DE19610284A1 - Antennenspule - Google Patents

Description

Ein wesentliches Systemteil sogenannter kontaktloser Trans­ pondersysteme, wie sie beispielsweise durch kontaktlose Chip­ karten- oder kontaktlose Wegfahrsperrensysteme gegeben sind, ist die kontaktlose Schnittstelle. Über diese Schnittstelle wird kontaktlos Energie von einer Kopfstation auf den kon­ taktlosen Transponder übertragen. Weiterhin dient diese Schnittstelle zur Übertragung von Information zwischen der Kopfstation und dem kontakt- und batterielosen Transponder. Für Abstände zwischen dem Endpunkt der Kopfstation und dem Transponder von bis zu etwa einem Meter erfolgt die Übertra­ gung von Energie und Information im allgemeinen über das ma­ gnetische Feld. Es handelt sich also um ein magnetisch gekop­ peltes System.

Zur Erzeugung des magnetischen Feldes für die Übertragung der Energie und der Information von der Kopfstation zum Transpon­ der wird am Endpunkt der Kopfstation im allgemeinen eine dem jeweiligen Anwendungsfall, d. h. im wesentlichen der Einsatz­ umgebung, angepaßte Spule verwendet.

Die Übertragung der Information vom Transponder zur Kopfsta­ tion erfolgt vielfach ebenfalls über das magnetische Feld. In der Kopfstation ist dann eine ebenfalls dem jeweiligen Anwen­ dungsfall angepaßte Spule vorhanden, die das vom Transponder mit der an die Kopfstation zu übertragenden Information modu­ lierte, empfangene magnetische Feld in einen proportionalen Strom wandelt.

Die von der Kopfstation für die Aussendung von Energie und Information verwendete Spule und die für die Auswertung der vom Transponder zu empfangenden Information verwendete Spule können getrennt sein. Vielfach wird aus Ersparnisgründen aber eine einzige Spule für beide Aufgaben verwendet. Daraus erge­ ben sich besondere Verhältnisse und Anforderungen, da der für die Energieübertragung nötige Strom im allgemeinen um mehrere Größenordnungen größer ist als der durch die Informati­ onsübertragung vom Transponder auf die Kopfstation in der Spule hervorgerufene Strom.

Um die vom Transponder ausgesandte Information richtig erken­ nen und auswerten zu können, sind empfindliche Auswerteschal­ tungen in der Kopfstation nötig. Diese empfindlichen Auswer­ teschaltungen lassen sich im allgemeinen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand mittels Filter- und Selektionsschaltungen gegen die Auswirkungen von elektrischen und magnetischen Fel­ dern, die mit der eigentlichen Anwendung nichts zu tun haben, schützen. Das Vorhandensein von solchen elektrischen und ma­ gnetischen Feldern, die im folgenden Störfelder genannt wer­ den, kann eine fehlerhafte Datenübertragung zwischen Trans­ ponder und Kopfstation bewirken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Anten­ nenspule anzugeben, bei der der Einfluß von Störfeldern ver­ ringert ist.

Die Aufgabe wird durch eine Antennenspule gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Abschirmung auf zumindest einer Seite der Spule werden die Auswirkungen elek­ trischer Störfelder auf den Spulenstrom bzw. die Spulenspan­ nung unterdrückt. Bei Frequenzen, bei denen die vorteilhafte frequenzselektive Schaltung einen Kurzschluß bildet und damit die Abschirmungsschleife schließt, werden auch magnetische Störfelder unterdrückt.

Die Spule kann hierbei eine gewickelte Drahtspule sein, die sowohl in Form einer Spirale, also planar, oder in Form einer Spiralfeder ausgeführt sein kann. Eine Abschirmung kann hier­ bei an jeder beliebigen Seite der Spule angeordnet sein, also beispielsweise bei einer planaren Spule auch an der schmalen, nur einen Drahtdurchmesser dicken Außen- oder auch Innensei­ te.

Die Abschirmung ist jedoch um so effektiver, je mehr Seiten der Spule davon betroffen sind. In Idealfall geht die Ab­ schirmung um alle Windungen herum, schließt also sowohl Au­ ßen- und Innenseite als auch Ober- und Unterseite der Spule ein. Wesentlich ist jedoch, daß einerseits ein genügend gro­ ßer Bereich im von den Windungen umschlossenen Raum frei bleibt, so daß ein magnetisches Feld hindurchtreten kann, oh­ ne das Wirbelstromverluste auftreten, und daß die Abschirmung bezüglich der Spulenachse keine geschlossene Schleife bildet, die eine Kurzschlußwicklung darstellen würde.

In Weiterbildung der Erfindung können auch zwischen den Spu­ lenwindungen Abschirmungsteile angeordnet sein. Dies ist be­ sonders vorteilhaft, wenn die äußere Abschirmung nicht um die Windungen herumreicht also beispielsweise nur an der Außen- und Innenseite oder nur an der Ober- und Unterseite vorgese­ hen ist.

