Die Erfindung betrifft pixelierte Antennen, welche von einer Materialschicht, insbesondere Betonschicht, umgeben sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser pixelierten Antennen mithilfe eines evolutionären Algorithmus.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Korrosionsschäden sind ein ernstes Problem für die Infrastruktur und ein immenser Kostenfaktor für die öffentliche Hand, mit geschätzten weltweiten Kosten von 2,5 Billionen US-Dollar im Jahr 2013. Das Fehlen von Korrosionsschutzstrategien kann nicht nur Folgekosten durch Ausfälle, sondern auch schwere Unfälle verursachen. Dies führt zu einer Bedrohung der öffentlichen Sicherheit, wie der Einsturz der Ponte-Morandi-Brücke im Jahr 2018 gezeigt hat, der 43 Menschenleben forderte. Als Hauptursache für diesen Unfall werden korrodierte Stahlbewehrungen vermutet. Die Korrosion von Stahlbewehrungen ist auch der Hauptgrund für das Versagen anderer Stahlbetonkonstruktionen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass ein richtiges Korrosionsmanagement zu Kosteneinsparungen von bis zu 35% führen könnte. Um solche Tragödien wie oben erwähnt zu verhindern, ist ein effizientes Korrosionsmonitoring und -management unabdingbar und sehr gefragt. Daher ist es natürlich wünschenswert, einen möglichst guten Einblick in das Gebäude zu bekommen, indem wichtige Parameter wie Feuchtigkeit und Chlorid-Ionen Konzentration beobachtet werden.

Um ein zerstörungsfreies Messverfahren einsetzen zu können, muss eine drahtlose Sensorik ermöglicht werden. Eine große Herausforderung bei Betongebäuden ist, dass sie über Jahrzehnte überwacht werden müssen, was den Einsatz von eingebetteten, batteriebasierten Lösungen unbrauchbar macht. Technologien wie die passive Hochfrequenz (HF) Radiofrequenz-Identifikation (RFID) können diesen Nachteil jedoch umgehen. Sie sind zwar in der Lage, Daten und Energie an in Beton eingebettete Sensoren zu übertragen, ihre Kommunikationsreichweite ist jedoch aufgrund des induktionsbasierten Arbeitsprinzips typischerweise sehr begrenzt. Im Gegensatz dazu arbeitet Ultra High Frequency (UHF) RFID mit einer höheren Frequenz und basiert auf der Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit Antennen. Dadurch sind höhere Kommunikationsdistanzen möglich. Allerdings werden die sich ausbreitenden Wellen beim Durchqueren von leitfähigen Materialien stark abgeschwächt. Außerdem treten zusätzliche Reflexionen am Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Materialien auf. Es hat sich gezeigt, dass bei Einbautiefen im Beton von wenigen Zentimetern die Verluste durch Reflexionen an der Grenzfläche dominieren. Außerdem nehmen die Reflexionsverluste zu niedrigeren Frequenzen hin deutlich zu. Dies macht UHF-RFID, das im Bereich von 860-960 MHz arbeitet, zu einer optimalen Wahl.

Für jede drahtlose Daten- oder Energieübertragung ist eine geeignete Antenne notwendig. Für den Betrieb im Inneren eines beliebigen Materials muss die Antenne an die Eigenschaften der näheren Umgebung angepasst werden. Relevante Materialeigenschaften von Beton wie Leitfähigkeit und Primitivität sind jedoch stark von der speziellen Art des Betons und seinem Feuchtigkeitsgehalt abhängig. Darüber hinaus ändern sich die Umgebungsbedingungen des Betons im Laufe des Jahres, was unweigerlich zu der Schlussfolgerung führt, dass eine für UHF-RFID ausgelegte Antenne unter allen Umständen einsatzfähig sein muss. Der weite Bereich der dielektrischen Eigenschaften von Beton macht es äußerst schwierig, eine Antenne zu entwerfen, die für den zuverlässigen Betrieb im Beton geeignet ist.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz ist eine luftbetriebene Antenne zu konstruieren und die unerwünschten Parameter des Betons durch mechanische Abtrennung (z.B. Lufthohlräume, Styropor- Ab standshalter oder Kunststoffboxen) zu beseitigen. Diese Maßnahmen führen jedoch zwangsläufig zu möglichen mechanischen Schwachstellen. Diese können wiederum das Eindringen von Wasser begünstigen und damit zu erhöhter Korrosion beitragen.

