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Die Erfindung betrifft eine Platinenantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Planare Antennen werden häufig als Struktur auf eine Platine gebracht, zum Beispiel PIF-Antennen (Planar Inverted F-Shaped Antenna). Diese Antennen haben den Nachteil, dass die Ströme bei fortschreitender Miniaturisierung nur in den Kanten fließen und die Feldstärken der Felder im Platinenmaterial relativ hoch werden. Dadurch ergeben sich hohe Verluste.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Platinenantenne dahingehend zu gestalten, dass deren Verluste geringer werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Platinenantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Platinenantenne mit zwei deckungsgleich auf einer Isolierschicht gegenüberliegende Leiterbahnen und den leitfähigen Schichten zwischen den Kanten der Leiterbahnen ergibt sich ein geschlossener rechteckiger Mantel aus elektrisch leitfähigen Material um einen rechteckigen Kern aus Isoliermaterial. Der elektrische Strom ist jetzt nicht mehr auf die Kanten der Leiterbahnen beschränkt, sondern kann sich im gesamten leitfähigen Mantel ausbreiten. Da zwischen den Enden des Strahlers die Isolierschicht der Platine entlang der Kanten des Strahlers aufgetrennt ist, kann das elektrische Feld des Strahlers in einen Raum austreten, in dem zumindest in unmittelbarer Nähe kein verlustbehaftetes Dielektrikums in Form des Isoliermaterials vorhanden ist. Aufgrund des Stromverdrängungseffekts bei hohen Frequenzen ist zudem die Eindringtiefe im elektrisch leitfähigen Material gering, so dass bereits die Schichtdicke der Leiterbahnen und der leitfähigen Schichten an den Seiten eine optimale Leiterform darstellen.
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Die erfindungsgemäße Lösung nutzt zudem Fertigungsschritte aus, die bei einer üblichen Platinenfertigung ohnehin ausgeführt werden. So werden die meisten Platinen als doppelseitige Platine oder mehrlagige Platine hergestellt. In diesem Prozess werden vor dem eigentlichen Strukturieren des Leiterbahnenbildes die Durchkontaktierungen gefertigt. In diesem Prozess können auch beliebig geformte Durchkontaktierungen und auch Schlitze, die mit realisiert werden, gefertigt werden. Es lassen sich so leitende Strukturen fertigen, die die Dicke der Platine haben und somit eine bessere Stromverteilung bieten.
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Die leitfähige Schicht an den Seiten der Isolierschicht kann durchgehend vorhanden und am Anfang und am Ende des Strahlers durch Bohrungen oder Fräsungen mit einer lichten Weite größer als ein durch die aufgetrennte und entfernte Isolierschicht der Platine entstandenen Spalt unterbrochen sein.
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Die leitfähige Schicht kann so im Rahmen der Platinenfertigung mit hergestellt werden und erst später gezielt vom übrigen leitfähigen Material getrennt werden. Dabei ist lediglich eine Bohrung oder Fräsung nötig, die etwas größer als der bereits vorhandene Spalt sein muss, wodurch der Bohrer oder Fräser durch den vorhandenen Spalt automatisch zentriert wird.
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Vorzugsweise ist der Strahler an einer Außenseite der Platine angeordnet.
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Dadurch liegt der Strahler über ein Winkelsegment von fast 360° um die Strahlerachse frei, so dass in diesem Winkelsegment keine Dämpfung der elektrischen Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes durch irgendwelche leitfähigen Bestandteile der Platine eintreten kann.
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Parallel zum Strahler und zur Innenseite der Platine weisend kann ein Leiter angeordnet sein, der einen kapazitiven Belag zum Strahler darstellt.
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Ein mechanisch verkürzter Strahler kann so über den kapazitiven Belag elektrisch verlängert werden.
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Bei einer praktischen Ausgestaltung umfasst der einen kapazitiven Belag zum Strahler darstellende Leiter sowohl gegenüberliegende Leiterbahnen der beidseitig beschichteten Platine als auch die leitfähige Schicht an der Seite des Schlitzes, die parallel zum Strahler verläuft. Die leitfähige Schicht verbindet außerdem die gegenüberliegenden Leiterbahnen elektrisch leitend. Hier weist der Leiter einen U-förmigen Mantel aus elektrisch leitfähigem Material um einen Kern aus Isoliermaterial auf.
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Dadurch stehen sich die leitfähigen Schichten des Strahlers und des kapazitiven Belags parallel gegenüber, so dass sich dazwischen die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes ausbilden kann und einen besonders hohen Anteil des kapazitiven Belags bildet.
