DE19545394A1 - Antenneneinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenneneinheit, insbesondere zur Verwendung bei der drahtlosen Fernablesung von Ver­ brauchsmessern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Antenneneinheit ist in der EP 0 619 620 A2 beschrieben. Bei ihr umfaßt die Antenneneinheit einen einzigen gebogenen Antennenarm, der an seinem einen Ende mit der Leistungsstufe eines UHF-Sendekreises ver­ bunden ist.

Es wurde nun herausgefunden, daß bei derartigen Antennen­ einheiten das Arbeitsverhalten stark von der jeweiligen Umgebung abhängt, z. B. durch an der Antenneneinheit vorbei laufende Personen oder vor die Antenneneinheit gestellte Gegenstände (z. B. im Falle von an Heizkörpern angebrachten Wärmeverbrauchsmessern Sessel, Vorhänge und dergleichen).

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Antenneneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend ver­ bessert werden, daß sie in ihrem Arbeitsverhalten weniger empfindlich auf in ihrer Nachbarschaft befindliche Hinder­ nisse reagiert.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Antenneneinheit mit den im Anspruch 1 angegebenen Merk­ malen.

Die Erfindung macht davon Gebrauch, daß die meisten der in Haushalten in der Nachbarschaft von Verbrauchs­ messern von Fall zu Fall unterschiedlich aufgestellten Hindernisse und auch der sonstigen in der Nachbarschaft von Sende- und/oder Empfangsantennen angetroffenen Hindernisse Dielektrika darstellen. Diese haben einen stärkeren Einfluß auf das Arbeitsverhalten einer solchen Antenne, welche in unmittelbarer Nachbarschaft der Antenne ein überwiegend elektrische Anteile aufweisendes Wechselfeld aufweist. Die erfindungsgemäße Antenneneinheit erzeugt dagegen in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft ein elektromagnetisches Wechselfeld mit überwiegend magnetischem Anteil, und aus diesem Grunde wird das Arbeitsverhalten der erfindungs­ gemäßen Antenneneinheit nur wenig durch die üblicherweise in der Nähe von in Verbrauchsmessern oder anderen eine Antenneneinheit enthaltenden Geräten angefundenen Hinder­ nisse beeinträchtigt.

Auch arbeitet die erfindungsgemäße Antenneneinheit auch gut in der Nachbarschaft großer Metallflächen, wie sie häufig in unmittelbarer Nachbarschaft von Verbrauchsmessern angefunden werden (Zählergehäuse bei Gas-/Stromzählern, Heizkörper und Wasserleitungen in der Nachbarschaft von Wärmemengenzählern).

Eine erfindungsgemäße Antenneneinheit kann auch deutlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der zur Datenüber­ tragung verwendeten Frequenzbänder (200 bis 1000 MHz, in Europa überwiegend 433,92 MHz) gebaut werden, wobei sie trotzdem einen guten Abstrahlwirkungsgrad hat, was ermöglicht, daß der Strombedarf des drahtlos ablesbaren Verbrauchsmessers klein gehalten werden kann. Letzteres ist im Hinblick darauf, daß die zum Betreiben der Ver­ brauchsmesser verwendeten Mehrjahres-Batterien für die gesamte Eichdauer, also etwa fünf bis zwölf Jahre, aus­ reichen soll, von Vorteil.

Eine erfindungsgemäße Antenneneinheit läßt sich mit Vorteil auch in einem Empfänger einsetzen, z. B. in einer zentralen Erfassungseinheit, die mit durch Funk auslesbaren Verbrauchsmessern zusammenarbeitet. Sie gewährleistet bei dieser Anwendung durch ihre hohe Güte eine starke Unter­ drückung von Fremdsendern ohne Verstärkerübersteuerung und eine gute Unterdrückung von durch Nichtlinearitäten des Senders bedingten Oberwellen, ohne daß hierzu gesonderte Filtermaßnahmen erforderlich wären.

Eine erfindungsgemäße Antenneneinheit eignet sich auf Grund der oben geschilderten Eigenschaften auch gut als Sende/Empfangsantenne in bidirektionalen Datenübertragungs­ anwendungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 erhält man eine induktive Ankopplung an einen UHF-Sendekreis (oder Empfänger). Auf diese Weise ist die Antennen­ einheit gleichstrommäßig vom Sender/Empfänger getrennt (Vermeidung von Potential- und Sicherheitsproblemen), und man kann durch entsprechende Bemessung der Speise­ induktivität auch gleichzeitig eine Impedanzanpassung an den angeschlossenen Sender/Empfänger vornehmen, denn typische Strahlungswiderstände von hier interessierenden Antennen liegen im Bereich von 30 bis 200 mOhm, die typi­ schen Impedanzen von Sendern und Empfängern im Bereich von 50 Ohm.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 gestattet es, den Phasenwinkel zwischen dem Strom in der Speiseinduk­ tivität und dem Strom in den Antennenarmen auf einen gewünschten Phasenwinkel einzustellen, insbesondere den Phasenwinkel 0.

Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 dient der Optimierung der Anpassung von Antennenein­ heit und Sender bzw. Empfänger und zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.