EP 2 124 170 A2 offenbart ein drahtloses Identifizierungsetikett, das in ein Zementprodukt bei dessen Herstellungsverfahren gemischt wird und es umfasst einen Schutzkörper, der ein drahtloses Identifizierungsetikett mit einem Antennenabschnitt enthält.

WO 2012/084295 Al offenbart eine Vorrichtung zum Erfassen und Überwachen eines Parameters innerhalb einer festen Struktur. Die Vorrichtung umfasst ein integriertes Detektionsmodul mit einem integrierten Sensor und einer integrierten Antenne.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Antenne zu generieren, die innerhalb aller spezifizierten Materialparameter einer die Antenne umgebenden Materialschicht funktionsfähig ist, ohne dass eine zusätzliche Verkapselung notwendig ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer pixelierten Antenne, welche von einer Materi al schicht, insbesondere einer Betonschicht, umgeben ist, mithilfe eines evolutionären Algorithmus, umfassend die Schritte a) Verpixeln eines vordefinierten zwei-dimensionalen Bauraums, welcher mehrere Reihen aufweist, mittels aneinander angrenzender, kreuzförmiger Pixel, wobei benachbarte Reihen überlappen und jede zweite Reihe des Bauraums um ein halbes kreuzförmiges Pixel verschoben ist, wobei vorzugsweise in der Mitte des Bauraums zwischen zwei kreuzförmigen Pixeln ein Port für den Anschluss angeordnet wird, b) Generieren von zufälligen Anfangs-Individuen, durch einen evolutionären Algorithmus, wobei jedes kreuzförmige Pixel entweder einem leitfähigen oder einem nicht-leitfähigem Element entspricht, c) Optimieren der Anfangs-Individuen mithilfe des evolutionären Algorithmus, wobei mittels Selektion durch Bestimmung und Optimierung eines Fitnessvektors, welcher die simulierten Werte der Anfangs-Individuen für vorgegebene, von der

Materi al schicht abhängende Randbedingungen enthält, und der Verteilung der Anfangs-Individuen im Lösungsraum Eltern-Individuen ausgewählt werden, aus welchen mittels Kreuzung und Mutation eine zweite Individuen-Generation generiert wird, d) Wiederholen des Schritts c) und anschließend weiter bei Schritt e), wobei die Anfangs-Individuen durch die Summe der Anfangs-Individuen und der zweiten Individuen-Generation ersetzt wird, und Generieren einer dritten Individuen- Generation, wobei die dritte Individuen-Generation dieselbe Anzahl an Individuen wie die Anfangs-Individuen aufweist, e) Wiederholen der Schritte c) und d) solange, bis eine Abbruchbedingung erreicht wird und eine End-Individuen-Generation erhalten wird, f) Minimierung einer vorgegebenen Zielfunktion der End-Individuen-Generation und erhalten der Antennenstruktur der pixelierten Antenne, g) Fertigung der Antennenstruktur der pixelierten Antenne mit einer leitfähigen Schicht, welche vorzugsweise auf einem Träger Substrat aufgebracht ist, und Einbetten der pixelierten Antenne in die Materialschicht.

