[0001] Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Bei Antennen, auf welche sich die vorliegende Anmeldung bezieht, sind deren leitfähige
Strukturen von elektrisch leitfähigen Fäden gebildet. Diese leitfähigen Strukturen
sind generell auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial aufgebracht.
[0003] Derartige Antennen können als Bestandteil eines RFID-Systems ausgebildet sein, wobei
dann eine Antenne als RFID-Antenne einem RFID-Chip auf dem Trägermaterial zugeordnet
ist. In dem RFID-Chip sind Informationen gespeichert, die von einem Schreib-Lesegerät
ausgelesen werden können, wobei hierzu die Informationen über die RFID-Antenne an
das Schreib-Lesegerät gesendet werden. Umgekehrt kann die RFID-Antenne auch Informationen
empfangen, die dann im RFID-Chip abgespeichert werden.
[0004] Derartige RFID-Systeme bilden insbesondere Identifikationssysteme aus, die in zunehmenden
Maße auch in Textilien eingesetzt werden, insbesondere in der Bekleidungsindustrie
oder auch im Bereich technischer Textilien.
[0005] Ein wesentliches Problem bei derartigen Systemen besteht darin, die Antennen so auszubilden,
dass mit diesen die erforderlichen Reichweiten bei der Datenübertragung realisiert
werden können.
[0006] Weiterhin besteht ein Problem darin, die Antennen auf diesem Trägermaterial hinreichend
stabil auszubilden. Dies gilt insbesondere für auf flexible Träger aufgebrachte Antennen,
da dort die Forderung besteht, dass die Antennen auch noch nach einer hohen Anzahl
von Waschzyklen funktionsfähig bleiben.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs genannten Art
bereitzustellen, welche rationell herstellbar ist und welche eine hohe Funktionalität
aufweist.
[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
[0009] Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen
Wellen bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Fäden aufweisenden Struktur. Die
Struktur ist in Form einer Helixstruktur bestehend aus elektrisch leitfähigen Fäden
und nichtleitfähigen Fäden gebildet.
[0010] Der Begriff elektrisch leitfähige Fäden umfasst generell auch Drähte.
[0011] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne besteht darin, dass mit dieser
große Reichweiten bei der Übertragung von Informationen mittels elektromagnetischen
Wellen, die von der Antenne gesendet oder empfangen werden, erzielt werden können.
Die Reichweiten betragen mehrere Meter, so dass die erfindungsgemäße Antenne in unterschiedlichen
industriellen Applikationen eingesetzt werden kann.
[0012] Dieser Effekt wird auf überraschende Weise dadurch erzielt, dass die erfindungsgemäße
Antenne in einer Helixstruktur nicht nur elektrisch leitfähige Fäden sondern auch
nichtleitfähige Fäden aufweist, die für eine Datenübertragung an sich nichts beitragen.
Jedoch bewirken die nichtleitfähigen Fäden in der Helixstruktur eine hohe Reichweite
der Datenübertragung dadurch, dass diese als Bestandteil der Helixstruktur eine großvolumige
Struktur mit einer großen Oberfläche bilden. Die in der Helixstruktur der Antenne
vorhandenen elektrisch leitfähigen Fäden bilden somit in dieser Helixstruktur eine
großflächige elektrisch leitfähige Anordnung, die für große Reichweiten der Antenne
bei der Datenübertragung sorgt.
[0013] Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne besteht darin, dass
durch die nichtleitfähigen Fäden in der Helixstruktur die textile Verarbeitbarkeit
zur Antenne erheblich verbessert wird. Die nichtleitfähigen Fäden können aus Materialien
bestehen, die im Vergleich zu den elektrisch leitfähigen Fäden eine höhere Flexibilität
aufweisen. Dadurch kann die Antenne zur Realisierung eines bestimmten Übertragungsverhaltens
auch in stark gekrümmten Strukturen auf einem Trägermaterial angebracht werden. Weiterhin
wird durch die in der Helixstruktur vorhandenen nichtleitfähigen Fäden eine verbesserte
und vereinfachte Nachbearbeitung derart erhalten, dass diese vereinfacht und verbessert
durch Vernähen, Verwirken, Verstricken, Verweben oder ähnliche Nachbearbeitungsprozesse
auf dem Trägermaterial fixiert werden kann.
