WO2008031629A1 - Micro-antenna for near-field communication - Google Patents

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WO2008031629A1
WO2008031629A1 PCT/EP2007/008286 EP2007008286W WO2008031629A1 WO 2008031629 A1 WO2008031629 A1 WO 2008031629A1 EP 2007008286 W EP2007008286 W EP 2007008286W WO 2008031629 A1 WO2008031629 A1 WO 2008031629A1
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Michael Niedermayer
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Robert Hahn
Stephan Guttowski
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • the invention relates to a microantenna for near-field communication and a communication device with such an antenna.
  • antennas for decoupling and receiving are usually realized by applying layers with good conductivity on a carrier substrate.
  • These antenna concepts are quite popular, since these antennas can be well embedded in conventional manufacturing concepts, eg as SMD antennas or embedded in printed circuit board antenna structures.
  • inductive and capacitive elements are dimensioned such that the resulting resonant antenna structure has a high sensitivity in a narrow frequency range around the resonance frequency.
  • two antenna concepts can be distinguished.
  • capacitive and inductive elements penetrate each other, for example at patch antennas.
  • the capacitive and inductive elements of the antenna structure can for the most part be constructed separately.
  • Another object of the present invention is to provide an antenna which can be manufactured to very small dimensions. Another object of the invention is to provide a communication device.
  • the invention provides an antenna for near field communication, comprising a resonant antenna structure formed from inductive and capacitive elements, wherein according to the invention, the inductive elements at least partially have a soft magnetic filling material.
  • Near field communication is to be understood here as a range of a few meters.
  • the term “filler” is intended to indicate that the soft magnetic material is at least partially in the magnetic field of the inductance.
  • a "soft magnetic” material is to be understood as meaning a material which forms only a narrow magnetization hysteresis loop, and for which ⁇ r >> 1.
  • the inductive element Due to the magnetic permeability of the soft magnetic material, the inductive element can be significantly reduced in size. Accordingly, the dimensions of the antenna are also reduced. By using a soft magnetic material, it is possible to keep the losses of the antenna small. Furthermore, the antenna is designed for near-field communication, so that a smaller radiation resistance and a lower efficiency as consequences of miniaturization remain within the reasonable range for many applications.
  • antennas in particular planar antennas, are thus possible which, for transmission frequencies of ⁇ 1 GHz, have an edge length of ⁇ 5 mm. can reach. Due to the smaller antenna volume, significantly smaller communication devices can be realized, in particular in the range of 434 MHz to 2.4 GHz. This simplifies the embedding in other objects, since various form factors are easier to implement. Since the microantennas reach a similar size as semiconductor chips, they can be stacked and contacted with other modules using similar connection technologies, for example by means of the 3D construction and connection technique, whereby extremely highly integrated, powerful, modularly constructed communication devices with additional functions such as Measurement data acquisition and data storage are possible. The smaller weight of the miniaturized antenna enables the smallest radio systems, which achieve a significantly higher robustness and therefore allow safe operation in difficult environments, for example in high-acceleration environments.
  • radio devices can be realized smaller and cheaper.
  • soft magnetic fillers By using soft magnetic fillers, a large size reduction can be achieved. Ff is reached the entire antenna by the soft-magnetic filler material an effective relative permeability ⁇ r, e, the size of the antenna by a corresponding factor to which in- verse proportion ( ⁇ r, eff) to the root of the effective permeability '/ ! proceeds, be shortened.
  • the soft magnetic fillers therefore have an essential size reduction task.
  • radio devices can be used for localization and radio communication over short distances.
  • soft magnetic materials which can be used as filling material in an antenna according to the invention are metallic materials such as iron, cobalt, nickel and their alloys and ceramic materials such as ferrites based on metal oxides such as manganese zinc or nickel zinc.
  • the soft magnetic material is arranged in a plurality, each separated by an insulator layers for suppression of electrical eddy currents.
  • a ceramic insulation such as aluminum oxide, barium titanate or aluminum nitride is suitable.
  • the soft magnetic filling material and the insulator can in particular consist of layers of a different material.
  • the insulator for the production of an antenna with primary inductive elements has a low relative dielectric constant. constant with ⁇ r ⁇ 2, preferably ⁇ r ⁇ 1.5, or the I-solator for generating an antenna with inductive and capacitive elements has a high relative dielectric constant with ⁇ > 2, preferably with ⁇ r > 5.
  • the primary inductive element variant is easier to design and adapt because the capacitance and inductance can be separately designed and manipulated (e.g., by electronic circuitry). In most cases, however, manufacturing is more complex than planar antenna concepts, where capacitive and inductive elements interpenetrate each other.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that for frequencies above 0.3 GHz for the magnetic permeability of the soft magnetic material ⁇ r > 1.5, preferably ⁇ r > 10, more preferably ⁇ r > 25 applies.
  • a further advantageous development of the invention provides that the capacitive elements at least in some areas have a dielectric filling material with a high dielectric constant.
  • dielectric "filler" is intended to indicate that the dielectric material is at least partially in the electric field of the capacitance.
  • Suitable filling materials are in particular micro-isolations such as aluminum oxide, aluminum nitride, silicon oxide, silicon nitride or barium titanate.
  • a further advantageous development of the invention provides that for frequencies above 0.3 GHz the relative dielectric constant of the dielectric filling material ⁇ r > 2, preferably ⁇ r > 5, applies.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the antenna has a flat shape, and the top and bottom are plane-parallel to each other.
  • planar antenna is suitable, in particular, for integration in module concepts described above.
  • the shape makes it possible to simply stack the antenna, especially if the other elements also have a planar shape.
  • the outer surface of the antenna is cuboid.
  • the edge lengths are preferably ⁇ 10 mm, more preferably ⁇ 6 mm.
  • the size specifications also apply in the case of other geometric shapes, such as for a round or polygon outer surface.
  • the extent of the antenna is then preferably less than 10 mm, more preferably less than 6 mm.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the antenna has at least one coil as an inductive element, and as a capacitive element has at least one plate capacitor, wherein a part of the outer surface of the coil forms at least a portion of a plate of Plattenkondensa- gate.
  • the combination of coil and plate capacitor components are used twice, the space can be further reduced thereby.
  • the inductance of the antenna is formed by exactly one coil and by exactly one plate capacitor.
  • further inductances and capacitances may be present in such an antenna structure; these must then be suitably considered in the design and the adaptation.
  • the coil has exactly one turn.
  • coil and plate capacitor are stacked as a respective planar, preferably cuboidal elements one above the other and layered a flat, preferably cuboidal shape.
  • the coil preferably has a rectangular profile.
  • the plate capacitor preferably has plane-parallel plates.
  • a further advantageous embodiment provides that the antenna is designed as a patch antenna.
  • the patch antenna includes a first and a second metal layer, which are arranged plane-parallel to each other, and between which the soft magnetic filling material, possibly also in layers separated by insulators, is arranged.
  • the plane-parallel arrangements of the first and second metal surfaces form a capacitive element.
  • the inductive element is preferably formed by the geometric shape of at least one of the two metal layers.
  • the invention provides a communication device, comprising an antenna according to one of claims 1 to 10.
  • a further advantageous development of the communication device provides that the communication device contains a circuit arrangement for tracking the resonance frequency of the antenna.
  • the communication device has a matching circuit for matching the impedance of the antenna.
  • the impedance matching due to a detuning of the antenna can be compensated via a matching circuit.
  • the reflections on the antenna structure can be measured regularly to determine the impedance.
  • the communication device has at least two antennas according to the invention, wherein the first antenna is designed for transmission with extraction of high field strength, and the second antenna is designed for receiving coupled with very low field strength.
  • the first antenna is designed for transmission with extraction of high field strength
  • the second antenna is designed for receiving coupled with very low field strength.
  • the conceptual design of the two antennas is preferably almost identical. However, since the elements of the transmitting antenna advantageously have a different (usually lower) dielectric constant or permeability with respect to the receiving antenna, this must be followed during the design (somewhat larger dimensions) or during operation (connection of additional inductors or capacitors).
