-
Die
vorliegende Erfindung betrifft planare Antennen, wie sie beispielsweise
in Funkgeräten oder RFID(Radio Frequency Identification)-Vorrichtungen eingesetzt
werden. Die vorliegende Erfindung betrifft spezieller planare Antennen
mit einer weichmagnetischen Antennenstruktur.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Magnetismus im Bereich
der Hochfrequenztechnik, wie er beispielsweise in dem Fachbuch
von H.-G. Unger „Elektromagnetische Theorie für
die Hochfrequenztechnik" Teil II, offenbart ist, das 1981 bei
Hürthig erschienen ist.
-
Weitere
Informationen zum, technologischem Hintergrund können dem Artikel "Magnetic properties
of metallic ferromagnetic nanoparticle composites", von
R. Ramprasad, et al. erschienen im, J. Appl. Phys. 96, 519(2004) entnommen
werden.
-
Es
ist bisher bekannt, beispielsweise Dipolantennen, Rahmenantennen,
wie Patch-Antennen, C-Patch-Antennen, Spulenantennen oder Spiralantennen
in RFID-Vorrichtungen einzusetzen.
-
Weitere
Antennentypen sind beispielsweise aus dem Funkamateurbereich und
Rundfunkbereich bekannt.
-
Planare
Antennen auf einer elektrisch leitenden Grundfläche haben
das prinzipielle Problem, dass die von ihnen erzeugten bzw. zu empfangenden elektrischen
Felder durch eine eventuell vorhandene leitende Fläche,
auf der sie angebracht sind, abgeschirmt werden. Die Abstrahlung
von planaren Antennen wie beispielsweise Patch-Antennen ist stark herabgesetzt,
wenn diese flach auf eine leitende Metalloberfläche aufgebracht
sind.
-
Bisher
konnte die Abstrahlung durch das Schaffen definierter Abstände
zwischen Antennenebene und leitender Grundfläche beispielsweise
durch Zwischenschichten aus elektrischen Isolatoren verbessert werden.
Auch ist es bei RFID Anwendungen bekannt, Ferritantennen oder Antennen,
zu verwenden, die nicht planar auf und parallel zu einer Leiteroberfläche
angeordnet, sondern stabförmig, senkrecht zur Leiteroberfläche
ausgerichtet sind.
-
Alle
diese Antennen mit verbesserter Abstrahlungsleistung erstrecken
sich jedoch aus der Ebene der elektrisch leitenden Oberfläche
heraus und stehen somit vor. Derartige Antennen sind damit nachteilig
in Bezug auf den Strömungswiderstand von strömungsgünstig
geformten Fahrzeugen wie Automobilen und Flugzeugen. Vorstehende
Antennenstrukturen wirken sich auch bei RFID-Etiketten negativ aus,
die für die Befestigung auf elektrisch leitenden Oberflächen
bestimmt sind, da die RFID-Etiketten durch vorstehende Antennenstrukturen
leichter beschädigt werden können.
-
Insbesondere
im Bereich von RFID-Transpondern ist es besonders wichtig, Antennen
einfach und billig herzustellen. Daher sind insbesondere Antennen
und Schaltungen angestrebt, die durch ein Druckverfahren hergestellt
werden können.
-
Ebenfalls
ist eine planare Antennenstruktur wünschenswert, die auf
einer leitenden Grundfläche aufgebaut werden kann.
-
Es
ist zudem eine Antennenstruktur wünschenswert, die auf
eine metallische Oberfläche aufgebracht werden kann und
die keine Elemente enthält, die (weit) von der Oberfläche
vorstehen.
-
Weiterhin
ist eine planare Antennenstruktur wünschenswert, die es
gestattet, beispielsweise einen RFID Schaltkreis auf einer metallischen
oder einer elektrisch leitenden Oberfläche aufbringen zu können,
ohne dass die metallische Oberfläche den Betrieb der Antenne
bzw. des RFID-Schaltkreises beeinträchtigt.
-
Es
ist zudem wünschenswert, die Verluste einer magnetischen
planaren Antenne zu vermindern.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einfachen Mitteln eine planare
Antenne zu entwickeln, die fluchtend mit oder auf einer elektrisch
leitenden Oberfläche aufgebaut werden kann.
-
Weiterhin
ist es erstrebenswert, eine Antennenstruktur zu haben, die mittels
eines Druckverfahrens hergestellt werden kann.
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird eine planare Antenne angegeben, die
ein weichmagnetisches Antennenelement umfasst, das auf einem zumindest
teilweise elektrisch leitenden Träger aufgebracht ist.
Es wird in der grundlegenden Ausführungsform nicht beachtet,
ob das weichmagnetische Antennenelement elektrisch leitfähig
ist oder nicht. Es ist zu bemerken, dass im Gegensatz zu herkömmlichen
auf elektrischen Feldern basierenden Antennen der Träger
zumindest teilweise elektrisch leitend ist, was bei einer durch
elektrischen Strom angesteuerten bzw. betriebenen Antenne zu einem
Kurzschluss bzw. einer Abschirmung der Antenne führen würde.
