EP2923409B1 - Antennenstruktur zur breitbandigen übertragung elektrischer signale - Google Patents

Antennenstruktur zur breitbandigen übertragung elektrischer signale Download PDF

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EP2923409B1
EP2923409B1 EP13805281.6A EP13805281A EP2923409B1 EP 2923409 B1 EP2923409 B1 EP 2923409B1 EP 13805281 A EP13805281 A EP 13805281A EP 2923409 B1 EP2923409 B1 EP 2923409B1
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EP
European Patent Office
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antenna structure
stripline
probe
set forth
carrier material
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EP13805281.6A
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EP2923409A1 (de
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Robert RAUM
Harry Schilling
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Moog GAT GmbH
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GAT Gesellschaft fuer Antriebstechnik mbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/206—Microstrip transmission line antennas

Definitions

  • the present invention relates to an antenna structure for broadband transmission of electrical signals, which has a strip conductor and a capacitive or inductive coupling with the strip conductor probe, wherein the strip conductor and the probe are arranged within a predetermined distance range between the probe and strip conductor in the longitudinal direction of the strip conductor relative to each other in that electrical signals can be transmitted without contact between the strip conductor and the probe, the strip conductor comprising at least one strip electrode facing the probe electrode and a reference electrode and a dielectric carrier material located between the strip electrode and the reference electrode.
  • Such an antenna structure is from the EP 1476956 B1 known.
  • stripline For the broadband transmission of electrical signals stripline and thus predominantly capacitive or predominantly inductively coupled probes are used.
  • Conventional strip conductors have at least one strip electrode facing the probe as well as a reference electrode and a dielectric carrier material located between the strip electrode and the reference electrode. If an electrical voltage is applied between the strip electrode and the reference electrode during operation of the device, there is a charge shift in the dielectric substrate and an electric field is formed. This electric field can trigger an electrical displacement current through capacitive coupling in the probe arranged within a predetermined distance range, so that electrical signals can be transmitted between the strip conductor and the probe.
  • an inductive coupling can be used for the transmission of electrical signals between stripline and probe. This is done by applying a voltage between the strip conductor and reference electrode formed magnetic field which induces a current in the probe.
  • the magnetic or electric fields generated for transmission can also disturb other electrical devices or components due to unwanted couplings. Especially in an electromagnetically sensitive working environment, such as in radar and computed tomography, it is therefore important to limit the extent of the generated fields. In addition, interference of the signal transmission due to unwanted coupling with external fields should be avoided. If structural shieldings are proposed in the prior art, these usually limit the relative movement between stripline and probe and, moreover, they are expensive and expensive to manufacture and assemble.
  • the invention described aims for the greatest possible symmetry of the dielectric on both sides of an electrical conductor and achieves this by using a foamed polyethylene material of high homogeneity and high symmetry with respect to the electrical center of the longitudinal axis of the conductor structure, wherein the dielectric has hollow structures and in particular as foamed Polyethylene material is produced.
  • foaming the polyethylene material is not only homogeneous, but in particular isotropic, ie the macromolecules contained in the polyethylene foam, have no preferred direction, but only random orientation and need not necessarily stretched, ie aligned along any direction.
  • the object of the present invention is to further improve the homogeneity and symmetry of the dielectric of the antenna structure defined above.
  • the present object is achieved by an antenna structure with the features mentioned, wherein the dielectric support material comprises a macromolecules containing homogeneous plastic layer, which is characterized by an alignment of the macromolecules along a preferred direction, wherein the preferred direction is the longitudinal direction of the strip conductor.
  • the dielectric support material has a very high homogeneity.
  • very high homogeneity of the dielectric substrate the expansion of the generated electrical and magnetic fields is predictable and can be limited by choosing a suitable arrangement of strip electrode, the electrical substrate and reference electrode, and the applied voltage.
  • the homogeneity of the dielectric support material can be increased by aligning the macromolecules in a preferred direction.
  • the alignment of the macromolecules leads to an unequal charge distribution in the material and an unwanted shift in the energy levels of the chemical binding energies, which are due to an interaction between the molecules Macromolecules is less likely.
  • the electric and magnetic fields in the material are more homogeneous overall.
  • the mark molecules contained in the plastic layer are aligned along the longitudinal direction of the strip conductor.
  • the alignment of the macromolecules in the dielectric support material can be achieved by a stretching process in which the dielectric support material is stretched by applying a tensile stress in the desired preferred direction.