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an inventive antenna for near field communication
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an antenna according to the invention for the Nahfeldkommuni- cation
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a communication device according to the invention, which contains an antenna according to the invention for near field communication.
  • 1 shows a first embodiment of an inventive antenna for near field communication.
  • the antenna 1 contains a resonant antenna structure formed from inductive 2 and capacitive 3 elements, the inductive elements 2 having a soft-magnetic filling material 4 at least in regions.
  • Element a coil 2 with a turn on.
  • the capacitive element 3 has a plate capacitor 3 with two plates which are plane-parallel to one another. A part of the outer surface of the coil 2 forms a plate of the plate capacitor. 3
  • the winding of the coil and the plates of the plate capacitor are metallic.
  • the coil 2 and the plate capacitor 3 both have a rectangular profile and the shape of a planar cuboid and are stacked on top of each other, so that the overall result is a planar antenna with a cuboid, flat shape.
  • the second plate of the plate capacitor opposite the coil forms the bottom of the antenna and defines the reference potential.
  • the interior of the coil 2 is completely filled with the soft magnetic filler 4, here a ferrite.
  • the soft magnetic material 4 is divided into four equally thick layers, which are each separated by an insulator, here a silicon oxide, from each other for the suppression of e- lectric eddy currents.
  • the layers are oriented parallel to the base of the antenna.
  • the space between the two plates of the plate capacitor 3 is completely filled with a dielectric filling material 6.
  • the antenna 1 has an antenna feed 7, via which the antenna can be capacitively coupled.
  • the resonant frequency of the antenna shown here is about 868 MHz.
  • the edge length is 5 mm x 5 mm x 5 mm.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an inventive antenna.
  • the antenna 11 according to the second embodiment is formed as a patch antenna. It is essentially constructed in three layers with a rectangular metallic base surface 16 which defines the reference potential, an intermediate layer which has a soft magnetic material 14, and a second metal layer 17 covering the intermediate layer in regions.
  • the two metal layers 16, 17 which are plane-parallel to one another form a capacitive element 13.
  • the upper metal layer 17 essentially has a rectangular base surface, but is recessed at two adjacent corners with two square surfaces 18, leaving a web 19 in this region. By this geometry, an inductive element 12 is formed. Via the web 19, the coupling of the antenna can take place.
  • the intermediate layer between the two metal layers 16 and 17 is subdivided into six uniformly thick layers of a soft magnetic material, in this case a ferrite ceramic layer, which are each electrically separated from one another by an insulator 15, here a barium titanate.
  • the layers are oriented parallel to the metal layers 16 and 17.
  • the resonant frequency of the antenna 11 in this embodiment is about 868 MHz.
  • the dimensions are 1 mm x 1 mm x 0.3 mm.
  • Fig. 3 shows a communication device according to the invention.
  • the communication device comprises, stacked in layers, a power supply 25 as the lowermost layer, followed by a second memory 24b, a first memory 24a, a logic 23, a micro-antenna 1 according to the first embodiment, and a radio transmitter 22. All the elements mentioned have a cuboid outer surface with a uniform base, so that the stacked elements result in a cuboid block.
  • the individual elements are glued together by epoxy resin 26, which is applied in each case between adjacent elements.
  • the mechanical connection with the wireless sensor 22 is also ensured by bonding with an epoxy 26.
  • an antenna according to the second embodiment may also be used.
  • the dimensions of the communication device shown here are 6 mm x 3 mm x 6 mm. In particular, however, it is possible that the edge lengths in the range of 2 to 6 mm, depending on the application and associated structure, may vary.
  • the radio transmitter 22 has a circuit arrangement for tracking the resonance frequency of the antenna (not shown). With such a circuit arrangement, it is possible to track the resonance frequency.
  • the circuitry is based on an LUT (Look-up Table) with the stored material characteristics for various RF signal amplitudes and temperatures. Based on a temperature measurement with a temperature sensor and a field strength measurement by an RC low pass of the decoupled modulation carrier signal, a microcontroller calculates the resulting antenna inductances and capacitances and switches on a corresponding LC network.
  • LUT Look-up Table
  • the coupling of the feed line of the micro-antenna 1 is capacitive in this embodiment.
  • capacitive depending on the type of micro antenna, one inductive or in particular also a galvanic coupling possible.
  • the radio transmitter 22 has an impedance matching for the impedance matching of the antenna 1, here contain PIN diodes as switching elements. Furthermore, the radio transmitter 22 has switching elements, in this case PIN diodes, for changing the resonant frequency of the antenna 1.
  • the radio transmitter 22 For measuring the resonance frequency of the antenna 1, the radio transmitter 22 has a device which determines the resonance frequency from the DC component of the supply current in the transmission output stage.
  • the transmission output stage is capacitively coupled. Alternatively, an inductive coupling is possible.
  • the radio transmitter 22 has a low-power receiving stage with reduced sensitivity, which allows influencing of system functions via high-frequency signals.
  • the radio transmitter 22 has a rectifier for measuring the radio field strength.
  • a device is implemented in the logic 23, which makes it possible to trigger activation or synchronization of system functions via the reception of radio-frequency signals with specific identifiers, as well as system parameters for configuration.
  • the logic 23 has a second circuit arrangement for determining the spatial distances of sources of received radio-frequency signals.
  • the location determination is based on the evaluation of Field strengths with different antenna orientation. Alternatively or additionally, the location determination can also be based on the evaluation of field strengths with different carrier frequencies.
  • the communication device may have a plurality of antennas with a different orientation. This allows very specific emission characteristics and avoidance of reduced range due to polarization decoupling.
  • the communication device 21 (FIG. 3) is designed as a communication device for tire pressure measurement.
  • the structure is almost analogous to the embodiment described above.
  • the component 25 is in this case a special component with a MEMS pressure sensor with backside lithium battery, which is based on laminated lithium-manganese films and encapsulated with parylene.
  • the LUT is stored in this case on the non-volatile memory (Flash) 24a.
  • the communication device (not shown here), which in principle is constructed like the communication device 21 according to the first embodiment, has a second microantenna 1.
  • the first micro-antenna is used for transmission with extraction of higher field strength and the second micro-antenna for receiving coupled with very low field strength.
  • Radio transmitters and logic are suitably adapted to the operation of these two antennas.
  • the receiving antenna corresponds to the described second embodiment of a microphone according to the invention.
  • roantenne (see Figure 2), wherein the indication of the parameters refer to RF signal field strengths of ⁇ -40 dBm.
  • the dimensions of the transmitting antenna are about 1, 8 mm x 1.8 mm x 0.3 mm.

Abstract

The invention relates to a micro-antenna for near-field communication and to a communication device. The claimed micro-antenna for near-field communication contains a resonant antenna structure that is formed from inductive (2, 12) and capacitive (3, 13) elements, at least some portions of the inductive elements having a soft magnetic filler material (4, 14). The invention permits high-frequency micro-antennae to be produced with extremely small dimensions, said micro-antennae being used in particular as part of a modular microelectronic structure.

Description

Mikroantenne für Nahfeldkommunikation Micro-antenna for near-field communication
Die Erfindung betrifft eine Mikroantenne für die Nahfeldkommunikation sowie eine Kommunikationsvorrich- tung mit einer derartigen Antenne.The invention relates to a microantenna for near-field communication and a communication device with such an antenna.
