CZ19482U1

CZ19482U1 - Low-profile antenna

Info

Publication number: CZ19482U1
Application number: CZ200920889U
Authority: CZ
Inventors: Polívka@Milan; Švanda@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2009-03-30

Description

Nízkoprofitová anténaLow-profile antenna

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofilového meandrově nebo spirálovitě skládaného dipólového zářiče, tedy antény, se stínící rovinou, vykazujícího komplexní charakter vstupní impedance a minimální vliv materiálu objektu, na kterém je zářič umístěn (kov, lidská tkáň, apod.), na jeho vlastnosti.The present invention relates to the creation of a new extremely low-profile meander or spiral stacked dipole radiator, i.e. an antenna with a shielding plane, showing the complex nature of the input impedance and minimal impact of the material of the object on which the radiator is located (metal, human tissue, etc.). Properties.

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 ío 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. Původci předkládaného řešení byla v minulosti vyvinuta smyčková anténa se stínícím povrchem.Since the result of the present invention results in an antenna operating with good parameters even in close proximity to any objects, the prior art relates to these types of emitters. Acceptable electrical parameters of such operating antennas are achieved in several ways, for example by adding dipole type antennas or truncated versions thereof by a dielectric pad, by using patch antennas or by using multi-arm dipoles above the shielding plane. In the past, the inventors have developed a loop antenna with a shielding surface.

i5 Aby bylo možné provozovat anténu typu zkrácený dipól v těsné blízkosti libovolných objektů (kovových či dielektrických), je nezbytné ji 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.i5 In order to operate the shortened dipole antenna in close proximity to any objects (metal or dielectric), it is necessary to supplement it with a dielectric pad of 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 zmíně20 ných nízkých kmitočtových pásmech na poměrně rozsáhlé struktury (λ</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 λ₀(tedy 6 až 7 mm v UHF pásmu). Tento jev je mnohem výraznější pro antény vytvořené na substrátech s vyšší hodnotou relativní permitivity (e_r >3), použitím takového substrátu tedy nelze anténu miniaturizovat.The dimensions of the patch antennas must be comparable to half the wavelength, resulting in relatively large structures (λ </ 2 - 170 mm) in the low frequency bands mentioned above. 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 λ ₀ (ie 6 to 7 mm in the UHF band). This phenomenon is much more pronounced for antennas created on substrates with higher relative permittivity (e _r > 3), so using such a substrate it is not possible to miniaturize the antenna.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti vodivé roviny umožní realizovat nízkoprofilovou anténu (0,01 λο) při zachování 50 % vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. Použití mikrovlnného nízkoztrátového substrátu již vede k dalšímu výraznému poklesu. Kvůli významné závislosti vstupní impedance antény na výšce substrátu, je realizace tohoto zářiče se vzduchovým dielektrikem 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 allows to realize a low-profile antenna (0.01 λο) while maintaining 50% radiation efficiency. However, this efficiency value is achieved using an air dielectric. The use of a microwave low-loss substrate already leads to a further significant decrease. Due to the significant dependence of the antenna input impedance on the substrate height, this air dielectric emitter is very difficult to implement. The dimensions of the antenna are again comparable to half the wavelength.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem, která je předmětem CZ PV 2008-443 odstraňuje uvedené nedostatky, její nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou > 6).The low-profile loop antenna with shielding surface, which is the subject of CZ PV 2008-443, removes the above mentioned disadvantages, but its disadvantage is the relatively high weight and higher production costs caused by the necessity to use a substrate with a high permittivity> 6).

