DE69420219T2

DE69420219T2 - Abstimmbare Leiterplattenantenne

Info

Publication number: DE69420219T2
Application number: DE69420219T
Authority: DE
Inventors: John Francis Kennedy
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: JPH07193419A; US5483249A; DE69420219D1; EP0646986B1; EP0646986A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Antennen zum Empfang von Hochfrequenzsignalen, sog. Radiofrequenz- bzw. RF-Signalen, und insbesondere auf die Abstimmung eines Resonanzraumes in einer gedruckten Schaltplatine.
Manche auf einer gedruckten Schaltplatine geformten Antennen besitzen eine Resonanzkammer, welche von einer Erd-Platte auf der einen Seite der Schaltplatine, einem als Blindschwanz bzw. Abstimmleiterbahn bezeichneten Formteil aus einem Blechstreifen auf der anderen Seite der Schaltplatine und einer elektrischen Verbindung zwischen diesen beiden gebildet wird. Form und Länge der Abstimmleiterbahn bestimmen dabei die Resonanzfrequenz der Kammer. Im allgemeinen ist die Abstimmleiterbahn von einem auf die Platine aufgeformten Blechstreifen gebildet. Zum Abstimmen solcher Antennen verwendet man feste Bauteile wie Kondensatoren und Drosseln. Verstellkondensatoren und Verstelldrosseln werden z. B. dazu eingesetzt, im Herstellungsprozeß eine gewünschte Resonanzfrequenz einzustellen, um so Schwankungen bei der Herstellung oder beim Einsatz von Ersatzwerkstoffen auszugleichen. Temperaturschwankungen, wie sie bei einem Kraftfahrzeug anzutreffen sind, bewirken jedoch eine Änderung der Charakteristik der festen Bausteine, was wiederum eine Verschiebung der Antennenfrequenz mit sich bringt.
Es ist nun wünschenswert, eine gewisse Herstellungsflexibilität in einer Antennenkonstruktion zu wahren. Wenn z. B. im Laufe der Lebensdauer der Schaltplatine bestimmte Materialien nicht verfügbar sind, können Ersatzmaterialien für die Schaltplatine verwendet werden. Dies kann dann ein Verschieben der Resonanzfrequenz verursachen. Es ist deshalb wünschenswert, Frequenzverschiebungen ausgleichen zu können, um so die Flexibilität in der Wahl des Bauteilmaterials zu wahren.
Die US-Patentschrift 4 367 474 beschreibt eine Antenne, welche ein dielektrisches Substrat mit einem quadratischen Leiterfleck aufweist, welcher einen Energieabstrahler mit einem aktiven Abstrahlbereich bildet, der von den Seiten des Quadrates definiert wird. Eine leitende Schicht bildet eine Erd-Platte auf · einer gegenüberliegenden Fläche des Substrates. Ein Radiofrequenzeingang wird mit einer wählbaren Frequenz am Leiterfleck angelegt. Es sind Mittel vorgesehen zur Änderung der Frequenzcharakteristik des aktiven Abstrahlbereiches. Diese Mittel beinhalten entweder leitende Stäbe oder schaltbare Dioden, die entlang einer Halbierenden oder einer Kante des Quadratflecks angeordnet sind.
Die US-Patentschrift 4 625 185 beschreibt eine Resonanzstreifenschaltung mit einem dielektrischen Substrat mit einem elektrisch leitenden Streifen auf einer ersten Fläche. Der Streifen ist allgemein G-förmig. Eine Metallfilmschicht wird auf die andere Fläche des Substrats aufgetragen. Das dielektrische Substrat ist aus Quarz hergestellt, und die Resonanzschaltung hat einen hohen Q-Faktor sowie eine hohe Trennschärfe. Eine wählbare Abstimmung des Resonanzkreises wird nicht beschrieben.
Die vorliegende Erfindung vermeidet vorteilhaft die Notwendigkeit fester Bausteine, ermöglicht jedoch weiterhin eine genaue Abstimmung der Resonanzfrequenz der Antenne.
Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine dielektrische Schicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, und eine auf der ersten Seite angebrachte elektrisch leitende Erd-Platte. Die Erfindung beinhaltet außerdem eine elektrisch leitende Abstimmleiterbahn, welche auf der zweiten Seite angeordnet ist und ein erstes und ein zweites Ende aufweist. Das erste Ende ist elektrisch mit der Erd-Platte (Referenz) verbunden, wodurch die Abstimmleiterbahn, die dielektrische Schicht und die Erd-Platte einen Resonanzraum mit einer Resonanzfrequenz bilden. Die Abstimmleiterbahn weist mehrere Abstimmbohrungen durch die dielektrische Schicht zwischen der elektrisch leitenden Erd-Platte und dem zweiten Ende des elektrisch leitenden Streifens auf. Diese Durchstiche werden selektiv mit leitendem Material ausgefüllt, bis die gewünschte Resonanzfrequenz erreicht ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden · Zeichnungen beispielartig näher erläutert; dabei zeigt:
Fig. 1: eine perspektivische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2: eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform,
Fig. 3: eine quergeschnittene Ansicht der bevorzugten Ausführungsform.
Bezieht man sich nun auf die Fig. 1-3, so weist die Schaltplatine 10 eine Oberseite 9 und eine Unterseite 11 auf, die beide eine Leiterschicht enthalten. Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Oberseite. Die obere Leiterschicht 10 bildet eine in der Metallschicht eingeformte Abstimmleiterbahn 14. Die Abstimmleiterbahn 14 ist ein durchgehender länglicher Streifen mit einer bestimmten Breite, der so geformt ist, daß er einen Bereich auf der oberen Fläche der Schaltplatine 10 im we sentlichen einschließt. Die bevorzugte Ausführungsform für die Abstimmleiterbahn 14 ist eine "G"-Form mit einer Breite, welche zwischen etwa 1,27 cm (0.5 Zoll) und 1,9 cm (0.75 Zoll) schwankt. Über eine Zugangsleitung 15 ist die Abstimmleiterbahn 14 mit einer (nicht dargestellten) Empfängerschaltung verbunden. Die Leiterbahn 14 ist aus einem leitenden Material wie z. B. einem Blechstreifen hergestellt und kann auch aus einem anderen Werkstoff wie z. B. versilbertem Kupfer hergestellt sein. Die Resonanzfrequenzen der bevorzugten Ausführungsform liegen im Bereich von mehreren hundert Megahertz. Diese hochfrequenten Signale laufen an den äußeren Rändern der Leiter wie z. B. der Abstimmleiterbahn 14 entlang. Eine sehr gut leitende Schicht wie z. B. Silber oder Kupfer wird auf der Abstimmleiterbahn angebracht, um den "Q"-Wert der Resonanzfrequenz des Streifens zu erhöhen.
Die Leiterschicht auf der unteren Seite 11 der Schaltplatine 10 ist eine Erd-Platte 12, welche von einer Metallschicht aus dem gleichen Werkstoff gebildet wird. Die Erd-Platte 12 ist so bemessen, daß sie wenigstens so groß wie die vom Umfang der Abstimmbahn 14 begrenzte Fläche ist. Die Erd-Platte ist über · verkupferte Durchstiche 16 in herkömmlicher Weise elektrisch mit einem ersten Ende der Abstimmleiterbahn 14 verbunden. Ein zweites Ende der Abstimmleiterbahn 14 hat eine Reihe von Abstimmbohrungen 24, die durch die Schaltplatine 10 hindurch mit leitendem Material ausgefüllt werden.
