DE60117080T2

DE60117080T2 - Antenne

Info

Publication number: DE60117080T2
Application number: DE60117080T
Authority: DE
Inventors: Kanji 1-2 Toyosatodai łUtsunomiya-shi Kawakami; Lichi Nakano-ku Wako; Nobuyuki Hamamatsu-shi Matsui; Yoshiaki Shimo Tsuga-gun Fukuda
Original assignee: Kawakami Kanji Utsunomiya; Yagi Antenna Co Ltd
Current assignee: Kawakami Kanji Utsunomiya; Yagi Antenna Co Ltd
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: US20020053992A1; EP1193793A3; EP1193793A2; US6861992B2; JP2002111363A; EP1193793B1; JP3481575B2; DE60117080D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Gattungsanspruch des ersten Patentanspruchs, die eine elektromagnetische Welle überträgt, und insbesondere eine Antenne, die für Wellen in dem Bereich von einem MF-Band (Mittelfrequenzband) bis zu einem UKW-Band und einem UHF-Band (Ultrahochfrequenzband) verwendet werden kann, sowie ein Antennensystem, das eine Vielzahl solcher Antennenelemente umfasst.
Eine solche Antenne ist bereits aus dem Dokument US-A-5826178 bekannt, das eine Bündelungseinrichtung zeigt, die einen magnetischen Fluss einer elektromagnetischen Welle bündelt, und einen Wandler, der den gebündelten magnetischen Fluss in Spannung umwandelt.
Zugehörige Antennen können nach ihrem Funktionsprinzip grob in die folgenden fünf Klassen unterteilt werden.
Eine erste Art von Antenne ist eine Antenne, die eine Spannung im Ergebnis dessen erzeugt, dass ein elektrisches Feld auf einen Leiter einer linearen Form oder einer analogen Form einwirkt. Eine zweite Art von Antenne ist eine Antenne, die eine Spannung über die Enden eines Kreisförmigen Leiters von einer durch diese hindurchgehenden elektromagnetischen Welle erzeugt. Eine dritte Art von Antenne ist eine Antenne, die eine elektromagnetische Welle in eine Öffnung in einem Leiter bündelt, indem sie einen Wirbelstrom nutzt, der sich um die Öffnung herum entwickelt. Eine vierte Art von Antenne ist eine Antenne, die magnetischen Fluss durch einen hochfrequenten magnetischen Stoff bündelt und den magnetischen Fluss durch eine elektrische Spule in Spannung umwandelt.
Die spezifischen Bezeichnungen dieser Antennen sind wie folgt:
Die erste Art von Antenne umfasst eine umgekehrte L-Antenne, die in einem Frequenzband kürzer als Kurzwelle verwendet wird, und eine Dipolantenne und eine Monopolan tenne umfasst, die für ein Hochfrequenzband oder höher verwendet werden. Weiterhin umfasst die erste Art von Antenne eine Yagi-Antenne, die für Empfang einer FM-Übertragung oder eines Fernsehsignals verwendet wird. Die Yagi-Antenne wird durch Bereitstellen einer Dipolaratenne mit einem Wellendirektor und einem Reflektor gebildet.
Die zweite Art von Antenne wird als Loopantenne bezeichnet.
Die dritte Art von Antenne wird als Schlitzantenne bezeichnet. Diese Schlitzantenne wird von Zellenstandorten für Mobiltelefone und als Flachantenne für den Empfang von Satellitenübertragungen genutzt.
Die vierte Art von Antenne wird als Ferritantenne oder Stabantenne bezeichnet. Ein Ferritkern wird als hochfrequenter magnetischer Stoff verwendet.
Die fünfte Art von Antenne wird als Parabolantenne bezeichnet. Die Parabolantenne wird zur Übertragung von Funkwellen höherer Frequenz als UKW oder als Radarantenne verwendet.
Die größte Ausgangsspannung der ersten und der dritten Antenne wird als das Produkt aus der Feldstärke und der Länge einer Antenne definiert. Die erste und die dritte Art von Antennen weisen den Nachteil auf, dass sie keine große Antennenverstärkung erzielen können. Um diesen Nachteil auszugleichen, wird eine Vielzahl von Antennen der dritten Art parallel geschaltet, um große Ausgangsleistung bei einer niederohmigen Last zu erhalten.
Die zweite Art von Antenne, das heißt die Loopantenne, dient der Detektion von magnetischem Fluss, der durch eine von einer Spuke gebildete Ebene hindurch geht. Eine Ausgangsspannung der Loopantenne kann erhöht werden, indem die Größe einer Spule und der Wicklungszahl der Spule vergrößert bzw. erhöht wird. Wenn jedoch die Wicklungszahl einer Spule großer Fläche erhöht wird, erhöhen sich die Induktivität der Spule und die Streukapazität zwischen den Leitungen der Spule, wodurch die Resonanzfrequenz der Spule reduziert wird. Da die Notwendigkeit der Auswahl einer Frequenz höher als der für die Übertragung zu verwendenden Frequenz als Resonanzfrequenz besteht, unterliegen die Fläche einer Spule und die Wicklungszahl der Spule Einschränkungen.