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Nedostatky výše uvedených řešení, včetně hmotnosti a ceny zářiče, odstraňuje nízkoprofilová anténa podle předkládaného řešení, která je tvořená prvním substrátem s prvním motivem, kde tento první substrát je umístěn na druhém substrátu, na jehož vrchní straně přilehlé ke spodní straně prvního substrátu je vytvořen druhý motiv a kde spodní strana druhého substrátu je opat40 řena souvislou vodivou vrstvou tvořící stínící rovinu. Podstatou nového řešení je, že první substrát má tloušťku 0,0001 až 0,005 λ₆ a nízkou relativní permitivitu ε,, která je v rozmezí 1 až 4, První motiv, umístěný na vrchní straně prvního substrátu, je tvořen páskem o celkové délce 0,4 až 1,6 X_g a o tloušťce v rozmezí 0,001 až 0,015 λ₈. Pásek je složen z na sebe navazujících navzájem rovnoběžných úseků symetricky rozložených kolem středu tohoto pásku. Pásek je buď v jednom provedení skládán meandrovitě nebo ve druhém provedení je skládán do tvaru obdélníkové či čtvercové spirály. Počet jednotlivých úseků meandru nebo smyčky, jejich vzájemný dél- 1 CZ 19482 Ul kovy poměr a poměr mezer mezi úseky a tloušťkou páskuje libovolný, pouze musí být zachována celková délka pásku. Pásek je ve svém středu opatřen mezerou, do které se umísťuje napájecí čip. Šířka této mezery odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. První substrát je umístěn na druhém substrátu o relativní permitivitě, která je v rozmezí 1 až 4 a o tloušťce 0,001 ažThe disadvantages of the above solutions, including the weight and cost of the emitter, are eliminated by the low-profile antenna of the present invention, which is formed by a first substrate having a first motif, wherein the first substrate is located on a second substrate. and wherein the underside of the second substrate is provided with a continuous conductive layer forming a shielding plane. The essence of the novel solution is that the first substrate has a thickness of 0.0001 to 0.005 λ ₆ and a low relative permittivity ε, which is in the range of 1 to 4. The first motif, located on the top of the first substrate, consists of a strip of total length 0, 4 to 1,6 X _g and a thickness in the range 0,001 to 0,015 λ ₈ . The strip is composed of mutually parallel sections symmetrically spaced around the center of the strip. The strip is either meandered in one embodiment or in the other embodiment is rectangular or square spiral. The number of individual sections of the meander or loop, their mutual length, the ratio and the ratio of the spacing between the sections and the thickness of the strip is arbitrary, only the total length of the strip must be maintained. The strip has a gap in its center in which the power chip is placed. The width of this gap corresponds to the contact distance of the chip used. The first substrate is placed on a second substrate with a relative permittivity ranging from 1 to 4 and a thickness of 0.001 to

0,015 λ₈. Na vrchní straně druhého substrátu je umístěn druhý motiv vytvořený ze dvou stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek, které jsou umístěny vedle sebe a pokrývají celou vrchní stranu druhého substrátu. Jejich délka ve směru podél delšího rozměru dipólu je v rozmezí 0,15 až 0,5 λ_Β a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 λ₈. Tyto plošky jsou navzájem odděleny štěrbinou, která má šířku 0,0004 až 0,025 λ_Β a leží ve středu druhého substrátu. Spodní strana druhého subio stratu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící stínící rovinu. Na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou jsou obě plošky spojeny se stínící rovinou pomocí spojité vodivé vrstvy. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu.0.015 λ ₈ . On the top side of the second substrate is located a second motif formed of two equal rectangular rectangular faces, which are placed side by side and cover the entire top side of the second substrate. Their length along the longer dimension of the dipole is in the range of 0.15 to 0.5 λ _Β and their width is in the range of 0.1 to 0.5 λ ₈ . These patches are separated from each other by a slot having a width of 0.0004 to 0.025 λ _Β and lying at the center of the second substrate. The underside of the second subio strate is provided with a continuous plating layer forming a shielding plane. At the outer edge parallel to the slot, the two faces are connected to the shielding plane by means of a continuous conductive layer. In another variation, the conductive connection can be made at only a few points distributed along the edge of the substrate.

První motiv tvořený sklady ve tvaru meandru může být vytvořen tak, že jeho obě poloviny jsou vzhledem ke středu pásku skládány na stejnou stranu nebo na opačnou stranu. Totéž platí pro případ, kdy je první motiv tvořen sklady ve tvaru spirály.The first meander shaped motif may be formed such that its two halves are folded to the same side or the opposite side relative to the center of the strip. The same applies if the first motif is made up of spiral-shaped folds.

