EP2047565B1 - Schlitzantenne und verfahren zur rfid - Google Patents

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EP2047565B1
EP2047565B1 EP07786308A EP07786308A EP2047565B1 EP 2047565 B1 EP2047565 B1 EP 2047565B1 EP 07786308 A EP07786308 A EP 07786308A EP 07786308 A EP07786308 A EP 07786308A EP 2047565 B1 EP2047565 B1 EP 2047565B1
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EP
European Patent Office
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antenna
slot
board
slots
slot antenna
Prior art date
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Application number
EP07786308A
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English (en)
French (fr)
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EP2047565A1 (de
Inventor
Stefan Albrecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pepperl and Fuchs SE
Original Assignee
Pepperl and Fuchs SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Pepperl and Fuchs SE filed Critical Pepperl and Fuchs SE
Publication of EP2047565A1 publication Critical patent/EP2047565A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2047565B1 publication Critical patent/EP2047565B1/de
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10Resonant slot antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/22Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2208Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H01Q1/2216Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in interrogator/reader equipment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/245Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction provided with means for varying the polarisation 
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Definitions

  • the present invention relates in a first aspect to a slot antenna, in particular a transmitting antenna for RFID, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for RFID.
  • a generic slot antenna has at least one antenna contour plate with a plurality of antenna slots and at least one drive circuit for exciting the antenna contour plate for emitting and / or receiving electromagnetic radiation.
  • RFID Remote radio-frequency identification
  • RFID technologies are used, for example, in the military sector, in identity documents, libraries and, in particular, in the field of industrial manufacturing technology and automation.
  • slot antennas are from the documents WO 2004/062035 .
  • EP 1 158 606 such as US 5,596,336 known.
  • the slot antenna disclosed therein has an antenna contour plate with an antenna slot and a drive circuit for exciting the antenna contour plate for emitting and / or receiving electromagnetic radiation.
  • a circuit board is plugged with a drive circuit.
  • the desired housing dimensions drastically reduce the number of integrable antennas.
  • the gain of the antennas must be identical, which appears hopeless when using previously known antennas.
  • the object of the invention is to provide a slot antenna, in particular for RFID applications, which allows a variety of applications and also has a particularly compact design.
  • a method for RFID is to be specified, with which an increased functionality is achieved.
  • the slot antenna of the above type is inventively further developed in that in at least one antenna slot, in particular from a rear side of the antenna contour plate, a circuit board is plugged with a drive circuit.
  • a slot antenna according to the invention is used and by varying the phase position of the drive circuits, a radiation direction of the radiation is selectively changed.
  • the drive circuit may include components of a feed system for coupling in the necessary drive or feed power.
  • a feed network with suitable drivers and matching circuits may be part of the drive circuit.
  • the drive circuit may also include a receiving circuit or parts thereof.
  • a first essential advantage of the invention can be seen in the fact that a particularly compact, ie space-saving arrangement is realized.
  • Another important advantage of the invention is that the dielectric properties of the printed circuit board material effectively cause a reduction of the antenna slots and thus a reduction of the wavelength.
  • a plurality of antenna slots arranged in pairs are present in the antenna contour plate. It is particularly preferred if two pairs of transverse, in particular mutually perpendicular, slots are present, since then the polarization of the radiation can be selectively varied by suitable control of the slots. With suitable phase position of the respective control of the slots Such an antenna can also emit circularly polarized radiation, as a result of which the functionality of the antenna according to the invention and of the method according to the invention is considerably increased.
  • the antenna contour plate may have a rectangular arrangement of four antenna slots or a cross arrangement of likewise four antenna slots.
  • a cross arrangement of likewise four antenna slots is arranged within a rectangular arrangement of four antenna slots.
  • the antenna slots can be considered nested inside each other.
  • the orientation of the cross-shaped antenna slots can be suitably chosen so that the antenna slots are substantially on the diagonal of the rectangular array. This slot arrangement allows a particularly compact design.
  • the drive circuits each have electronic phase shifters for defined setting of a phase position of a drive signal.
  • the named particularly preferred antenna array with a rectangular arrangement and a cross arrangement of antenna slots located therein accordingly consists of a plurality of slot radiators which are each driven via an electronically adjustable phase shifter.
  • the supply or the drive of the individual antenna slots via a perpendicular or transverse thereto printed circuit board.
  • This circuit board includes the feed zone of the slot radiator, a matching network, the phase shifter, filters, polarization switching and a suitable drive interface.
  • This embodiment is characterized by a particularly high functionality, since a redundancy of the system is achieved by the mutually tilted antenna slots. This means that even with loss of function of individual radiator elements no total failure occurs and such loss of function In any case, they can be partially compensated for by appropriate compensation measures.