Außerdem wird die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe auch durch eine pixelierte Antenne gelöst, welche von einer Materi al schicht, insbesondere Betonschicht, umgeben ist, umfassend einen zwei-dimensionalen Bauraum, vorzugsweise eine Leiterplatte, welcher mehrere Reihen mit aneinander angrenzenden, kreuzförmigen Pixeln umfasst, wobei benachbarte Reihen überlappen und jede zweite Reihe um ein halbes kreuzförmiges Pixel verschoben ist, wobei die kreuzförmigen Pixel einem leitfähigen oder nicht leitfähigen Element entsprechen, wobei vorzugsweise das leitfähige Element Metall umfasst, wobei sich zwischen zwei im Bauraum benachbarten kreuzförmigen Pixeln ein Port für den Anschluss befindet, erhältlich durch ein Optimierungsverfahren unter Verwendung eines evolutionären Algorithmus, wobei in einem ersten Schritt eine Anzahl an zufälligen Anfangs-Individuen mit leitfähigen und nichtleitfähigen Pixeln generiert wird, wobei in einem zweiten Schritt die Anfangs-Individuen an einen evolutionären Algorithmus übergeben werden, wobei in einem dritten Schritt aus den Anfangs-Individuen mittels Selektion durch Bestimmung und Optimierung des Fitnessvektors, welcher die simulierten Werte der Anfangs-Individuen für vorgegebene, von der Materialschicht abhängende Randbedingungen enthält, und der Verteilung der Anfangs-Individuen im Lösungsraum Eltern-Individuen ausgewählt werden, aus welchen mittels Kreuzung und Mutation eine zweite Individuen- Generation generiert wird, wobei in einem vierten Schritt der dritte Schritt, in welchem die Anfangs-Individuen durch die Summe der Anfangs-Individuen und der zweiten Individuen-Generation ersetzt werden, wiederholt wird und eine dritte Individuen-Generation generiert wird, wobei die dritte Individuen-Generation dieselbe Anzahl an Individuen wie die Anfangs- Individuen aufweist, wobei der dritte und vierte Schritt solange wiederholt werden, bis eine Abbruchbedingung erreicht wird und eine End-Individuen-Generation erhalten wird, wobei aus der End-Individuen-Generation die Antennenstruktur der pixelierten Antenne durch Minimierung einer Zielfunktion erhalten wird.

Die erfindungsgemäßen pixelierten Antennen erlauben einen funktionsfähigen Einsatz innerhalb der Materi al schicht, welche die Antenne umgibt. Die Antenne grenzt dabei direkt an die Materi al schicht an, ohne die Funktionsfähigkeit der Antenne zu beinträchtigen. Das heißt, die Materi al schicht umgibt die Antenne direkt und es gibt keinen Abstand zwischen Antenne und Materialschicht. Eine mechanische Abtrennung zwischen Antenne und Materialschicht ist somit nicht notwendig. Speziell Umgebungen wie Beton weisen stark variierende dielektrische Eigenschaften auf und bilden somit äußerst anspruchsvolle Umgebungen für Antennen, für welche es sehr schwierig ist, mögliche Antennenstrukturen aufzufinden. Aber auch Materialschichten wie Epoxidharz oder biologische Materialschichten bilden anspruchsvolle Umgebungen für Antennen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches einen multikriteriellen evolutionären Algorithmus zur Hilfe nimmt, lassen sich solche Antennenstrukturen für jegliche Materialschichten auffinden. Außerdem eignen sich die speziellen pixelierten Antennen besonders gut für die erfindungsgemäße Optimierung, sodass schlussendlich eine Antenne erhalten werden kann, welche über einen weiten Bereich von dielektrischen und resistiven Eigenschaften der Materialschicht funktioniert. Bekannte Standardstrukturen von Antennen lassen für diese Anwendungen keine hinreichend guten Lösungen zu.

Zudem können die erfindungsgemäßen pixelierten Antennen auch für komplexe Zielfunktionen wie Breitbandigkeit und hohe Richtwirkung optimiert werden. Die erhaltenen Antennen eignen sich dann einerseits für viele verschiedene Frequenzen und erlauben damit eine hohe Flexibilität und andererseits mittels einer verbesserten Strahlungs- und Empfangsleistung für größere Übertragungsdistanzen. Durch Vorgabe des zweidimensionalen Bauraums können auch immer kleinere Antennen optimiert werden, welche trotz der kleinen Größe noch optimale Ergebnisse liefern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können sogar wesentlich kleinere Antennen hergestellt werden, welche dieselbe bzw. eine bessere Abstrahlleistung, das heißt einen besseren Antennengewinn und einen niedrigeren Reflexionsparameter, als konventionelle, größere Antennen aufweisen.