-
Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung eines weichmagnetischen
Antennenelements, in dem ein (wie auch immer erzeugter) magnetischer
Fluss entlang des weichmagnetischen Antennenelements gerichtet ist,
und um den herum ein elektrisches Feld erzeugt wird.
-
Der
magnetische Fluss dient dabei zur Beschreibung des magnetischen
Feldes. Vergleichbar mit dem elektrischen Strom, ist er die Folge
einer magnetischen Spannung und „fließt” durch
einen magnetischen Widerstand (wobei auch das Vakuum einen nicht
unendlichen „magnetischen Widerstand” aufweist).
-
Es
wird ein Antennentyp vorgestellt, der an Stelle von üblicherweise
verwendeten elektrisch leitenden Drähten oder Leiterbahnen
weichmagnetische Leiterbahnen (hier das Antennenelement) verwendet,
um den magnetischen Fluss entlang dieser Bahnen zu lenken. Diese
weichmagnetischen Leiterbahnen können beispielsweise aus
Hochfrequenz-Ferrit-Material realisiert werden.
-
Es
sei hier bemerkt, dass es für den Betrieb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erforderlich ist, in den weichmagnetischen Leiterbahnen
einen magnetischen Wechselfluss zu erzeugen, der um die weichmagnetischen
Leiterbahnen herum ein elektrisches Feld erzeugt, das abgestrahlt
werden kann.
-
Wie
jedoch der magnetische Fluss erzeugt bzw. in das Antennenelement
eingekoppelt wird, ist unerheblich. Der magnetische Fluss kann beispielsweise
durch einen in der Nähe des weichmagnetischen Antennenelements
bewegten Permanentmagneten erzeugt werden. Es erscheint ebenfalls
möglich, den magnetischen Fluss beispielsweise durch eine
Spule zu erzeugen, die sich um das Antennenelement herum erstreckt,
und durch die ein Wechselstrom geleitet wird. Zudem ist vorgesehen,
das Antennenelement direkt über weichmagnetische Leitungen
an eine Quelle für magnetischen Fluss anzuschließen.
Es erscheint ebenfalls möglich, durch eine, in der Nähe
der Antennenstruktur vorbei geführte, weichmagnetische
Leitung den magnetischen Fluss durch elektromagnetische Kopplung
in dem Antennenelement zu erzeugen. Es ist ebenfalls anzuführen,
dass der weichmagnetische Leiter auch um ein gerades Stück
eines elektrischen Leiters geführt werden kann, um den
magnetischen Fluss in dem elektrischen Leiter zu erzeugen.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die planare
Antenne weiter mindestens ein hartmagnetisches Element, das eingerichtet
ist, das weichmagnetische Antennenelement mit einer Vormagnetisierung
zu versehen. Ohne eine Vormagnetisierung können im UHF-
und im unteren GHz nur moderate Werte für die magnetische
Leitfähigkeit von Ferriten erreicht werden. Laut Theorie
liegt der Realteil der Permeabilitätskonstanten maximal
bei etwas 10 bis 100, und der Imaginärteil, der die Verluste
beschreibt, liegt wenigstens in der Größenordnung
von 1 bis 10. Darüber steigen die Stromwärmeverluste
in der Antenne an und der Wirkungsgrad der Antenne verschlechtert
sich.
-
In
dieser Ausführungsform der planaren Antenne wird die Vormagnetisierung
des weichmagnetischen Antennenelements durch ein hartmagnetisches
Element erreicht, das nach dessen Magnetisierung ein Magnetfeld
hervorbringt, das weichmagnetische Antennenelement vormagnetisiert.
Es sei bei dieser Ausführungsform darauf hingewiesen, dass
die hartmagnetischen Elemente beim Aufbringen selbst noch nicht
magnetisiert sein müssen. Es ist durchaus möglich,
erst die hartmagnetischen Elemente auf die Antenne aufzubringen
bzw. in die Antenne einzubringen, und diese erst nachträglich
zu magnetisieren. Durch dieses Vorgehen kann beispielsweise verhindert
werden, dass sich der Schritt die planare Antenne mit einem hartmagnetischen Material
zu versehen unnötig kompliziert gestaltet, da verhindert
werden kann, dass die Positionierung der einzelnen hartmagnetischen
Elemente durch gegenseitige magnetische Wechselwirkungen erschwert wird.
-
Durch
die Verwendung von, mit einem magnetischen Gleichfeld vormagnetisierten
weichmagnetischen Antennenelementen können dessen Verluste verringert
werden.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das
mindestens eine hartmagnetische Element einen Dauermagneten, der
entlang zumindest eines Teils des weichmagnetischen Antennenelements
verläuft. In dieser Ausführungsform verläuft
das hartmagnetische Element bzw. der Dauermagnet beispielsweise
parallel zu dem weichmagnetischen Antennenelement. In dieser Ausführungsform
ist es besonders einfach, das weichmagnetische Antennenelement in
einer Richtung senkrecht zu dessen Verlauf zu magnetisieren. Es
ist dabei unerheblich, ob hartmagnetische Element bevor oder nachdem
es an der bzw. auf der planaren Antenne an bzw. aufgebracht wurde
zu einem Dauermagneten magnetisiert wurde.