Eine Antenneneinheit, wie sie im Anspruch 5 angegeben ist, läßt sich sehr einfach aus elektrisch gut leitendem Rohrmaterial durch Abschneiden und Schlitzen einzelner Ringe herstellen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf eine möglichst gute Führung der Feld­ linien im Spalt zwischen den Enden der Antennenarme und im Hinblick auf geringen ohmschen Widerstand der Anten­ neneinheit von Vorteil. Das Zusammenhalten der Feldlinien ist im Hinblick auf das Kleinhalten von Rückwirkungen von Hindernissen auf das Arbeitsverhalten der Antenneneinheit von Vorteil. Aus Gründen langer Haltbarkeit der Betriebs­ batterie des Verbrauchsmessers sind geringe ohmsche Ver­ luste wünschenswert: Diese können für erfindungsgemäße Antenneneinheiten bei einigen mOhm oder Bruchteilen hiervon liegen, sind also viel kleiner als der Strahlungswiderstand von typischerweise 30 bis 200 mOhm. Man hat somit in den erfindungsgemäßen Antenneneinheiten eine hohe Kreisgüte von 100 bis 1000. Letzteres ist auch im Hinblick auf die Unterdrückung von durch einen nichtlinearen Sendekreis erzeugten Neben- und Oberwellen durch die Antenneneinheit von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 erlaubt ein sehr einfaches Herstellen der Antennenarme unter Verwendung der bekannten und preisgünstig durch zuführen­ den Technologie gedruckter Leiterbahnen. Die Dicke mit konventionellen Techniken erzeugter gedruckter Leiter­ bahnen ist im Hinblick auf die Antennenwirkung ausrei­ chend, da das Feld bei den hier in Frage stehenden Fre­ quenzen zwischen 200 bis 1000 MHz in der Praxis in Deutschland von 433,92 MHz nur wenige µm in die Leiter­ bahn eindringt. Durch entsprechende Bemessung der Breite der Leiterbahn erhält man einen ausreichend kleinen Widerstand der Antennenarme im Bereich von einigen mOhm. Über die Geometrie der Leiterbahn läßt sich auf sehr einfache Weise das Abstrahlverhalten der Antenneneinheit vorgeben. Typischerweise sind für die Funkfernauslesung von Verbrauchszählern lichte Abmessungen der Antennenarm-Leiterbahn im Bereich von 50 × 50 mm ausreichend.

Ein weiterer Vorteil der Ausbildung der Antenneneinheit gemäß Anspruch 7 ist der, daß man auf der die Leiterbahn tragenden Leiterplatte auch zusätzliche weitere elektro­ nische Komponenten anordnen und zusammenschalten, die zum UHF-Sender gehören oder zur Ankopplung der Antennen­ einheit an den UHF-Sender (bzw. Empfänger) gehören.

Gemäß Anspruch 8 kann man auch die potentialfreie An­ kopplung und impedanzmäßige Anpassung der Antennenarme an den Sender bzw. Empfänger auf einfache Weise reali­ sieren, wobei die Zuordnungsgeometrie zwischen Speise­ induktivität und Antennenarmen fest vorgegeben ist, so daß hier keine Montagefehler auftreten können.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf eine gute magnetische Kopplung zwischen Speiseinduktivität und Antennenarmen von Vorteil.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 10 und 11 ermöglichen ein einfaches Anpassen der Größe der Speiseinduktivität noch durch den Benutzer.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 ge­ stattet es auf einfache Weise, auch den die Enden der Antennenarme verbindenden Kondensator auf der die An­ tennenarme tragenden Leiterplatte auszubilden. Bezüglich der durch die hohe Dielektrizitätskonstante und den niederen dielektrischen Verlustfaktor des Abschlußkonden­ sators erhaltenen Vorteile der Antenneneinheit wird auf die obigen Ausführungen zum Anspruch 6 Bezug genommen.

Dabei kann man gemäß Anspruch 13 auf besonders einfache Weise und ohne zusätzlich Montagearbeiten und ohne Bohren der Leiterplatte diesen Abschlußkondensator anbringen, während die Variante gemäß Anspruch 14 im Hinblick auf eine besonders sparsame Verwendung des verhältnismäßig teueren Kondensator-Dielektrikums von Vorteil ist. Das Anbringen des im Anspruch 12 näher angegebenen Abschlußkondensators kann auf einfache Weise ähnlich wie bei surface-mounted-Komponenten erfolgen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 ge­ stattet es, über die Lage der Unterbrechungen in der eine Kondensatorplatte bildenden Leiterbahn die Kapa­ zität des Abschluß-Kondensators einfach auch an der fertiggestellten Antenneneinheit einzustellen, z. B. durch mechanisches Ritzen oder Unterbrechen der Lei­ terbahn unter Verwendung eines Lasers.

Eine Antenneneinheit, wie sie im Anspruch 16 angegeben ist, eignet sich gut in Verbindung mit Geräten, wie z. B. Verbrauchsmessern, die von Hause aus ein zylindrisches Gehäuse haben, z. B. Wasseruhren und dergleichen, und kann sogar selbst eine Umfangswand des Gehäuses des Gerätes bilden.

Bei einer Antenneneinheit gemäß Anspruch 17 hat man eine besonders gute Unabhängigkeit des Sendevermögens bzw. Empfangsvermögens von der Gegenwart oder nicht Gegenwart ausgedehnter metallischer Objekte in der Nach­ barschaft der Antenneneinheit.