[0014] Die Helixstruktur der erfindungsgemäßen Antenne bestehend aus elektrisch leitfähigen
Fäden und nichtleitfähigen Fäden kann entsprechend der jeweiligen Anforderungen an
die Antenne in unterschiedlichen Varianten ausgebildet sein.
[0015] Im einfachsten Fall ist die Helixstruktur als Einzelhelixstruktur ausgebildet, in
welcher die elektrisch leitfähigen Fäden und nichtleitfähigen Fäden in einer einzelnen
Helix zusammengefasst sind. Die einfachste Helixstruktur besteht dabei aus nur einem
elektrisch leitfähigen Faden und einem nichtleitfähigen Faden. Generell können auch
mehr als zwei Fäden die Einzelhelixstruktur ausbilden. Dabei kann der leitfähige Anteil
der Antenne einfach dadurch vorgegeben werden, indem das Verhältnis der elektrisch
leitfähigen Fäden zu den nichtleitfähigen Fäden in der Einzelhelixstruktur geeignet
gewählt wird.
[0016] In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Helixstruktur der Antenne auch als
Mehrfachhelixstruktur ausgebildet sein. In diesem Fall sind mehrere Einzelhelixstrukturen
vorgesehen, die sich umschlingen und so die Mehrfachhelixstruktur bilden. Mit derartigen
Mehrfachhelixstrukturen lassen sich besonders großvolumige und großflächige Antennenstrukturen
realisieren. Der leitfähige Anteil in dieser Mehrfachhelixstruktur kann einerseits
durch das Verhältnis der elektrisch leitfähigen Fäden an den nichtleitfähigen Fäden
und durch eine Anzahl unterschiedlicher Einzelhelixstrukturen zur Bildung der Mehrfachhelixstruktur
gezielt vorgegeben werden.
[0017] Zur Herstellung der Helixstruktur können unterschiedliche Produktionsprozesse eingesetzt
werden. Insbesondere können die Helixstrukturen durch Flechten, Zwirnen, Umwinden,
Umspinnen oder Verlitzen von elektrisch leitfähigen Fäden und nichtleitfähigen Fäden
gebildet sein.
[0018] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen die elektrisch leitfähigen
Fäden aus Edelstahl. Die so gebildeten elektrisch leitfähigen Fäden weisen nicht nur
sehr gute elektrische Leitfähigkeiten auf, sondern sind auch äußerst robust und widerstandsfähig.
Insbesondere können mit aus Edelstahl bestehenden elektrisch leitfähigen Fäden Antennen
ausgebildet sein, die in Textilien verwendet werden. Dort besteht eine wesentliche
Anforderung darin, dass die Antennen auch nach einer großen Anzahl von Waschzyklen
der Textilien noch funktionsfähig sind. Diese Anforderung kann mit Antennen, in welchen
aus Edelstahl bestehende elektrisch leitfähige Fäden verwendet werden, erfüllt werden.
[0019] Alternativ können die elektrisch leitfähigen Fäden auch aus anderen leitfähigen Materialien
und Legierungen bestehen, wie zum Beispiel Aluminium, Messing, Kupfer oder Carbon.
[0020] Vorteilhaft weisen die elektrisch leitfähigen Fäden, insbesondere Drähte, einen Durchmesser
im Bereich von 20 bis 100 µm auf.
[0021] Als besonders vorteilhaft hat sich ein Durchmesser von 35 µm erwiesen.
[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bestehen die nichtleitfähigen Fäden aus
synthetischen und nicht synthetischen Fasern und Endlosfilamenten wie zum Beispiel
Polyester, Polyamid, Polypropylen, Glaswolle, Baumwolle, Wolle oder Flachs.
[0023] Das Gewicht der nichtleitfähigen Fäden pro 10000 Meter, das heißt der Dtex-Wert oder
die vorgenannte Feinheit der nichtleitfähigen Fäden liegt vorteilhaft im Beriech von
50 Dtex bis 1100 Dtex und besonders vorteilhaft bei etwa 100 Dtex.
[0024] Die die erfindungsgemäße Antenne ausbildende Helixstruktur kann vorteilhaft eine
elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Diese ist insbesondere dann erforderlich,
wenn sich Segmente der Helixstruktur überkreuzen, das heißt überlagern, um die Antennenstruktur
auszubilden. In diesen Fällen verhindert die elektrisch isolierende Beschichtung Kurzschlüsse
in der Antenne.
