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Die
Erfindung betrifft ein SMT-bestückbares (surface mount
technology) Antennenelement für den Einsatz in schmalbandigen
ISM-Funksystemen (Industrial, Scientific, Medical – lizenzfrei
nutzbare Frequenzbereiche), insbesondere seine Verwendung in einem
Wärmemengenzähler.
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Bekannt
ist aus der
DE 101
13 349 A1 eine Antenne mit einem dielektrischen oder permeablen Substrat
und mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, die insbesondere
zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich vorgesehen ist
und sich dadurch auszeichnet, dass das Substrat mindestens eine
Aushöhlung aufweist. Die Aushöhlung ist vorzugsweise
in eine Stirnfläche eingebracht, so dass dieses im Wesentlichen
die Form eines U-Profils erhält. Durch diese Aushöhlung
wird nicht nur der Strahlungswirkungsgrad erhöht, sondern auch
das Gesamtgewicht der Antenne erheblich reduziert. Weitere Vorteile
der Antenne bestehen darin, dass sie neben einem hohen Grad an Miniaturisierung
die Möglichkeit der Oberflächenmontage (SMD) auf
zum Beispiel einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) bietet.
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Die
DE 100 55 123 C2 beschreibt
eine Inverted-F-Antenne, bei der auf einer Trägerschicht
eine Metallschicht derart partiell aufgetragen ist, dass zumindest
ein Antennenarm, ein äußerer Querbalken sowie
ein innerer Querbalken der Inverted-F-Antenne durch einen metallfreien
Teil der Trägerschicht gebildet wird, der die Metallschicht
in eine Massefläche und eine Anschlussfläche trennt,
wobei die Massefläche und die Anschlussfläche
derart aufgetragen sind, dass sie die Konturen des metallfreien
Teils der Inverted-F-Antenne bilden. Die beschriebene Antenne erscheint
komplementär zu einer üblichen Inverted-F-Antenne,
da keine metallischen Streifenleiter die F-Form bilden, sondern
Schlitze, die zwischen einer Metallschicht MASSE und einem metallischen Abschnitt
MS verlaufen bzw. durch diesen begrenzt sind.
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Die
EP 1 921 710 A2 beschreibt
eine Antenne mit zwei Resonanzfrequenzen. Die Antennenstruktur ist
so ausgebildet, dass sie als Inverted-F-Antenne mit einer ersten
Resonanzfrequenz und als gefalteter Monopol mit einer zweiten Resonanzfrequenz
arbeitet. Die Antenne besteht aus einer Massefläche mit
gerader Kante, einem dazu parallel angeordneten ersten Antennenelement
sowie einem zweiten und dritten Antennenelement. Das zweite Antennenelement
erstreckt sich zwischen der Kante der Massefläche und dem
ersten Antennenelement. Das eine Ende des zweiten Antennenelements
liegt in der Nähe zum Verbindungselement und bildet den
Fußpunkt zum Einspeisen des Signals, während das
andere Ende dem Fußpunkt abgewandt ist und mit dem ersten
Antennenelement verbunden ist. Das dritte Antennenelement ist so
angeordnet, dass das erste Antennenelement zwischen dem zweiten
und dem dritten Antennenelement liegt.
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Die
EP 1 764 866 A1 beschreibt
eine Monopolantenne für den Kurzstreckenfunk. Die elektrisch leitende
Struktur wird auf einem Substrat angeordnet und durch ein erstes
an den Fußpunkt der Antenne angeschlossenes gerades Strahlerelement,
einem parallel zum ersten Strahlerelement und mit diesem verbundenen
zweiten Strahlerelement sowie einem parallel zum ersten und zweiten
Strahlerelement angeordneten dritten Strahlerelement gebildet. Das
dritte Strahlerelement ist mit dem zweiten Strahlerelement verbunden
und bildet das offene Ende des Monopols.