Durch die gemäß Anspruch 18 vorgesehene metallische Abschirmplatte werden in dem hinter den Antennenarmen liegenden Halbraum definierte Feldverhältnisse geschaffen, die dann durch die Gegenwart weiterer Hindernisse nicht mehr nennenswert modifiziert werden; die Eigenschaften der Abschirmplatte lassen sich schon bei der Auslegung der Antenneneinheit mit berücksichtigen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 19 ist im Hinblick auf eine nochmals verbesserte Unempfindlich­ keit der Antenneneinheit gegenüber Gegenwart oder Nicht­ gegenwart von dielektrischen Hindernissen von Vorteil.

Das Vorsehen einer solchen weiteren Schirmung kann ferti­ gungstechnisch besonders einfach und besonders preisgünstig gemäß Anspruch 20 erfolgen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Wärmeverbrauchsmeß­ gerätes mit Funkauslesung des Zählerstandes;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Antennen­ einheit des Verbrauchsmessers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Aufsicht auf die eine Seite einer abgewan­ delten Antenneneinheit für das Verbrauchsmeßgerät nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Rückseite der in Fig. 3 gezeigten Antenneneinheit;

Fig. 5 eine Teilansicht einer Antenneneinheit, die durch Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Antenneneinheit erhalten ist;

Fig. 6 eine teilweise weggebrochene vergrößerte An­ sicht eines durch Leiterbahnen gebildeten flachen Abschlußkondensators der Antennenein­ heit nach Fig. 5;

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, in welcher eine weiter abgewandelte Antenneneinheit wieder­ gegeben ist;

Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine hülsen­ förmige Antenneneinheit;

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, in welcher eine abgewandelte Antenneneinheit gezeigt ist; und

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Verbrauchsmessers mit drahtlos umschaltbarer Arbeitscharakteristik.

Bei dem in Fig. 1 wiedergegebenen Wärmeverbrauchsmeßgerät mit Funkauslesung des Zählerstandes ist ein Temperatur­ fühler 10 thermisch an einen Wärmeverbraucher z. B. einen Heizkörper angekoppelt. Das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 10 wird über einen Analog-/Digital­ wandler 12 auf den einen Eingang eines digitalen Multi­ plizierkreises 14 gegeben. Der zweite Eingang des Multi­ plizierkreises 14 erhält das Ausgangssignal eines Fest­ wertspeichers 16, der über eine Buchse 18 mit einer für die Wärmeabgabeleistung des Heizkörpers charakteristischen Zahl beschrieben werden kann. Bei einem Warmwasserzähler kann der zweite Eingang des Mutliplizierkreises 14 mit dem Ausgang eines Durchflußmessers 20 verbunden sein, wie gestrichelt angedeutet.

Das Ausgangssignal des Multiplizierkreises 14 gelangt auf einen Integrierkreis 22.

Dessen Ausgang ist mit einer am Gehäuse des Verbrauchs­ messers angebrachten Anzeige 24, an welcher der Benutzer den jeweiligen Verbrauch ablesen kann, sowie mit dem einen Eingang eines Zeichenverkettungskreises 26 verbun­ den. Letzterer setzt den momentan vorliegenden Zähler­ stand mit in einem Festwertspeicher 28 abgelegten Zei­ chenketten zusammen, welche die Identifikation der Meß­ stelle und charakterisische Größen des Wärmeverbrauchs­ messers beinhalten. Die zusammengesetzte Zeichenkette, welche, wie gesagt, den aktuellen Zählerstand beinhaltet, wird auf einen Parallel-/Seriell-Umsetzer 30 gegeben.

Durch die an dessen Ausgang erhaltene Zeichenfolge wird ein Modulator 32 gesteuert, dessen Arbeitsfrequenz dem Baudratentakt (in der Praxis 300-19200 Baud) entspricht. Das Ausgangssignal des Modulators 32 steuert die Modulation (AM oder FM) eines UHF-Sendekreis 34, dessen Grundarbeits­ frequenz im Bereich zwischen 200 und 1000 MHz gewählt ist, in Europa in der Regel bei 433,92 MHz. Dessen Ausgang ist mit der einen Anschlußklemme einer insgesamt mit 36 bezeichneten Antenneneinheit verbunden. Die zweite An­ schlußklemme der Antenneneinheit 36 ist mit der bei 38 angedeuteten Masseleitung des Sendekreises 34 verbunden.

Die Antenneneinheit 36 umfaßt eine Speiseinduktivität 40 sowie eine hierzu in Reihe geschaltete vorzugsweise einstellbare Kapazität 42. Der hierdurch gebildete LC-Kreis verbindet die beiden Anschlußklemmen der Antennen­ einheit 36. An den auf Massepotential liegenden Anschluß der Antenneneinheit 36 kann ferner der Mittelpunkt zweier in Reihe geschalteter Arminduktivitäten 44, 45 ange­ schlossen sein, wie gestrichelt angedeutet; vorzugsweise werden die Arminduktivitäten aber gleichspannungsmäßig potentialfrei gehalten. Diese bilden räumlich zwei Anten­ nenarme, welche zusammen einen im wesentlichen geschlos­ senen Ring bilden.