[0025] Eine elektrisch isolierende Beschichtung ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn
die Helixstruktur zur Bildung der Antennenstruktur kreuzungsfrei verläuft.
[0026] Besonders vorteilhaft besteht die elektrisch isolierende Beschichtung aus Polyurethan.
[0027] Die aus Polyurethan bestehenden Beschichtungen zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität
aus, so dass die Helixstruktur auch stark gebogen und gekrümmt werden kann, ohne dass
die Beschichtung aufbricht.
[0028] Zur Herstellung der elektrisch isolierenden Beschichtung können unterschiedliche
Herstellungsverfahren eingesetzt werden.
[0029] Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Beschichtung durch einen Tauchprozess
apliziert werden, indem die die Helixstruktur bildenden Fäden in ein Tauchbad eingeführt
werden.
[0030] Auch kann die elektrisch isolierende Beschichtung durch Bonding hergestellt werden,
indem die die Helixstruktur bildenden Fäden über eine mit dem Beschichtungsmaterial
befeuchtete Walze oder der ein Quetschwerk mit derartigen Walzen geführt werden.
[0031] Weiterhin kann die Beschichtung durch Extrudieren, das heißt Aufbringen des Beschichtungsmaterials
über eine Düse, erfolgen.
[0032] Schließlich kann die Beschichtung durch eine Lackisolation erfolgen, indem Schwämmchen
mit dem flüssigen Beschichtungsmaterial beträufelt werden und dann über diese Schwämmchen
die die Helixstruktur bildenden Fäden geführt werden.
[0033] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antenne auf
einem elektrisch isolierenden Trägermaterial aufgebracht.
[0034] Das Trägermaterial kann von einem flexiblen Flächengebilde wie einer Folie gebildet
sein. Besonders vorteilhaft ist die Antenne auf einem textilen Trägermaterial aufgebracht.
[0035] Dabei kann das textile Trägermaterial ein Gewebe, Gewirk, Vlies, Gelege oder Geflecht
sein.
[0036] Da die erfindungsgemäße Antenne aus einer nichtleitfähigen Fäden enthaltenden Helixstruktur
besteht, kann diese gut mit Näh-, Strick-, Stick-, Web- oder Wirkprozessen auf dem
textilen Trägermaterial fixiert oder in dieses eingearbeitet werden.
[0037] Die erfindungsgemäße Antenne eignet sich für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
Beispielsweise kann die Antenne Bestandteil eines Sensorsystems sein.
[0038] Besonders vorteilhaft ist die Antenne Bestandteil eines Identifikations- oder Objektverfolgungssystems.
In diesen Fällen bildet die Antenne bevorzugt eine RFID-Antenne aus, die Bestandteil
eines RFID-Systems ist.
[0039] Die RFID-Antenne ist dann mit einem RFID-Chip auf dem Trägermaterial angeordnet.
Im RFID-Chip gespeicherte Informationen können dann für eine Objektidentifizierung
oder Objektverfolgung ausgegeben und mit der RFID-Antenne an ein bis zu mehreren Metern
entfernt liegendes Schreib-Lesegerät gesendet werden. Umgekehrt kann die RFID-Antenne
auch Informationen vom Schreib-Lesegerät empfangen, welche dann im RFID-Chip abgespeichert
werden.
[0040] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- Figur 1:
- Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne auf einem Trägermaterial.
- Figur 2:
- Erstes Ausführungsbeispiel einer Helixstruktur zur Ausbildung der erfindungsgemäßen
Antenne.
- Figur 3:
- Zweites Ausführungsbeispiel einer Helixstruktur zur Ausbildung der erfindungsgemäßen
Antenne.
- Figur 4:
- Drittes Ausführungsbeispiel einer Helixstruktur zur Ausbildung der erfindungsgemäßen
Antenne.
- Figur 5:
- Viertes Ausführungsbeispiel einer Helixstruktur zur Ausbildung der erfindungsgemäßen
Antenne.
[0041] Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne 1 auf einem Trägermaterial
2. Im vorliegenden Fall ist die Antenne 1 als RFID-Antenne eines RFID-Systems ausgebildet.
Als weiterer Bestandteil des RFID-Systems ist auf dem Trägermaterial 2 ein RFID-Chip
3 aufgebracht.