  • the necessary drive power can be radiated from the drive circuits radiantly into the antenna contour plate.
  • the printed circuit boards in a surrounding region of the respective antenna slot are preferably galvanically coupled to the antenna contour plate, in the simplest case thus conductively connected.
  • the influence of the dielectric properties of the printed circuit board material on the antenna radiation is particularly great when the antenna slots are largely filled by the printed circuit board.
  • the printed circuit board may have a tongue, which is received in an exact fit in the respective antenna slot.
  • the structure according to the invention in which the printed circuit boards are inserted into the antenna slots, is therefore particularly economical because the substrate is efficiently concentrated essentially in the slot area.
  • the influence of the dielectric properties of the printed circuit board material can be increased if at least one printed circuit board is slightly above a transmitting side of the antenna contour plate survives.
  • the effect of the inserted printed circuit boards can be further increased if protruding parts of the printed circuit boards are provided with a metallic structuring.
  • a metallic structuring which is formed from conductor track sections running transversely to the antenna contour plate on the protruding parts of the printed circuit boards.
  • the circuit boards expediently have a contact with the slot radiator in the region of the antenna slot.
  • the location at which the feed or drive power is coupled into the antenna contour plate is particularly well defined.
  • the contacting between the antenna contour plate and the printed circuit board can take place by means of a conductor track region becoming increasingly narrower in the direction of the antenna contour plate on the printed circuit board. The location of the actual contact area is then defined very precisely.
  • the feeding of the slot can therefore be precise and in particular reproducible. This represents a considerable advantage with regard to the requirements for mass production. In this case, one is particularly completely free in the choice of feed points and thus receives an additional degree of freedom that can be used and varied targeted.
  • the printed circuit boards are plugged into a stabilization plate on an opposite side of the antenna contour plate.
  • This stabilization plate may in turn be a printed circuit board and carry other electronic or electrical components.
  • FIGS. 1 to 3 An embodiment of the antenna 10 according to the invention will be described with reference to FIGS FIGS. 1 to 3 described. Corresponding components are each provided there with the same reference numerals.
  • the antenna 10 has, as essential components, an antenna contour plate 20, a plurality of conductor plates 50 with drive circuits 40 arranged thereon, and a stabilization plate 60, which can likewise carry electronic components.
  • antenna contour plate 20 has two mutually orthogonal antenna systems.
  • the first antenna system consists of a rectangular array of four antenna slots 31 and the second slot system consists of four cross-shaped antenna slots 32.
  • the cross-shaped antenna slots 32 are within the rectangle formed by the antenna slots 31 substantially on the diagonal.
  • the slit systems are therefore in one another and reduce the space required in this way.
  • the problem of driving or feeding the antenna slots is achieved according to the invention by the plugged into the antenna slots 31, 32 printed circuit boards 50th
  • a printed circuit board 50 inserted from a rear side 22 into the antenna contour plate 20 may also protrude slightly on a transmitting side 24 of the antenna contour plate 20. The effect of the dielectric properties of the printed circuit board material are thereby enhanced.
  • a projecting portion 54 of the circuit board 50 as also in Fig. 3 schematically shown, have a metallic pattern 52, which causes a field concentration in the antenna slot 30 and thus allows miniaturization.
  • the metallic structure 52 consists of transverse to the antenna contour plate 20 extending conductor track sections.
  • all the antenna slots 31, 32 have identical dimensions, so that in each case uniform feed networks or more generally, printed circuit boards 50 with drive circuits 40 can be used.
  • a stabilizing plate 60 is attached, which may also be a circuit board with other electrical and / or electronic components.
  • the in Fig. 1 shown construction with the rear stabilizing plate 60 is characterized overall by an excellent mechanical stability, with extremely compact design, from.
  • the printed circuit boards 50 sitting transversely on the blanks or stamped parts with the drive circuits 40 can receive passive and active components.
  • these drive circuits 40 serve to supply and to connect the antennas via galvanic coupling, in the simplest case therefore via a simple conductive connection. In comparison to radiation-coupled slot antennas this less space is needed.
  • the drive circuits 40 each have electronic phase shifters, since then the beam lobe and / or the directional characteristic of the antenna can be selectively changed by the method according to the invention.
  • an RFID reader 80 is shown, which is a slot antenna according to the invention of Fig. 3 having shown type.
  • Reference numerals 13, 14, 15 are individual RFID tags at different Locations designated.
  • TAG 13 is addressed, whereas in the deflected beam directions 12, 16 the TAGs 14 and 15 are addressed.