Die vierte Art von Antenne, das heißt die Ferritantenne, ermöglicht die Reduzierung der Fläche einer Spule durch Bündelung von magnetischem Fluss durch Verwendung eines Ferritkerns. Da die Wicklungszahl einer Spule erhöht werden kann, ist die Ferritantenne verbreitet als hochempfindliche MF-Antenne verwendet worden. Bei einer Frequenz von größer als 1 MHz fällt die Permeabilität des magnetischen Ferritmaterials in einem im Wesentlichen umgekehrten Verhältnis zu der Frequenz ab. Da die größte Betriebsfrequenz von magnetischem Material bei etwa 10 GHz liegt, weist die Ferritantenne den Nachteil auf, dass sie nicht für Frequenzen oberhalb des UKW-Bereiches angewendet werden kann.
Die fünfte Art von Antenne, die Parabolantenne, bündelt eine elektromagnetische Welle durch Verwendung eines Parabolspiegels, wobei die Außenmaße des Spiegels größer sind als die Wellenlänge einer zugrundeliegenden elektromagnetischen Welle, wodurch hohe Antennenverstärkung erzielt wird. Da die Antenne eine hohe Richtwirkung aufweist, wird die Antenne vorwiegend für ortsfeste Stationen verwendet.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu lösen und eine Antenne bereitzustellen, die eine Erhöhung der Wicklungszahl einer Spule ohne Eintreten eines Abfalls der Resonanzfrequenz ermöglicht und die eine hohe Spannungsempfindlichkeit aufweist und die über einen breiten Frequenzbereich angewendet werden kann.
Dieses Ziel wird durch die charakterisierenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen gezeigt.
Das erste Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass magnetischer Fluss hoher Frequenz in einen winzig kleinen Bereich gebündelt wird, indem magnetischer Fluss durch Verwendung des Wirbelstromeffekts einer Leiterplatte spezifischer Geometrie gebündelt wird. Das zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Detektionsspule mit mehreren Wicklungen, die eine kleine Fläche hat und eine hohe Resonanzfrequenz aufweist, den gebündelten magnetischen Fluss in Spannung umwandelt. Die vorliegende Erfindung verkörpert eine Antenne hoher Empfangsemp findlichkeit in einem Hochfrequenzbereich durch Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtungen.
Wie aus Veröffentlichungen (K. Bessho et al. „A High Magnetic Field Generator based on the Eddy Current Effect" (Generator eines starken Magnetfeldes auf der Grundlage des Wirbelstromeffekts – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.), IEEE Transactions on Magnetic, Bd. 22, Nr. 5, S. 970–972, Juli 1986, und K. Bessho et al. "Analysis of a Novel Laminated Coil Using Eddy Currents for AC High Magnetic Field" (Analyse einer neuartigen Schichtspule unter Verwendung von Wirbelströmen für starke AC-Magnetfelder – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.), IEEE Transactions on Magnetic, Bd. 25, Nr. 4, S. 2855 – 2857, Juli 1989) hervorgeht, wurde bislang eine Magnetfluss-Bündelungseinrichtung, die aus einem Leiter besteht, bei niedrigen Frequenzen um eine Werbefrequenz (50 Hz oder 60 Hz) herum verwendet. Die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung wird vorwiegend für elektrische Geräte, wie zum Beispiel eine elektromagnetische Pumpe, angewendet.
Die in den Veröffentlichungen beschriebene Magnetfluss-Bündelungseinrichtung wird hergestellt, indem ein kleiner Ausschnitt in einer Leiterscheibe, in deren Mitte ein Loch ausgebildet ist, so ausgebildet wird, dass er sich von dem Loch zu einem Außenumfang der Scheibe hin erstreckt. Wechselnder magnetischer Fluss, der sich in der Richtung senkrecht zu der Scheibenfläche durch die Wirkung eines Wirbelstromes entwickelt, wird in das Loch gebündelt.
Die Veröffentlichungen beschreiben das Bündeln von wechselndem magnetischem Fluss durch eine Magnetisierungsspule. Die Veröffentlichungen machen keine Aussagen zur Bündelung einer in einer elektromagnetischen Welle beinhalteten Magnetfluss-Komponente.
Die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist grundlegend identisch im Betrieb mit der in den Veröffentlichungen beschriebenen Leiterplatte. Die erfindungsgemäße Magnetfluss-Bündelungseinrichtung unterscheidet sich jedoch von der in den Veröffentlichungen beschriebenen Leiterplatte dahingehend, dass die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung in einem Hochfrequenzbereich von Hunderten von kHz bis GHz verwendet wird.
Der Betrieb der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung unter Verwendung der Leiterplatte wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben werden. 1 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt die Erscheinung der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1, und 2 ist eine Schnittdarstellung der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung und zeigt den Fluss von alternierendem magnetischem Fluss.
