SMT-bestückbares Antennenelement

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein SMT-bestückbares Antennenelement für den Einsatz in schmalbandigen ISM-Funksystemen, insbesondere seine Verwendung in einem Wärmemengenzähler.
Das SMT-bestückbare, integrierbare Antennenelement besteht im wesentlichen aus einer aus einem dielektrischen Substrat gebildeten Trägerplatine mit einer Leiterzugstruktur, bestehend aus einem auf der Vorderseite der Trägerplatine angeordneten vertikalen Strahlerabschnitt (10) sowie einem vorlaufenden Strahlerabschnitt (8) und auf der Rückseite der Trägerplatine angeordneten rücklaufenden Strahlerabschnitt (9), zur Bildung einer kompakten Bauform sowie aus gekoppelten Leitungen und einem Masseanschluss, über welche eine Impedanzanpassung erzielt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein SMT-bestückbares (surface mount technology) Antennenelement für den Einsatz in schmalbandigen ISM-Funksystemen (Industrial, Scientific, Medical - lizenzfrei nutzbare Frequenzbereiche), insbesondere seine Verwendung in einem Wärmemengenzähler.

[0002] Bekannt ist aus der DE 101 13 349 A1 eine Antenne mit einem dielektrischen oder permeablen Substrat und mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, die insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich vorgesehen ist und sich dadurch auszeichnet, dass das Substrat mindestens eine Aushöhlung aufweist. Die Aushöhlung ist vorzugsweise in eine Stirnfläche eingebracht, so dass dieses im Wesentlichen die Form eines U-Profils erhält. Durch diese Aushöhlung wird nicht nur der Strahlungswirkungsgrad erhöht, sondern auch das Gesamtgewicht der Antenne erheblich reduziert. Weitere Vorteile der Antenne bestehen darin, dass sie neben einem hohen Grad an Miniaturisierung die Möglichkeit der Oberflächenmontage (SMD) auf zum Beispiel einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) bietet.

[0003] Die DE 100 55 123 C2 beschreibt eine Inverted-F-Antenne, bei der auf einer Trägerschicht eine Metallschicht derart partiell aufgetragen ist, dass zumindest ein Antennenarm, ein äußerer Querbalken sowie ein innerer Querbalken der Inverted-F-Antenne durch einen metallfreien Teil der Trägerschicht gebildet wird, der die Metallschicht in eine Massefläche und eine Anschlussfläche trennt, wobei die Massefläche und die Anschlussfläche derart aufgetragen sind, dass sie die Konturen des metallfreien Teils der Inverted-F-Antenne bilden. Die beschriebene Antenne erscheint komplementär zu einer üblichen Inverted-F-Antenne, da keine metallischen Streifenleiter die F-Form bilden, sondern Schlitze, die zwischen einer Metallschicht MASSE und einem metallischen Abschnitt MS verlaufen bzw. durch diesen begrenzt sind.

[0004] Die EP 1 921 710 A2 beschreibt eine Antenne mit zwei Resonanzfrequenzen. Die Antennenstruktur ist so ausgebildet, dass sie als Inverted-F-Antenne mit einer ersten Resonanzfrequenz und als gefalteter Monopol mit einer zweiten Resonanzfrequenz arbeitet. Die Antenne besteht aus einer Massefläche mit gerader Kante, einem dazu parallel angeordneten ersten Antennenelement sowie einem zweiten und dritten Antennenelement. Das zweite Antennenelement erstreckt sich zwischen der Kante der Massefläche und dem ersten Antennenelement. Das eine Ende des zweiten Antennenelements liegt in der Nähe zum Verbindungselement und bildet den Fußpunkt zum Einspeisen des Signals, während das andere Ende dem Fußpunkt abgewandt ist und mit dem ersten Antennenelement verbunden ist. Das dritte Antennenelement ist so angeordnet, dass das erste Antennenelement zwischen dem zweiten und dem dritten Antennenelement liegt.

[0005] Die EP 1 764 866 A1 beschreibt eine Monopolantenne für den Kurzstreckenfunk. Die elektrisch leitende Struktur wird auf einem Substrat angeordnet und durch ein erstes an den Fußpunkt der Antenne angeschlossenes gerades Strahlerelement, einem parallel zum ersten Strahlerelement und mit diesem verbundenen zweiten Strahlerelement sowie einem parallel zum ersten und zweiten Strahlerelement angeordneten dritten Strahlerelement gebildet. Das dritte Strahlerelement ist mit dem zweiten Strahlerelement verbunden und bildet das offene Ende des Monopols.