Die erfindungsgemäße Antennenspule soll in erster Linie das magnetische Feld detektieren. Hierzu muß der von den Spulen­ windungen umschlossene Raum vom Magnetfeld durchdrungen wer­ den können. In einer elektrisch leitfähigen Abdeckung dieses Bereiches oder in elektrisch leitfähigen Teilen, die in die­ sen Bereich hineinragen, würden Wirbelströme induziert wer­ den, die das Magnetfeld abschwächen würden. Abschirmungstei­ le, die im wesentlichen senkrecht zur Spulenachse und damit senkrecht zum relevanten Magnetfeld verlaufen, weisen daher in Weiterbildung der Erfindung in radialer Richtung verlau­ fende Schlitze auf, um Wirbelströme zu verhindern.

Ein besonders effektiver Schutz kann bei gewickelten Drahtspulen durch einen nicht ganz geschlossenen Hohlring, in dessen Inneren die Drahtwicklungen liegen, erzielt werden. Da der Ring nicht ganz geschlossen ist, können durch das zu de­ tektierende Magnetfeld keine Kurzschlußströme induziert wer­ den, elektrische Störfelder werden aber wirkungsvoll abge­ schirmt. Eine solche Ausführung ist jedoch ziemlich aufwen­ dig.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Spulenwindungen als auf einem nicht-leitenden Substrat gedruckte Leiterbahnen ausgeführt. Es handelt sich also um eine planare, gedruckte Spiralspule. Abschirmungstei­ le sind in vorteilhafter Weise ebenfalls als gedruckte Lei­ tungen ausgeführt, die um die Spiralspule herum und/oder im Inneren der Spirale verlaufen, jedoch keine geschlossene Schleife bilden.

Auch hier können in vorteilhafter Weise weitere Abschirmungs­ leitungen zwischen den Spulenwindungen verlaufen. Es ist au­ ßerdem möglich, nur zwischen den Leitungen Abschirmungsteile vorzusehen.

Bei gedruckten Spiralenspulen kann auf der der Spule abge­ wandten Seite des Substrates ebenfalls eine leitende Ab­ schirmfläche vorgesehen sein, die in Weiterbildung beispiels­ weise mit radialen Schlitzen versehen ist, um Wirbelströme zu unterbinden. Die einzelnen Abschirmteile sind in vorteilhaf­ ter Weise beispielsweise mittels Durchkontaktierungen mitein­ ander verbunden. Sie können in Weiterbildung der erfindungs­ gemäßen Antennenspule auch mit einem Anschluß der Spule ver­ bunden sein und dabei eine der Spulenzuleitungen bilden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der erfindungsge­ mäßen Antennenspule sind beidseitig des nicht-leitenden Substrats Spulenwindungen aufgedruckt, zwischen denen und/oder um die Abschirmleitungen angeordnet sind.

Die Unterbrechungen in den Abschirmleitungen können prinzipi­ ell an jeder beliebigen Stelle sein, vorteilhafterweise sind sie jedoch alle an derselben Stelle des Spulenumfangs.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zei­ gen:

Fig. 1 eine erste planare Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Antennenspule mit Abschirmleitungen auf der Außen- und Innenseite der Spule sowie zwischen den Spulenwindungen,

Fig. 2 ein Abschirmteil zur Anordnung an der Unter­ und/oder Oberseite der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 eine zweite planare Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenspule zur Anordnung auf der Ober- und Unterseite eines nichtleitenden Substrates.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Anten­ nenspule gemäß Fig. 1 ist eine planare Spule mit 4 Windungen 1 dargestellt. Diese Windungen können beispielsweise in Sieb­ drucktechnik auf ein nicht-leitendes Substrat aufgebracht sein. Parallel zu den Windungen der Antennenspule 1 verlaufen weitere Leitungen 2 sowohl auf der Innen- und der Außenseite der Antennenspule als auch zwischen den Spulenwindungen 1.

Diese als Abschirmung wirkenden Leitungen 2 sind im darge­ stellten Ausführungsbeispiel dünner ausgeführt als die Spu­ lenwindungen 1. Sie können allerdings genauso dick oder dic­ ker als die Spulenwindungen 1 gewählt werden. An mit Punkten 3 gekennzeichneten Stellen sind Löcher im (nicht dargestell­ ten) nicht-leitenden Substrat vorgesehen, um eine leitende Verbindung zur Unterseite des Substrates herzustellen. Jedoch würden sich geschlossene Schleifen innerhalb der Abschirm-Spiralleitungen 2 ergeben, was bei einem auftretenden Magnet­ feld zu einem Kurzschlußstrom führen würde. Aus diesem Grund sind an der mit 4 gekennzeichneten Stelle der Spule Unterbre­ chungen in den Abschirmleitungen 2 angebracht. Diese Unter­ brechungen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel alle an derselben Stelle 4, können jedoch prinzipiell an beliebiger Stelle vorgesehen sein.

Das innere Ende der Spiralspule 1 weißt ebenfalls eine Durch­ kontaktierung 3 auf durch die eine Verbindung zu den Ab­ schirmleitungen 2 hergestellt ist. Der Anschluß dieses inne­ ren Spulenendes kann daher über die Zuleitungen 5 der Ab­ schirmleitungen 2 erfolgen.