Im Bereich der Mikroelektronik werden Antennen zur Auskopplung und zum Empfang meist durch Aufbringen von Schichten mit guter Leitfähigkeit auf einem Trä- gersubstrat realisiert. Diese Antennenkonzepte sind recht beliebt, da diese Antennen gut in konventionelle Fertigungskonzepte eingebettet werden können, z.B. als SMD-Antennen oder als in Leiterplatten eingebettete Antennenstrukturen. Für schmalbandige Antennen werden induktive und kapazitive Elemente dabei so dimensioniert, dass die sich ergebende resonante Antennenstruktur eine hohe Empfindlichkeit in einem engen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz verfügt. Hierbei können zwei Antennenkonzepte unterschieden werden. Zum einen durchdringen sich kapazitive und induktive Elemente gegenseitig, wie beispielsweise bei Patchantennen. Zum anderen können die kapazitiven und induktiven Elemente der Antennenstruktur weitest- gehend separat aufgebaut sein.In the field of microelectronics, antennas for decoupling and receiving are usually realized by applying layers with good conductivity on a carrier substrate. These antenna concepts are quite popular, since these antennas can be well embedded in conventional manufacturing concepts, eg as SMD antennas or embedded in printed circuit board antenna structures. For narrow-band antennas, inductive and capacitive elements are dimensioned such that the resulting resonant antenna structure has a high sensitivity in a narrow frequency range around the resonance frequency. Here, two antenna concepts can be distinguished. On the one hand, capacitive and inductive elements penetrate each other, for example at patch antennas. On the other hand, the capacitive and inductive elements of the antenna structure can for the most part be constructed separately.
Im Bereich der Induktivität verwendet man meist Luft oder alternativ ein Füllmaterial aus aufgeschäumten Kunststoffen mit kleiner Dielektrizitätskonstante. Dies erlaubt geringe Verluste und ein sehr lineares Verhalten der Antenne. Planare Antennen mit einem derartigen Aufbau werden deswegen bevorzugt, weil sie leicht zu fertigen und platzsparend zusammen mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte kontaktiert werden können. Da die Größe derartiger Antennenstrukturen von der Wellenlänge abhängig ist, besitzen al- lerdings derartige Antennenkonzepte unterhalb von 10 GHz Kantenlängen von normalerweise einigen Zentimetern.In the field of inductance, air or, alternatively, a filling material made of foamed plastics with a low dielectric constant is usually used. This allows low losses and a very linear behavior of the antenna. Planar antennas with such a structure are preferred because they can be easily manufactured and space-saving contacted with electronics on a circuit board. Since the size of such antenna structures depends on the wavelength, however, such antenna concepts below 10 GHz usually have edge lengths of a few centimeters.
Im Bereich der Mikroelektronik ist es möglich, Kommu- nikationsvorrichtungen zu erzeugen, bei denen der größte Teil der Sende- und EmpfangsSchaltung sehr platzsparend auf einem Halbleiterchip mit wenigen Millimetern Kantenlänge realisiert werden kann. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung werden Antennen immer öfter zum größenbestimmenden Bauteil einer derartigen Kommunikationsvorrichtung.In the field of microelectronics, it is possible to produce communication devices in which the largest part of the transmitting and receiving circuit can be realized in a space-saving manner on a semiconductor chip with an edge length of a few millimeters. Due to the progressive miniaturization, antennas are increasingly becoming the size-determining component of such a communication device.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deswegen, eine Antenne zu schaffen, welche mit sehr kleinen Ab- maßen hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kommunikationsvorrichtung zu schaffen.It is therefore an object of the present invention to provide an antenna which can be manufactured to very small dimensions. Another object of the invention is to provide a communication device.
Diese Aufgaben werden durch eine Antenne und eine Kommunikationsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen geschaffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.These objects are provided by an antenna and a communication device according to the independent claims. Advantageous developments of the invention are described in the dependent claims.
Die Erfindung schafft eine Antenne für die Nahfeldkommunikation, enthaltend eine aus induktiven und kapazitiven Elementen gebildete resonante Antennenstruktur, wobei erfindungsgemäß die induktiven Elemente zumindest bereichsweise ein weichmagnetisches Füllmaterial aufweisen.The invention provides an antenna for near field communication, comprising a resonant antenna structure formed from inductive and capacitive elements, wherein according to the invention, the inductive elements at least partially have a soft magnetic filling material.
Unter Nahfeldkommunikation soll hier eine Reichweite von einigen Metern verstanden werden. Der Begriff "Füllmaterial" soll kennzeichnen, dass sich das weichmagnetische Material zumindest bereichsweise im magnetischen Feld der Induktivität befindet. Unter einem "weichmagnetischen" Material soll ein Material verstanden werden, welches nur eine schmale Hystere- sisschleife der Magnetisierung ausbildet, und für das μr >> 1 gilt.Near field communication is to be understood here as a range of a few meters. The term "filler" is intended to indicate that the soft magnetic material is at least partially in the magnetic field of the inductance. A "soft magnetic" material is to be understood as meaning a material which forms only a narrow magnetization hysteresis loop, and for which μ r >> 1.
Aufgrund der magnetischen Permeabilität des weichmagnetischen Materials lässt sich das induktive Element in seinen Abmaßen erheblich verkleinern. Entsprechend verringern sich auch die Abmaße der Antenne. Dadurch, dass ein weichmagnetisches Material eingesetzt wird, ist es möglich, die Verluste der Antenne klein zu halten. Des Weiteren ist die Antenne für die Nahfeldkommunikation ausgelegt, so dass ein kleinerer Strah- lungswiderstand und ein geringerer Wirkungsgrad als Folgen der Miniaturisierung im Rahmen des Vertretbaren für viele Anwendungen verbleiben.Due to the magnetic permeability of the soft magnetic material, the inductive element can be significantly reduced in size. Accordingly, the dimensions of the antenna are also reduced. By using a soft magnetic material, it is possible to keep the losses of the antenna small. Furthermore, the antenna is designed for near-field communication, so that a smaller radiation resistance and a lower efficiency as consequences of miniaturization remain within the reasonable range for many applications.
Erfindungsgemäß werden damit Antennen, insbesondere planare Antennen, möglich, die für Übertragungsfrequenzen von < 1 GHz eine Kantenlänge von < 5 mm er- reichen können. Durch das geringere Antennenvolumen können deutliche kleinere Kommunikationsvorrichtungen realisiert werden, insbesondere im Bereich von 434 MHz bis 2,4 GHz. Dies vereinfacht die Einbettung in andere Objekte, da verschiedenste Formfaktoren leichter umzusetzen sind. Da die Mikroantennen eine ähnliche Größe wie Halbleiterchips erreichen, können diese mit ähnlichen Verbindungstechnologien, beispielsweise mittels der 3D-Aufbau- und -Verbindungstechnik, mit weiteren Modulen gestapelt und kontaktiert werden, wodurch extrem hoch integrierte, leistungsfähige, mo- dular aufgebaute KommunikationsVorrichtungen mit Zusatzfunktionen wie Messdatenerfassung und Datenspeicherung möglich werden. Durch das geringere Gewicht der miniaturisierten Antenne werden kleinste Funksysteme möglich, die eine deutlich höhere Robustheit erreichen und daher einen sicheren Betrieb in schwierigen Umgebungen, beispielsweise in Umgebungen mit hoher Beschleunigung, erlauben.According to the invention, antennas, in particular planar antennas, are thus possible which, for transmission frequencies of <1 GHz, have an edge length of <5 mm. can reach. Due to the smaller antenna volume, significantly smaller communication devices can be realized, in particular in the range of 434 MHz to 2.4 GHz. This simplifies the embedding in other objects, since various form factors are easier to implement. Since the microantennas reach a similar size as semiconductor chips, they can be stacked and contacted with other modules using similar connection technologies, for example by means of the 3D construction and connection technique, whereby extremely highly integrated, powerful, modularly constructed communication devices with additional functions such as Measurement data acquisition and data storage are possible. The smaller weight of the miniaturized antenna enables the smallest radio systems, which achieve a significantly higher robustness and therefore allow safe operation in difficult environments, for example in high-acceleration environments.
Mit einer erfindungsgemäßen Antenne können Funkvorrichtungen kleiner und kostengünstiger realisiert werden. Durch die Verwendung von weichmagnetischen Füllmaterialien lässt sich eine starke Größenredukti- on erreichen. Wird durch das weichmagnetische Füllmaterial eine effektive, relative Permeabilität μr,eff der gesamten Antenne erreicht, können die Ausmaße der Antenne um einen entsprechenden Faktor, welcher in- vers proportional zur Wurzel der effektiven Permeabi- lität (μr,eff)'/! verlauft, verkürzt werden. Den weichmagnetischen Füllmaterialien kommt von daher eine wesentliche Aufgabe der Größenreduktion zu.With an antenna according to the invention, radio devices can be realized smaller and cheaper. By using soft magnetic fillers, a large size reduction can be achieved. Ff is reached the entire antenna by the soft-magnetic filler material an effective relative permeability μ r, e, the size of the antenna by a corresponding factor to which in- verse proportion (μ r, eff) to the root of the effective permeability '/ ! proceeds, be shortened. The soft magnetic fillers therefore have an essential size reduction task.
