Dämpfungsschicht zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen an metallischen Oberflächen

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsschicht (DS) und eine Anwendung einer solchen Dämpfungsschicht (S) zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen (EM-E) an metallischen Oberflächen (MO), wobei die Dämpfungsschicht (DS) der metallischen Oberfläche (MO) vorgelagert ist und im Wesentlichen aus volumenleitfähigem Kunststoff, insbesondere volumenleitfähigem Propylen oder Polypropylen, besteht. Eine solche Dämpfungsschicht (DS) ist kostengünstig herzustellen, leichtgewichtig, dünn und beständig gegen viele Umwelteinflüsse.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsschicht zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und die Verwendung einer solchen Dämpfungsschicht für RFID-Anwendungen im UHF-Bereich gemäß Patentanspruch 12.

[0002] Beim Einsatz von Funkübertragungen in einer industriellen Umgebung sind häufig Störungen aufgrund unerwünschter Reflexionen bzw. Streuung der elektromagnetischen Wellen (Funkwellen) zu beobachten. Insbesondere die im industriellen Umfeld häufig eingesetzten Gebäudeteile, Anlagen und Maschinen aus Metall bzw. mit metallischer Oberfläche reflektieren auftreffende elektromagnetische Wellen nahezu vollständig, wobei Interferenzen zwischen dem ursprünglichen Signal und den verschiedenen reflektierten Signalanteilen stellenweise zu teilweiser oder gar vollständiger "Auslöschung", also zu lokalen Minima des Signals, führen können. Dieses Problem ist besonders eminent bei RFID-Systemen (RFID = Radio Frequency Identification), die im UHF-Bereich arbeiten. Die bei den RFID-Anwendungen zu erfassenden RFID-Etiketten ("Tags") werden meist während deren Bewegung erfasst, wobei oft auch die verwendeten RFID-Lesegeräte bzw. deren Antennen ortsveränderlich sind. Dadurch sind auch die Bereiche mit den beschriebenen Minima, in denen Empfangsstörungen auftreten, nicht ortsfest und können auch kaum vorherbestimmt und damit gemieden werden. Hinzu kommt, dass im UHF-Bereich, also in dem hier betrachteten Frequenzbereich um 900 MHz, die Wellenlänge des Signals relativ zum Erfassungsbereich bzw. -radius gebräuchlicher RFID-Lesegeräte klein ist, so dass in einer gebräuchlichen Anordnung eine Vielzahl lokaler Minima auftreten kann.

[0003] In der Funktechnik sind zahlreiche Ansätze bekannt, um die Probleme, die in Folge der durch Reflexion und Streuungen erzeugten Minima entstehen, und die dort auftretenden Empfangsstörungen zu verringern. Beispielsweise können Richtantennen eingesetzt werden, es können simultan oder nacheinander mehrere unterschiedliche Funkkanäle benutzt werden ("Frequency Diversity"), es können Lesegeräte mit mehreren Antennen eingesetzt werden ("Antenna Diversity"), es können mehrfache Erfassungsversuche nacheinander gemacht werden (insbesondere bei sich bewegenden Etiketten und/oder Lesegeräten) etc. Diese Maßnahmen können zwar im Einzelfall gute Ergebnisse zeigen, lösen jedoch nicht grundsätzlich das Problem der durch Streuung und Reflexionen erzeugten lokalen Minima.

[0004] Aus der Messtechnik zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sind sog. "Absorber" bekannt, mit denen insbesondere die Messplätze (Messkammern) für EMV-Messungen oft ausgestattet sind. Diese Absorber bestehen oft aus ferrithaltigen Platten, welche in Form von Keilen ausgebildet sind (in einer ähnlichen Geometrie wie die aus den akustischen Messkammern bekannten Wandverkleidungen) und möglichst wenig der auftreffenden Wellenanteile reflektieren sollen und darüber hinaus die dennoch reflektierten Anteile derart streuen sollen, dass es zumindest keine ausgeprägten lokalen Minima und Maxima gibt. Diese Absorber sind jedoch teuer und darüber hinaus aufgrund ihrer Geometrie und aufgrund ihres Gewichtes in der Praxis einer industriellen Umgebung kaum flächendeckend einsetzbar.

