Antennenanordnung zur Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes

Abstract

 Zur Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes wird eine Antennananordnung (1) vorgeschlagen, die aus einem einstückigen Antennenträger (2) mit drei paarweise zueinander orthogonal angeordneten Rahmenantennen (11,12,13) mit je einer Primär- und Sekundärwicklung (17,18,19) gebildet wird. Die Sekundärwicklungen sind offen. Durch die ovale Form der Rahmenantennen ergibt sich einerseits eine geringere Bauhöhe und andererseits kann durch dadurch ein quasi-isotropes Magnetfeld erzeugt werden.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Für die Erfassung sogenannter elektronischer Billette, wie sie z.B. in WO 01/20557 A1 offenbart sind, ist es erforderlich, dass sich diese Billette für das Wecken mit einer Frequenz im Bereich von z.B. 6.78, 13.56 oder 27.1 MHz in einem möglichst isotropen Magnetfeld befinden. Anstelle von einem "möglichst isotropes Magnetfeldes" wird auch von einem "uniformen Magnetfeld" gesprochen. Im folgenden wird dafür der Begriff "quasi-isotropes Magnetfeld" verwendet.

[0003] Für die Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes sind Antennenanordnungen erforderlich, die meist aus drei zueinander orthogonalen Rahmen- oder Ringantennen oder Dipolantennen bestehen. Solche paarweise orthogonalen Antennenanordnungen sind z.B. offenbart in US 5.258.766 (Murdoch, Nov. 2, 1993) oder in WO 01/73888 A1 (Teratron GmbH, 4. Okt. 2001).

[0004] Solche vorzugsweise in Eisenbahnwagen oder Autobusse zu platzierende Antennenanordnungen sollten möglichst unsichtbar montiert werden können. Dies bedingt bei einer Montage hinter einer sichtbaren Decke aus Kunststoff, dass die Abmessungen möglichst klein sein sollten. Bedingt auch durch die aufgrund der behördlichen Frequenzregulierung der vorgenannten Werte, müssen in einem Fahrzeug wegen der Nahfeldwirkung in einem Eisenbahnwagen wenigstens eine Antennenanordnung pro Ein/Ausstiegszone vorgesehen werden. Je nach Erfassungsverfahren müssen in den Passagierräumen weitere solcher Antennenanordnung vorgesehen werden, so dass die Herstellkosten einer solchen Antennenanordnung in einer Gesamtkostenbetrachtung ins Gewicht fallen.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung anzugeben, die bezüglich der Dimensionierung leicht in einen Zwischenraum zwischen Innen- und Aussendecke einbaubar ist, die Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes erlaubt und auf einfache Weise herstellbar ist.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

[0007] Dadurch dass
der Antennenträger einstückig ausgebildet ist und dass jede Rahmenantenne aus je einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung gebildet wird;
ergibt sich eine leichte Montierbarkeit und durch eine kapazitive und induktive Kopplung der beiden Wicklungen kann durch die Antennenanordnung mehr magnetische Energie erzeugt werden.

[0008] So können sich die folgenden Vorteile zusätzlich ergeben:

i) Dadurch dass
   jede Rahmenantenne die gleiche ovale Form und die Sekundärwicklung eine höhere Windungszahl als die Primärwicklung aufweist;
   ergibt sich durch die ovale Form einerseits eine reduzierte Bauhöhe und andererseits ein weitgehend homogenes Magnetfeld und mit der gegenüber der Primärwindungszahl höheren Sekundärwindungszahl sind eine optimale Anpassung der Antennenimpedanz an eine zugeordneten Sendeeinheit und eine geforderte Feldstärke konfektionierbar (Patentanspruch 2).

ii) Dadurch dass
   jede Rahmenantenne eine Rille aufweist, die für die Aufnahme von Primär- und Sekundärwicklung vorgesehen ist;
   kann der Antennenträger auf einfache Weise mit Primärund Sekundärwicklungen versehen werden und erlaubt somit eine kostengünstige Konfektionierung der erfindungsgemässen Antennenanordnung (Patentanspruch 5).

iii) Dadurch dass
   der Antennenträger ein Befestigungsloch aufweist, dessen Achse in der Projektion gesehen parallel ist zur kleinen Halbachse der Ellipse gemäss der elliptischen Form einer Rahmenantenne;
   kann der Antennenträger auf einfachste Weise in einem Gehäuse montiert werden und es braucht dank der drehsymmetrischen Anordnung der Rahmenantennen relativ zur Achse des Befestigungsloches keine Justierung vorgenommen zu werden (Patentanspruch 7).

iv) Dadurch dass
   der Antennenträger als Spritzgussteil ausgebildet ist; ist eine kostengünstige Herstellung der Antennenanordnung insbesondere für grössere Stückzahlen lohnend (Patentanspruch 8).

[0009] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1

Grundriss einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung;

Figur 2

perspektivische Ansicht von schräg unten der in Fig. 1 angegebenen Ausführungsform;

Figur 3

Ersatzschaltbild für eine der drei Rahmenantennen der erfindungsgemässen Antennenanordnung.