Des Weiteren können die mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen pixelierten Antennen asymmetrische differentielle Antennen sein. Das heißt, dass vom Port aus gesehen die beiden Seiten der Antenne geometrisch verschieden sind und die Einspeisung zwei entgegengesetzt gleich große Ströme besitzt.

Für die Antennenstruktur der pixelierten Antennen wird ein zweidimensionaler Bauraum vorgegeben, welcher jegliche gewünschte Größe aufweisen kann. Insbesondere lassen sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch sehr kleine Antennen optimieren und herstellen. Der zweidimensionale Bauraum kann dabei eine allgemeine Freiform besitzen, bevorzugt ist der zweidimensionale Bauraum rechteckig oder quadratisch. Der Bauraum kann aber auch kreisförmig sein und jede mögliche andere Form annehmen. Hierfür muss nur die Form des Bauraums dementsprechend vorab definiert werden, sodass die Fläche richtig pixeliert werden kann. Dieser zweidimensionale Bauraum kann dann mit in Reihen angeordneten Pixeln aufgefüllt werden. Die im Bauraum platzierten Pixel müssen dabei das Kriterium erfüllen, dass die Schnittfläche von jedem Pixel mit dem Bauraum - dividiert durch die Pixelfläche - einen prozentualem Schwellwert größer 0 und kleiner gleich 1, der im Vorhinein festgelegt werden kann, übersteigt. Erfindungsgemäß weisen die Pixel eine kreuzförmige Form auf. Durch die Überlappung benachbarter Reihen und die kreuzförmige Form der Pixel werden Singularitäten, an welchen sich zwei Pixel nur in einem einzigen Punkt berühren, vermieden. Solche Singularitäten würden beispielsweise bei quadratischen Pixeln auftreten. Diese Singularitäten verursachen einerseits bei der Optimierung mittels evolutionärem Algorithmus und andererseits bei der Fertigung der Antenne Probleme. Im Gegensatz dazu eignen sich die verwendeten Kreuzstrukturen ideal für den erfindungsgemäßen evolutionären Algorithmus und weisen keine Singularitäten auf. Zudem wird durch die Verschiebung benachbarter Reihen um ein halbes Pixel vermieden, dass zwischen den kreuzförmigen Pixeln nicht-leitfähige Bereiche existieren. Ein weiterer Vorteil der kreuzförmigen Pixel ist, dass diese auch in quadratische Unterpixel zerlegt werden können, welche von bestimmten Softwareprogrammen leichter verarbeitet werden können. Außerdem muss die Antennenstruktur einen Port für den Anschluss aufweisen. Dieser kann sich an jeglicher Position des Bauraums befinden. Bevorzugt befindet sich der Port in der Mitte, das heißt in der mittleren Reihe, zwischen zwei Pixeln. Besonders bevorzugt befindet sich der Port in der mittleren Reihe zwischen den zwei in der Mitte angeordneten Pixeln. Bevorzugt sind die Pixel gleich breit wie lang. Ein Pixel kann dabei jeweils einem leitfähigen oder nicht-leitfähigem Element entsprechen. Die Verteilung der leitfähigen Elemente im zweidimensionalen Bauraum wird mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens optimiert und erhalten.

In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der pixelierten Antennen entspricht die Zielfunktion dem mittleren Reflexionsparameter der Antenne. Es wird somit aus der durch den evolutionären Algorithmus erhaltenen End- Individuen-Generation diejenige Antenne ausgewählt, welche den minimalen Reflexionsparameter aufweist.

Sollte keine Lösung gefunden werden, welche die Abbruchbedingung erfüllt, kann die Größe des Bauraums und/oder die Größe der Pixel verändert werden und der Algorithmus von neuem gestartet werden. Außerdem können die Anfangs-Individuen derart gewählt werden, dass sie eine gleichmäßig verteilte Anzahl von leitfähigen und nicht-leitfähigen Pixeln aufweisen. Diese Anfangs- Individuen werden anschließen dem evolutionären Algorithmus übergeben. Besonders bevorzugt werden die Anfangs-Individuen in Form von je einem Bitstring pro Anfangs- Individuum an den evolutionären Algorithmus übergeben, wobei in dem Bitstring eine 1 einem leitfähigem Pixel und eine 0 einem nicht-leitfähigem Pixel entspricht.