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Der
heutige Trend geht nach immer kleinerwerdenden elektronischen Bauteilen
bzw. Baugruppen. Speziell für den Einsatz von elektronischen
Baugruppen bzw. Bauteilen im Bereich der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
entstehen besondere Probleme, da eine Vielzahl von Eigenschaften
von den physikalischen Abmessungen abhängig sind. Mit zunehmender
Frequenz werden die Wellenlängen kürzer, was zu
einer stärkeren Beeinflussung der speisenden Signalquelle
führen kann.
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Dies
trifft insbesondere für die Struktur der Antenne in einem
elektronischen Gerät zu. Die Antenne ist ein resonantes
Bauteil, das an die jeweiligen Anwendungen oder den Betriebs-Frequenzbereich anzupassen
ist.
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Im
Allgemeinen werden zur Übertragung der gewünschten
Information bzw. der modulierten HF-Signale Drahtantennen oder gewendelte
Drahtantennen verwendet. Um gute Abstrahl- und Empfangseigenschaften
zu erzielen, sind bestimmte physikalische Längen zwingend
erforderlich.
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Um
die Nachteile der Drahtantennen zu vermeiden, wurden Antennen entwickelt,
bei denen eine oder mehrere resonanten metallische Strukturen auf einem
formstabilen dielektrischen Substrat aufgebracht sind.
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Da
die Wellenlängen im Dielektrikum im Vergleich zum Vakuum
wesentlich kleiner ist, lassen sich Antennen mit wesentlich geringeren
Abmessungen herstellen.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Antennen besteht darin, dass sie durch Oberflächenmontage
durch Auflöten und Kontaktieren mit Leiterbahnen und – falls benötigt – zusammen
mit anderen Bauteilen oder Baugruppen direkt auf eine Elektronikplatine
aufgebracht werden können, ohne dass zusätzliche
Haltestifte, Schrauben, Steckverbinder, Kabel o. ä. zum Zuführen
der elektromagnetischen Leistung bzw. zur mechanischen Fixierung
erforderlich sind.
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Eine
Aufgabe besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik
verbesserte Antenne anzugeben, insbesondere eine, welche im Hinblick
auf ihre Abstrahlungseigenschaften sowie die automatisierte Bestückbarkeit
weiter verbessert ist.
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Außerdem
soll eine Antenne geschaffen werden, die ein geringes Volumen und
Gewicht aufweist und durch Oberflächenmontage (SMT) auf
die Schaltungsplatine aufgebracht werden kann. Robustheit gegenüber
Schock, Fall und Vibration soll gegeben sein. Dabei soll die Antenne
so konfiguriert sein, dass sie zur Signalübertragung in
einem Wärmemengenzähler einsetzbar ist. Die Herstellung
soll mit kostengünstigen Standardprozessen möglich
sein.
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Gelöst
wird die Aufgabe dadurch, dass auf einer aus einem dielektrischen
Substrat gebildeten Trägerplatine eine Leiterzugstruktur,
bestehend aus einem auf der Vorderseite der Trägerplatine
angeordneten vertikalen Strahlerabschnitt sowie einem vorlaufenden
Strahlerabschnitt und auf der Rückseite der Trägerplatine
angeordneten rücklaufenden Strahlerabschnitt, zur Bildung
einer kompakten Bauform vorgesehen ist. Die Trägerplatine
weist dabei vorzugsweise die Form eines rechteckigen Quaders auf.
Der vorlaufende Strahlerabschnitt, der sich an das Ende des vertikalen
Strahlerabschnittes anschließt, verläuft im wesentlichen
dazu horizontal. Der rücklaufende Strahlerabschnitt und
der vorlaufende Strahlerabschnitt sind auf verschiedenen Seiten
der Trägerplatine angeordnet und vorzugsweise an den entfernten
Enden dieser Strahlerabschnitte mittels einer Durchkontaktierung
miteinander verbunden, wodurch sich eine gewünschte Faltung
ergibt.