Die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 wird gebildet, indem ein Loch 3 in der Mitte einer quadratischen Leiterplatte 2 ausgebildet wird und indem ein Ausschnitt 4 ausgebildet wird, so dass sich dieser von dem Loch 3 zu dem Umfang der Leiterplatte 2 erstreckt.
Wenn die Leiterplatte 2 in einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der sich das elektromagnetische Feld ausbreitet (in den Figuren durch Pfeile angedeutet), angeordnet ist, entwickelt sich ein Wirbelstrom 5 in dem Umfang der Leiterplatte 2, wie in 1 gezeigt wird. Der Wirbelstrom 5 wirkt so auf das elektromagnetische Feld ein, dass das elektromagnetische Feld gehindert wird, in die Leiterplatte 2 einzutreten. In diesem Fall und da das Loch 3 und der Ausschnitt 4 in der Leiterplatte 2 ausgebildet werden, fließt der Wirbelstrom 5 um das Loch 3 und den Ausschnitt 4 herum in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, in der der Wirbelstrom 5 entlang des Umfanges fließt. Somit bündelt der Wirbelstrom 5 den magnetischen Fluss Φ.
Aus dem in 2 gezeigten Fluss des alternierenden magnetischen Flusses Φ ist zu erkennen, dass der magnetische Fluss in eine Fläche, die im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des in der Leiterplatte 2 ausgebildeten Loches 3 ist, gebündelt wird.
Wenn eine Spule, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der des Loches 3, so angeordnet wird, dass sie mit der Mitte des Loches 3 ausgerichtet ist, kann der gebündelte magnetische Fluss in Spannung umgewandelt werden. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Induktivität L einer Spule proportional zu dem Quadrat der Wicklungszahl der Spule und der Fläche der Spule ist. Weiterhin ist die Streukapazität, die zwischen den Leitungen einer Spule vorliegt, im Wesentlichen proportional zu der Länge eines Drahtes der Spule. Somit kann die Kapazität verringert werden, indem der Durchmesser der Spule verringert wird.
Die Fläche der Spule kann durch Verwendung der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 reduziert werden. Aufgrund der vorstehenden Gründe können Reduzierung der Induktivität und Kapazität der Spule und Erhöhung der Resonanzfrequenz der Spule erreicht werden, ohne dass die Wicklungszahl reduziert werden muss. Wenn die Fläche der Spule verringert wird, kann die gleiche Resonanzfrequenz auch dann erzielt werden, wenn die Wicklungszahl der Spule erhöht wird. Dementsprechend kann eine größere Empfangsspannung für eine gegebene elektromagnetische Feldintensität erzielt werden.
Die obenstehenden Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine ausführliche Beschreibung bevorzugter beispielhafter Ausführungsbeispiele derselben unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei die Verweisziffern in den Ansichten jeweils gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte zur Beschreibung des Wirkungsprinzips der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Magnetfluss-Bündelung.
2 ist eine Schnittdarstellung der Leiterplatte aus 1.
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung und zeigt eine Antenne gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Schnittdarstellung einer Antenne aus 3.
5 ist eine Veranschaulichung einer äquivalenten Schaltung einer Magnetfluss-Bündelungseinrichtung und einer Spule, die in der Antenne aus 3 verwendet wird.
6A und 6B sind Draufsichten und zeigen eine Magnetfluss-Bündelungseinrichtung einer Antenne gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt eine äquivalente Schaltung einer Antenne gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
Zuerst wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Antenne umfasst eine Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1, einen IC-Chip 10 und eine Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20. Die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 wird hergestellt, indem ein Loch 3 im Wesentlichen in der Mitte einer quadratischen Leiterplatte 2 und eine Aussparung 4 so ausgebildet werden, dass sie sich von dem Loch 3 zu einem peripheren Abschnitt der Leiterplatte 2 erstrecken. Der Radius des Loches 3 wird auf einen Wert eingestellt, der ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge einer zugrundeliegenden elektromagnetischen Welle. Ein wandähnlicher stehender Leiter 8 ist orthogonal an die Leiterplatte 2 entlang des Umfanges derselben, an das Loch 3 und die Aussparung 4 gekoppelt. Der stehende Leiter 8 wird in dem Abschnitt der Leiterplatte 2 bereitgestellt, durch den ein Wirbelstrom intensiv fließt, um die Fläche zu vergrößern, in der der Wirbelstrom fließt.
Der IC-Chip 10 wird aus einem integrierten Halbleiterschaltkreis mit einem Verstärker hergestellt, und eine Spule 11 wird in einer Mitte einer oberen Stirnseite des IC-Chips 10 hergestellt. Der IC-Chip 10 ist so angeordnet, dass die Spule 11 mit dem Loch 3 der Leiterplatte 2 ausgerichtet ist. Der IC-Chip 10 ist enganliegend mit der Unterseite der Leiterplatte 2, zum Beispiel über eine dielektrische Schicht, verbunden.