Diese Funkvorrichtungen sind zur Ortung und zur Funk- kommunikation über kurze Entfernungen verwendbar. Eingesetzt werden kann eine derartige Antenne oder eine derartige Kommunikationsvorrichtung beispielsweise im Bereich der Reifendruckkontrolle, als Bestandteil eines Heizkostenzählers sowie in der Nah- feldfunkanbindung von Mobiltelefonen und PDA. Vor- teilhaft ist es, Kommunikation und eine Sensorik miteinander zu verbinden, was ermöglicht, kleinste Sensoren auch in schwierigen und unzugänglichen Bereichen einzusetzen. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Ortung von beweglichen Objekten, die Überwachung rotierender Teile oder die Bestandsverwaltung und - kontrolle.These radio devices can be used for localization and radio communication over short distances. Can be used such an antenna or Such a communication device, for example in the field of tire pressure monitoring, as part of a Heizkostenzählers and in the Nahfeldfunkanbindung of mobile phones and PDA. It is advantageous to combine communication and sensor technology, which makes it possible to use the smallest sensors even in difficult and inaccessible areas. Further application examples are the location of moving objects, the monitoring of rotating parts or the inventory management and control.
Beispiele für weichmagnetische Materialien, die als Füllmaterial in einer erfindungsgemäßen Antenne ein- gesetzt werden können, sind metallische Werkstoffe wie Eisen, Cobalt, Nickel sowie deren Legierungen und keramische Werkstoffe wie Ferrite auf Basis von Metalloxiden wie Mangan-Zink oder Nickel-Zink.Examples of soft magnetic materials which can be used as filling material in an antenna according to the invention are metallic materials such as iron, cobalt, nickel and their alloys and ceramic materials such as ferrites based on metal oxides such as manganese zinc or nickel zinc.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das weichmagnetische Material in mehrere, jeweils durch einen Isolator voneinander getrennte Schichten angeordnet ist zur Unterdrückung von elektrischen Wirbelströmen.An advantageous development of the invention provides that the soft magnetic material is arranged in a plurality, each separated by an insulator layers for suppression of electrical eddy currents.
Auf diese Weise können Wirbelstromverlust reduziert werden. Als Isolator eignet sich beispielsweise eine Keramikisolation wie Aluminium-Oxid, Bariumtitanat oder Aluminium-Nitrid. Das weichmagnetische Füllmate- rial und der Isolator können insbesondere schichtweise aus einem unterschiedlichen Material bestehen.In this way, eddy current loss can be reduced. As an insulator, for example, a ceramic insulation such as aluminum oxide, barium titanate or aluminum nitride is suitable. The soft magnetic filling material and the insulator can in particular consist of layers of a different material.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz der Isolator für die Erzeugung einer Antenne mit primär induktiven Elementen eine niedrige relative Dielektrizitätskon- stante mit εr < 2 , vorzugsweise εr < 1.5, oder der I- solator für die Erzeugung einer Antenne mit induktiven und kapazitiven Elementen eine hohe relative Dielektrizitätskonstante mit ε > 2, vorzugsweise mit εr > 5, besitzt.A further advantageous development provides that for frequencies above 0.3 GHz, the insulator for the production of an antenna with primary inductive elements has a low relative dielectric constant. constant with ε r <2, preferably ε r <1.5, or the I-solator for generating an antenna with inductive and capacitive elements has a high relative dielectric constant with ε> 2, preferably with ε r > 5.
Die Variante mit primären induktiven Elementen ist leichter zu entwerfen und anzupassen, weil die Kapazität und Induktivität getrennt entworfen und manipu- liert (z.B. durch elektronische Beschaltung) werden kann. Meist ist jedoch die Fertigung aufwändiger gegenüber planaren Antennenkonzepten, wo sich kapazitive und induktive Elemente gegenseitig durchdringen.The primary inductive element variant is easier to design and adapt because the capacitance and inductance can be separately designed and manipulated (e.g., by electronic circuitry). In most cases, however, manufacturing is more complex than planar antenna concepts, where capacitive and inductive elements interpenetrate each other.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz für die magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials μr > 1.5, vorzugsweise μr > 10, besonders bevorzugt μr > 25 gilt.A further advantageous embodiment of the invention provides that for frequencies above 0.3 GHz for the magnetic permeability of the soft magnetic material μ r > 1.5, preferably μ r > 10, more preferably μ r > 25 applies.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die kapazitiven Elemente zumindest bereichsweise ein dielektrisches Füllmaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweisen.A further advantageous development of the invention provides that the capacitive elements at least in some areas have a dielectric filling material with a high dielectric constant.
Der Begriff dielektrisches „Füllmaterial" soll kennzeichnen, dass sich das dielektrische Material zumindest bereichsweise im elektrischen Feld der Kapazität befindet .The term dielectric "filler" is intended to indicate that the dielectric material is at least partially in the electric field of the capacitance.
Durch die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante lassen die Abmaße der kapazitiven Elemente reduzieren. Entsprechend trägt dies zur Miniaturisierung der gesamten Antenne bei .Increasing the dielectric constant reduces the dimensions of the capacitive elements. Accordingly, this contributes to the miniaturization of the entire antenna.
Als Füllmaterialien insbesondere geeignet sind Kera- mikisolationen wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Bariumtitanat .Suitable filling materials are in particular micro-isolations such as aluminum oxide, aluminum nitride, silicon oxide, silicon nitride or barium titanate.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Füllmaterials εr > 2 , vorzugsweise εr > 5, gilt.A further advantageous development of the invention provides that for frequencies above 0.3 GHz the relative dielectric constant of the dielectric filling material ε r > 2, preferably ε r > 5, applies.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antenne eine flächige Form aufweist, und die Oberseite und Unterseite zueinander planparallel sind.A further advantageous embodiment of the invention provides that the antenna has a flat shape, and the top and bottom are plane-parallel to each other.
Eine derartige planare Antenne eignet sich insbeson- dere für die Einbindung in oben beschriebene Modul- konzepte . Durch die Form ist ein einfaches Stapeln der Antenne möglich, insbesondere wenn die anderen Elemente ebenfalls eine planare Form aufweisen.Such a planar antenna is suitable, in particular, for integration in module concepts described above. The shape makes it possible to simply stack the antenna, especially if the other elements also have a planar shape.
Vorzugsweise ist die Außenfläche der Antenne quaderförmig. Die Kantenlängen sind vorzugsweise <10 mm, besonders bevorzugt < 6 mm. Selbstverständlich gelten die Größenangaben auch im Falle anderer geometrischer Formen, wie beispielsweise für eine runde oder poly- gone Außenfläche. In einer Dimension beträgt das Ausmaß der Antenne dann vorzugsweise weniger als 10 mm, besonders vorzugsweise weniger als 6 mm.Preferably, the outer surface of the antenna is cuboid. The edge lengths are preferably <10 mm, more preferably <6 mm. Of course, the size specifications also apply in the case of other geometric shapes, such as for a round or polygon outer surface. In one dimension, the extent of the antenna is then preferably less than 10 mm, more preferably less than 6 mm.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antenne als induktives Element zumindest eine Spule aufweist, und als kapazitives Element zumindest einen Plattenkondensator aufweist, wobei ein Teil der Außenfläche der Spule zumindest einen Teilbereich einer Platte des Plattenkondensa- tors bildet. Durch die Verbindung von Spule und Plattenkondensator werden Bauelemente doppelt benutzt, der Bauraum lässt sich hierdurch weiter reduzieren.A further advantageous embodiment of the invention provides that the antenna has at least one coil as an inductive element, and as a capacitive element has at least one plate capacitor, wherein a part of the outer surface of the coil forms at least a portion of a plate of Plattenkondensa- gate. The combination of coil and plate capacitor components are used twice, the space can be further reduced thereby.
