FELD DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Hochfrequenzleitungstechnik; sie betrifft einen Antennenkoppler zum Anschluss einer Hochfrequenzantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In vielen technischen Geräten, die einen Hochfrequenz-Sender oder -Empfänger enthalten und gleichzeitig galvanisch mit einer erdbezogenen Hochspannung (Netzspannung) beaufschlagt sind, soll eine Antenne über ein Koaxialkabel angeschlossen werden. Die entsprechende Antenne und das Koaxialkabel müssen galvanisch vom Gerät isoliert sein, da ansonsten bei Berührung Lebensgefahr besteht.

Das Problem wurde bisher beispielsweise durch zwei parallel angeordnete Dipol-Antennen im Gerät gelöst, bei denen durch die ungewollte radiale Abstrahlung jedoch eine hohe Durchgangsdämpfung von mindestens 6dB für das Nutzsignal entsteht. Die ausgekoppelte Leistung wurde in ein Koaxialkabel eingespeist, um an eine abgesetzte Antenne weitergeleitet zu werden.

Eine bekannte Entkopplung über Kondensatoren (US4987391 ) besitzt entweder eine kleine Spannungsfestigkeit (1 kV) oder eine hohe Durchgangsdämpfung, da für eine hohe Spannungsfestigkeit der Kondensatoren eine große Bauform Voraussetzung ist, was sich aufgrund hohen induktiven Blindwiderstands und unerwünschter Abstrahlung negativ auf die Dämpfung auswirkt.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Es ist aus dem Dokument US7545243 bekannt, dass sich Leitungsstrukturen zur galvanischen Entkopplung eignen. Ein Nachteil dieser bekannten Lösung liegt jedoch ebenfalls in der geringen Spannungsfestigkeit.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Antennenkoppler zum Anschluss einer Hochfrequenzantenne dahingehend weiter zu entwickeln, wobei die oben genannten Nachteile behoben werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.

Der erfindungsgemäße Antennenkoppler zur galvanischen Trennung der Antenne von dem Sender/Empfänger erzielt eine hohe Isolationsspannungsfestigkeit von bis zu 1 2kV Gleichspannung und Netz-Wechselspannung, zugleich aber auch eine ausserordentlich geringe Durchgangsdämpfung für das Hochfrequenz-Nutzsignal. Der erfindungsgemäße Antennenkoppler kann eine besonders geringe Durchgangsdämpfung innerhalb gewünschter Frequenzgrenzen erreichen, da die Koppelleitungen, also die erste und zweite Hochfrequenzleitung, mit besonders geringem Abstand voneinander in Tiefenrichtung der Mehrlagenleiterplatte angeordnet werden können. Es kann die üblicherweise verwendete Schichtdicke der Mehrlagenleiterplatte als Abstand zwischen den Koppelleitungen genutzt werden. Ein Abstand von beispielsweise 0,3 mm ist realisierbar.

Es wird eine große nutzbare Hochfrequenz-Bandbreite erreicht, die mehr als eine Oktave betragen kann, beispielsweise von 800 MHz bis 2200 MHz. Er kann durch Verwendung von Mehrlagenleiterplatten, beispielsweise 2-fach oder 4-fach Mehrlagenleiterplatten, kostengünstig hergestellt werden. Der Antennenkoppler wird also bevorzugt als Mehrlagenleiterplatte ausgeführt. Der Koppler wird aus zwei in geeigneter Art gekoppelten Hochfrequenzleitungen gebildet. Die geometrische Anordnung der Metallflächen (insbesondere Kupferflächen) der Hochfrequenzleitungen bildet den Koppler. Die Abstände zwischen den Kupferflächen sowie das elektrisch isolierende Trägermaterial der Mehrlagenleiterplatte sorgen für die notwendige Isolationsspannungsfestigkeit.

Vorliegend sind die Hochfrequenzleitungen zwei Koplanarleitungen, die in zwei verschiedene Lagen der Mehrlagenleiterplatte übereinander eingebettet sind. Diese Leitungen bestehen vorzugsweise je aus mindestens einer Streifenleitung für den Innenleiter und mindestens zwei Streifenleitungen für den Aussenleiter.

Diese zweimal drei Leiter sind in einer bevorzugten Ausführungsform im Abstand und in der Breite der Leitungen so gewählt, dass die resultierende Leitung einen Wellenwiderstand von 50 Ohm besitzt. Dies ermöglicht eine stossstellenfreie und damit verlustarme Weiterleitung der Hochfrequenzleistung vom Koaxialkabel zum Sender/Empfänger im Inneren des Gerätes.

Die Dicke des Dielektrikums (dielektrisches Material) ist vorzugsweise so gewählt, dass eine im jeweiligen Anwendungsfall benötigte Spannungsfestigkeit erreicht wird.