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Ferner kann der Strahler einen von einer Geraden abweichenden Verlauf aufweisen.
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Dadurch kann der Strahler an die Form eines Gehäuses angepasst werden und bei einem von einer Geraden abweichenden Verlauf die mechanische Länge des Strahlers vergrößert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Strahler zwischen seinem Anfang und Ende einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen.
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Hierdurch kann der mechanische und elektrische Verlauf des Strahlers zwischen seinem Anfang und Ende verlängert werden, ohne dessen Gesamtabmessungen zu verlängern.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer kreisförmigen Platine mit einer Platinenantenne,
- 2 eine schematische Draufsicht auf kupferkaschiertes Platinenmaterial, in das Strukturen gefräst werden,
- 3 das Platinenmaterial nach Metallisierung der Seitenflächen der gefrästen Schlitze,
- 4 eine Draufsicht auf eine Belichtungsmaske für die Strukturierung der Leiterbahnen,
- 5 eine Draufsicht auf die Leiterplatte mit resultierenden Strukturen nach einem Ätzprozess,
- 6 eine Draufsicht auf die Leiterplatte mit gefräster Außenkontur des Strahlers einer Antenne und Bohrungen zur Unterbrechung der Metallisierung von Seitenflächen,
- 7 eine Draufsicht auf eine fertige Leiterplatte und
- 8 einen Schnitt durch die Leiterplatte nach 7 entlang einer Schnittlinie
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer kreisförmigen Platine 12 mit einem Strahler 14. Die übrige Leiterplatte 46 kann für eine individuelle Schaltung vorgesehen sein, enthält hier aber keine individuelle Leiterbahnenstruktur.
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Die Platine 12 ist doppelseitig beschichtet und der Strahler 14 ist durch einen gefrästen Spalt 38 von der übrigen Leiterplatte 46 getrennt. Der Strahler 14 ist in Form eines Kreisabschnitts gebogenen mäanderförmig ausgeführt. Auch dieser Verlauf ist durch Fräsungen entstanden. Die verbleibende Oberfläche bildet Leiterbahnen 22 und 24 des Strahlers 14 Die zwischen den Leiterbahnen 22 und 24 der Platine 12 liegende Isolierschicht ist an ihren Seiten jeweils mit einer leitfähigen Schicht 26 und 28 beschichtet, die wie die Oberflächen der Platine aus Kupfer bestehen kann. Auch die übrigen Seitenflächen der Platine 12 sind mit leitfähigen Schichten beschichtet. An einem Anfang 16 des Strahlers befindet sich eine Einkoppelanordnung, während am anderen Ende 18 ein Abstimmglied angeordnet sein kann. Am Ende 18 des Strahlers 14 sind die Leiterbahnen 22 und 24 durch Ätzungen 42 unterbrochen. Die leitfähigen Schichten 26 und 28 an den Seitenflächen der Isolierschicht sind am Anfang 16 und Ende 18 des Strahlers 14 hingegen durch Bohrungen 44 oder Fräsungen unterbrochen.
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Die übrige Leiterplatte bildet an der zum Strahler 14 weisenden Seite einen Leiter, der aus zu beiden Seiten des Isoliermaterials liegenden Leiterbahnen 34 und 36 des Platinenmaterials und einer die Leiterbahnen 34 und 36 verbindenden leitfähigen Schicht 32 besteht. Hierdurch entsteht ein Kapazitätsbelag der Strahlers 14. Durch diesen Kapazitätsbelag, die Mäandrierung und den Kreisbogen ist die geometrische Länge des Strahlers 14 zwischen seinem Anfang 16 und seinem Ende 18 sowohl mechanisch als auch elektrisch verlängert.
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14 Ein Querschnitt durch den Strahler stellt einen geschlossenen rechteckigen Mantel aus elektrisch leitfähigem Material um einen rechteckigen Kern aus Isoliermaterial dar. Da der bei hohen Frequenzen wirksame Skineffekt ohnehin für eine geringe Eindringtiefe der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes in das leitfähige Material sorgt, ist die Leitfähigkeit des Kerns unerheblich und der im Querschnitt rechteckige Mantel wird somit optimal genutzt.
