BRPI0712363A2 - antena para comunicação de dados, e, antena laminar retangular - Google Patents

Abstract

ANTENA PARA COMUMCAçáO DE DADOS, E, ANTENA LAMINAR RETANGULAR. Uma antena para comunicação de dados, a antena compreendendo uma camada dielétrica que separa uma camada eletricamente aterrada a partir de uma camada condutora, em que a camada condutora tem uma primeira porção conectada com um elemento capacitivo. O aumento do elemento capacitivo faz com que a antena laminar pareça eletricamente mais longa que ela fisicamente é.

Description

"ΑΝΤΕΝΑ PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS, Ε, ANTENA LAMINAR RETANGULAR"

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à tecnologia de antenas, e em particular, mas não exclusivamente, a uma antena laminar.

Antecedentes

As comunicações digitais tornaram-se essenciais na era moderna nas quais dados são transmitidos entre vários locais ao redor do mundo. Em particular, o campo de comunicações sem fio ampliou-se especialmente na área de comunicações por telefones móveis e/ou outros dispositivos sem fio, correlacionados com computador. Mais especificamente, este tal crescimento de comunicações sem fio foi tanto, especificamente em comunicações sem fio do tipo por RF, que o espectro de freqüência para transmitir ondas de rádio está se tornando crescentemente congestionado.

Um dos aspectos mais importantes de qualquer sistema de RF (Radiofreqüência) é o projeto de uma antena apropriada que é capaz de transmitir e receber dados sem fio, quando requerido, mas adicionalmente seja capaz de satisfazer as exigências de projeto específicas da aplicação em questão. Existe uma pluralidade de diferentes tipos de projetos de antena à escolha, cada tendo seus próprios pontos fortes e pontos fracos. O projetista na área de RF tem que experimentar e selecionar o tipo de antena cujas propriedades são as mais apropriadas para a aplicação relevante. Por exemplo, para uma aplicação em telefone móvel, o projetista na área de RF tipicamente visará um projeto de antena compacto que tem propriedades de uma baixa energia, que ocorrem quando tamanho, peso e portabilidade são importantes, como elas são no campo de comunicações sem fio.

Existe uma pluralidade de diferentes geometrias de antena, por exemplo as configurações de antena de dipólo padrão ou de quadro. Todavia, na área de etiquetas de RFID (identificação de radiofreqüência), é desejável ter uma antena que possui certas propriedades, por exemplo: pequena em tamanho, um baixo perfil e leve. Tais antenas podem ser usadas como transmissores, receptores ou transceptores que podem ser facilmente fixados em uma embalagem ou outro objeto móvel a ser rastreado. Para este tipo de aplicação, uma antena de micro tira é freqüentemente a mais apropriada.

Uma antena de micro tira é freqüentemente referida como uma antena laminar vez que ela consiste de uma lâmina de metalização recobrindo, ainda que separado de, uma placa de aterramento. Especificamente, a antena laminar é freqüentemente fabricada por despolir um padrão de elemento de antena em um traço de metal, que é conectado a um substrato de isolamento que separa a placa de aterramento a partir do elemento de antena despolido. Outras vantagens de tais antenas é que elas são fáceis de serem fabricadas e mecanicamente reforçadas. Além disto, "antenas laminares" têm a capacidade de diversidade de polarização.

Um outro conceito na tecnologia de antenas é a idéia de uma assim chamada "antena eletricamente curta", na qual o condutor elétrico da antena é fisicamente curto em comprimento e freqüentemente significantemente mais curto que o comprimento de onda da freqüência ressonante da antena. Novamente, a vantagem de tais antenas curtas é uma redução em tamanho, a qual é particularmente útil no campo de etiquetas de RFID ou antenas identificadoras.

Todavia, "antenas laminares" de microtira, normais, são ainda requeridas que tenham um certo tamanho para transmitir em uma freqüência ressonante particular. É especialmente desejável reduzir o tamanho de tais antenas que são fixadas em objetos para finalidades de rastreamento.

Por conseguinte, é um objetivo de uma forma de realização da presente invenção reduzir o tamanho físico de uma antena laminar. Sumário da invenção

De acordo com um aspecto da presente invenção, uma antena para comunicação de dados é provida, a antena compreende uma camada dielétrica que separa uma camada eletricamente aterrada a partir de uma camada condutora, em que a camada condutora tem uma primeira porção conectada com um elemento capacitivo.