-
In
einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform
der planaren Antenne umfasst das mindestens eine hartmagnetische
Element zwei Dauermagnete, wobei zumindest ein Teil des weichmagnetischen
Antennenelements zwischen den zwei Dauermagneten verläuft.
In dieser Ausführungsform können insbesondere
durch parallel zu dem weichmagnetischen Antennenelement verlaufende
Dauermagnete eine Magnetisierung in dem weichmagnetischen Antennenelement
erreicht werden, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Verlauf des
weichmagnetischen Antennenelements gerichtet ist. Durch zwei parallel
zu dem weichmagnetischen Antennenelement verlaufende Dauermagnete
kann eine Magnetisierung in der Ebene der planaren Antenne erzeugt werden.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform der planaren Antenne
verlaufen das weichmagnetische Antennenelement und die zwei Dauermagneten
im Wesentlichen in einer Ebene der planaren Antenne nebeneinander.
Diese Ausführungsform kann besonders einfach hergestellt
werden, das die Dauermagnete und das weichmagnetische Antennenelement im
Prinzip in einem Arbeitsgang aufgebracht werden können,
da sie jeweils parallel verlaufend angebracht werden können,
und somit Überschneidungen zwischen dem weichmagnetischen
Antennenelement und den Dauermagneten vermieden werden können.
-
In
einer anderen Ausführungsform bildet das weichmagnetische
Antennenelement der planaren Antenne eine Schicht auf mindestens
einem hartmagnetischen Element. Diese Ausführungsform kann beispielsweise
durch einen elektrisch leitenden Träger aus Eisenblech
erreicht werden, der senkrecht zur Oberfläche magnetisiert
wurde. Diese Ausführungsform kann bei einseitigem Auftrag
auf ein (eventuell geschlitztes) Eisenblech dazu dienen, das hartmagnetische
Element in einem bereits vorhandenen Träger unterzubringen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
bildet mindestens ein hartmagnetisches Element eine Schicht auf
dem weichmagnetischen Antennenelement der planaren Antenne. Damit
kann das weichmagnetische Antennenelement nachträglich
mit mindestens einem hartmagnetischen Element versehen werden, ohne
dass beispielsweise ein Layout der Antennenstruktur geändert
werden müsste, bei dem nicht genug Platz wäre, ein
hartmagnetisches Element beispielsweise zwischen den einzelnen Spuren
des Verlaufs eines weichmagnetischen Antennenelement unterzubringen.
Diese Ausführungsform ist ebenfalls geeignet, das Vorhandensein
eines hartmagnetischen Elements zur Magnetisierung des weichmagnetischen Antennenelements
zu verbergen. Je nach Wahl der Magnetisierung kann das weichmagnetische
Antennenelement parallel oder senkrecht zur Ebene der planaren Antenne
vormagnetisiert werden.
-
Es
ist ebenso vorgesehen das weichmagnetische Antennenelement in einer
Sandwich-Struktur zwischen zwei Lagen hartmagnetischer Elemente anzuordnen.
Je nach Magnetisierung kann eine senkrecht zur Ebene der planaren
Antenne verlaufende oder eine parallel zur Ebene der planaren Antenne
verlaufende Vormagnetisierung des weichmagnetischen Antennenelements
erreicht werden. Weiterhin könne ein schwächer
hartmagnetisierbares Material für die hartmagnetischen
Elemente verwendet werden da, der Abstand der beiden hartmagnetischen
Elemente im Vergleich zu Anordnungen, bei denen die hartmagnetischen
Elemente parallel in einer Ebene angeordnet sind, geringer ist (zumindest bei
einer Magnetisierung senkrecht zur Ebene der planaren Antenne).
-
In
einer anderen, zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform
sind hartmagnetische Elemente in dem weichmagnetischen Antennenelement
angeordnet. Dies kann beispielsweise durch ein Pulver aus hartmagnetischem
Material erreicht werden, dass bei der Herstellung des weichmagnetischen
Antennenelements in dessen Material eingebracht wird. Vorzugsweise
wird das Pulver aus hartmagnetischem Material in einem, im Wesentlichen
unmagnetisierten Zustand in das weichmagnetische Antennenelement eingebracht
und nach Fertigstellung bzw. dem Aufbringen des weichmagnetischen
Antennenelements auf den Träger der planaren Antenne magnetisiert, um
Probleme mit magnetisch zusammenhaftenden Pulverkörnern
zu vermeiden. Die Pulverform bietet sich auch daher zur Herstellung
der hartmagnetischen Elemente an, da viele Dauermagnete in einem Pulvermetallurgischen
Verfahren hergestellt werden, und somit magnetisierbares hartmagnetisches
Pulver verfügbar sein sollte.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform ist das Material des
weichmagnetischen Antennenelements elektrisch isolierend. Dies ermöglicht
es beispielsweise, das Antennenelement selbst als Isolator zu verwenden.
