CZ18825U1

CZ18825U1 - Low-profile aerial

Info

Publication number: CZ18825U1
Application number: CZ200820141U
Authority: CZ
Inventors: Polívka@Milan; Švanda@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze,
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2008-08-18

Description

Nízkoprofilová anténaLow profile antenna

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofilového smyčkového zářiče, tedy antény, se stínící rovinou, vykazujícího komplexní charakter vstupní impedance a minimální vliv materiálu objektu, na kterém je zářič umístěn, například kov, lidská tkáň, a podobně, na jeho vlastnosti.The present invention relates to the creation of a new extremely low-profile loop emitter, i.e. an antenna, with a shielding plane having a complex input impedance character and minimal impact of the object material on which the emitter is placed, for example metal, human tissue, and the like.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Vzhledem k tomu, že výsledkem předkládaného řešení je anténa pracující s dobrými parametry i v těsné blízkosti libovolných objektů, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům zářičů. Přijatelných elektrických parametrů takto pracujících antén je dosahováno několika způsoby, například doplněním antén dipólového typu nebo jejich zkrácených verzí dielektrickou podložkou, použitím flíčkových (patchových) antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou.Since the result of the present invention is an antenna operating with good parameters even in close proximity to any objects, the prior art is related to these types of radiators. Acceptable electrical parameters of such working antennas are achieved in several ways, for example by adding dipole-type antennas or truncated versions thereof with a dielectric pad, using patch antennas, or using multi-arm dipoles above the shielding plane.

Aby bylo možné provozovat anténu typu zkrácený dipól v těsné blízkosti libovolných objektů (kovových či dielektrických), je nezbytněji doplnit dielektrickou podložkou tloušťky minimálně 0,03 λο. Pro kmitočtová pásma pod 1 GHz (např. RFID aplikace v UHF pásmu 869 MHz) musí být tedy tloušťka podložky větší než cca 10 mm, což není pro řadu aplikací přijatelné.In order to operate the shortened dipole antenna in close proximity to any objects (metal or dielectric), it is necessary to complete a dielectric pad with a thickness of at least 0.03 λο. For frequency bands below 1 GHz (eg RFID applications in the UHF 869 MHz band), the substrate thickness must therefore be greater than about 10 mm, which is not acceptable for many applications.

Rozměry flíčkových antén musí být srovnatelné s polovinou vlnové délky, což vede ve zmíněných nízkých kmitočtových pásmech na poměrně rozsáhlé struktury (λο / 2 ~ 170 mm). Dalším problémem je výrazný pokles vyzařovací účinnosti, a tedy i anténního zisku při snižování profilu antény. Přijatelná vyzařovací účinnost může být dosažena u antény s profilem větším než 0,02 λο (tedy 6 až 7 mm v UHF pásmu). Tento jev je mnohem výraznější pro flíčkové antény vytvořené na substrátech s vyšší hodnotou relativní permitivity (ε_Γ >3), použitím takového substrátu tedy nelze snižovat profil antény.The dimensions of the patch antennas must be comparable to half the wavelength, resulting in relatively large structures (λο / 2 ~ 170 mm) in the low frequency bands. Another problem is a significant decrease in radiation efficiency and hence antenna gain while decreasing the antenna profile. Acceptable radiation efficiency can be achieved with an antenna with a profile greater than 0.02 λο (ie 6 to 7 mm in the UHF band). This phenomenon is much more pronounced for patch antennas created on substrates with higher relative permittivity (ε _Γ > 3), so using such a substrate cannot reduce the antenna profile.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti vodivé roviny umožní realizovat nízkoprofilovou anténu (0,01 λο) při zachování alespoň 50% vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. Použití mikrovlnného nízkoztrátového substrátu již vede k jejímu dalšímu výraznému poklesu. Kvůli významné závislosti vstupní impedance antény na výšce substrátu, je realizace tohoto zářiče se vzduchovým dielek30 trikem značně obtížná. Rozměry antény jsou opět srovnatelné s polovinou vlnové délky.The use of multi-armed pleated dipoles in close proximity to the conductive plane will make it possible to realize a low-profile antenna (0.01 λο) while maintaining at least 50% radiation efficiency. However, this efficiency value is achieved using an air dielectric. The use of a microwave low-loss substrate already leads to its further significant decrease. Due to the significant dependence of the antenna input impedance on the substrate height, the implementation of this airborne element trick 30 is quite difficult. The dimensions of the antenna are again comparable to half the wavelength.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Nedostatky výše uvedených řešení odstraňuje nízkoprofilová anténa podle předkládaného řešení tvořená prvním substrátem s motivem a stínící rovinou. Podstatou nového řešení je, že první substrát má tloušťku 0,0001 až 0,005 λ₈ a nízkou relativní permitivitu ε_Γ, která je v rozmezí 2 ažThe disadvantages of the above solutions are overcome by the low-profile antenna of the present invention formed by a first substrate with a motif and a shielding plane. The essence of the new solution is that the first substrate has a thickness of 0.0001 to 0.005 λ ₈ and a low relative permittivity ε _Γ , which is in the range of 2 to