  • the change in the directional characteristic of the antenna according to the invention is carried out by targeted adjustment of the phase shifter in the drive circuits 40 of the respective antenna slots 31, 32nd
  • a single tag can be tracked using the antenna according to the invention.
  • individual TAGs can be specifically addressed and read out. A location with multiple readers at the same time is possible. Due to the well-defined directional characteristic of the antenna, certain solid angle ranges can furthermore be deliberately suppressed. This serves the interference suppression described above.
  • the present invention thus provides a miniaturizable slot antenna system, in particular for use in RFID readers.
  • RFID readers work particularly preferably in the microwave range, for example at 2.5 GHz.
  • An essential core idea of the method according to the invention is to selectively pivot an antenna directivity.
  • a high-performance and compact antenna system is provided by which, moreover, costs can be saved and which is particularly favorable with regard to the construction and connection technology.
  • the compactness of the antenna is understood in particular also to its reduced dimensions. Compared to the systems on the market, which are significantly larger than the slot antennas described here, a considerable advantage can be achieved thereby. Due to the possibility of beam pivoting, that is an electrically variable directional characteristic of the antenna construction, the density of the readers can be increased without the readers interfering with each other.
  • Potential interference such as microwave heaters
  • physical impairments can be compensated for and compensated by the immediate environment and the existing boundary conditions. Derived from this results in the possibility of tracking a volume.
  • the unavoidable in radio propagation zeros, due to stagnant waves, by means of frequency change or "frequency-hopping" and / or by the pivoting of the beam can be eliminated.
  • To regulate the range can be suitably a control of the radiated power transmission, as well as a variation of the sensitivity by means of low-noise preamplifiers are made.
  • phased-array antennas With the slot antenna according to the invention so-called “phased-array antennas" can be realized in an advantageous manner. With such antennas, an extremely rapid pivoting of the beam and also a very flexible adaptation of the antenna characteristic can be realized.
  • Applications of the invention may result in addition to reading systems, data carriers, general radio links, radar sensors and positioning systems in the field of access detection in buildings.
  • the invention provides a compact, intelligent antenna system with the possibilities of polarization switching and beam steering as a whole.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Schlitzantenne, insbesondere eine Sendeantenne zur RFID, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In einem weiteren Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur RFID.
  • Eine gattungsgemäße Schlitzantenne weist mindestens eine Antennenkonturplatte mit einer Mehrzahl von Antennenschlitzen und mindestens eine Ansteuerschaltung auf zum Anregen der Antennenkonturplatte zum Aussenden und/oder zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung.
  • Techniken der Fernidentifizierung von Objekten und Personen über Radiowellen (Radio Frequency Identification, RFID) werden in einer Vielzahl von unterschiedlichen Bereichen eingesetzt.
  • Anwendung finden RFID-Techniken beispielsweise im militärischen Bereich, bei Ausweisen, Bibliotheken und insbesondere auch im Bereich der industriellen Fertigungstechnik und Automatisierung.
  • In industriellen Umgebungen ergeben sich zunehmend Schwierigkeiten durch die anwachsende Zahl von elektrischen und elektronischen Geräten, die auf engstem Raum angeordnet sind. Ganz allgemein besteht hierbei die Aufgabenstellung, Wechselwirkungen zwischen diesen Geräten möglichst gering zu halten und eventuell ganz auszuschalten. Dies beinhaltet insbesondere auch die Ausnutzung aller zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche, beispielsweise durch Übergang zu niedrigeren Wellenlängen.
  • Bekannt ist weiterhin, für kurze Wellenlängen Schlitzantennen einzusetzen. Beispielsweise sind Schlitzantennen aus den Dokumenten WO 2004/062035 , EP 1 602 148 , EP 1 158 606 sowie US-5,596,336 bekannt.
  • Eine weitere Schlitzantenne ist in US-5,940,041 beschrieben. Die dort offenbarte Schlitzantenne weist eine Antennenkonturplatte mit einem Antennenschlitz und einer Ansteuerschaltung zum Anregen der Antennenkonturplatte zum Aussenden und/oder Empfangen von elektromagnetischer Strahlung auf. In den Antennenschlitz ist dabei eine Leiterplatte mit einer Ansteuerschaltung eingesteckt.
  • Schwierigkeiten ergeben sich beispielsweise aufgrund der immer höheren Komplexität der Fertigungsprozesse, beispielsweise bei einer 3D-Fertigung. Darüber hinaus werden, etwa bei Endkontrollen, neue Verfahrensschritte eingeführt, welche ebenfalls RFID-Prozess beinhalten.