[0006] Der heutige Trend geht nach immer kleinerwerdenden elektronischen Bauteilen bzw. Baugruppen. Speziell für den Einsatz von elektronischen Baugruppen bzw. Bauteilen im Bereich der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik entstehen besondere Probleme, da eine Vielzahl von Eigenschaften von den physikalischen Abmessungen abhängig sind. Mit zunehmender Frequenz werden die Wellenlängen kürzer, was zu einer stärkeren Beeinflussung der speisenden Signalquelle führen kann.

[0007] Dies trifft insbesondere für die Struktur der Antenne in einem elektronischen Gerät zu. Die Antenne ist ein resonantes Bauteil, das an die jeweiligen Anwendungen oder den Betriebs-Frequenzbereich anzupassen ist.

[0008] Im Allgemeinen werden zur Übertragung der gewünschten Information bzw. der modulierten HF-Signale Drahtantennen oder gewendelte Drahtantennen verwendet. Um gute Abstrahl- und Empfangseigenschaften zu erzielen, sind bestimmte physikalische Längen zwingend erforderlich.

[0009] Um die Nachteile der Drahtantennen zu vermeiden, wurden Antennen entwickelt, bei denen eine oder mehrere resonanten metallische Strukturen auf einem formstabilen dielektrischen Substrat aufgebracht sind.

[0010] Da die Wellenlängen im Dielektrikum im Vergleich zum Vakuum wesentlich kleiner ist, lassen sich Antennen mit wesentlich geringeren Abmessungen herstellen.

[0011] Ein weiterer Vorteil dieser Antennen besteht darin, dass sie durch Oberflächenmontage durch Auflöten und Kontaktieren mit Leiterbahnen und - falls benötigt - zusammen mit anderen Bauteilen oder Baugruppen direkt auf eine Elektronikplatine aufgebracht werden können, ohne dass zusätzliche Haltestifte, Schrauben, Steckverbinder, Kabel o. ä. zum Zuführen der elektromagnetischen Leistung bzw. zur mechanischen Fixierung erforderlich sind.

[0012] Eine Aufgabe besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Antenne anzugeben, insbesondere eine, welche im Hinblick auf ihre Abstrahlungseigenschaften sowie die automatisierte Bestückbarkeit weiter verbessert ist.

[0013] Außerdem soll eine Antenne geschaffen werden, die ein geringes Volumen und Gewicht aufweist und durch Oberflächenmontage (SMT) auf die Schaltungsplatine aufgebracht werden kann. Robustheit gegenüber Schock, Fall und Vibration soll gegeben sein. Dabei soll die Antenne so konfiguriert sein, dass sie zur Signalübertragung in einem Wärmemengenzähler einsetzbar ist. Die Herstellung soll mit kostengünstigen Standardprozessen möglich sein.

[0014] Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass auf einer aus einem dielektrischen Substrat gebildeten Trägerplatine eine Leiterzugstruktur, bestehend aus einem auf der Vorderseite der Trägerplatine angeordneten vertikalen Strahlerabschnitt sowie einem vorlaufenden Strahlerabschnitt und auf der Rückseite der Trägerplatine angeordneten rücklaufenden Strahlerabschnitt, zur Bildung einer kompakten Bauform vorgesehen ist. Die Trägerplatine weist dabei vorzugsweise die Form eines rechteckigen Quaders auf. Der vorlaufende Strahlerabschnitt, der sich an das Ende des vertikalen Strahlerabschnittes anschließt, verläuft im wesentlichen dazu horizontal. Der rücklaufende Strahlerabschnitt und der vorlaufende Strahlerabschnitt sind auf verschiedenen Seiten der Trägerplatine angeordnet und vorzugsweise an den entfernten Enden dieser Strahlerabschnitte mittels einer Durchkontaktierung miteinander verbunden, wodurch sich eine gewünschte Faltung ergibt.

[0015] Auf der Vorderseite des Antennenelements ist ein Masseanschluss vorgesehen, der zusammen mit zwei gekoppelten dünnen Leiterzügen die Impedanzanpassung an 50 Ohm bildet. Jeweils auf der Vorder- und Rückseite des Antennenelements sind Masseflächen vorgesehen, welche die Referenz (Bezugsmasse) für die Impedanzanpassung und die gekoppelten Leiterzüge bilden. Zur Befestigung und Kontaktierung des Antennenelements an bzw. mit der Grundplatine sind an einer der Stirnseiten lötbare Kontaktierungen vorgesehen, so dass die Trägerplatine im montierten Zustand senkrecht auf der Grundplatine steht.

[0016] Durch den auf der Vorderseite angeordneten vorlaufenden Strahlerabschnitt und den auf der Rückseite angeordneten rücklaufenden Strahlerabschnitt, die mit maximal einer Durchkontaktierung (Via) verbunden sind, besteht die Möglichkeit, durch Dickentoleranzen des dielektrischen Substrates verursachte Längentoleranzen gering zu halten.

