DE19603366A1

DE19603366A1 - HF-Sendeeinheit zur Abstrahlung von HF-Sendesignalen

Info

Publication number: DE19603366A1
Application number: DE1996103366
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Minnhaar; Marco Dipl Ing Schwarzmueller
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07

Description

Sendeeinheiten werden heutzutage vielfältig in Fernbedienungen für die leitungs lose Datenübertragung zwischen einem Bediener und einem System eingesetzt, bsp. für den Öffnungs-/Schließvorgang der Türschlösser von Kraftfahrzeugen. Die Datenübertragung mittels einer Übertragungsstrecke zwischen der Sendeeinheit und einer im System integrierten Empfangseinheit erfolgt durch Abstrahlung eines Sendesignals der Sendeeinheit mit einer bestimmten Übertragungsfrequenz meist entweder im Infrarot(IR)-Bereich oder im Hochfrequenz(HF)-Bereich, wobei für den jeweils verwendeten Frequenzbereich unterschiedliche Anforderungen bei der Datenübertragung erfüllt werden müssen - insbesondere unter der Randbedingung der angestrebten Miniaturisierung der Fernbedienungen.

Im HF-Bereich mit einer üblichen Übertragungsfrequenz von 433,92 MHz muß die Abstrahlung von HF-Sendesignalen durch die HF-Sendeeinheit im Nahbereich über eine Anregung des magnetischen Felds vorgenommen werden, da ein menschlicher Körper (wie z. B. die Hand des Bedieners) bei magnetischem Nah feld weniger stört als bei elektrischem Nahfeld; daher weist die üblicherweise auf einer Leiterplatte angeordnete HF-Sendeeinheit einen (als Parallelschwingkreis oder Serienschwingkreis ausgeführten) Antennenschwingkreis auf, der aus einem Kondensator und einer magnetischen Antennenschleife gebildet wird und dessen Energiespeisung durch eine als Oszillator ausgebildete Hochfrequenzquelle (HF- Quelle) erfolgt. Um eine effiziente Abstrahlung des HF-Sendesignals sicher zustellen, sollte der Strom durch den Antennenschwingkreis bzw. durch die ma gnetische Antennenschleife (der "Schleifenstrom") möglichst groß sein; zu diesem Zweck muß eine Leistungsanpassung zwischen der HF-Quelle und dem Anten nenschwingkreis bzw. der magnetischen Antennenschleife vorgenommen werden.

Problematisch hierbei ist, daß die Ausgangs-Impedanz der HF-Quelle und die Im pedanz des Antennenschwingkreises stark differieren: ein als Parallelschwingkreis ausgebildeter Antennenschwingkreis besitzt eine sehr hohe Impedanz (ca. 20 kΩ bei 433,92 MHz), eine als Serienschwingkreis ausgebildeter Antennenschwing kreis eine sehr niedrige Impedanz (ca. 0,3 Ω bei 433,92 MHz), während die Aus gangs-Impedanz der HF-Quelle üblicherweise 50 Ω bis 1 kΩ beträgt. Für die Lei stungsanpassung (Impedanztransformation) zwischen der HF-Quelle und dem Antennenschwingkreis (bzw. der magnetischen Antennenschleife des Antennen schwingkreises) werden daher mehrere Bauelemente benötigt (in der Regel zwei Kondensatoren und zwei Spulen), die teuer sind, Toleranzen aufweisen und exakt auf der Leiterplatte der HF-Sendeeinheit positioniert werden müssen, so daß die Impedanztransformation mit Schwierigkeiten und hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin treten neben den im Antennenschwingkreis selbst vorhandenen Ver lusten auch bei der Impedanztransformation Verluste auf, so daß der Wirkungs grad der Sendeantenne (der als Verhältnis der abgestrahlten Leistung zur zu geführten Leistung definierte Antennenwirkungsgrad) bei den geforderten mecha nischen Abmessungen der HF-Sendeeinheit meist deutlich geringer als 0,5% ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Sendeeinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden werden, und die vorteilhafte Eigenschaften bezüglich des Aufbaus, der Abstrahlei genschaften des HF-Sendesignals und der Kosten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der auf einem geeigneten Trägerkörper (bsp. eine Epoxyd-Leiterplatte oder ein Keramikträger) angeordneten HF-Sendeeinheit wird die Ausgangsleistung der HF-Quelle (bsp. der Ausgangsstrom einer HF-Stromquelle) transformatorisch in den Antennenschwingkreis bzw. die magnetische Antennenschleife eingekoppelt, indem der Ausgang der HF-Quelle mit einer mindestens eine Windung aufwei senden magnetischen Einkoppelschleife verbunden ist und diese als Leiterbahn (bsp. aus Kupfer oder Gold) ausgebildete magnetische Einkoppelschleife auf die gleiche oder die entgegengesetzte Oberflächenseite des Trägerkörpers wie die ma gnetische Antennenschleife (vorzugsweise mit dem gleichen Prozeßablauf und beim gleichen Prozeßschritt des Herstellungsprozesses) aufgebracht ("gedruckt") und induktiv an die magnetische Antennenschleife angekoppelt wird. Die Länge der magnetischen Antennenschleife bestimmt deren Induktivität und damit die Kapazität, die zum Abstimmen der Antennenschleife benötigt wird. Die Fläche der magnetischen Einkoppelschleife (d. h. die von der magnetischen Ein koppelschleife auf dem Trägerkörper umschlossene Fläche) die induktive Kopp lung zur magnetischen Antennenschleife und damit das Transformationsverhalten. Die erforderliche Impedanztransformation kann daher allein durch geeignete Wahl der Fläche der magnetischen Einkoppelschleife und/oder der Fläche der magneti schen Antennenschleife vorgegeben werden - insbesondere durch geeignete Wahl des Flächenverhältnisses dieser beiden Flächen; insbesondere wird die Fläche der magnetischen Einkoppelschleife so gewählt, daß der Ausgang der HF-Quelle opti mal an den Antennenschwingkreis (die magnetische Antennenschleife) angepaßt ist.

