DE102019201262A1

DE102019201262A1 - Teilnehmer eines Kommunikationssystems mit einer magnetischen Antenne

Info

Publication number: DE102019201262A1
Application number: DE102019201262.0A
Authority: DE
Inventors: Gerald Ulbricht; Albert Heuberger; Ralph Oppelt; Gerd Kilian
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-06
Also published as: US20210359425A1; EP3918357A1; CN113490858A; WO2020157110A1

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Teilnehmer eines drahtlosen Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung und eine mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung verbundene Antennenanordnung aufweist, wobei die Antennenanordnung eine magnetische Antenne mit einer einfach oder mehrfach unterbrochenen Schleife aufweist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Teilnehmer eines Kommunikationssystems, und im speziellen, auf einen Teilnehmer mit einer magnetischen Antenne. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Endpunkt und eine Basisstation mit einer magnetischen Antenne. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Ausführung einer magnetischen Schleife (engl. loop).
Herkömmlicherweise werden, vor allem im Bereich der Sensorknoten, elektrische Antenne bzw. elektrisch kurze Antennen eingesetzt. Wird z. B. bei 868 MHz eine heute übliche elektrische Antenne verwendet, wird als ½ Lambda Strahler eine Länge von etwa 15 cm benötigt. Werden kürzere Antennen eingesetzt, sinkt der Gewinn der Antenne. Weiterhin wird die Handhabbarkeit der Geräte mit Antennen eingeschränkt, da die verwendeten Antennen sich bei Annäherung an elektrisch leitende oder dielektrisch wirkende Gegenstände verstimmen und somit ihr Gewinn weiter sinkt. Damit gibt es Anforderungen an die Umgebung von z. B. Sensorknoten. Mit elektrischen Antennen ist es weiterhin nicht möglich, aus elektrisch abgeschirmten Umgebungen (Faraday'scher Käfig) heraus zu senden.
Ferner sind magnetische Antennen bekannt [1]. Durch die hohe Güte sind magnetische Antennen aber sehr schmalbandig. Deshalb müssen magnetische Antennen z. B. bei Annäherung an metallische oder dielektrische Gegenstände auf die gewünschte Frequenz abgestimmt werden. Hierbei gibt es die Möglichkeit, die magnetische Antenne von Hand abzustimmen oder diese selbstabstimmend zu betreiben.
1a zeigt eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne 10, die mittels eines Drehkondensators 12 von Hand abstimmbar ist, während 1b ein elektrisches Ersatzschaltbild und 1c ein Antennendiagramm der magnetischen Antenne 10 zeigen [2].
Die magnetische Antenne 10 umfasst eine primäre Koppelschleife 14, die über ein 50 Ohm Koaxialkabel 18 gespeist wird, und eine sekundäre resonante Schleife 16. Der Umfang der sekundären resonanten Schleife 16 beträgt in der Regel weniger als 1/10 der Wellenlänge, während die primäre Koppelschleife 14 in der Regel 1/5 der Größe der sekundären resonanten Schleife 16 aufweist.
Im Amateurfunkbereich ist eine Abstimmung von Hand üblich. Bei Sensorknoten ist zu Gunsten einer einfachen Handhabbarkeit jedoch eine Selbstabstimmung wünschenswert.
Um den nötigen Abstimmbereich möglichst klein zu halten, kann die magnetische Schleife mehrfach verkürzt werden, wie dies in der Magnetresonanztomographie (MR) üblich ist [3], [4].
In der MR trägt nur das magnetische Feld zum gewünschten Effekt bei, daher auch der Name „Magnetresonanz“, während elektrische Feldanteile in hohem Maße unerwünscht sind, da diese in den Patienten eindringen und dort aufgrund der dielektrischen Verluste des Körpergewebes

a) im Sendefall, den Patienten nur unnötig aufheizen, und
b) im Empfangsfall die Güte der Schleifen (engl. loops) herabsetzen was gleichbedeutend damit ist, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) schlechter wird. Oftmals heißt es salopp „es wird mehr Rauschen eingekoppelt“. Dies ist aber physikalisch nicht korrekt, da die Betriebstemperatur der Schleife unabhängig vom Verkürzungsgrad gleichbleibt. Der Effekt ist, dass durch die schlechtere Güte (d.h. die niedrigere Resonanzüberhöhung) das Nutzsignal geschwächt wird, woraus ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) resultiert.

Der Anteil der elektrischen Felder ist im Wesentlichen von der Drahtlänge der Spule/Schleife im Vergleich zur Wellenlänge abhängig. D.h. das elektrische Feld baut sich längs des Leiters zur Resonanzkapazität hin auf, wie dies in 2 gezeigt ist.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Schleife 22 einer magnetischen Antenne 20, wobei sich das elektrische Feld 24 längs entlang des Leiters der Schleife 22 zur Resonanzkapazität 26 hin aufbaut.
Deshalb werden MR-Lokalantennen fast immer nur als einwindige Schleifen (engl. loops) ausgeführt. Nur bei sehr niedrigen Frequenzen kommt mehr als eine Windung zum Einsatz, weil sonst aufgrund des extrem schlechten LC-Verhältnisses die Betriebsgüte wegen der dann sehr schlechten Eigengüte stärker leidet, als es elektrische Feldanteile im Betrieb am Patienten bewirken würden. Bei immer höheren Frequenzen ist aber bereits die eine Windung der Schleife (engl. loop) im Vergleich zur Wellenlänge schon zu lang, wobei die Schleifengröße nicht beliebig verkleinert werden kann, da diese der untersuchten Körperregion des Patienten angepasst sein muss). Daher wird diese eine Windung durch mehrere Resonanzkapazitäten unterteilt (mehrfach kapazitive Verkürzung).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Positionierungsmöglichkeiten von Sensorknoten von drahtlosen Kommunikationssystemen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Ausführungsbeispiele schaffen einen Teilnehmer eines drahtlosen Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung [z.B. einen Transmitter, Receiver oder Transceiver] und eine mit der Sende- und/oder-Empfangseinrichtung verbundene Antennenanordnung aufweist, wobei die Antennenanordnung eine magnetische Antenne mit einer einfach oder mehrfach [z.B. zumindest zweifach] unterbrochenen [z.B. unterteilten] Schleife [z.B. Stromschleife] aufweist.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife durch ein oder mehrere Kapazitätselemente [z.B. Kondensatoren, Kapazitätsdioden] unterbrochen [z.B. unterteilt] sein.