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Auf
der Vorderseite des Antennenelements ist ein Masseanschluss vorgesehen,
der zusammen mit zwei gekoppelten dünnen Leiterzügen
die Impedanzanpassung an 50 Ohm bildet. Jeweils auf der Vorder-
und Rückseite des Antennenelements sind Masseflächen
vorgesehen, welche die Referenz (Bezugsmasse) für die Impedanzanpassung
und die gekoppelten Leiterzüge bilden. Zur Befestigung
und Kontaktierung des Antennenelements an bzw. mit der Grundplatine
sind an einer der Stirnseiten lötbare Kontaktierungen vorgesehen,
so dass die Trägerplatine im montierten Zustand senkrecht
auf der Grundplatine steht.
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Durch
den auf der Vorderseite angeordneten vorlaufenden Strahlerabschnitt
und den auf der Rückseite angeordneten rücklaufenden
Strahlerabschnitt, die mit maximal einer Durchkontaktierung (Via)
verbunden sind, besteht die Möglichkeit, durch Dickentoleranzen
des dielektrischen Substrates verursachte Längentoleranzen
gering zu halten.
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Zur
Fixierung in entsprechenden Löchern in der Grundplatine
und zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit sind an einer der
Stirnseiten zusätzlich eventuell galvanisch metallisierte,
optional konische Füße angeordnet, welche die
Bestückung in der automatischen Lötmontage und
die mechanische Stabilität verbessern. Die Ausführung
als dicker Quader, dessen Verhältnis Höhe zu Dicke
(Breite) ein gewisses Maß nicht überschreitet,
erlaubt es, dass das Antennenelement bei der automatisierten Bestückung
auf der Grundplatine auch bei unvermeidlichen Vibrationen beim Transport
in der Fertigungslinie bis zur entgültigen Verlötung
stehenbleibt. Durch Verwendung eines dünneren und höheren
Antennenelementes wäre dieses „stabile” Verhältnis überschritten,
so dass die Vorteile verlorengingen.
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Der
Hauptvorteil dieses Antennenelements liegt jedoch in seiner extrem
kompakten Bauform und leichten Integrierbarkeit. Seine Impedanz-Anpassung
an 50 Ohm erfolgt über die spezielle Leiterzugstruktur.
Das Antennenelement wird auf der Grundplatine stehend betrieben,
um eine omnidirektionale Abstrahlung und einen guten Wirkungsgrad zu
erreichen. Die Kontaktierung und Fixierung erfolgt über
Lötanschlüsse (angefräste Halb-Vias).
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Nachstehend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert werden. Es zeigen
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1:
Vorderseite des Antennenelements
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2:
Rückseite des Antennenelements
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Das
Antennenelement umfaßt eine quaderförmige aus
einem dielektrischen Substrat bestehende Trägerplatine
mit den Abmessungen 10 × 28 mm bei einer Dicke von 3,2
mm, auf dessen Oberflächen der Vorder- und Rückseite
sich eine resonante Leiterzugstruktur befindet. Die Leiterzugstruktur
ist durch eine oder mehrere Metallisierungen, vorzugsweise zwei
Kupferlagen, gebildet und auf die Trägerplatine aufgebracht.
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Die
Leiterzugstruktur besteht auf der Vorderseite der Trägerplatine
(1) aus dem vorlaufenden Strahlerabschnitt 8 und
dem vertikalen Strahlerabschnitt 10, die über
die gekoppelten Leitungen 6 einerseits über den
Masseanschluss 7 mit der vorderseitigen Bezugsmassefläche 11 und
andererseits über die gekoppelten Leitungen 6 mit
dem Speisepunkt 1, der als angefräste Durchkontaktierung (Halb-Via)
an der unteren Stirnseite ausgebildet ist, verbunden sind.
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Weiterhin
sind an der unteren Stirnseite die Masseanschlusspunkte 2 und 3 sowie
ein potentialfreier Lötpunkt 4 angeordnet. Diese
dienen zum einen zur Fixierung des Antennenelements auf der Grundplatine
d. h. als Lötpunkte, mit denen das Antennenelement durch
Oberflächenmontage (SMT) auf die Grundplatine aufgelötet
wird und zum anderen zur galvanischen Kontaktierung der Bezugsmasse.