  • Aufgrund der vielfältigen Störungen und Beeinflussungen der RFID-Systeme, z.B. durch Mikrowellenheizgeräte, Bluetooth-Geräte oder WLAN-Rechnemetze, kann es deshalb zu unterwünschten Unterbrechungen der Verbindung zwischen dem Lesegerät oder "Reader" und dem Datenträger kommen. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da die Anzahl der Störer in der Zukunft eher noch zunehmen als abnehmen wird.
  • Die gewünschten Gehäuseabmessungen reduzieren dabei die Zahl der integrierbaren Antennen bereits drastisch. Wenn gleichwohl eine Mindestempfindlichkeit in Höhe bekannter Systeme gefordert wird, muss der Gewinn der Antennen identisch sein, was bei Einsatz bisher bekannter Antennen aussichtslos erscheint.
  • Andere Antennentypen, bei denen es sich nicht um Schlitzantennen handelt, sind nicht bekannt oder scheiden bereits aufgrund des erhöhten Platzbedarfs aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schlitzantenne, insbesondere für RFID-Anwendungen, zu schaffen, die vielfältige Anwendungen ermöglicht und außerdem besonders kompakt aufgebaut ist. Außerdem soll ein Verfahren zur RFID angegeben werden, mit welchem eine erhöhte Funktionalität erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird in einem ersten Gesichtspunkt durch die Schlitzantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schlitzantenne und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Schlitzantenne der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass in mindestens einem Antennenschlitz, insbesondere von einer Rückseite der Antennenkonturplatte, eine Leiterplatte mit einer Ansteuerschaltung eingesteckt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erfindungsgemäße Schlitzantenne verwendet und durch Variation der Phasenlage der Ansteuerschaltungen wird eine Abstrahlrichtung der Strahlung gezielt verändert.
  • Die Ansteuerschaltung kann Komponenten eines Speisesystems zum Einkoppeln der notwendigen Ansteuer- oder Speiseleistung beinhalten. Beispielsweise kann ein Speisenetzwerk mit geeigneten Treibern und Anpassschaltungen Teil der Antriebsschaltung sein. Sofern die Schlitzantenne auch zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt wird, kann die Antriebsschaltung auch eine Empfangsschaltung oder Teile davon beinhalten.
  • Als ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, die vorhandenen Antennenschlitze mechanisch zum Unterbringen oder Haltern von Leiterplatten, auf welchen die notwendigen Ansteuerschaltungen für die Antenne untergebracht sind, zu nutzen.
  • Ein erster wesentlicher Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, dass eine besonders kompakte, also platzsparende Anordnung verwirklicht wird.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die dielektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials effektiv eine Verkleinerung der Antennenschlitze und damit eine Reduzierung der Wellenlänge bewirken.
  • Als Kerngedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens kann angesehen werden, im Unterschied zu bekannten RFID-Verfahren die Abstrahlrichtung des Senders oder des Lesegeräts durch Variation der Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Ansteuerschaltungen gezielt zu verändern.
  • Bei zweckmäßigen Varianten der erfindungsgemäßen Antenne sind in der Antennenkonturplatte eine Mehrzahl von jeweils paarweise angeordneten Antennenschlitzen vorhanden. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwei Paare von quer zueinanderstehenden, insbesondere aufeinander senkrecht stehenden, Schlitzen vorhanden sind, da dann die Polarisation der Strahlung durch geeignete Ansteuerung der Schlitze gezielt variiert werden kann. Bei geeigneter Phasenlage der jeweiligen Ansteuerung der Schlitze kann eine solche Antenne auch zirkular polarisierte Strahlung aussenden, wodurch die Funktionalität der erfindungsgemäßen Antenne und des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich erhöht wird.
  • Grundsätzlich kann aber bereits eine einfache Schlitzantenne mit zwei kollinearen Schlitzen ausreichen. Eine solche Antenne sendet bei geeigneter Ansteuerung sogenannte magnetische Dipolstrahlung aus.
  • Bevorzugt sind Ausführungsbeispiele, bei denen mehrere Paare von Antennenschlitzen in die Antennenkonturplatte eingebracht sind. Beispielsweise kann die Antennenkonturplatte eine Rechteckanordnung von vier Antennenschlitzen oder eine Kreuzanordnung von ebenfalls vier Antennenschlitzen aufweisen.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante ist innerhalb einer Rechteckanordnung von vier Antennenschlitzen eine Kreuzanordnung von ebenfalls vier Antennenschlitzen angeordnet. Die Antennenschlitze können hierbei als ineinander geschachtelt angesehen werden. Die Orientierung der kreuzförmig angeordneten Antennenschlitze kann dabei zweckmäßig so gewählt werden, dass die Antennenschlitze im Wesentlichen auf den Diagonalen der Rechteckanordnung liegen. Diese Schlitzanordnung ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise.