Vantajosamente, o elemento capacitivo faz com que a antena laminar pareça eletricamente mais longo do que ela fisicamente é. Isto significa que o tamanho da antena pode ser reduzido, embora ainda opere na mesma freqüência.

Além disto, uma outra vantagem é que é possível variar a freqüência da operação da antena em uma maneira inversamente proporcional ao valor do elemento capacitivo. Assim, para uma antena de um dado tamanho, é possível abaixar a freqüência ressonante por meio do aumento do valor do elemento capacitivo. Preferivelmente, o elemento capacitivo é uma pluralidade de capacitores.

Vantajosamente, a pluralidade de capacitores é uniformemente espaçada, produzindo um campo eletromagnético mais uniforme irradiado a partir da borda da antena.

Preferivelmente, a primeira porção é uma primeira borda de uma antena laminar retangular.

Preferivelmente, a camada condutora tem uma segunda porção que é conectada com a placa de aterramento.

Preferivelmente, a antena forma parte de uma etiqueta de RFID fixada em um objeto, de modo que movimentos do objeto do objeto possam ser rastreados.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, uma antena laminar retangular é provida, que compreende: uma placa de aterramento que é eletricamente aterrada; uma camada condutora tendo condutores elétricos; uma camada dielétrica para separar a placa de aterramento a partir da camada condutora; e em que a camada condutora tem uma primeira borda conectada com a camada de aterramento e uma segunda borda tendo uma pluralidade de capacitores para intensificar a capacitância de borda.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, uma antena laminar retangular é provida, que compreende: uma placa de aterramento que é eletricamente aterrada; uma camada condutora tendo condutores elétricos; uma camada dielétrica para separar a placa de aterramento a partir da camada condutora; e em que a camada condutora tendo uma primeira e uma segunda borda irradiante que, cada, têm uma pluralidade de capacitores para intensificar sua respectiva capacitância de borda.

Lista dos Desenhos

Formas de construção da presente invenção serão agora descritas a título de exemplo e com referência aos seguintes exemplos:

a figuras 1 mostra uma vista plana de uma antena laminar básica;

a figura 2 mostra uma vista lateral da antena laminar;

a figura 3 mostra uma vista em perspectiva da antena laminar de acordo com uma primeira forma de construção;

a figura 4 mostra um traçado da desejada resposta de freqüência da antena;

a figura 5 mostra um gráfico de impedância da antena;

a figura 6 mostra uma vista em perspectiva com dimensões definidas da antena de acordo com a primeira forma de construção;

a figura 7 mostra uma vista lateral com o campo magnético de acordo com a primeira forma de construção;

a figura 8 mostra um circuito de linha de transmissão equivalente de acordo com a primeira forma de construção;

a figura 9 mostra uma vista em perspectiva da lâmina incluindo os capacitores de acordo com a primeira forma de construção;

a figura 10 mostra uma vista em perspectiva com dimensões definidas da antena de acordo com uma forma de construção alternativa;

a figura 11 mostra uma vista lateral com o campo magnético da forma de construção alternativa;

a figura 12 mostra um circuito de linha de transmissão equivalente da forma de construção alternativa

a figura 13 mostra uma vista em perspectiva da lâmina incluindo os capacitores da forma de construção alternativa;

a figura 14a mostra a redução em tamanho de lâmina quando nenhuma capacitância é adicionada às bordas; e

a figura 14b mostra a redução em tamanho de lâmina quando capacitância é adicionada.

Descrição

A figura 1 mostra uma vista plana de uma antena laminar básica, enquanto a figura 2 mostra a vista lateral da antena. Especificamente, a antena laminar mostrada na figura 1 tem uma forma circular, mas deve ser apreciado que outras formas de antena laminar são possíveis, por exemplo uma forma quadrada ou uma forma retangular. Mais especificamente, a figura 3 mostra a antena laminar de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção compreendendo uma forma retangular.

As figuras 1 e 2 mostram uma antena laminar que tem um elemento de placa de aterramento subjacente 100, uma camada dielétrica 140 posicionada sobre a placa de aterramento, e uma camada condutora 110 posicionada sobre a camada dielétrica. Na prática, a antena laminar é usualmente impressa sobre uma placa de circuito impresso e tem um padrão de irradiação em qualquer direção acima do plano de aterramento em uma área hemisférica.

A espessura da camada dielétrica 140 determina a separação da camada condutora 110 a partir do aterramento 100, que efetua a largura de banda da antena laminar. Geralmente, quando mais espessa for a camada dielétrica, tanto mais alta é a largura de banda.

