DE19732254A1 - Vorrichtung zur Übermittlung magnetischer Signale mittels einer Leiterplatte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übermittlung von Signalen mittels einer auf einer Leiterplatte angebrachten Leiterbahnschleife.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise bei Überwachungs- und Zutrittskontrollsystemen zur berührungslosen Datenerfassung in Kombination mit einem mobilen Datenträger benutzt. Solche Überwachungssysteme ersetzen z. B. bisherige Stechuhrensysteme. Anstelle bisher verwendeter Stech- oder Magnetstreifenkarten trägt eine Person nun einen batterielosen Chip bei sich. Diesem Chip ist eine Empfangsvorrichtung zugeordnet, die die Signale der Übermittlungsvorrichtung empfangen kann. Die Erfassung der Personendaten erfolgt nun nicht mehr durch Einführen einer Karte in ein Ablesegerät. Es genügt, daß der Chipbesitzer in die Nähe des Ablesegerätes kommt.

Dazu strahlt eine stationär, z. B. in der Nähe einer Eingangstür, angebrachte Vorrichtung der eingangs genannten Art über eine Leiterbahnschleife codierte magnetische Signale aus. Diese Signale werden vom mobilen Chip über eine korrespondierende Empfangsvorrichtung empfangen, ausgewertet und beispielsweise an Türöffner, Zeiterfassungs- oder Überwachungssysteme weitergegeben. Die sendende Leiterbahnschleife der stationären Vorrichtung und die Empfangsvorrichtung des mobilen Chips bilden dabei zusammen einen luftgekoppelten Transformator. Die Sendeleiterbahn der stationären Vorrichtung bildet die Primärspule, die korrespondierende Vorrichtung am mobilen Chip bildet die Sekundärspule.

Aus Umweltschutz- und Wartungsgründen sind die mobilen Datenträger batterielos konzipiert. Sie erhalten ihre Betriebsenergie vom stationären Ablesegerät, sobald sie in Reichweite kommen. Die Energieübertragung erfolgt wie bei einem Transformator durch Bildung eines magnetischen Feldes durch die Primärspule des Ablesegerätes, Kopplung der ersten und der zweiten Spule durch Annäherung des mobilen Chips an die Ablesevorrichtung und Induktion eines Stromflusses in der Empfangsvorrichtung des Chips.

Nachteilig bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art ist ihre vergleichsweise geringe Reichweite. Dies ist auf ihre Eigenschaft zurückzuführen, in der Leiterschleife nicht nur ein magnetisches, sondern auch ein elektrisches Feld auszubilden. Zur Übertragung der Daten wird jedoch lediglich das magnetische Feld benötigt, so daß die Abstrahlung von Energie über das elektrische Feld unnötige Verluste mit sich bringt.

Bekannte Lösungen aus dem konventionellen Elektrobereich sehen für die Abstrahlung magnetischer Signale eine aus einem koaxialen Antennenkabel bestehende Sendevorrichtung vor, bei der der zentrale Leiter als Transformator-Primärspule dient. Die ihn schlauchförmig umgebende Abschirmung verhindert einen Durchtritt des elektrischen Feldes, ohne das erwünschte magnetische Feld zu behindern. Da durch den Wechselstrom, der durch den zentralen Leiter fließt, in der Abschirmung Wirbelströme induziert werden, unterbricht man die Abschirmung in einem bestimmten Bereich, um zu verhindern, daß die Abschirmung einen geschlossenen Stromkreis bilden kann. Eine solche Vorrichtung vermindert durch ihre weitgehende Ummantelung die Abstrahlverluste des elektrischen Feldes und bewirkt dadurch eine höhere Sendereichweite.

Der Einsatz einer solchen konventionellen Sendevorrichtung ist allerdings wegen der angestrebten kompakten Bauweise nicht erwünscht. Es wären zusätzliche außen anzubringende Konstruktionselemente erforderlich.

Es besteht daher die Aufgabe, eine kompakte und leistungsfähige Vorrichtung zur Übertragung magnetischer Signale zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhatte Ausführungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Bei einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden Signale eines Rechenmoduls, welches sich auf einer Leiterplatte befindet, von einer das Rechenmodul ringförmig umgebenden Leiterbahn auf der Leiterplatte abgestrahlt. Diese Leiterbahn wird von einer elektrisch leitfähigen Abschirmung weitgehend bedeckt. Es verbleibt lediglich ein schmaler, offengelassener Bereich in der Abschirmung, der die Bildung von Wirbelströmen in der Abschirmung verhindert. Die elektrische Abschirmung verhindert weitgehend einen Durchtritt des elektrischen Feldes der Leiterbahn. Daraus resultiert eine Abstrahlung fast der gesamten Sendeleistung über das Magnetfeld der Sendespule. Dies bewirkt geringere Leistungsverluste durch eine deutlich höhere Sendereichweite bei einer gleichzeitig sehr kompakten Anordnung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, welche darstellen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Leiterplatte eines stationären Ablesegerätes nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung nach Fig. 1 von oben;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung nach Fig. 1 von unten;

Fig. 4 den obersten Layer einer Multilayerplatine mit einer Abschirmung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 den untersten Layer einer Multilayerplatine nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6 einen der inneren Layer einer Multilayerplatine mit einer Sendeleiterbahn nach der vorliegenden Erfindung.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art besitzt eine Leiterplatte 1 nach Fig. 1 mit einem Rechenmodul 2. Die Leiterplatte 1 ist, wie Fig. 2 zeigt, über ein Kabel 3 mit weiteren Teilen eines Überwachungssystems verbunden. Die auf der Oberseite angebrachten elektronischen Bausteine sind auf der Unterseite der Leiterplatte 1 über Lötkontakte 4 und Kontaktierungsleiterbahnen 5 verschaltet. Auf der Unterseite der Leiterplatte 1 befindet sich weiterhin - wie in Fig. 3 dargestellt - eine Sendeleiterbahn 9. Diese Sendeleiterbahn 9 bildet eine ebene Spirale mit drei Wicklungen. Sie wird über ihre Endpunkte 7 und 11 elektrisch kontaktiert. Im Betrieb werden über die Sendeleiterbahn 9 vom Rechenmodul bereitgestellte magnetische Signale abgestrahlt oder umgekehrt empfangen und an das Rechenmodul weitergeleitet.