[0005] Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und praktikable Alternative für eine Dämpfungsschicht zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen an (insbesondere metallischen) Oberflächen anzugeben.

[0006] Bei der Suche nach einer alternativen Dämmschicht hat sich herausgestellt, dass volumenleitfähige Kunststoffe, insbesondere volumenleitfähiges Propylen oder Polypropylen, besonders dazu geeignet ist, um metallische Flächen (Oberflächen) abzudecken und damit den reflektierten Anteil einer elektromagnetischen Welle im UHF-Bereich signifikant zu reduzieren. Volumenleitfähiger Kunststoff bzw. volumenleitfähiges Propylen oder Polypropylen wird in der Halbleiterindustrie zur Verpackung von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen verwendet, weil Ladungsträger durch den elektrischen Oberflächenwiderstand dieser Materialien abgeleitet werden. Aufgrund der vielfachen Verwendung in der Halbleiterindustrie stehen die volumenleitfähigen Kunststoffe - verglichen mit den bekannten ferrit-basierten Absorbern - preiswert zur Verfügung. Es ist sogar denkbar, dass die in der Halbleiterindustrie in großer Menge eingesetzten Verpackungsmaterialien zu einer erfindungsgemäßen Dämmschicht recycelt werden können, wodurch ökonomische und ökologische Vorteile entstehen können.

[0007] Die Lösung der Aufgabe sieht insbesondere eine Dämpfungsschicht gemäß dem Patentanspruch 1 vor. Dabei wird eine Dämpfungsschicht zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen an metallischen Oberflächen vorgeschlagen, die der metallischen Oberfläche vorgelagert ist und im Wesentlichen aus volumenleitfähigem Kunststoff besteht. Solche leitfähigen Kunststoffe sind wegen ihrer geringen Masse, leichten Verarbeitbarkeit und ihrer chemischen Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Schmierstoffen und anderen Umwelteinflüssen eine praktische und kostengünstige Alternative zu den bekannten Absorbermaterialien. Dabei ist ein besonders vorteilhafter Einsatz der erfindungsgemäßen Dämpfungsschicht im Umfeld von RFID-Anwendungen im UHF-Bereich gegeben.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dämpfungsschicht sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, wobei deren Merkmale und Vorteile insbesondere bei der vorgeschlagenen Verwendung bei RFID-Anwendungen, vorzugsweise im UHF-Frequenzband, gegeben sind.

[0009] Eine besonders gute Verarbeitbarkeit der Dämpfungsschicht ergibt sich, wenn als der Kunststoff ein Propylen oder Polypropylen verwendet wird. Wegen der vielfachen Verwendung von Propylen oder Polypropylen als Basismaterial für die volumenleitfähigen Verpackungsmaterialien im Halbleiterbereich sind die Propylen- oder Polypropylen-basierten Folien- und Volumenkunststoffe auch eine ökonomisch interessante Alternative.

