DE19603366A1 - High frequency signal transmitting device - Google Patents

High frequency signal transmitting device

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Michael Dipl Ing Minnhaar
Marco Dipl Ing Schwarzmueller
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Atmel Germany GmbH
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    • H05K1/00—Printed circuits
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Abstract

The high frequency (HF) transmitting unit is integrated into a motor vehicle lock. There is a supporting body (1) or a printed circuit board with an HF circuit (2) arrangement containing an integrated circuit (21), peripheral devices (22), an antenna oscillating circuit (23) and a magnetic coupling loop (24). The integrated circuit (21), mounted on the upper side (11) of the body, contains a quartz oscillator for stabilising the frequency, an HF oscillator (VCO) operating at a frequency of 433.92 MHz, a phase regulating loop (PLL) for controlling the oscillator, and a power amplifying stage.

Description

Sendeeinheiten werden heutzutage vielfältig in Fernbedienungen für die leitungs­ lose Datenübertragung zwischen einem Bediener und einem System eingesetzt, bsp. für den Öffnungs-/Schließvorgang der Türschlösser von Kraftfahrzeugen. Die Datenübertragung mittels einer Übertragungsstrecke zwischen der Sendeeinheit und einer im System integrierten Empfangseinheit erfolgt durch Abstrahlung eines Sendesignals der Sendeeinheit mit einer bestimmten Übertragungsfrequenz meist entweder im Infrarot(IR)-Bereich oder im Hochfrequenz(HF)-Bereich, wobei für den jeweils verwendeten Frequenzbereich unterschiedliche Anforderungen bei der Datenübertragung erfüllt werden müssen - insbesondere unter der Randbedingung der angestrebten Miniaturisierung der Fernbedienungen.Transmitter units are nowadays versatile in remote controls for the line loose data transfer between an operator and a system, E.g. for opening / closing the door locks of motor vehicles. The Data transmission by means of a transmission link between the transmitter unit and a receiver unit integrated in the system is made by emitting one Transmit signal from the transmitter unit with a certain transmission frequency mostly either in the infrared (IR) range or in the radio frequency (HF) range, whereby for the frequency range used in each case different requirements in the Data transmission must be fulfilled - especially under the boundary condition the desired miniaturization of the remote controls.

Im HF-Bereich mit einer üblichen Übertragungsfrequenz von 433,92 MHz muß die Abstrahlung von HF-Sendesignalen durch die HF-Sendeeinheit im Nahbereich über eine Anregung des magnetischen Felds vorgenommen werden, da ein menschlicher Körper (wie z. B. die Hand des Bedieners) bei magnetischem Nah­ feld weniger stört als bei elektrischem Nahfeld; daher weist die üblicherweise auf einer Leiterplatte angeordnete HF-Sendeeinheit einen (als Parallelschwingkreis oder Serienschwingkreis ausgeführten) Antennenschwingkreis auf, der aus einem Kondensator und einer magnetischen Antennenschleife gebildet wird und dessen Energiespeisung durch eine als Oszillator ausgebildete Hochfrequenzquelle (HF- Quelle) erfolgt. Um eine effiziente Abstrahlung des HF-Sendesignals sicher­ zustellen, sollte der Strom durch den Antennenschwingkreis bzw. durch die ma­ gnetische Antennenschleife (der "Schleifenstrom") möglichst groß sein; zu diesem Zweck muß eine Leistungsanpassung zwischen der HF-Quelle und dem Anten­ nenschwingkreis bzw. der magnetischen Antennenschleife vorgenommen werden.In the HF range with a usual transmission frequency of 433.92 MHz must the emission of HF transmission signals by the HF transmission unit in the close range be made via an excitation of the magnetic field since a human body (such as the hand of the operator) with magnetic proximity field is less disturbing than with an electric near field; therefore, it usually has arranged on a printed circuit board RF transmitter unit (as a parallel resonant circuit or series resonant circuit) antenna resonant circuit, which consists of a Capacitor and a magnetic antenna loop is formed and its Energy supply through a high-frequency source designed as an oscillator (HF Source). To ensure an efficient emission of the RF transmission signal should deliver the current through the antenna resonant circuit or through the ma the antenna loop (the "loop current") should be as large as possible; to this  The purpose must be a power adjustment between the RF source and the antenna resonant circuit or the magnetic antenna loop can be made.