É possível reduzir o tamanho da antena laminar, mas a redução do comprimento da camada condutora 110 (isto é, tamanho físico da lâmina) tem um impacto sobre o desempenho. Por conseguinte, a freqüência ressonante na qual a antena opera aumenta quando o tamanho da antena é reduzido.

Deve ser também apreciado que existe uma relação inversa entre o tamanho físico da antena e a freqüência ressonante da antena. Isto é, se o tamanho de antena for reduzido, então a freqüência ressonante aumentará e vice versa.

Um desafio quando do projeto de tais antenas laminares, para uma certa freqüência ressonante, é que o desempenho freqüentemente se deteriora quando o tamanho da lâmina é reduzido, mas, para aplicações de RFID, é desejável reduzir o tamanho da antena laminar na medida do possível enquanto ainda é atingido desempenho adequado.

A figura 3 mostra uma vista explodida da geometria da antena laminar de acordo com uma forma de construção preferida da presente invenção. Especificamente, a antena laminar elétrica é uma antena laminar retangular tendo uma placa de aterramento 300, com um substrato dielétrico de separação 340 e uma camada impressa de topo 310. A camada de topo 310 compreende o arranjo condutor 320 da antena.

A figura 3 mostra que uma borda 350 da camada de topo 310 tem meios que são capazes de ser eletricamente conectados com a placa de aterramento 300. Por exemplo, meios metálicos podem ser colocados em respectivos orifícios formados na camada dielétrica para conectar uma borda 350 da camada de condução de topo 310 com a placa de aterramento 300, efetivamente encurtando esta borda da antena para aterramento. A camada de topo 310 adicionalmente é também mostrada como compreendendo uma pluralidade de capacitores, C1, C2, C3, C4, C5 e C6 posicionados ao longo da borda oposta 360 da camada de topo. Estes capacitores aumentam a capacitância de borda da antena laminar. A pluralidade de capacitores C1 a C6 mostrada na figura 3 é conectada em paralelo.

De acordo com uma forma de construção, cada dos capacitores C1 a C6 é conectado com a lâmina por ter uma placa de cada capacitor aterrado e a outra placa conectada com a camada condutora 310. Cada placa do capacitor pode ser aterrada pela conexão da placa com um meio relevante, que é um meio relevante, que é provido através de um orifício relevante 395 (ver, por exemplo, as figuras 9 e 13) na camada dielétrica, e conecta-se com a placa de aterramento 300.

De acordo com a forma de construção da figura 3, os capacitores C1 a C6 são posicionados no mesmo lado da lâmina como o ponto de alimentação de RF 370. Os capacitores são espaçados igualmente ao longo da borda do ponto de alimentação 370 da superfície de lâmina. Estão presentes mais que um capacitor em cada lado do ponto de alimentação, de modo que a corrente seja distribuída uniformemente ao longo da borda 360 da antena laminar. Isto, vantajosamente, permite uma distribuição uniforme do campo eletromagnético para a antena.

Com a camada dielétrica 340 tendo uma espessura de 1,6 mm e tendo um ponto de alimentação de RF que é posicionado usando conjugação de impedância.

As figuras 6 a 9 mostram uma forma de construção em que uma borda da camada condutora 310 é encurtada para a placa de aterramento (as mostrado na forma de construção da figura 3), enquanto as figuras 10 a 13 mostram uma forma de construção alternativa na qual ambas das bordas opostas têm capacitores conectados (isto é, nenhuma borda é aterrada).

Especificamente, a figura 6 mostra uma vista em perspectiva da forma de construção da antena laminar da figura 3 com uma borda reduzida. A figura 6 define várias dimensões, como o comprimento L e Largura W da camada condutora 310, bem como a espessura h d a camada dielétrica 340.

A figura 7 mostra uma vista lateral da forma de construção da antena mostrada na figura 3 e em particular mostra que um lado é encurtado ou reduzido para aterramento, enquanto que no outro lado campos de franja originam uma capacitância de borda que é responsável pelo campo irradiado. A figura 7 também ilustra a distribuição do campo magnético sob a antena laminar. Por meio da adição de capacitores à borda que não é aterrada, a capacitância de borda pode ser artificialmente aumentada, aumentando assim a extensão do efeito de extremidade, possibilitando uma redução física em tamanho de antena laminar.

A figura 8 mostra um modelo de linha de transmissão da antena laminar reduzida, retangular, com uma borda encurtada ou reduzida.