Die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 wird hergestellt, indem ein Schlitz 22 im Wesentlichen in der Mitte einer Leiterplatte 21 hinreichend größer als die Leiterplatte 2 ausgebildet wird. Ein wandähnlicher stehender Leiter 23 ist orthogonal mit einer obe ren Stirnseite der Leiterplatte 21 entlang einer Peripherie eines Schlitzes 22, durch den ein Wirbelstrom intensiv fließt, gekoppelt. Der stehende Leiter 23 wird zur Erhöhung der Fläche, in der der Wirbelstrom fließt, bereitgestellt.
Die Außenmaße der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1, das heißt das Außenmaß des stehenden Leiters 8, und das Innenmaß des Schlitzes 22 der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20, werden auf einen Wert eingestellt, der etwa ein halb der Wellenlänge einer zugrundeliegenden elektromagnetischen Welle beträgt. Der Außenumfang der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und des Innenumfangs des Schlitzes 22 werden im Wesentlichen in dem gleichen Quadrat ausgebildet. Die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 wird isoliert auf der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 gestapelt. Das obenstehende Beispiel beschreibt einen Fall, bei dem die Leiterplatte 2 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und der Schlitz 22 der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 in einem Quadrat ausgebildet werden. Die einzige Anforderung besteht darin, dass wenigstens eine Seite der Leiterplatte 2 und eine Seite des Schlitzes 22 nicht auf ein Quadrat begrenzt sind. Insbesondere kann die Geometrie der Leiterplatte 2 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und die des Schlitzes 22 der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 willkürlich gemäß der Art von polarisierter Welle eingestellt werden. Weiterhin wird, auch wenn ein Supraleiter für die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 verwendet wird, das gleiche Ergebnis erzielt werden, wie es bei Verwendung eines herkömmlichen Leiters erzielt wird.
Der Betrieb der Antenne gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nunmehr beschrieben.
Der Betrieb der gesamten Antenne wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, die eine Schnittdarstellung von 3 ist. In 4 wird die Richtung, in der ein externer alternierender magnetischer Fluss Φ bewegt wird, verkehrt herum in Bezug auf die Darstellung in den 1 und 2 gezeigt.
Wenn eine als gleichförmig gewertete elektromagnetische Welle an der Antenne angekommen ist, bündelt die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 zuerst die elektromagnetische Welle. Die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das einer entsprechenden Schlitzantenne. Ein elektromagnetisches Feld wird durch einen Wirbelstrom, der um den Schlitz, dessen Größe ein halb der Wellenlänge der zugrundeliegenden elektromagnetischen Welle beträgt, herum fließt, in den Schlitz 22 gebündelt. Der stehende Leiter 23 um den Schlitz 22 herum wird bereitgestellt, um elektrischen Widerstand gegen den Wirbelstrom zu reduzieren. Der stehende Leiter 23 arbeitet auf die gleiche Weise wie der stehende Leiter 8, der in der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 bereitgestellt wird.
Die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 bündelt magnetischen Fluss in einen Bereich des Loches 3, der einen hinreichend kleineren Durchmesser hat als die Wellenlänge der zugrundeliegenden elektromagnetischen Welle, die von der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 empfangen wird, und zwar unabhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle. Der Betrieb der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 ist wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
In der vorliegenden Erfindung wird der stehende Leiter 8 auf der Leiterplatte 2 bereitgestellt, um einen in der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 fließenden Wirbelstrom zu erhöhen. Der Betrieb des stehenden Leiters 8 wird nunmehr beschrieben.
Wenn sich die Frequenz eines Wirbelstroms erhöht, wird der Wirbelstrom wegen des Hauteffektes (der Stromverdrängung) an dem Rand der Leiterplatte 2 konzentriert. Die Konzentrationsbreite des Wirbelstroms wird als die Eindringtiefe „s" bezeichnet und durch die folgende Gleichung (1) definiert.
wobei p den spezifischen Widerstand einer Leiterplatte bezeichnet, ω die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet und μ die Permeabilität der Leiterplatte bezeichnet.
Die Permeabilität μ eines nichtmagnetischen Leiters ist im Wesentlichen gleich der Permeabilität eines Vakuums, das heißt ein Wert von 4π × 10^–7 [H/m]. In dem Fall, in dem Kupfer als Material der Leiterplatte verwendet wird, ist die Leitfähigkeit p gleich 1,6 × 10^–8 [Ωm]. Ausgehend von diesen Werten nimmt die Eindringtiefe „s" bei 100 MHz einen Wert von etwa 6,4 μm an.
Wenn die Länge der gesamten Wirbelstrom-Strömungslinie mit L_ed und die Dicke der Leiterplatte 2 mit T angenommen werden, wird der elektrische Widerstand R_ed der Leiterplatte 2 gegen den Wirbelstrom durch die folgende Gleichung (2) definiert.
wobei p den spezifischen Widerstand des Leiterwerkstoffes bezeichnet. Wenn Kupfer als das Material eines Leiters verwendet wird, nimmt der spezifische Widerstand p einen Wert von 1,6 × 10^–8 [Ω m] an.