Problematisch hierbei ist, daß die Ausgangs-Impedanz der HF-Quelle und die Im­ pedanz des Antennenschwingkreises stark differieren: ein als Parallelschwingkreis ausgebildeter Antennenschwingkreis besitzt eine sehr hohe Impedanz (ca. 20 kΩ bei 433,92 MHz), eine als Serienschwingkreis ausgebildeter Antennenschwing­ kreis eine sehr niedrige Impedanz (ca. 0,3 Ω bei 433,92 MHz), während die Aus­ gangs-Impedanz der HF-Quelle üblicherweise 50 Ω bis 1 kΩ beträgt. Für die Lei­ stungsanpassung (Impedanztransformation) zwischen der HF-Quelle und dem Antennenschwingkreis (bzw. der magnetischen Antennenschleife des Antennen­ schwingkreises) werden daher mehrere Bauelemente benötigt (in der Regel zwei Kondensatoren und zwei Spulen), die teuer sind, Toleranzen aufweisen und exakt auf der Leiterplatte der HF-Sendeeinheit positioniert werden müssen, so daß die Impedanztransformation mit Schwierigkeiten und hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin treten neben den im Antennenschwingkreis selbst vorhandenen Ver­ lusten auch bei der Impedanztransformation Verluste auf, so daß der Wirkungs­ grad der Sendeantenne (der als Verhältnis der abgestrahlten Leistung zur zu­ geführten Leistung definierte Antennenwirkungsgrad) bei den geforderten mecha­ nischen Abmessungen der HF-Sendeeinheit meist deutlich geringer als 0,5% ist.The problem here is that the output impedance of the RF source and the Im The tolerance of the antenna resonant circuit differ greatly: one as a parallel resonant circuit trained antenna resonant circuit has a very high impedance (approx. 20 kΩ at 433.92 MHz), an antenna oscillation designed as a series oscillating circuit circuit has a very low impedance (approx. 0.3 Ω at 433.92 MHz) while the off The impedance of the RF source is usually 50 Ω to 1 kΩ. For the lei matching (impedance transformation) between the RF source and the Antenna resonant circuit (or the magnetic antenna loop of the antennas resonant circuit), several components are therefore required (usually two Capacitors and two coils), which are expensive, have tolerances and are exact must be positioned on the circuit board of the RF transmitter unit so that the Impedance transformation is associated with difficulties and high costs. In addition to the Ver existing in the antenna resonant circuit itself also lost losses in the impedance transformation, so that the effect degree of the transmitting antenna (which is the ratio of the radiated power to the performed power defined antenna efficiency) with the required mecha African dimensions of the RF transmitter unit is usually significantly less than 0.5%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Sendeeinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden werden, und die vorteilhafte Eigenschaften bezüglich des Aufbaus, der Abstrahlei­ genschaften des HF-Sendesignals und der Kosten aufweist.The invention has for its object an RF transmitter unit according to the Specify the preamble of claim 1, in which these disadvantages avoided and the advantageous properties with regard to the structure, the radiation features of the RF transmission signal and the cost.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the features in the characteristic of Claim 1 solved.  

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments and refinements of the invention result from the subclaims.