L0 é o comprimento da antena laminar, Z0 é a impedância característica da antena laminar, C é a capacitância de borda e G é a condutância de radiação. O comprimento L0 para uma antena laminar retangular de semi-onda é calculado usando:

<formula>formula see original document page 9</formula> Equacao (1)

onde

L0 é o comprimento de lâmina em metros,

Er é a constante dielétrica relativa do substrato,

λ0 é o comprimento de onda em espaço livre em metros, e

ΔL é a extensão de efeito de extremidade em metros.

A antena laminar encurtada por quarto de onda é simplesmente metade do comprimento da antena de quarto de onda.

A extensão de efeito de extremidade faz com que a antena laminar pareça eletricamente mais longa que ela atualmente é. Por causa deste efeito, o comprimento físico da antena laminar é um pouco mais curto que um comprimento de quarto de onda. O comprimento elétrico, todavia, é exatamente um comprimento de quarto de onda em uma freqüência na operação (isto é, freqüência ressonante).

A extensão de efeito de extremidade AL é diretamente correlacionada com a magnitude de capacitância na borda capacitiva 350 e pode ser representada pela seguinte função:

<formula>formula see original document page 10</formula>

Equação (2)

C é a capacitância de borda laminar em Farads,

ω é a freqüência de operação em radianos/s, e

Z0 é a impedância da característica laminar em Ohms.

Por meio do aumento da capacitância artificialmente com capacitores de elemento de constantes localizadas (C1 a C6), a equação 2 sugere que a extensão de efeito de extremidade tornar-se-á maior, reduzindo assim o comprimento físico da lâmina. Este efeito é mostrado nas figuras 14a e 14b, as quais mostram a lâmina como observada a partir de cima (isto é, uma vista plana). A linha sólida representa o comprimento físico da antena laminar (isto é, como fabricada), enquanto que a linha tracejada representa o comprimento elétrico da antena laminar.

A figura 14a mostra a redução no tamanho da antena laminar sem qualquer capacitância adicionada, enquanto que a figura 8b mostra que o tamanho físico (comprimento) da lâmina pode ser reduzido ainda mais por meio da adição de capacitância sobre a borda 360. Isto é, pela adição de capacitância ao circuito, o comprimento físico (tamanho) da antena pode ser reduzido dramaticamente, enquanto é ainda mantido o comprimento elétrico do comprimento de quarto de onda. Ou, colocado de outra maneira, o tamanho da antena laminar operando em uma particular freqüência ressonante pode ser significantemente reduzido pela adição de capacitância.

As figuras 10 a 13 mostram uma forma de construção alternativa na qual ambas das bordas opostas têm capacitores conectados. Isto é, a figura 10 mostra uma vista em perspectiva da antena laminar, na qual a camada condutora 310' não tem bordas que são aterradas. Em lugar disto, ambas as bordas da camada condutora 310' com comprimento W têm uma pluralidade de capacitores conectados. Isto não é mostrado na figura 10, mas é mostrado na figura 13, na qual a borda conectada com o ponto de alimentação 370' tem um primeiro conjunto de capacitores 1300 e a borda oposta tem um segundo conjunto de capacitores 1310.

Assim, ambas as bordas da lâmina têm bordas capacitivas e isto é refletido na figura 11, que mostra o campo magnético se irradiando a partir de ambas as bordas. A distribuição eletromagnética se adelgaça em direção ao centro da lâmina. A figura 12 mostra o diagrama equivalente da linha de transmissão da forma de construção, onde ambas as bordas são bordas capacitivas.

Deve ser apreciado que isto pode ser estendido para várias geometrias laminares, incluindo, mas não limitadas às, antenas laminares reduzidas por um quarto de onda.

Existe uma pluralidade de diferentes aplicações e campos de uso para geometrias da antena laminar, aqui descritas. Alguma destas incluem:

- em qualquer sistema de ligação de ponto-a-ponto por RF,

- qualquer sistema de ligação de ponto-a-multiponto por RF,

- qualquer etiqueta de RFID, quer ela seja passiva quer uma etiqueta ativa, - qualquer transmissor, receptor e/ou transceptor de RP,

- qualquer aplicação de sensor com uma ligação por RF transmitindo dados.

A antena laminar de acordo com uma forma de construção da presente invenção foi projetada em duas fases.

Na primeira fase, a desejada resposta de freqüência da antena foi simulada usando software de simulação eletromagnética, por exemplo, Sonnet, IE3D, Microware Studio, etc. A figura 4 mostra uma desejada resposta de freqüência da antena usando um pacote de simulação relevante. Especificamente, a figura 4 mostra que a freqüência ressonante ocorre em aproximadamente 435MHz.

