DE10010936A1 - Antenne - Google Patents
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Abstract
Es wird eine magnetische Loop-Antenne angegeben, die ohne Kopfkapazität geringe Abmessungen aufweist. Hierzu sind Abschnitte eines die Antenne bildenden Leiterstückes (10), dessen Länge mindestens das 1,5-fache des Umfanges der Antennenfläche A beträgt, so eng benachbart geführt, daß sich eine magnetische Verkopplung der Leiterabschnitte (12) ergibt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Unter den Antennen, die für kleine Funkmodems verwendet
werden, befinden sich insbesonder die magnetischen Loop-
Antennen: Diese umfassen ein geschlossenes, meist kreis
förmiges oder rechteckiges Leiterstück, dessen Länge
deutlich kleiner ist als die Wellenlänge. Das Leiterstück
ist an einem Eingang an einen Senderausgang angeschlossen
und sein anderes Ende wird mit einer Kopfkapazität abge
schlossen, derart, daß Leiterschleife und Kopfkapazität
einen Resonanzkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz mit
der Arbeitsfrequenz des Senders übereinstimmt. Die Kopf
kapazität kann auch durch einen mit Luft oder einem
Dielektrikum gefüllten Spalt am entsprechenden Ende des
Leiterstückes gebildet sein.
Eine derartige Loop-Antenne ist in der DE 195 45 394 A1
beschrieben. Sie zeichnet sich durch sehr geringe
Abmessungen aus. Nun ist aber bei einer magnetischen
Loop-Antenne der Strahlungswiderstand und damit die
Effektivität der Abstrahlung proportional zum Quadrat
der vom Leiterstück umschlossenen Fläche (Antennenfläche),
klein und liegt typischerweise bei 10 mOhm. Um bei einer
solchen Antenne einen guten Wirkungsgrad zu erhalten,
müssen alle Verlustwiderstände in der Antenne sehr klein
sein. Schwierig ist dabei der kritische HF-Widerstand des
Leitstückes und auch der HF-Widerstand der Kopfkapazität.
Antennen der in der DE 195 45 394 A1 angesprochenen
Art werden typischerweise für die Funkfernauslesung
von elektronischen Verbrauchszählern (Heizkostenvertei
ler, Wasserzähler, Wärmemengenzähler, Gaszähler, Strom
zähler, usw.) verwendet. Die Funkfernauslesung erfolgt
meist in den in fast ganz Europa hierfür zugelassenen
Funkbändern bei 433,92 MHz oder 868 bis 870 MHz. Sieht
von diesen zulassungsbedingten Kriterien ab, wären auch
Frequenzbänder im Bereich zwischen 200 und 3000 MHz
verwendbar.
Bei derartigen Frequenzen betragen schon die Widerstände
üblicher kapazitiver Bauelemente einige -zig mohm. Wegen
des recht niedrigen Strahlungswiderstandes der Antenne
müßten auch alle anderen Widerstände des Leiterstückes
und der Kopfkapzität im Bereich von wenigen mOhm liegen,
was breite Leiterabmessungen notwendig macht.
Nun sollen aber derartige Antennen möglichst klein sein,
in der Praxis deutlich kleiner als ein Viertel der Wellen
länge. Oft sind auch die zur Funkfernauslesung verwendeten
Geräte in der Nachbarschaft größerer Metallflächen angeord
net, etwa Zählegehäuse bei Gas/Stromzählern, Heizkörper
bei Heizkostenverteilern, Wasserleitungen bei Wasser-
und Wärmemengen-Zählern. Auch dies wirkt sich nachteilig
auf die Abstrahlung aus. Weitere Beeinflussungen der
Abstrahlung erfolgen durch Möbel, Vorhänge und Personen.
Die Verbrauchsmessgeräte sind in der Regel batteriegetrie
ben, wobei eine Funktionsfähigkeit der Langzeitbatterie
über die gesamte Eichdauer hinweg (5 bis 12 Jahre) ge
wünscht wird.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Antenne
angegeben werden, die bei kleinen Abmessungen einen
hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine
Antenne mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Eine erfindungsgemäße Antenne ist eine magnetische Loop-
Antenne, sie kommt jedoch, anders wie die Antenne nach
der DE 195 45 394 A1 ohne Kopfkapazität aus. Die Länge
des Leiterstückes, welches die Antennenfläche begrenzt,
beträgt mindestens das 1,5-fache des Umfanges der Anten
nenfläche. Damit erhält man in Umfangsrichtung verlaufende
Abschnitte des Leiterstückes, die einander benachbart sind.