[0010] Vorteilhaft ist zwischen der Dämpfungsschicht und der metallischen Oberfläche ein erster Abstand vorgesehen. Falls dieser Abstand in Abhängigkeit der Wellenlänge und des erwarteten Einfalls- bzw. Ausfallswinkels der elektromagnetischen Welle gewählt wird, kann dadurch zusätzlich zu der absorbierenden Wirkung der Dämpfungsschicht ein zumindest teilweises Auslöschen des (gedämpften) reflektierten Signalanteils bewirkt werden, so dass je nach betrachtetem Winkel eine nahezu vollständige Dämpfung erreicht werden kann. Zur Realisierung eines solchen ersten Abstandes kann vorteilhaft eine Anzahl von Abstandshaltern verwendet werden, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung schon bei der Produktion der Dämpfungsschicht an dieser oder an der metallischen Oberfläche angebracht werden können.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Dämpfungsschicht aus einer Mehrzahl einzelner Schichten aus dem volumenleitfähigen Kunststoff, wobei in weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen zwischen diesen einzelnen Schichten wiederum zweite Abstände und ggf. auch Abstandshalter oder andere konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein können. Damit kann die Winkelabhängigkeit der Dämpfungswirkung verringert und die Dämpfung erhöht werden sowie eine Wirkung in einem breiteren Frequenzbereich erzielt werden. Eine passende Kombination verschiedener Abstände und Schicht-Dicken in einem solchen Dämpfungsschicht-System kann dabei helfen, auch anspruchsvolle Dämpfungs-Aufgaben zu lösen.

[0012] Alternativ zu "massivem" volumenleitfähigem Kunststoff kann auch geschäumter volumenleitfähiger Kunststoff eingesetzt werden. In der Folge ergibt sich eine besonders leichte Dämpfungsschicht, die dazu noch andere Aufgaben, beispielsweise Schallschutz oder Isolation, erfüllen kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann diese Dämpfungsschicht auch als ein Sprühschaum auf einer metallischen Oberfläche aufgebracht werden, der nach dem Aufbringen aushärtet.

[0013] Eine besonders leicht zu applizierende Dämpfungsschicht ergibt sich hingegen, wenn die Dämpfungsschicht als eine flexible Folie ausgebildet ist, diese kann auch selbstklebend ausgerüstet sein.

[0014] Eine besonders breitbandige Auslegung der Dämpfungswirkung ergibt sich, wenn die Dämpfungsschicht gewellt und/oder reliefartig strukturiert ist. Dadurch kann auch die Winkelabhängigkeit der Dämpfungswirkung verringert werden.

[0015] Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Dämpfungsschichten werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.

[0016] Dabei zeigen:

Figur 1

die Reflexion einer elektromagnetischen Welle an einer metallischen Oberfläche gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2

die gedämpfte Reflexion einer elektromagnetischen Welle an einer mit einer Dämpfungsschicht versehenen metallischen Oberfläche, und

Figur 3

die Anordnung aus der Figur 2, wobei zwischen der Dämpfungsschicht und der metallischen Oberfläche Abstandshalter vorgesehen sind.

[0017] In der Figur 1 ist gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wie eine einfallende elektromagnetische Welle EM-E an einer metallischen Oberfläche MO reflektiert wird, wodurch sich eine ausgehende (reflektierte) elektromagnetische Welle EM-A ergibt. Die elektromagnetischen Wellen EM-E, EM-A sind in den Figuren als Pfeile (Vektoren) visualisiert, wobei die Länge der Pfeile (Vektoren) ein Maß für deren Energie (Feldstärke) darstellt. Bei dem Körper mit der metallischen Oberfläche MO handelt es sich um ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, was dazu führt, dass kaum ein Anteil der Energie der einfallenden elektromagnetischen Welle EM-E in Wärme umgesetzt wird und somit die Energie der einfallenden und der ausfallenden elektromagnetischen Wellen EM-E, EM-A nahezu identisch ist. In Folge der hohen Leitfähigkeit dringt die einfallende elektromagnetische Welle EM-E auch kaum in das Material mit der metallischen Oberfläche MO ein, sondern die elektromagnetische Welle EM-E wird praktisch vollständig und ohne in das Material einzudringen oder es gar zu durchdringen an der metallischen Oberfläche MO reflektiert.