Ve výhodném provedení leží střed pásku ve středu prvního substrátu.In a preferred embodiment, the center of the strip lies in the center of the first substrate.

Výhodou uvedené nízkoprofilové antény, oproti stávajícím řešením v oblasti antén pracujících v blízkosti libovolných objektů, je značná miniaturizace jejích půdorysných rozměrů a především významné snížení profilu zářiče při zachování vyzařovací účinnosti větší než 50 %, a tedy kladné hodnoty anténního zisku. Výhodou je též nízká hmotnost daná použitím dielektrického substrátu s nižší hodnotou relativní permitivity (ε_Γ < 4). Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény pro bezkontaktní identifikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což není v současnosti uspokojivě řešeno.The advantage of the 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. Another advantage is the low weight given by the use of a dielectric substrate with a lower value of relative permittivity (ε _Γ <4). The solution thus enables the use of such an antenna for contactless identification (RFID) of eg metal containers or other objects or persons, which is not currently satisfactorily solved.

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 uveden pohled shora na druhý substrát s motivem dvojice plošek oddělených štěrbinou. Obr. 3 zobrazuje pohled na první substrát s motivem pásku skládaného do tvaru meandru, obr. 4 pak zobra30 zuje jinou variantu meandrovitě skládaného pásku. Na obr. 5 je pásek skládaný do tvaru spirály a na obr. 6 je jeho další varianta.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. Figure 2 is a top view of a second substrate with a pair of faces separated by a slit. Giant. 3 shows a view of a first meander-shaped ribbon substrate; FIG. 4 shows another variant of a meander-folded ribbon. In Fig. 5 the strip is folded in the form of a spiral and in Fig. 6 it is another variant.

Příklady provedení technického řešeníExamples of technical solution

Příklad řešení nízkoprofilové dipólové antény s rezonančním povrchem je schematicky naznačen na obr. 1. Jedná se o umístění prvního substrátu i s prvním motivem skládaného dipólu tvořené35 ho páskem 6 na druhý substrát 2, který má na své vrchní straně vytvořen druhý motiv dvou plošek, a to první plošky 4.1 a druhé plošky 42, oddělených štěrbinou 5. Druhý motiv druhého substrátu 2 je samostatně zobrazen na obr. 2. Spodní stranu druhého substrátu 2 pokrývá souvislá vodivá vrstva 3 tvořící stínící rovinu. Na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou 5 jsou první a druhá ploška 4.1 a 4.2 spojeny se stínící rovinou pomocí spojité vodivé vrstvy. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany druhého substrátu 2; Pevné spojení prvního substrátu i a druhého substrátu 2 lze realizovat například pomocí tenké vrstvy lepidla či lisováním.An example of a solution of a low-profile dipole antenna with a resonant surface is schematically indicated in Fig. 1. It is the placement of the first substrate with the first folded dipole motif formed by 35 strip 6 on the second substrate 2. The second motif of the second substrate 2 is shown separately in FIG. 2. The underside of the second substrate 2 is covered by a continuous conductive layer 3 forming a shielding plane. At the outer edge parallel to the slot 5, the first and second faces 4.1 and 4.2 are connected to the shielding plane by means of a continuous conductive layer. In another variation, this conductive connection can be made at only a few points distributed along the edge of the second substrate 2; The rigid connection of the first substrate 1 and the second substrate 2 can be realized, for example, by means of a thin adhesive layer or by pressing.

Obr. 3 znázorňuje první motiv vlastního meandrovitě skládaného pásku 6 na prvním substrátu i. Pásek 6 je zde ve svém středu přerušen mezerou 7, která slouží pro umístění napájecího čipu.Giant. 3 shows the first motif of the self-meandering pleat strip 6 on the first substrate 1. The strip 6 is interrupted in its center by a gap 7 which serves to accommodate the power chip.

