CZ19707U1

CZ19707U1 - Low-profile slot antenna

Info

Publication number: CZ19707U1
Application number: CZ200921141U
Authority: CZ
Inventors: Švanda@Milan; Polívka@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2009-06-08

Description

Nízkoprofilová štěrbinová anténaLow profile slot antenna

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofílového planámího zářiče, tedy antény, 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 flame emitter, ie an antenna having a complex input impedance character and minimal influence of the material of the object on which the emitter is placed (metal, human tissue, etc.) on its 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 typům zářičů. Přijatelných elektrických parametrů takto pracujících antén je dosahováno nčkoliio ka způsoby, například doplněním antén dipólového typu nebo jejich zkrácených verzí dielektrickou podložkou nebo stínícími stěnami založenými na umělých magnetických površích, použitím ťlíčkových neboli patchových antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou. Je rovněž známa smyčková anténa se stínícím povrchem chráněná užitným vzorem č. zápisu CZSince 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 a number of ways, for example by adding dipole type antennas or truncated versions thereof with a dielectric pad or shielding walls based on artificial magnetic surfaces, using patch antennas or using multi-arm dipoles above the shielding plane. It is also known a loop antenna with a shielding surface protected by utility model No. CZ

18825 a dipólová anténa s upraveným stínícím povrchem, která je předmětem užitného vzoru č. 15 zápisu CZ 19482.18825 and dipole antenna with modified shielding surface, which is the subject of utility model No. 15 of CZ 19482.

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, kde λ₀ je vlnová délka ve volném prostoru. 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 supplement it with a dielectric substrate of a thickness of at least 0.03 λο, where λ ₀ is the wavelength in the free space. 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 nebo čtvrtinou 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 pod cca 0,02 λο, tedy 6-7 mm v UHF pásmu. Tento jev je mnohem výraznější pro antény vytvořené na substrátech s vyšší hodnotou relativní permitivity ε_Γ > 3, použitím takového substrátu tedy nelze anténu dostatečně miniaturizovat.The dimensions of the patch antennas must be comparable to half or a quarter of 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 thus also the antenna gain while decreasing the antenna profile below about 0.02 λο, ie 6-7 mm in the UHF band. This phenomenon is much more pronounced for antennas created on substrates with higher relative permittivity ε _Γ > 3, so using such a substrate the antenna cannot be sufficiently miniaturized.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti nad vodivou rovinou umožní realizovat nízkoprofilovou anténu při relativní výšce 0,01 λ₀ při zachování cca 50% vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. jo Použití mikrovlnného nízkoztrátovéhú substrátu již vede k dalšímu výraznému pokiesu. 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 above the conductive plane will make it possible to realize a low-profile antenna at a relative height of 0.01 λ ₀ while maintaining about 50% radiation efficiency. However, this efficiency value is achieved using an air dielectric. jo Using a microwave low-loss substrate already leads to another significant pokes. Due to the significant dependence of the antenna input impedance on the substrate height, this air dielectric emitter is very difficult to implement. The antenna dimensions are again comparable to half the wavelength.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem odstraňuje uvedené nedostatky, její 35 nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou e_r > 6. Další nevýhodou je nutnost použít dvojvrstvý substrát, což řešení prodražuje. Dipólovou anténu s upraveným stínícím povrchem lze již realizovat na substrátu s nízkou permitivitou, což významně snižuje její hmotnost. Nevýhodou řešení však stále zůstává dvojvrstvý substrát.A low-profile loop antenna with a shielding surface removes the above-mentioned drawbacks, but its disadvantage is its relatively high weight and higher production costs due to the necessity to use a substrate with high permittivity e _r > 6. Another disadvantage is the necessity to use a two-layer substrate. A dipole antenna with a modified shielding surface can already be implemented on a substrate with low permittivity, which significantly reduces its weight. However, the disadvantage of the solution is still a two-layer substrate.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Nedostatky výše uvedených řešení, včetně hmotnosti a ceny zářiče, odstraňuje nízkoprofilová Štěrbinová anténa podle předkládaného řešení tvořená substrátem s motivem a zemní rovinou. Podstatou nového řešení je, že substrát má tloušťku 0,001 až 0,015 Z_g, kde Z_g je vlnová délka na daném substrátu, a nízkou relativní permitivitu ε_Γ, která je v rozmezí 1 až 4. Motiv zářiče, umístěný na vrchní straně substrátu, je tvořen dvěma stejnými pravoúhlými čtyrúhelníkovými ploškami, které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu. TytoThe disadvantages of the above solutions, including the weight and cost of the emitter, are eliminated by the low profile slot antenna according to the present invention formed by a substrate with a motif and a ground plane. The essence of the novel solution is that the substrate has a thickness of 0.001 to 0.015 Z _g , where Z _g is the wavelength on a given substrate, and the low relative permittivity ε _Γ , which is in the range of 1 to 4. formed by two equal rectangular rectangular faces which are arranged side by side symmetrically with respect to the transverse axis of the substrate. These