  • Zweckmäßig weisen dabei die Ansteuerschaltungen jeweils elektronische Phasenschieber auf zum definierten Einstellen einer Phasenlage eines Ansteuersignals.
  • Das genannte besonders bevorzugte Antennen-Array mit einer Rechteckanordnung und einer darin liegenden Kreuzanordnung von Antennenschlitzen besteht demnach aus einer Mehrzahl von Schlitzstrahlern, die jeweils über einen elektronisch einstellbaren Phasenschieber angesteuert werden. Die Speisung oder der Antrieb der einzelnen Antennenschlitze erfolgt über eine senkrecht oder quer dazu stehende Leiterplatte. Diese Leiterplatte beinhaltet die Speisezone des Schlitzstrahlers, ein Anpassungsnetzwerk, den Phasenschieber, Filter, eine Polarisationsumschaltung und eine geeignete Ansteuerschnittstelle. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine besonders hohe Funktionalität aus, da durch die zueinander verkippt angeordneten Antennenschlitze eine Redundanz des Systems erreicht wird. Dies bedeutet, dass selbst bei Funktionsverlusten einzelner Strahlerelemente kein Totalausfall eintritt und solche Funktionsverluste durch geeignete Kompensationsmaßnahmen jedenfalls teilweise ausgeglichen werden können.
  • Grundsätzlich kann die nötige Ansteuerleistung von den Ansteuerschaltungen strahlend in die Antennenkonturplatte eingekoppelt werden. Im Hinblick auf die Platzerfordernisse sind jedoch die Leiterplatten in einem Umgebungsbereich des jeweiligen Antennenschlitzes mit der Antennenkonturplatte bevorzugt galvanisch gekoppelt, im einfachsten Fall also leitend verbunden.
  • Prinzipiell können einzelne Antennenschlitze frei bleiben, sofern dort, eventuell aus Platzgründen, keine Leiterplatte untergebracht werden kann oder dies aus elektrischen Gründen nicht erwünscht ist. Der Aufbau wird jedoch vereinfacht, wenn in jedem Antennenschlitz eine Leiterplatte mit einer Ansteuerschaltung eingesteckt ist.
  • Eine weitere Vereinfachung wird erreicht, wenn in alle Antennenschlitze jeweils gleiche Leiterplatten eingesteckt sind. Durch die Verwendung von jeweils gleichen Leiterplatten mit identischen Ansteuerschaltungen kann in erheblichem Umfang Material gespart werden. Außerdem ergeben sich erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Lagerhaltung und deutliche Kosteneinsparungen sind möglich.
  • Grundsätzlich ist der Einfluss der dielektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials auf die Antennenstrahlung besonders groß, wenn die Antennenschlitze weitgehend durch die Leiterplatte ausgefüllt werden. Beispielsweise kann die Leiterplatte eine Zunge aufweisen, welche passgenau in dem jeweiligen Antennenschlitz aufgenommen ist.
  • Darüber hinaus ist der genannte Effekt umso größer, je höher die relative Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials ist. Grundsätzlich können deshalb auch spezielle dielektrische Werkstoffe zum Einsatz kommen, um die gewünschte Miniaturisierung zu erzielen. Die vergleichsweise hohen Kosten setzen dem Einsatz solcher Werkstoffe jedoch Grenzen.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau, bei dem die Leiterplatten in die Antennenschlitze eingeschoben sind, ist deshalb besonders sparsam, weil das Substrat effizient im Wesentlichen im Schlitzbereich konzentriert ist.
  • Der Einfluss der dielektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials kann erhöht werden, wenn mindestens eine Leiterplatte geringfügig über eine Sendeseite der Antennenkonturplatte übersteht. Schließlich kann die Wirkung der eingeschobenen Leiterplatten noch weiter gesteigert werden, wenn überstehende Teile der Leiterplatten mit einer metallischen Strukturierung versehen sind. Besonders einfach herstellbar ist beispielsweise eine metallische Strukturierung, die aus quer zur Antennenkonturplatte verlaufenden Leiterbahnabschnitten auf den überstehenden Teilen der Leiterplatten gebildet ist.
  • Die Leiterplatten weisen zweckmäßig im Bereich des Antennenschlitzes eine Kontaktierung zum Schlitzstrahler auf.
  • Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Schlitzantenne kann in diesem Zusammenhang darin gesehen werden, dass der Ort, an dem die Speise- oder Ansteuerleistung in die Antennenkonturplatte eingekoppelt wird, besonders gut definiert ist. Im Vergleich zu Schlitzantennen aus dem Stand der Technik, bei denen beispielsweise Koaxialkabel angelötet werden, stellt dies einen erheblichen Vorteil dar. Beispielsweise kann die Kontaktierung zwischen der Antennenkonturplatte und der Leiterplatte durch einen in Richtung der Antennenkonturplatte immer schmaler werdenden Leiterbahnbereich auf der Leiterplatte erfolgen. Der Ort des eigentlichen Kontaktbereichs ist dann sehr präzise definiert.
  • Die Speisung des Schlitzes kann demnach präzise und insbesondere reproduzierbar erfolgen. Dies stellt im Hinblick auf die Anforderungen an die Serienfertigung einen erheblichen Vorteil dar. Hierbei ist man insbesondere völlig frei in der Wahl der Speisepunkte und erhält somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der gezielt eingesetzt und variiert werden kann.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne sind die Leiterplatten an einer der Antennenkonturplatte gegenüberliegenden Seite in eine Stabilisierungsplatte eingesteckt. Diese Stabilisierungsplatte kann ihrerseits eine Leiterplatte sein und weitere elektronische oder elektrische Komponenten tragen.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Schlitzantenne und des erfindungsgemäßen Verfahren werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigt:
  • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schlitzantenne;
    Fig. 2
    eine Ansicht der Antennenkonturplatte der Antenne aus Fig. 1;
    Fig. 3
    eine Teilansicht der Antenne aus Fig. 1; und
    Fig. 4
    eine Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne 10 wird mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben. Einander entsprechende Komponenten sind dort jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die erfindungsgemäße Antenne 10 weist als wesentliche Komponenten eine Antennenkonturplatte 20, eine Mehrzahl von Leitenplatten 50 mit darauf angeordneten Ansteuerschaltungen 40 sowie eine Stabilisierungsplatte 60 auf, welche ebenfalls Elektronikkomponenten tragen kann.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Antennenkonturplatte 20 weist zwei jeweils zueinander orthogonal liegende Antennensysteme auf. Das erste Antennensystem besteht aus einer Rechteckanordnung von vier Antennenschlitzen 31 und das zweite Schlitzsystem besteht aus vier kreuzförmig angeordneten Antennenschlitzen 32. Die kreuzförmig angeordneten Antennenschlitze 32 liegen innerhalb des durch die Antennenschlitze 31 gebildeten Rechtecks im Wesentlichen auf dessen Diagonalen.
  • Die Schlitzsysteme liegen demnach ineinander und reduzieren auf diese Weise den Platzbedarf. Das Problem des Ansteuerns oder des Speisens der Antennenschlitze wird erfindungsgemäß gelöst durch die in die Antennenschlitze 31, 32 gesteckten Leiterplatten 50.
  • Wie in Fig. 3 dargestellt, kann eine von einer Rückseite 22 in die Antennenkonturplatte 20 eingesteckte Leiterplatte 50 auch geringfügig auf einer Sendeseite 24 der Antennenkonturplatte 20 herausragen. Die Wirkung der dielektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials werden hierdurch verstärkt.
  • Darüber hinaus kann ein überstehender Teil 54 der Leiterplatte 50, wie ebenfalls in Fig. 3 schematisch gezeigt, eine metallische Strukturierung 52 aufweisen, welche eine Feldkonzentration im Antennenschlitz 30 bewirkt und somit eine Miniaturisierung ermöglicht. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel besteht die metallische Strukturierung 52 aus quer zur Antennenkonturplatte 20 verlaufenden Leiterbahnabschnitten.
  • Durch den in Fig. 1 gezeigten Aufbau werden eine Vielzahl von Vorteilen erreicht. So sind mit der in Fig. 3 im Detail gezeigten Aufbautechnik auch äußerst dicht beieinander liegende Antennenschlitze 31, 32 durch die Ansteuerplatinen 50, welche auch die elektronischen Schaltungen 40 tragen, ansteuerbar.
  • Besonders bevorzugt weisen sämtliche Antennenschlitze 31, 32 identische Abmessungen auf, so dass jeweils einheitliche Speisenetzwerke oder allgemeiner, Leiterplatten 50 mit Ansteuerschaltungen 40, Verwendung finden können.