  • the subordinate polymers and the partially crystalline regions of the plastic layer are aligned approximately parallel to the pulling direction.
  • the mechanical strength of the dielectric substrate in the pulling direction can be increased.
  • the orientation of the macromolecules along the longitudinal direction of the strip conductor can be used to observe an improvement in the mechanical strength and thus a reduced risk of breakage of the strip conductor.
  • the alignment of the macromolecules along a preferred direction is sufficient if a predominant number of the existing macromolecules are aligned along the selected preferred direction.
  • the transmission of the signals on both sides so the strip conductor can be operated as a transmitter and the probe as a receiver or even the strip conductor as a receiver and the probe as a transmitter.
  • a bidirectional signal transmission is conceivable. Accordingly, in the sense of the present invention, the probe can also be designed as a strip conductor or as a short section thereof.
  • the stripline is usually open to one side to the free space. From this side the coupling of the probe takes place.
  • the probe and optionally also its sheath are closed off by symmetrical surfaces with a conductive surface. On the one hand, this makes it possible to achieve a defined impedance of the conductor system and, on the other hand, to realize a defined symmetrical limitation. If no defined reference surface were present, then at least a part of the device in which the antenna structure is mounted, would be effective as electrical reference, whereby the required symmetry would not be achieved.
  • the dielectric carrier material has at least one further homogeneous dielectric layer.
  • the further homogeneous dielectric layer materials having different electrical properties can be combined in such a way that the dielectric support material in its entirety is suitable for producing homogeneous fields.
  • the mechanical properties of the further dielectric layer and the plastic layer may differ, so that the dielectric support material in its entirety can also be designed according to mechanical considerations.
  • the changes in the permittivity ⁇ r of the dielectric carrier material and / or the changes in the permittivity ⁇ r of the further dielectric layer in any spatial direction are less than 5%, preferably less than 1% and particularly preferably less than 0.1 % are. If the changes of the permittivity ⁇ r are smaller than the aforementioned limit values, the respective dielectric layer is particularly homogeneous, so that the dielectric losses are subject to only extremely small fluctuations.
  • the dielectric carrier material has at least one mechanical reinforcing layer.
  • a glass-fiber-reinforced plastic layer can be incorporated into or connected to the dielectric carrier material. It has also been shown that a strip conductor with a dielectric carrier material, which has a mechanical reinforcing layer, is particularly readily mechanically moldable or reworkable, so that the strip conductor can be adapted particularly well for receiving in an electrical device.
  • the carrier material has at least one equipotential surface.
  • Equipotential surfaces help to balance asymmetries in the dielectric carrier material, so that the generated electrical and / or magnetic field is largely symmetrical.
  • layers of conductive material in particular material with a high conductivity, can be embedded in the dielectric carrier material.
  • a layer of conductive material with incomplete surface coverage such as e.g. a metal grid, are introduced directly into the plastic layer during the production of the dielectric support material, which filters out in operation as Equitotential Structure asymmetries or disturbances of the electrical and / or magnetic fields generated.
  • these layers can be introduced in an electrically insulated manner or can also be terminated without reflection at the ends of the strip conductor.
  • the strip conductor has a mirror-symmetrical construction in cross-section, the extent of the electric and magnetic fields produced can be particularly well limited.
  • the symmetry with respect to the longitudinal center plane of the strip conductor is to be understood.
  • the configuration of symmetrical strip conductors prevents inhomogeneities and / or asymmetries from being formed by different propagation times in the strip electrode, the reference electrode and / or the dielectric carrier material.
  • the smallest distance between the strip conductor and the probe, measured from the surface of the strip electrode facing the probe to the surface of the probe facing the strip conductor is less than 15 mm, preferably less than 8 mm, and is particularly preferably in the range from 1 mm to 4 mm.
  • the at least one strip electrode and the reference electrode are each printed on a plastic film. It has been found that the production of a strip conductor can be realized in a particularly cost-effective manner if the strip electrode and the reference electrode are each printed on a plastic film, and these are subsequently arranged on or on the dielectric carrier material. Particularly preferably, the strip electrode and the reference electrode is made of copper, which is printed on a respective plastic film.
  • the plastic film itself can be the dielectric carrier material in one embodiment.
  • the strip conductor has two strip electrodes, which are arranged in the same plane parallel and at a distance from each other.
  • Such symmetrical strip conductors can be realized particularly low radiation, which in particular can be compensated for interference by using symmetrical or asymmetrical, electrical signals on two parallel stripes.