Die vorgestellte HF-Sendeeinheit vereinigt mehrere Vorteile in sich:

- einer einfachen, in einem Schritt (einstufig) durchgeführten Leistungsanpas sung (Impedanztransformation) ohne zusätzliche Bauelemente, verbunden mit einem hohen Wirkungsgrad,
- einer Festlegung ("matching") der Transformationseigenschaften beim Herstel lungsprozeß (gleiche Prozeßschritte, gleiche Technologie), so daß kaum Tole ranzen oder Streuungen bei der Impedanztransformation auftreten,
- einen einfachen, planaren, mechanisch stabilen, kostengünstigen Aufbau mit einer geringen Anzahl von Bauelementen und damit einen geringen Volumen bedarf (Miniaturisierungsbestrebungen),
- einen einfachen, kostengünstigen, automatisierbaren und reproduzierbaren Her stellungsprozeß und demzufolge reproduzierbare Eigenschaften bei einer Seri enproduktion,
- durch die galvanisch nicht-angeschlossene magnetische Antennenschleife wird ein guter ESD ("electrostatic discharge")-Schutz der fertigen HF-Sendeeinheit erreicht,
- eine auch bei begrenzter Güte des Antennenschwingkreises ausreichende Lei stungsabstrahlung und damit die Möglichkeit eines abgleichfreien Aufbaues.

Die HF-Sendeeinheit wird im folgenden anhand der Zeichnung naher beschrieben, wobei die Figur eine perspektivische schematische Anordnung der HF-Sendeein heit zeigt.

Gemäß der Figur ist bei der bsp. in einem Kfz-Schlüssel integrierten HF-Sende einheit auf dem Trägerkörper 1 (bsp. eine Leiterplatte aus Epoxidharz) eine HF- Schaltungsanordnung 2 aus integriertem Schaltkreis (IC) 21, peripheren Bauele menten 22, Antennenschwingkreis 23 und magnetischer Einkoppelschleife 24 an geordnet.

Der bsp. in einem Gehäuse mit 14 Anschlußpins integrierte, auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 1 angeordnete IC 21 enthält bsp. einen Quarzoszillator zur Fre quenzstabilisierung, einen als spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ausgeführ ten HF-Oszillator der Frequenz 433,92 MHz, eine Phasenregelschleife (PLL) zur Einrastung des HF-Oszillators und eine mit dem Ausgang des HF-Oszillators ver bundene, als HF-Stromquelle ausgeführte Leistungsverstärkerstufe; der Ausgang der HF-Stromquelle ist über zwei Anschlußpins 211, 212 des ICs 21 nach außen geführt und über zwei Leitbahnen 13, 14 mit den beiden Anschlüssen der auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 1 als Kupfer-Leiterbahn "aufgedruckten", bsp. ei ne Windung aufweisenden magnetischen Einkoppelschleife 24 verbunden.

Die peripheren Bauelemente 22 dienen zur externen Beschaltung des VCOs, als Schleifenfilter für die PLL und zur Beschaltung des Quarzoszillators.

