CZ16387U1

CZ16387U1 - Vícepásmová flíčková anténa

Info

Publication number: CZ16387U1
Application number: CZ200517334U
Authority: CZ
Inventors: Polívka@Milan; Cáp@Ales; Raida@Zbynek
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze; Vysoké ucení technické v Brne
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2006-03-27

Description

Vícepásmová flíčková anténa

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nové flíčkové antény, vykazující vícepásmový provoz s příčným vyzařováním, a to ve směru normály k ploše zářiče.

Dosavadní stav techniky

Vícepásmové flíčkové antény se většinou realizují jako vícerezonátorové flíčkové antény, kde vícenásobných rezonancí je dosaženo na vodivě oddělených motivech zářičů uspořádaných buď v jedné úrovni (tyto zářiče bývají označovány jako koplanámí) nebo ve více úrovních (tyto zářiče bývají označovány jako vrstvené). Vícenásobných rezonancí se dá rovněž docílit vhodnou úpravou motivu zářiče, který pak pracuje v režimu vyšších rezonančních módů. Tyto úpravy zahrnují použití zkratovacích kolíků resp. zkratovacích stěn, induktivních a kapacitních prvků. Dále se používají různá vodivá narušení motivu zářiče tvaru štěrbin, zářezů a výčnělků původního motivu. Vzhledem k tomu, že výsledkem předkládaného řešení je dvoupásmový a vícepásmový flíckový zářič s dvojicí resp. n-ticí štěrbin tvaru U, tedy anténa patřící do kategorie uprave15 ných zářičů pracujících s vyššími módy, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům zářičů. V této kategorii je znám flíckový zářič tvaru čtverce s jednou resp. dvěma přímými štěrbinami umístěné v blízkosti hrany zářiče resp. v blízkosti protilehlých hran zářiče. Zmíněný zářič s jednou štěrbinou pracuje jako dvoupásmový zářič s módy TM_Oi a TM₀₂, rezonanční kmitočty jsou přibližně v poměru 1 : 2. Zmíněný zářič se dvěma štěrbinami pracuje jako dvoupásmo20 vý zářič s módy TM₀₁ a TM₀3, rezonanční kmitočty jsou přibližně v poměru 1 : 3. Na rezonančních kmitočtech je v případě obou zářičů oblast s převažujícím vlivem na vyzařování umístěna uprostřed zářiče, tj. mezi štěrbinou a protilehlou hranou v případě zářiče s jednou štěrbinou resp. mezi štěrbinami v případě zářiče se dvěma štěrbinami. Nevýhodou tohoto uspořádání je omezení na dvoupásmový provoz a velice malá přeladitelnost poměru rezonančních kmitočtů 1 : 2 a 1 : 3, daná rezonancí základního a vyššího módů TMoi a TM₀₂ resp. TM_Oi a TM₀3·

Existuje rovněž varianta kruhového flíčkového zářiče s analogickým umístěním jedné resp. dvou štěrbin, které jsou prohnuté tak, aby kopírovaly tvar obvodu. Princip činnosti, poměr rezonančních kmitočtů a vlastnosti tohoto uspořádaní je analogický pravoúhlému zářiči.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vícepásmová flíčková anténa podle předkládaného řešení. Tato vícepásmová flíčková anténa je tvořená vodivou zemní deskou a vodivým zářičem, kde rozměr zemní desky je větší než rozměr tohoto zářiče a vzdálenost zářiče nad zemní deskou je typicky v rozmezí 0,01 - 0,1 Xg, kde Xg je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče na daném substrátu. Prostor mezi zemní deskou a zářičem je vyplněn vzduchem, případně dielek35 trickým substrátem. Podstatou nového řešení je, že v zářiči, který má ve směru jeho podélné osy délku v rozmezí 0,7 až 1,0 Xg a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku v rozmezí 0,5 až 0,8 Xg, jsou vytvořeny souměrně vzhledem ke středu zářiče vzájemně proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířky typicky 0,001 až 0,01 Xg. Každá z této první a druhé skupiny obsahuje alespoň jednu první štěrbinu respektive alespoň jednu druhou štěrbinu. Tato alespoň jedna první a alespoň jedna druhá štěrbina jsou tvořeny třemi na sebe navazujícími přímými úseky, a to středním úsekem, prvním krajním úsekem a druhým krajním úsekem. První krajní úsek a druhý krajní úsek svírají se středním úsekem úhel v rozmezí 60° až 120°. Vzdálenost mezi středními úseky dvou nejblíže proti sobě umístěných štěrbin ve směru podélné osy symetrie leží v rozmezí 0,45 až 0,55 Xg. Vzájemná vzdálenost středních úseků případných dalších štěrbin v první respektive druhé skupině štěrbin je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg. Délka středních úseků leží v rozmezí 0,15 až 0,35 Xg, přičemž délka středního úseku první štěrbiny je kratší než délka středního úseku druhé, protilehlé štěrbiny. Délka krajních úseků leží v rozmezí 0,15 až 0,3 Xg, vzdálenost mezi konci krajních úseků první štěrbiny a konci krajních úseků k ní nejbližší protilehlé druhé štěrbiny od