Tato mezera 7 nemusí vždy ležet nutně ve středu daného pásku 6. Šířka mezery 7 odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého Čipu. Tloušťka prvního substrátu 1 je 0,0001 + 0,005 λ_κ a jeho relativní permitivita ε_Γ = 1 + 4. Pásek 6 je zde umístěn symetricky vzhledem k jeho středu. TotoThis gap 7 does not necessarily always lie in the center of the strip 6. The width of the gap 7 corresponds to the contact distance of the chip used. The thickness of the first substrate 1 is 0.0001 + 0.005 λ _κ and its relative permittivity ε _Γ = 1 + 4. The strip 6 is located here symmetrically with respect to its center. This

OO

CZ 19482 Ul umístění je výhodné, nikoli však nutné. Posun mimo jednu z os nebo obě osy mírně skloní vyzařovací charakteristiku, což ale nemusí v řadě případů vadit.The location of the U1 is advantageous but not necessary. Moving off one or both axes slightly inclines the radiation characteristic, which in many cases does not matter.

Na obr. 2 je uveden příklad provedení druhého substrátu 2 s druhým motivem. Druhý substrát 2 má relativní permitivitu, která je v rozmezí 1 + 4., Na jeho vrchní straně je vytvořen druhý motiv složený ze dvou stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek, z první plošky 4.1 a z druhé plošky 4,2. které jsou odděleny vzájemně štěrbinou 5 tloušťky 0,0004 + 0,025 Xg. Tloušťka tohoto druhého substrátu 2 je 0,001 + 0,015 X_g. Strana každé plošky 4.1 a 4.2 ve směru podél delšího rozměru smyčky má délku 0,15 -*--0,5 X_g. Šířka první a druhé plošky 4.1 a 4.2. tedy ve směru napříč delšího rozměru pásku 6, je v rozmezí hodnot 0,1 +· 0,5 X_g.Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a second substrate 2 with a second motif. The second substrate 2 has a relative permittivity which is in the range of 1 + 4. A second motif is formed on its top side consisting of two equal rectangular quadrilateral patches, a first patter 4.1 and a second patter 4.2. which are separated from each other by a slit 5 of 0.0004 + 0.025 Xg thickness. The thickness of this second substrate 2 is 0.001 + 0.015 X _g . The side of each face 4.1 and 4.2 in the direction along the longer dimension of the loop has a length of 0.15 - * - 0.5 X _g . Width of the first and second faces 4.1 and 4.2. that is, in the direction across the longer dimension of the strip 6, it is in the range of 0.1 ± 0.5 X _g .

io Na obr. 4, obr. 5 a obr. 6 jsou zobrazeny příklady možných modifikací vlastního dipólu tvořeného páskem 6, které se liší použitým způsobem skládání. Na obr. 4 je pásek 6 meandrovitě skládán, přičemž každá polovina pásku 6 je skládána na opačnou stranu. Na obr. 5 a obr. 6 je pak uveden příklad, kdy je pásek 6 skládán do tvaru spirály, a to orientovanými vzhledem ke středu pásku 6 buď na stejnou nebo na opačnou stranu..Fig. 4, Fig. 5 and Fig. 6 show examples of possible modifications of the dipole itself formed by the band 6, which differ by the folding method used. In FIG. 4, the strip 6 is meandering, with each half of the strip 6 being folded to the opposite side. FIG. 5 and FIG. 6 show an example in which the strip 6 is folded in a spiral shape, oriented with respect to the center of the strip 6 on either the same or the opposite side.

