BRPI0108162B1 - Antena para enviar e receber radiação de micro-ondas - Google Patents

Description

“ANTENA PARA ENVIAR E RECEBER RADIAÇÃO DE MICRO-ONDAS” Fundamentos da Invenção A presente invenção diz respeito a sistemas de transponder para pagamento sem fio, por exemplo, para pagamento de pedágios para veículos. A firma Q-Free ASA tem fabricado tais sistemas por muitos anos. Esses sistemas são usados em diversos países nomeados de “Q-free box”. O dito termo “box” é relacionado ao elemento de transponder nesse sistema provido em cada veículo individual. O transponder recebe dados de dispositivo situado perto da rodovia, e, como resposta, envia dados individuais de volta para o dispositivo rodoviário. O desenvolvimento tecnológico dentro dessa área passou, nesse meio tempo, a levar em conta transponderes ativos operando com radiação de micro-ondas na área de 5,8 Hz, isto é, comprimentos de onda na dimensão de centímetros, que têm uma batería e um controlador de comunicações ativo. O dito transponder recebe dados como radiação modulada em amplitude e envia dados como radiação modulada em fase. A concretização mais simples de um transponder deste tipo é um diodo acoplado numa antena, levando a demodulação em amplitude por meio de retificação da onda portadora. No tocante ao ‘envio’, uma corrente é enviada de forma alternada no diodo, e seu coeficiente de reflexão está, assim, variando, e, consequentemente, isto dá modulação em fase. O princípio toma possível o envio sem uso de oscilador local no transponder e é conhecido como “retrodispersão”.

Por causa da grande taxa de produção para tais transponderes, é uma tarefa difícil fazer antenas de transponderes que tenham pouca dispersão, e que possam ser produzidas tão simples e baratas quanto possível.

Antenas conhecidas que são fáceis de fabricação são antenas de microfita. Estas são antenas que são facilmente realizáveis sobre um substrato junto com o resto do circuito. O problema relativo às antenas de microfita é que elas se baseiam na ressonância, onde uma grande concentração de campo elétrico (E) ao longo da borda do elemento de antena surge em direção ao plano da terra. A eficácia da antena e a frequência de ressonância são bastante dependentes da constante dielétrica no substrato e da espessura do substrato. Por conseguinte, um laminado de placa de circuito impresso usual,tal como o laminado de fibra de vidro “FR-4”, não é adequado para a produção dessas antenas. Laminado de micro-ondas bom à base de PTFE (‘teílorf) é o mais comum em uso, mas este laminado é caro, complicado de fabricar e utiliza poucos processos ecológicos (que não prejudicam o meio ambiente) durante a fabricação.

Recentemente, vem se tornando disponíveis laminados que são classificados entre o laminado de fibra de vidro (FR-4) e o laminado de PTFE, tais como “ROGERS 4300”, mas ainda não é uma alternativa capaz de competir com o laminado padrão.

Objetivo da Invenção O principal objetivo da presente invenção é o de fabricar uma antena do tipo mencionado, que, apesar dos bons desempenhos da antena, ainda torna possível que elas sejam fabricadas usando laminado padrão (FR-4), que é adequado para frequências consideráveis acima de 20 GHz e também mediante produção volumétrica de tais sistemas, A Invenção A invenção está mencionada na reivindicação 1, com os novos elementos sendo pleiteados no seu trecho caracterizante.Outras características vantajosas da invenção estão mencionadas nas reivindicações de 2 a 9.

Independentemente de tais detalhes da estrutura escolhida, esta solução tem uma vantagem considerável se comparada às antenas conhecidas, onde o efeito de direcionamento para a antena pleiteada se estende pelo menos substancial mente transversal ao suporte em forma de placa (o substrato). Isso resulta na antena, de acordo com a invenção, que possui um fator de eficiência e ganho de antena maiores, Além disso, a frequência de ressonância da antena torna-se menos dependente do díelétrico do suporte de antena. Concentrações elevadas de campo elétrico (E) no díelétrico do suporte de antena, que aparecem com antenas conhecidas, não aparecem com antenas de acordo com a invenção.

