.

Bei der in 1 dargestellten Antenne ist auf der Oberseite O der Leiterplatte 10 eine großflächige Leiterbahn 12 aufgebracht, die mit einem Masseanschluss in Verbindung steht. In gleicher Weise ist auf der Unterseite U der Leiterplatte 10 eine großflächige Leiterbahn 14 aufgebracht, die ebenfalls mit Masse in Verbindung steht. Zwischen den beiden Leiterbahnen 12 und 14 sind verschiedene die Leiterplatte 10 durchdringende Verbindungsstücke 16 angeordnet, die elektrisch leitend sind und eine Masseverbindung herstellen. Weiterhin weisen die beiden Leiterbahnen 12 und 14 jeweils eine rechteckige Aussparung auf, die einen Bereich bildet, in dem weitere streifenförmige Leiterbahnen angeordnet sind, welche Zuleitungen und Strahler der Antenne bilden.At the in 1 The antenna shown is on the top O of the circuit board 10 a large-area conductor track 12th applied, which is connected to a ground connection. In the same way, U is on the underside of the circuit board 10 a large-area conductor track 14th applied, which is also connected to ground. Between the two conductor tracks 12th and 14th are different the circuit board 10 penetrating connectors 16 arranged, which are electrically conductive and produce a ground connection. Furthermore, the two conductor tracks 12th and 14th each have a rectangular recess which forms an area in which further strip-shaped conductor tracks are arranged, which form feed lines and radiators of the antenna.

Wie insbesondere 2 verdeutlicht, ist auf der Oberseite O der Leiterplatte 10 eine L-förmige Leiterbahn 18 vorgesehen, deren einer (vertikal verlaufender) Schenkel 20 von einem HF-Einspeisepunkt 21 ausgeht und in einen zweiten (in 2 horizontal verlaufenden) Schenkel 22 übergeht. Weiterhin befinden sich auf der Oberseite O der Leiterplatte 10 zwei Strahler 24 und 26, die jeweils durch streifenförmige Leiterbahnen gebildet sind, die von einem Fußpunkt 28 und 30 ausgehen und sich parallel bis zu einem freien Ende erstrecken. Hierbei verlaufen die Strahler 24 und 26 auch parallel zu dem Schenkel 22 der L-förmigen Leiterbahn 18. Die beiden Strahler 24 und 26 besitzen eine unterschiedliche Länge und sind an Ihren Fußpunkten 28 und 30 über eine streifenförmige Leiterbahn 32 miteinander verbunden, die sich parallel zu dem Schenkel 20 der L-förmigen Leiterbahn 18 und somit rechtwinklig zu den beiden Strahlern 24 und 26 erstreckt. How in particular 2 clarified, is on the top O of the circuit board 10 an L-shaped conductor track 18th provided, one of which (vertically extending) legs 20th from an HF feed point 21 goes out and into a second (in 2 horizontally running) legs 22nd transforms. Furthermore, there are on the top O of the circuit board 10 two spotlights 24 and 26th , which are each formed by strip-shaped conductor tracks that start from a base point 28 and 30th go out and extend parallel to a free end. The emitters run here 24 and 26th also parallel to the thigh 22nd the L-shaped conductor track 18th . The two spotlights 24 and 26th have different lengths and are at their foot points 28 and 30th via a strip-shaped conductor track 32 connected to each other, extending parallel to the leg 20th the L-shaped conductor track 18th and thus at right angles to the two spotlights 24 and 26th extends.

3 illustriert die Führung der Leiterbahnen auf der Unterseite U der Leiterplatte 10, wobei die Blickrichtung jedoch nicht von der Unterseite sondern von der Oberseite, also aus gleicher Richtung wie bei 1 und 2 gewählt ist. 3rd illustrates the routing of the conductor tracks on the underside U of the circuit board 10 , whereby the viewing direction is not from the bottom but from the top, i.e. from the same direction as in 1 and 2 is selected.

Hierbei verdeutlicht 3, dass auf der Unterseite U unterhalb des Schenkels 20 der L-förmigen Leiterbahn 18 ein streifenförmiger Leiter 34 angeordnet ist, der an seinem 3 unteren Ende über ein Verbindungsstück 36 mit dem L-förmigen Leiter 18 verbunden ist, und der an seinem oberen Ende mit der Leiterbahn 14 in Verbindung steht, die mit Masse verbunden ist. Hierdurch ist an der Unterseite U eine Rückführung zur Masse gebildet, wodurch eine Impedanzanpassung erfolgt.Clarified here 3rd that on the bottom U below the leg 20th the L-shaped conductor track 18th a strip-shaped conductor 34 is arranged on his 3rd lower end via a connector 36 with the L-shaped ladder 18th is connected, and at its upper end with the conductor track 14th is in communication, which is connected to ground. As a result, a return to ground is formed on the underside U, as a result of which impedance matching takes place.