In bevorzugten Ausführungsformen halten die Anschlüsse der Koplanarleitungen an der Oberflache der Leiterplatte eine für die gewünschte Spannungsfestigkeit benötigte Kriechstromstrecke ein. Zu diesem Zweck ist in einem Ausführungsbeispiel die in der inneren Lage der Leiterplatte befindliche (typischerweise antennenseitige) Koplanarleitung über die Koppelzone hinaus mit veränderter Geometrie, also z.B. veränderter Leiterbreite und/oder Leiterabstände verlängert, bevor eine Kontaktierung zur Oberfläche hergestellt wird. Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Antennenkopplers ist als einseitig geschirmte Koppelstruktur ausgebildet. Die geräteseitige Koplanarleitung ist durch eine mit Leiterplatten-Durchkontaktierungen verbundene zusätzliche Schirmfläche ergänzt. Die Schirmfläche ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie zusammen mit den Streifen leitern der geräteseitigen Koplanarleitung die Koaxialleitung, also antennenseitige Koplanarleitung teilweise ummantelt. Auf diese Weise ist zumindest die Schirmseite weniger sensibel gegen eine Beeinflussung durch Metaliteile im Inneren des Gerätes.

Zur Erzielung einer hohen Spannungsfestigkeit eignet sich als isolierendes Trägermaterial der Mehrlagenleiterplatte beispielsweise das bekannte Material FR-4, ein glasfaserverstärktes, epoxid-basiertes Material, welches eine Spannungsfestigkeit von mehr als 30kV/mm aufweist.

Es ist für ausreichend große Kriechstromstrecken an der Oberfläche der Leiterplatte zwischen den galvanisch isolierten Teilen zu sorgen. Für eine Spannungsfestigkeit von 1 2kV wird beispielsweise eine Kriechstromstrecke von etwas mehr als 10mm benötigt.

Der erfindungsgemässe Antennenkoppler wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Nur ein Ausschnitt des Antennenkopplers, nämlich der Kopplungsbereich in der der Mehrlagenleiterplatte ist jeweils dargestellt.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren ist folgende Farbkodierung der dargestellten Strukturelemente verwendet: Hellblau: Luft

Orangerot und gelbgrün: Metallflächen von Streifenleitungen. Dunkelblaue und dunkelgrüne Abschnitte an Enden von Streifenleitungen (Mittelleitern) sind wie orangerote Abschnitte zu lesen, also als integrale Bestandteile der jeweiligen Streifenleitung zu verstehen, und haben an diesen Strukturelementen trotz ihrer anderen Farbgebung keine von einer orangeroten bzw. gelbgrünen Farbgebung abweichende Bedeutung.

Dunkelgrün: Dielektrische Schichtisolation

Hellgrün: Deckelisolation oder Kemschicht (Core) der Mehrlagenleiterplatte. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Antennenkopplers mit zwei von einander durch eine Schichtisolation beabstandete und isolierte Koplanarleitungen auf einer Seite einer Leiterplattenkernschicht und mit einer elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur, die sich zum Teil auf der gegenüberliegenden anderen der beiden Seiten der Leiterplattenkernschicht erstreckt und die ausgebildet ist, die erste Hochfrequenzleitung und geräteseitige Metallteile, die nicht Teil des Antennenkopplers sind, gegen eine Wechselwirkung bei der Leitung von Hochfrequenzsignalen abzuschirmen; vergrößerte perspektivische Ansicht eines geräteseitigen Endabschnitts des Antennenkopplers gemäss Fig. 1 ; vergrößerte perspektivische Ansicht des gegenüberliegenden antennenseitigen Endabschnitts des Antennenkopplers gemäss Fig. 1 ; Fig. 4 Schnittansicht des eingangsseitigen Abschnitts -dargestellt: yz-Ebene- des

Antennenkopplers; und eine

Fig. 5 weitere Schnittansicht -dargestellt: xz-Ebene- des Antennenkopplers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemässen Antennenkoppler 1 mit zwei von einander durch eine Schichtisolation 1 3 beabstandete und isolierte Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b. Da die eine erste Koplanarleitung 3a, 3b von der zweiten Koplanarleitung 4a, 4b in dieser Darstellung konsequenterweise verdeckt wird, ist Fig. 4 für die Anordnung beider Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b zueinander zur Hilfe zu nehmen.

Die Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b sind auf einer Seite einer Leiterplattenkernschicht 6 angeordnet und mit einer elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur 5 abgeschirmt, wobei sich diese Abschirmstruktur 5 zum Teil auf der gegenüberliegenden anderen der beiden Seiten der Leiterplattenkernschicht 6 erstreckt und so ausgebildet ist, dass die erste Hochfrequenzleitung 3a, 3b und hier nicht dargestellte, geräteseitige Metallteile, die nicht Teil des Antennenkopplers sind, bei der Leitung von Hochfrequenzsignalen nicht in Wechselwirkung treten.