Das Benachbartsein kann in bezogen auf die Begrenzung
der Antennenfläche radialer Richtung oder in bezogen
auf die Antennenfläche senkrechter Richtung oder in
einer Kombination dieser beiden Richtungen gegeben sein.
Die benachbarte Führung von Abschnitten des Leiterstückes
werden nachstehend auch kurz als "Überlappung" angespro
chen, wobei dieser Begriff beinhaltet, daß die entspre
chenden Leiterstückabschnitte einander nicht zu berühren
brauchen. Wichtig ist nur, daß die Leiterabschnitte
einander so dicht benachbart sind, daß es zu Feldverkopp
lungen zwischen den Leiterabschnitten kommt.
Die angesprochene Feldverkopplung führt dazu, daß sich
das Leiterstück im Überlappungsbereich eher wie eine
Doppelleitung verhält. Dadurch sinkt die Ausbreitungs
geschwindigkeit erheblich unter die Lichtgeschwindigkeit
ab. Die Absenkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit (bzw.
der Wellenlänge der Stromverteilung im Leiterstück)
richtig sich im einzelnen nach dem Abstand der Leiterab
schnitte und der Windungszahl der Antenne (Verhältnis
zwischen Länge des Leiterstückes und dem Umfang der
Antennenfläche). Erfindungsgemäß werden die überlappen
den Leiterabschnitte so geführt, daß man eine Herab
setzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf etwa das
0,8-Fache derjenigen Ausbreitungsgeschwindigkeit erhält,
die sich ohne überlappende Leitungsabschnitte im Leiter
stück einstellt.
Durch die Einstellung der Windungszahl und die Art
und Weise der Überlappung der Leiterabschnitte (und
den hierdurch erhaltenen Verkürzungsfaktor) kann man
dann Antennen realisieren, deren Durchmesser nur 1/20
bis 1/30 der Wellenlänge beträgt. Die Größe einer sol
chen Antenne ist somit ähnlich klein wie die einer klassi
schen Loop-Antenne mit Kopfkapazität, wobei aber eine
die Güte der Antenne beeinträchtigende Kopfkapazität
nicht benötigt wird, vielmehr die magnetische Verkopp
lung der überlappenden Leiterabschnitte für die Einstel
lung der Resonanzbedingungen bei kleinen Antennenabmes
sungen verantwortlich ist.
In der Praxis kann man mit erfindungsgemäßen Antennen
so eine Betriebs-Resonanzgüte von 10 bis 300 erhalten.
Damit kann eine erfindungsgemäße Antenne bei Einsatz
als Empfangsantennen als verlustarmes Vorfilter mit
hoher Betriebs-Resonanzgüte dienen oder bei Einsatz
als Sendeantenne als Filter zur Unterdrückung der Aus
strahlung von Ober- und Nebenwellen der Sendefrequenz
dienen.
Im Vergleich mit einer Ringantenne ist der Abstrahlwider
stand der erfindungsgemäßen Antenne deutlich höher (im
Ohm-Bereich), so daß der Leiterwiderstand lange nicht
mehr so kritisch ist. Damit kann man die Antenne auch
einfach aus Draht realisieren. Geometrische Toleranzen
sind aus dem gleichen Grunde nicht kritisch.
Aufgrund ihrer Eigenschaften läßt sich eine erfindungsgemäße
Antenne gut auch noch unter kleinem Abstand (wenige
Millimeter) vor einer Metallfläche verwenden, und auch
kapazitive Beeinflussungen der Antenne (z. B. durch eine
Hand) sind nur klein.
Die Realisierung des im wesentlichen eine Schleife dar
stellenden Leiterstückes kann durch entsprechend gebogenen
Draht, durch gefräste Leiterstücke oder durch gedruckte
Leiterbahnen erfolgen, wobei letztere auf einem isolieren
den Träger angeordnet sind, der z. B. auch ein Kunststoff
gehäuse oder eine Kunststoff-Gehäusedeckel sein kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran
sprüchen angegeben.