Beispielsweise kann die Schleife der magnetischen Antenne durch zumindest zwei Kapazitätselemente [z.B. zumindest zweifach] unterbrochen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die mehrfach unterbrochene Schleife durch die Kapazitätselemente in zumindest zwei Segmente unterbrochen [z.B. unterteilt] sein.
Beispielsweise kann die Schleife durch n Kapazitätselemente in n Segmente unterteilt sein, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich zwei ist.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife durch die Kapazitätselemente verbunden sein.
Beispielsweise können die zumindest zwei Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife und die zumindest zwei Kapazitätselemente in Reihe geschaltet sein. Mit anderen Worten, jeweils zwei Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife können durch jeweils ein Kapazitätselement, das in Reihe zwischen den zwei Segmenten geschaltet ist, verbunden sein.
Bei Ausführungsbeispielen können die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife [z.B. die zumindest zwei Segmente der Schleife] und die Kapazitätselemente einen Schwingkreis bilden.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife eine Spule bilden.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Sende- und/oder Empfangseinrichtung mit der magnetischen Antenne über eines der Kapazitätselemente verbunden sein [z.B. wobei das eine Kapazitätselement und die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife [z.B. mit den anderen Kapazitätselementen] einen Parallelschwingkreis bilden].
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife ringförmig oder m-eckförmig ist, wobei m eine natürliche Zahl größer gleich vier ist.
Beispielsweise kann die Schleife viereckförmig, fünfeckförmig, sechseckförmig, siebeneckförmig, achteckförmig, neuneckförmig, zehneckförmig, elfeckförmig, zwölfeckförmig usw. sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne auf einer Leiterplatte implementiert [z.B. realisiert] sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung eine Abstimmungsschaltung zur Abstimmung der magnetischen Antenne aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen können die Abstimmungsschaltung und die magnetische Antenne auf der gleichen Leiterplatte implementiert sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne eine erste magnetische Antenne sein, wobei die Antennenanordnung ferner eine zweite magnetische Antenne aufweisen kann, wobei die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife der ersten magnetischen Antenne und eine Schleife der zweiten magnetische Antenne im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind.
Beispielsweise können eine durch die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife der ersten magnetischen Antenne aufgespannte erste Fläche und eine durch die Schleife der zweiten magnetischen Antenne aufgespannte zweite Fläche orthogonal zueinander sein.
Beispielsweise können eine Hauptabstrahlrichtung/Hauptempfangsrichtung der ersten magnetischen Antenne und eine Hauptabstrahlrichtung/Hauptempfangsrichtung der zweiten magnetischen Antenne orthogonal zueinander sein.
Beispielsweise können eine Nullstelle der ersten magnetischen Antenne und eine Nullstelle der zweiten magnetischen Antenne unterschiedlichen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine aufgespannte Fläche der Schleife der zweiten magnetischen Antenne zumindest um den Faktor zwei [z.B. um den Faktor drei, vier, fünf, oder zehn] kleiner sein als eine aufgespannte Fläche der Schleife der ersten magnetischen Antenne.
Beispielsweise kann die Schleife der zweiten magnetischen Antenne „plattgedrückt“ sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife der zweiten magnetischen Antenne nicht rund ausgeführt sein, um sich einer Form des Gehäuses des Teilnehmers anzupassen.
Beispielsweise kann die Schleife der zweiten magnetischen Antenne im Wesentlichen rechteckförmig sein.
Bei Ausführungsbeispielen können die erste magnetische Antenne und die zweite magnetische Antenne benachbart zueinander angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann ein Leiter der Schleife der zweiten magnetischen Antenne zumindest um den Faktor zwei [z.B. um den Faktor drei, vier oder fünf] dicker oder breiter ist als ein Leiter der Schleife der ersten magnetischen Antenne.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife der zweiten magnetischen Antenne mehrfach unterbrochen sein.
Beispielsweise kann die Schleife der zweiten magnetischen Antenne durch zumindest zwei Kapazitätselemente [zumindest zweifach] unterbrochen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um eine der magnetischen Antennen der Antennenanordnung [z.B. die erste magnetische Antenne oder die zweite magnetische Antenne] zu deaktivieren, um eine Strahlungscharakteristik [z.B.
Abstrahlrichtung oder Empfangsrichtung; z.B. Hauptkeule] der Antennenanordnung zu verändern.
Beispielsweise kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um eine Strahlungscharakteristik [z.B. Abstrahlrichtung oder Empfangsrichtung; z.B. Hauptkeule] der Antennenanordnung durch Deaktivieren einer der magnetischen Antennen der Antennenanordnung [z.B. der ersten magnetischen Antenne oder der zweiten magnetischen Antenne] zu verändern.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine der magnetischen Antennen der Antennenanordnung durch Verstimmen der jeweiligen magnetischen Antenne [z.B. der ersten magnetischen Antenne oder der zweiten magnetischen Antenne] deaktiviert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine der magnetischen Antennen der Antennenanordnung durch Parallelschalten einer Spule zu einem der Kapazitätselemente der Schleife der jeweiligen magnetischen Antenne [z.B. der ersten magnetischen Antenne oder der zweiten magnetischen Antenne] deaktiviert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um ein Abstrahlverhältnis der Antennenanordnung durch Verstimmen der Eigenresonanz zumindest einer der zwei magnetischen Antennen [z.B. der ersten magnetischen Antenne oder der zweiten magnetischen Antenne] zu verändern.
Bei Ausführungsbeispielen können die erste magnetische Antenne und die zweite magnetische Antenne phasenverschoben [z.B. um 90°] angesteuert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um ein zu übertragenes Datenpaket [z.B. der Bitübertragungsschicht] auf eine Mehrzahl von Sub-Datenpaketen aufzuteilen und um die Mehrzahl von Sub-Datenpaketen nicht zusammenhängend zu senden [z.B. unter Verwendung eines Zeit- und/oder Frequenzsprungverfahrens], wobei der Teilnehmer ausgebildet sein kann, um die Strahlungscharakteristik der Antennenanordnung zumindest einmal zwischen der Aussendung zweier Sub-Datenpakten zu verändern.
Beispielsweise kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um die Strahlungscharakteristik der Antennenanordnung nach jedem ausgesendeten Sub-Datenpaketen oder nach einer vorgebenden Anzahl von Sub-Datenpaketen zu verändern [z.B. durch deaktivieren der jeweils anderen magnetischen Antenne der Antennenanordnung].