Damit kann die isolierende Schicht, die durch das Antennenelement
gebildet wird beispielsweise dazu dienen, dass beispielsweise die Schaltung
oder zumindest Teile der Schaltung an der das Antennenelement betrieben
werden soll direkt auf dem Antennenelement aufgebaut bzw. aufgetragen
werden kann. Es ist auch vorgesehen, beispielsweise zwei Bereiche
aus isolierendem weichmagnetischen Material auf den zumindest teilweise
bzw. partiell elektrisch leitfähigen Träger aufzubringen, wobei
ein Teil des weichmagnetischen Materials als Antennenelement dient,
während ein anderer Teil als Isolation dient, um eine Schaltung
von dem zumindest teilweise elektrisch leitenden Träger
zu isolieren. Dadurch kann eine gesonderte Isolationsschicht zwischen
einem elektrisch leitenden Träger und einer (RFID) Hochfrequenzschaltung
entfallen.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der planaren
Antenne ist der Träger vollständig elektrisch
leitend. Diese Ausführungsform betrifft eine planare Antenne,
die auf einem Metallblech aufgebaut ist, das eventuell auch teilweise
mit einer isolierenden Struktur versehen sein kann. In anderen Ausführungsformen
ist der Träger aus einer Metallfolie aufgebaut. Die Metallfolie
kann wiederum weitere Schichten wie Adhäsionsschichten,
Korrosionsschutzschichten oder Isolationsschichten umfassen. Der
Träger kann ebenfalls nur auf der Oberfläche des
Trägers elektrisch leitend sein, und beispielsweise eine
metallbedampfte (oder bedruckte) Kunststofffolie sein, die zur Ausbildung
von beispielsweise Leiterbahnen mit nicht-bedampften Abschnitten
versehen sein kann.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bildet das
weichmagnetische Antennenelement eine geschlossene Struktur. In
dieser Ausführungsform wird quasi die Umkehrung eines Elektro-Magneten
gebildet, um mit Hilfe von magnetischen (Wechsel-)Feldern elektrische
Felder zu erzeugen. Dabei wird der magnetische Fluss in dem Antennenelement
geführt.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der planaren Antenne ist
das weichmagnetische Antennenelement auf dem (zumindest teilweise
elektrisch leitenden) Träger aufgedruckt. Die Verwendung
eines Druckverfahrens ermöglicht eine schnelle und kostengünstige
Herstellung der planaren Antenne, beziehungsweise des weichmagnetischen
Antennenelements. Durch die Verwendung von Ferritpartikeln in einer
Matrix aus Bindemitteln kann einfach und schnell ein derartiges
Antennenelement hergestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise
einen Thermoplasten (ähnlich wie Tonerpulver) als Bindemittel
zu verwenden, wobei dem Bindemittel ein entsprechender Anteil weichmagnetisches
Material (anstelle des Farbstoffs beim Tonerpulver) beigefügt ist.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist auf dem weichmagnetischen
Antennenelement eine weitere zumindest teilweise elektrisch leitende
Struktur aufgebracht. Das Antennenelement kann aus einem Isolator
wie beispielsweise Ferrit (mit oder ohne Trägermatrix)
bestehen, das nicht elektrisch leitend ist, dadurch können
die Bereiche des Trägers, der durch das Antennenelement
abgedeckt ist, dazu verwendet werden, direkt die Leiterbahnen bzw.
Schaltungselemente aufzunehmen, die das weichmagnetische Antennenelement
betreiben. In einem einfachen Fall können beispielsweise
eine Leitungsstruktur unter dem Antennenelement und eine Leitungsstruktur
auf dem Antennenelement zusammen eine Spule bilden, um den elektrischen
Fluss in dem weichmagnetischen Antennenelement zu erzeugen.
-
In
einer anderen Ausführungsform einer planaren Antenne bildet
der teilweise elektrisch leitende Träger eine elektrische
Schaltung. Dies stellt eine besonders eindrucksvolle Anwendung der
vorliegenden Erfindung dar, wenn ein elektrisch isolierendes weichmagnetisches
Antennenelement verwendet wird. Die Antenne kann durch ein Druckverfahren hergestellt
werden. Aber es ist alternativ vorgesehen, die Schaltung (oder zumindest
Teile der Schaltung), an der die Antenne betrieben werden soll,
ebenfalls durch ein Druckverfahren herzustellen. Damit können
zumindest die Leiterbahnen (aber auch elektrische Bauteile) einfach
auf das Trägermaterial aufgedruckt werden (beziehungsweise
den zumindest teilweise elektrisch leitende Träger bilden).
Das Antennenelement in der nicht elektrisch leitfähigen
Ausführungsform wirkt isolierend, und daher kann auf elektrisch
isolierende Zwischenschichten ganz verzichtet werden. Somit kann
die vorliegende Erfindung auch den Aufbau der Schaltung vereinfachen,
die an dem Antennenelement betrieben werden soll. Es erscheint ebenfalls
möglich, beim Drucken der Schaltung den Druckvorgang zum
Drucken des Antennenelements ebenfalls dafür zu nutzen,
elektrische Isolatoren, (Dielektrika) oder Kerne für Spulen
einer gedruckten Schaltung herzustellen. Hierbei ist zu beachten,
dass der Begriff „gedruckte Schaltung” hier nicht
herkömmliche Platinen bezeichnen soll, sondern (auf Folien)
mittels eines Druckverfahrens aufgebrachte Leiterbahnen bezeichnen
soll. In einer weiteren Ausführungsform der planaren Antenne wurde
die elektrische Schaltung durch ein Druckverfahren hergestellt.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst das weichmagnetische Element ein Material, ausgewählt
aus der Gruppe von Eisen, Kobalt und Nickel und deren Verbindungen
als kristalline Legierungen, amorphe Legierungen, oder nanokristalline
Legierungen, Ferrite, Eisenoxid Hämatit (Fe2O3), Magnetit
(Fe3O4), Metall-Oxide der Stofffamilien Mangan-Zink (MnZn) und Nickel-Zink
(NiZn).