Bemißt man die Länge des Leiterstückes gemäß Anspruch
2, so erhält man eine gute Herabsetzung der Ausbreitungs
geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen längs
des Leiterstückes und damit eine sehr kompakte Geometrie
der Antenne bei mechanisch noch einfachem Aufbau der
Antenne, die sich somit preisgünstig herstellen läßt.
Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
3 dient dem Erhalten kompakter Abmessungen der Antenne.
Eine Beabstandung der einander überlappenden Abschnitte
des Leiterstückes, wie sie im Anspruch 4 angegeben ist,
hat sich in der Praxis besonders bewährt. Man erhält
eine gute Herabsetzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Zugleich ist die Antennenstruktur kompakt und die neben
einander geführten Leiterabschnitte lassen sich präzise
führen.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ermög
licht auch die Realisierung von Antennen, bei denen
die Gesamtlänge des Leiterstückes ein ganzzahliges Viel
faches der halben Wellenlänge ist. Durch Änderung des
Wicklungssinnes jeweils nach der halben Wellenlänge wird
erreicht, daß die Magnetfelder, die von den verschiedenen
Abschnitten des Leiterstückes erzeugt werden, betragsmäßig
addiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Antenne fließt bei den Enden
des Leiterstückes kein Strom, so daß man diese Enden
wahlweise verbinden (Anspruch 6) oder elektrisch offen
lassen kann (Anspruch 7), wie dies aus anderen Gesichts
punkten, z. B. Einfachheit der Herstellung, mechanische
Festigkeit der Antenne, wünschenswert ist.
Gemäß Anspruch 8 braucht das Leiterstück zur Einspeisung
der Sendeenergie bzw. zum Auskoppeln der empfangenen
Energie nicht zusätzlich unterbrochen zu werden. Eine
induktive Kopplung mit dem Sender bzw. Empfänger, der
mit der Antenne zusammenarbeitet, ist auch im Hinblick
auf eine Restanpassung von Antenne und Sender bzw. Emp
fänger von Vorteil.
Die Geometrien für die Antennenfläche, die im Anspruch
9 angegeben sind, eignen sich besonders gut für die
Realisierung von Antennen, die keine ausgeprägte Richt
charakteristik aufweisen, wie dies bei der Funkfernaus
lesung von Verbrauchsmessern gewünscht wird, da die
Einbauorientierung der mit Funkfernauslesung versehenen
Verbrauchsmesser im Hinblick auf lokale Erfordernisse
(Heizkörperfläche, Wandfläche) erfolgen muß und nicht
an die Übertragungsverhältnisse zu einer Fernauslese
zentrale angepaßt werden kann.
Alternativ kann man mit den im Anspruch 10 angegebenen
Geometrien der Antennenfläche eine Richtcharakteristik
der Antenne erzielen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer ersten
Antenne mit zugeordneter Speiseeinrichtung,
wobei Abschnitte des die Antenne bildenden
Leiterstückes, dessen Gesamtlänge einer halben
Wellenlänge entspricht, axial beabstandet geführt
sind;
Fig. 2: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, in welcher
jedoch eine abgewandelte Antenne gezeigt ist,
bei welcher Abschnitte des die Antenne bilden
den Leiterstückes radial beabstandet sind;
Fig. 3: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, bei welcher
jedoch die Gesamtlänge des die Antenne bilden
den Leiterstückes gleich einer Wellenlänge ist;
und
Fig. 4: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, in welche
jedoch die Bemaßung eines praktischen Ausfüh
rungsbespieles eingetragen ist.
In Fig. 1 ist eine magnetische Loop-Antenne eingetragen,
welche eine Leiterstück 10 aufweist. Dieses umfaßt 1,75
Windungen, die in axialer Richtung gesehen eine quadra
tisches Antennenfläche A umschließen. Die Kantenlänge
der Antennenfläche A ist mit a bezeichnet.
Die verschiedenen den Kanten der Antennenfläche A zugeord
neten Abschnitte 12 des Leiterstückes 10 sind ähnlich
geführt, wobei die Ganghöhe der Windungen mit p bezeichnet
ist.
Man erkennt, daß sich jeweils zwei Abschnitte 12 des
Leiterstückes 10 in axialer Richtung gesehen überlappen,
mit Ausnahme des vorne liegenden Abschnittes, der einzeln
ist und die Windungsebenen überbrückt.