  • parallel should also encompass such arrangements in which the strip electrodes are indeed structured in themselves but, as a whole, run substantially parallel to one another.
  • a transmission electronics is provided, which is designed such that it applies signals between the first strip electrode and the reference electrode and between the second strip electrode and the reference electrode, which have an opposite polarity.
  • signals between the first strip electrode and the reference electrode and between the second strip electrode and the reference electrode, which have an opposite polarity.
  • FIG. 1 a partially broken away perspective view of an antenna structure 1 according to the invention is shown.
  • the antenna structure 1 has a strip conductor 2 and a probe 3 which are arranged to be movable relative to each other within a predetermined distance range in the longitudinal direction of the strip conductor 2.
  • the strip conductor 2 has a greater longitudinal extent than the probe 3. During the relative movement, a signal transmission between the strip conductor 2 and probe 3 can take place.
  • the strip conductor 2 has two strip electrodes 4, 4 'facing the probe 3, a reference electrode 5 and a dielectric carrier material 6 located between the strip electrodes 4, 4' and the reference electrode 5.
  • the strip electrodes 4, 4 'and the reference electrode 5 are arranged parallel to one another on opposite sides of the dielectric carrier material 6.
  • a voltage signal provided by a transmission electronics 11 is applied between the strip electrodes 4, 4 'and the reference electrode 5, electric and magnetic fields are generated by charge displacements in the dielectric carrier material 6. Due to the arrangement of the strip electrodes 4, 4 ', the reference electrode 5 and the dielectric carrier material 6, the field lines of the generated fields extend substantially perpendicular to the longitudinal direction of the strip conductor 2.
  • the dielectric carrier material 6 comprises a plastic layer containing macromolecules, wherein the vast majority of the macromolecules contained in the plastic layer are aligned in the longitudinal direction of the strip conductor 2.
  • the orientation of the macromolecules leads to the fact that the dielectric carrier material 6, which here is manufactured solely from the plastic layer 7, has the required homogeneity to allow broadband transmission of electrical signals with spatially limited electrical or magnetic fields.
  • the generated fields can be transmitted to the probe 3 by capacitive or inductive coupling, wherein the strip conductor 2 and the probe 3 have a minimum distance from one another, measured from the surface of the strip electrode 4 facing the probe to the surface of the strip conductor 2 Probe 3, smaller than 15 mm.
  • the probe 3 is designed like the strip conductor 2, so that the antenna structure 1 is suitable for the bidirectional transmission of signals between the strip conductor 2 and the probe 3.
  • FIG. 2 a schematic cross section through a strip conductor 2 according to the present invention is shown.
  • the strip conductor 2 has two parallel strip electrodes 4, 4 ', which consist of copper and which are printed on a plastic film 12.
  • the plastic film 12 is connected to a dielectric carrier material 6, which is composed of several layers.
  • a first layer is a macromolecules containing homogeneous plastic layer 7, which is characterized by an alignment of the macromolecules along the longitudinal direction of the strip conductor 2.
  • the permittivity ⁇ r of the homogeneous plastic layer 7 changes in any spatial direction by less than 5%.
  • the strip conductor 2 has a symmetrical cross section.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenstruktur zur breitbandigen Übertragung elektrischer Signale, welche einen Streifenleiter und eine mit dem Streifenleiter kapazitiv oder induktiv koppelbare Sonde aufweist, wobei der Streifenleiter und die Sonde innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches zwischen Sonde und Streifenleiter in Längsrichtung des Streifenleiters relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, sodass elektrische Signale berührungslos zwischen dem Streifenleiter und der Sonde übertragbar sind, wobei der Streifenleiter mindestens eine der Sonde zugewandte Streifenelektrode sowie eine Bezugselektrode und ein zwischen der Streifenelektrode und der Bezugselektrode befindliches dielektrisches Trägermaterial umfasst.
  • Eine solche Antennenstruktur ist aus der EP 1476956 B1 bekannt.
  • Sollen elektrische Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Bauteilen übertragen werden, wie es beispielsweise bei Kran- oder Förderanlagen, Radaranlagen oder Computertomographen notwendig ist, wird aus offensichtlichen Gründen versucht, auf bewegungseinschränkende Kabelverbindungen zu verzichten. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, elektrische Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Bauteilen berührungslos mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung zu übertragen.