Anténa pracuje jako dípólová anténa o délce srovnatelné s vlnovou délkou X_g na daném substrátu. Meandrovité nebo spirálovité skládání slouží k miniaturizaci půdorysných rozměrů antény. Podstatnou součástí antény je dvojice plošek 4.1 a 4.2 umístěných na druhém substrátu 2, který odděluje smyčku od vodivé stínící roviny, tedy od souvislé vodivé vrstvy 3, První ploška 4.1 a druhá ploška 4.2 jsou na své vnější hraně vodivě spojeny se stínící rovinou, čímž tvoří Čtvrtvlnný rezonátor na druhém substrátu 2 a jejich podélný rozměr je tak poloviční oproti nezkratované, tedy půl vinné, variantě. Na první a druhé plošce 4.1 a 4.2 tohoto povrchu je páskem 6 vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru s rozložením na napájeném úseku tohoto pásku 6. Dochází tak ke konstruktivním interferencím a podstatnému zvýšení vyzařovací účinnosti, která je větší než 50 % oproti umístění dipólu tvořeného páskem 6 na shodném substrátu bez použití zmíněné první a druhé plošky 4.1 a 4.2 kdy je vyzařovací účinnost menší než 10 %.The antenna operates as a dipole antenna of a length comparable to the wavelength X _g on a given substrate. Meandering or spiraling is used to miniaturize the ground plan dimensions of the antenna. An essential part of the antenna is a pair of flats 4.1 and 4.2 located on the second substrate 2, which separates the loop from the conductive shielding plane, i.e. from the continuous conductive layer 3. The first flat 4.1 and the second patch 4.2 are conductively connected to the shielding plane The quarter-wave resonator on the second substrate 2 and their longitudinal dimension is thus half that of the short-circuited, i.e. half-wine, variant. On the first and second flats 4.1 and 4.2 of this surface, the strip 6 is energized in accordance with the distribution on the powered section of the strip 6. This results in constructive interference and a substantial increase in radiation efficiency of greater than 50% compared to the location of the dipole formed by the strip. 6 on the same substrate without the use of said first and second faces 4.1 and 4.2 wherein the radiation efficiency is less than 10%.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci nízkoprofilových antén schopných pracovat v blízkosti 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 working near any objects for radio frequency identification devices in UHF or microwave frequency bands, eg identification of metal objects or persons.

Claims

30 PROTECTION REQUIREMENTS

A low profile antenna comprising a first substrate having a first motif, wherein the first substrate is disposed on a second substrate having a second motif on the top side adjacent the underside of the first substrate and wherein the underside of the second substrate is provided with a continuous conductive layer forming a shielding plane The method according to claim 1, characterized in that the first substrate (1) has

35 a thickness of 0.0001 to 0.005 X _g and a low relative permittivity ε _Γ , which is in the range of 1 to 4 and the first motif, located on top of the first substrate (1), consists of a strip (6) with a total length of 0.4 to 1.6 X _g and a thickness in the range of 0.001 to 0.015 X _g , which is composed of mutually parallel sections symmetrically distributed around the center of the strip (6) and interrupted by a gap (7) for accommodating a power chip whose width corresponds to a distance contacts used

And wherein the second substrate (2) has a relative permittivity in the range of 1 to 4 and its thickness is in the range of 0.001 to 0.015 X _g , wherein the second motif located on top of the second substrate (2) covers the entire top side and two equal rectangular squares (4.1,4.2) placed side by side, whose length in the direction along the longer dimension of the strip (6) is in the range of 0.15 to 0.5 X _g and their width is in the range of 0.1 to 0.5 0,5 X _g and these areas (4.1,

4.2) are separated from each other by a slot (5) lying in the center of the substrate (2) having a width of 0.0004 to

- 3 CZ 19482 Ul

0.025 λ _κ and at the outer edge parallel to the slot (5) the two faces (4.1, 4.2) are connected to the shielding plane (3).

Low-profile antenna according to claim 1, characterized in that the first motif consists of meander-shaped folds, the two halves of which are folded relative to the center of the strip (6).

5 on the same side.

Low-profile antenna according to claim 1, characterized in that the first motif is formed by meander-shaped folds, each half of which is folded to the opposite side with respect to the center of the strip (6).

Low-profile antenna according to claim 1, characterized in that the first motif is also formed by spiral-shaped folds, the two halves of which are folded to the same side with respect to the center of the strip (6).

Low-profile antenna according to claim 1, characterized in that the first motif is formed by spiral-shaped folds, each half of which is with respect to the center of the strip (

6) stacked on the opposite side.

Low-profile antenna according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the center of the strip (6) lies in the center of the first substrate (I).

Low-profile antenna according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the two flats (4.1,4.2) are connected to the shielding plane (3) by a continuous conductive layer.

Low-profile antenna according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the two flats (4.1, 4.2) are connected to the shielding plane (3) only at a few points distributed along the edge of the second substrate (2).

A low-profile antenna according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the gap (7) lies in the center of the strip (6).