Der axiale Abstand p der Leiterabschnitte 12 liegt im
Bereich von 1 bis 5 Drahtdurchmessern. Damit ergibt
sich im Bereich dreier Seiten der Antennenfläche A eine
magnetische Kopplung der Leiterabschnitte 12 und damit
eine Herabsetzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der
elektromagnetischen Strahlung längs des Leiterstückes
10. Der entsprechende Verkürzungsfaktor k (Wellenlänge
der Stromverteilung im Leiterstück 10/Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum) kann zwi
schen 0,2 und 0,8 gewählt werden, je nach dem, wie klein
der Abstand p gewählt wird und wie weit sich die Leiter
abschnitte 12 in Umfangsrichtung überlappen.
Damit kann die in Fig. 1 gezeigte Antenne kleine Ab
messungen aufweisen, obwohl es sich um eine ohne Kapazi
tät in Resonanz arbeitende W/2-Antenne (W = Wellenlänge)
handelt.
Zur Speisung der durch das Leiterstück 10 gebildeten
Antennenschleife ist eine Koppelschleife 14 vorgesehen,
die ebenfalls eine quadratische Fläche begrenzt, die
jedoch deutlich kleiner ist als die Antennenfläche A.
Das eine Ende der Koppelschleife 14 ist direkt mit dem
einen Anschluß eines Senders 16 verbunden. Der andere
Anschluß der Koppelschleife 14 ist über einen Koppel
kondensator 18 mit dem zweiten Anschluß des Senders
16 verbunden.
Der Sender 16 wird von einem Verbrauchsmesser 20 her
angesteuert und übermittelt in größeren zeitlichen Ab
ständen den Zählerstand des Verbrauchsmessers 20 in
serieller binärer Darstellung. Einzelheiten über das
Arbeiten eines derartigen Verbrauchsmessers können der
DE 195 45 394 A1, der DE 30 44 262 A1, der DE 42 25 042 A1
oder der DE 44 22 281 A1 entnommen werden, auf
die diesbezüglich verwiesen wird.
Das Leiterstück 10 ist formstabil und kann z. B. über
ein Isolierstück (nicht gezeigt), das die mittleren der
doppelt vorgesehenen Leiterabschnitte 12 packt, an einer
nicht gezeigten Tragstruktur (z. B. Leiterplatte oder
Gehäuse) festgelegt sein.
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Antennen für die Funk
fernauslesung von Verbrauchsmessern gezeigt, die sich
von derjenigen nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß
die Leiterabsschnitte 12 unter radialem Abstand ange
ordnet sind. Eine derartige Anordnung eignet sich beson
ders gut zur Realisierung auf Leiterplatten. Die Leiter
stücke 10 können dort einfach aus einer durchgehenden
Kupferschicht herausgeätzt werden, ebenso die Koppel
schleife 14.
Die Antenne nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 1 dadurch, daß die Gesamtlänge des Leiter
stückes 10 einer Wellenlänge entspricht. Um eine positive
Überlagerung der von den Leiterabschnitten 12 erzeugten
Teilmagnetfelder zu erzielen, ist das Leiterstück 10
zunächst gefaltet worden und die so erhaltene faltete
Leiteranordnung ist dann zusätzlich so geformt, wie
in Fig. 1 für ein einfaches Leiterstück dargestellt.
Damit wechselt die Stromrichtung an den Stromknoten.
Fig. 4 gibt präzise Abmessungen eines praktischen Aus
führungsbeispieles. Die Kenngrößen der dort gezeigten
W-Antenne sind folgende:
Kantenlänge a: 25,00 mm
Drahtdurchmesser d: 0,63 mm
Ganghöhe p: 6,40 mm
Kantenlänge der Koppelschleife: 8,50 mm
Abstand der Koppelschleife: 6,60 mm
Koppelkondensator: 6,20 pF.
Kantenlänge a: 25,00 mm
Drahtdurchmesser d: 0,63 mm
Ganghöhe p: 6,40 mm
Kantenlänge der Koppelschleife: 8,50 mm
Abstand der Koppelschleife: 6,60 mm
Koppelkondensator: 6,20 pF.