Bei der auf einem geeigneten Trägerkörper (bsp. eine Epoxyd-Leiterplatte oder ein Keramikträger) angeordneten HF-Sendeeinheit wird die Ausgangsleistung der HF-Quelle (bsp. der Ausgangsstrom einer HF-Stromquelle) transformatorisch in den Antennenschwingkreis bzw. die magnetische Antennenschleife eingekoppelt, indem der Ausgang der HF-Quelle mit einer mindestens eine Windung aufwei­ senden magnetischen Einkoppelschleife verbunden ist und diese als Leiterbahn (bsp. aus Kupfer oder Gold) ausgebildete magnetische Einkoppelschleife auf die gleiche oder die entgegengesetzte Oberflächenseite des Trägerkörpers wie die ma­ gnetische Antennenschleife (vorzugsweise mit dem gleichen Prozeßablauf und beim gleichen Prozeßschritt des Herstellungsprozesses) aufgebracht ("gedruckt") und induktiv an die magnetische Antennenschleife angekoppelt wird. Die Länge der magnetischen Antennenschleife bestimmt deren Induktivität und damit die Kapazität, die zum Abstimmen der Antennenschleife benötigt wird. Die Fläche der magnetischen Einkoppelschleife (d. h. die von der magnetischen Ein­ koppelschleife auf dem Trägerkörper umschlossene Fläche) die induktive Kopp­ lung zur magnetischen Antennenschleife und damit das Transformationsverhalten. Die erforderliche Impedanztransformation kann daher allein durch geeignete Wahl der Fläche der magnetischen Einkoppelschleife und/oder der Fläche der magneti­ schen Antennenschleife vorgegeben werden - insbesondere durch geeignete Wahl des Flächenverhältnisses dieser beiden Flächen; insbesondere wird die Fläche der magnetischen Einkoppelschleife so gewählt, daß der Ausgang der HF-Quelle opti­ mal an den Antennenschwingkreis (die magnetische Antennenschleife) angepaßt ist. In the case of a suitable carrier body (e.g. an epoxy circuit board or a ceramic carrier) arranged RF transmitter unit, the output power of the RF source (e.g. the output current of an RF power source) transformative in the antenna resonant circuit or the magnetic antenna loop is coupled in, by having the output of the RF source with at least one turn send magnetic coupling loop is connected and this as a conductor track (e.g. made of copper or gold) trained magnetic coupling loop on the same or the opposite surface side of the carrier body as the ma magnetic antenna loop (preferably with the same process flow and applied in the same process step of the manufacturing process) ("printed") and is inductively coupled to the magnetic antenna loop. The length the magnetic antenna loop determines its inductance and thus the Capacity required to tune the antenna loop. The area the magnetic coupling loop (i.e. that of the magnetic input coupling loop on the surface enclosed by the carrier body) the inductive coupling the magnetic antenna loop and thus the transformation behavior. The required impedance transformation can therefore only be made by suitable choice the area of the magnetic coupling loop and / or the area of the magneti antenna loop are specified - in particular by suitable choice the area ratio of these two areas; in particular, the area of the magnetic coupling loop chosen so that the output of the RF source opti times adapted to the antenna resonant circuit (the magnetic antenna loop) is.  

Die vorgestellte HF-Sendeeinheit vereinigt mehrere Vorteile in sich:The presented RF transmitter unit combines several advantages:

  • - einer einfachen, in einem Schritt (einstufig) durchgeführten Leistungsanpas­ sung (Impedanztransformation) ohne zusätzliche Bauelemente, verbunden mit einem hohen Wirkungsgrad,- a simple, one-step (one-step) performance adjustment solution (impedance transformation) without additional components, connected with high efficiency,
  • - einer Festlegung ("matching") der Transformationseigenschaften beim Herstel­ lungsprozeß (gleiche Prozeßschritte, gleiche Technologie), so daß kaum Tole­ ranzen oder Streuungen bei der Impedanztransformation auftreten,- A "matching" of the transformation properties in the manufacture development process (same process steps, same technology), so that hardly any problems satchels or scattering occur during the impedance transformation,
  • - einen einfachen, planaren, mechanisch stabilen, kostengünstigen Aufbau mit einer geringen Anzahl von Bauelementen und damit einen geringen Volumen­ bedarf (Miniaturisierungsbestrebungen),- A simple, planar, mechanically stable, inexpensive construction with a small number of components and thus a small volume needs (miniaturization efforts),
  • - einen einfachen, kostengünstigen, automatisierbaren und reproduzierbaren Her­ stellungsprozeß und demzufolge reproduzierbare Eigenschaften bei einer Seri­ enproduktion,- A simple, inexpensive, automatable and reproducible manufacturer Positioning process and consequently reproducible properties in a series production,
  • - durch die galvanisch nicht-angeschlossene magnetische Antennenschleife wird ein guter ESD ("electrostatic discharge")-Schutz der fertigen HF-Sendeeinheit erreicht,- through the galvanically non-connected magnetic antenna loop good ESD ("electrostatic discharge") protection of the finished RF transmitter unit reached,
  • - eine auch bei begrenzter Güte des Antennenschwingkreises ausreichende Lei­ stungsabstrahlung und damit die Möglichkeit eines abgleichfreien Aufbaues.- A sufficient Lei even with limited quality of the antenna resonant circuit radiation and thus the possibility of an adjustment-free construction.