[0010] Figur 1 zeigt den Grundriss einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung 1. Die Antennenanordnung 1 wird gebildet aus drei Rahmenantennen 11, 12, und 13, deren Ebenen zueinander je paarweise orthogonal sind. Jede der Rahmenantennen 11, 12, und 13 weist eine Nut oder Rille 11_R, 12_R, und 13_R auf, die für die Aufnahme einer Primär- und Sekundärwicklung aus lackiertem, d.h. isoliertem Cu-Draht vorgesehen ist. Die Querschnitte der Rahmenantennen 11, 12 und 13 - siehe dazu die Figuren 1 und 2 - sind elliptisch mit einem Halbachsenverhältnis a:b, das in der Grössenordnung von vorzugsweise 2:1 liegt. Die Ebenen dieser Ellipsen sind wie vorstehend erwähnt paarweise orthogonal. Diese Orthogonalität ist an einer Stelle gemäss der Darstellung von Fig. 2 mit der Angabe 90° angegeben. Die Ecken/Kanten zwischen den Ebenen zweier Rahmenantennen sind aus fertigungstechnischen Gründen entweder gerundet ausgeführt, wie dies in Fig. 1 mit dem Hinweispfeil 4 gezeigt ist. Es ist auch möglich diese Ecken/Kanten mit einem schmalen Streifen vorzusehen, der gegenüber den Ebenen einen Winkel von 45° aufweist. Im Grundriss gemäss der Darstellung von Fig. 1 sind für die Primärwicklung 17, 18 und 19 einer jeden Rahmenantenne 11, 12 und 13 je zwei Anschlusslaschen 21, 22 und 23 vorgesehen. Für die Befestigung der Antennenordnung 1 bzw. des Antennenträgers 2 ist ein Gewindeloch 3 vorgesehen. Diese Antennenanordnung 1 ist primär für den Einbau an oder über einer sichtbaren Decke einer Eintrittszone für die Erfassung von elektronischen Billetten vorgesehen. In aller Regel ist im Betriebszustand die Achse des Gewindeloches 3 vertikal ausgerichtet. Anstelle eines Gewindeloches 3 kann auch ein anderes Loch für die Befestigung vorgesehen werden, z.B. mit einer leicht konischen Form für einen Press-Sitz.

[0011] Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Antennenanordnung 1 von "schräg unten", wobei diese Ansicht "schräg unten" sich auf die Lage der Antennenanordnung in betriebsbereitem Zustand bezieht. Die vorstehend erwähnten Sekundärwicklungen 17, 18 und 19 sind "offen". Für die Montage sind in einer bevorzugten Ausführungsform ein Loch neben je einer Rille 11_R, 12_R, und 13_R vorgesehen. Bei der Herstellung wird das eine Ende einer jeden Sekundärwicklung 17, 18 und 19 im betreffenden Loch fixiert und nach erfolgter Bewicklung wird das andere Ende an der jeweiligen Fixationskerbe 31, 32 und 33 befestigt. Die Fixationskerben 31, 32 und 33 können auch so ausgebildet sein, dass sie einen durch zwei Kerben gebildeten Bolzen aufweisen, um den der Cu-Draht mit einer Umdrehung gewickelt und damit fixiert werden kann. Alternativ können auch beide Ende einer Sekundärspule an der gleichen Fixationskerbe 31, 32 oder 33 befestigt werden. Der Antennenträger 2 ist einstückig. Die symmetrische Form des Antennenträgers 2 erleichtert es, diesen als Spritzgussteil auszuführen. Als Spritzgussmaterial wird dabei vorzugsweise Kunststoff, z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol, abgekürzt ABS, verwendet. Dadurch reduzieren sich zusammen mit der einfachen Bewickelbarkeit und der einfachen Montierbarkeit der erfindungsgemässen Antennenanordnung 1 die Herstellkosten in signifikanter Weise. Die rotationssymmetrischen Abstrahleigenschaften führen auch dazu, dass bei der Schlussmontage einer solchen Antennenanordnung 1 in einem Fahrzeug eine Justierung entfällt.