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um ein zu übertragenes Datenpaket [z.B. der Bitübertragungsschicht] auf eine Mehrzahl von Sub-Datenpaketen aufzuteilen und um die Mehrzahl von Sub-Datenpaketen nicht zusammenhängend unter Verwendung eines Frequenzsprungverfahrens [z.B. und Zeitsprungverfahrens] zu senden, wobei die Resonanzfrequenzen der ersten magnetischen Antenne und der zweiten magnetischen Antenne absichtlich etwas verstimmt sein können, so dass bei der Aussendung der Mehrzahl von Subdatenpaketen bedingt durch die durch das Frequenzsprungmuster definierten Frequenzen eine Strahlungscharakteristik [z.B. Abstrahlrichtung; z.B. Hauptkeule] der Antennenanordnung variiert.
Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz der ersten magnetischen Antenne und/oder der zweiten magnetischen Antenne in einem Größenbereich verstimmt werden, der der reziproken Güte entspricht. Bei einer Güte von Q = 100 kann die Verstimmung in einem Fenster von nicht mehr als +/- 1 % erfolgen, weil bei noch stärkerer Verstimmung dann kaum mehr Leistung raus geht.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung eine Abstimmeinrichtung zum Abstimmen der magnetischen Antenne aufweisen, wobei die Antennenanordnung ausgebildet ist, um die Antenne automatisch abzustimmen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung ferner eine elektrische Antenne aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Sende- und/oder Empfangseinrichtung eine Sendeeinrichtung [z.B. Transmitter], eine Empfangseinrichtung [z.B. Receiver] oder eine Sendeempfangseinrichtung [Transceiver] sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ausgebildet sein, um im ISM Band zu kommunizieren.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer ein Endpunkt des Kommunikationssystems sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Endpunkt ein Sensorknoten oder Aktorknoten sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Endpunkt batteriebetrieben sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Endpunkt ein Energy Harvesting Element zur elektrischen Energiegewinnung aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer eine Basisstation des Kommunikationssystems sein.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Kommunikationssystem mit zumindest zwei der hierin beschriebenen Teilnehmer.
Beispielsweise kann es sich bei den zumindest zwei Teilnehmern um einen oder mehrere Endpunkte [z.B. eine Vielzahl von Endpunkten] und eine oder mehrere Basisstation handeln. Natürlich kann es sich bei den zumindest zwei Teilnehmern auch um zumindest zwei Endpunkte oder Basisstationen handeln.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Betreiben eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer eine Antennenanordnung aufweist, wobei die Antennenanordnung eine magnetische Antenne mit einer einfach oder mehrfach unterbrochenen Schleife aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Sendens und/oder Empfangens von Kommunikationssignalen unter Verwendung der magnetischen Antenne.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Teilnehmer (z.B. einen Endpunkt) eines Kommunikationssystems mit einer magnetischen Antenne.
Mit der in Ausführungsbeispielen adressierten magnetischen Antennen kann (1) die Baugröße von Teilnehmern eines Kommunikationssystems, wie z.B. von Sensorknoten, verringert werden, (2) durch die automatische Abstimmung eine Unabhängigkeit von der Umgebung geschaffen werden, und/oder (3) aus (teilweise) elektrisch abgeschirmten Umgebungen (besser) herausgesendet/empfangen werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1a eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne, die mittels eines variablen Hochspannungskondensators von Hand abstimmbar ist,
1b ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 1a gezeigten magnetischen Antenne,
1c ein Antennendiagramm der in 1a gezeigten magnetischen Antenne;
2 eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne und eines elektrischen Feldes der magnetischen Antenne,
3a eine schematische Ansicht eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3b eine schematische Ansicht eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3c eine schematische Ansicht eines Endpunkts eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne,
5 eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne mit einer mehrfach unterbrochenen (z.B. kapazitiv verkürzten) Schleife, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne mit einer mehrfach unterbrochenen Schleife, wobei die Schleife achteckförmig ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Ansicht einer Antennenanordnung mit einer ersten magnetischen Antenne und einer zweiten magnetischen Antenne, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.
3a zeigt eine schematische Ansicht eines Teilnehmers 100 eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Teilnehmer 100 umfasst eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 (z.B. einen Transmitter) und eine mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 verbundene Antennenanordnung 104, wobei die Antennenanordnung 104 eine magnetische Antenne 106 mit einer einfach (d.h. nur einmal) unterbrochenen Schleife 108 aufweist.
3b zeigt eine schematische Ansicht eines Teilnehmers 100 eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Teilnehmer 100 umfasst eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 (z.B. einen Transmitter) und eine mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 verbundene Antennenanordnung 104, wobei die Antennenanordnung 104 eine magnetische Antenne 106 mit einer mehrfach unterbrochenen Schleife 108 aufweist.
Im Folgenden werden primär Ausführungsbeispiele der in 3b gezeigten Antennenanordnung 104 mit der magnetischen Antenne 106 mit der mehrfach unterbrochenen Schleife beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele genauso auf die in 3a gezeigte Antennenanordnung 104 mit der magnetischen Antenne 106 mit der einfach unterbrochenen Schleife anwendbar sind.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 durch Kapazitätselemente 110, wie z.B. Resonanzkapazitäten (Resonanzkondensatoren), unterbrochen sein. Beispielsweise kann die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106, wie dies in 3b zur Veranschaulichung gezeigt ist, durch zwei Kapazitätselemente 110 zweifach unterbrochen (z.B. kapazitiv verkürzt) sein. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsbeispielen die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 auch durch eine andere Anzahl von Kapazitätselementen 110 mehrfach unterbrochen sein kann. So kann bei Ausführungsbeispielen die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 durch n Kapazitätselemente 110 in n Segmente (oder Teile, oder Abschnitte) unterteilt sein, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich zwei ist. Als Segmente werden dabei hierin die Teile bzw. Abschnitte der Schleife zwischen den jeweiligen Kapazitätselementen 110 bezeichnet.
Bei Ausführungsbeispielen können die Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife 108 durch die Kapazitätselemente 110 verbunden sein. Im Detail können jeweils zwei Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife durch jeweils ein Kapazitätselement, das in Reihe zwischen den zwei Segmenten geschaltet ist, verbunden sein. Mit anderen Worten, die Segmente der Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 und die Kapazitätselemente 110 sind abwechselnd in Reihe zu einer Schleife verschaltet.