Die HF-Sendeeinheit wird im folgenden anhand der Zeichnung naher beschrieben, wobei die Figur eine perspektivische schematische Anordnung der HF-Sendeein­ heit zeigt.The RF transmitter unit is described in more detail below with reference to the drawing, the figure being a perspective schematic arrangement of the RF transmission shows.

Gemäß der Figur ist bei der bsp. in einem Kfz-Schlüssel integrierten HF-Sende­ einheit auf dem Trägerkörper 1 (bsp. eine Leiterplatte aus Epoxidharz) eine HF- Schaltungsanordnung 2 aus integriertem Schaltkreis (IC) 21, peripheren Bauele­ menten 22, Antennenschwingkreis 23 und magnetischer Einkoppelschleife 24 an­ geordnet. According to the figure in the example. in an automotive key integrated RF transmitter unit on the carrier body 1 (e.g. a circuit board made of epoxy resin) an RF circuit arrangement 2 from an integrated circuit (IC) 21 , peripheral components 22 , antenna resonant circuit 23 and magnetic coupling loop 24 arranged.

Der bsp. in einem Gehäuse mit 14 Anschlußpins integrierte, auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 1 angeordnete IC 21 enthält bsp. einen Quarzoszillator zur Fre­ quenzstabilisierung, einen als spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ausgeführ­ ten HF-Oszillator der Frequenz 433,92 MHz, eine Phasenregelschleife (PLL) zur Einrastung des HF-Oszillators und eine mit dem Ausgang des HF-Oszillators ver­ bundene, als HF-Stromquelle ausgeführte Leistungsverstärkerstufe; der Ausgang der HF-Stromquelle ist über zwei Anschlußpins 211, 212 des ICs 21 nach außen geführt und über zwei Leitbahnen 13, 14 mit den beiden Anschlüssen der auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 1 als Kupfer-Leiterbahn "aufgedruckten", bsp. ei­ ne Windung aufweisenden magnetischen Einkoppelschleife 24 verbunden.The ex. IC 21 integrated in a housing with 14 connection pins and arranged on the top 11 of the carrier body 1 contains, for example. a quartz oscillator for frequency stabilization, a voltage-controlled oscillator (VCO), an HF oscillator with a frequency of 433.92 MHz, a phase-locked loop (PLL) for locking the HF oscillator, and one connected to the output of the HF oscillator, as HF -Power source power amplifier stage; the output of the HF current source is led to the outside via two connection pins 211 , 212 of the IC 21 and via two interconnects 13 , 14 with the two connections of the "printed" on the top 11 of the carrier body 1 as a copper conductor, for example. ei ne winding having magnetic coupling loop 24 connected.

Die peripheren Bauelemente 22 dienen zur externen Beschaltung des VCOs, als Schleifenfilter für die PLL und zur Beschaltung des Quarzoszillators.The peripheral components 22 are used for external wiring of the VCO, as a loop filter for the PLL and for wiring the quartz oscillator.