Unter Ring soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung jede in sich geschlossene geometrische Struktur verstanden werden, nicht nur Kreisringe. Ring beinhaltet somit auch geschlossene Polygone wie Rechtecke. Wichtig für die vorliegende Erfindung ist, daß der Antennenarm-Ring nicht vollständig geschlossen ist, vielmehr an einer Stelle, die dem Mittelpunkt der Verbindungsleitung zwischen den Arminduktivitäten 44 gegenüberliegt, eine Unterbrechung vorliegt, die durch eine Abschlußkapazität 46 überbrückt ist.

Auf diese Weise arbeitet die Antenneneinheit 36 als kompakte induktive Antenne, wobei deren Abmessungen erheblich kleiner sind als die Wellenlänge der abge­ strahlten elektromagnetischen Wellen (diese liegt bei 433 MHz bei etwa 70 cm). In der Praxis lassen sich mit guten Wirkungsgrad (20 bis 70%) gemäß der vorliegenden Erfindung Antenneneinheiten realisieren, deren Abmessungen im Bereich von einem Zwanzigstel der Wellenlänge oder darunter liegt. Einzelheiten praktischer Ausführungs­ formen der Antenneneinheit 36 werden weiter unter Be­ zugnahme auf die Fig. 2 bis 9 beschrieben.

Der Verbrauchsmesser gemäß Fig. 1 sendet nur während ausgewählter sehr kurzer Zeitspannen innerhalb eines Tages, um die Belastung der für das Betreiben der lo­ gischen Komponenten und Leistungskomponenten benötigten Batterien, die schematisch bei 48 bzw. 50 angedeutet sind, über die Eichdauer des Verbrauchsmessers hinweg aufrechtzuerhalten, was in der Praxis Funktionsfähigkeit über fünf bis zwölf Jahre bedeutet.

Ein statistisch arbeitender Sendezeitgenerator 52 be­ stimmt stochastisch über den Tag verteilt einige wenige, z. B. vier Sendefenster, deren Dauer in der Praxis etwa 10 ms betragen kann. Einzelheiten eines solchen Sende­ zeitgenerators sind in der DE 42 25 042 A1 beschrieben, auf welche diesbezüglich in vollem Umfange verwiesen wird.

Zu Beginn eines der stochastisch verteilten Sendefenster aktiviert der Sendezeitgenerator 52 zunächst den Zeichen­ verkettungskreis, und nach Ablauf einer kurzen Zeitspanne, die für das Zusammensetzen des Zählerstandes und des Inhaltes des Festwertspeichers 28 ausreicht, wird dieses erste, auf einer Steuerleitung 54 bereitgestellte Signal beendet. Anschließend werden der Umsetzer 30, der Modulator 32 und der Sendekreis 34 durch ein auf einer zweiten Steuerleitung 56 abgegebenes Aktivierungssignal für die zum Senden der Gesamtzeichenkette erforderliche Zeit aktiviert (typischerweise 10 ms).

Fig. 2 zeigt ein erstes praktisches Ausführungsbeispiel für eine Antenneneinheit 36.

Auf einer Leiterplatte ist eine Kupferhülse 60 angeordnet, die am in der Zeichnung oben liegenden Punkt einen schmalen durchgehenden Schlitz 62 aufweist. Dieser hat in der Praxis eine Breite von Bruchteilen eines Millimeters, z. B. 0,2 mm. In den Schlitz 62 ist ein Isolierstück 64 aus einem Material eingesetzt, welches hohe Dielektri­ zitätskonstante bei niederem dielektrischem Verlustfaktor und geringen Temperaturgang seiner dielektrischen Eigen­ schaften aufweist. In der Praxis kann das Isolierstück z. B. aus einer dünnen Isolierglasscheibe bestehen.

Die Kupferhülse 60 kann in der Praxis einen Durchmesser von 30 mm eine Dicke von 3 mm und eine axiale Abmessung von 7 mm haben. Eine solche Kupferhülse kann einfach durch Ablängen eines entsprechenden Kupferrohres hergestellt werden. Der Schlitz 62 kann vor dem Ablängen im Kupferrohr oder nach dem Ablängen in der Kupferhülse angebracht werden. Das aus Glas bestehende Isolierstück 64 ist im Preßsitz zwischen die Wände des Schlitzes 62 eingefügt.

Auf diese Weise bilden die Wände des Schlitzes 62 die Platten, das Isolierstück 64 das Dielektrikum der Ab­ schlußkapazität 46, welche die freien Ende von zwei Antennenarmen 66, 68 überbrückt, wobei die Antennen­ arme 66, 68 durch die beiden Hälften der Kupferhülse 60 gebildet sind, die sich zu den beiden Seiten des durch den Schlitz 62 verlaufenden Ringdurchmessers be­ finden.

Der in Fig. 2 unterste Punkt der Kupferhülse 60 ist über einen Leiter 70 mit flächenhaften Leiterbahn 72 verbunden, die auf der Rückseite der Leiterplatte 58 vorgesehen ist und geerdet sein kann, aber nicht muß.

Von der flächenhaften Leiterbahn 72 gehen symmetrisch zu beiden Seiten der Ringmittelinie liegend zwei abgeknickte Schirmleiterbahnen 74, 76 sowie eine auf der Mittellinie der Antenneneinheit liegende Schirmleiterbahn 78 aus.