[0012] In Figur 3 ist das Ersatzschaltbild einer Rahmenantenne mit den Bezugszeichen 17_Lp, 17_Ls, 17_R und 17_C gezeigt; die nachfolgenden Angaben beziehen sich dabei auf jede Rahmenantenne, da diese zur Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes elektrisch gesehen identisch ausgeführt sein müssen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist für die Primärwicklung die Windungszahl 1 (eins) vorgesehen, während die Sekundärwicklung je nach Einsatzgebiet eine Windungszahl von vorzugsweise 5 bis 25 aufweist. Die Anschlusslaschen 21 sind mit einer Sendeeinheit verbunden, wobei diese Sendeeinheit für jede Rahmenantenne ein separates Sendesignal erzeugt, die untereinander je um 90° verschoben sind. Mit dem resultierenden Magnetfeld werden durch eine Modulation Daten zu den elektronischen Billetten übertragen. Im Ersatzschaltbild ist für die Primärwicklung eine Induktivität 17_Lp gezeigt. Da diese Antennenanordnung vorzugsweise für die zugelassenen Frequenzen 6.78, 13.56 oder 27.1 MHz vorgesehen ist, ergibt sich zwischen Primär- und Sekundärwicklung überwiegend eine magnetische Kopplung. Unter Berücksichtigung von nur relevanten Anteilen ist wegen der vorstehenden geannten Frequenzen für die Sekundärwicklung im Ersatzschaltbild neben der Induktivität 17_Ls, eine Kapazität 17_C und ein ohmscher Widerstand 17_R aufzunehmen. Real gesehen ist die Kapazität 17_C zwischen den Windungen der Sekundärwicklung zuzuordnen. Um auch im Ersatzschaltbild anzudeuten, dass die Wicklung "offen" ist, sind noch zwei offene Ende gezeigt, die genau genommen in der Ersatzschaltbilddarstellung überflüssig sind. Elektrisch gesehen wird durch dieses Ersatzschaltbild ein sogenannter Parallelschwing gebildet. Durch eine Wahl des Verhältnisses der Windungszahl von Primär- und Sekundärwicklung lässt sich die Antennenanordnung auf einfache Weise für einen bestimmten Anwendungsfall auslegen. Dabei wird aus Sicht einer zugeordneten Sendeeinheit In Richtung Primärwicklung eine optimale Anpassung erreicht und es entfällt eine aufwendige Einstellbarkeit auf Seite einer zugeordneten Sendeeinheit. Für die Primärwicklung kann auch eine Windungszahl grösser als 1 (eins) angewendet werden.

[0013] Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die Rahmenantenne kann anstelle einer elliptischen Form auch eine ovale Form aufweisen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen und Abkürzungen

[0014] 

1

Antennenanordnung

2

Antennenträger

3

Befestigungsloch; Gewindeloch

4

Kantenrundung zwischen den Ebenen zweier Rahmenantennen

11, 11_R

erste Rahmenantenne; Rille zur Aufnahme der Wicklungen

12, 12_R

zweite Rahmenantenne; Rille zur Aufnahme der Wicklungen

13, 13_R

dritte Rahmenantenne; Rille zur Aufnahme der Wicklungen

17

Primär-/Sekundärwicklung der ersten Rahmenantenne

18

Primär-/Sekundärwicklung der zweiten Rahmenantenne

19

Primär-/Sekundärwicklung der dritten Rahmenantenne

17_Lp, 17_Ls

Induktivität der Primär-/Sekundärwicklung der ersten Rahmenantenne

17_R

Widerstand der Sekundärwicklung der ersten Rahmenantenne

17_C

Kapazität der Sekundärwicklung der ersten Rahmenantenne

21

Anschlusslasche für die Primärwicklung der ersten Rahmenantenne

22

Anschlusslasche für die Primärwicklung der zweiten Rahmenantenne

23

Anschlusslasche für die Primärwicklung der dritten Rahmenantenne

31

Fixationskerbe für die Sekundärwicklung der ersten Rahmenantenne

32

Fixationskerbe für die Sekundärwicklung der zweiten Rahmenantenne

33

Fixationskerbe für die Sekundärwicklung der dritten Rahmenantenne

Ansprüche

1. Antennenanordnung (1) zur Erzeugung eines quasi-isotropen Magnetfeldes, die aus einem drei Rahmenantennen (11, 12, 13) haltenden Antennenträger (2) gebildet wird, wobei die Rahmenantennen (11, 12, 13) paarweise zueinander orthogonal und ineinander angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Antennenträger (2) einstückig ausgebildet ist und dass jede Rahmenantenne (11, 12, 13) aus je einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung (17, 18, 19) gebildet wird.

2. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Rahmenantenne (11, 12, 13) die gleiche ovale Form und die Sekundärwicklung eine höhere Windungszahl als die Primärwicklung aufweist.

3. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Rahmenantenne (11, 12, 13) die gleiche elliptische Form aufweist.

4. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Primärwicklung an je zwei Anschlusslaschen (21, 22, 23) angeschlossen ist und dass jede Sekundärwicklung offen ist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Rahmenantenne (11, 12, 13) eine Rille (11_R, 12_R, 13_R) aufweist, die für die Aufnahme von Primär- und Sekundärwicklung (17, 18, 19) vorgesehen ist.

6. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jede Rahmenantenne (11, 12, 13) in der Umgebung der Rille ein Loch für das eine Ende der Sekundärwicklung (17, 18, 19) und eine Fixationskerbe (31, 32, 33) für das andere Ende der Sekundärwicklung (17, 18, 19) vorgesehen ist und dass dadurch die Sekundärwicklung (17, 18, 19) fixiert ist.

7. Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Antennenträger (2) ein Befestigungsloch (3) aufweist, dessen Achse in der Projektion gesehen parallel ist zur kleinen Halbachse der Ellipse gemäss der elliptischen Form einer Rahmenantenne (11, 12, 13).

8. Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Antennenträger (2) als Spritzgussteil ausgebildet ist.

Zeichnung