[0042] Die Antenne 1 dient generell zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen
Wellen. Mit der Antenne 1 können im RFID-Chip 3 gespeicherte Daten an eine externe
Einheit, insbesondere ein Schreib-Lesegerät ausgegeben werden. Weiterhin können Daten
von dem Schreib-Lesegerät in den RFID-Chip 3 eingelesen und in diesem gespeichert
werden.
[0043] Die Antenne 1 besteht erfindungsgemäß aus einer Anordnung von elektrisch leitfähigen
Fäden und nichtleitfähigen Fäden, die zu einer Helixstruktur zusammengeführt sind.
Beispiele für derartige Helixstrukturen sind in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.
[0044] Das Trägermaterial 2 besteht im vorliegenden Fall aus einem textilen Flächengebilde,
das vollständig aus nicht elektrisch leitfähigen Materialien besteht. Vorteilhaft
ist das textile Trägermaterial ein Gewebe, Gewirk, Vlies, Gelege oder Geflecht.
[0045] Die Antenne 1 ist durch einen Näh-, Strick-, Wirk-, Stick- oder Webprozess auf oder
in dem Trägermaterial 2 fixiert, wobei hierzu geeignete Textilmaschinen eingesetzt
werden.
[0046] Der RFID-Chip 3 ist im vorliegenden Fall in Form eines flachen, kreisscheibenförmigen
Körpers ausgebildet, der auf das textile Trägermaterial aufgeklebt ist.
[0047] Die Ankopplung der Antenne 1 an den RFID-Chip 3 erfolgt derart, dass in einem zentralen
Bereich ein Segment der Antenne 1 um den RFID-Chip 3 geführt ist, so dass die Antenne
1 in geringem Abstand des RFID-Chips 3 liegt. Dadurch wird eine kapazitive Ankopplung
der Antenne 1 an den RFID-Chip 3 erhalten.
[0048] Beidseits des zentralen Bereichs bildet die Antenne 1 periodische Strukturen aus,
die das Übertragungsverhalten der Antenne 1 bestimmen. Insbesondere wird durch die
Länge der Antenne 1 der Frequenzbereich der gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen
Wellen vorgegeben.
[0049] Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel einer Helixstruktur der erfindungsgemäßen Antenne
1 in Form einer Einzelhelixstruktur 4 bestehend aus elektrisch leitfähigen Fäden und
nichtleitfähigen Fäden. Die elektrisch leitfähigen Fäden können generell von Drähten
gebildet sein. Die in Figur 2 dargestellte Helixstruktur ist wie die Helixstruktur
der Figuren 3 bis 5 durch Zwirnen hergestellt. Alternativ können Helixstrukturen der
erfindungsgemäßen Antenne 1 auch durch Flechten, Umwinden, Umspinnen oder Verlitzen
von elektrisch leitfähigen Fäden und nichtleitfähigen Fäden hergestellt werden.
[0050] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind zwei Fäden 5 zu einer Einzelhelixstruktur
4 verzwirnt. Ein Faden 5 ist von einem elektrisch leitfähigen Faden gebildet, der
zweite Faden 5 ist von einem nichtleitfähigen Faden gebildet.
[0051] Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen bestehen die elektrisch leitfähigen Fäden
aus leitfähigen Legierungen wie Edelstahl, Aluminium, Messing, Kupfer oder Carbon.
[0052] Dabei weisen die elektrisch leitfähigen Fäden einen Durchmesser im Bereich von 20
bis 100 µm auf.
[0053] Besonders vorteilhaft beträgt der Durchmesser des oder aller elektrisch leitfähigen
Fäden etwa 35 µm.
[0054] Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen bestehen die nichtleitfähigen Fäden aus
Polyester.
[0055] Dabei weisen die nichtleitfähigen Fäden eine Feinheit im Bereich von 50 Dtex bis
1100 Dtex auf.
[0056] Besonders vorteilhaft beträgt die Feinheit etwa 100 Dtex.
[0057] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einzelhelixstruktur 4 bestehend aus drei
miteinander verzwirnten Fäden 5. In diesem Fall können ein oder zwei der Fäden 5 als
elektrisch leitfähige Fäden ausgebildet sind, wobei der oder die restlichen Fäden
5 nichtleitfähige Fäden sind.
[0058] Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einzelhelixstruktur 4 bestehend aus vier
miteinander verzwirnten Fäden 5. In diesem Fall können ein, zwei oder drei Fäden 5
als elektrisch leitfähige Fäden ausgebildet sein, wobei der oder die restlichen Fäden
5 nichtleitfähige Fäden sind.