Insbesondere ist der Widerstand R_ed der Leiterplatte 2 umgekehrt proportional zu der Eindringtiefe „s" und der Dicke der Leiterplatte. Bei Betrachtung eines Falles, bei dem die Winkelgeschwindigkeit (Frequenz) ω und der spezifische Widerstand p der Leiterplatte 2 durch die Variablen definiert werden, wird die Eindringtiefe „s" zu einem feststehenden Wert. Die Länge L_ed der Wirbelstrom-Strömungslinie wird so definiert, dass sie im Wesentlichen proportional zu der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle wird (das heißt der Reziprokwert einer Frequenz). Somit ist offensichtlich, dass die Länge L_ed nicht sehr reduziert werden kann. Im Gegensatz dazu weist die Dicke T der Leiterplatte 2 einen breiten Auswahlbereich auf. Dementsprechend kann der Widerstand R_ed der Leiterplatte 2 reduziert werden, indem die Dicke T der Leiterplatte 2 erhöht wird. Die Reduzierung des Widerstandes R_ed kann erzielt werden, indem die Dicke nur eines Bereiches der Leiterplatte 2, in dem ein Wirbelstrom fließt, erhöht wird. Somit ist offensichtlich, dass die Geometrie des stehenden Leiters 8, der nur entlang der Peripherie der Leiterplatte 2 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 ausgebildet wird, und die Geometrie des stehenden Leiters 23, der nur entlang der Peripherie des Schlitzes 22 der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 ausgebildet wird, vorzuziehen sind.
Wünschenswerterweise ist die Dicke des stehenden Leiters 8 oder die des stehenden Leiters 23 größer als die Eindringtiefe „s". Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, beträgt die Dicke des stehenden Leiters 8 und 23 vorzugsweise mehrere Mikrometer. Somit können die stehenden Leiter 8 und 23 durch Verwendung eines Verfahrens, wie zum Beispiel elektrische Abscheidung oder stromlose Abscheidung, ausgeführt werden. Zum Beispiel wird ein leitfähiges Material, wie zum Beispiel Kupfer, auf einer Innenfläche ei ner Negativform, die zum Beispiel aus einem organischen Material ausgebildet ist, durch Abscheidung abgeschieden werden. Im Ergebnis dessen können die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20, die eine komplizierte Geometrie wie die in 3 gezeigte aufweisen, zu niedrigeren Kosten hergestellt werden.
Die Anwendung des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens ermöglicht die Einstellung des Durchmessers des Loches 3, das in der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 ausgebildet ist, auf einen Wert von 1 mm oder weniger. Weiterhin werden das Maß der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und das Maß der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 kleiner in einem höheren Frequenzbereich, so dass eine kleinere Negativform erforderlich ist. Wenn die Antenne auf eine elektromagnetische Welle von beispielsweise 30 GHz angewandt wird, nimmt eine Seite der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 eine Größe von 5 mm an, und das Loch 3 muss so fertigbearbeitet werden, dass es eine Größe von Zehntel Mikrometer bis Hundertstel Mikrometer annimmt. In diesem Fall wird das Ziel erreicht, indem ein photolithographisches Verfahren zur Fertigbearbeitung des Loches 3 durch Anwendung einer lichtempfindlichen Kunststofffolie für die Herstellung der gedruckten Verdrahtungsplatte angewendet wird.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird der stehende Leiter 8 auf der Leiterplatte 2 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 bereitgestellt, und der stehende Leiter 23 wird auf der Leiterplatte 21 der Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 bereitgestellt. Infolgedessen kann ein Strom von Wirbelstrom in die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 erhöht werden, wodurch der Bündelungseffekt verstärkt werden kann.
Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, wird der magnetische Fluss Φ in das Loch 3 gebündelt, das in der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 ausgebildet ist. Der wie beschrieben gebündelte magnetische Fluss geht durch die Spule 11 hindurch, wobei eine Spannung über die Anschlussklemmen der Spule 11 erzeugt wird. Es ist offensichtlich, dass die Ausbildung der Spulen 11 auf einer integrierten Halbleiterschaltung zu den folgenden beiden Vorteilen führt.
Der erste Vorteil besteht darin, dass die Spule 11 klein gestattet werden kann. Wie hinlänglich bekannt ist, kann eine Verbindung mit einer Breite von 1 μm oder weniger problemlos auf einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet werden kann.