Die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 kann dabei mit der magnetischen Antenne 106 über eines der Kapazitätselemente 110 verbunden sein. Das eine Kapazitätselement auf der einen Seite und die mehrfach unterbrochene Schleife 108 mit den anderen (bzw. übrigen) Kapazitätselementen auf der anderen Seite können (z.B. aus Sicht der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102) einen Parallelschwingkreis bilden.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung 102 ferner eine Abstimmeinrichtung zum Abstimmen der magnetischen Antenne 106 aufweisen. Die Abstimmeinrichtung kann dabei ausgebildet sein, um die magnetische Antenne 106 automatisch abzustimmen.
Bedingt durch die geometrische Form der Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 wird die Strahlungsenergie von der magnetischen Antenne 106 nicht gleichmäßig in alle Richtungen einer Ebene abgestrahlt. Vielmehr weist das Antennendiagramm der in 3b gezeigten magnetischen Antenne 106 Nullstellen auf, d.h. es gibt Bereiche (z.B. Punkte) im Antennendiagramm, an denen die Strahlungsenergie der magnetischen Antenne praktisch null ist. Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung 104 daher eine zweite magnetische Antenne aufweisen, wie dies unten anhand von 7 näher erläutert wird, oder aber auch eine zusätzliche elektrische Antenne. Die zweite magnetische Antenne und/oder die zusätzliche elektrische Antenne können dabei so angeordnet sein, dass die Nullstellen der magnetischen Antenne 106 kompensiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer 100 des Kommunikationssystems natürlich nicht nur ausgebildet sein, um Signale mittels der magnetischen Antenne 106 zu anderen Teilnehmern des Kommunikationssystems zu senden, sondern auch um Signale von anderen Teilnehmern des Kommunikationssystems mittels der magnetischen Antenne 106 zu empfangen. Hierzu kann der Teilnehmer 100 beispielsweise eine Empfangseinrichtung (z.B. einen Receiver) aufweisen, die mit der Antennenanordnung 104 verbunden ist. Natürlich kann der Teilnehmern 100 auch eine kombinierte Sendeempfangseinrichtung (z.B. ein Transceiver) 102 aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer 100 (bzw. das Kommunikationssystem des Teilnehmers) ausgebildet sein, um im ISM-Band (ISM = Industrial, Scientific and Medical Band) zu kommunizieren, d.h. um Signale im ISM-Band zu senden und/oder zu empfangen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Teilnehmer 100 (bzw. das Kommunikationssystem des Teilnehmers) ausgebildet sein, um Daten basierend auf dem Telegram-Splitting-Verfahren zu übertragen. Beim Telegram-Splitting-Verfahren werden Daten, wie z.B. ein Telegramm oder Datenpaket, in eine Mehrzahl von Sub-Datenpakete (oder Teildatenpakte, oder Teilpakete) aufgeteilt und die Sub-Datenpakete unter Verwendung eines Zeit- und/oder Frequenzsprungmusters in der Zeit und/oder in der Frequenz verteilt (d.h. nicht zusammenhängend) von einem Teilnehmer zu einem anderen Teilnehmer (z.B. von der Basistation zum Endpunkt, oder vom Endpunkt zur Basisstation) des Kommunikationssystems übertragen, wobei der Teilnehmer, der die Sub-Datenpakete empfängt, diese wieder zusammenfügt (oder kombiniert), um das Datenpaket zu erhalten. Jedes der Sub-Datenpakete enthält dabei nur einen Teil des Datenpakets. Das Datenpaket kann ferner kanalcodiert sein, so dass zum fehlerfreien Decodieren des Datenpakets nicht alle Sub-Datenpakete, sondern nur ein Teil der Sub-Datenpakete erforderlich ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Kommunikationssystem ein persönliches Netzwerk (engl. Personal Area Network, PAN) oder ein Niedrigenergie-Weitverkehrsnetzwerk (engl. Low Power Wide Area Network, LPWAN) sein.
Der in 3b gezeigte Teilnehmer 100 des Kommunikationssystems kann eine Basisstation des Kommunikationssystems sein. Alternativ kann der in 3b gezeigte Teilnehmer 100 des Kommunikationssystems auch ein Endpunkt des Kommunikationssystems sein, wie dies nachfolgend anhand von 3c erläutert wird.
Im Detail zeigt 3c eine schematische Ansicht eines Teilnehmers 100 des Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer 100 ein Endpunkt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3c beispielhaft gezeigt ist, kann der Endpunkt 100 bei Ausführungsbeispielen ein Sensorknoten sein. Beispielsweise kann der Endpunkt 100 im Falle eines Sensorknotens einen Sensor 114, wie z.B. einen Temperatursensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor oder irgendeinen anderen Sensor aufweisen, wobei die von dem Sensorknoten 100 gesendeten Signale von einem von dem Sensor bereitgestellten Sensorsignal abhängig sind. Zum Beispiel kann der Sensor einen Mikroprozessor 112 aufweisen, der das von dem Sensor bereitgestellte Sensorsignal verarbeitet, um basierend auf dem Sensorsignal zu übertragene Daten zu generieren, die von der Sendeeinrichtung (z.B. Sende- und Empfangseinrichtung) 102 gesendet werden, z.B. basierend auf dem Telegram Splitting Übertragungsverfahren.
Natürlich kann der Endpunkt 100 auch ein Aktorkonten sein, wobei der Aktorknoten einen Aktor 114 aufweist. In diesem Fall kann der Prozessor 112 beispielsweise ausgebildet sein, um den Aktor 114 basierend auf einem empfangenen Signal bzw. empfangenen Daten anzusteuern.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Endpunkt 100 batteriebetrieben sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Endpunkt 100 ein Energy Harvesting Element zur elektrischen Energiegewinnung aufweisen.
Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele der magnetischen Antenne 106 bzw. der Antennenanordnung 104 mit der magnetischen Antenne 106 beschrieben.
Ausführung der Schleife (engl. loop)
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf magnetische Antennen (z.B. für Sensorknoten oder aber auch für Basisstationen) für den Sende- und/oder Empfangsfall. Die magnetischen Antennen können hierbei automatisch abgestimmt werden.