-1 CZ 16387 U1 středu zářiče je ve směru podélné osy tohoto zářiče v rozmezí -0,1 až 0,2 Xg a ve směru kolmém k podélné ose zářiče je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg. Minimální vzdálenost středních úseků krajních štěrbin každé ze skupin štěrbin od kraje zářiče je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg a vzdálenost krajních úseků krajních štěrbin každé ze skupiny štěrbin od kraje zářiče (2) je 0,05 až 0,25 Xg.

Mezi výhody takto uspořádané vícepásmové flíčkové antény patří možnost naladění nižších kmitočtů polohou a délkou jednotlivých úseků štěrbin, prostorově úsporné uspořádání a příčné vyzařování na rezonančních kmitočtech.

Ve výhodném provedení alespoň jedna ze skupin štěrbin obsahuje minimálně dvě štěrbiny.

Toto uspořádání s minimálně třemi štěrbinami umožňuje naladit další vzniklé rezonanční kmitoío čty zářiče téměř libovolně v rozsahu mezi nejnižším a nejvyšším kmitočtem vzájemnou polohou štěrbin, délkami jednotlivých úseků štěrbin a jejich polohou v zářiči ve výše uvedených tolerančních mezích. S růstem počtu štěrbin se zužuje impedanční šířka pásma, což umožňuje použít anténu v určitých aplikacích, kde je třeba přijímat nebo vysílat úzkopásmový signál v několika frekvenčních kanálech. Ve frekvenčním pásmu mezi jednotlivými rezonancemi anténa naopak funguj e j ako frekvenční filtr - pásmová zádrž.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude dále vysvětleno pomocí přiložených výkresů. Na obr. laje schematicky naznačeno základní provedení vícepásmové flíčkové antény, a to v pohledu shora. Na obr. lb je pak přední boční pohled na anténu s vyznačením napájecí sondy. Na obr. 2 je znázornění vekto20 rove proudové hustoty zářiče s dvojicí štěrbin na rezonančním kmitočtu fi = 1,690 GHz a na obr. 3 je tentýž případ, ale pro rezonanční kmitočet f₂ = 3,050 GHz. Znázornění vektorové proudové hustoty zářiče s trojicí U-štěrbin postupně na rezonančních kmitočtech fr - 1,600 GHz, f₂ = 1,950 GHz, f₃ = 2,600 GHz a f₄ = 3,350 GHz je uvedeno na obr. 4 až 7. Na obr: 8 je schematicky znázorněno provedení, kdč krajní úseky štěrbin svírají se středním úsekem růziiě úhly.