Auf der der Antennenspule gemäß Fig. 1 gegenüberliegenden Seite des nichtleitenden Substrates kann ein Abschirmteil ge­ mäß Fig. 2 vorgesehen sein. Dieses Abschirmteil ist durch eine leitende Fläche 6 gebildet, die der Unterseite der An­ tennenspule gemäß Fig. 1 benachbart ist. Sie deckt dabei im wesentlichen den Bereich der Spulenwindungen 1 bzw. Leiter­ schleifen ab. Die leitende Fläche 6 ist mit Schlitzen 7 ver­ sehen, um Wirbelströme zu vermeiden. Auch hier ist in erfin­ dungsgemäßer Weise eine Unterbrechung 8 vorgesehen, um einen Kurzschlußstrom zu unterbinden. In Fig. 2 sind in gleicher Weise wie in Fig. 1 Durchkontaktierungen durch Punkte 3 dar­ gestellt. Durch diese Durchkontaktierungen sind sämtliche Ab­ schirmteile 2, 5, 6 miteinander sowie mit dem inneren An­ schluß der Antennenspule 1 verbunden.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Antennenspule mit Abschirmteilen können die Einflüsse von elektrischen Störfel­ dern sehr effektiv verringert werden. Wenn die Unterbrechun­ gen 4 bzw. 8 in den Abschirmteilen 2 bzw. 6 durch frequenzse­ lektive Schaltungen überbrückt werden, kann für bestimmte Frequenzen ein Kurzschluß erreicht werden, so daß bei diesen Frequenzen auch der Einfluß magnetischer Störfelder verrin­ gert werden kann.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenspule. Auch dort sind die Spulenwindungen sowie die Abschirmteile in Form gedruckter Leitungen beispielsweise mittels Siebdrucktechnik auf ein nicht leitendes (ebenfalls nicht dargestelltes) Substrat auf­ gebracht. Ein erster Anschluß 10 führt zum Anfang von Spulen­ windungen 20, die mit einer Durchkontaktierung 11a enden. Die Durchkontaktierung 11a führt zur anderen Seite des nicht­ leitenden Substrats zum Anfang 11b einer dort aufgedruckten Spule 30. Diese weitere Spule 30 endet in einer Durchkontak­ tierung 12a, die wiederum zur ersten Seite des Substrats führt und dort mit dem Ende 12b eines zweiten Anschlusses 13 verbunden ist. Ein weiterer Anschluß 14 dient zur Kontaktie­ rung von Abschirmleitungen 15a, 15b, 15c sowie über Durchkon­ taktierungen zu Abschirmleitungen 16a, 16b, 16c auf den bei­ den Seiten des nichtleitenden Substrats. Alle Abschirmleitun­ gen 15a . . . 16c weisen an einer mit 17 gekennzeichneten Stel­ le in erfindungsgemäßer Weise Unterbrechungen auf, um Kurz­ schlußströme zu unterbinden. An den Enden der jeweils äußeren Abschirmleitungen sind Anschlußflächen 18 angeordnet, um eine frequenzselektive Schaltung kontaktieren zu können.

Das erfindungsgemäße Prinzip der Abschirmung einer Antennen­ spule, um störende elektrische und in Weiterbildung auch ma­ gnetische Felder unterdrücken zu können, ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So können die Spulen beliebige Formen annehmen und in beliebiger Weise auf das Substrat aufgebracht sein. Das erfindungsgemäße Abschirm­ prinzip ist auch nicht auf planare Antennenspulen beschränkt sondern auf jede Form von Antennenspule anwendbar.

Claims (9)

1. Antennenspule gebildet mit wenigstens einer Spulenwindung (1; 20, 30), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seite der Spule mit einer leitenden, im wesentlichen den Bereich der Spulenwindung(en) (1; 20, 30) abdeckenden und eine offene Schleife bildenden Abschirmung (2; 15a . . . 16c) versehen ist.

2. Antennenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Spulenwindungen (20, 30) zwischen diesen Windungen offene Schleifen bildende Abschirmungsteile (15a, 15b, 16b, 16c) angeordnet sind.

3. Antennenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsteile (6), die im wesentlichen senkrecht zur Spulenachse verlaufen, Schlitze (7) aufweisen.

4. Antennenspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung (4; 17) zumindest einer Abschirmungs­ schleife (2; 15a . . . 16c) durch eine frequenzselektive Schal­ tung überbrückt ist.

5. Antennenspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwindungen (1; 20, 30) als auf einem nichtlei­ tenden Substrat gedruckte oder geätzte Leiterbahnen ausge­ führt sind.

6. Antennenspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwindungen (20, 30) auf beiden Seiten des Substrats angeordnet und miteinander verbunden sind.

7. Antennenspule nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsteile (2, 5, 6; 15a . . . 16c) ebenfalls als gedruckte Leitungen ausgeführt sind.

8. Antennenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (2) mit einem der Spulenanschlüsse ver­ bunden ist.

9. Antennenspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abschirmungsteile (2; 15a . . . 16c) an derselben Stelle (4; 17) der Spule eine Unterbrechung aufweisen.