  • Für die breitbandige Übertragung elektrischer Signale werden Streifenleiter und damit überwiegend kapazitiv oder überwiegend induktiv gekoppelte Sonden verwendet. Herkömmliche Streifenleiter weisen mindestens eine der Sonde zugewandte Streifenelektrode sowie eine Bezugselektrode und ein zwischen der Streifenelektrode und der Bezugselektrode befindliches dielektrisches Trägermaterial auf. Wird im Betrieb der Vorrichtung zwischen der Streifenelektrode und der Bezugselektrode eine elektrische Spannung angelegt, kommt es in dem dielektrischen Trägermaterial zu einer Ladungsverschiebung und es bildet sich ein elektrisches Feld aus. Dieses elektrische Feld kann durch kapazitive Kopplung in der innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches angeordneten Sonde einen elektrischen Verschiebestrom auslösen, sodass elektrische Signale zwischen Streifenleiter und Sonde übertragbar sind.
  • Zur Übertragung elektrischer Signale zwischen Streifenleiter und Sonde kann auch eine induktive Kopplung verwendet werden. Hierbei wird das durch Anlegen einer Spannung zwischen Streifenleiter und Bezugselektrode ausgebildete Magnetfeld verwendet, das in der Sonde einen Strom induziert.
  • Die zur Übertragung erzeugten magnetischen oder elektrischen Felder können jedoch auch andere elektrische Geräte oder Bauteile durch ungewollte Koppelungen stören. Gerade in einem elektromagnetisch sensiblen Arbeitsumfeld, wie z.B. bei Radaranlagen und Computertomograhen, ist es daher wichtig, die Ausdehnung der erzeugten Felder zu begrenzen. Zusätzlich sind Störungen der Signalübertragung aufgrund ungewollter Koppelungen mit Fremdfeldern zu vermeiden. Sofern im Stand der Technik bauliche Abschirmungen vorgeschlagen werden, schränken diese meist die Relativbewegung zwischen Streifenleiter und Sonde ein und überdies sind sie teuer und aufwändig in Herstellung und Montage.
  • Es ist daher erforderlich Antennenstrukturen insbesondere dahingehend auszubilden, , dass bei der breitbandigen Übertragung elektrischer Signale ungewollte Wechselwirkungen mit benachbarten elektrischen und elektronischen Geräten vermieden werden und eine gute Übertragungsqualität erzielt wird.
  • Die in der EP 1 476 956 B1 beschriebene Erfindung strebt in diesem Zusammenhang eine möglichst große Symmetrie des Dielektrikums beiderseits eines elektrischen Leiters an und erreicht dies durch Verwenden eines aufgeschäumten Polyethylenmaterials hoher Homogenität und hoher Symmetrie in Bezug auf die elektrische Mitte der Längsachse der Leiterstruktur, wobei das Dielektrikum Hohlstrukturen aufweist und insbesondere als aufgeschäumtes Polyethylenmaterial hergestellt ist. Durch das Aufschäumen wird das Polyethylenmaterial nicht nur homogen, sondern insbesondere auch isotrop, d.h. die Makromoleküle, die in dem Polyethylenschaum enthalten sind, weisen keinerlei Vorzugsrichtung, sondern ausschließlich Zufallsorientierung auf und müssen auch nicht notwendigerweise gestreckt, d.h. entlang irgendeiner Richtung ausgerichtet sein.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Homogenität und Symmetrie des Dielektrikums der oben definierten Antennenstruktur noch weiter zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch eine Antennenstruktur mit den eingangs genannten Merkmalen gelöst, wobei das dielektrische Trägermaterial eine Makromoleküle enthaltende homogene Kunststoffschicht umfasst, die sich durch eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang einer Vorzugsrichtung auszeichnet, wobei die Vorzugsrichtung die Längsrichtung des Streifenleiters ist.
  • Die Ausrichtung entlang einer Vorzugsrichtung erzeugt zwar eine ausgeprägte Anisotropie des Dielektrikums, die aber gleichwohl auch eine sehr gute Homogenität und Symmetrie des Dialektrikums auf beiden Seiten der Leiterstruktur gewährleistet.
  • Für die breitbandige Signalübertragung mit räumlich begrenzt wirksamen elektrischen und magnetischen Felder ist es erforderlich, dass das dielektrische Trägermaterial eine sehr hohe Homogenität aufweist. Bei einer sehr hohen Homogenität des dieelektrischen Trägermaterials ist die Ausdehnung der erzeugten elektrischen und magnetischen Felder vorhersagbar und kann durch Wahl einer geeigneten Anordnung von Streifenelektrode, dieelektrischen Trägermaterial und Bezugselektrode sowie der angelegten Spannung begrenzt werden.
