WO2008031629A1

WO2008031629A1 - Mikroantenne für nahfeldkommunikation

Info

Publication number: WO2008031629A1
Application number: PCT/EP2007/008286
Authority: WO
Inventors: Michael Niedermayer; Ivan Ndip; Robert Hahn; Stephan Guttowski
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2009-03-15
Also published as: DE102006044018A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikroantenne für die Nahfeldkommunikation und eine Kommunikationsvorrichtung. Die erfindungsgemäße Mikroantenne für die Nahfeldkommunikation enthält eine aus induktiven (2, 12) und kapazitiven (3, 13) Elementen gebildete resonante Antennenstruktur, wobei die induktiven Elemente zumindest bereichsweise ein weichmagnetisches Füllmaterial (4, 14) aufweisen. Erfindungsgemäß ist es möglich, Mikroantennen im Hochfrequenzbereich mit sehr kleinen Abmaßen herzustellen, die sich insbesondere als Teil eines modularen mikroelektronischen Aufbaus einsetzen lassen.

Description

Mikroantenne für Nahfeldkommunikation

Die Erfindung betrifft eine Mikroantenne für die Nahfeldkommunikation sowie eine Kommunikationsvorrich- tung mit einer derartigen Antenne.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgaben werden durch eine Antenne und eine Kommunikationsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen geschaffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

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.

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 μ_r >> 1 gilt.

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.

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.

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 μ_r,_eff der gesamten Antenne erreicht, können die Ausmaße der Antenne um einen entsprechenden Faktor, welcher in- vers proportional zur Wurzel der effektiven Permeabi- lität (μ_r,eff)'^/! verlauft, verkürzt werden. Den weichmagnetischen Füllmaterialien kommt von daher eine wesentliche Aufgabe der Größenreduktion zu.

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.

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.

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.

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.

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 ε_r < 2 , vorzugsweise ε_r < 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 ε_r > 5, besitzt.

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.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz für die magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials μ_r > 1.5, vorzugsweise μ_r > 10, besonders bevorzugt μ_r > 25 gilt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die kapazitiven Elemente zumindest bereichsweise ein dielektrisches Füllmaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Der Begriff dielektrisches „Füllmaterial" soll kennzeichnen, dass sich das dielektrische Material zumindest bereichsweise im elektrischen Feld der Kapazität befindet .

Durch die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante lassen die Abmaße der kapazitiven Elemente reduzieren. Entsprechend trägt dies zur Miniaturisierung der gesamten Antenne bei .

Als Füllmaterialien insbesondere geeignet sind Kera- mikisolationen wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Bariumtitanat .

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Füllmaterials ε_r > 2 , vorzugsweise ε_r > 5, gilt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antenne eine flächige Form aufweist, und die Oberseite und Unterseite zueinander planparallel sind.

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.

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.

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.

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.

Vorzugsweise weist die Spule genau eine Windung auf .

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.

Bevorzugt weist die Spule diesbezüglich ein rechteck- förmiges Profil auf. Der Plattenkondensator weist bevorzugt planparallele Platten auf.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Antenne als Patch-Antenne ausgebildet ist.

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.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kommunikationsvorrichtung sieht vor, dass die Kommunikationsvorrichtung eine Schaltungsanordnung für die Nachführung der Resonanzfrequenz der Antenne enthält.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, welche durch drei Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs- gemäße Antenne für die Nahfeldkommunikation,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne für die Nahfeldkommuni- kation, und

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.

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.

In diesem Ausführungsbeispiel weist das induktive

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.

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.

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 .

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 ε_r = 7 für eine Frequenz von 1 GHz .

Des Weiteren weist die Antenne 1 eine Antennenzuführung 7 auf, über die die Antenne kapazitiv angekoppelt werden kann.

Die Resonanzfrequenz der hier gezeigten Antenne liegt bei etwa 868 MHz. Die Kantenlänge beträgt 5 mm x 5 mm x 5 mm.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Antenne.

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.

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.

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 ε_r = 500 bei 1 GHz, das weichmagnetische Material, hier eine Kobalt-Eisen-Legierung, eine magnetische Permeabilität μ_r = 150 bei 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 .

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße KommunikationsVorrichtung.

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 .

Alternativ kann anstatt der planaren Antenne 1 selbstverständlich auch eine Antenne gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden.

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.

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.

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.

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 .

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.

Des Weiteren weist der Funksender 22 eine leistungsarme Empfangsstufe mit verringerter Empfindlichkeit auf, die eine Beeinflussung von Systemfunktionen über Hochfrequenzsignale erlaubt.

Des Weiteren weist der Funksender 22 einen Gleichrichter zur Messung der Funkfeldstärke auf.

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.

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.

Des Weiteren kann die Kommunikationsvorrichtung mehrere Antennen mit verschiedenere Ausrichtung aufweisen. Dies ermöglicht sehr spezifische Abstrahlcharakteristiken und eine Vermeidung verminderter Reichwei- te durch Polarisationsentkopplung.

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.

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.

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.

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 ε_r = 350 und eine verschobene magnetische Permeabilität von μ_r = 30 bei einer Frequenz von 1 GHz. Die Abmaße der Sendeantenne betragen etwa 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 .

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.

Claims

Patentansprüche

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.

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.

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 .

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 ε_r < 2 , vorzugsweise ε_r < 1.5, oder der Isolator (15) für die Erzeugung einer Antenne mit induktiven und kapazitiven Elementen eine hohe relative Dielektrizitätskonstante mit ε_r > 2 , vorzugsweise mit ε_r > 5, besitzt.

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) μ_r > 1.5, vorzugsweise μ_r > 10, besonders bevorzugt μ_r > 25 gilt.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven

Elemente zumindest bereichsweise ein dielektrisches Füllmaterial (6) aufweisen.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für Frequenzen oberhalb von 0,3 GHz für die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Füllmaterials (6) ε_r > 2, vorzugsweise ε_r > 5, gilt.

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.

9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese als induktives Element zumindest eine Spule (2) aufweist, und als kapazitives Element zumindest einen

Plattenkondensator (3) aufweist, wobei ein Teil der Außenfläche der Spule zumindest einen Teilbereich einer Platte des Plattenkondensators bildet.

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.

11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Antenne als

Patch-Antenne (11) ausgebildet ist.

12. Kommunikationsvorrichtung (21), enthaltend eine Mikroantenne (1, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

13. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich eine Schaltungsanordnung für die Nachführung der Resonanzfrequenz der Antenne enthält.

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.