Im in Fig. 2 links unten gelegenen Bereich der Leiter­ platte 58 ist auf der in Fig. 2 hinten liegenden Seite eine gedruckte Kondensatorplatte 80 vorgesehen. Über dieser liegt durch die Leiterplatte 58 getrennt eine weitere Kondensatorplatte 82. Die beiden gedruckten Kondensatorplatten 80, 82 bilden zusammen mit dem zwi­ schen ihnen liegenden Abschnitt der Leiterplatte 58 als Dielektrikum die Kapazität 42.

Die gedruckte Kondensatorplatte 80 steht mit dem einen Ende einer streifenförmigen Leiterbahn 84 in Verbindung, deren zweites Ende mit der Masse-Leiterbahn 72 verbunden ist. Auf diese Weise bildet die Leiterbahn 84 die Speise­ induktivität 40.

Der Anschluß der Antenneneinheit 36 gemäß Fig. 2 an den Sendekreis 34 erfolgt somit an der Kondensatorplatte 82 und der Masse-Leiterbahn 72.

Um die Abschlußkapazität 46 noch zusätzlich elektrosta­ tisch zu schirmen, ist am Ende der Schirmleiterbahn 78 ein vergrößerter Kopfabschnitt 86 vorgesehen, welcher die Enden der Antennenarme 66, 68 noch überdeckt.

Zur zusätzlichen kapazitiven Schirmung ist über der Kupferhülse 60 eine weitere Leiterplatte 88 angeordnet, die gleiche Geometrie aufweist wie die Leiterplatte 8, wobei aber die Kondensatorplatte 82 dieser Leiter­ platte unverbunden bleibt.

Die so gebildete Sandwichstruktur aus den Leiterplatten 8, der Kupferhülse 60 und der Leiterplatte 88 ist über Distanzhülsen 90 mit einer allseitig überstehenden metal­ lischen Abschirmplatte 72 verbunden. Diese gibt für den rückwärtigen Halbraum der Antenneneinheit 36 definierte Leitfähigkeitsverhältnisse vor, so daß die Sendecharak­ teristik der Antenneneinheit 36 weitgehend unabhängig davon ist, ob sich im Rückraum der Antenneneinheit 36 metallische Gegenstände befinden, bzw. welche spezielle Geometrie derartige metallische Hindernisse haben.

Bei einer Antenneneinheit, wie sie soeben beschrieben wurde beträgt die Änderung der Antennencharakteristik durch einen in einer Entfernung von 10 cm aufgestellten Gegenstand nur weniger als 15%.

Bei der in den Fig. 3 und 4 Antenneneinheit besteht eine Leiterplatte 94 aus einem Material, welches hohe Dielektrizitätskonstante und geringe dielektrische Ver­ luste aufweist. Ein derartiges Plattenmaterial ist z. B. ein Glasfasergewebe, welches in eine entsprechende dielek­ trische Eigenschaften aufweisende Kunstharzmatrix einge­ bettet ist. Derartige Spezial-Leiterplattenmaterialien sind im Handel erhältlich.

Die Arminduktivitäten 44 sind durch eine Rechteckkontur aufweisende gedruckte Leiterbahn 96 gebildet, welche dem Rand der Leiterplatte 94 unter kleinem Abstand folgt und in ihrem oberen horizontalen Bahnabschnitt eine Unterbrechung 98 aufweist. Die Mitte des unteren horizon­ talen Leiterbahnabschnittes ist mit einem Masseanschluß 100 verbunden. Auf diese Weise gibt die Leiterbahn 96 zwei C-förmige Antennenarme 102, 104 vor.

Auf der Rückseite der Leiterplatte 94 ist eine gedruckte streifenförmige Kondensatorplatte 106 vorgesehen, welche mit den oberen freien Schenkeln der Antennenarme 102, 104 fluchtet. Die Kondensatorplatte 106 bildet so zusammen mit den Endabschnitten der Antennenarme 102, 104 und dem dazwischenliegenden Abschnitt der Leiterplatte 94 als Dielektrikum die Abschlußkapazität 46.

Die Größe der Abschlußkapazität 46 kann dadurch eingestellt werden, daß man in der Kondensatorplatte 106 Unterbre­ chungen 108 vornimmt, z. B. durch mechanisches Durchritzen oder lokales Verdampfen unter Einsatz eines Lasers. Vor­ zugsweise erfolgt das Abstimmen der Abschlußkapazität 46 so, daß die Symmetrie der Abschlußkapazität 46 bezüglich der Mittellinie der Antenneneinheit 36 gewahrt bleibt.

Auf der Rückseite der Leiterplatte 94 ist ferner eine schleifenförmige Leiterbahn 110 vorgesehen, welche die Speiseinduktivität 40 bildet.

Die beiden Anschlußfahnen der Leiterbahn 110 sind unter­ brochen und durch einen im Surface Mounting angebrachten Kondensator 112 bzw. einen durch Surface Mounting ange­ brachten Abgleichwiderstand 114 überbrückt. Der Konden­ sator 112 entspricht der in Fig. 1 mit 42 bezeichneten Kapazität.

Man erkennt, daß eine Antenneneinheit 36, wie sie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, in großen Stückzahlen preisgünstig hergestellt werden kann.

Durch die Größenrelation zwischen der Leiterbahn 96 und der Leiterbahn 110 läßt sich das Übertragungsver­ hältnis des durch diese beiden Leiterbahnen gebildeten Transformators auf einfache Weise vorgeben, damit auch die impedanzmäßige Anpassung der durch die Leiterbahnen 96 gebildeten Arminduktivitäten 44 an den Ausgangs­ widerstand des Sendekreises 34.

Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Leiterplatte 94 aus normalem Leiterplatten­ material hergestellt. Auf die Oberseite der freien End­ abschnitte der Antennenarme 102, 104 ist ein spezieller flacher Abschlußkondensator 116 aufgelötet, der eben­ falls in Leiterplattentechnik hergestellt ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, umfaßt der Abschlußkonden­ sator 116 eine Substratplatte 118, die aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstanten, geringem dielektri­ schem Verlustfaktor und hoher Temperaturkonstanz der vorgenannten dielektrischen Eigenschaften hergestellt ist. Ein derartiges Material ist unter der Typbezeich­ nung RO3000 von der Rogers Corp. zu beziehen.

Die Substratplatte 118 trägt auf ihrer Oberseite eine Kondensatorplatte 120, deren Rand allseitig vom Rand der Substratplatte 118 beabstandet ist, um zu vermeiden, daß beim Auflöten des Abschlußkondensators 116 auf die Antennenarme 102, 104 durch überschüssiges Lötzinn ein unbeabsichtigter Kontakt zur Kondensatorplatte 120 ent­ steht.

Auf der Unterseite ist die Substratplatte 118 mit zwei gedruckten Kondensatorplattensegmenten 122, 124 versehen, wobei der zwischen diesen liegende freie Raum 126 min­ destens so groß ist wie die Unterbrechung 98, so daß die magnetischen Eigenschaften der Arminduktivitäten nach wie vor durch die Geometrie der Antennenarme 102, 104 vorgegeben ist.

In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispieles kann man aber die Kondensatorplattensegmente 122, 124 auch näher aufeinanderzu fortsetzen, so daß dann der freie Raum 126 zugleich auch den effektiven Abstand zwischen den Enden der Antennenarme 102, 104 vorgibt.

Schließlich kann man den Abschlußkondensator 116 auch etwas asymmetrisch auf die Enden der Antennenarme 102, 104 auflöten, so daß der elektrisch wirksame Abstand zwischen den Antennenarmen 102, 104 durch eines der Armenden und eines der Kondensatorplattensegmente vor­ gegeben ist.

Zum Abgleich des Abschlußkondensators 116 kann man in diesem wieder (vorzugsweise symmetrisch) Unterbrechungen 128 z. B. durch Laserschnitt erzeugen.

Die Ausführungsform der Antenneneinheit 36 gemäß den Fig. 5 und 6 hat den Vorteil, daß man bei weiterhin kompakter Struktur und unter Verwendung der Leiter­ plattentechnik eine Abschlußkapazität erhält, wobei aber gemäß den Fig. 5 und 6 nur eine geringe Menge des teueren Materiales mit guten dielektrischen Eigen­ schaften benötigt wird.

Bei der weiter abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist mit den Enden der Antennenarme 102, 104 ein verlust­ armer herkömmlicher Abschlußkondensator 130 verbunden, der z. B. ein Metallpapierkondensator sein kann.

Fig. 8 zeigt eine hülsenförmige Antenneneinheit, die von der Grundidee des Aufbaus der Antenneneinheit nach den Fig. 3 und 4 nahekommt. Auf eine Leiterplatten­ hülse 132, welche aus einem Material mit den schon oben angesprochenen guten dielektrischen Eigenschaften be­ steht, ist eine außenliegende Leiterbahn 134 mit einer Unterbrechung 136 sowie einen innenliegende Leiterbahn 138 aufgebracht.

Die Leiterbahn 134 wird an dem der Unterbrechung 136 gegenüberliegenden Ende mit einer Masseleitung verbunden und stellt wieder Antennenarme 140, 142 bereit, während die innenliegende Leiterbahn 138 zusammen mit den Antennen­ armen 140, 142 eine Abschlußkapazität bildet, deren Umfangserstreckung durch Unterbrechungen 144 vorgegeben sind, deren Lage je nach Bedarf gewählt wird.

Das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel für eine hülsenförmige Antenneneinheit erhält man ausgehend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 dadurch, daß man die innenliegende Leiterbahn 138 wegläßt und über den Enden der Antennenarme 140, 142 einen Abschlußkondensator 116 auflötet, wie er unter Bezugnahme auf Fig. 6 oben stehend im einzelnen beschrieben wurde.

In Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 9 kann man die Leiterbahn 134 und den Abschlußkondensator 116 auch auf der Innenseite der Leiterplattenhülse 132 vorsehen, so daß die Außenseite der letzteren von elek­ trischen Elementen frei ist. Eine solche Antenneneinheit kann dann zugleich die mechanischen einer Umfangswand eines zylindrischen Gehäuses übernehme, z. B. einer Wasser­ uhr.

Schließlich kann man bei den Antenneneinheiten nach den Fig. 8 und 9 auch eine gedruckte Speiseinduk­ tivität auf der Leiterplattenhülse vorsehen, wie oben für ebene Leiterplatten unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben.

Fig. 10 zeigt einen durch Funk auslesbaren Verbrauchs­ messer mit ferneinstellbarer Arbeitscharakteristik, z. B. einen Stromzähler mit umschaltbaren Tarifen.