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In den folgenden Figuren wird anhand einer Platine der Herstellungsprozess bis zur Fertigstellung einer Platinenantenne dargestellt. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf kupferkaschiertes Platinenmaterial 10, in das Strukturen 20 gefräst werden. Die Pfeile veranschaulichen, in welchen Bahnen das Fräswerkzeug bewegt wurde. Durch den Fräsvorgang entstehen Schlitze, deren Seitenflächen an die Kupferkaschierung und dazwischen das Isoliermaterial angrenzen. Diese Seitenflächen werden in einem nächsten Schritt mit einer leitfähigen Beschichtung versehen, die durch eine Metallisierung realisiert wird.
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3 zeigt das Platinenmaterial nach Metallisierung der Seitenflächen der gefrästen Schlitze. Zur besseren Sichtbarkeit ist die Dicke der Metallisierung stärker ausgeprägt gezeichnet als ihren wirklichen Abmessungen entspricht. Die Metallisierung wird in diesem Schritt ohnehin durchgeführt, um Bohrungen für die Anschlüsse der Bauteile zu metallisieren um Leiterbahnen in mehreren Ebenen und/oder auf beiden Seiten der Leiterplatte gemeinsam zu kontaktieren und zu verbinden.
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Nachdem die Kupferlagen an den Stellen der Bohrungen und der gefräster Schlitze durch die Metallisierung verbunden sind, werden die Leiterbahnen hergestellt.
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4 zeigt dazu eine Belichtungsmaske für die Strukturierung der Leiterbahnen. Hiermit wird eine lichtempfindliche Beschichtung der Platine belichtet, damit das belichtete Material nach der Entwicklung durch Ätzen entfernt werden kann.
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5 zeigt resultierende Strukturen der Leiterbahnen nach dem Ätzprozess. Die Draufsicht zeigt ein verbleibendes Leiterbild auf einer Platinenseite 40 und verbleibende Kantenmetallisierung 30. Die Struktur auf der Unterseite der Platine kann im Bereich der restlichen Schaltung abweichen. Zwischenlagen sind ebenfalls möglich.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die in 5 dargestellte Leiterplatte, jedoch mit gefräster Außenkontur des Strahlers der Platinenantenne. Eine Fräsbahn 50 ist entlang eines Pfeils dargestellt. Außerdem sind Bohrungen 60 dargestellt, mittels denen die seitlichen Metallisierungen der Schlitze aufgetrennt sind, um die Enden der leitfähigen Bereiche zu bilden.
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7 zeigt eine Draufsicht auf eine fertige Leiterplatte. Auf der Platinenseite 40 befindet sich eine transformierende Leiterschleife 70, die aufgrund der Seitenmetallisierung minimale Verluste aufweist. Ein Strahler wird von einer mäandrierten Struktur 80 gebildet, die aufgrund der kompletten Umschließung mit leitfähigem Material einen minimalen ohmschen Verlust bietet. Ein Luftspalt 110 verbessert zusätzlich die Effizienz, da hier keine Verluste im Dielektrikum des Platinenmaterials entstehen.
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Zusätzliche Elemente sind durch eine Einspeisung 100 an einem Ende der Strahlers 80 und eine Trennung 90 am anderen Ende des Strahlers gebildet. Am Ende des Strahlers kann hier noch z. B. ein Kondensator zur Abstimmung vorgesehen werden. Zur Stabilisierung des durch den Schlitz geschwächten Platinenmaterials kann eine Verstärkung 120 vorgesehen sein.
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8 zeigt schließlich einen Schnitt durch die Platine entlang einer in 7 dargestellten Schnittlinie 130. Dargestellt sind dort Isolier- und Trägermaterial 140, Kupferbeschichtungen 150 und Metallisierungen 160.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Platinenmaterial
- 12
- Platine
- 14
- Strahler
- 16
- Anfang
- 18
- Ende
- 20
- Struckturen
- 22
- Leiterbahn
- 24
- Leiterbahn
- 26
- leitfähige Schicht
- 28
- leitfähige Schicht
- 30
- Kantenmetallisierung
- 32
- leitfähige Schicht
- 34
- Leiterbahn
- 36
- Leiterbahn
- 38
- Spalt
- 40
- Platinenseite
- 42
- Ätzungen
- 44
- Bohrungen
- 46
- übrige Leiterplatte
- 50
- Fräsbahn
- 60
- Bohrungen
- 70
- Leiterschleife
- 80
- Struktur
- 90
- Trennung
- 100
- Einspeisung
- 110
- Luftspalt
- 120
- Verstärkung
- 130
- Schnittlinie
- 140
- Isolier- und Trägermaterial
- 150
- Kupferbeschichtungen
- 160
- Metallisierungen