Die magnetische Einkoppelschleife 24 ist über die Durchkontaktierung 15 des Trägerkörpers 1 mit der Unterseite 12 des Trägerkörpers 1 und dort über die Leit­ bahn 16 mit der an die positive Versorgungsspannung Us (bsp. + 2,4 V) ange­ schlossenen Versorgungsspannungsfläche 25 verbunden. Auf der Unterseite 12 des Trägerkörpers 1 ist der Antennenschwingkreis 23 mit der als Kupfer-Leiter­ bahn "aufgedruckten", bsp. eine Windung aufweisenden magnetischen Antennen­ schleife 231 und dem (SMD-) Kondensator 232 angeordnet, wobei der Antennen­ schwingkreis 23 galvanisch nicht mit der magnetischen Einkoppelschleife 24 ver­ bunden ist; daher ist im Bereich der zur Versorgungsspannungsfläche 25 führen­ den Leiterbahn 16 eine bsp. als SMD-0 Ω-Widerstand ausgebildete Brücke 17 zur Überbrückung der Leiterbahn 16 vorgesehen.The magnetic coupling loop 24 is connected via the plated-through hole 15 of the carrier body 1 to the underside 12 of the carrier body 1 and there via the guide track 16 to the supply voltage area 25 connected to the positive supply voltage U s (e.g. + 2.4 V). On the underside 12 of the carrier body 1 , the antenna resonant circuit 23 is "printed" with the track as a copper conductor, for example. a winding magnetic antenna loop 231 and the (SMD) capacitor 232 arranged, the antenna resonant circuit 23 is not galvanically connected to the magnetic coupling loop 24 a related party; Therefore, in the region of the conductor track 16 leading to the supply voltage area 25 , an example. Bridge 17 designed as an SMD 0 Ω resistor is provided for bridging the conductor track 16 .

Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangs-Impedanz der im IC 21 an­ geordneten Stromquelle etwa -j 1000 Ω (kapazitiv), während die Impedanz des als Parallelschwingkreis ausgebildeten Antennenschwingkreises 23 mit einer aus Kupfer bestehenden magnetischen Antennenschleife 231 des Durchmessers 20 mm, mit einem SMD-Kondensator 232 der Kapazität 2,7 pF und mit einem die Verluste repräsentierenden ohm′schen Serienwiderstandes des Widerstandswerts 1,8 Ω etwa 10 kΩ beträgt. Zur Impedanztransformation (Leistungsanpassung) weist die aus Kupfer bestehende magnetische Einkoppelschleife 24 einen Durch­ messer von 13,5 mm und eine Dicke von 2 mm auf. Hierdurch ist eine Leistungs­ anpassung und ein Wirkungsgrad η von 1% als Verhältnis der vom Antennen­ schwingkreis 23 abgestrahlten Leistung zu der vom IC 21 eingekoppelten Lei­ stung erreicht.In one embodiment, the output impedance of the current source arranged in the IC 21 is approximately -j 1000 Ω (capacitive), while the impedance of the antenna resonant circuit 23 designed as a parallel resonant circuit with a 20 mm diameter magnetic antenna loop 231 made of copper, with an SMD Capacitor 232 of capacitance 2.7 pF and with an ohmic series resistance representing the losses of the resistance value 1.8 Ω is approximately 10 kΩ. For impedance transformation (power adjustment), the magnetic coupling loop 24 made of copper has a diameter of 13.5 mm and a thickness of 2 mm. This achieves a power adjustment and an efficiency η of 1% as a ratio of the power emitted by the antenna resonant circuit 23 to the power coupled in by the IC 21 power.

Claims (6)