[0017] Zur Fixierung in entsprechenden Löchern in der Grundplatine und zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit sind an einer der Stirnseiten zusätzlich eventuell galvanisch metallisierte, optional konische Füße angeordnet, welche die Bestückung in der automatischen Lötmontage und die mechanische Stabilität verbessern. Die Ausführung als dicker Quader, dessen Verhältnis Höhe zu Dicke (Breite) ein gewisses Maß nicht überschreitet, erlaubt es, dass das Antennenelement bei der automatisierten Bestückung auf der Grundplatine auch bei unvermeidlichen Vibrationen beim Transport in der Fertigungslinie bis zur entgültigen Verlötung stehenbleibt. Durch Verwendung eines dünneren und höheren Antennenelementes wäre dieses "stabile" Verhältnis überschritten, so dass die Vorteile verlorengingen.

[0018] Der Hauptvorteil dieses Antennenelements liegt jedoch in seiner extrem kompakten Bauform und leichten Integrierbarkeit. Seine Impedanz-Anpassung an 50 Ohm erfolgt über die spezielle Leiterzugstruktur. Das Antennenelement wird auf der Grundplatine stehend betrieben, um eine omnidirektionale Abstrahlung und einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Die Kontaktierung und Fixierung erfolgt über Lötanschlüsse (angefräste Halb-Vias).

[0019] Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1:

Vorderseite des Antennenelements

Figur 2:

Rückseite des Antennenelements

[0020] Das Antennenelement umfaßt eine quaderförmige aus einem dielektrischen Substrat bestehende Trägerplatine mit den Abmessungen 10 x 28 mm bei einer Dicke von 3,2 mm, auf dessen Oberflächen der Vorder- und Rückseite sich eine resonante Leiterzugstruktur befindet. Die Leiterzugstruktur ist durch eine oder mehrere Metallisierungen, vorzugsweise zwei Kupferlagen, gebildet und auf die Trägerplatine aufgebracht.

[0021] Die Leiterzugstruktur besteht auf der Vorderseite der Trägerplatine (Figur 1) aus dem vorlaufenden Strahlerabschnitt 8 und dem vertikalen Strahlerabschnitt 10, die über die gekoppelten Leitungen 6 einerseits über den Masseanschluss 7 mit der vorderseitigen Bezugsmassefläche 11 und andererseits über die gekoppelten Leitungen 6 mit dem Speisepunkt 1, der als angefräste Durchkontaktierung (Halb-Via) an der unteren Stirnseite ausgebildet ist, verbunden sind.

[0022] Weiterhin sind an der unteren Stirnseite die Masseanschlusspunkte 2 und 3 sowie ein potentialfreier Lötpunkt 4 angeordnet. Diese dienen zum einen zur Fixierung des Antennenelements auf der Grundplatine d. h. als Lötpunkte, mit denen das Antennenelement durch Oberflächenmontage (SMT) auf die Grundplatine aufgelötet wird und zum anderen zur galvanischen Kontaktierung der Bezugsmasse. Ausgebildet sind diese auch als angefräste Durchkontaktierung (Halb-Via). Der potentialfreie Lötpunkt 4 dient der weiteren mechanischen Fixierung und kann auf Masse gelegt werden.

[0023] Auf der Rückseite der Trägerplatine (Figur 2) ist der rücklaufende Strahlerabschnitt 9 sowie die rückseitige Bezugsmassefläche 11 vorgesehen. Der vorlaufende Strahlerabschnitt 8 und der rücklaufende Strahlerabschnitt 9 sind durch eine Durchkontaktierung (Via) 5 miteinander verbunden.

[0024] Die Ausfräsung 12 in der Trägerplatine des Antennenelements ist für die Funktionsweise der Antenne nicht notwendig. Die Ausfräsung 12 dient zur Schaffung eines Platzes für eine Rastnase im Gehäuse eines Wärmemengenzählers.

[0025] Die Montage des Antennenelements erfolgt derart, dass die Trägerplatine senkrecht zur Grundplatine steht.

[0026] Das erfindungsgemäße Antennenelement kommt vorzugsweise in einem Wärmemengenzähler, der an Heizungsanlagen angebracht ist, zum Einsatz. Dadurch ist es möglich, den Wärmemengenverbrauch über eine Funkstrecke zu erfassen.

[0027] Die Antenne wird am Speisepunkt 1 über eine 50-Ohm-Leitung (z. B. Mikrostreifenleitung) durch einen HF-Generator (Sender) gespeist.