4. Motiv, umístěný na vrchní straně prvního substrátu, je tvořen minimálně dvěma rovnoběžnými pásky o délce 0,45 až 0,6 kg a o tloušťce v rozmezí 0,0015 až 0,009 X_g, které jsou vzájemně vzdáleny o 0,01 až 0,04 Z_g, kde Z_g je vlnová délka na daném prvním substrátu. Konce těchto pásků jsou navzájem spojeny prvním a druhým propojovacím bočním páskem o tloušťce ve stejném rozmezí jako je tloušťka pásků. Pásek, který je umístěný nejblíže středu prvního substrátu, je opatřen první mezerou, do které se umisťuje napájecí čip. Šířka této první mezery odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. První substrát je umístěn na druhém substrátu o vysoké relativní permitivitě ετ > 6 a o tloušťce 0,007 až 0,015 λ^. Na vrchní straně druhého substrátu je umístěn motiv ze čtyř stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových subvlnových plošek, které jsou umístěny ve dvojicích nad sebou. Jejich délka ve směru podél delšího rozměru rovnoběžných pásků je v rozmezí 0,35 až 0,45 λ₈ a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,45 Z_g. Tyto plošky jsou navzájem odděleny první a druhou štěrbinou, které mají šířku 0,0007 až 0,007 λ₈ a jejichž průse- 1 CZ 18825 Ul čík leží ve středu druhého substrátu. Spodní strana druhého substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící stínící rovinu.4. The motif placed on top of the first substrate shall consist of at least two parallel strips of 0,45 to 0,6 kg in length and of a thickness in the range 0,0015 to 0,009 X _g , spaced 0,01 to 0 apart from each other, Z _g , where Z _g is the wavelength on a given first substrate. The ends of these strips are connected to each other by a first and second connecting side strips of a thickness within the same range as the thickness of the strips. The strip, which is located closest to the center of the first substrate, is provided with a first gap in which the power chip is placed. The width of this first gap corresponds to the contact distance of the chip used. The first substrate is placed on a second substrate with a high relative permittivity ετ> 6 and a thickness of 0.007 to 0.015 λ ^. On the top of the second substrate is a motif of four identical rectangular quadrilateral sub-wavelengths, which are placed in pairs one above the other. Their length in the direction along the longer dimension of the parallel strips is in the range of 0.35 to 0.45 λ ₈ and their width is in the range of 0.1 to 0.45 Z _g . These patches are separated from each other by first and second slots having a width of 0.0007 to 0.007 λ ₈ and whose intersection is at the center of the second substrate. The underside of the second substrate is provided with a continuous coating layer forming a shielding plane.