  • Wenn als Basismaterial für die Leiterplatten 50 Werkstoffe mit erhöhten Werten der relativen Dielektrizitätskonstante verwendet werden, trägt dies zu stärkerer Feldkonzentration in den Schlitzen und damit zur Miniaturisierung bei. Die Schlitzlänge kann auf diese Weise reduziert werden.
  • Zugleich wird hierdurch eine Verkleinerung der Leiterplatten 50 mit den Ansteuerschaltungen 40 ermöglicht. Auf der der Antennenkonturplatte 20 gegenüberliegenden Seite ist eine Stabilisierungsplatte 60 angebracht, bei der es sich ebenfalls um eine Leiterplatte mit weiteren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten handeln kann.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau mit der rückwärtigen Stabilisierungsplatte 60 zeichnet sich insgesamt durch eine hervorragende mechanische Stabilität, bei äußerst kompakten Aufbau, aus. Die quer auf den Platinen oder Stanzteilen sitzenden Leiterplatten 50 mit den Ansteuerschaltungen 40 können passive und aktive Bauelemente aufnehmen.
  • Gleichzeitig dienen diese Ansteuerschaltungen 40 zur Speisung und zur Verbindung der Antennen über galvanische Kopplung, im einfachsten Fall also über eine einfache leitende Verbindung. Im Vergleich zu strahlungsgekoppelten Schlitzantennen wird hierbei weniger Platz benötigt.
  • Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn die Ansteuerschaltungen 40 jeweils elektronische Phasenschieber aufweisen, da dann die Strahlkeule und/oder die Richtcharakteristik der Antenne nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt verändert werden kann.
  • Dies wird näher mit Bezug auf Fig. 4 erläutert. Dort ist ein RFID-Lesegerät 80 dargestellt, welches eine erfindungsgemäße Schlitzantenne der in Fig. 3 gezeigten Art aufweist. Mit den Bezugszeichen 13, 14, 15 sind einzelne RFID-TAGs an unterschiedlichen Ortspositionen bezeichnet. Bei normal ausgerichtetem Strahl, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 11, wird TAG 13 angesprochen, wohingegen bei den ausgelenkten Strahlrichtungen 12, 16 die TAGs 14 bzw. 15 angesprochen werden. Die Änderung der Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Antenne erfolgt dabei durch gezielte Einstellung der Phasenschieber in den Ansteuerschaltungen 40 der jeweiligen Antennenschlitze 31, 32.
  • Hierdurch ergeben sich neue Anwendungen. Beispielsweise kann ein einzelnes TAG mit Hilfe der erfindungsgemäßen Antenne verfolgt werden. Darüber hinaus können einzelne TAGs gezielt angesprochen und ausgelesen werden. Eine Ortung mit mehreren Lesegeräten gleichzeitig ist möglich. Aufgrund der gut definierten Richtcharakteristik der Antenne können weiterhin bestimmte Raumwinkelbereiche gezielt unterdrückt werden. Dies dient der eingangs beschriebenen Störunterdrückung.
  • Mehrere Lesegeräte können zu einem komplexen Gesamtsystem vernetzt werden und es können Lesegeräte mit hoher Richtschärfe und Reichweite verwirklicht werden. Diese besitzen dann durch eine virtuell größere Apertur eine erhöhte Ortsauflösung bei der Ortung. Sowohl Nah- als auch Fernbereichserkennung kann dadurch realisiert werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein miniaturisierbares Schlitzantennensystem, insbesondere zur Anwendung in RFID-Lesegeräten bereitgestellt. Solche Lesegeräte arbeiten besonders bevorzugt im Mikrowellenbereich, beispielsweise bei 2,5 GHz.
  • Wesentlicher Kerngedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, eine Antennenrichtcharakteristik gezielt zu schwenken. Mit dem Einsatz der erfindungsgemäßen Schlitzantennen wird ein leistungsstarkes und kompaktes Antennensystem bereitgestellt, durch welches darüber hinaus Kosten gespart werden können und welches im Hinblick auf die Aufbau- und Verbindungstechnik besonders günstig ist. Unter der Kompaktheit der Antenne werden insbesondere auch deren reduzierte Abmessungen verstanden. Im Vergleich zu den auf dem Markt befindlichen Systemen, die deutlich größer sind als die hier beschriebenen Schlitzantennen, kann dadurch ein erheblicher Vorteil erreicht werden. Durch die Möglichkeit des Strahlschwenkens, also einer elektrisch veränderbaren Richtcharakteristik der Antennenkonstruktion, kann die Dichte der Lesegeräte erhöht werden, ohne dass sich die Lesegeräte gegenseitig stören.