In Fig. 1 sind in y-Richtung des dargestellten Koordinatensystems beide Koplanarleitungen 3a. 3b, 4a, 4b jeweils in der Abfolge Aussenleiter 3b, 4b- Innenleiter 3a, 4a- Aussenleiter 3b, 4b angeordnet. In z-Richtung des Koordinatensystems folgen aufeinander eine Metallfläche bzw. Schirmfläche 9 - eine Zwischenschicht aus dielektrischem Material 8 - antennenseitige, (erste) Koplanarleitung 3a, 3b - Schichtisolation 1 3 - geräteseitige (zweite) Koplanarleitung 4a, 4b. Die Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b verlaufen in der Mehrlagenleiterplatte (2) in Längsrichtung x zueinander parallel; abgesehen von kurzen antennenseitigen und geräteseitigen Längsabschnitten (Streifenleitungen 10a, 10b, I I a, I I b) überdecken sich die Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b in Längsrichtung vollständig und sie überdecken sich in ihrer zur Längsrichtung x senkrecht stehenden Querrichtung y vollständig.

Als Beispielmasse für die hier dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemässen Antennenkopplers sind die folgenden Werte hilfreich, wobei die hier angegebenen Werte der Breite in y-Richtung zu betrachten sind, die Längenwerte in x-Richtung und die Dickenwerte in z-Richtung:

- Breite Innenleiter 3a, 4a: 3mm

- Breite Aussenleiter 3b, 4b: 2mm

- Länge Koplanarleitungen 3a, 3b, 4a, 4b: 25mm

- Dicke Schichtisolation 1 3: 0,3mm

- relative Dielektrizitätszahl der Schichtisolation 1 3: ε _Γ =4,5

- seitlicher Abstand Innenleitern 3a, 4a und Aussenleitern 3b, 4b: 1 ,2mm

In Fig. 1 sind ebenfalls Streifenleitungen 10a, 10b sichtbar, die in Längsrichtung x der ersten Koplanarleitung bzw. der ersten Hochfrequenzleitung 3a, 3b über die zweite Koplanarleitung bzw. zweite Hochfrequenzleitung 4a, 4b zwecks Anschlusses an eine hier nicht dargestellte Koaxialleitung zu einer Antenne hinausragen; in der folgenden Zusammenschau mit Fig. 3 wird dieser Sachverhalt noch deutlicher.

Mit 7 ist in Fig.1 Luft als das den Antennenkoppler 1 umgebende Medium dargestellt; neben isolierenden Eigenschaften weist die Luft keine weitere Funktion auf.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines geräteseitigen Endabschnitts des Antennenkopplers gemäss Fig. 1. Hier wird deutlich, dass die zweite Hochfrequenzleitung 4a, 4b mit Streifenleitungen I I a, 1 l b in x-Richtung über die erste Hochfrequenzleitung 3a, 3b zwecks Anschlusses an ein hier nicht näher gezeigtes Gerät hinausragt.

Wie bereits zur Fig. 1 andeutet, zeigt Fig. 3 in einer vergrösserten perspektivischen Darstellung den antennenseitigen Endabschnitt des Antennenkopplers mit den Streifenleitungen 10a, 10b zu der ersten Hochfrequenzleitung 3a, 3b.

In der Fig. 4 ist in einer Schnittansicht zur yz-Ebene sichtbar dargestellt, wie die zweite Hochfrequenzleitung 4a, 4b mit ihrem Aussenleiter 4b, jedoch nicht mit ihrem Innenleiter 4a, elektrisch leitfähig durch die Leiterplattenkernschicht 6 hindurch mit der Metallfläche 9 auf der gegenüberliegenden anderen der beiden Seiten der Leiterplattenkernschicht 6 zwecks Schirmung verbunden ist. Eine weitere Schnittdarstellung zeigt in Fig. 5 die xz-Ebene des Antennenkopplers. Hierbei wird deutlich, dass eine Vielzahl von Verbindungen bzw. Leiterplatten-Durchkontaktierungen 1 2 den Aussenleiter 4b mit der Metallfläche 9 auf gleichem Potential halten.

Selbstverständlich ist die hier vorgestellte Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt; ohne den Erfmdungsgedanken zu verlassen, ist beispielsweise die zweite Hochfrequenzleitung 4a, 4b selbstverständlich auch antennenseitig koppelbar, während die erste Hochfrequenzleitung 3a, 3b geräteseitig koppelbar sein kann.

Bezugszeichenliste

1 Antennenkoppler

2 Mehrlagenleiterplatte

3a, 3b erste Hochfrequenzleitung mit Innenleiter und Aussenleiter, erste Koplanarleitung

4a, 4b zweite Hochfrequenzleitung mit Innenleiter und Aussenleiter zweite Koplanarleitung

5 Abschirmstruktur

6 Leiterplattenkernschicht

7 Luft

8 dielektrisches Material

9 Metallfläche, Schirmfläche

10a, 10b Steifenleitung zu 3a, 3b

I I a, I I b Streifenleitung zu 4a, 4b

1 2 Verbindung, Leiterplatten-Durchkontaktierungen

1 3 Schichtisolation