Die Erd-Platte 12, Durchstiche 16, Abstimmleiterbahn 14 und Abstimmbohrungen 24 bilden einen Resonanzraum 18, der bei einer gegebenen Radiofrequenz von einem empfangen RF- bzw. Hochfrequenzsignal in Resonanz tritt. Die Schaltplatine 10 wirkt dabei als ein Dielektrikum zwischen der Erd-Platte 12 und der Abstimmbahn 14. Die Schaltplatine 10 ist vorzugsweise aus einem allgemein bekannten Werkstoff wie FR4 hergestellt. Ein dielektrisches Material mit einer noch eher erwünschten hohen Dielektrizitätskonstante wie Aluminiumoxyd oder Teflon kann ebenfalls verwendet werden. Die Resonanzfrequenz des Raumes 18 hängt zumindest teil Weise von der Form und Länge der Abstimmbahn 14 ab. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Resonanzfrequenz der dargestellten Antenne 434 MHz mit einer Bandbreite von 18 MHz.
Eine bevorzugte Ausführung bringt sechs Abstimmbohrungen 24 zum Einsatz. Zur Änderung der Resonanzfrequenz des Raumes 18 werden die Bohrungen 24 selektiv mit Lot oder einer Kupferschicht ausgefüllt, so daß die Abstimmbahn elektrisch mit der Erd-Platte 12 kurzgeschlossen wird. Dadurch ändern sich die Induktion und Kapazität des Antennenraumes, so daß die Resonanzfrequenz der Antenne erhöht wird. Die Größe der Frequenzänderung hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich des körperlichen Abstandes zwischen den Durchstichen 16 (d. h. der Erd-Referenz) und den Abstimmbohrungen 24, der Form des Hohlraumes, der Dielektrizitätskonstante des Werkstoffes der Schaltplatine 10 und der Zahl der ausgefüllten Abstimmbohrungen usw.
Mit dem Ausfüllen der Durchstiche steigt die Resonanzfrequenz des Hohlraumes 18. In der bevorzugten Ausführung liegt die Resonanzfrequenz der Antenne bei 202 MHz, wenn keine der Bohrungen ausgefüllt ist. Mit dem Ausfüllen der nächsten vier Abstimmbohrungen 24 ändert sich die Frequenz auf jeweils etwa 395 MHz, · 410 MHz, 415 MHz und 433,95 MHz. Mit dem Ausfüllen weiterer Abstimmbohrungen sinkt die Stufengröße der Frequenzänderung.
Durch den Einsatz der Durchstiche 24 erübrigt sich der Einsatz einer externen Abstimmquelle wie z. B. eines Kondensators oder anderer diskreter Bausteine. Die Erfindung bietet so Mittel zur Kompensation der Schwankungen im Herstellungsprozeß. Außerdem kann, wenn im Verlauf der Herstellung andere Werkstoffe ersatzweise eingesetzt werden (z. B. ein Schaltkreisplatinenwerkstoff mit einer anderen Dielektrizitätskonstante), die eine Änderung der Resonanzfrequenz mit sich bringen würden, einfach eine andere Anzahl von Durchstichen ausgefüllt werden, um so die Resonanzfrequenz wieder herzustellen.
Des weiteren kann die Abstimmbahn 14 auch ein Segel 20 aufweisen. Das Segel 20 wirkt derart, daß es die Rundstrahlcharakteristik der Antenne verstärkt.
Die oben beschriebene RF-Antenne eignet sich für kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, weil temperaturempfindliche feste Abstimmkomponenten dadurch ausgeschaltet werden und die Erd- Referenz über die gesamte Herstellung hinweg konstant bleibt. Die Einbeziehung einer solchen Konstruktion in eine Antenne ermöglicht die Herstellung von Schaltkreisplatinen mit unterschiedlichen Werkstoffen, deren Frequenzänderungen durch die Anzahl jeweils ausgefüllter Abstimmbohrungen ausgeglichen werden können, die dann mit der Erd-Platte 12 kurzgeschlossen sind. Außerdem ermöglicht die Anordnung von zusätzlichen, noch nicht kurzgeschlossenen Abstimmbohrungen die Einstellung der Resonanzfrequenz während des Herstellungsprozesses. Der Fachmann wird zweifellos verschiedene Änderungsmöglichkeiten erkennen. So können z. B. Form und Länge der Antenne verändert werden, um so die Frequenz der beschriebenen Antenne zu ändern, ohne damit den Rahmen der Erfindung zu sprengen.