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst das hartmagnetische Element ein Material, ausgewählt aus
der Gruppe von Eisen, Stahl, Ferrit, Bismut und Mangan, Aluminium-Nickel-Cobalt,
Samarium-Cobalt, und oder Neodym-Eisen-Bor. Das heißt das hartmagnetische
Element kann aus den Werkstoffen zur Herstellung von Dauermagneten
gefertigt werden.
-
In
einer Ausführungsform wird das weichmagnetische Antennenelement
direkt auf eine Metalloberfläche aufgebracht. Damit ist
es möglich, beispielsweise die unlackierte (oder grundierte)
blanke Karosserie eines Automobils als leitenden Träger
für das weichmagnetische Antennenelement zu verwenden.
Es ist ebenfalls möglich, das Antennenelement auf die Zelle
eines Luftfahrzeuges wie beispielsweise eines Flugzeuges, eines
Luftschiffs, Hubschraubers oder dergleichen aufzubringen, ohne dass
es erforderlich wird, vorstehende Antennenelemente an der Außenhaut
anzubringen, welche den Luftwiderstand erhöhen können.
Die Antennen der vorliegenden Erfindung können selbstredend
auch auf Wasserfahrzeugen wie Schiffen und auf Unterseebooten eingesetzt
werden. Es sie hier noch anzumerken, dass ein Derartiges Fahrzeug
selbstverständlich auch als planare Antenne betrachtet
wird, wenn auf einem im Wesentlichen planaren oder gekrümmten
Stück der leitfähigen (Außen-) Haut oder
eines sonstigen leitfähigen Bauteils ein weichmagnetisches
Antennenelement erfindungsgemäß angeordnet ist.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug oder
ein Gebäude bereitgestellt, das mit einer leitenden Oberfläche mit
einem erfindungsgemäßen Antennenelement versehen
ist. Dabei bildet ein Teil der Oberfläche des Fahrzeugs
oder des Gebäudes den zumindest teilweise elektrisch leitenden
Träger.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Funkvorrichtung
bereitgestellt, die mit einer planare Antenne versehen ist, wie
sie vorstehend beschrieben ist.
-
Vorzugsweise
ist die Funkvorrichtung eine RFID-Funkvorrichtung. Diese kann insbesondere einfach
auf einem Folienträger aufgebracht werden, der sich dabei
insbesondere für die Anwendungen auf leitenden Oberflächen
beziehungsweise auf Metalloberflächen eignet.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer planaren Antenne bereitgestellt. Das erfindungsgemäße
Verfahren umfasst dabei das Bereitstellen eines (zumindest teilweise)
elektrisch leitenden Trägers, und das Aufbringen eines
weichmagnetischen Antennenelements auf den zumindest teilweise elektrisch
leitenden Träger. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken,
dass die planare Antenne auch nur einen Teil der Oberfläche
bedecken kann, die durch den Träger gebildet wird. Es wird
hier ebenfalls darauf hingewiesen, dass der Träger in einem
Bereich außerhalb des Antennenelements durchaus nicht planar
ausgebildet sein kann, und durchaus die Gestalt eines Land-Luft-
oder Wasserfahrzeuges aufweisen kann, ohne dass die Eigenschaft
der planaren Antenne dadurch in irgendeiner weise eingeschränkt
ist, auch wenn nur ein geringer Teil des Trägers planar
ausgeführt ist. Es sei hier angemerkt, dass der Ausdruck „planare
Antenne” sich nur auf den Schichtaufbau der Antenne bezieht,
wie er beispielsweise von Patch-Antennen, Microstrip-Antennen, oder
gedruckten Antennen bekannt ist. Es sei hier ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass eine planare Antenne der vorliegenden Erfindung auch
auf gekrümmten oder gebogenen Trägermaterialien
wie beispielsweise einer Fahrzeughaut oder eine Flugzeugoberfläche
aufgebracht werden kann.
-
Es
wird außerdem darauf hingewiesen, das die Möglichkeit,
eine Antenne direkt auf der Metall- oder Verbundoberfläche
eines Flugzeuges aufzubringen, es ermöglicht, große
Flächen beispeisweise der Tragflächen oder des
Leitwerks oder der Rumpfoberfläche mit erfindungsgemäßen
Antennen zu versehen. Dies schließt ebenfalls den Einsatz
mehrerer gerichteter Antennen ein, die es ermöglichen,
eine Richtung, aus der ein Funksignal empfangen wird oder die Polarisation
eines empfangenen Signals zu bestimmen. Dem Fachmann ergeben sich
aus der Nutzung großer Teile der Oberfläche von
Fahrzeugen oder Gebäuden viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten
für die vorliegende Erfindung.