Der zweite Vorteil besteht dass, dass elektrische Verbindung zwischen Anschlussklemmen der Spule 11 und einem Stromkreis, wie zum Beispiel einem Verstärkungskreis oder einer Gleichrichterschaltung, im Rahmen der Prozesse zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung hergestellt werden kann. Wenn die Spule 11 und die Stromkreise separat ausgebildet werden, besteht die Notwendigkeit der Nutzung eines Anschlussfeldes, dessen eine Seite wenigstens 100 μm oder mehr ist, um die Spute 11 elektrisch mit den elektronischen Kreisen zu verbinden. In diesem Fall tritt elektrostatische Streukapazität in dem Anschlussfeld auf, wodurch sich ein nachteiliger Einfluss der Reduzierung der Resonanzfrequenz der Spule 11 ergibt. Dementsprechend vermeidet die Herstellung der Spule 11 auf einer integrierten Halbleiterschaltung die Arbeitsschritte, die zur Herstellung der elektrischen Verbindung erforderlich sind. Es ergibt sich der Vorteil, dass die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen Hochfrequenzbereich angewendet werden kann.
Als nächstes wird der elektrische Betrieb unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
5 zeigt eine äquivalente Schaltung der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und der Spule 11. Eine Schleife A und eine Schleife B entsprechen einem Wirbelstrom-Strömungsweg der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1. Insbesondere entspricht die Schleife A dem Außenumfang der Leiterplatte 2 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1, und die Schleife B entspricht dem Loch 3, das in der Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Wie aus 4 zu ersehen ist, sind die Schleife B und die Spule 11 magnetisch miteinander gekoppelt. Es ist offensichtlich, dass die Schleife B und die Spule 11 auf eine Art und Weise gleich der eines Transformators arbeiten. Unter der Bedingung, dass die Schleife B, die als Primärwicklung dient, eine Wicklung hat und dass die Spule 11 N Wicklungen hat, wird die Spannung, die sich über die Spule 11 entwickelt, N Mal der der Schleife B. Wenn dementsprechend eine große Zahl für die Entwicklungszahl N der Spule 11 ausgewählt wird, kann die Empfindlichkeit der Antenne erhöht werden.
Die Wicklungszahl N kann nicht unbegrenzt erhöht werden, da die Resonanzfrequenz f_c (festgelegt durch die Induktivität L der Spule 11, durch die Kapazität C der Spule 11 und durch die Kapazität C der elektrostatischen Streukapazität 31 eines Stromkreises einschließlich der Spule 11) größer sein muss als eine Frequenz f_r, die von der Antenne empfangen werden soll. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Induktivität L der Spule 11 proportional zu dem Produkt des Quadrates der Wicklungszahl N der Spule und der Innenfläche der Spule ist. Von der Kapazität C der elektrostatischen Streukapazität 31 ist die Leitungskapazität der Spule 11 im Wesentlichen proportional zu dem Produkt aus der Leitungslänge der Spule und (N – 1)/N. Wenn die Wicklungszahl hinreichend größer als 1 ist, ist die Leitungskapazität etwa proportional zu der Leitungslänge der Spule. Wie in den 3 und 4 gezeigt wird, ist die elektrostatische Streukapazität 31 zwischen der Spule 11 und der Leiterplatte 2, wenn die Spule 11 sehr nahe an der Oberfläche der Leiterplatte 2 ausgebildet wird, proportional zu der Leitungslänge der Spule 11. Dementsprechend wird analog dazu angenommen, dass die Gesamtkapazität C der elektrostatischen Streukapazität 31 proportional zu der Länge der Leitung ist. Unter Bezugnahme auf 5 bezeichnet die Verweisziffer 32 Lastwiderstand, wie zum Beispiel Eingangsimpedanz eines Verstärkungskreises.
Wenn die Spule 11 eine kreisförmige Form mit einem Radius „r" annimmt, ist die Fläche der Spule 11 proportional zu „r²". Weiterhin ist die Leitungslänge der Spule proportional zu „N – r". Insbesondere ist die Induktivität L der Spule 11 proportional zu (N – r)². Weiterhin ist die Kapazität C der elektrostatischen Streukapazität 31 proportional zu „N – r". Dementsprechend, und wie durch die Gleichung (3) ausgedrückt wird, ist die Resonanzfrequenz f_c umgekehrt proportional zu (N – r)^3/2. Das Ergebnis zeigt, dass der Radius „r" der Spule 11 kleiner gehalten werden muss, um die Resonanzfrequenz f_c der Spule 11 zu erhöhen, die eine große Wicklungszahl N aufweist.
wobei k₁ und k₂ Koeffizienten bezeichnen, N die Wicklungszahl einer Spule bezeichnet, und „r" den Radius der Spule bezeichnet.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird bei der erfindungsgemäßen Antenne der Radius des Loches 3 der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 so ausge wählt, dass er wesentlich kleiner wird als die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle. Somit kann die Wicklungszahl N der Spule 11 erhöht werden, ohne dass ein Abfall der Resonanzfrequenz f_c der Spule 11 auftritt.
Wenngleich das erste Ausführungsbeispiel die Antenne beschrieben hat, auf die die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1, die aus einer elektrisch durchgängigen Einzelleiterplatte 2 besteht, angewendet wird, ist das wesentliche Prinzip der vorliegenden Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie in 6 gezeigt wird, ist offensichtlich, dass eine elektrisch geteilte Leiterplatte 2 verwendet werden kann.