Vorzugsweise wird die Induktivität der Antenne durch genau eine Spule und durch genau einen Plattenkondensator gebildet. Grundsätzlich können in einem derartigen Antennenaufbau weitere Induktivitäten und Kapazitäten vorhanden sein, diese müssen dann im Entwurf und der Anpassung geeignet berücksichtigt werden.Preferably, the inductance of the antenna is formed by exactly one coil and by exactly one plate capacitor. In principle, further inductances and capacitances may be present in such an antenna structure; these must then be suitably considered in the design and the adaptation.
Vorzugsweise weist die Spule genau eine Windung auf .Preferably, the coil has exactly one turn.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass Spule und Plattenkondensator als jeweils flächige, vorzugsweise quaderförmige Elemente übereinander geschichtet sind und geschichtet eine flächige, vorzugsweise quaderförmige Form aufweisen.A further advantageous development of the invention provides that coil and plate capacitor are stacked as a respective planar, preferably cuboidal elements one above the other and layered a flat, preferably cuboidal shape.
Bevorzugt weist die Spule diesbezüglich ein rechteck- förmiges Profil auf. Der Plattenkondensator weist bevorzugt planparallele Platten auf.In this regard, the coil preferably has a rectangular profile. The plate capacitor preferably has plane-parallel plates.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Antenne als Patch-Antenne ausgebildet ist.A further advantageous embodiment provides that the antenna is designed as a patch antenna.
Vorzugsweise enthält die Patch-Antenne eine erste und eine zweite Metallschicht, welche planparallel zueinander angeordnet sind, und zwischen welchen das weichmagnetische Füllmaterial, möglicherweise auch schichtweise getrennt durch Isolatoren, angeordnet ist. Durch die planparallelen Anordnungen der ersten und zweiten Metallfläche wird ein kapazitives Element gebildet. Das induktive Element wird vorzugsweise durch die geometrische Form zumindest einer der beiden Metallschichten gebildet. Des Weiteren schafft die Erfindung eine Kommunikationsvorrichtung, enthaltend eine Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Preferably, the patch antenna includes a first and a second metal layer, which are arranged plane-parallel to each other, and between which the soft magnetic filling material, possibly also in layers separated by insulators, is arranged. The plane-parallel arrangements of the first and second metal surfaces form a capacitive element. The inductive element is preferably formed by the geometric shape of at least one of the two metal layers. Furthermore, the invention provides a communication device, comprising an antenna according to one of claims 1 to 10.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kommunikationsvorrichtung sieht vor, dass die Kommunikationsvorrichtung eine Schaltungsanordnung für die Nachführung der Resonanzfrequenz der Antenne enthält.A further advantageous development of the communication device provides that the communication device contains a circuit arrangement for tracking the resonance frequency of the antenna.
Die Verwendung von weichmagnetischen und dielektrischen Materialien als Füllmaterialien für die Induktivitäten bzw. Kapazitäten führen zu einer starken Abhängigkeit der Sende- und oder Resonanzfrequenz von äußeren Bedingungen.The use of soft magnetic and dielectric materials as filling materials for the inductances or capacitances lead to a strong dependence of the transmission and / or resonance frequency on external conditions.
Insbesondere bewegliche Metallteile und Dielektrika, welche in die Nähe der Antenne gelangen, können zu einem Verstimmen der Antenne führen sowie insbesonde- re auch Temperaturänderungen. Eine derartige Verschiebung kann zur Folge haben, dass sich der Empfang bei den miteinander kommunizierenden Partnern aufgrund der Einkopplung von geringerer Energie erheblich verschlechtert, und die Kommunikation sogar un- möglich macht. Durch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird Derartiges vermieden.In particular, moving metal parts and dielectrics that come close to the antenna can lead to detuning of the antenna and, in particular, temperature changes. Such a shift can result in the reception of the partners communicating with one another considerably deteriorating due to the coupling of lower energy, and even rendering the communication impossible. By a circuit arrangement according to the invention Such a thing is avoided.
Vorzugsweise weist die Kommunikationsvorrichtung eine Anpassungsschaltung zur Anpassung der Impedanz der Antenne auf. Insbesondere kann über eine Anpassungs- schaltung die Impedanzanpassung aufgrund ein Verstimmen der Antenne ausgeglichen werden. Zur Bestimmung der Impedanz können beispielsweise regelmäßig die Reflexionen an der Antennenstruktur gemessen werden.Preferably, the communication device has a matching circuit for matching the impedance of the antenna. In particular, the impedance matching due to a detuning of the antenna can be compensated via a matching circuit. For example, the reflections on the antenna structure can be measured regularly to determine the impedance.
Vorzugsweise weist die Kommunikationsvorrichtung zu- mindest zwei erfindungsgemäße Antennen auf, wobei die erste Antenne zum Senden unter Auskopplung von hoher Feldstärke ausgelegt ist, und die zweite Antenne zum Empfangen unter Einkopplung sehr niedriger Feldstärke ausgelegt ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei sehr hohen Miniaturisierungsgraden, wenn die magnetische Permeabilitätszahl und/oder die Dielektrizitätskonstante nicht nur frequenzabhängig, sondern auch stark von der Signalstärke des elektromagnetischen Feldes abhängt.Preferably, the communication device has at least two antennas according to the invention, wherein the first antenna is designed for transmission with extraction of high field strength, and the second antenna is designed for receiving coupled with very low field strength. This is particularly advantageous in the case of very high degrees of miniaturization if the magnetic permeability coefficient and / or the dielectric constant not only depends on the frequency but also strongly on the signal strength of the electromagnetic field.
Der konzeptionelle Aufbau der beiden Antennen ist vorzugsweise nahezu identisch. Da jedoch die Elemente der Sendeantenne vorteilhafterweise gegenüber der Empfangsantenne eine andere (meist geringere) Dielektrizitätskonstante bzw. Permeabilität aufweisen, muss dies beim Entwurf (etwas größere Abmaße) oder im Betrieb (Zuschaltung von zusätzlichen Induktivitäten bzw. Kapazitäten) nachgeführt werden.The conceptual design of the two antennas is preferably almost identical. However, since the elements of the transmitting antenna advantageously have a different (usually lower) dielectric constant or permeability with respect to the receiving antenna, this must be followed during the design (somewhat larger dimensions) or during operation (connection of additional inductors or capacitors).
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, welche durch drei Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to embodiments which are illustrated by three figures. It shows
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs- gemäße Antenne für die Nahfeldkommunikation,1 shows a first embodiment of an inventive antenna for near field communication,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne für die Nahfeldkommuni- kation, und2 shows a second embodiment of an antenna according to the invention for the Nahfeldkommuni- cation, and
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Antenne für die Nah- feldkommunikation enthält. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Antenne für die Nahfeldkommunikation.3 shows a first embodiment of a communication device according to the invention, which contains an antenna according to the invention for near field communication. 1 shows a first embodiment of an inventive antenna for near field communication.