  • Wird, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Makromoleküle enthaltende Kunststoffschicht verwendet, kann durch Ausrichtung der Makromoleküle in einer Vorzugsrichtung die Homogenität des dielektrischen Trägermaterials erhöht werden. Durch die Ausrichtung der Makromoleküle werden eine ungleiche Ladungsverteilung im Material und eine ungewollte Verschiebung der Energieniveaus der chemischen Bindungsenergien, die auf eine Wechselwirkung zwischen den Makromolekülen zurückzuführen ist, unwahrscheinlicher. Damit sind die elektrischen und magnetischen Felder im Material insgesamt homogener.
  • Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn die in der Kunststoffschicht enthaltenden Markomoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Makromoleküle im dielektrischen Trägermaterial kann durch einen Reckprozess erreicht werden, bei dem das dielektrische Trägermaterial durch Applizieren einer Zugspannung in die gewünschte Vorzugsrichtung gestreckt wird. Durch die Verformung des Trägermaterials richten sich die untergeordneten Polymere und die teilkristallinen Bereiche der Kunststoffschicht etwa parallel zur Zugrichtung aus. Durch diese Maßnahme werden die Berührungsflächen zwischen den Makromolekülen größer, der Abstand geringer und das Gefüge homogener. Außerdem werden die Sekundärbindungen stärker.
  • Darüber hinaus kann durch den Reckprozess die mechanische Festigkeit des dielektrischen Trägermaterials in Zugrichtung erhöht werden. Insbesondere bei langen Streifenleitern kann durch die Ausrichtung der Makromoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit und damit eine reduzierte Bruchgefahr des Streifenleiters beobachtet werden. Durch die Erhöhung der mechanischen Festigkeit und die reduzierte Bruchgefahr sind derartige Antennenstrukturen insbesondere zur breitbandigen Übertragung elektrischer Signale geeignet, bei denen Streifenleiter und/oder Sonden auf einer Kreisbahn umlaufen, wie es beispielsweise bei Drehübertragungssystemen für Computertomographen der Fall ist.
  • Es versteht sich, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Ausrichtung der Makromoleküle entlang einer Vorzugsrichtung genüge getan ist, wenn eine überwiegende Anzahl der vorhandenen Makromoleküle entlang der gewählten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Gleichermaßen versteht es sich, dass die Übertragung der Signale beidseitig, also der Streifenleiter als Sender und die Sonde als Empfänger oder aber auch der Streifenleiter als Empfänger und die Sonde als Sender betrieben werden können. Auch eine bidirektionale Signalübertragung ist denkbar. Dementsprechend kann im Sinne der vorliegenden Erfindung die Sonde auch als Streifenleiter bzw. als ein kurzer Abschnitt hiervon ausgestaltet sein.
  • Der Streifenleiter ist meist nach einer Seite zum freien Raum offen. Von dieser Seite aus erfolgt die Ankopplung der Sonde. Die Sonde und optional auch deren Umhüllung sind von möglichst symmetrischen Flächen mit leitender Oberflache abgeschlossen. Damit lässt sich einerseits eine definierte Impedanz des Leitersystem erreichen und andererseits eine definiert symmetrische Begrenzung realisieren. Wäre keine definierte Bezugsfläche vorhanden, so wäre mindestens ein Teil des Gerätes, in dem die Antennenstruktur angebracht ist, als elektrischer Bezug wirksam, wodurch die geforderte Symmetrie nicht erreicht werden würde.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das dielektrische Trägermaterial zumindest eine weitere homogene dielektrische Schicht aufweist. Durch die weitere homogene dielektrische Schicht können Materialien mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften derart kombiniert werden, dass das dielektrische Trägermaterial in seiner Gesamtheit zur Erzeugung homogener Felder geeignet ist. Außerdem können sich die mechanischen Eigenschaften der weiteren dielektrischen Schicht und der Kunststoffschicht unterscheiden, sodass das dielektrische Trägermaterial in seiner Gesamtheit auch nach entsprechend mechanischen Gesichtspunkten ausgestaltet werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderungen der Permitivitätszahl εr des dielektrischen Trägermaterials und/oder die Änderungen der Permitivitätszahl εr der weiteren dielektrischen Schicht in beliebiger Raumrichtung kleiner 5 %, vorzugweise kleiner 1 % und besonders bevorzugt kleiner 0,1 % sind. Sind die Änderungen der Permitivitätszahl εr kleiner als die vorgenannten Grenzwerte, ist die jeweilige dielektrische Schicht besonders homogen, sodass die dielektrischen Verluste nur extrem geringen Schwankungen unterliegen.
  • Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das dielektrische Trägermaterial zumindest eine mechanische Verstärkungsschicht aufweist. Beispielsweise kann eine glasfaserverstärkte Kunststoffschicht in das dielektrische Trägermaterial eingearbeitet bzw. mit diesem verbunden sein. Es hat sich außerdem gezeigt, dass ein Streifenleiter mit einem dielektrischen Trägermaterial, welches eine mechanische Verstärkungsschicht aufweist, besonders gut mechanisch formbar bzw. nachbearbeitbar ist, sodass der Streifenleiter zur Aufnahme in einem elektrischen Gerät besonders gut anpassbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Trägermaterial zumindest eine Äquipotentialfläche auf. Äquipotentialflächen helfen Asymmetrien im dielektrischen Trägermaterial auszugleichen, sodass das erzeugte elektrische und/oder magnetische Feld weitestgehend symmetrisch ist. Zur Ausbildung solcher Äquipotentialflächen können Schichten aus leitfähigem Material, insbesondere Material mit einer hohen Leitfähigkeit, in das dielektrische Trägermaterial eingelassen werden. Insbesondere könnte eine Schicht aus leitfähigem Material mit einer unvollständigen Flächenüberdeckung, wie z.B. ein Metallgitter, direkt bei der Herstellung des dielektrischen Trägermaterials in die Kunststoffschicht eingebracht werden, die im Betrieb als Äquitpotentialfläche Asymmetrien bzw. Störungen der erzeugten elektrischen und/oder magnetischen Felder herausfiltert. Je nach Ausführung können diese Schichten elektrisch isoliert eingebracht oder auch an den Enden des Streifenleiters reflektionsfrei abgeschlossen sein.
  • Ist der Streifenleiter, wie in einer Ausführungsform vorgesehen, im Querschnitt spiegelsymmetrisch aufgebaut, so kann die Ausdehnung der erzeugten elektrischen und magnetischen Felder besonders gut begrenzt werden. Hier und im folgenden ist die Symmetrie im Bezug auf die Längsmittelebene des Streifenleiters zu verstehen. Die Ausgestaltung symmetrischer Streifenleiter verhindert, dass durch unterschiedliche Laufzeiten in der Streifenelektrode, der Bezugselektrode und/oder dem dielektrischen Trägermaterial Inhomogenitäten und/oder Asymmetrien ausgebildet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der kleinste Abstand zwischen Streifenleiter und Sonde, gemessen von der der Sonde zugewandten Oberfläche der Streifenelektrode bis zu der dem Streifenleiter zugewandten Oberfläche der Sonde, kleiner 15 mm, bevorzugt kleiner 8 mm und liegt besonders bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 4 mm.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Streifenelektrode und die Bezugselektrode jeweils auf eine Kunststofffolie aufgedruckt sind. Es hat sich gezeigt, dass die Herstellung eines Streifenleiters besonders kostengünstig realisiert werden kann, wenn die Streifenelektrode und die Bezugselektrode jeweils auf eine Kunststofffolie aufgedruckt werden, und diese anschließend an oder auf dem dielektrischen Trägermaterial angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist die Streifenelektrode und die Bezugselektrode aus Kupfer hergestellt, das auf jeweils eine Kunststofffolie aufgedruckt wird. Die Kunststofffolie selbst kann dabei in einer Ausführungsform das dielektrische Trägermaterial sein.