In einer weiteren Ausführungsvariante entspricht die Zielfunktion dem Antennengewinn, den Reflexionsparameter, der Effizienz oder Kombinationen davon für unterschiedliche Frequenzen und umliegende Material eigenschaften. Weitere Randbedingungen, für welche die Antenne optimiert werden kann, können die maximale Größe des zwei-dimensionalen Bauraums, Materialeigenschaften der leitfähigen Struktur sein, der Abstand zur Oberfläche der umgebenden Materialschicht. Außerdem kann speziell bei einer Materi al schicht aus Beton in dieser Materi al schicht eine Bewährung eingebaut sein, welche ebenfalls die Antenne umgibt. In diesem Fall sind wesentliche Randbedingungen auch die Art der Bewährung, wie z.B. Stahl oder Carbonfasern, die Leitfähigkeit der Bewährung, der Abstand zur Bewährung, etc. Auch in diesem Fall kann die Zielfunktion mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens an diese zusätzlichen Randbedingungen angepasst werden und die optimale Antenne erhalten werden.

Besonders bevorzugt werden Eltern-Individuen mit niedrigerem Rang und/oder höherer Crowding Distance ausgewählt. Der Rang wird dabei über die Dominanz der Individuen definiert. Ein Individuum A dominiert ein anderes Individuum B, sofern Individuum A in allen Randbedingungen keine schlechteren Werte als Individuum B aufweist, oder wenn der Wert des Individuums A in zumindest einer Randbedingung besser als der des Individuums B ist. Je niedriger der Rang eines Individuums ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Individuum als Eltern-Individuum ausgewählt wird.

Die Crowding Distance ist ein Maß für die Diversität der Population und wird für ein Individuum bestimmt, indem das Individuum mit einem Quader umschlossen wird, dessen Ecken den benachbarten Individuen, welche denselben Rang aufweisen, entsprechen. Der halbe Umfang des Quaders entspricht dann der Crowding Distance.

Außerdem kann mithilfe dieser zwei Werte jeweils ein Eltern-Individuum mittels einer Toumierauswahl zwischen zwei Anfangs-Individuen ausgewählt werden, wobei das Anfangs- Individuum mit dem niedrigerem Rang und/oder der höheren Crowding Distance ausgewählt wird. Genauer gesagt, gewinnt das Individuum, welches den niedrigeren Rang aufweist. Sollten beide ausgewählten Anfangs-Individuen denselben Rang aufweisen, gewinnt das Individuum mit der höheren Crowding Distance und wird zu einem Eltern-Individuum.

Danach wird aus den so ausgewählten Eltern-Individuen mittels Kreuzung und Mutation eine zweite Individuen-Generation generiert. Bei der Kreuzung kann aus jeweils zwei Eltern- Individuen ein Individuum ausgewählt werden, wobei mithilfe eines zufällig generierten Bit- Strings, dessen Länge der Länge der Bit-Strings der Eltern-Individuen entspricht, jeweils die Werte von einem der beiden Eltern-Individuen ausgewählt werden. Beispielsweise kann bei einer 1 im zufällig generierten Bit-String der zugehörige Wert des ersten Eltern-Individuums und bei einer 0 der zugehörige Wert des zweiten Eltern-Individuums für das Individuum der zweiten Individuen-Generation ausgewählt werden. Bei der Mutation wird innerhalb des Bit- Strings eines Individuums mit einer Wahrscheinlichkeit von vorzugsweise 1% ein Element gewählt, welches dann durch einen zufälligen Wert, 0 oder 1, ersetzt wird.