-
In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst
das Verfahren weiterhin das Aufbringen einer leitenden Struktur
auf einen möglicherweise nichtleitenden Träger,
um einen zumindest teilweise elektrisch leitenden Träger
bereitzustellen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin
das Aufbringen einer leitenden Struktur auf das weichmagnetische
Antennenelement, die dieses zumindest teilweise überdeckt.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin
das Aufbringen einer leitenden Struktur auf das weichmagnetische
Antennenelement, die dieses zumindest teilweise überdeckt.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
weiterhin das Aufbringen mindestens eines hartmagnetischen Elements auf
den Träger, oder auf oder in das weichmagnetische Antennenelement.
Das hartmagnetische Element kann dabei vormagnetisiert aufgebracht
werden. Bevorzugt wird das hartmagnetische Element kann unmagnetisiert
aufgebracht.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich
zu dem vorstehenden Verfahren das Magnetisieren eines mindestens
einen aufgebrachten hartmagnetischen Elements.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lack bereitgestellt,
der ein Bindemittel und ein weichmagnetisches Pulver umfasst. Der
Lack soll dabei insbesondere dazu geeignet sein, ein erfindungsgemäßes
Antennenelement auf einen (zumindest teilweise) elektrisch leitfähigen Träger
aufzubringen.
-
In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das
weichmagnetische Pulver ein Pulver auf Ferritbasis. Der erfindungsgemäße
Lack umfasst dabei relativ große Ferrit-Partikel größer
als 1 bis 2 μm, die verwendet werden, um sicherzustellen, dass
die weichmagnetischen Eigenschaften auf jeden Fall vorliegen. Bevorzugt
umfasst das weichmagnetische Pulver des Lacks keine Teilchen, die
kleiner als 2 μm sind.
-
Als
Bindemittel kann sowohl ein Harz als auch eine festes Bindemittel
(d. h. ein Thermoplast) verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Lack durch ein mit Bindemittel überzogenes Pulver
aus weichmagnetischem Material gebildet. Dieses Pulver könnte ähnlich
dem Toner in einem Kopierer durch Erhitzen zum Binden gebracht werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der weichmagnetische
Lack zusätzlich ein Pulver aus hartmagnetischem Material.
In dieser Ausführungsform stellt der Lack einen weich-
und hartmagnetischen Lack dar, mit dem weichmagnetische Antennenelemente
gedruckt werden können die zumindest teilweise vormagnetisiert
werden können. In dem weich- und hartmagnetischen Lack
kann das hartmagnetische Material nur einen kleinen Teil des weichmagnetischen
Materials bilden. Die Menge des hartmagnetischen Materials kann
beispielsweise lediglich 0,1 bis 10 Prozent der Menge des weichmagnetischen
Materials ausmachen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lack bereitgestellt,
der ein Bindemittel und ein hartmagnetisches Pulver umfasst. Der
Lack soll dabei insbesondere dazu geeignet sein, ein erfindungsgemäßes
hartmagnetisches Element auf einen (zumindest teilweise) elektrisch leitfähigen
Träger aufzubringen.
-
In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das
hartmagnetische Pulver ein Pulver auf Stahlbasis. Der erfindungsgemäße
Lack umfasst dabei relativ große Partikel hartmagnetischen
Materials größer als 1 bis 2 μm, die
verwendet werden, um sicherzustellen, dass die hartmagnetischen
Eigenschaften auf jeden Fall vorliegen. Bevorzugt umfasst das hartmagnetische
Pulver des Lacks keine Teilchen, die kleiner als 2 μm sind.
-
Es
ist ebenfalls möglich, beispielsweise einen Thermoplasten
(ähnlich wie Tonerpulver) als Bindemittel zu verwenden,
wobei dem Bindemittel ein entsprechender Anteil hartmagnetisches
Material (anstelle des Farbstoffs beim Tonerpulver) beigefügt ist.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von einzelnen Ausführungsformen
in den Figuren beschrieben:
-
1A und 1B stellen
verschiedene Ansichten einer herkömmlichen Planarantenne
dar.
-
2 stellt
eine Ansicht einer erfindungsgemäßen planaren
Antenne dar.
-
3A stellt
eine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
planaren Antenne dar.
-
3B stellt
eine weitere Ansicht einer erfindungsgemäßen planaren
Antenne ähnlich der in 3A dargestellten,
die jedoch einer anderen Geometrie aufweist.
-
4A stellt
eine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
planaren Antenne dar.
-
4B stellt
eine andere Ansicht einer anderen Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen planaren Antenne dar.
-
1A zeigt
eine der angesprochenen, heute verwendeten Formen von planaren Antennen über elektrisch
leitenden Grundflächen. Eine elektrisch leitende Streifenleitungsstruktur
muss in einem signifikanten Abstand vor der elektrisch leitenden
Grundfläche angebracht werden, in 1A wird
der Abstand durch eine elektrisch isolierende Abstandsplatte gewährleistet.
In diesem Beispiel ist die Antenne in Form einer Rahmenantenne ausgebildet.