  • In einer Ausführungsform weist der Streifenleiter zwei Streifenelektroden auf, die in der gleichen Ebene parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind. Derartig symmetrische Streifenleiter können besonders abstrahlungsarm realisiert werden, wobei insbesondere durch Verwendung symmetrischer bzw. asymmetrischer, elektrischer Signale auf zwei parallele Streifen Störungen ausgeglichen werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen von dem Begriff "parallel" auch derartige Anordnungen umfasst sein, bei denen die Streifenelektroden zwar in sich strukturiert sind, wohl aber als Ganzes im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine Sendeelektronik vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass sie zwischen der ersten Streifenelektrode und der Bezugselektrode und zwischen der zweiten Streifenelektrode und der Bezugselektrode Signale anlegt, die eine entgegengesetzte Polarität haben. Durch die Beaufschlagung von entgegengesetzt polarisierten Signalen wird eine differentielle Übertragung ermöglicht, bei der selektive Störungen, insbesondere Asymmetrien und Inhomogenitäten, ausgeglichen werden können. Auch sind derartige symmetrische Antennenstrukturen besonders abstrahlungsarm, da sich die elektrischen und magnetischen Felder im Fernbereich gegenseitig aufheben.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und den dazu gehörigen Figuren. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur und
    Figur 2
    einen schematischen Querschnitt durch einen Streifenleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In Figur 1 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur 1 dargestellt. Für die breitbandige Übertragung elektrischer Signale weist die Antennenstruktur 1 einen Streifenleiter 2 und eine Sonde 3 auf, die innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches in Längsrichtung des Streifenleiters 2 relativ zueinander bewegbar angeordnet sind. Der Streifenleiter 2 hat eine größere Längsausdehnung als die Sonde 3. Während der Relativbewegung kann eine Signalübertragung zwischen Streifenleiter 2 und Sonde 3 erfolgen.
  • Der Streifenleiter 2 weist zwei der Sonde 3 zugewandte Streifenelektroden 4, 4', eine Bezugselektrode 5 sowie ein zwischen den Streifenelektroden 4, 4' und der Bezugselektrode 5 befindliches dielektrisches Trägermaterial 6 auf. Dabei sind die Streifenelektroden 4, 4' und die Bezugselektrode 5 parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Trägermaterials 6 angeordnet.
  • Wird im Betrieb der Antennenstruktur 1 ein von einer Sendeelektronik 11 bereitgestelltes Spannungssignal zwischen den Streifenelektroden 4, 4' und der Bezugselektrode 5 angelegt, werden durch Ladungsverschiebungen im dielektrischen Trägermaterial 6 elektrische und magnetische Felder erzeugt. Aufgrund der Anordnung der Streifenelektroden 4,4', der Bezugselektrode 5 und dem dielektrischem Trägermaterial 6, erstrecken sich die Feldlinien der erzeugten Felder im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Streifenleiters 2.
  • Um den Einfluss von Fremdfeldern, Asymmetrien und/oder Inhomogenitäten zu reduzieren, haben die Spannungssignale zwischen der ersten Streifenelektrode 4 und der Bezugselektrode 5 und zwischen der zweiten Streifenelektrode 4' und der Bezugselektrode 5 entgegengesetzte Polaritäten im übrigen jedoch einen identischen Signalverlauf. Dabei ist es von Vorteil, dass das dielektrische Trägermaterial 6 eine Makromoleküle enthaltende Kunststoffschicht umfasst, wobei die überwiegende Anzahl der in der Kunststoffschicht enthaltenden Makromoleküle in Längsrichtung des Streifenleiters 2 ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Makromoleküle führt dazu, dass das dielektrische Trägermaterial 6, welches hier einzig aus der Kunststoffschicht 7 gefertigt ist, die erforderliche Homogenität aufweist, um die breitbandige Übertragung elektrischer Signale mit räumlich begrenzt wirksamen elektrischen oder magnetischen Feldern zu ermöglichen.
  • Die erzeugten Felder können durch kapazitive oder induktive Kopplung auf die Sonde 3 übertragen werden, wobei der Streifenleiter 2 und die Sonde 3 einen minimalen Abstand zueinander aufweisen, der gemessen von der der Sonde zugewandten Oberfläche der Streifenelektrode 4 bis zu der dem Streifenleiter 2 zugewandten Oberfläche der Sonde 3, kleiner als 15 mm ist.
  • Die Sonde 3 ist bei dieser Ausführungsform wie der Streifenleiter 2 ausgebildet, sodass die Antennenstruktur 1 für die bidirektionale Übertragung von Signalen zwischen Streifenleiter 2 und Sonde 3 geeignet ist.
  • In der Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Streifenleiter 2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Streifenleiter 2 weist zwei parallele Streifenelektroden 4, 4' auf, die aus Kupfer bestehen und die auf eine Kunststofffolie 12 aufgedruckt sind. Unterhalb der Streifenelektroden 4, 4' ist die Kunststofffolie 12 mit einem dielektrischen Trägermaterial 6 verbunden, welches aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Eine erste Schicht ist eine Makromoleküle enthaltende homogene Kunststoffschicht 7, die sich durch eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters 2 auszeichnet. Die Permitivitätszahl εr der homogenen Kunststoffschicht 7 ändert sich in beliebiger Raumrichtung um weniger als 5 %.