[0018] In der Figur 2 ist dargestellt, wie die aus der Figur 1 bekannte metallische Oberfläche MO mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsschicht DS bedeckt ist. Diese Dämpfungsschicht DS besteht aus einem volumenleitfähigen Kunststoff (hier: volumenleitfähiges Propylen oder Polypropylen) mit einem Oberflächenwiderstand im Bereich von 10⁴ bis 10⁵ Ohm (dieser Wert bezieht sich auf eine normierte Messanordnung mit Ringelektrode). Prinzipiell besteht die ausgehende (reflektierte) elektromagnetische Welle EM-A streng genommen sowohl aus einem Anteil, der im Bereich der Dämpfungsschicht DS reflektiert wird, als auch aus einem Anteil, welcher die Dämpfungsschicht DS durchdringt, an der metallischen Oberfläche MO reflektiert wird, und schließlich wiederum die Dämpfungsschicht DS durchdringt und abgestrahlt wird. Aufgrund der in Bezug auf die Wellenlänge des Funksignals, also der elektromagnetischen Wellen EM-E, EM-A, geringen Dicke der Dämpfungsschicht DS findet jedoch zwischen den verschiedenen reflektierten Anteilen keine Interferenz im nennenswerten Umfang statt, so dass zur Vereinfachung nur eine einzige ausfallende (reflektierte) elektromagnetische Welle EM-A in der Figur 2 dargestellt ist. Aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit bzw. aufgrund des spezifischen elektrischen Widerstandes des als Dämpfungsschicht DS aufgebrachten volumenleitfähigen Kunststoffes wird beim Reflektionsprozess bzw. beim Durchlaufen der Signalanteile durch die Dämpfungsschicht DS ein Teil der elektromagnetischen Energie in Wärme umgesetzt, so dass die resultierende elektromagnetische Welle EM-A eine geringere Energie bzw. Feldstärke aufweist, als die einfallende elektromagnetische Welle EM-E; somit kann also von einer Dämpfung gesprochen werden. Dies drückt sich in der Figur 2 dadurch aus, dass der Pfeil (Vektor) zur Darstellung der ausgehenden elektromagnetischen Welle EM-A kürzer ist, als oder entsprechende Pfeil (Vektor) für die einfallende elektromagnetische Welle EM-E. Demzufolge kann es bei Interferenzen zwischen der einfallenden und der ausfallenden elektromagnetischen Wellen EM-E, EM-A auch an keiner Stelle im betrachten Raum zu einer vollständigen Auslöschung kommen, sondern nur zu relativen lokalen Minima.

[0019] Anhand der Figur 3 wird im Folgenden erläutert, wie eine erhöhte Dämpfung (Reduzierung) der ausfallenden elektromagnetischen Welle EM-A aus der Figur 2 durch Gestaltung eines ersten Abstandes zwischen der Dämpfungsschicht DS und der metallischen Oberfläche MO beobachtet werden kann.

[0020] Zur Gewährleistung des ersten Abstandes sind in dem Spalt zwischen der metallischen Oberfläche MO und der Dämpfungsschicht DS Abstandshalter AH vorgesehen, welche entweder vor der Aufbringung der Dämpfungsschicht DS auf der metallischen Oberfläche platziert werden, oder aber bereits an der Dämpfungsschicht DS angeformt sein können.

[0021] Die wegen des nun vorhandenen ersten Abstandes getrennt zu betrachtenden Signalanteile der ausgehenden elektromagnetischen Welle EM-A sind in der Figur 3 getrennt dargestellt als mittels der Dämmschicht DS reflektierte ausgehende elektromagnetische Welle EM-A1 und als an der metallischen Oberfläche MO reflektierte elektromagnetische Welle EM-A2. Da die letztgenannte reflektierte bzw. ausgehende elektromagnetische Welle EM-A2 die Dämpfungsschicht zweimal vollständig durchläuft, während die mittels der Dämpfungsschicht DS reflektierte ausgehende elektromagnetische Welle EM-A1 die Dämpfungsschicht DS nur teilweise durchläuft, ist der erstgenannte Signalanteil schwächer und daher auch mit einem kürzeren Pfeil (Vektor) gekennzeichnet, als der an zweiter Stelle genannte Anteil, der durch die Dämpfungsschicht DS reflektiert wurde. An der Figur 3 ist zu sehen, dass die erstgenannte elektromagnetische Welle EM-A2 einen weiteren Weg zurücklegt, als der Anteil, welcher an der Dämpfungsschicht DS reflektiert wurde. Sofern diese Wegdifferenz im Bereich einer halben Wellenlänge oder dem (2n-1)-fachen derselben liegt, ergibt sich - im Idealfall - eine resultierende ausgehende elektromagnetische Welle (EM-A1 - EM-A2), die betragsmäßig wesentlich kleiner ist, als der in der Figur 2 dargestellte reflektierte Anteil der ausgehenden elektromagnetischen Welle EM-A.