Příklady provedení technického řešení¹

Nejjednodušší příklad vícepásmové flíčkové antény podle předkládaného řešení je uveden na obr. la a lb. Tato anténa je tvořená vodivou zemní deskou 4 a vodivým zářičem 5, kde rozměr zemní desky 4 je větší než rozměr zářiče 5. Vzdálenost zářiče 5 nad zemní deskou 4 je typicky v rozmezí 0,01 - 0,1 Xg, kde Xg je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče 5 na daném substrátu. Prostor mezi zemní deskou 4 a zářičem 5 je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem. Zářič 5 má ve směru své podélné osy délku L& která leží v rozmezí 0,7 až 1,0 Xg a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku ležící v rozmezí 0,5 až 0,8 Xg. Souměrně vzhledem ke středu zářiče 5 jsou v zářiči 5 vytvořeny proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířek typicky 0,001 až 0,01 Xg. V daném příkladě každá ze skupin štěrbin obsahuje pouze jednu štěrbinu, a to první skupina první štěrbinu i a druhá skupina druhou štěrbinu 2. Obecně je každá štěrbina v každé skupině tvořena třemi na sebe navazujícími přímými úseky, a to jedním středním a dvěma krajními, kde krajní úseky se středním svírají úhel v rozmezí 60° až 120°. V uváděném příkladě jsou štěrbiny vytvořeny ve tvaru písmene U, takže první štěrbina I je tvořena prvním středním úsekem 12 a prvními krajními úseky Π.. Analogicky druhá štěrbina 2 je tvořena druhým středním úsekem 22 a druhými krajními úseky 21. První štěrbina 1 a druhá štěrbina 2 představují vodivé narušení zářiče 5, umístěné souměrně vzhledem ke středu tohoto zářiče 5 otevřeným ústím písmene U proti sobě. Napájení zářiče je provedeno koaxiální sondou 6, jejíž poloha je na podélné ose symetrie ve vzdálenosti přibližně 0,1 až 0,2 Xg od středu zářiče 5 směrem ke druhé štěrbině 2. Vnější vodič napáječe je vodivě spojen se zemní deskou 4 a střední vodič, vlastní napájecí sonda, je vodivě spojen se zářičem 5.

Výhodné je vytvořit vícepásmovou flíčkovou anténu, kde bude ve skupinách více nezjedná štěrbina, tedy až n štěrbin. Jeden možný příklad ukazuje obr. 4 až 7, kde v jedné skupině jsou dvě štěrbiny a ve druhé skupině je pouze jedna štěrbina. Jednotlivé štěrbiny jsou zde označeny pořa-2CZ 16387 Ul dovým číslem tak, že jedna ze dvou štěrbin nejblíže umístěných ke středu zářiče 5 s kratším středním úsekem má číslo I, druhá protilehlá štěrbina umístěná nejblíže středu zářiče 5 má číslo 2 a třetí štěrbina, umístěná ve skupině s první štěrbinou i, ale dále od středu zářiče 5, má číslo 3. Případné další štěrbiny umístěné ve větší vzdálenosti od středu zářiče 5 než nejbližší dvě štěrbiny mají pořadová čísla n přidělena tak, že lichými hodnotami jsou označeny štěrbiny umístěné vzhledem ke středu zářiče 5 na jedné straně a sudými hodnotami jsou označeny štěrbiny upuštěné na protilehlé straně zářiče 5.

Je nutné zde poznamenat, že lze také vytvořit štěrbiny, jejichž krajní úseky nesvírají se středním úsekem pravý úhel, ale úhel větší či menší v rozmezí±30°, viz obr. 8.

ío Jak bylo již uvedeno, každá štěrbina se skládá ze tří přímých úseků. Jejich délky lze obecně označit tak, že délka středního úseku je Ln₂, krajní úseky Ln_b kde n je pořadové číslo štěrbiny. V nejjednodušším provedení jsou tedy vytvořeny dvě štěrbiny tvaru písmene U, které rozdělují motiv zářiče 5 na vnitřní a vnější oblast. Zářič 5 pak pracuje v dvoupásmovém provozu s maximem vyzařování ve směru kolmém k ploše zářiče 5, jestliže rozměry vnitřní a vnější oblasti spl15 ňují podmínky pro vytvoření stojaté proudové půlvlny ve vnitřní oblasti s rezonancí na vyšším kmitočtu f₂ a vnější oblasti s rezonancí na nižším kmitočtu f_b přičemž uzly těchto stojatých vln jsou umístěny na podélné ose symetrie na krajích vnitřní resp. vnější oblasti.