Die Antenne 1 gemäß der ersten Ausführungsform ent- hält eine aus induktiven 2 und kapazitiven 3 Elementen gebildete resonante Antennenstruktur, wobei die induktiven Elemente 2 zumindest bereichsweise ein weichmagnetisches Füllmaterial 4 aufweisen.The antenna 1 according to the first embodiment contains a resonant antenna structure formed from inductive 2 and capacitive 3 elements, the inductive elements 2 having a soft-magnetic filling material 4 at least in regions.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das induktiveIn this embodiment, the inductive
Element eine Spule 2 mit einer Windung auf . Das kapazitive Element 3 weist einen Plattenkondensator 3 mit zwei zueinander planparallelen Platten auf. Ein Teil der Außenfläche der Spule 2 bildet dabei eine Platte des Plattenkondensators 3.Element a coil 2 with a turn on. The capacitive element 3 has a plate capacitor 3 with two plates which are plane-parallel to one another. A part of the outer surface of the coil 2 forms a plate of the plate capacitor. 3
Die Windung der Spule und die Platten des Plattenkondensators sind metallisch. Die Spule 2 und der Plattenkondensator 3 weisen beide ein rechteckförmiges Profil und die Form eines flächigen Quaders auf und sind übereinander geschichtet, so dass sich insgesamt eine planare Antenne mit einer quaderförmigen, flächigen Form ergibt. Die der Spule gegenüberliegende zweite Platte des Plattenkondensators bildet den Bo- den der Antenne und definiert das Bezugspotential.The winding of the coil and the plates of the plate capacitor are metallic. The coil 2 and the plate capacitor 3 both have a rectangular profile and the shape of a planar cuboid and are stacked on top of each other, so that the overall result is a planar antenna with a cuboid, flat shape. The second plate of the plate capacitor opposite the coil forms the bottom of the antenna and defines the reference potential.
Das Innere der Spule 2 ist vollständig mit dem weichmagnetischen Füllmaterial 4, hier ein Ferrit, ausgefüllt. Das weichmagnetische Material 4 ist dabei in vier gleich dicke Schichten unterteilt, welche jeweils durch einen Isolator, hier ein Siliziumoxid, voneinander getrennt sind zur Unterdrückung von e- lektrischen Wirbelströmen. Die Schichten sind dabei parallel zur Grundfläche der Antenne orientiert. Die magnetische Permeabilität des hier verwendeten weichmagnetischen Füllmaterials, hier ein Füllmaterial auf Basis einer Kobalt-Eisen-Legierung, beträgt μ = 150 für eine Frequenz von 1 GHz .The interior of the coil 2 is completely filled with the soft magnetic filler 4, here a ferrite. The soft magnetic material 4 is divided into four equally thick layers, which are each separated by an insulator, here a silicon oxide, from each other for the suppression of e- lectric eddy currents. The layers are oriented parallel to the base of the antenna. The magnetic permeability of the soft magnetic filling material used here, here a filler Based on a cobalt-iron alloy, μ = 150 for a frequency of 1 GHz.
Der Zwischenraum zwischen den beiden Platten des Plattenkondensators 3 ist vollständig mit einem dielektrischen Füllmaterial 6 ausgefüllt. Das Füllmaterial 6 ist eine Keramikisolation, hier Aluminiumoxid, mit einer Dielektrizitätskonstante εr = 7 für eine Frequenz von 1 GHz .The space between the two plates of the plate capacitor 3 is completely filled with a dielectric filling material 6. The filler material 6 is a ceramic insulation, here aluminum oxide, with a dielectric constant ε r = 7 for a frequency of 1 GHz.
Des Weiteren weist die Antenne 1 eine Antennenzuführung 7 auf, über die die Antenne kapazitiv angekoppelt werden kann.Furthermore, the antenna 1 has an antenna feed 7, via which the antenna can be capacitively coupled.
Die Resonanzfrequenz der hier gezeigten Antenne liegt bei etwa 868 MHz. Die Kantenlänge beträgt 5 mm x 5 mm x 5 mm.The resonant frequency of the antenna shown here is about 868 MHz. The edge length is 5 mm x 5 mm x 5 mm.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Antenne.2 shows a second embodiment of an inventive antenna.
Die Antenne 11 gemäß der zweiten Ausführungsform ist als Patch-Antenne ausgebildet. Sie ist im Wesentlich dreischichtig aufgebaut mit einer rechteckförmigen metallischen Grundfläche 16, welche das Bezugspotential definiert, eine Zwischenschicht, die ein weichmagnetisches Material 14 aufweist, und eine die Zwischenschicht bereichsweise abdeckende zweite Metall- Schicht 17.The antenna 11 according to the second embodiment is formed as a patch antenna. It is essentially constructed in three layers with a rectangular metallic base surface 16 which defines the reference potential, an intermediate layer which has a soft magnetic material 14, and a second metal layer 17 covering the intermediate layer in regions.
Die beiden zueinander planparallelen Metallschichten 16, 17 bilden ein kapazitives Element 13. Die obere Metallschicht 17 besitzt im Wesentlichen eine rechteckförmige Grundfläche, ist aber an zwei benachbarten Ecken mit zwei quadratischen Flächen 18 ausgespart, wodurch in diesem Bereich ein Steg 19 zurückbleibt. Durch diese Geometrie wird ein induktives Element 12 gebildet. Über den Steg 19 kann die Ankopplung der Antenne erfolgen.The two metal layers 16, 17 which are plane-parallel to one another form a capacitive element 13. The upper metal layer 17 essentially has a rectangular base surface, but is recessed at two adjacent corners with two square surfaces 18, leaving a web 19 in this region. By this geometry, an inductive element 12 is formed. Via the web 19, the coupling of the antenna can take place.
Die Zwischenschicht zwischen den beiden Metallschichten 16 und 17 unterteilt sich in sechs einheitlich dicke Schichten aus einem weichmagnetischen Material, hier eine Ferrit-Keramik-Schicht, welche jeweils durch einen Isolator 15, hier ein Bariumtitanat , von- einander elektrisch getrennt sind. Die Schichten sind dabei parallel zu den Metallschichten 16 und 17 orientiert. Der Isolator 15, hier aus Bariumtitanat, besitzt eine relative Dielektrizitätskonstante εr = 500 bei 1 GHz, das weichmagnetische Material, hier eine Kobalt-Eisen-Legierung, eine magnetische Permeabilität μr = 150 bei 1 GHz.The intermediate layer between the two metal layers 16 and 17 is subdivided into six uniformly thick layers of a soft magnetic material, in this case a ferrite ceramic layer, which are each electrically separated from one another by an insulator 15, here a barium titanate. The layers are oriented parallel to the metal layers 16 and 17. The insulator 15, here barium titanate, has a relative dielectric constant ε r = 500 at 1 GHz, the soft magnetic material, here a cobalt-iron alloy, a magnetic permeability μ r = 150 at 1 GHz.
Die Resonanzfrequenz der Antenne 11 liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 868 MHz. Die Abmaße sind 1 mm x 1 mm x 0,3 mm .The resonant frequency of the antenna 11 in this embodiment is about 868 MHz. The dimensions are 1 mm x 1 mm x 0.3 mm.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße KommunikationsVorrichtung.Fig. 3 shows a communication device according to the invention.
Die Kommunikationsvorrichtung enthält, schichtweise übereinander gestapelt, als unterste Schicht eine Energieversorgung 25, dann folgend einen zweiten Speicher 24b, einen ersten Speicher 24a, eine Logik 23, eine Mikroantenne 1 gemäß des ersten Ausführungs- beispiels, und einen Funksender 22. All die genannten Elemente weisen eine quaderförmige Außenfläche mit einer einheitlichen Grundfläche auf, so dass die übereinander gestapelten Elemente einen quaderförmigen Block ergeben. Die einzelnen Elemente sind durch Epoxydharz 26 miteinander verklebt, welches jeweils zwischen benachbarten Elementen aufgetragen ist. Des weitere sind auf der Oberseite des Funksenders 22 sind ein Schwingquarz 27, ein Pufferkondensator 28 und ein Temperatur-Sensor 29 angeordnet. Die mechani- sehe Verbindung mit dem Funksensor 22 wird ebenfalls über ein Verkleben mit einem Epoxydharz 26 gewährleistet .The communication device comprises, stacked in layers, a power supply 25 as the lowermost layer, followed by a second memory 24b, a first memory 24a, a logic 23, a micro-antenna 1 according to the first embodiment, and a radio transmitter 22. All the elements mentioned have a cuboid outer surface with a uniform base, so that the stacked elements result in a cuboid block. The individual elements are glued together by epoxy resin 26, which is applied in each case between adjacent elements. The further are on the top of the radio transmitter 22, a quartz crystal 27, a buffer capacitor 28 and a temperature sensor 29 are arranged. The mechanical connection with the wireless sensor 22 is also ensured by bonding with an epoxy 26.