[0022] Weitere, nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungen der Dämpfungsschicht DS betreffen zum Einen ein Schichtensystem aus mehreren einzelnen Lagen ("Layern") aus volumenleitfähigem Kunststoff mit ggf. dazwischen angeordneten zweiten Abständen und ggf. entsprechenden Abstandshaltern. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen betreffen eine geschäumte Ausführung sowie Ausführungen mit unregelmäßiger Oberfläche bzw. unregelmäßiger Schichtdicke, beispielsweise durch reliefartig geprägte Schaumstoffe oder Folien. Es sind auch Varianten denkbar, bei denen eine metallische Oberfläche MO mit einem aushärtenden Schaum besprüht wird, welche an der metallischen Oberfläche MO anhaftet und dabei idealer Weise auch noch eine unregelmäßige Oberfläche ausbildet. Eine weitere Alternative besteht in der sog. "Beflockung" mit haftfähigen Partikelansammlungen. Während üblicher Weise den volumenleitfähigen Kunststoffen Graphite zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit zugesetzt werden, ist es vorteilhaft ebenfalls möglich, alternativ oder zusätzlich Ferritpartikel oder Metallpartikel zuzusetzen.

Ansprüche

1. Dämpfungsschicht (DS) zur Verminderung der Reflexion elektromagnetischer Wellen (EM-E) an metallischen Oberflächen (MO),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsschicht (DS) der metallischen Oberfläche (MO) vorgelagert ist und im Wesentlichen aus volumenleitfähigem Kunststoff besteht.

2. Dämpfungsschicht (DS) nach Patentanspruch eins,
dadurch gekennzeichnet,
das der Kunststoff ein leitfähiges ausgerüstetes Propylen oder Polypropylen ist.

3. Dämpfungsschicht (DS) nach einem der vorherigen Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Dämpfungsschicht (DS) und der metallischen Oberfläche (MO) ein erster Abstand vorgesehen ist.

4. Dämpfungsschicht (DS) Patentanspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Dämpfungsschicht (DS) und der metallischen Oberfläche (MO) zumindest ein Abstandshalter (AH) vorgesehen ist.

5. Dämpfungsschicht (DS) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsschicht (DS) aus einer Mehrzahl einzelner Schichten besteht.

6. Dämpfungsschicht (DS) nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den einzelnen Schichten jeweils zweite Abstände vorgesehen sind.

7. Dämpfungsschicht (DS) nach Patentanspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Abstand und die zweiten Abstände unterschiedlich sind.

8. Dämpfungsschicht (DS) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der volumenleitfähige Kunststoff geschäumt ist.

9. Dämpfungsschicht (DS) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsschicht (DS) als Sprühschaum auf die metallische Oberfläche (MO) aufgebracht ist.

10. Dämpfungsschicht (DS) nach einem der Patentansprüche 1 - 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsschicht (DS) als Folie ausgebildet ist.

11. Dämpfungsschicht (DS) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsschicht (DS) gewellt und / oder reliefartig strukturiert ist.

12. Verwendung einer Dämpfungsschicht (DS) gemäß einem der Patentansprüche 1-10 zur Reduzierung oder Vermeidung von Reflexionen beim Einsatz von RFID-Anwendungen im UHF-Bereich.

Zeichnung