Dabei fließt ein elektrischer Strom I, der durch ein entsprechendes
elektrisches Feld hervorgerufen wird, durch die elektrisch leitende
Streifenleiterstruktur. Wie von einer Spule her bekannt, wird dann
ein Magnetfeld H (und damit auch ein Magnetischer Fluss Φ)
erzeugt, das (bzw. der) die Schleife durchsetzt und in den Raum
hineingreift. Es kann daher zu einer induktiven Kopplung mit benachbarten
Strukturen (z. B. bei Funkempfang in einem RFID-Tag) kommen, oder
zu einer elektromagnetischen Verkopplung (Funkübertragung).
-
1B zeigt
noch einmal das grundlegende Prinzip von 1A. Die
elektrische Leiterschleife befindet sich zur Verdeutlichung jedoch
im freien Raum. Die Leiterschleife wird von einem elektrischen Strom I
durchflossen (bzw. befindet sich in der Leiterschleife ein elektrisches
Feld E, das den Strom I bewirkt) und erzeugt das Magnetfeld H. Bei
herkömmlichen Planarantennen ergibt sich das Problem, dass
eine elektrisch isolierende Abstandsplatte in Bild 1A notwendig
ist, um die Leiterschleife von einem elektrisch leitenden Träger
zu isolieren, wobei die Abstandsplatte häufig sehr sperrig
ist.
-
2 stellt
eine Ansicht einer erfindungsgemäßen planaren
Antenne dar. Im Vergleich zu der herkömmlichen elektrisch
betriebenen Planarantenne (bzw. des freien Streifenleiters) von 1B wurde zunächst
der freie Raum (der einem elektrischen Leerlauf entspricht) durch
eine elektrisch leitende Grundfläche ersetzt (d. h. einem
elektrischen Kurzschluss, der wiederum einem, magnetischem Leerlauf
entspricht). Die Antennenstruktur von 1A/B, formal
aus elektrischem Leiter, wurde ersetzt durch ein Material, das den
magnetischen Fluss leiten kann (d. h. ein weichmagnetisches Material).
Diese Änderungen sind aufgrund der Dualität der
Maxwellschen Gleichungen möglich, die den Zusammenhang
zwischen elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben. Diese
Maxwellschen Gleichungen sind in dem Sinne symmetrisch (dual), dass
die Kenngrößen die gleichen Verteilungen haben,
wenn man elektrische und magnetische Kenngrößen
sämtlich konsequent miteinander vertauscht.
-
In
der Praxis kann das weichmagnetische Material durch Hochfrequenz-Ferrit-Material
gebildet werden, das elektrisch isolierend ist, aber den magnetischen
Fluss gut leiten kann, da die Permeabilität dieses Materials
sehr hoch ist. Durch diesen magnetisch leitenden Rahmen wird nun
nicht ein elektrischer Strom, sondern ein ”magnetischer
Strom”, d. h. der magnetische Fluss Φ hindurch
geleitet. Der Magnetische Fluss erzeugt ein elektrisches Feld E,
das senkrecht zur Schleifenfläche steht. Diese Antenne genügt
auch der Randbedingung, dass elektrische (Hochfrequenz-)Felder nur
senkrecht auf elektrisch leitenden Flächen stehen dürfen.
Dieses elektrische Feld erstreckt sich von der Fläche des
elektrisch leitenden Trägers (der planaren Antenne) in
den Raum, und wird somit abgestrahlt, ohne dass dicke oder aus der
Ebene des Trägers vorstehende Antennenstrukturen notwendig
wären.
-
3A stellt
eine Ansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
planaren Antenne dar. Die in 3A dargestellte
Ausführungsform einer planaren Antenne umfasst ein weichmagnetisches
Antennenelement in Form eines offenen Rechteckes mit nach außen
geführten Verbindungen zu einer Schaltung. Das als Rechteck ausgeführte
weichmagnetische Antennenelement ist zwischen zwei hartmagnetische
Dauermagneten eingebettet, die ebenfalls als Rechtecke ausgeführt sind.
In der Aufsicht ist die Dicke des weichmagnetischen Antennenelements
oder der zwei hartmagnetischen Dauermagnete nicht zu erkennen. Die
beiden Dauermagnete erzeugen in dem Ferritrechteck ein nach außen
gerichtetes magnetisches Gleichfeld. Die in 3A mit „N” bzw., „S” gekennzeichneten Bereiche
der beiden Dauermagnete bzw. der hartmagnetischen Elemente deuten
jeweils den magnetischen Nord- bzw. Südpol an. Die auf
dem weichmagnetischen Antennenelement dargestellten Pfeile deuten
die nach außen gerichtete Vormagnetisierung an.
-
3B stellt
eine weitere Ansicht einer erfindungsgemäßen planaren
Antenne wie in 3A jedoch mit einer anderen
Geometrie dar. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 3A ist
in 3B eine Antennenstruktur dargestellt die als runder
Ring ausgeführt ist. Das weichmagnetische Antennenelement
ist wie in 3A jeweils von zwei runden Dauermagnetringen
umgeben. Die magnetischen Nord- und Südpole sind in 3B nur
teilweise dargestellt, entsprechen jedoch den in 3A dargestellten
Magnetisierung der Dauermagnete. Wie in 3A ist das
durch die ringförmigen Dauermagneten erzeugte radiale Vormagnetisierung
durch nach außen weisende Pfeile dargestellt.