1. HF-Sendeeinheit zur Abstrahlung von HF-Sendesignalen mit:
  • - einem Trägerkörper (1),
  • - einer auf dem Trägerkörper (1) angeordneten HF-Schaltungsanordnung (2) mit einer von einem Oszillator angesteuerten HF-Quelle und mit einem Antennen­ schwingkreis (23) aus mindestens einem Kondensator (232) und einer auf einer Oberflächenseite (12) des Trägerkörpers (1) angeordneten, mindestens eine Windung aufweisenden magnetischen Antennenschleife (231),
1. RF transmission unit for radiation of RF transmission signals with:
  • - a carrier body ( 1 ),
  • - An RF circuit arrangement ( 2 ) arranged on the carrier body ( 1 ) with an RF source controlled by an oscillator and with an antenna resonant circuit ( 23 ) comprising at least one capacitor ( 232 ) and one on a surface side ( 12 ) of the carrier body ( 1 ) arranged, at least one turn, magnetic antenna loop ( 231 ),
dadurch gekennzeichnet:
  • - auf einer der Oberflächenseiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) ist eine minde­ stens eine Windung aufweisende magnetische Einkoppelschleife (24) angeord­ net,
  • - die magnetische Einkoppelschleife (24) ist mit dem Ausgang der HF-Quelle leitend verbunden und mit der auf der gleichen Oberflächenseite oder der ent­ gegengesetzten Oberflächenseite des Trägerkörpers (1) angeordneten magneti­ schen Antennenschleife (231) magnetisch gekoppelt.
 characterized by :
  • - On one of the surface sides ( 11 , 12 ) of the carrier body ( 1 ), a magnetic coupling loop ( 24 ) having at least one turn is arranged,
  • - The magnetic coupling loop ( 24 ) is conductively connected to the output of the RF source and magnetically coupled to the antenna loop ( 231 ) arranged on the same surface side or the opposite surface side of the carrier body ( 1 ).
2. HF-Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magneti­ sche Einkoppelschleife (24) planar als Leiterbahn auf einer der Oberflächenseiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) aufgebracht ist und eine vorgebbare Fläche auf dem Trägerkörper (1) umschließt, und daß das Transformationsverhältnis der Aus­ gangs-Impedanz der HF-Quelle zur Impedanz des Antennenschwingkreises (23) über die von der Einkoppelschleife (24) umschlossene Fläche wählbar ist. 2. RF transmission unit according to claim 1, characterized in that the magnetic coupling loop ( 24 ) is applied planar as a conductor track on one of the surface sides ( 11 , 12 ) of the carrier body ( 1 ) and encloses a predetermined surface on the carrier body ( 1 ) , and that the transformation ratio of the output impedance of the RF source to the impedance of the antenna resonant circuit ( 23 ) over the area enclosed by the coupling loop ( 24 ) can be selected. 3. HF-Sendeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ma­ gnetische Antennenschleife (231) planar als Leiterbahn auf einer der Oberflächen­ seiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) aufgebracht ist und eine vorgebbare Fläche auf dem Trägerkörper (1) umschließt, und daß das Transformationsverhältnis der Ausgangs-Impedanz der HF-Quelle zur Impedanz des Antennenschwingkreises (23) über das Flächenverhältnis der von der magnetischen Einkoppelschleife (24) umschlossenen Fläche zur von der magnetischen Antennenschleife (231) um­ schlossenen Fläche wählbar ist.3. RF transmitter unit according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic antenna loop ( 231 ) is applied planar as a conductor track on one of the surface sides ( 11 , 12 ) of the carrier body ( 1 ) and a predeterminable area on the carrier body ( 1 ), and that the transformation ratio of the output impedance of the RF source to the impedance of the antenna resonant circuit ( 23 ) can be selected via the area ratio of the area enclosed by the magnetic coupling loop ( 24 ) to the area enclosed by the magnetic antenna loop ( 231 ). 4. HF-Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einkoppelschleife (24) über eine Leiterbahn (16) an die Ver­ sorgungsspannungsfläche (25) der positiven Versorgungsspannung (Us) ange­ schlossen ist.4. RF transmitter unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the magnetic coupling loop ( 24 ) via a conductor track ( 16 ) to the United supply voltage area ( 25 ) of the positive supply voltage (U s ) is connected. 5. HF-Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Schaltungsanordnung (2) einen den Oszillator und die HF-Quelle ent­ haltenden, integrierten Schaltkreis (21) aufweist, und daß der Ausgang der HF- Quelle über Anschlußpins (211, 212) des integrierten Schaltkreises (21) mit der magnetischen Einkoppelschleife (24) verbunden ist.5. RF transmitter unit according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the RF circuit arrangement ( 2 ) has an integrated circuit ( 21 ) containing the oscillator and the RF source, and that the output of the RF source is connected to the magnetic coupling loop ( 24 ) via connecting pins ( 211 , 212 ) of the integrated circuit ( 21 ).
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