Alternativ kann anstatt der planaren Antenne 1 selbstverständlich auch eine Antenne gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden.Alternatively, of course, instead of the planar antenna 1, an antenna according to the second embodiment may also be used.
Die Abmaße der hier gezeigten Kommunikationsvorrichtung betragen 6 mm x 3 mm x 6 mm. Insbesondere ist es aber möglich, dass die Kantenlängen im Bereich von 2 bis 6 mm, je nach Anwendungszweck und damit verbundenem Aufbau, variieren können.The dimensions of the communication device shown here are 6 mm x 3 mm x 6 mm. In particular, however, it is possible that the edge lengths in the range of 2 to 6 mm, depending on the application and associated structure, may vary.
Der Funksender 22 weist eine Schaltungsanordnung für die Nachführung der Resonanzfrequenz der Antenne auf (nicht dargestellt) . Mit einer derartigen Schaltungsanordnung ist es möglich, die Resonanzfrequenz nachzuführen. In diesem Ausführungsbeispiel basiert die Schaltungsanordnung auf einer LUT (Look-up-Table) mit den gespeicherten Materialkennwerten für verschiedene HF-Signalamplituden und Temperaturen. Auf Basis einer Temperaturmessung mit einem Temperatursensor sowie einer Feldstärkemessung durch einen RC-Tiefpass des ausgekoppelten Modulations-Trägersignals berechnet ein MikroController die resultierenden Antenneninduktivitäten und -kapazitäten und schaltet ein entsprechendes LC-Netzwerk zu.The radio transmitter 22 has a circuit arrangement for tracking the resonance frequency of the antenna (not shown). With such a circuit arrangement, it is possible to track the resonance frequency. In this embodiment, the circuitry is based on an LUT (Look-up Table) with the stored material characteristics for various RF signal amplitudes and temperatures. Based on a temperature measurement with a temperature sensor and a field strength measurement by an RC low pass of the decoupled modulation carrier signal, a microcontroller calculates the resulting antenna inductances and capacitances and switches on a corresponding LC network.
Die Ankopplung der Speiseleitung der Mikroantenne 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel kapazitiv. Alternativ ist, abhängig vom Typ der Mikroantenne, eine induktive oder insbesondere auch eine galvanische An- kopplung möglich.The coupling of the feed line of the micro-antenna 1 is capacitive in this embodiment. Alternatively, depending on the type of micro antenna, one inductive or in particular also a galvanic coupling possible.
Des Weiteren weist der Funksender 22 eine Impedanzan- passung zur Impedanzanpassung der Antenne 1 auf, hier enthalten PIN-Dioden als Schaltelemente. Des Weiteren weist der Funksender 22 Schaltelemente, hier PIN- Dioden, zur Veränderung der Resonanzfrequenz der Antenne 1 auf .Furthermore, the radio transmitter 22 has an impedance matching for the impedance matching of the antenna 1, here contain PIN diodes as switching elements. Furthermore, the radio transmitter 22 has switching elements, in this case PIN diodes, for changing the resonant frequency of the antenna 1.
Zur Messung der Resonanzfrequenz der Antenne 1 weist der Funksender 22 eine Vorrichtung auf, die die Resonanzfrequenz aus dem Gleichstromanteil des Versorgungsstroms in der Sendeendstufe ermittelt. Hier ist die Sendeendstufe kapazitiv gekoppelt. Alternativ ist auch eine induktive Kopplung möglich.For measuring the resonance frequency of the antenna 1, the radio transmitter 22 has a device which determines the resonance frequency from the DC component of the supply current in the transmission output stage. Here, the transmission output stage is capacitively coupled. Alternatively, an inductive coupling is possible.
Des Weiteren weist der Funksender 22 eine leistungsarme Empfangsstufe mit verringerter Empfindlichkeit auf, die eine Beeinflussung von Systemfunktionen über Hochfrequenzsignale erlaubt.Furthermore, the radio transmitter 22 has a low-power receiving stage with reduced sensitivity, which allows influencing of system functions via high-frequency signals.
Des Weiteren weist der Funksender 22 einen Gleichrichter zur Messung der Funkfeldstärke auf.Furthermore, the radio transmitter 22 has a rectifier for measuring the radio field strength.
Des Weiteren ist in der Logik 23 eine Vorrichtung implementiert, die es ermöglicht, über den Empfang von Hochfrequenzsignalen mit spezifischen Kennungen eine Aktivierung oder Synchronisation von Systemfunk- tionen auszulösen, sowie Systemparameter zum Konfigurieren.Furthermore, a device is implemented in the logic 23, which makes it possible to trigger activation or synchronization of system functions via the reception of radio-frequency signals with specific identifiers, as well as system parameters for configuration.
Des Weiteren weist die Logik 23 eine zweite Schaltungsanordnung zur Ermittlung der räumlichen Abstände von Quellen empfangener Hochfrequenzsignale auf. Die Ortsermittlung basiert dabei auf der Auswertung von Feldstärken mit verschiedener Antennenausrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann die Ortsermittlung auch auf der Auswertung von Feldstärken mit verschiedenen Trägerfrequenzen basieren.Furthermore, the logic 23 has a second circuit arrangement for determining the spatial distances of sources of received radio-frequency signals. The location determination is based on the evaluation of Field strengths with different antenna orientation. Alternatively or additionally, the location determination can also be based on the evaluation of field strengths with different carrier frequencies.
Des Weiteren kann die Kommunikationsvorrichtung mehrere Antennen mit verschiedenere Ausrichtung aufweisen. Dies ermöglicht sehr spezifische Abstrahlcharakteristiken und eine Vermeidung verminderter Reichwei- te durch Polarisationsentkopplung.Furthermore, the communication device may have a plurality of antennas with a different orientation. This allows very specific emission characteristics and avoidance of reduced range due to polarization decoupling.
Als spezielle Anwendung ist die Kommunikationsvorrichtung 21 (Figur 3) als Kommunikationsvorrichtung zur Reifendruckmessung ausgebildet. Der Aufbau er- folgt nahezu analog zur oben beschriebenen Ausführungsform. Das Bauteil 25 ist in diesem Falle ein Sonderbauteil mit einem MEMS-Drucksensor mit rückseitiger Lithium-Batterie, welche auf laminierten Lithium-Mangan-Folien basiert und mit Parylen gekapselt ist. Die LUT ist in diesem Falle auf den nicht flüchtigen Speicher (Flash) 24a gespeichert.As a specific application, the communication device 21 (FIG. 3) is designed as a communication device for tire pressure measurement. The structure is almost analogous to the embodiment described above. The component 25 is in this case a special component with a MEMS pressure sensor with backside lithium battery, which is based on laminated lithium-manganese films and encapsulated with parylene. The LUT is stored in this case on the non-volatile memory (Flash) 24a.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung weist die Kommuni- kationsvorrichtung (hier nicht gezeigt) , welche im Prinzip wie die Kommunikationsvorrichtung 21 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut ist, eine zweite Mikroantenne 1 auf. Die erste Mikroantenne dient dabei zum Senden unter Auskopplung höherer Feldstärke und die zweite Mikroantenne zum Empfangen unter Einkopplung sehr niedriger Feldstärke. Funksender und Logik sind dabei auf dem Betrieb dieser beiden Antennen geeignet angepasst.According to a second embodiment of a communication device according to the invention, the communication device (not shown here), which in principle is constructed like the communication device 21 according to the first embodiment, has a second microantenna 1. The first micro-antenna is used for transmission with extraction of higher field strength and the second micro-antenna for receiving coupled with very low field strength. Radio transmitters and logic are suitably adapted to the operation of these two antennas.
Die Empfangsantenne entspricht der beschriebenen zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mik- roantenne (siehe Figur 2) , wobei die Angabe der Parameter sich auf HF-Signalfeldstärken von < -40 dBm beziehen.The receiving antenna corresponds to the described second embodiment of a microphone according to the invention. roantenne (see Figure 2), wherein the indication of the parameters refer to RF signal field strengths of <-40 dBm.