Claims

1. Abstimmbare Antenne zum Empfang und zur Weiterleitung eines RF-Signals an eine Empfängerschaltung, worin die abstimmbare Antenne folgendes aufweist:

eine im wesentlichen ebene dielektrische Schicht (10) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite;

eine auf besagter erster Seite angeordnete elektrisch leitende Erd-Platte (12);

eine auf besagter zweiter Seite angeordnete elektrisch leitende Abstimmleiterbahn (14) mit einem ersten Ende und einem von besagtem erstem Ende beabstandeten zweiten Ende, wobei besagtes erstes Ende elektrisch mit besagter Erd-Platte (12) verbunden ist, wobei besagte Abstimmleiterbahn (14), besagte dielektrische Schicht und besagte Erd-Platte (12) einen Resonanzraum (18) mit einer Resonanzfrequenz bilden;

wobei besagte Antenne dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektrisch leitende Abstimmleiterbahn (14) ein durchgehender länglicher Streifen ist, der so geformt ist, daß er einen Bereich auf der Oberfläche der besagten zweiten Seite im wesentlichen einschließt;

daß eine Zugangsleitung zur Empfängerschaltung zwischen besagtem erstem Ende und besagtem zweitem Ende des besagten länglichen Streifens vorgesehen ist;

daß mehrere Abstimmbohrungen (24) an besagtem zweitem Ende und durch besagte dielektrische Schicht (10) hindurch zwischen besagter elektrisch leitender Erd-Platte (12) und besagtem zweitem Ende des besagten länglichen Streifens vorgesehen sind,

und besagte Abstimmbohrungen (24) selektiv mit Lot oder einem Kupferauftrag ausgefüllt werden, so daß der längliche Streifen elektrisch kurzgeschlossen wird und eine Abstimmung der Resonanzfrequenz auf eine gewünschte Resonanzfrequenz erreicht wird, mit welcher die Empfängerschaltung gespeist wird, wobei die Stufengröße der Frequenzanpassung mit dem Ausfüllen zusätzlicher Abstimmbohrungen (24) abnimmt.

2. Empfängerschaltung und abstimmbare Antenne nach Anspruch 1, worin die Form der besagten Abstimmleiterbahn eine G-Form ist.

3. Verfahren zum Abstimmen einer abstimmbaren Antenne für den Empfang und die Weiterleitung eines RF-Signals an eine Empfängerschaltung, wobei die abstimmbare Antenne folgendes aufweist:

eine auf besagter erster Seite angeordnete elektrisch leitende Erd-Platte (12);

eine auf besagter zweiter Seite angeordnete elektrisch leitende Abstimmleiterbahn (14) mit einem ersten Ende und einem von besagtem erstem Ende beabstandeten zweiten Ende, wobei besagtes erstes Ende elektrisch mit besagter Erd-Platte (12) verbunden ist, wobei besagte Abstimmleiterbahn (14), besagte dielektrische · Schicht und besagte Erd-Platte (12) einen Resonanzraum (18) mit einer Resonanzfrequenz bilden;

wobei die elektrisch leitende Abstimmleiterbahn (14) ein durchgehender länglicher Streifen ist, der so geformt ist, daß er einen Bereich auf der Oberfläche der besagten zweiten Seite im wesentlichen einschließt; und

eine Zugangsleitung zur Empfängerschaltung zwischen besagtem erstem Ende und besagtem zweitem Ende des besagten länglichen Streifens vorgesehen ist; und

mehrere Abstimmbohrungen (24) an besagtem zweitem Ende und durch besagte dielektrische Schicht (10) hindurch zwischen besagter elektrisch leitender Erd-Platte (12) und besagtem zweitem Ende des besagten länglichen Streifens vorgesehen sind,

wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:

selektives Ausfüllen besagter Abstimmbohrungen (24) mit Lot oder einem Kupferauftrag, so daß der längliche Streifen elektrisch kurzgeschlossen wird und eine Abstimmung der Resonanzfrequenz auf eine gewünschte Resonanzfrequenz erreicht wird, mit welcher die Empfängerschaltung gespeist wird, wobei die Stufengröße der Frequenzanpassung mit dem Ausfüllen zusätzlicher Abstimmbohrungen (24) abnimmt.