Ein Fühler 146 gibt ein der momentan vom Verbraucher auf­ genommenen Leistung entsprechendes Zählsignal auf einen Ver­ brauchskosten-Rechenkreis 148. Das Zählsignal kann z. B. eine Impulsfolge sein, die man durch Auslesen von Marken erhält, die auf der Wirbelstrom-Meßscheibe des Leistungsmessers vorgesehen sind.

Beim betrachteten Ausführungsbeispiel arbeitet der Rechen­ kreis z. B. so, daß er für jeden erhaltenen Zählimpuls eine in einem Festwertspeicher 150 abgelegte Zahl, welche den einem Zählimpuls entsprechenden Strom-Elementarverbrauch angibt (charakteristische Eichgröße des digital arbeitenden Fühlers 146), mit einem dem Preis des Elementarverbrauches zugeordneten Kostensignal multipliziert, welches ihm auf einer Leitung 152 überstellt wird.

Das so erhaltene Produktsignal wird zum Inhalt eines Kostenspeichers 154 hinzuaddiert. Das in diesem stehende Kostensignal wird in stochastischen Abständen drahtlos an eine zentrale Abrechnungseinheit übermittelt, ähnlich wie obenstehend schon unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben. Die Signalumsetzung, die in Fig. 10 nicht im einzelnen dargestellt ist, erfolgt durch einen Umsetz­ kreis 156, der einen UHF-Sendekreis 158 steuert, der über eine Sende/Empfangsweiche 160 mit einer Antenneneinheit 36 verbunden ist, die der nach den Fig. 3 und 4 ähnelt.

Bei der Antenneneinheit nach Fig. 10 ist die Leiterbahn 110 ähnlich einer Sprossenleiter ausgebildet und hat Holmbahnen 162, 164 und diese verbindende Sprossenbahnen 166. Letztere können mit vorbereiteten Unterbrechungs­ stellen 168 versehen sein, in Abwandlung statt dessen oder zusätzlich die Holmbahnen.

Dadurch, daß man eine oder mehrere der Unterbrechungsstellen 168 durchkratzt, kann man die effektive Fläche der durch die Leiterbahn 110 gebildeten Speiseinduktivität abändern.

Bleiben hierbei mehrere Sprossenbahnen 166 stehen, so entspricht die effektive Fläche der Speiseinduktivität der gemittelten Sprossenlage. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel ist nur die oberste der Sprossenbahnen unterbro­ chen, so daß die effektive Fläche der Speiseinduktivität der entspricht, die man mit einer Sprossenbahn erhielte, die zwischen der mittleren und der unteren Sprossenbahn liegt.

Ein Empfangsausgang der Sende/Empfangsweiche 160 ist mit dem Eingang eines Demodulators 170 verbunden. Der von diesem abgegeben Bitstrom wird von einem Umsetzer 172 wieder in Parallel-Format zurückgebracht. Das so erhaltene digitale Signal, das im vorliegenden Falle dem momentan geltenden Tarif (Preis pro Elementarverbrauch) entspricht, wird auf der Leitung 152 bereitgestellt.

Momentan geltender Tarif und aufgelaufene Verbrauchskosten werden auf einer Anzeige 174 dem Benutzer mitgeteilt.

Bei dem oben beschriebenen Verbrauchsmesser, werden der zentralen Ablese- und Abrechnungseinheit nur die vom Verbraucher zu entrichtenden Kosten übermittelt. Diese sind auch dem Verbraucher bekannt, so daß im Prinzip die Übersendung einer Rechnung an den Verbraucher ent­ fallen kann.

In Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 10 kann man an den Verbrauchsmesser drahtlos Zählwerk-Umsteuer-Befehle übermitteln, die den Rechenkreis 148 veranlassen, je nach drahtlos erhaltenem Befehl die Verbrauchszählung in einem bestimmten einer Mehrzahl von Verbrauchsspeichern fortzuschreiben, die anstelle des Kostenspeichers 154 vor­ gesehen sind. Zur Abrechnung werden dann die Zählerstände der verschiedenen Verbrauchsspeicher an die zentrale Ablese- und Abrechnungseinheit übermittelt.

Man erkennt, daß ein durch Funk ausgelesener und durch Funk gesteuerter Verbrauchsmesser eine sehr variable Ver­ brauchsabrechnung auch unter Anwendung einer größeren Anzahl von Tarifen ermöglicht.

Gemäß dem an Hand von Fig. 10 beschriebenen Prinzip las­ sen sich auch andere Aufgaben lösen, z. B. das Betreiben einer Vielzahl von Meßstellen mit ferneinstellbarer Emp­ findlichkeit, das Fernbetätigen von Aktoren in Abhängigkeit von Ausgangssignale von diesen räumlich benachbarten Sensoren usw.

In all den genannten Fällen sind das gute, von zufälligen Hindernissen unabhängige Arbeitsverhalten und die geringen Verluste einer Antenneneinheit von Vorteil, wie sie oben beschrieben wurde.