Juntamente com um suporte tendo uma alta qualidade dielétrica,tal como PTFE (‘teflon’), também é possível usar a antena, de acordo com a invenção, em áreas de ondas milimétricas (30-300 GHz). A constante dielétrica e tais perdas dielétricas do substrato têm pouca influência na frequência de ressonância da antena e em perdas dielétricas.

Isso dá pouca dispersão, devido à produção volumétrica, e, assim, é adequado para produtos com altas taxas de produção.

Outra vantagem com relação à antena, de acordo com a presente invenção, é que ela funciona em bandas muito amplas, tipicamente 10-20% da frequência central. Assim, é muito favorável com relação a aplicações de banda larga.

Exemplo Apresente invenção é descrita mais ainda abaixo,com referência aos desenhos, onde: Figura 1 ilustra uma parte de uma placa de circuito impresso, a qual suporta um elemento de antena em uma vista lateral;

Figura 2 ilustra a placa de circuito impresso com o elemento de antena da Figura 1 juntamente com um elemento de antena adicional que afeta o efeito direcional; e Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva da placa de circuito impresso da Figura 1 juntamente com um elemento de antena adicional o qual afeta o efeito direcional da antena, junto com um transformador de polarização para transformar a polarização na radiação recebida, respectivamente, enviada a partir do elemento de antena. A Figura 1 ilustra uma parte de uma placa de circuito impresso ou substrato 11 de um material dielétrico, por exemplo, de laminado de fibra de vidro “FR-4”, que é usado para fabricar circuitos impressos. A placa de circuito impresso 11 pode estar em um transponder do tipo mencionado na introdução, e tem a função de um suporte de antena, o qual, na sua superfície de apoio 12, suporta um elemento de antena 13.0 elemento de antena 13 é conectado a um controlador de comunicações através de um cabo de antena (não ilustrado) e é, no presente caso, o elemento excitado na antena de acordo com a invenção. O elemento de antena nesta concretização é fabricado como uma antena Quad, todavia, como o elemento de antena não só consiste de um quadro em forma quadrática simples, mas consiste de dois quadros 14 e 15 (Figura 3) situados no mesmo plano, um em relação a outro. Os quadros 14 e 15 são feitos de trilhas de cobre (não descritas adicionalmente) tendo largura e altura fixas, situadas no plano da superfície de apoio 12 da placa de circuito impresso 11. As partes de quadro individuais nos dois quadros 14 e 15, as quais se estendem em paralelo, têm uma distância mútua predeterminada. A circunferência destes dois quadros 14 e 15 pode ser utilizada para obter um efeito direcional significativo, sem elementos de antena adicionais amplificando tal efeito sendo necessário, e, em tamanho, está perto do comprimento de onda λ. A diferença relativamente pequena entre o tamanho das circunferências dos dois quadros 14 e 15 também significa que frequências de ressonância destes dois elementos de quadro são correspondentemente diferentes, tal que um determinado efeito de banda larga já seja atingido através dessa combinação especial de dois elementos de antena Quad. Tal efeito de banda larga pode ser aumentado através da formação dos dois quadros 14 e 15 aperiódicos.

Como um elemento de antena adicional,um refletor 16 encontra- se representado nas Figuras 2 e 3, estando disposto no lado oposto da placa de circuito impresso 11 se comparado ao elemento de antena excitado, e possuindo uma distância pré-determinada daquele elemento de antena. Adicionalmente, a Figura 2 mostra exemplos de elementos parasitas ou de direcionadores 17, 18 e 19, cuja finalidade é de amplificar o efeito direcional da antena, estendendo- se através da superfície ou plano de apoio 12 de acordo com o princípio Yagi- Uda.

As setas 20 e 21, inclusive as curvas que ficam acima e abaixo da Figura 1, simbolizam ondas elétricas, esquematicamente, e ilustram o efeito direcional pretendido pela antena em conformidade com a presente invenção, consequentemente, estendendo-se através da placa de circuito impresso 11. A recepção e a radiação da energia de radiação na direção da seta 21 têm que ser suprimidas, e, em vez disso, o uso de um refletor 16 amplificará a radiação na direção da seta 20. A característica direcional que é obtida usando os elementos e precauções descritos tem a consequência de que o material dielétrico na placa de circuito impresso não tem mais influência na frequência da antena, e aquelas perdas que se originam no dielétrico, sob a influência da antena, são mantidas baixas.