Diese zweite Individuen-Generation wird dann mit den Anfangs-Individuen zusammengelegt und aus dieser erweiterten Generation werden anschließend wiederum eine neue Eltern- Generation und eine neue zweite Individuen-Generation generiert. Besonders bevorzugt werden diese Generationen wiederum mittels Rang, Crowding Distance, Kreuzung und Mutation ausgewählt. Dadurch wird die Anzahl der Individuen der erweiterten Generation wieder verringert, bis diese wiederum der Anzahl der Anfangs-Individuen entspricht. Der Algorithmus wird auf diese Weise solange iterativ wiederholt, bis eine Abbruchbedingung erreicht ist. Dadurch, dass die zweite Individuen-Generation jeweils mit den Anfangs- Individuen zusammengelegt werden, bleibt die Anzahl der Individuen stets gleich groß und es wird nicht eine einzelne Lösung schlussendlich ausgegeben, sondern ein Set an verschiedenen Lösungen, die End-Individuen-Generation. Dieses Set an Lösungen wird auch Pareto Set genannt. Aus der End-Individuen-Generation wird schlussendlich das Individuum ausgewählt, welches eine vorgegebene Zielfunktion minimiert. Bevorzugt handelt es sich bei der Zielfunktion um den Reflexionsparameter der Antenne.

Des Weiteren kann die Abbruchbedingung derart gewählt werden, dass diese erreicht wird, sobald die Parameterstreuung der End-Individuen-Generation gleichbleibt. Die Parameterstreuung ist ein Maß für die Veränderung der End-Individuen-Generation, welche einem Pareto Set entspricht, und gibt somit an, ab wann sich die End-Individuen-Generation nicht mehr ändert.

Außerdem kann die Größe der kreuzförmigen Pixel kleiner als 1/4 der Antennenwellenlänge sein. Das heißt, die Größe der Pixel kann maximal 1/4 der Antennenwellenlänge ausmachen. Durch die Vorgabe der Größe des zweidimensionalen Bauraums der Antenne ergibt sich somit eine minimale Anzahl an kreuzförmigen Pixeln, welche nicht unterschritten wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante der pixelierten Antenne entsprechen die Breite und Länge der kreuzförmigen Pixel der Breite einer Reihe des Bauraums. In diesem Fall sind die Pixel gleich breit wie lang und füllen den Bauraum aus.

Die Fertigung der Antennenstruktur der pixelierten Antenne kann zum Beispiel mithilfe additiver (z.B. mittels 3D-Druck mit leitfähigen Materialen, Druck mit leitfähiger Tinte, versintern von 3D-Drucken oder Beschichten von Drucken) oder subtraktiver Verfahren (z.B. mittels Ausfräsen oder Ätzen von Leiterplatten) erfolgen.

Des Weiteren kann die Verteilung der kreuzförmigen Pixel der optimalen Antennenstruktur asymmetrisch sein.

Auf Grund der stark schwankenden Material eigenschaften (Leitfähigkeit, Permittivität) von Beton, welche beim Einsatz von Standardantennen keine hinreichend guten Lösungen zulassen, ist der Einsatz der in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten pixlierten Antennen auch für andere Materialschichten mit schwankenden Parametern möglich wie Epoxidharz oder biologischem Gewebe und Körperflüssigkeiten.

Zum Schutz vor Kurzschlüssen, Staub und Feuchtigkeit, werden elektronische Schaltungen mit Antennen in Epoxidharz eingegossen. Epoxidharze weißen typischerweise eine Permittivätszahl s _r von < 6 auf, wobei dieser Wert auf Grund von Verunreinigungen und Lufteinschlüssen davon abweichen kann. Dadurch ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung pixelierter Antennen möglich.

Biologisches Gewebe und Körperflüssigkeiten weißen stark voneinander abweichende Permitivitätszahlen s _r auf. Im menschlichen Körper ergibt sich somit ein Verbund unterschiedlicher Gewebearten bzw. Flüssigkeiten, welche von Mensch zu Mensch in stark schwankender Konzentration auftreten. Somit können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Antenne speziell auf den Einsatz im menschlichen Körper hin optimiert werden.

Schlussendlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen pixelierten Antenne bzw. einer in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Antenne in einem UHF RFID Sensor. Außerdem können die erfindungsgemäßen Antennen auch in einem 5G Sensorknoten, einem 6G Sensorknoten, in einem Breitbandigem Sensorknoten, einem Bluetooth-fähigem Sensor oder einem WLAN-fähigem Sensor eingesetzt und verwendet werden. Vorteilhafterweise funktionieren die Antennen für jeden beliebigen Funkstandard und können daher in beliebigen Sensoren eingesetzt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren und Figurenbeschreibungen erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer pixelierten Antenne, welche mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.

Fig. 2 eine Detailansicht der Anordnung der kreuzförmigen Pixel.

Fig. 3 eine Draufsicht einer optimierten pixelierten Antenne zur Verwendung innerhalb Beton. Fig. 4 eine Simulation des Reflexionsparameters für unterschiedliche Materialparameter von Beton der optimierten Antenne aus Fig. 3.

Fig. 5 den maximalen Antennengewinn der optimierten pixelierten Antenne aus Fig. 3.

Fig. 6 Antennendiagramme der optimierten Antenne aus Fig. 3 nach einem und 157 Tage in Beton.

Fig. 7 den Rückflussverlust der Antenne aus Fig. 3 in Beton mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt, in Abhängigkeit der Frequenz bzw. des gemessenen F euchtigkeitsgehalts .

Wie in Fig. 1 dargestellt weist die erfindungsgemäße pixelierte Antenne einen zweidimensionalen Bauraum 6, welcher mehrere Reihen 4, 4‘ mit aneinander angrenzenden, kreuzförmigen Pixeln 1 umfasst auf. Dabei überlappen benachbarte Reihen 4, 4‘und jede zweite Reihe 4‘ ist um ein halbes kreuzförmiges Pixel 1 verschoben. Wie in der Ausführungsvariante in Fig. 2 dargestellt können die kreuzförmigen Pixel 1 symmetrisch ausgeführt sein, das heißt gleich lang wie breit sein. Die Breite eines Pixels 1 entspricht jeweils der Breite einer Reihe 4, 4‘ des zweidimensionalen Bauraums. Die kreuzförmigen Pixel 1 entsprechen entweder einem leitfähigen oder nicht leitfähigen Element 2, 3. Bevorzugt befindet sich wie in Fig. 1 gezeigt in der Mitte des Bauraums 6 zwischen zwei kreuzförmigen Pixeln 1 ein Port 5 für den Anschluss. Zudem ist die pixelierte Antenne von einer Materi al schicht umgeben, welche in den Figuren nicht dargestellt ist. Diese Materi al schicht grenzt bevorzugt direkt an die Antenne an, das heißt, ohne dass sich ein Abstand zwischen Antenne und Materialschicht befindet.

Fig. 3 zeigt eine optimierte pixelierte Antenne, welche für eine umgebende Betonschicht optimiert wurde. Die dielektrischen Eigenschaften von Beton hängen sehr stark vom Feuchtigkeitsgehalt des Betons ab. Daher wurden für die Optimierung der Antenne eine Permittivätszahl s _r von 5 bis 8 und eine elektrische Leitfähigkeit von 0,01 bis 0,1 Sm' ¹ als Betonparameter gewählt. Als Begrenzung wird ein maximaler Bauraum von 4 cm mal 10 cm und eine Breite und Länge von 2 mm für die kreuzförmigen Pixel gewählt. Unter diesen Randbedingungen wird die Antenne mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren unter Minimierung des Reflexionsparameters optimiert und erstellt. Die mithilfe des evolutionären Algorithmus optimierte pixelierte Antenne, welche in Fig. 3 dargestellt ist, wird auf ein Substrat mit einer Dicke von im Wesentlichen 0,50 mm aufgetragen und von oben mit einer 2 cm dicken Betonschicht und unten mit einer 15,5 cm dicken Betonschicht bedeckt.