Anwendung von Magnetischen Antennen bei Sensorknoten
Eine magnetische Antenne 106 weist eine ein- oder mehrwindigen Stromschleife 108 auf. Im Empfangsfall induziert ein magnetisches Wechselfeld in der Schleife 108 eine Spannung (Induktionsgesetz, [5]), im Sendefall erzeugt ein in der Schleife 108 fließender Strom ein Magnetfeld (Gesetz von Biot-Savart, [6]). Soll die magnetische Antenne 106 nur bei einer Frequenz oder einem Bereich kleiner relativer Bandbreite betrieben werden, so kann die magnetische Antenne 106 mittels einer Resonanzkapazität in ihrer Effizienz deutlich gesteigert werden. Der Stromfluss in der Schleife 108 steigt in dem Maße der Resonanzüberhöhung (ausgedrückt durch den Gütefaktor Q), d.h. doppeltes Q bewirkt doppelten Stromfluss (und damit doppeltes Magnetfeld) bei gleicher eingespeister Leistung. Somit ist es erstrebenswert, einen möglichst hohen Q-Faktor zu erzielen, was gleichbedeutend damit ist, dass sowohl die Schleife 108, als auch die Kapazität möglichst geringe Verluste haben müssen. In der Regel überwiegen die Verluste in der Schleife 108 aufgrund der endlichen Leitfähigkeit des verwendeten Metalls (meist Cu).
4 zeigt eine schematische Ansicht einer solchen magnetischen Antenne 106. Die magnetische Antenne 106 umfasst, wie bereits erwähnt, die Schleife 108 mit einer oder mehreren Windungen und die Resonanzkapazität 110 (C0). Die magnetische Antenne 106 kann dabei über den aus Resonanzkapazität 110 und Schleife 108 (Spule) gebildeten Parallelschwingkreis z.B. an die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 102 (siehe 3) angekoppelt werden.
Die magnetische Antenne 106 hat den Vorteil einer hohen Antennengüte bei geringer Bauform.
Zudem hat die magnetische Antenne 106 den Vorteil, dass diese an unterschiedliche Umgebungsbedingungen angepasst werden kann, z.B. durch automatische Abstimmung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich somit auf einen Sensorknoten mit einer magnetischen Antenne. Die magnetische Antenne kann dabei automatische abgestimmt werden.
Mehrfache Verkürzung der Schleife (engl. loop) der magnetischen Antenne
5 zeigt eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne 106 mit einer mehrfach unterbrochenen (z.B. kapazitiv verkürzten) Schleife 108. Wie in 5 beispielhaft gezeigt ist, kann die Schleife 108 durch vier Kapazitätselemente 110 (4C0), wie beispielsweise Resonanzkapazitäten (z.B. Resonanzkondensatoren), in vier Segmente unterteilt sein. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 auch in eine andere Anzahl von Segmenten unterteilt sein kann. So kann die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106 bei Ausführungsbeispielen durch n Kapazitätselemente 110 in n Segmente unterteilt sein, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich zwei ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife 108 der magnetischen Antenne in äquidistante Segmente unterteilt sein. Die Unterteilung der Schleife 108 in äquidistante Segmente hat den Vorteil, dass so insgesamt gesehen die niedrigsten E-Feldanteile erzielt werden. Natürlich kann die Schleife aber auch in nicht-äquidistante Segmente unterteilt werden.
Die niedrigeren elektrischen Felder bzw. die mehrfach kapazitive Verkürzung haben zum Vorteil, dass dielektrisches Material in direkter Umgebung der Antenne diese in ihrer Resonanzfrequenz entsprechend weniger verstimmt.
Ferner haben die niedrigeren elektrischen Felder bzw. die mehrfach kapazitive Verkürzung den Vorteil, dass dielektrisches, verlustbehaftetes Material in direkter Umgebung der Antenne deren Gütefaktor weniger herabsetzt.
Ferner haben die niedrigeren elektrischen Felder bzw. die mehrfach kapazitive Verkürzung den Vorteil, dass die Spannung an den Resonanzkapazitäten entsprechend geringer ausfällt (also z.B. halbe Spannung bei doppelter Verkürzung, dann aber auch doppelter Kapazitätswert). Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine oder mehrere der Resonanzkapazitäten abstimmbar ausgeführt werden sollen, da dann die Abstimmorgane eine niedrigere Spannungsfestigkeit aufweisen können
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne 106 (bzw. die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) mehrfach kapazitiv verkürzt sein.
Bei Ausführungsbeispielen befinden sich in der Magnetschleife seriell mehrere Kondensatoren 110.
Besondere Ausführung der Schleife (engl. loop) der magnetischen Antenne
Schleifen 108 mit einer runden Form haben das beste Verhältnis von Leiterbahnlänge zu aufgespannter (oder umschlossener) Fläche. Jedoch ist die Platzausnutzung auf einer üblicherweise rechteckigen Platine (Leiterbahnen) nicht optimal.
Formen mit mehr als vier Ecken, insbesondere die achteckige Form, bieten hier Vorteile. Es verschlechtert sich zwar das Verhältnis von Fläche zu Umfang und damit die Güte der magnetischen Antenne 106, allerdings steigt die Effizienz der magnetischen Antenne 106 bei einer gegebenen rechteckigen Platinenfläche, da die aufgespannte (oder umschlossene) Fläche größer wird. 6 zeigt eine symmetrische Ausführung (der Schleife 108) der magnetischen Antenne 106, es sind aber auch unsymmetrische Ausführungen (der Schleife 108) denkbar, bei denen z. B. die oberen und unteren Teilstücke (z.B. Segmente der Schleife 108) länger sind.
Im Detail zeigt 6 eine schematische Ansicht einer magnetischen Antenne 106 mit einer mehrfach unterbrochenen Schleife 108, wobei die Schleife 108 achteckförmig ist.
Wie in 6 beispielhaft gezeigt ist, kann die Schleife 108 durch (z.B. acht) Kapazitätselemente 110 in acht Segmente unterteilt sein, wobei die acht Segmente eckig sein können, so dass die Schleife 108 eine achteckige Form aufweist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Schleife 108 auch in eine andere Anzahl von Segmenten unterteilt sein kann und/oder eine andere Form aufweisen kann. So kann die Schleife 108 der magnetischen Antenne bei Ausführungsbeispielen m-eckförmig sein, wobei m eine natürliche Zahl größer gleich vier ist, wie z.B. 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12.
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne 106 auf einer Leiterplatte (PCB, printed circuit board) ausgeführt sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne 106 (bzw. die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) Teilabschnitte (oder Segmente) aufweisen, die nicht rund sind.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine Leitungsführung der Segmente der magnetischen Antenne 106 (bzw. der Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) in den Bereichen (oder in den Stellen) mit Bauteilen gerade sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die magnetische Antenne 106 (bzw. die Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) eine mehreckige Form oder mehr als vier Ecken aufweisen.
Eine solche magnetische Antenne 106 hat den Vorteil, dass das Layout leichter auf verschiedene Layoutprogramme übertragbar ist.