6A zeigt, dass zwei Leiterplatten 2' symmetrisch angeordnet sind, wobei eine jede Leiterplatte 2' eine halbe Wellenlänge × eine Viertel Wellenlänge misst. In diesem Fall wird ein äquivalentes Loch 3' ausgebildet, indem die Mitte der Seiten der beiden Leiterplatten 2' an der Stelle, an der sie aufeinander treffen, eingedrückt wird.
Wie in 6A gezeigt wird, fließt der Wirbelstrom 5 in den beiden Leiterplatten 2' in eine einzige Richtung. Der Bereich, in dem sich die Einbeulungen gegenüber stehen, fungiert als das äquivalente Loch 3'.
Wie aus einem Vergleich mit 1 ersichtlich wird, wird die Länge eines Kanals des Wirbelstroms 5 verkürzt. Somit besteht der Vorteil der Fähigkeit, den Widerstand R_ed gegen den Wirbelstrom 5 zu reduzieren. Wie weiterhin in 6B gezeigt wird, werden vier Leiterplatten 2', von denen jede eine Seite von einer Viertel Wellenlänge hat, bereitgestellt, wodurch ein Wirbelstrom-Strömungsweg weiter verkürzt wird. Somit kann der Widerstand R_e in weitaus größerem Maß verkleinert werden. In diesem Fall werden in der Mitte der vier Leiterplatten 2' befindliche Ecken nach innen eingedrückt, wodurch ein äquivalentes Loch 3' ausgebildet wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben werden. In dem dritten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Antennen wie in 7 gezeigt angeordnet. 7 ist eine äquivalente Schaltung und stellt einen Zustand dar, dass eine Vielzahl von Antennen miteinander verbunden sind.
Eine als Patch-Elektrode bezeichnete Plattenelektrode wird an einer Stelle entsprechend dem Schlitz 22 der in 3 gezeigten Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 platziert und stellt somit eine Antennengruppe dar. Eine Vielzahl von Antennengruppen werden in einer angeordneten Weise zum Beispiel zum Empfangen von Satellitenübertragungen verwendet. In diesem Fall können Patchelektroden-Spannungen der einzelnen Patchelektroden nicht zueinander addiert werden. Somit sind die Antennen jeweils parallel zueinander geschaltet, um große Leistung zu einer Last geringer Impedanz zu speisen.
Die Spule 11 der erfindungsgemäßen Antenne arbeitet unabhängig von einem Groundplane-Potential. Somit sind eine Vielzahl von Spulen 11 und 11' wie in 7 gezeigt in Reihe geschaltet, wodurch sich in den Spulen 11 und 11' entwickelnde Spannungen addiert werden können. Wenn die Spannungen addiert werden, besteht die Notwendigkeit, eine an einem Punkt, an dem die Spannungen der Spulen 11 und 11' addiert werden, vorliegende Phasenverzögerung zu eliminieren. Ein Verfahren besteht darin, die Länge eines Drahtes der Spule 11 an die eines Drahtes der Spule 11' an einem Punkt, an dem die Spannung der Spule 11 und die der Spule 11' addiert werden, anzupassen. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die beiden Spulen 11 und 11' wie in 7 gezeigt über eine Verzögerungsleitung zu verbinden. Nachdem die Phase einer Spannung um 360° in Bezug auf die Phase einer Ausgangsspannung von einer Spule, die durch die Verwendung der Verzögerungsleitung 33 keine Verzögerung hat, verschoben worden ist, werden die Spannungen der beiden Spulen addiert.
Die Geschwindigkeit der Signale, die sich in einer gedruckten Leiterplatte ausbreiten, ist etwas größer als die halbe Lichtgeschwindigkeit. Da die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 eine Größe einer halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle hat, kann das Ziel erreicht werden, indem die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und die Spule 11 über die gedruckte Leiterplatte so elektrisch miteinander verbunden werden, dass ein Abstand zwischen der Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 und der Spule 11 so eingestellt wird, dass er etwas größer ist als die Größe. Wenn die Wicklungsrichtung der Spule 11 entgegengesetzt zu der der Spule 11' ausgelegt wird, wird die Phase der Ausgangsspannung von der Spule 11 gleich 180° phasenverschoben zu der Phase der Ausgangsspannung von der Spule 11'. Somit kann eine Verzögerungslei tung zum Verschieben der Phase um lediglich 180° als die Verzögerungsleitung 33 angenommen werden.