In Fig. 4 ist der simulierte Reflexionsparameter Sn bei einer Frequenz von 868 MHz in Abhängigkeit der Permittivitätszahl s _r und der elektrischen Leitfähigkeit des Betons dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die optimierte Antenne im gesamten Bereich der Betoneigenschaften funktionsfähig ist. Für alle Permittivitäten wird ein Reflexionsparameter von unter -10 dB erhalten. Es ist auch zu sehen, dass der Sn-Parameter mit steigender Leitfähigkeit und Permittivität zunimmt.

Außerdem sind in Fig. 5 auch die simulierten Werte des Antennengewinns in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und der Permittivitätszahl des Betons dargestellt. Wie ersichtlich führen steigende Leitfähigkeitswerte zu höheren elektrischen Verlusten innerhalb des Betons. Es ist daher zu erkennen, dass der Gewinn mit der Leitfähigkeit schnell abnimmt, während der Einfluss der Permittivität gering ist. Daher gilt die einfache Erwartung eines höheren Antennengewinns bei geringerer Betonschicht um die Antenne nur für Szenarien mit hoher Feuchtigkeit im Beton. Bei trockeneren Bedingungen ist die richtige Platzierung der Antenne innerhalb der Betonstruktur aufgrund von Interferenzen durch Wellen innerhalb des Betons entscheidend. Allerdings ist bei der erwarteten maximalen elektrischen Leitfähigkeit von 0,1 Sm' ¹ ein Gewinn von mindestens -11.1 dBi bei einer Permittivitätszahl von 8 und -8,6 dBi bei einer Permittivitätszahl von 5 zu erarten. Andererseits werden bei trockeneren Bedingungen Antennengewinne von bis zu -0,65 dBi bei einer Permittivitätszahl von 8 und 4 dBi bei einer Permittivitätszahl von 5 beobachtet.

Fig. 6 zeigt die gemessenen Werte des Antennengewinns nach einem Tag und nach 157 Tagen in der Betonschicht. Innerhalb dieses Zeitraums ändert sich der Feuchtigkeitsgehalt im Beton, da der Beton immer mehr austrocknet. Nach 24 Stunden, das heißt nach einem Tag beträgt der Feuchtigkeitsgehalt in der die Antenne umgebenden Betonschicht noch in etwa 6 Gew.-%, während der Feuchtigkeitsgehalt nach 157 Tagen auf im Wesentlichen 4,2 Gew.-% gesunken ist. In Fig. 6 ist der Azimut-Gewinn sowie der Elevations-Gewinn dargestellt. Der maximale Antennengewinn an Tag 157 beträgt -8,4 dBi, was deutlich höher ist als an Tag 1. Dies ist zu erwarten, da eine Abnahme der Feuchtigkeit zu einer Abnahme der Leitfähigkeit und damit zu einer Erhöhung des Antennengewinns führt.

In Fig. 7 sind die gemessenen Reflexionsparameter der in Fig. 3 gezeigten optimierten Antenne in Beton dargestellt. Dabei ist der Reflexionsparameter einerseits in Abhängigkeit der Frequenz und andererseits in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehalts des Betons und des Messtages nach Fertigung der Betonschicht geplottet. Am Tag 1 hat der Reflexionsparameter Sn einen Wert von -8,4 dB bei der gewünschten Frequenz von 868 MHz, nach 14 Tagen erreicht er -10 dB und schließlich wird ein Wert von -13 dB nach 157 Tagen beobachtet. Die endgültigen Ergebnisse nach 157 Tagen Trocknung in einer Klimakammer bei 22 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 % ergeben einen Antennengewinn von -8,4 dBi und einen Sn- Parameter von -13 dB. Diese Werte sind zu erwarten für typische Außenbedingungen in einem gemäßigten Klima. Messungen nach Ofentrocknung haben gezeigt, dass sich die Antenneneigenschaften bei längerer Trocknung unter gleichen Bedingungen nicht signifikant ändern. Es ist jedoch zu beachten, dass in Umgebungen mit trockeneren Umgebungsbedingungen (oder in Innenräumen) der Beton auf einen viel niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt trocknen wird, der sogar noch höhere Gewinne offenbart.