V případě použití napájecího čipu bez integrovaného stejnosměrného oddělení je v pásku smyčky motivu, ve kterém je vytvořena první mezera, vytvořena ve vzdálenosti 0,02 až 0,07 X_g od středu této první mezery druhá mezera, do které se umisťuje SMD oddělovací kondenzátor. Šířka druhé mezery odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého SMD oddělovacího kondenzátoru.In the case of using a power chip without integrated DC isolation, a second gap is provided in the loop of the motive loop in which the first gap is formed at a distance of 0.02-0.07 X _g from the center of the first gap to accommodate the SMD decoupling capacitor. The width of the second gap corresponds to the contact distance of the SMD decoupling capacitor used.

V jednom možném provedení je plocha druhého substrátu a souvislé vodivé vrstvy větší než plocha prvního substrátu, přičemž rozměry čtveřice plošek jsou zachovány.In one possible embodiment, the area of the second substrate and the continuous conductive layer is larger than the area of the first substrate, while the dimensions of the four pads are maintained.

V jiném provedení je plocha souvislé vodivé vrstvy větší než plocha prvního substrátu, přičemž i o rozměry čtveřice plošek j sou opět zachovány.In another embodiment, the area of the continuous conductive layer is larger than the area of the first substrate, while the dimensions of the four flats are again retained.

Výhodou uvedené nízkoprofilové antény, oproti stávajícím řešením v oblasti antén pracujících v blízkosti libovolných objektů, je značná miniaturizace jeho půdorysných rozměrů a především významné snížení profilu zářiče při zachování vyzařovací účinnosti větší než 50 %, a tedy kladné hodnoty anténního zisku. Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény pro bezkontaktní identi15 fikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což představuje v současnosti značný problém.The advantage of this low-profile antenna compared to existing solutions in the field of antennas working in the vicinity of arbitrary objects is a considerable miniaturization of its ground plan dimensions and above all a significant reduction of the emitter profile while maintaining radiation efficiency greater than 50% and hence positive antenna gain. The solution thus makes it possible to use such an antenna for contactless identification (RFID) of, for example, metal containers or other objects or persons, which is currently a major problem.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu sestavenou z obou substrátů s příslušnými motivy. Na obr. 2 je uve20 den pohled shora na první substrát s motivem smyčkové antény, na obr. 3 pak pohled shora na druhý substrát s motivem čtveřice plošek oddělených štěrbinami. Obr. 4 obsahuje pohled shora na modifikaci motivu antény z obr. 2 při nutnosti použít externí stejnosměrné oddělení pomocí SMD kondenzátoru. Obr. 5 a 6 zobrazují příklady možných modifikací vlastní smyčky s jiným počtem závitů z důvodu dosažení potřebné vstupní impedance. Na obr. 7 je uveden pohled z boku na variantu antény s rozšířenou stínící rovinou včetně druhého substrátu. Na obr. 8 pak varianta s rozšířením pouze stínící roviny.The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Giant. 1 is a side view of the resulting antenna assembled from both substrates with respective motifs. FIG. 2 is a top view of the first substrate with a loop antenna motif; FIG. 3 is a top view of the second substrate with a four patches separated by slits. Giant. 4 is a top view of a modification of the antenna motif of FIG. 2 when using external DC isolation via an SMD capacitor. Giant. 5 and 6 show examples of possible modifications of a self-loop with a different number of turns to achieve the required input impedance. Fig. 7 is a side view of a variant of an antenna with an extended shielding plane including a second substrate. In FIG. 8, a variant with an extension of only the shielding plane.