Ferner hat eine solche magnetische Antenne 106 den Vorteil, dass eine Platzierung der Bauteile einfacher ist, da an den Stellen mit den Bauteilen die Leitungsführung (der Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) gerade ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen können die diagonal verlaufenden Seiten (Segmente der Schleife 108 der magnetischen Antenne 106) anstelle einer eckigen Form eine kreisbogenförmige Form aufweisen, um die Fläche noch etwas zu vergrößern und die Platinenfläche optimal auszunutzen. Man würde im Gegenzug die Vorteile der leichteren Bauteilplatzierung und des einfachen Layouts verlieren.
Obwohl die in 6 gezeigte Antennenanordnung 104 eine magnetische Antenne 106 mit einer mehrfach unterbrochenen Schleife 108 aufweist, sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele genauso auf eine Antennenanordnung 104 mit einer magnetische Antennen 106 mit einer einfach unterbrochenen Schleife 108 (vgl. 3a) anwendbar sind.
Die Schleife wird auf einer Platine realisiert
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schleife auf einer Platine (Leiterplatte, engl. printed circuit board (PCB)) realisiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann auf der gleichen Platine (Leiterplatte) die Abstimmungsschaltung realisiert werden.
Mehrere Antennen
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung 104 mehrere magnetische Antennen aufweisen.
Dies hat den Vorteil, dass die Nullstelle (z.B. Punkte im Antennendiagramm, an denen die Strahlungsenergie der magnetischen Antenne praktisch null ist) einer magnetischen Antenne umgangen werden kann.
Kreuzfeldloop mit Diversität
Bei Ausführungsbeispielen können zwei magnetische Antennen verwendet werden, wobei die zwei magnetischen Antennen möglichst (z.B. im Wesentlichen) orthogonal sind.
Plattgedrückte zweite Schleife (engl. loop) um aus Nullstelle zu kommen
Um ein möglichst flaches Gehäuse zu bekommen, kann die zweite magnetische Antenne (bzw. die Schleife der zweiten magnetischen Antenne) „plattgedrückt“ ausgeführt werden. Bei Schleifen (engl. loops), die nicht rund sind, steigt der Widerstand der Wicklung im Vergleich zur aufgespannten (oder umschlossenen) Fläche, wodurch die Güte sinkt. Da bei der plattgedrückten Schleife (engl. loop) eine kleinere Fläche aufspannt wird, sinkt deren Abstrahleffizienz. Das erhöht zwar die Güte wieder etwas, trägt aber nicht zur Abstrahlung bei. Um den ersten gütereduzierenden Effekt zumindest teilweise zu kompensieren, kann ein breiterer Leiter (weniger Verluste) verwendet werden.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer Antennenanordnung 104 mit einer ersten magnetischen Antenne 106 und einer zweiten magnetischen Antenne 112, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die erste magnetische Antenne 106 umfasst eine mehrfach unterbrochene Schleife 108. Wie in 7 beispielhaft gezeigt ist, kann die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne durch vier Kapazitätselemente 110, in vier Segmente unterteilt sein. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106 auch in eine andere Anzahl von Segmenten unterteilt sein kann. So kann die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106 bei Ausführungsbeispielen durch n Kapazitätselemente 110 in n Segmente unterteilt sein, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich zwei ist.
Die zweite magnetische Antenne 112 umfasst ebenfalls eine Schleife 114, wobei die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106 und die Schleife 114 der zweiten magnetischen Antenne 112 im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sein können.
Wie in 7 beispielhaft gezeigt ist, verläuft eine durch die Schleife 114 der zweiten magnetische Antenne 112 aufgespannten Fläche orthogonal zu einer durch die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106 aufgespannten Fläche. Im Detail verläuft in 7 die durch die Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106 aufgespannten Fläche parallel zu der durch das Koordinatensystem definierten xy-Ebene, während die durch die Schleife 114 der zweiten magnetische Antenne 112 aufgespannten Fläche parallel zur z-Achse des Koordinatensystems verläuft.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine aufgespannte (oder umschlossene) Fläche der Schleife 114 der zweiten magnetischen Antenne 112 zumindest um den Faktor zwei (z.B. um den Faktor drei, vier, fünf, oder zehn) kleiner sein als eine aufgespannte (oder umschlossene) Fläche der Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106.
Mit anderen Worten, die Schleife 114 der zweiten magnetischen Antenne 112 kann „plattgedrückt“ sein.
Wie in 7 ferner angedeutet ist, kann bei Ausführungsbeispielen ein Leiter der Schleife 114 der zweiten magnetischen Antenne 112 zumindest um den Faktor zwei (z.B. um den Faktor drei, vier oder fünf) dicker bzw. breiter sein als ein Leiter der Schleife 108 der ersten magnetischen Antenne 106.
Natürlich kann die Schleife 114 der zweiten magnetischen Antenne 112 ebenfalls mehrfach unterbrochen sein, beispielsweise durch zumindest zwei Kapazitätselemente.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antennenanordnung 104 eine zweite, möglichst orthogonale Schleife 114 aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine Drahtstärke/Breite der zweiten Schleife (engl. loop) 114 größer sein (als eine Drahtstärke/Breite der ersten Schleife 108), allerdings kann die zweite Schleife 114 flacher sein (als die erste Schleife 108).
Obwohl die in 7 gezeigte Antennenanordnung 104 magnetische Antennen mit mehrfach unterbrochenen Schleifen aufweist, sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele genauso auf eine Antennenanordnung mit magnetischen Antennen mit einfach unterbrochenen Schleifen anwendbar sind.
Kombinierte Magnetische /elektrische Antenne um aus Nullstelle zu kommen
Um die Nullstelle (z.B. Punkte im Antennendiagramm, an denen die Strahlungsenergie der magnetischen Antenne praktisch null ist) der magnetischen Antenne 106 zu umgehen, kann zusätzlich zur magnetischen Antenne 106 eine elektrische Antenne auf der Leiterplatte (z.B. PCB) integriert werden, z.B. in Form einer PCB F-Antenne, als „Erweiterung“ der Schleife 108 (z.B. des magnetischen Ringes/8-Ecks).
Bei Ausführungsbeispielen können eine elektrische und eine magnetische Antenne (z.B. auf einer Leiterplatte (z.B. PCB)) kombiniert werden.
Umschaltung der Schleifen (engl. loops)
Werden mehrere magnetischen Schleifen (bzw. magnetische Antennen) zusammen geschaltet, so ergibt sich eine neue Nullstelle aus einer anderen Richtung.