Weiterhin sind auf der Unterseite U der Leiterbahnplatte 10 zwei weitere Strahler 38 und 40 vorgesehen, die ebenfalls parallel zueinander und rechtwinklig zu der Leiterbahn 34 verlaufen. An ihren beiden Fußpunkten 42 und 44 sind die Strahler 38 und 40 über Verbindungsstücke 43 und 45 mit den Fußpunkten 28 und 30 an der Oberseite O elektrisch leitend verbunden. Mit anderen Worten sind alle Fußpunkte 28, 30, 42 und 44 der Strahler 24, 26, 38 und 40 elektrisch leitend miteinander verbunden. Gleichzeitig weisen alle Strahler eine unterschiedliche Länge auf und die Strahler auf der Oberseite sind fluchtend über den Strahlern auf der Unterseite angeordnet, d.h. die seitlichen Begrenzungslinien der Strahler liegen innerhalb einer gleichen senkrecht auf der Leiterplatte 10 stehenden Ebene.There are also U on the underside of the printed circuit board 10 two more emitters 38 and 40 provided, which are also parallel to each other and at right angles to the conductor track 34 run away. At both of their base points 42 and 44 are the spotlights 38 and 40 via connectors 43 and 45 with the base points 28 and 30th connected to the top O in an electrically conductive manner. In other words, they are all base points 28 , 30th , 42 and 44 the spotlight 24 , 26th , 38 and 40 electrically connected to each other. At the same time, all radiators have a different length and the radiators on the top are aligned above the radiators on the underside, ie the lateral boundary lines of the radiators are within the same perpendicular line on the circuit board 10 standing plane.

Eine Verbindung zwischen dem Einspeisepunkt 21 und den Fußpunkten der Strahler erfolgt über eine an der Unterseite U vorgesehene streifenförmige Leiterbahn 46, die über ein Verbindungsstück 48 elektrisch leitend mit dem äußeren Ende des Schenkels 22 des L-förmigen Leiters 18 in Verbindung steht und die sich unter dem Schenkel 22 befindet. Somit verläuft die Leiterbahn 46 auch parallel zu dem Strahler 38 und ein Verbindungsstück 47 zwischen der Leiterbahn 46 und dem Strahler 38 verläuft parallel zu der Leiterbahn 34 bzw. dem Schenkel 20. A connection between the entry point 21 and the base points of the radiators are carried out via a strip-shaped conductor track provided on the underside U 46 that have a connector 48 electrically conductive to the outer end of the leg 22nd of the L-shaped conductor 18th communicates and which is located under the thigh 22nd is located. The conductor track thus runs 46 also parallel to the radiator 38 and a connector 47 between the conductor track 46 and the emitter 38 runs parallel to the conductor track 34 or the thigh 20th .

Die Strahler 24, 26, 38 und 40 sind alle parallel zueinander angeordnet und besitzen unterschiedliche Längen, wobei der Strahler 24 am kürzesten und der Strahler 40 am längsten ist. Die Strahlerlängen können zwischen 2 und 10 mm betragen, insbesondere zwischen 3,5 und 8,5 mm, sodass sich eine Gesamtfläche der von den Strahlern überdeckten Fläche von nicht mehr als 100 mm² ergibt.The spotlights 24 , 26th , 38 and 40 are all arranged parallel to each other and have different lengths, with the radiator 24 shortest and the emitter 40 is the longest. The radiator lengths can be between 2 and 10 mm, in particular between 3.5 and 8.5 mm, so that the total area covered by the radiators is no more than 100 mm ² .

Claims

Antenna comprising a printed circuit board (10) with two sides (O, U), on which radiators (24, 26, 38, 40) are provided in the form of conductor tracks, the conductive connecting pieces (28, 30, 36, 48) are connected to one another in an electrically conductive manner, with several radiators on one side (O) as well as on the other side (U), each with a base point (28, 30, 42, 44) and each with a free end and different Length are provided, with all base points with a common feed point (21) are in connection.

Antenna after Claim 1 , wherein radiators (24, 26) on one side (O) and radiators (38, 40) on the other side (U) are arranged one above the other.

Antenna after Claim 1 or 2 wherein the base point (42, 44) of a radiator (38, 40) is conductively connected on one side via a connecting piece (43, 45) to a base point (28, 30) of a radiator (24, 26) on the other side.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the base point (28, 30) of a radiator (24, 26) on one side (O) with a base point (30, 28) of a radiator (26, 24) on the same side (O) is conductively connected.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein two radiators on one side (O, U) run in a straight line and parallel to one another.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein all radiators run in a straight line and parallel to one another.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein an L-shaped conductor track (18) extends from the feed point (21) on one side (O), one leg (20) of which runs at right angles and the other leg (22) runs parallel to the radiators.

Antenna after Claim 7 , wherein the L-shaped conductor track (18) is connected to at least one conductor track piece (34) on the other side (U) which is arranged under the L-shaped conductor track (18).

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the radiators on one side (O) are longer than the radiators on the other side (U).

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the distance between adjacent radiators on one side (O, U) is smaller than the length of the shortest radiator (24).

Antenna according to one of the preceding claims, wherein on one side (O) of the feed point (21) a conductor track (20,22) emanates, which establishes a connection to the base points of the radiators, and on the other side under this conductor track (20 ) at least partially a conductor track (34) runs which connects the conductor track on one side (O) to a ground connection (14) via a connecting piece (36).

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the radiators have a length of at least 2 mm and at most 10 mm.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the area covered by the radiators is no greater than 100 mm ² .

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the radiator lengths are selected such that overlapping frequency bands are emitted.

Antenna according to one of the preceding claims, wherein the radiator lengths are between 2 and 10 mm, in particular between 3 and 9 mm, in particular between 3.5 and 8.5 mm.