Příklady provedení technického řešeníExamples of technical solution

Příklad řešení nízkoprofilové smyčkové antény s rezonančním povrchem je schematicky naznačen na obr. 1. Jedná se o umístění prvního substrátu i s motivem smyčky na druhý substrát 6, který má na své vrchní straně vytvořen motiv čtyř subvlnových plošek 7.1, 7.2, 7.3 a 7.4 oddělených první štěrbinou 8.1 a na ní kolmou druhou štěrbinou 8.2. Motiv druhého substrátu 6 je zobrazen na obr. 3. Spodní stranu druhého substrátu 6 pokrývá souvislá vodivá vrstva tvořící stínící rovinu 9. Pevné spojení obou vrstev lze realizovat například pomocí tenké vrstvy lepidla či lisováním.An example of a solution of a low-profile loop antenna with a resonant surface is schematically indicated in Fig. 1. It is the placement of the first substrate with the loop motif on the second substrate 6, which has a motif of four subwaves 7.1, 7.2, 7.3 and 7.4 slot 8.1 and a perpendicular second slot 8.2 thereon. The motif of the second substrate 6 is shown in Fig. 3.

Obr. 2 znázorňuje motiv vlastní smyčky vytvořený na prvním substrátu £. Smyčka je zde tvořena prvním až třetím rovnoběžným páskem 2.1, 2.2, a 2.3 délky 0,45 4- 0,6 X_g a tloušťky 0,0015 ΊΟ,009 X_g vzájemně vzdálenými 0,01 4- 0,04 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu. Jejich konce jsou spojeny prvním propojovacím bočním páskem 3.1 a druhým propojovacím bočním páskem 3.2 o tloušťce ve stejném rozmezí jako mají rovnoběžné pásky 2.1 až 23. Pásek, který je nejblíže středu prvního substrátu i, zde tedy střední pásek 2.2, je ve svém středu přerušen první mezerou 4, která slouží pro umístění napájecího čipu. Tato první mezera 4 nemusí vždy ležet nutně ve středu daného pásku. Šířka první mezery 4 odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. Tloušťka prvního substrátu £ je 0,001 + 0,005 X_g a jeho relativní permitivita ε_Γ - 2 4- 4. Smyčka je umístěna symetricky vzhledem kjeho středu.Giant. 2 shows a self-loop motif formed on the first substrate 6. The loop is here formed by the first to third parallel strips 2.1, 2.2, and 2.3 of a length of 0.45-4.6 X _g and a thickness of 0.0015 ΊΟ, 009 X _g spaced 0.01-4.04 X _g , where X _g is the wavelength on a given substrate. Their ends are joined by a first interconnecting side strip 3.1 and a second interconnecting side strip 3.2 having a thickness in the same range as the parallel strips 2.1 to 23. The strip closest to the center of the first substrate i, here the center strip 2.2, is interrupted in its center gap 4, which is used to place the power chip. This first gap 4 does not necessarily always lie in the center of the strip. The width of the first gap 4 corresponds to the contact distance of the chip used. The thickness of the first substrate £ is 0.001 + 0.005 X _g and its relative permittivity ε _Γ - 2 4- 4. The loop is positioned symmetrically with respect to its center.

Na obr. 3 je uveden příklad provedení druhého substrátu 6 s motivem. Druhý substrát 6 má vysokou relativní permitivitu, která je ε_Γ > 6. Na jeho vrchní straně je vytvořen motiv čtyř stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek 7.1, 7.2, 73 a 7.4, které jsou odděleny vzájemně prvníFig. 3 shows an exemplary embodiment of a second motif substrate 6. The second substrate 6 has a high relative permittivity, which is ε _Γ > 6. On its top side there is a motif of four identical rectangular rectangular faces 7.1, 7.2, 73 and 7.4 separated by the first one

-2CZ 18825 Ul štěrbinou 8.1 a druhou štěrbinou 8.2 tloušťky 0,0007 4- 0,007 X_g. Tloušťka tohoto druhého substrátu 6 je 0,007 4- 0,015 Z_g. Strana každé plošky 7.1, 7.2, 7.3 a 74 ve směru podél delšího rozměru smyčky má délku 0,35 -í- 0,45 Xg. Šířka plošky 7.1, 7.2, 7.3 a 7.4, tedy ve směru napříč delšího rozměru smyčky, je v rozmezí hodnot 0,1 4- 0,45 X_g.-2GB 18825 U1 with slot 8.1 and second slot 8.2 of thickness 0.0007 4- 0.007 X _g . The thickness of this second substrate 6 is 0.007 4- 0.015 _g . The side of each face 7.1, 7.2, 7.3 and 74 in the direction along the longer dimension of the loop has a length of 0.35 - 0.45 Xg. The width of the face 7.1, 7.2, 7.3 and 7.4, i.e. in the direction across the longer loop dimension, is in the range of 0.1-4.45 X _g .