-1 CZ 19707 Ul plošky jsou navzájem odděleny první štěrbinou, která má šířku 0,0004 až 0,05 X_g. Jejich délka ve směru kolmo k první štěrbině je v rozmezí 0,15 až 0,5 X_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g. Spodní strana druhého substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící zemní rovinu. Na vnější hraně rovnoběžné s první štěrbinou jsou obě plošky spojeny se stínící rovinou pomocí první a druhé spojité vodivé vrstvy. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu. Významnou součástí je dvojice čtyřúhelníkových ladicích štěrbin, které umožňují ladění vstupní impedance struktury. Ladicí štěrbiny jsou umístěny symetricky vůči středu substrátu ve vzdálenosti 0,0001 - 0,1 X_g od vnitrního okraje příslušné plošky, tedy od okraje ležícího blíže středu struktury. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 - 0,05 X_g, délka je v rozmezí 0,01 - 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany plošek, nejlépe uprostřed struktury, což ale není podmínkou.The pads are separated from each other by a first slot having a width of 0.0004 to 0.05 X _g . Their length in the direction perpendicular to the first slot 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 X _g . The underside of the second substrate is provided with a continuous plating layer forming the ground plane. At the outer edge parallel to the first slot, the two faces are connected to the shielding plane by first and second continuous conductive layers. In another variation, the conductive connection can be made at only a few points distributed along the edge of the substrate. An important part is a pair of quadrangular tuning slots that allow tuning the input impedance of the structure. The tuning slots are disposed symmetrically with respect to the center of the substrate at a distance of 0.0001 - 0.1 X _g from the inner edge of the respective facet, that is, from the edge lying closer to the center of the structure. Their width is in the range of 0.001 - 0.05 X _g , their length is in the range of 0.01 - 0.5 X _g . The power chip contacts are conductively connected between the inner edges of the pads, preferably in the middle of the structure, but this is not a requirement.

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) a jednoduchost provedení. Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény pro bezkontaktní identifikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což není v současnosti uspokojivě vyřešeno.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. The advantage is also low weight given by using dielectric substrate with lower value of relative permittivity (ε _Γ <4) and simplicity of design. The solution thus makes it possible to use such an antenna for contactless identification (RFID) of eg metal containers or other objects or persons, which is currently not satisfactorily solved.

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiloženého výkresu. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu. Na obr. 2 je uveden pohled shora na substrát s motivem dvojice plošek oddělených štěrbinou včetně ladicích štěrbin.The present invention will now be described with reference to the accompanying drawing. Giant. 1 shows a side view of the resulting antenna. Figure 2 is a top view of a substrate having a pair of slits separated by a slot including tuning slots.