[0028] Umgekehrt können auch von der Antenne empfangene Signale an eine 50-Ohm-Leitung zum Empfänger hin abgegeben werden. Die Leistungsanpassung des Antennenfußpunktes an den Leitungswellenwiderstand (50 Ohm) wird durch die gekoppelten Leitungen 6 im Zusammenspiel mit der elektrischen Länge des gesamten Monopol-Strahlerelementes 5, 8, 9, 10 erzeugt. Durch Variation der gesamten Strahlerlänge und der Einzellängen der gekoppelten Leitungen 6 sowie der Lage des Masseanschlusses 7 kann der Frequenzbereich, in welchem die Impedanzanpassung vorherrscht, verschoben werden. Damit ist es möglich, diese Antennenform für verschiedene Arbeitsfrequenzen und Einbaubedingungen zu optimieren.

[0029] Die Aufteilung des Strahlerelementes in einen vorlaufenden Strahlerabschnitt 8 und einen rücklaufenden Strahlerabschnitt 9 im Gegensatz zu einer gestreckten Ausführung bringt eine deutliche Reduzierung des benötigten Bauraumes mit sich, was für heutige Anwendungen mit in die Elektronik integrierten Antennen sehr nützlich ist.

[0030] Durch geeignete Wahl der elektrischen Eigenschaften des verwendeten Substrats kann die Antenne im Gegensatz zu nicht-gedruckten Monopolantennen deutlich verkürzt werden.

[0031] Eine hohe Dielektrizitätskonstante Epsilon R des Substrates führt zu einer deutlichen Vergrößerung der elektrischen Länge des Strahlerelementes bei gleichbleibender mechanischer Länge.

[0032] Die Antenne zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, welcher durch Wahl des Substratmaterials und der Oberflächenveredelung der Leiterzüge, sowie durch die Bauhöhe und Ausführung der Grundplatine beeinfilußt werden kann.

Bezugszeichen

[0033] 

1 -

Speisepunkt

2 -

Masseanschlusspunkt

3 -

Masseanschlusspunkt

4 -

potentialfreier Lötpunkt

5 -

Durchkontaktierung

6 -

gekoppelte Leitungen

7 -

Masseanschluss

8 -

vorlaufender Strahlerabschnitt

9 -

rücklaufender Strahlerabschnitt

10 -

senkrechter Strahlerabschnitt

11 -

Bezugsmassefläche

12 -

Ausfräsung

Ansprüche

1. SMT-bestückbares Antennenelement mit einem dielektrischen Substrat und mindestens einer resonanten Leiterbahn für Hochfrequenz-Funksysteme, insbesondere für den Einsatz in ISM-Frequenzbändern, dadurch gekennzeichnet, d a s s
auf einer aus einem dielektrischen Substrat gebildeten Trägerplatine eine Leiterzugstruktur, bestehend aus einem auf der Vorderseite der Trägerplatine angeordneten vertikalen Strahlerabschnitt (10) sowie einem vorlaufenden Strahlerabschnitt (8) und auf der Rückseite der Trägerplatine angeordneten rücklaufenden Strahlerabschnitt (9), zur Bildung einer kompakten Bauform vorgesehen ist.

2. Antennenelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerplatine die Form eines rechteckigen Quaders aufweist.

3. Antennenelement nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, d a s s
der vorlaufende Strahlerabschnitt (8), der sich an das Ende des vertikalen Strahlerabschnittes (10) anschließt, im wesentlichen horizontal zum Strahlerabschnitt (10) verläuft.

4. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, d a s s
der rücklaufende Strahlerabschnitt (9) und der vorlaufende Strahlerabschnitt (8), die auf verschiedenen Seiten der Trägerplatine angeordnet sind, mittels einer Durchkontaktierung (5) miteinander verbunden sind.

5. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, d a s s
auf der Vorderseite des Antennenelements ein Masseanschluss (7) vorgesehen ist, der mit den gekoppelten Leiterzügen (6) die Impedanzanpassung bildet.

6. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, d a s s
auf der Vorder- und Rückseite jeweils eine Massefläche (11) vorgesehen ist, die die Referenz für die Impedanzanpassung und die gekoppelten Leitungen (6, 7) bildet.

7. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
an mindestens einer Stirnseite lötbare Kontaktierungen (1, 2, 3, 4) angeordnet sind.

8. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, d a s s
die Dicke des Substrats der Trägerplatine zwischen 0,5 und 4 mm beträgt.

9. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Ausfräsung (12) zur Anpassung an ein Gehäuse aufweist.

10. Antennenelement nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine im montierten Zustand senkrecht auf der Grundplatine steht.

Zeichnung