Obr. 4 zobrazuje první substrát 1 s motivem vlastní smyčky, který je modifikován přídavnou druhou mezerou 5, která leží ve stejném pásku, jako první mezera 4, zde tedy ve středním pásku 2.2. Tato druhá mezera 5 umožní, u některých čipů nezbytné, stejnosměrné oddělení pomocí SMD kondenzátoru. Její šířka odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého SMD oddělovacího kondenzátoru.Giant. 4 shows a first substrate 1 with its own loop motif, which is modified by an additional second gap 5, which lies in the same strip as the first gap 4, here in the middle strip 2.2. This second gap 5 will allow, for some chips, DC separation by means of an SMD capacitor. Its width corresponds to the contact distance of the SMD decoupling capacitor used.

io Na obr. 5 resp. 6 jsou zobrazeny příklady možných modifikací vlastní smyčky, které se liší počtem závitů z důvodu dosažení potřebné vstupní impedance v závislosti na impedanci použitého čipu. Vlastní smyčka může mít formu pouze jednoduché smyčky, obr. 5, kde se skládá jen z prvního pásku 2.1 a z druhého pásku 2.2 nebo naopak vícenásobné, například trojité, smyčky, viz obr. 6, kde je zařazen ještě čtvrtý pásek 24. Lze vytvořit motivy i s více než čtyřmi pásky.In FIG. 6 shows examples of possible modifications of the loop itself, which differ in the number of turns to achieve the required input impedance depending on the impedance of the chip used. The loop itself can take the form of a single loop, Fig. 5, where it consists only of the first tape 2.1 and the second tape 2.2 or vice versa, for example triple loops, see Fig. 6 where the fourth tape 24 is included. with more than four tapes.

Další varianty umožňující dosáhnout ještě výraznějšího potlačení vlivu materiálu podložky, na které je anténa umístěna a zvýšení směrovosti antény jsou zobrazeny na obr. 7 a 8. Celkové rozměry druhého substrátu 6 se stínící rovinou 9 tvořenou spojitou vodivou vrstvou pokovení lze, při zachování uvedených rozměrů čtveřice plošek 7.1, 7.2, 7.3 a 74, libovolně zvětšit, jak je uvedeno na obr. 7. Tato varianta může být dále modifikována tím, že bude zvětšen pouze povrch stínící roviny 9, což umožní výrazné snížení hmotnosti celé antény, viz obr. 8. Přesah stínící roviny 9 lze realizovat například pokovením plastového obalu, ve kterém může být anténa umístěna, např. pomocí vodivé fólie.7 and 8, the overall dimensions of the second substrate 6 with the shielding plane 9 formed by the continuous conductive metallization layer can be maintained, while maintaining the indicated quadruple dimensions. 7. This variant can be further modified by increasing only the surface of the shielding plane 9, allowing a significant reduction in the weight of the entire antenna, see Fig. 8. The protrusion of the shielding plane 9 can be realized, for example, by metallizing a plastic package in which the antenna can be placed, for example by means of a conductive foil.