Geometricky lze definovat velikost vnitřní oblasti poměrně pomocí vlnové délky Xg nejvyšší pracovní frekvence zářiče následovně. Vzdálenost mezi prvním středním úsekem 21 první štěrbi20 ny I, který má délku LI? a druhým středním úsekem 22 druhé štěrbiny 2, který má délku L2_Z ve směru podélné osy symetrie je v rozmezí 0,45 až 0,55 Xg. Délka LL prvních krajních úseků li první štěrbiny i a délka L2i druhých krajních úseků 21 druhé štěrbiny 2 jsou v rozmezí 0,15 až 0,3 Xg, délka Lb prvního středního úseku 12 první štěrbiny i a délka L2_Z druhého středního úseku 22 druhé štěrbiny 2 je v rozmezí 0,15 až 0,35 Xg. Vzdálenosti dj resp. d₂ mezi konci' prv25 nich resp. druhých krajních úseků 11 a 21 nejbližších protilehlých štěrbin od středu zářiče 5 zde tedy první štěrbiny 1 a druhé štěrbiny 2, je ve směru podélné osy zářiče 5 v rozmezí -0,1 až 0,2 Xg, to znamená, že kraj dané štěrbiny může zasahovat do protilehlé poloviny zářiče 5 a ve směru kolmém k podélné ose zářiče 5 je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg. Dále platí, že minimální vzdálenost středních úseků krajních štěrbin každé ze skupin štěrbin, v příkladě dle obr. 1 a 2 tedy prvního středního úseku 12 první štěrbiny i a druhého středního úseku 22 druhé štěrbiny 2, je od kraje zářiče 5 v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg a vzdálenost krajních úseků 11 a 21 těchto krajních štěrbin 1 a 2 každé ze skupiny štěrbin od kraje zářiče 5 je 0,05 až 0,025 Xg.

Rozměry vnější oblasti jsou vymezeny Vně rozměrem zářiče 5, který má ve směru jeho podélné osy délku Lg v rozmezí 0,7 až 1,0 Xg a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku W_z v rozmezí

0,5 až 0,8 Xg a zevnitř polohou štěrbin.

Princip činnosti dvoupásmové flíčkové antény lze názorně dokumentovat rozložením vektorové proudové hustoty na zářiči 5 na obou rezonančních kmitočtech, viz obr. 2 a 3, kde je znázornění vektorové proudové hustoty zářiče s dvojicí štěrbin na rezonančních kmitočtech fi = 1,690 GHz, obr. 2, a f₂ = 3,050 GHz, obr. 3. Místa s minimální velikostí vektorů představují uzly, místa s maximální velikostí vektorů představují kmitný stojaté proudové vlny. Nižší rezonanční kmitočet fi zářiče 5 lze přibližně odvodit z délky střední linie Ls_a takto vzniklé oblasti, jež odpovídá půlvlnné rezonanci na tomto nižším kmitočtu. Délku této střední linie lze určit ze vztahu

Lsfi ~ ((Ll₂ + L2₂)/2 + Lli + L2i + di + d₂ + (W_z + L_z))/2.

Vyšší rezonanční kmitočet f₂ lze přibližně odvodit z délky linie Ls^, jež odpovídá polovině délky stojaté proudové vlny na vyšším kmitočtu

Lse ~ Lli + L2i + di + d₂.

V dalším z možných uspořádání jsou umístěny tři štěrbiny, v daném příkladě ve tvaru písmene U, a to první štěrbina i, druhá štěrbina 2 a třetí štěrbina 3, viz obr. 4 až 7, a zářič 5 pracuje ve tří50 pásmovém resp. čtyřpásmovém provozu. Vnější rezonanční oblast je ohraničena vně rozměrem

-3CZ 16387 U1 zářiče 5 a zevnitř vnějšími okraji druhé štěrbiny 2 třetí štěrbiny 3. První vnitřní rezonanční oblast je pak vymezena v jedné, levé, polovině vně rozměrem zářiče 5 a zevnitř druhou štěrbinou 2, v druhé, pravé, polovině vně třetí štěrbinou 3 a zevnitř první štěrbinou 1.. Druhá vnitřní rezonanční oblast je vymezena v jedné, levé, polovině druhou štěrbinou 2, v druhé, pravé, polovině vně třetí štěrbinou 3 a zevnitř první štěrbinou L Třetí vnitřní rezonanční oblast je ohraničena vně první štěrbinou 1 a druhou štěrbinou 2.