Claims (20)

1. Antenneneinheit, insbesondere zur Verwendung bei der Funkfernauslesung von Verbrauchsmessern, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei zusammen im wesentlichen einen Ring bildende Antennenarme (44, 45; 66, 68; 102, 104; 140, 142) aus Nichteisenmetall aufweist; daß die Fußabschnitte der Antennenarme mit einer der Anschlußklemmen der Antenneneinheit verbunden sind, während eine zweite Anschlußklemme derselben mit von den Fußabschnitten der Antennenabschnitte abliegenden Abschnitten der Antennenarme (44, 45; 66, 68; 102, 104; 140, 142) gekoppelt ist und daß die freien Enden der Antennenarme (44, 45; 66, 68; 102, 140; 140; 142) über eine Abschlußkapazität (46) mit niederen dielek­ trischen Verlusten gekoppelt sind, derart, daß die Güte des durch die Antennenarme und die Abschlußkapazität gebildeten Resonanzkreises über 100 liegt.

2. Antenneneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Anschlußklemme über eine magnetisch mit den Antennenarmen gekoppelte Speiseinduk­ tivität (40) mit der ersten Anschlußklemme verbunden ist.

3. Antenneneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Reihe zur Speiseinduktivität (40) eine Kapazität (42) geschaltet ist.

4. Antenneneinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Speiseinduktivi­ tät (40) ein ohmschen Abgleichwiderstand (114) geschaltet ist.

5. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenarme (66, 68) durch einen geschlitzen Ring (60) gebildet sind und die einander unter kleinem Abstand gegenüber­ liegenden Schlitzflächen die Platten der Abschlußkapa­ zität (46) bilden.

6. Antenneneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schlitz (62) eine Dicke von größen­ ordnungsmäßig 0,1 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm aufweist und der Zwischenraum zwischen den Schlitz­ wänden durch ein Materialvolumen ausgefüllt ist, dessen Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 10 liegt und dessen dielektrischer Verlustfaktor kleiner ist als 0,002, wobei die vorgenannten dielektrischen Eigen­ schaften vorzugsweise nur kleinen Temperaturgang aufweisen.

7. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenarme durch gedruckte Leiterbahnen (102, 104; 140, 142) ge­ bildet sind.

8. Antenneneinheit nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise­ induktivität (40) durch eine gedruckte Leiterbahn (84; 110) gebildet ist.

9. Antenneneinheit nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Speiseinduktivität (40) bilden­ de Leiterbahn (84; 110) im Inneren derjenigen Fläche liegt, welche durch die die Antennenarme bildende Leiter­ bahn (102, 104; 140, 142) begrenzt ist.

10. Antenneneinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (110) eine Mehr­ zahl von Schleifen (162, 164, 166) aufweist, die wahl­ weise aktivierbar sind.

11. Antenneneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet daß die Leiterbahn (110) ähnlich einer Sprossenleiter ausgebildet ist und zwei beabstandete Holmbahnen (162, 164) und diese verbindende Sprossen­ bahnen (166) aufweist.

12. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine gedruckte Kondensator­ platte (106; 120; 138), welche die freien Endabschnitte der Antennenarme (102, 104; 140, 142) unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht (94; 118) überdeckt, deren Dicke zwischen 0,1 und 1 mm liegt, vorzugsweise etwa 0,3 mm beträgt, deren Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 10 liegt und deren dielektrischer Verlust­ faktor kleiner als 0,002 ist, wobei die letztgenannten dielektrischen Eigenschaften vorzugsweise geringen Tempera­ turgang aufweisen.

13. Antenneneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht durch eine Leiter­ platte (94) gebildet ist, auf welcher die die Antennen­ arme bildenden Leiterbahnen (102, 104) angebracht sind, und daß die Kondensatorplatte (106) eine weitere gedruckte Leiterbahn ist, welche auf der Leiterplatte (94) auf der den Antennenarmen (102, 104) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.

14. Antenneneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht eine gesonderte Substratplatte (118) ist und auf der den Antennenarmen (102, 104) zugewandten Seite liegend beabstandete Konden­ satorplattensegmente (122, 124) aufweist, welche die Endabschnitte der Antennenarme (102, 104) zumindest teilweise überdecken, und daß auf der von den Antennen­ armen abliegenden Seite der Substratplatte (118) die gedruckte Kondensatorplatte (120) vorgesehen ist, welche beide Kondensatorplattensegmente (122, 124) überdeckt.

15. Antenneneinheit nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Kondensatorplatte (106; 120) mindestens eine, vorzugsweise zwei zu ihrer Mitte symmetrische Unterbrechungen (108; 128) aufweist.

16. Antenneneinheit nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (132) ein hülsenförmiges Teil ist und die Antennenarme (140, 142) durch eine auf einer Umfangsfläche der Hülse aufgebrachte eine Unterbrechung (136) aufweisende Leiterbahn (134) gebildet sind.

17. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Kon­ densatorplatte (120) allseitig von Rändern der Isolier­ schicht (118) beabstandet ist.

18. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß unter Abstand hinter den Antennenarmen (66, 68; 102, 104; 140, 142) eine metallische Abschirmplatte (92) vorgesehen ist, welche größer ist als die lichte Kontur der Antennenarme, wobei der genannte Abstand vorzugsweise zwischen 5 und 20 mm, wiederum vorzugsweise etwa 10 mm beträgt.

19. Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine Schirmung (74 bis 78) für die Abschlußkapazität (46).

20. Antenneneinheit nach Anspruch 19 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmung für die Abschlußkapazität (46) durch weitere gedruckte Leiterbahnen (74, 76, 78, 86) gebildet ist.