  • Potentielle Störeinflüsse, wie beispielsweise Mikrowellenheizgeräte, können ebenfalls dadurch ausgeblendet werden. Weiterhin können physikalische Beeinträchtigungen durch die unmittelbare Umgebung und die jeweils vorliegenden Randbedingungen ausgeglichen und kompensiert werden. Daraus abgeleitet ergibt sich auch die Möglichkeit einer Verfolgung eines Datenträgers.
  • Vorteilhafterweise können die bei der Funkausbreitung unvermeidbaren Nullstellen, aufgrund stehender Wellen, mittels Frequenzwechsel oder "frequency-hopping" und/oder durch das Schwenken des Strahls eliminiert werden. Zur Regulierung der Reichweite kann zweckmäßig eine Regelung der abgestrahlten Sendeleistung, sowie ebenso eine Variation der Empfindlichkeit mit Hilfe von rauscharmen Vorverstärkern vorgenommen werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Schlitzantenne können deshalb in vorteilhafter Weise sogenannte "phased-array-Antennen" verwirklicht werden. Mit solchen Antennen kann ein äußerst rasches Verschwenken des Strahls und außerdem eine sehr flexible Anpassung der Antennencharakteristik realisiert werden.
  • Anwendungen der Erfindung können sich neben Lesesystemen, Datenträgern, allgemeinen Funkverbindungen, Radarsensoren und Ortungssystemen auch im Bereich der Zutrittserkennung bei Gebäuden ergeben.
  • Durch die Erfindung wird demnach insgesamt ein kompaktes intelligentes Antennensystem mit den Möglichkeiten der Polarisationsumschaltung und der Strahlschwenkung bereitgestellt.

Claims (15)

  1. Schlitzantenne
    mit einer Antennenkonturplatte (20) mit einer Mehrzahl von Antennenschlitzen (30) und
    mit mindestens einer Ansteuerschaltung (40) zum Anregen der Antennenkonturplatte (20) zum Aussenden und/oder zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in mindestens einen Antennenschlitz (30) der Antennenkonturplatte (20) eine Leiterplatte (50) mit einer Ansteuerschaltung (40) eingesteckt ist.
  2. Schlitzantenne nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antennenkonturplatte (20) eine Rechteckanordnung von vier Antennenschlitzen (31) aufweist.
  3. Schlitzantenne nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antennenkonturplatte (20) eine Kreuzanordnung von vier Antennenschlitzen (32) aufweist.
  4. Schlitzantenne nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kreuzanordnung von Antennenschlitzen (32 ) innerhalb der Rechteckanordnung von Antennenschlitzen (31) angeordnet ist.
  5. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in jeden Antennenschlitz (30) eine Leiterplatte (50) mit einer Ansteuerschaltung (40) eingesteckt ist.
  6. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in alle Antennenschlitze (30) gleiche Leiterplatten (50) eingesteckt sind.
  7. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leiterplatten (50) in einem Umgebungsbereich des jeweiligen Antennenschlitzes (30) mit der Antennenkonturplatte (20) galvanisch gekoppelt sind.
  8. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Leiterplatte geringfügig über eine Sendeseite (24) der Antennenkonturplatte (20) übersteht.
  9. Schlitzantenne nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein überstehender Teil (54) der Leiterplatte (50) mit einer metallischen Strukturierung (52) versehen ist.
  10. Schlitzantenne nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als metallische Strukturierung (52) quer zur Antennenkonturplatte (20) verlaufende Leiterbahnabschnitte (52) auf den überstehenden Teilen (54) der Leiterplatten (50) gebildet sind.
  11. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leiterplatten (50) an einer der Antennenkonturplatte (20) gegenüberliegenden Seite (22) in eine Stabilisierungsplatte (60) eingesteckt sind.
  12. Verfahren zum Betrieb einer Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Schlitzantenne eine Mehrzahl von Ansteuerschaltungen (40) aufweist, bei dem durch Variation von Phasenlagen der einzelnen Ansteuerschaltungen eine Abstrahlrichtung der Strahlung gezielt verändert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch geeignete Wahl der Phasenlage der einzelnen Ansteuerschaltungen 40 die Schlitzantenne zum Abstrahlen von zirkular polarisierter Strahlung angeregt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ansteuerschaltungen (40) jeweils elektronische Phasenschieber aufweisen und
    dass die Strahlkeule und/oder die Richtcharakteristik der Schlitzantenne mit den elektronischen Phasenschiebern gezielt verändert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Nullstellen aufgrund stehender Wellen mittels Frequenzwechsel oder "frequency-hopping" und/oder durch Schwenken des Strahls eliminiert werden.
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