Anténa pracuje jako smyčková anténa o délce srovnatelné s vlnovou délkou X_g na daném substrátu. Dvojité provedeni smyčky umožní dosažení dostatečně vysoké reálné části vstupní impe25 dance antény. Změnou počtu závitů lze tedy ladit reálnou část vstupní impedance antény v závislosti na impedanci čipu. Podstatnou součástí antény je čtveřice plošek 74, 7.2, 7.3 a 74 umístěných na druhém substrátu 6, který odděluje smyčku od vodivé stínící roviny 9. Na jednotlivých ploškách 7.1, 7.2, 7.3 a 7.4 tohoto povrchu je smyčkou vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru s rozložením na středním pásku 2.2 smyčky. Dochází tak ke konstruktivním interferencím a podstatnému zvýšení vyzařovací účinnosti, která je větší než 50 % oproti umístění smyčky na shodném substrátu bez použití zmíněných plošek 7.1, 7.2, 7.3 a 74, kdy je vyzařovací účinnost menší než 17 %.The antenna operates as a loop antenna of a length comparable to the wavelength X _g on a given substrate. The double loop design allows a fair enough high real part of the impe25 dance antenna to be achieved. By changing the number of turns it is possible to tune the real part of the antenna input impedance depending on the chip impedance. An essential part of the antenna is the four flats 74, 7.2, 7.3 and 74 located on the second substrate 6, which separates the loop from the conductive shielding plane 9. On the individual flats 7.1, 7.2, 7.3 and 7.4 this loop is energized on the middle loop 2.2 loop. This results in constructive interference and a substantial increase in radiation efficiency that is greater than 50% compared to placing the loop on the same substrate without using the plots 7.1, 7.2, 7.3 and 74, where the radiation efficiency is less than 17%.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci nízkoprofilových antén schopných pracovat v blíz35 kosti libovolných objektů pro zařízení radiofrekvenční identifikace v UHF či mikrovlnných kmitočtových pásmech, např. identifikace kovových objektů nebo osob.The present solution is useful for realization of low-profile antennas capable of operating in the vicinity of any object for radio frequency identification devices in UHF or microwave frequency bands, eg identification of metal objects or persons.

Claims

A low profile antenna comprising a first substrate having a motif and a shielding plane, characterized in that the first substrate (1) has a thickness of 0.0001 to 0.005 X _g and a relative permittivity

40 ε _Γ in the range

2 to 4 and on its top side the motif is formed by at least two parallel strips (2.1, 2.2) with a length of 0.45 to 0.6 λ ₈ and a thickness in the range of 0.0015 to 0.009 X _g spaced by 0.01 to 0,04 X _g , where X _g is the wavelength on a given first substrate (1), the ends of which are connected to each other by the first and second connecting side strips (1).

3.1, 3.2) of a thickness within the same range as the thickness of the strips (2.1, 2.2), where the strip (2.2) located nearest

45 of the center of the first substrate (1) is provided with a first slot (4) for receiving a power chip of which

The width corresponds to the contact distance of the chip used, and this first substrate (1) is placed on a second substrate (6) having a relative permittivity Sr> 6 and a thickness of 0.007 to 0.015 k _g , on the top of which is a motif of four the same rectangular quadrilateral sub-wavelengths (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) placed in pairs above each other, the length of

5 of the dimension of the parallel strips (2.1, 2.2) is in the range of 0.35 to 0.45 kg and whose width is in the range of 0.1 to 0.45 k _g , where the flats (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) are mutually separated by a first slot (8.1) and a second slot (8.2) having a width of 0.0007 to 0.007 k _g and whose intersection lies at the center of the second substrate (6), the underside of the second substrate (6) being provided with a continuous conductive layer forming a shielding plane (9).

Low-profile antenna according to claim 1, characterized in that, in the case of using a power chip without integrated DC isolation, in the band (2.2) of the loop of the motif in which the first gap (4) is formed is formed at a distance of 0.02 to 0 07 k _g from the center of this first gap (4) a second gap (5) for accommodating an SMD decoupling capacitor whose width corresponds to the contact distance of the SMD decoupling capacitor used.

Low-profile antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the area of the second substrate (6) and the shielding plane (9) is larger than the area of the first substrate (1), the dimensions of the four flats (7.1, 7.2, 7.3, 7.4). ) are retained.

Low-profile antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the area of the shielding plane (9) is larger than the area of the first substrate (1), the dimensions of the four flats (7.1,

20 7.2, 7.3, 7.4) are retained.