  • Unterhalb der homogenen Kunststoffschicht 7 sind eine weitere homogene, dielektrische Materialschicht 8 und eine mechanische Verstärkungsschicht 9 angeordnet. Zwischen der weiteren dielektrischen Materialschicht 8 und der mechanischen Verstärkungsschicht 9 ist ein Metallgitter eingebettet, das im Betrieb eine Äquipotentialfläche 10 ausbildet. Die homogene Kunststoffschicht 7, die weitere dielektrische Materialschicht 8, das Metallgitter als Äquipotentialfläche 10 und die mechanische Verstärkungsschicht 8 bilden gemeinsam das dielektrische Trägermaterial 6. Wie in der Querschnittsansicht ersichtlich, ist der Streifenleiter 2 im Querschnitt symmetrisch aufgebaut.
  • Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antennenstruktur
    2
    Streifenleiter
    3
    Sonde
    4, 4'
    Streifenelektrode
    5
    Bezugselektrode
    6
    dielektrisches Trägermaterial
    7
    homogene Kunststoffschicht
    8
    homogene dielektrische Schicht
    9
    mechanische Verstärkungsschicht
    10
    Äquipotentialfläche
    11
    Sendeelektronik

Claims (11)

  1. Antennenstruktur (1) zur breitbandigen Übertragung elektrischer Signale, welche einen Streifenleiter (2) und eine mit dem Streifenleiter kapazitiv oder induktiv koppelbare Sonde (3) aufweist, wobei der Streifenleiter (2) und die Sonde (3) innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches zwischen Sonde (3) und Streifenleiter (2) in Längsrichtung des Streifenleiters (2) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, sodass elektrische Signale berührungslos zwischen dem Streifenleiter (2) und der Sonde (3) übertragbar sind, wobei der Streifenleiter (2) mindestens eine der Sonde (3) zugewandte Streifenelektrode (4) sowie eine Bezugselektrode (5) und ein zwischen der Streifenelektrode (4) und der Bezugselektrode (5) befindliches dielektrisches Trägermaterial (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Trägermaterial (6) eine Makromoleküle enthaltende homogene Kunststoffschicht (7) umfasst, die sich durch eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang einer Vorzugsrichtung auszeichnet, wobei die Vorzugsrichtung die Längsrichtung des Streifenleiters ist.
  2. Antennenstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Trägermaterial (6) zumindest eine weitere homogene dielektrische Schicht (8) aufweist.
  3. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der Permittivitätszahl εr des dielektrischen Trägermaterials (6) und/oder die Änderungen der Permittivitätszahl εr der weiteren dielektrischen Schicht (8) in beliebiger Raumrichtung kleiner als 5 %, vorzugsweise kleiner 1 % und besonders bevorzugt kleiner 0,1 % sind.
  4. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Trägermaterial (6) zumindest eine mechanische Verstärkungsschicht (9) aufweist.
  5. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (6) zumindest eine Äquipotentialfläche (10) aufweist.
  6. Antennenstruktur (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine im Betrieb als Äquipotentialfläche (10) wirkende Schicht aus leitfähigem Material mit einer unvollständigen Flächenüberdeckung, insbesondere ein Metallgitter, aufweist.
  7. Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifenleiter (2) im Querschnitt symmetrisch aufgebaut ist.
  8. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Abstand zwischen Streifenleiter (2) und Sonde (3), gemessen von der der Sonde (3) zugewandten Oberfläche der Streifenelektrode (4) bis zu der dem Streifenleiter (2) zugewandten Oberfläche der Sonde (3), kleiner als 15 mm, bevorzugt kleiner als 8 mm und liegt besonders bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 4 mm.
  9. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Streifenelektrode (4) und die Bezugselektrode (5) jeweils auf eine Kunststofffolie (12) aufgedruckt sind.
  10. Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifenleiter (2) zwei Streifenelektroden (4. 4') aufweist, die in der gleichen Ebene parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind.
  11. Antennenstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeelektronik (11) vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, dass sie zwischen der ersten Streifenelektrode (4) und der Bezugselektrode (5) und zwischen der zweiten Streifenelektrode (4') und der Bezugselektrode (5) Signale anlegt, die eine entgegengesetzte Polarität haben.
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