Die magnetische Einkoppelschleife 24 ist über die Durchkontaktierung 15 des Trägerkörpers 1 mit der Unterseite 12 des Trägerkörpers 1 und dort über die Leit bahn 16 mit der an die positive Versorgungsspannung U_s (bsp. + 2,4 V) ange schlossenen Versorgungsspannungsfläche 25 verbunden. Auf der Unterseite 12 des Trägerkörpers 1 ist der Antennenschwingkreis 23 mit der als Kupfer-Leiter bahn "aufgedruckten", bsp. eine Windung aufweisenden magnetischen Antennen schleife 231 und dem (SMD-) Kondensator 232 angeordnet, wobei der Antennen schwingkreis 23 galvanisch nicht mit der magnetischen Einkoppelschleife 24 ver bunden ist; daher ist im Bereich der zur Versorgungsspannungsfläche 25 führen den Leiterbahn 16 eine bsp. als SMD-0 Ω-Widerstand ausgebildete Brücke 17 zur Überbrückung der Leiterbahn 16 vorgesehen.

Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangs-Impedanz der im IC 21 an geordneten Stromquelle etwa -j 1000 Ω (kapazitiv), während die Impedanz des als Parallelschwingkreis ausgebildeten Antennenschwingkreises 23 mit einer aus Kupfer bestehenden magnetischen Antennenschleife 231 des Durchmessers 20 mm, mit einem SMD-Kondensator 232 der Kapazität 2,7 pF und mit einem die Verluste repräsentierenden ohm′schen Serienwiderstandes des Widerstandswerts 1,8 Ω etwa 10 kΩ beträgt. Zur Impedanztransformation (Leistungsanpassung) weist die aus Kupfer bestehende magnetische Einkoppelschleife 24 einen Durch messer von 13,5 mm und eine Dicke von 2 mm auf. Hierdurch ist eine Leistungs anpassung und ein Wirkungsgrad η von 1% als Verhältnis der vom Antennen schwingkreis 23 abgestrahlten Leistung zu der vom IC 21 eingekoppelten Lei stung erreicht.

Claims

1. HF-Sendeeinheit zur Abstrahlung von HF-Sendesignalen mit:

- einem Trägerkörper (1),
- einer auf dem Trägerkörper (1) angeordneten HF-Schaltungsanordnung (2) mit einer von einem Oszillator angesteuerten HF-Quelle und mit einem Antennen schwingkreis (23) aus mindestens einem Kondensator (232) und einer auf einer Oberflächenseite (12) des Trägerkörpers (1) angeordneten, mindestens eine Windung aufweisenden magnetischen Antennenschleife (231),

dadurch gekennzeichnet:

- auf einer der Oberflächenseiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) ist eine minde stens eine Windung aufweisende magnetische Einkoppelschleife (24) angeord net,
- die magnetische Einkoppelschleife (24) ist mit dem Ausgang der HF-Quelle leitend verbunden und mit der auf der gleichen Oberflächenseite oder der ent gegengesetzten Oberflächenseite des Trägerkörpers (1) angeordneten magneti schen Antennenschleife (231) magnetisch gekoppelt.

2. HF-Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magneti sche Einkoppelschleife (24) planar als Leiterbahn auf einer der Oberflächenseiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) aufgebracht ist und eine vorgebbare Fläche auf dem Trägerkörper (1) umschließt, und daß das Transformationsverhältnis der Aus gangs-Impedanz der HF-Quelle zur Impedanz des Antennenschwingkreises (23) über die von der Einkoppelschleife (24) umschlossene Fläche wählbar ist.

3. HF-Sendeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ma gnetische Antennenschleife (231) planar als Leiterbahn auf einer der Oberflächen seiten (11, 12) des Trägerkörpers (1) aufgebracht ist und eine vorgebbare Fläche auf dem Trägerkörper (1) umschließt, und daß das Transformationsverhältnis der Ausgangs-Impedanz der HF-Quelle zur Impedanz des Antennenschwingkreises (23) über das Flächenverhältnis der von der magnetischen Einkoppelschleife (24) umschlossenen Fläche zur von der magnetischen Antennenschleife (231) um schlossenen Fläche wählbar ist.

4. HF-Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einkoppelschleife (24) über eine Leiterbahn (16) an die Ver sorgungsspannungsfläche (25) der positiven Versorgungsspannung (U_s) ange schlossen ist.

5. HF-Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Schaltungsanordnung (2) einen den Oszillator und die HF-Quelle ent haltenden, integrierten Schaltkreis (21) aufweist, und daß der Ausgang der HF- Quelle über Anschlußpins (211, 212) des integrierten Schaltkreises (21) mit der magnetischen Einkoppelschleife (24) verbunden ist.