Unter Beibehaltung eines Wellendirektors in einer handelsüblichen Yagi-Antenne für UHF-Band wurde eine Dipolantenne derselben durch die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt. Weiterhin wurde die Spule 11 mit zwei Wicklungen verwendet. Detektionsversuche wurden unter Verwendung der wie beschrieben modifizierten Antenne und einer handelsüblichen Yagi-Antenne durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die modifizierte Antenne eine Spannungsempfindlichkeit von 5,7 dB (das heißt 1,8 Mal so groß wie die einer handelsüblichen Yagi-Antenne) erreicht wurde. Die Dipolantenne einer Standard-Yagi-Antenne kann als Spule mit einer Wicklung angesehen werden. Es kann erkannt werden, dass die Empfindlichkeit im Wesentlichen proportional zu einer Erhöhung der Wicklungszahl der Spule erhöht worden ist.
Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Elektromagnetfluss-Bündelungseinrichtung 20 nicht auf die in 3 gezeigte Planarstruktur beschränkt ist, sondern als Wellendirektor, der in einer Standard-Yagi-Antenne verwendet wird, ausgeführt werden kann.
Selbst wenn der in 3 gezeigte IC-Chip als Stützteil einer einfachen Spule 11, die keine Verstärkungsfunktion hat, ausgeführt wird, ist offensichtlich, dass die Art und Weise der vorliegenden Erfindung dadurch nicht verändert wird.
In jüngster Vergangenheit wurde ein Versuch unternommen, Leistung in Form von Mikrowellen zu übertragen. Zu diesem Zweck kann der IC-Chip 10 offensichtlich durch einen Halbleiterchip ersetzt werden, der eine darin ausgebildete Gleichrichterdiode oder eine Gleichrichterdiodenbrücke aufweist.
Weiterhin kann der IC-Chip 10 durch einen Halbleiterchip ersetzt werden, der als Transponder bereitgestellt wird, der Leistung mit einer Leserantenne überträgt, während Modulation durchgeführt wird.
Wie in Bezug auf die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, wird eine elektromagnetische Weile durch eine Magnetfluss-Bündelungseinrichtung, die aus einer Leiterplatte besteht, gebündelt. Der somit gebündelte magnetische Fluss wird durch eine Spute in Spannung umgewandelt. Somit kann die Fläche der Spule verringert werden, und die Wicklungszahl der Spule kann erhöht werden, ohne dass ein Abfall in der Resonanzfrequenz auftritt. Somit kann eine Antenne hoher Spannungsempfindlichkeit ausgeführt werden. Magnetisches Material wird für die Magnetfluss-Bündelungseinrichtung nicht verwendet, und ein Wirbelstromeffekt eines Leiters, der in einem breiten Bereich von Frequenz auftritt, wird verwendet. Somit kann die Antenne auf einen Frequenzbereich von Hunderten kHz bis zu mehreren zehn GHz angewendet werden.

Claims

Antenne zum Übertragen einer elektromagnetischen Welle, die umfasst: eine erste Bündelungseinrichtung (1), die einen Leiter (2) enthält, der einen magnetischen Fluss (Φ) einer elektromagnetischen Welle bündelt; und einen Wandler (10), der den gebündelten magnetischen Fluss in Spannung umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgangsloch (3), in das der magnetische Fluss hinein gebündelt wird, in einem Mittelabschnitt des Leiters (2) ausgebildet ist; und ein Ausschnitt (4) so ausgebildet ist, dass er sich von einem Teil des Durchgangslochs zu einem Außenumfang des Leiters erstreckt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bündelungseinrichtung (1) eine Widerstandsverringerungseinrichtung (8) enthält, die an wenigstens einem Umfangsabschnitt des Leiters (2) vorhanden ist, um Widerstand gegen Strom zu verringern, der in dem Leiter (2) fließt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte aus einer Vielzahl von Teilplatten (2', 2'') zusammengesetzt ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (10) als eine Spule (11) vorhanden ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (10) eine Größe hat, die im Wesentlichen kleiner ist als eine Wellenlänge der elektromagnetischen Welle.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklungszahl der Spule zwei oder mehr beträgt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (10) auf einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet ist.
Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Bündelungseinrichtung (20), die der ersten Bündelungseinrichtung (1) zugewandt ist und die elektromagnetische Welle bündelt.
Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bündelungseinrichtung eine Leiterplatte (21) enthält, die einen Schlitz (22), der in einem Mittelabschnitt derselben ausgebildet ist, und einen aufrecht stehenden Leiter (23) aufweist, der entlang eines Außenumfangs des Schlitzes so ausgebildet ist, dass er sich in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung erstreckt, in der sich die Leiterplatte erstreckt.
Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz der zweiten Bündelungseinrichtung und der Außenumfang der Leiterplatte der ersten Bündelungseinrichtung jeweils einen linearen Abschnitt haben, dessen Abmessung im Wesentlichen eine Hälfte einer Wellenlänge der elektromagnetischen Welle beträgt.
Antennensystem, das umfasst: eine Vielzahl von Antennenelementen, die miteinander verbunden sind, wobei jedes Antennenelement wie in Anspruch 1 aufgeführt ausgebildet ist.
Antennensystem nach Anspruch 11, wobei die Antennenelemente so miteinander verbunden sind, dass von den entsprechenden Wandlern ausgegebene Spannungen addiert werden.