Daher macht die Verwendung mehrerer magnetischer Schleifen (bzw. mehrerer magnetischer Antennen) nur Sinn, wenn die nichtbenutze(n) Schleife(n) (bzw. magnetische(n) Antenne(n)) ausgeschalten werden können.
Ausschalten durch Unterbrechung des Resonanzstroms
Bei Ausführungsbeispielen kann der Stromfluss der nicht gewünschten magnetischen Antenne beispielsweise mittels eines Schalters unterbrochen werden. Da jeder Schalter aber eine gewisse Restkapazität aufweist, kommt dies letztlich einer starken Verstimmung der Resonanzfrequenz gleich.
Ausschalten durch zusätzliche Induktivität (L)
Bei Ausführungsbeispielen können einer oder mehrere Resonanzkondensatoren parallel mit einer Spule versehen werden. Diese bilden bei der ursprünglichen Resonanzfrequenz der Schleife (engl. loop) einen Parallelschwingkreis, der den Stromfluss darin unterbricht.
Ansteuerverhältnis ändern
Bei Ausführungsbeispielen kann durch eine leichte Verstimmung der Eigenresonanz einer der beiden Schleifen die Abstimmung der Schleifen und damit die Hauptabstrahlrichtung und damit die Nullstelle verschoben werden, da die Schleifen dann bei unverändert hohen Ansteuerleistungen unterschiedlich stark abstrahlen. Der nicht abgestrahlte Anteil der leicht verstimmten Schleife wird zurück reflektiert und im Sender absorbiert.
Phasenverschobene Ansteuerung von mag. Loops
Die Nullstelle einer Schleife hängt von ihrer Struktur im dreidimensionalen Raum ab. Diese ändert sich nicht, wenn beispielweise nur die Kapazität einer Resonanzkapazität geändert wird. Bei planaren Schleifen gibt es also immer eine Stellung, in der diese keine B-Feldlinien durchdringen, nämlich dann, wenn diese in der Ebene der Schleife verlaufen. Aber selbst bei einer dreidimensionalen Schleife (oder gekrümmten B-Linien), also z.B. bei einem nicht exakt in einer Ebene verlaufenden leicht verbogenen Kreisring, findet man immer eine Stellung in der sich Feldlinien, die von einer Seite und von der anderen Seite der Schleife eindringen, die Waage halten. Dies führt zu einer Kompensation, d.h. einer Nullstelle. Selbst orthogonale Schleifen würden unter 45° eine Nullstelle aufweisen, wenn deren Signale nur direkt zusammengeschaltet sind. Um dies vermeiden können deren Empfangssignale unter 90° Phasenversatz zusammengeführt werden, weil dann keine geometrische Auslöschung der Zeitsignale mehr möglich ist.
Bei Ausführungsbeispielen können mehrere magnetische Schleifen (engl. loops) phasenversetzt angesteuert werden.
Bei Ausführungsbeispielen können mehrere selbst abgestimmte magnetische Schleifen (engl. loops) phasenversetzt angesteuert werden.
Variation des Abstrahlverhältnisses über der Hop-Nummer
In Zusammenhang mit dem Telegram Splitting Übertragungsverfahren [7] kann Sende-Diversität (also aussenden mit verschiedenen Antennen) pro Telegram durchgeführt werden, da beim Telegram Splitting Übertragungsverfahren ein aussenden jedes Sub-Datenpaketes (Hops) auf einer anderen Antenne / mit unterschiedlicher Stärke auf den Antennen möglich ist.
Dies hat den Vorteil, dass die Übertragungssicherheit eines Telegramms erhöht werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen können daher unterschiedliche Sub-Datenpakte (Hops) auf unterschiedlichen Antennen unterschiedlich stark abgestrahlt werden, so dass unterschiedliche Sub-Datenpakte mit unterschiedlichen Antennen-Nullstellen gesendet werden.
Ausführung der Schleife, bei der die Nullstelle von der Frequenz abhängt
Bei Ausführungsbeispielen können mehr oder weniger orthogonale Schleifen mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz, deren Signale beispielsweise per entkoppelten Kombinierer (engl. combinier) zusammengefasst werden, verwendet werden. Liegen die Resonanzfrequenzen dicht beieinander, so müssen die Schleifen bereits gute geometrisch Orthogonalität (d.h. magnetische Entkopplung) aufweisen. Andernfalls gibt es Güteeinbußen und Resonanzverwerfungen. Daher wird die Resonanzfrequenz mit Absicht etwas verstimmt. Unterschiedliche Sub-Datenpakete (Hops) liegen auf unterschiedlichen Frequenzen und werden dadurch von den Schleifen mit unterschiedlichen Resonanzen unterschiedlich stark ausgesendet, dadurch ist die Nullstelle der mag. Antenne jeweils verschoben.
Bei Ausführungsbeispielen ändert sich das Abstrahlverhältnis der magnetischen Antennen über der Frequenz.
Bei Ausführungsbeispielen verschiebt sich die Nullstelle der Antenne über der Frequenz.
Weitere Ausführunasbeispiele
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betreiben eines Teilnehmers eines Kommunikationssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 202 des Sendens und/oder Empfangens von Kommunikationssignalen unter Verwendung einer magnetischen Antenne einer Antennenanordnung des Teilnehmers des Kommunikationssystems, wobei die magnetische Antenne eine einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen (z.B. selbstabstimmende) magnetische Antennen für z. B. Sensorknoten. Mit dem loT, dem Internet der Dinge (engl. Internet of Things) wächst die Anzahl der drahtlos kommunizierenden Sensorknoten. Hierbei werden auch immer stärkere Anforderungen an einen kleinen Formfaktor und eine einfache Handhabbarkeit gestellt. Diese Anforderungen können mit bestehenden elektrischen Antennen nur schlecht erfüllt werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es magnetische Antennen in Sensorknoten einzusetzen und somit die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. n ichtvorü bergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Literaturverzeichnis

[1] https://amrron.com/2015/07/24/home-made-high-power-magnetic-loop-antennas/
[2] http://www.aa5tb.com/loop.html
[3] http://bio.groups.et.byu.net/SurfaceCoil_build.phtml
[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/mrm.1910160203
[5] https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion
[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Biot-Savart-Gesetz
[7] DE 10 2011 082 098 B4

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 102011082098 B4 [0164]

Claims

Teilnehmer (100) eines drahtlosen Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer (100) eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung (102) und eine mit der Sende- und/oder-Empfangseinrichtung (102) verbundene Antennenanordnung (104) aufweist, wobei die Antennenanordnung (104) eine magnetische Antenne (106) mit einer einfach oder mehrfach unterbrochenen Schleife (108) aufweist.