Ausgebildet sind diese auch als angefräste Durchkontaktierung
(Halb-Via). Der potentialfreie Lötpunkt 4 dient
der weiteren mechanischen Fixierung und kann auf Masse gelegt werden.
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Auf
der Rückseite der Trägerplatine (2) ist
der rücklaufende Strahlerabschnitt 9 sowie die rückseitige
Bezugsmassefläche 11 vorgesehen. Der vorlaufende
Strahlerabschnitt 8 und der rücklaufende Strahlerabschnitt 9 sind
durch eine Durchkontaktierung (Via) 5 miteinander verbunden.
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Die
Ausfräsung 12 in der Trägerplatine des Antennenelements
ist für die Funktionsweise der Antenne nicht notwendig.
Die Ausfräsung 12 dient zur Schaffung eines Platzes
für eine Rastnase im Gehäuse eines Wärmemengenzählers.
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Die
Montage des Antennenelements erfolgt derart, dass die Trägerplatine
senkrecht zur Grundplatine steht.
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Das
erfindungsgemäße Antennenelement kommt vorzugsweise
in einem Wärmemengenzähler, der an Heizungsanlagen
angebracht ist, zum Einsatz. Dadurch ist es möglich, den
Wärmemengenverbrauch über eine Funkstrecke zu
erfassen.
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Die
Antenne wird am Speisepunkt 1 über eine 50-Ohm-Leitung
(z. B. Mikrostreifenleitung) durch einen HF-Generator (Sender) gespeist.
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Umgekehrt
können auch von der Antenne empfangene Signale an eine
50-Ohm-Leitung zum Empfänger hin abgegeben werden. Die
Leistungsanpassung des Antennenfußpunktes an den Leitungswellenwiderstand
(50 Ohm) wird durch die gekoppelten Leitungen 6 im Zusammenspiel
mit der elektrischen Länge des gesamten Monopol-Strahlerelementes 5, 8, 9, 10 erzeugt.
Durch Variation der gesamten Strahlerlänge und der Einzellängen
der gekoppelten Leitungen 6 sowie der Lage des Masseanschlusses 7 kann
der Frequenzbereich, in welchem die Impedanzanpassung vorherrscht,
verschoben werden. Damit ist es möglich, diese Antennenform
für verschiedene Arbeitsfrequenzen und Einbaubedingungen
zu optimieren.
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Die
Aufteilung des Strahlerelementes in einen vorlaufenden Strahlerabschnitt 8 und
einen rücklaufenden Strahlerabschnitt 9 im Gegensatz
zu einer gestreckten Ausführung bringt eine deutliche Reduzierung
des benötigten Bauraumes mit sich, was für heutige
Anwendungen mit in die Elektronik integrierten Antennen sehr nützlich
ist.
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Durch
geeignete Wahl der elektrischen Eigenschaften des verwendeten Substrats
kann die Antenne im Gegensatz zu nicht-gedruckten Monopolantennen
deutlich verkürzt werden.
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Eine
hohe Dielektrizitätskonstante Epsilon R des Substrates
führt zu einer deutlichen Vergrößerung
der elektrischen Länge des Strahlerelementes bei gleichbleibender
mechanischer Länge.
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Die
Antenne zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, welcher
durch Wahl des Substratmaterials und der Oberflächenveredelung
der Leiterzüge, sowie durch die Bauhöhe und Ausführung
der Grundplatine beeinflußt werden kann.
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- 1
- Speisepunkt
- 2
- Masseanschlusspunkt
- 3
- Masseanschlusspunkt
- 4
- potentialfreier
Lötpunkt
- 5
- Durchkontaktierung
- 6
- gekoppelte
Leitungen
- 7
- Masseanschluss
- 8
- vorlaufender
Strahlerabschnitt
- 9
- rücklaufender
Strahlerabschnitt
- 10
- senkrechter
Strahlerabschnitt
- 11
- Bezugsmassefläche
- 12
- Ausfräsung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10113349
A1 [0002]
- - DE 10055123 C2 [0003]
- - EP 1921710 A2 [0004]
- - EP 1764866 A1 [0005]