[0059] Generell kann eine Einzelhelixstruktur 4 auch aus mehr als vier Fäden 5 bestehen.
[0060] Figur 5 zeigt im Ausführungsbeispiel eine Helixstruktur in Form einer Mehrfachhelixstruktur
6. Die Mehrfachhelixstruktur 6 besteht im vorliegenden Fall aus zwei Einzelhelixstrukturen
4, 4'. Natürlich können auch mehr als zwei Einzelhelixstrukturen 4, 4' die Mehrfachhelixstruktur
6 bilden.
[0061] Im vorliegenden Fall besteht jede Einzelhelixstruktur 4, 4' aus zwei miteinander
verzwirnten Fäden 5. Generell können die Einzelhelixstrukturen 4, 4' hinsichtlich
Anzahl der Fäden 5 und Verhältnis von elektrisch leitfähigen Fäden und nichtleitfähigen
Fäden unterschiedlich ausgebildet sind.
[0062] Die Herstellung der Mehrfachhelixstruktur 6 erfolgt derart, dass zunächst jeweils
zwei Fäden 5 zu einer Einzelhelixstruktur 4, 4' verzwirnt werden. Dann werden die
Einzelhelixstrukturen 4, 4' zur Mehrfachhelixstruktur 6 verzwirnt.
[0063] Wie Figur 1 zeigt, bildet die Antenne 1 eine lineare, kreuzungsfreie Struktur aus.
In derartigen Fällen können die Einzelhelixstrukturen 4, 4'oder Mehrfachhelixstrukturen
6, wie in den Figuren 2 bis 5 dargestellt, oder allgemein Helixstrukturen direkt und
ohne eine elektrisch isolierende Beschichtung als Antenne 1 auf dem Trägermaterial
2 fixiert werden.
[0064] Insbesondere bei Kreuzungsstellen aufweisenden Antennen 1 ist es zur Vermeidung von
Kurzschlüssen erforderlich, dass die Helixstruktur mit einer elektrisch isolierenden
Beschichtung ummantelt wird, welche besonders vorteilhaft aus Polyurethan besteht.
[0065] Vorteilhaft wird die elektrisch isolierende Beschichtung durch einen Tauchprozess,
durch Bondierung, durch Extrudieren oder mittels einer Lackisolation gebildet.
Bezugszeichenliste
[0066]
- (1)
- Antenne
- (2)
- Trägermaterial
- (3)
- RFID-Chip
- (4)
- Einzelhelixstruktur
- (4')
- Einzelhelixstruktur
- (5)
- Faden
- (6)
- Mehrfachhelixstruktur
1. Antenne (1) zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen bestehend
aus einer elektrisch leitfähigen Fäden aufweisenden Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur in Form einer Helixstruktur bestehend aus elektrisch leitfähigen Fäden
und nichtleitfähigen Fäden gebildet ist.
2. Antenne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Helixstruktur als Einzelhelixstruktur (4) ausgebildet ist.
3. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helixstruktur durch Flechten, Zwirnen, Umwinden, Umspinnen oder Verlitzen von
elektrisch leitfähigen Fäden und nichtleitfähigen Fäden gebildet ist.
4. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Fäden aus Edelstahl, Aluminium, Messing, Kupfer oder Carbon
bestehen.
5. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Fäden einen Durchmesser im Bereich von 20 - 100 µm aufweisen.
6. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitfähigen Fäden aus synthetischen und nicht synthetischen Fasern oder
Endlosfilamenten wie Polyester, Polyamid, Polypropylen, Glaswolle, Baumwolle, Wolle
oder Flachs bestehen.
7. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitfähigen Fäden eine Feinheit im Bereich von 50 Dtex - 1100 Dtex aufweisen.
8. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Helixstruktur eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.
9. Antenne (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Beschichtung aus Polyurethan besteht.
10. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Beschichtung durch einen Tauchprozess, durch Bondierung,
durch Extrudieren oder mittels einer Lackisolation gebildet wird.
11. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (2) aufgebracht ist.
12. Antenne (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese auf einem textilen Trägermaterial (2) aufgebracht ist.
13. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Trägermaterial (2) ein Gewebe, Gewirk, Vlies, Gelege oder Geflecht ist.
14. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine RFID-Antenne ausbildet.
15. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bestandteil eines Identifikationssystems, eines Sensorsystems oder eines Objektverfolgungssystems
ist.