Teilnehmer (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Schleife (108) durch ein oder mehrere Kapazitätselemente (110) unterbrochen ist.
Teilnehmer (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mehrfach unterbrochene Schleife (108) durch die Kapazitätselemente (110) in zumindest zwei Segmente unterbrochen ist.
Teilnehmer (100) nach dem vorangehenden Anspruch wobei die zumindest zwei Segmente der mehrfach unterbrochenen Schleife (108) durch die Kapazitätselemente (110) verbunden sind.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife (108) und die Kapazitätselemente (110) einen Schwingkreis bilden.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schleife (108) eine Spule bildet.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Sende- und/oder Empfangseinrichtung (102) mit der magnetischen Antenne (106) über eines der Kapazitätselemente (110) verbunden ist.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schleife (108) ringförmig oder m-eckförmig ist, wobei m eine natürliche Zahl größer gleich vier ist.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetische Antenne (106) auf einer Leiterplatte implementiert ist.
Teilnehmer (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Antennenanordnung (104) eine Abstimmungsschaltung zur Abstimmung der magnetischen Antenne (106) aufweist, wobei die Abstimmungsschaltung und die magnetische Antenne (106) auf der gleichen Leiterplatte implementiert sind.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetische Antenne (106) eine erste magnetische Antenne (106) ist, wobei die Antennenanordnung (104) ferner eine zweite magnetische Antenne (112) aufweist, wobei die einfach oder mehrfach unterbrochene Schleife (108) der ersten magnetischen Antenne (106) und eine Schleife (114) der zweiten magnetische Antenne (112) im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind.
Teilnehmer (100) nach Anspruch 11, wobei eine aufgespannte Fläche der Schleife (114) der zweiten magnetischen Antenne (112) zumindest um den Faktor zwei kleiner ist als eine aufgespannte Fläche der Schleife (108) der ersten magnetischen Antenne (106).
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Schleife (114) der zweiten magnetischen Antenne (112) nicht rund ausgeführt ist, um sich einer Form des Gehäuses des Teilnehmers (100) anzupassen.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste magnetische Antenne (106) und die zweite magnetische Antenne (112) benachbart zueinander angeordnet sind.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Leiter der Schleife (114) der zweiten magnetischen Antenne (112) zumindest um den Faktor zwei dicker oder breiter ist als ein Leiter der Schleife (108) der ersten magnetischen Antenne (106).
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Schleife (114) der zweiten magnetischen Antenne (112) mehrfach unterbrochen ist.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um eine der magnetischen Antennen (106,112) der Antennenanordnung (104) zu deaktivieren, um eine Strahlungscharakteristik der Antennenanordnung (104) zu verändern.
Teilnehmer (100) nach Anspruch 17, wobei eine der magnetischen Antennen (106,112) der Antennenanordnung (104) durch Verstimmen der jeweiligen magnetischen Antenne (106,112) deaktiviert wird.
Teilnehmer (100) nach Anspruch 17, wobei eine der magnetischen Antennen (106,112) der Antennenanordnung (104) durch Parallelschalten einer Spule zu einem der Kapazitätselemente (110) der Schleife der jeweiligen magnetischen Antenne (106,112) deaktiviert wird.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um ein Abstrahlverhältnis der Antennenanordnung (104) durch Verstimmen der Eigenresonanz zumindest einer der zwei magnetischen Antennen (106,112) zu verändern.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die erste magnetische Antenne (106) und die zweite magnetische Antenne (112) phasenverschoben angesteuert werden.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um ein zu übertragenes Datenpaket auf eine Mehrzahl von Sub-Datenpaketen aufzuteilen und um die Mehrzahl von Sub-Datenpaketen nicht zusammenhängend zu senden, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um die Strahlungscharakteristik der Antennenanordnung (104) zumindest einmal zwischen der Aussendung zweier Sub-Datenpakten zu verändern.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um ein zu übertragenes Datenpaket auf eine Mehrzahl von Sub-Datenpaketen aufzuteilen und um die Mehrzahl von Sub-Datenpaketen nicht zusammenhängend unter Verwendung eines Frequenzsprungverfahrens zu senden, wobei die Resonanzfrequenzen der ersten magnetischen Antenne (106) und der zweiten magnetischen Antenne (112) absichtlich etwas verstimmt sind, so dass bei der Aussendung der Mehrzahl von Subdatenpaketen bedingt durch die durch das Frequenzsprungmuster definierten Frequenzen eine Strahlungscharakteristik der Antennenanordnung (104) variiert.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenanordnung (104) eine Abstimmeinrichtung zum Abstimmen der magnetischen Antenne (106) aufweist, wobei die Antennenanordnung (104) ausgebildet ist, um die magnetische Antenne (106) automatisch abzustimmen.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenanordnung (104) ferner eine elektrische Antenne aufweist.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sende- und/oder Empfangseinrichtung (102) eine Sendeeinrichtung, eine Empfangseinrichtung oder eine Sendeempfangseinrichtung ist.
Teilnehmer (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Teilnehmer (100) ausgebildet ist, um im ISM Band zu kommunizieren.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der Teilnehmer (100) ein Endpunkt des Kommunikationssystems ist.
Teilnehmer (100) nach Anspruch 28, wobei der Endpunkt ein Sensorknoten oder Aktorknoten ist.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 28 bis 29, wobei der Endpunkt batteriebetrieben ist.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei der Endpunkt ein Energy Harvesting Element zur elektrischen Energiegewinnung aufweist.
Teilnehmer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der Teilnehmer (100) eine Basisstation des Kommunikationssystems ist.
Kommunikationssystem, mit folgenden Merkmalen: zumindest zwei Teilnehmer (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 32.
Verfahren (200) zum Betreiben eines Teilnehmers (100) eines Kommunikationssystems, wobei der Teilnehmer (100) eine Antennenanordnung (104) aufweist, wobei die Antennenanordnung (104) eine magnetische Antenne (106) mit einer einfach oder mehrfach unterbrochenen Schleife (108) aufweist, wobei das Verfahren (200) aufweist: Senden und/oder Empfangen (202) von Kommunikationssignalen unter Verwendung der magnetischen Antenne (106).
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem vorangehenden Anspruch, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Mikroprozessor abläuft.