-
In
den 3A und 3B durchsetzt
das magnetische Gleichfeld das weichmagnetische Antennenelement
in radialer Richtung. Eine solche Vormagnetisierung in einem Hochfrequenzferrit
bewirkt einen hohen Realteil der Permeabilität und einen niedrigen
Imaginärteil der Permeabilität, und damit niedrige
Verluste für magnetische Wechselfelder, die in einer Ebene
senkrecht zur Gleichfeldvormagnetisierung positiv zirkular polarisiert
sind. Für negativ zirkulare Polarisation ist die Permeabilität ähnlich klein
wie im unmagnetisierten Fall.
-
In
dieser Situation wird der eingekoppelte magnetische Fluss, der in
dem Ferritring primär eine Umfangskomponente, d. h. eine φ-Komponente,
hat, als positiv zirkular polarisiertes Feld, d. h. unter Anregung
einer z-Komponente des magnetischen Wechselfeldes, durch den Ferritring
hindurchfließen. Die φ-Komponente, also die Komponente,
die tangential zu der Ebene der Antennenanordnung liegt, bewirkt die
gewollte Abstrahlung der Antenne. Die zusätzlich erzeugte
z-Komponente, also eine Feldkomponente, die Senkrecht auf der Antennenstruktur
steht, stört in diesem Fall nicht, da tangentiale Feldkomponenten allein
das abgestrahlte Feld bestimmen.
-
4A stellt
eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
planaren Antenne dar.
-
Im
Gegensatz zu den in 3A und 3B dargestellten
Ausführungsformen ist die Antennenstruktur als Sandwich
aufgebaut, wobei das weichmagnetische Antennenelement zwischen zwei
Lagen aus hartmagnetischem Material liegt. Die Dauermagnete sind
in dieser Ausführungsform ebenfalls senkrecht zu dem Verlauf
des weichmagnetischen Antennenelements ausgerichtet. Hier verläuft
das Magnetfeld der Dauermagnete senkrecht in die Zeichenebene bzw.
die Ebene der Planarantenne hinein. Es ist ebenfalls möglich
die Dauermagnetschichten parallel zu der Ebene der Planarantenne
zu magnetisieren.
-
4B stellt
eine andere Ansicht einer anderen Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen planaren Antenne dar. In dieser
Ausführungsform ist das weichmagnetische Antennenelement
selber mit hartmagnetischen Elementen versehen. Dies kann beispielsweise
durch einen Zusatz von hartmagnetischem Pulver zu einem Lack erreicht
werden, mit dem das weichmagnetische Antennenelement auf einen Träger
aufgedruckt wird. In einen weiteren Schnitt wurde das hartmagnetische
Pulver in eine Richtung magnetisiert. In der dargestellten Ausführungsform
sollten sich die negativen Auswirkungen der tangentialen Komponenten
der Vormagnetisierung gegenseitig aufheben, während sich
die radialen Elemente der Vormagnetisierung zumindest zum Teil positiv
auf den Verlust des weichmagnetischen Antennenelements auswirken
müssten. Es ist ebenfalls vorgesehen, die hartmagnetischen
Anteile des weichmagnetischen Antennenelements in radialer Richtung
entsprechend 3A zu magnetisieren. In der
in 4B dargestellten Ausführungsform sind die
Dauermagnete direkt in das Antennenelement integriert.
-
Obgleich
alle in den Figuren dargestellten Antennen als eine Patch-Antenne
dargestellt sind, die als Rahmenantenne ausgeführt ist,
sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung auch dazu verwendet
werden kann, andere Rahmenantennen wie Quad-Antennen, und Mehrfach
Quad-Antennen, Yagi-Antennen, Spiralantennen, Logarithmisch-Periodische
Dipol-Antennen, oder andere Antennenformen direkt auf einen elektrisch
leitfähigen Träger aufzubringen.
-
Die
vorliegende Erfindung gestattet es ebenfalls, Reflektorelemente
durch einfaches Aufdrucken neben der Antennenstruktur aufzubringen.
Derartige Reflektorelemente, können auch direkt in die
Antennestruktur eingebracht werden.
-
Je
nach Größe der gewünschten Strukturen können
die Antennenelemente der vorliegenden Erfindung mit einem entsprechenden
Druckverfahren wie Siebdruck, Ink-jet Druck, Hoch- und Tiefdruck, Offset-Druck,
oder Tampon-Druck auf den Träger aufgebracht werden. Wenn
das Trägermaterial hinreichend dünn ist, erscheint
es möglich, die erfindungsgemäßen weichmagnetischen
Antennen einfach mit Hilfe einer Druckmaschine für Kartonagendruck
herzustellen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Fachbuch von
H.-G. Unger „Elektromagnetische Theorie für die
Hochfrequenztechnik” Teil II, offenbart ist, das 1981 [0002]
- - Artikel ”Magnetic properties of metallic ferromagnetic
nanoparticle composites”, von R. Ramprasad, et al. erschienen
im, J. Appl. Phys. 96, 519(2004) [0003]