Na Figura 3 é ilustrado um polarizador, ou um transformador de polarização 22, colocado em frente do substrato 11, enquanto que o refletor 16 é colocado no lado posterior. O polarizador serve para transformar a radiação de micro-ondas linearmente polarizada, irradiada do elemento de antena 13, em ondas polarizadas circulares, e para transformar as ondas polarizadas circulares recebidas em ondas linearmente polarizadas, respectivamente.

Os elementos de antena supramencionados, ou seja, o elemento de antena 13, o refletor 16, os elementos parasitas 17 a 19 e o transformador de polarização 22 são de preferência conectados por radiação um a outro através do ar como o dielétrico. Não obstante, um material de espuma tendo uma baixa constante dielétrica e baixas perdas dielétricas também pode ser empregado, já que este material de espuma, então, opera como um suporte para os diferentes elementos de antena.

Para se obter um bom desempenho de acordo com o objetivo da invenção, é importante que nenhuma concentração elevada aconteça no campo elétrico no substrato 11.0 elemento de antena, portanto, se toma um ressonador tendo um fator Q relativamente baixo, de preferência um fator Q entre 5 e 10.

As duas derivações, ou quadros, na antena são conectados a um capacitor de acoplamento 23 na conexão das duas linhas de alimentação 24.Um diodo 25 conectado entre os dois quadros 14,15 situado em direção ao ponto de conexão serve como um receptor retificando a onda portadora. O componente de tensão contínua é colocado sobre o capacitor de acoplamento 23 e é levado para fora através das linhas de alimentação 24.

Claims (9)

1. Antena para enviar e receber radiação de micro-ondas, para uso em um transponder num sistema de transponder para o pagamento sem fio de pedágios, caracterizada pelo fato de compreender: um substrato ou suporte de antena dielétrico (11) que possui um plano de apoio (12), um elemento de amena excitado (13) em forma de quadro ou de malha que se estende em um primeiro plano disposto no plano de apoio (12) do suporte de antena dielétrico (11), um transformador de polarização (22),em que dito elemento de antena excitado (13) é polarizado linearmente e disposto em uma distância pre- determinada do transformador de polarização (22) para transformar a radiação polarizada linearmente em radiação polarizada circular ou elíptica e em que o transformador de polarização (22) opera como um direeionador, um refletor (16) disposto em uma distância pré-determinada do elemento de antena excitado (13), um ou mais elementos parasitas ou direeionadores (17, 18, 19) colocados em uma distancia pré-determinada do elemento de antena excitado, em que a antena de quadro ou malha compreende dois quadros ou malhas (14, 15) moldados em forma quase igual, colocados numa distância pré-determinada, e um diodo (25) conectado aos ditos quadros ou malhas (14, 15) para demodulaçao, e um capacitor (23) conectado aos quadros ou malhas (14, 15).

2. Amena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dc que pelo menos um elemento de antena adicional atribuído ao elemento de antena excitado (13) é selecionado dentre o grupo consistindo de um refletor, direcionadores, e um transformador de polarização, e é conectado radiativamente ao elemento de antena excitado (13) através de um. meio tendo uma constante e baixas perdas dielétricas, para dar a mais baixa taxa dielétrica relativa possível.

3. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de antena excitado (13) e/ou pelo menos um elemento de antena adicional selecionado do grupo consistindo de um refletor, direcionadores e um transformador de polarização estão dispostos com tecnologia strip-line em uma película de plástico fina, a dita película sendo mantida numa distância pre- determinada do plano de apoio (12) do suporte de antena dielétrico (11).

4. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a capacidade ou resistência da antena é aumentada para atingir um fator Q baixo de 5-10.

5. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o refletor (16) é uma placa metálica.

6. Antena, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o referido transformador de polarização (22) é uma placa metálica modulada octogonalmente.

7. Antena, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a antena de quadro ou malha é moldada como uma antena Quad, a qual possui um ou mais quadros ou malhas quadráticos (14, 15).

8. Antena, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a antena de quadro ou malha é moldada com um ou mais quadros ou malhas elípticos ou poligonais, em forma de anel.

9. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a circunferência daqueles quadros ou daquelas malhas apresenta o tamanho do comprimento de onda (λ) da radiação de micro-ondas recebida, e, respectivamente, enviada.