Por meio do aumento dos valores dos capacitores Cl a C6, é possível diminuir a freqüência ressonante da antena.

A figura 5 é uma outra representação da mesma simulação da pequena antena laminar de acordo com a forma de construção preferida, mas, enquanto que a figura 4 mostrou a resposta de freqüência, a figura 5 mostra um gráfico de impedância.

A segunda fase do projeto da antena envolve a realização de um protótipo da antena, que pode ser construído, por exemplo, usando o material comum de placa de circuito impresso (PCB) FR-4. A antena é então calibrada e uma boa regra de projeto é que quanto menor o elemento laminar, tanto mais capacitância é necessária para a antena funcionar na freqüência ressonante desejada.

Em termos de melhoria de desempenho, se pode considerar, como um exemplo, uma antena laminar de quarto de onda, reduzida, de um tamanho específico, tem uma freqüência ressonante de aproximadamente 2GHz. Em contraste, antena laminar de mesmo tamanho, mas tendo os capacitores de constantes localizadas introduzidos em sua borda, é capaz de operar em uma freqüência ressonante significantemente menor, e, neste caso, mostrada no traçado da figura 4, reduzida por um fator em torno de 5. Especificamente a figura 4 mostra a resposta de freqüência da antena laminar com os capacitores de constantes localizadas, que têm uma freqüência ressonante 40 de aproximadamente 435MHz. Deve ser apreciado que, embora a forma de construção preferida da figura 3 proveja uma antena laminar configurada substancialmente retangular, outros formatos são também possíveis.

Claims (21)

1. Antena para comunicação de dados, caracterizada pelo fato de que a antena compreende uma camada dielétrica que separa uma camada eletricamente aterrada a partir de uma camada condutora, em que uma camada condutora tem uma primeira porção conectada com um elemento capacitivo.

2. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o aumento do elemento capacitivo faz com que a antena laminar pareça eletricamente mais longa que ela fisicamente é.

3. Antena de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o aumento do elemento capacitivo diminui a freqüência ressonante.

4. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que o elemento capacitivo é uma pluralidade de capacitores.

5. Antena de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de capacitores é uniformemente espaçada, produzindo um campo eletromagnético mais uniforme irradiado a partir da borda da antena.

6. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a primeira porção é uma primeira borda de uma antena laminar retangular.

7. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a camada condutora tem uma segunda porção que é conectada com a placa de aterramento.

8. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a antena forma parte de uma etiqueta de RFID fixada em um objeto de modo que movimentos do objeto possam ser rastreados.

9. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a antena é uma antena laminar.

10. Antena de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a antena laminar é uma antena laminar eletricamente curta.

11. Antena de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a antena laminar elétrica é retangular.

12. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de capacitores é uniformemente espaçada em qualquer lado de um ponto de alimentação da antena para permitir uma radiação eletromagnética uniforme a partir daquela borda da antena.

13. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a antena é construída usando uma placa de circuito impressa (PCB).

14. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a antena comunica dados de RF.

15. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a antena é usada de pelo menos de um receptor, transmissor e um transceptor.

16. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que os valores da pluralidade de capacitores são capazes de ser selecionados de modo a variar a freqüência ressonante da antena.

17. Antena de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de capacitores permite que a antena mantenha o comprimento elétrico de uma antena a despeito de uma redução em comprimento físico.

18. Antena laminar retangular, caracterizada pelo fato de que compreende: uma placa de aterramento que é eletricamente aterrada; uma camada condutora tendo condutores elétricos; uma camada dielétrica para separar a placa de aterramento a partir da camada de condução; e em que a camada de condução tendo uma primeira borda conectada com a camada de aterramento e uma segunda borda tendo uma pluralidade de capacitores para intensificar a capacitância de borda.

19. Antena laminar retangular, caracterizada pelo fato de que compreende: uma placa de aterramento que é eletricamente aterrada; uma camada de condução tendo condutores elétricos; uma camada dielétrica para separar a placa de aterramento a partir da camada de condução; e em que a camada de condução tem uma primeira e uma segunda borda irradiante que, cada, têm uma pluralidade de capacitores para intensificar a capacitância de borda.

20. Antena de acordo com a reivindicação 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que a primeira e segunda bordas são bordas opostas da camada de condução da lâmina retangular.

21. Antena de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que um ponto de alimentação da antena laminar retangular é conectado com pelo menos uma da primeira e segunda bordas.