Damit werden folgende Eigenschaften erhalten:
Güte Q0: 430
Betriebsgüte QB: 215 (Ri = 50 Ohm)
Eingangsimpedanz Ze/Ohm: 56 + j × 0
Resonanzfrequenz: 433,9 MHz
Strahlungswiderstand Rs: 2,79 Ohm
Verlustwiderstand Ra: 0,55 Ohm
Wirkungsgrad: 83%
Freiraumwellenlänge l: 690 mm
Längenverhältnis a/l: 1/27.6.
Güte Q0: 430
Betriebsgüte QB: 215 (Ri = 50 Ohm)
Eingangsimpedanz Ze/Ohm: 56 + j × 0
Resonanzfrequenz: 433,9 MHz
Strahlungswiderstand Rs: 2,79 Ohm
Verlustwiderstand Ra: 0,55 Ohm
Wirkungsgrad: 83%
Freiraumwellenlänge l: 690 mm
Längenverhältnis a/l: 1/27.6.
Die oben beschriebenen Antennen sind somit typische
W/2-Antennen, haben aber erheblich geringere Abmessungen
als typische bekannte W/2-Antennen. Von den durch Kopf
apazitäten abgeschlossenen Loop-Antennen unterscheiden
sie sich durch das Fehlen einer Kopfkapazität und durch
einen erhebliche verbesserte Güte.
Von den herkömmlichen Helixantennen, die eine Vielzahl
von Windungen aufweisen, unterscheiden Sie sich dadurch,
daß ihre Gesamtlänge ein ganzzahliges Vielfaches von W
ist, daß eine symmetrische Einspeisung erfolgt (bei
Helix-Antennen einseitige Einspeisung) und daß der Win
dungsabstand klein ist, so daß man eine magnetische
Verkopplung benachbarter Leiterabschnitte erhält.
Dabei zeichnen sich die oben beschriebenen Antennen
durch einen mechanisch einfachen kompakten Aufbau aus.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war die
Antennenfläche A im wesentlichen quadratisch. Es versteht
sich, daß die Begrenzung der Antennenfläche stattdessen
auch kreisförmig gewählt sein kann. Solche Antennen
haben eine in Umfangsrichtung im wesentlichen konstante
Charakteristik. Wählt man die Antennenfläche A rechteckig
oder oval, kann man eine Richtcharakteristik in Umfangs
richtung veränderliche Richtcharakteristik erzielen.
Claims (10)
1. Antenne mit einem eine Antennenfläche (A) umschliessen
den Leiterstück (10), dessen Länge einem ganzzahligen
Vielfachen der halben Wellenlänge der Stromverteilung
im Leiterstück (10) entspricht, dadurch gekennzeichnet,
daß das Leiterstück (10) eine Länge hat, die mindestens
dem 1,5-Fachen des Umfanges der Antennenfläche (A) ent
spricht und daß sich axial und/oder radial gesehen über
lappende Abschnitte (12) des Leiterstückes (10) einander
so nahe benachbart sind, daß die Wellenlänge der Strom
verteilung im Leiterstück (10) höchstens dem 0,8-fachen
der Vakuumwellenlänge des durch die Stromverteilung
erzeugten elektromagnetischen Feldes entspricht.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des Leiterstückes (10) das 1,75 bis
3,5-fache des Umfanges der Antennenfläche (A) beträgt.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Wellenlänge der Stromverteilung im
Leiterstück (10) nicht kleiner ist als das 0,2-Fache
der Vakuumwellenlänge des von der Stromverteilung er
zeugten elektromagnetischen Feldes.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der radiale und/oder axiale
Abstand zwischen den radial und/oder axial beabstande
ten Abschnitten (12) des Leiterstückes (10) das 1 bis
5-fache der Abmessung des Leiterstückes (10) in der
betrachteten Abstandsrichtung beträgt.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
das ganzzahlige Vielfache < 1 ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Leiterstück (10) jeweils nach einer
Strecke, die einer halben Wellenlänge der Stromverteilung
entspricht, die Wicklungsrichtung wechselt.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enden des Leiterstückes
(10) miteinander leitend verbunden sind.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enden des Leiterstückes
(10) elektrisch offen sind.
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn
zeichnet durch eine induktive Speiseeinrichtung
(14), die mit dem Leiterstück (10) zusammenarbeitet.
9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antennenfläche (A) quadratisch
oder kreisförmig ist.
10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antennenfläche A rechteckig
oder oval ist.
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