Princip činnosti čtyřpásmové flíčkové antény lze názorně dokumentovat opět rozložením vektorové proudové hustoty na motivu zářiče na rezonančních kmitočtech, viz obr. 4 až 7. Na obrázcích lze rozlišit kmitný představované oblastí s maximální velikostí vektorů, a uzly reprezentoío váné oblastí s minimální velikostí vektorů, stojaté vlny proudové hustoty ve vnější oblasti, viz obr. 4, a ve vnitřních oblastech, obr. 5 až 7. Znázornění vektorové proudové hustoty zářiče 5 s trojicí štěrbin odpovídá po řadě situaci na rezonančních kmitočtech fi = 1,600 GHz, obr. 4, f₂ =

1,950 GHz, obr. 5, f₃ = 2,600 GHz, obr. 6 a f₄ = 3,350 GHz, obr. 7. Místa s minimální velikostí vektorů představují uzly, místa s maximální velikostí vektorů představují kmitný stojaté proudo15 vé vlny.

Průmyslová využitelnost

Oblasti použití vícepásmové flíčkové antény lze nalézt např. v komunikačních zařízeních využívajících dvou až čtyř pásem, na příklad v mobilní telefonii bezdrátových lokálních datových sítích WLAN, pro radiofřekvenční identifikaci (RFID) nebo při aplikacích detekce signálů.

Claims

20 NÁROKY NA OCHRANU

- 1. Vícepásmová flíčková anténa tvořená vodivou zemní deskou a vodivým zářičem, kde rozměr zemní desky je větší než rozměr tohoto zářiče a vzdálenost zářiče nad zemní deskou je typicky v rozmezí 0,01 - 0,1 Xg, kde Xg je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče na daném substrátu, a kde prostor mezi zemní deskou a zářičem je vyplněn vzduchem, případně

25 dielektrickým substrátem, vyznačující se tím, že v zářiči (5), který má délku (L_z) ve směru jeho podélné osy v rozmezí 0,7 až 1,0 Xg a šířku (W_z) ve směru kolmém na podélnou osu v rozmezí 0,5 až 0,8 Xg, jsou vytvořeny souměrně vzhledem ke středu zářiče vzájemně proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířky typicky 0,001 až 0,01 Xg, z nichž první skupina obsahuje alespoň jednu první štěrbinu (1) a druhá skupina obsahuje alespoň jednu druhou štěrbinu (2), kde

30 tato alespoň jedna první štěrbina (1) a alespoň jedna druhá štěrbina (2) jsou tvořeny třemi na sebe navazujícími přímými úseky, a to středním úsekem (12, 22) a dvěma krajními úseky (11, 21), kde krajní úseky (11, 21) svírají se středním úsekem (12, 22) úhel v rozmezí 60° až 120°, přičemž vzdálenost mezi středními úseky (12, 22) dvou nejblíže proti sobě umístěných štěrbin (1, 2) ve směru podélné osy symetrie leží v rozmezí 0,45 až 0,55 Xg, vzájemná vzdálenost středních

35 úseků případných dalších štěrbin v první respektive druhé skupině štěrbin je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg, délka středních úseků (12, 22) leží v rozmezí 0,15 až 0,35 Xg, přičemž délka středního úseku (12) první štěrbiny (1) je kratší než délka středního úseku (22) protilehlé druhé štěrbiny (2), délka krajních úseků (11, 21) leží v rozmezí 0,15 až 0,3 Xg, vzdálenost (d_b d₂) mezi konci krajních úseků (11) první štěrbiny (1) a konci krajních úseků (21) k ní nejbližší protilehlé druhé

40 štěrbiny (2) od středu zářiče (5) je ve směru podélné osy tohoto zářiče (5) v rozmezí -0,1 až 0,2 Xg a ve směru kolmém k podélné ose zářiče (5) je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg, přičemž minimální vzdálenost středních úseků (12, 22) krajních štěrbin (1,2) každé ze skupin štěrbin od kraje zářiče (5) je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg a vzdálenost krajních úseků (11, 21) krajních štěrbin (1, 2) každé ze skupiny štěrbin od kraje zářiče (5) je 0,05 až 0,25 Xg.

45 2. Vícepásmová flíčková anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna ze skupin štěrbin obsahuje minimálně dvě štěrbiny (1, 3).