Die Sendeantenne ist analog zur Empfangsantenne aufgebaut, wird allerdings bei HF-Signalfeldstärken von OdBm betrieben. Aufgrund der hohen Feldstärke haben die verwendeten Materialien Bariumtitanat und Kobalt- Eisen-Legierung eine verschobene relative Dielektri- zitätskonstante von εr = 350 und eine verschobene magnetische Permeabilität von μr = 30 bei einer Frequenz von 1 GHz. Die Abmaße der Sendeantenne betragen etwa 1 , 8 mm x 1,8 mm x 0,3 mm .The transmitting antenna is constructed analogously to the receiving antenna, but is operated at HF signal field strengths by OdBm. Due to the high field strength, the materials used barium titanate and cobalt-iron alloy have a shifted relative dielectric constant of ε r = 350 and a shifted magnetic permeability of μ r = 30 at a frequency of 1 GHz. The dimensions of the transmitting antenna are about 1, 8 mm x 1.8 mm x 0.3 mm.
Die Verwendung besonders hoher Frequenzen > 24 GHz mit entsprechend kleiner Wellenlänge wird zur Erreichung besonders kleiner Antennen diskutiert. Diese Ansätze haben jedoch den gravierenden Nachteil, dass hohe Verluste in den Isolatormaterialien sowie die höhere Dämpfung der Funkwellen deutlich höhere Leistungsaufnahme für eine vergleichbare Funkübertragung benötigen. Aufgrund der gewählten weichmagnetischen Füllmaterialien ist eine derartige Verkleinerung bereits bei den hier angesprochenen Frequenzen möglich. Für den Fall, dass Frequenzen zwischen 0,3 GHz und 24 GHz, insbesondere zwischen 20 GHz bis 24 GHz, erreichen die Antennen eine Verbesserung der Effizienz, sofern man die gesamte Funkübertragungsstrecke betrachtet .The use of particularly high frequencies> 24 GHz with a correspondingly small wavelength is discussed for achieving particularly small antennas. However, these approaches have the serious disadvantage that high losses in the insulator materials and the higher attenuation of the radio waves require significantly higher power consumption for a comparable radio transmission. Due to the chosen soft magnetic filling materials, such a reduction is already possible at the frequencies mentioned here. In the event that frequencies between 0.3 GHz and 24 GHz, in particular between 20 GHz to 24 GHz, the antennas achieve an improvement in efficiency, if one considers the entire radio transmission path.
Die nichtlinearen Effekte, die das Design von Antennen mit klassischen Ansätzen im Allgemeinen erschweren, z.B. das Umgeben der induktiven Elemente mit Luft, sind bislang einer der Hauptgründe gewesen, wa- rum der erfindungsgemäße Ansatz nicht verwendet wurde. The non-linear effects that complicate the design of antennas with classical approaches in general, e.g. Surrounding the inductive elements with air has hitherto been one of the main reasons why the inventive approach was not used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikroantenne (1, 11) für die Nahfeldkommunikati- on, enthaltend eine aus induktiven (2, 12) und kapazitiven (3, 13) Elementen gebildete resonan- te Antennenstruktur mit einer Kantenlänge, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die induktiven Elemente zur Größenreduktion zumindest bereichsweise ein weichmagnetisches Füllmaterial (4, 14) aufweisen und die Kantenlänge weniger als 10 mm beträgt.1. Microantenna (1, 11) for Nahfeldkommunikati- on, containing a from inductive (2, 12) and capacitive (3, 13) elements formed resonant te antenna structure with an edge length, characterized in that the inductive elements for size reduction at least partially a soft magnetic filler (4, 14) and the edge length is less than 10 mm.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material in mehrere, jeweils durch einen Isolator (5, 15) voneinander getrennte Schichten (4, 14) angeordnet ist zur Unterdrückung von elektrischen Wirbelströmen.2. Antenna according to claim 1, characterized in that the soft magnetic material in a plurality of, each by an insulator (5, 15) separated layers (4, 14) is arranged for the suppression of electrical eddy currents.
3. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur im Frequenzbereich 0,3 GHz bis 24 GHz, vorzugsweise 0,3 GHz bis 2,4 GHz sendet und/oder empfängt .3. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna structure in the frequency range 0.3 GHz to 24 GHz, preferably 0.3 GHz to 2.4 GHz transmits and / or receives.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz der Isolator (5) für die Erzeugung einer Antenne mit primär induktiven Elementen eine niedrige relative Dielektrizi- tätskonstante mit εr < 2 , vorzugsweise εr < 1.5, oder der Isolator (15) für die Erzeugung einer Antenne mit induktiven und kapazitiven Elementen eine hohe relative Dielektrizitätskonstante mit εr > 2 , vorzugsweise mit εr > 5, besitzt.4. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that for frequencies above 0.3 GHz, the insulator (5) for generating an antenna with primary inductive elements has a low relative dielectric constant with ε r <2, preferably ε r <1.5, or the insulator (15) for the production of an antenna with inductive and capacitive elements a high relative dielectric constant with ε r > 2, preferably with ε r > 5, has.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz für die magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials (4, 14) μr > 1.5, vorzugsweise μr > 10, besonders bevorzugt μr > 25 gilt.5. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that for frequencies above 0.3 GHz for the magnetic permeability of the soft magnetic material (4, 14) μ r > 1.5, preferably μ r > 10, more preferably μ r > 25 applies.
6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven6. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitive
Elemente zumindest bereichsweise ein dielektrisches Füllmaterial (6) aufweisen.Elements at least partially have a dielectric filling material (6).
7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz für die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Füllmaterials (6) εr > 2, vorzugsweise εr > 5, gilt.7. An antenna according to claim 6, characterized in that for frequencies above 0.3 GHz for the relative dielectric constant of the dielectric filling material (6) ε r > 2, preferably ε r > 5, applies.
8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1, 11) eine flächige Form aufweist, und die Oberseite und Unterseite zueinander planparallel sind.8. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna (1, 11) has a planar shape, and the top and bottom are plane-parallel to each other.
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese als induktives Element zumindest eine Spule (2) aufweist, und als kapazitives Element zumindest einen9. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one coil (2) as an inductive element, and as a capacitive element at least one
Plattenkondensator (3) aufweist, wobei ein Teil der Außenfläche der Spule zumindest einen Teilbereich einer Platte des Plattenkondensators bildet.Plate capacitor (3), wherein a part of the outer surface of the coil forms at least a portion of a plate of the plate capacitor.
10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Spule (2) und Plattenkondensator (3) als jeweils flächige, vorzugsweise quaderförmige Elemente übereinander geschichtet sind und geschichtet eine flächige, vorzugsweise quaderförmige Form aufweisen.10. An antenna according to claim 9, characterized in that the coil (2) and plate capacitor (3) as each planar, preferably rectangular Elements are stacked one above the other and layered have a flat, preferably cuboidal shape.
11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Antenne als11. Antenna according to one of claims 1 to 10, character- ized in that the antenna as
Patch-Antenne (11) ausgebildet ist.Patch antenna (11) is formed.
12. Kommunikationsvorrichtung (21), enthaltend eine Mikroantenne (1, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.12. Communication device (21), comprising a micro-antenna (1, 11) according to one of claims 1 to 10.
13. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich eine Schaltungsanordnung für die Nachführung der Resonanzfrequenz der Antenne enthält.13. Communication device according to claim 12, characterized in that it additionally contains a circuit arrangement for tracking the resonance frequency of the antenna.
14. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, enthaltend zumindest zwei Mikroantennen (1, 11), wobei die eine Mikroantenne zum Senden unter Auskopplung von hoher Feldstärke ausgelegt ist, und die andere Antenne zum Empfangen unter Einkopplung sehr niedriger Feldstärke ausgelegt ist. 14. A communication device according to claim 12 or claim 13, characterized in that comprising at least two microantennas (1, 11), wherein the one micro-antenna is designed for transmission with extraction of high field strength, and the other antenna is designed for receiving coupled with very low field strength ,
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