Ein Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung besitzt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 eine Leiterplatte, die mehrere Ebenen (Layer) 15, 15', 15'' besitzt. Die Layer 15 bis 15'' sind in ihren Außenabmessungen deckungsgleich und besitzen jeweils eine nichtleitende Trägerplatte 13, auf der in definierten Bereichen Schichten aus leitfähigem Material aufgebracht sind.

Auf dem inneren Layer 15 ist entsprechend Fig. 6 eine ringförmig im Außenbereich der Leiterplatte verlaufende Sendeleiterbahn 9 aufgebracht. Sie besitzt zwei Kontaktierungsendpunkte 7 und 11. Die äußeren Layer 15' und 15'' sind wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, jeweils unter Auslassung eines Bereiches 6 mit Abschirmungsleiterbahnen 8 versehen, deren Breite größer als die der Sendeleiterbahn 9 ist. Vorteilhafterweise sind sie ebenfalls ungefähr ringförmig. Der Zusammenbau der Leiterplatte 1 nach diesem Ausführungsbeispiel sieht nun ein Aufeinanderschichten der drei Layer übereinander vor. Die Anordnung erfolgt dabei so, daß die elektrisch leitfähige Sendeleiterbahn 9 durch nichtleitfähige Trägerplatten 13 von den Abschirmungsleiterbahnen 8 und 18 der äußeren Layer 15' und 15'' isoliert wird. Durch eine solche Anordnung wird die Sendeleiterbahn 9 auf beiden Seiten der Ebene durch die Abschirmungsleiterbahnen 8 und 18 bedeckt. Um eine dreidimensionale Abschirmung zu erreichen, werden die beiden äußeren Abschirmungsleiterbahnen 8 und 18 durch senkrecht zur Ebene angebrachte Bohrungen 10, 10' miteinander verbunden. Diese Bohrungen 10, 10' sind so angebracht, daß sie in geringen Abständen zueinander und zur Sendeleiterbahn 9 zu beiden Seiten der Sendeleiterbahn 9 verlaufen. Eine Ausnahme bildet der Bereich 12, der dem Bereich 6 auf den äußeren Layern 15' und 15'' entspricht. In diesem Bereich werden die Abschirmungsleiterbahnen 8 und 18 unterbrochen, um die Bildung von Wirbelströmen in den Abschirmungsleiterbahnen verhindern. Die Kontakte 10 lassen sich z. B. durch Bohren der Multilayerplatine und anschließendes Metallisieren der Bohrungen herstellen. Eine solche dreidimensionale Abschirmung bewirkt eine weitgehende Abschirmung des elektrischen Feldes der Sendeleiterbahn.

In einer einfacheren, nicht dargestellten Variante kann die Sendeleiterbahn auch nur auf einer Seite durch eine Abschirmungsleiterbahn abgeschirmt werden. Durch die Anordnung der Leiterplatte vor einer leitfähigen Gehäusewand könnte die nun freiliegende zweite Seite durch die Gehäusewand abgeschirmt werden. Eine Verbindung zwischen der einzelnen Abschirmungsleiterbahn und der auf der anderen Seite der Leiterplatte liegenden Gehäusewand könnte in der oben beschriebenen Weise durch Bohrungen und Lötkontaktierung hergestellt werden können. Es wäre auch denkbar, Abschirmungsleiterbahnen in Form einer oder mehrerer leitfähiger Folien z. B. durch Aufkleben außerhalb der Leiterplatte anzubringen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Übermittlung magnetischer Signale zwischen einem mobilen Kommunikationspartner und der Vorrichtung, mit mindestens einer Leiterplatte (1), auf welcher eine als Transformator-Primärspule wirkende Sendeleiterbahn (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand zu dieser Sendeleiterbahn (9) eine weitere, als Abschirmung wirkende und die Sendeleiterbahn (9) im wesentlichen überdeckende Abschirmungsleiterbahn (8) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abschirmungsleiterbahn (18) im Abstand zu der Sendeleiterbahn (9) an der der ersten Abschirmungsleiterbahn (8) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und die Sendeleiterbahn (9) ebenfalls im wesentlichen überdeckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (9, 8, 18) auf unterschiedlichen Ebenen (15, 15', 15'') einer Multilayerplatine, welche die Leiterplatte (1) umfaßt, angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschirmungsleiterbahnen (8, 18) durch innenseitig metallisierte Bohrungen, welche durch die Multilayerplatine verlaufen, elektrisch miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen aus einer ersten Reihe von Bohrungen (10) und einer zweiten Reihe von Bohrungen (10') bestehen, wobei die erste Reihe außerhalb der Sendeleiterbahn (9) und die zweite Reihe (10') innerhalb der Sendeleiterbahn (9) verläuft.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Abschirmungsleiterbahnen (8, 18) an mindestens einer Stelle unterbrochen ist.