Příklady provedení technického řešeníExamples of technical solution

Příklad řešení nízkoprofilové štěrbinové antény je schematicky naznačen na obr. 1 a obr. 2. Jedná se o substrát I který má na své vrchní straně vytvořen motiv dvou plošek, první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2, oddělených štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu L Délka první plošky 3.1 druhé plošky 3.2 ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny 4 je v rozmezí 0,15 až 0,5 X_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g. Štěrbina 4 má šířku v rozmezí 0,0004 až 0,08 X_g. Spodní strana substrátu I je pokryta souvislou vodivou vrstvou, která tvoří zemní rovinu 2. Na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou 4 jsou první ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 spojeny se zemní rovinou 2 pomocí první spojité vodivé vrstvy 3.3 a druhé spojité vodivé vrstvy 3.4. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu 1. Významnou součástí je dvojice ladicích štěrbin, tedy první ladicí štěrbiny 5.1 a druhé ladící štěrbiny 5.2. které umožňují ladění vstupní impedance struktury. První ladicí štěrbina 5.1 a druhá ladicí štěrbina 5.2 jsou umístěny symetricky vůči středu antény ve vzdálenosti 0,0001 - 0,1 X_g od vnitřního okraje příslušné první plošky 3.1 respektive druhé plošky 3.2. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 0,05 X_g, délka je v rozmezí 0,01 - 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu 6 jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2. nejlépe uprostřed struktury.An example of a solution of a low-profile slot antenna is schematically indicated in Fig. 1 and Fig. 2. It is a substrate I having on its upper side a motif of two flats, first flat 3.1 and second flat 3.2 separated by slot 4. First flat 3.1 and second The length of the first surface 3.1 of the second surface 3.2 in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the slot 4 is in the range of 0.15 to 0.5 _g and their width is in the range of 0.1 to 0.5 _g. 0.5 X _g . The slot 4 has a width ranging from 0.0004 to 0.08 X _g . At the outer edge parallel to the slot 4, the first surface 3.1 and the second surface 3.2 are connected to the ground plane 2 by a first continuous conductive layer 3.3 and a second continuous conductive layer 3.4. In another variant, this conductive connection can be made only at a few points distributed along the edge of the substrate 1. An important part is a pair of tuning slots, i.e. a first tuning slot 5.1 and a second tuning slot 5.2. which allow tuning the input impedance structure. The first tuning slot 5.1 and the second tuning slot 5.2 are positioned symmetrically to the center of the antenna at a distance of 0.0001 - 0.1 X _g from the inner edge of the respective first spot 3.1 and the second spot 3.2, respectively. Their width is in the range 0.001 0.05 X _g , the length is in the range 0.01 - 0.5 X _g . The contacts of the power chip 6 are conductively connected between the inner edges of the first face 3.1 and the second face 3.2. preferably in the middle of the structure.

Podstatou antény je dvojice první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2 umístěných na substrátu 1 a oddělených první štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 jsou na své vnější hraně vodivě spojeny se zemní rovinou 2, čímž tvoří čtvrtvlnný rezonátor na daném substrátu 1 a jejich podélný rozměr je tak poloviční oproti nezkratované, půlvlnné, variantě. Na první plošce 3.1 a druhé plošce 3.2 je vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru. Elektromagnetické pole je pak soustředěno ve štěrbině 4 mezi první ploškou 3.1 a druhou ploškou 3.2, odkud je vyzařováno s poměrně vysokou vyzařovací účinností, která je větší než 50 %, Tato hodnota vyzařovací účinnosti je významně vyšší než vyzařovací účinnost např. běžné patchové neboli flíčkové antény srovnatelných půdorysných a výškových rozměrů, která bývá menší než 15 %.The essence of the antenna is a pair of the first surface 3.1 and the second surface 3.2 located on the substrate 1 and separated by the first slot 4. The first surface 3.1 and the second surface 3.2 are at their outer edge conductively connected to the ground plane 2, thereby forming a quarter-wave resonator on the substrate 1 and the longitudinal dimension is half that of the short-circuited, half-wave variant. On the first surface 3.1 and the second surface 3.2 the current distribution in the positive direction is excited. The electromagnetic field is then concentrated in the slot 4 between the first surface 3.1 and the second surface 3.2, from which it emits with a relatively high radiation efficiency which is greater than 50%. of comparable ground and height dimensions, which is less than 15%.

- 2 CZ 19707 Ul- 2 CZ 19707 Ul

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci nízkoproFilových antén schopných pracovat v blízkosti libovolných objektů pro zařízení rádio frekvenční 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

. 5 Claims for protection

A low profile slot antenna having a ground plane formed by a continuous conductive layer, a conductive emitter motif and a power chip, characterized in that the ground plane (2) is formed on the entire underside of a single-layer substrate (1) having a thickness in the range 0.001 to 0.015 λ _ν , and a relative permittivity ε _Γ in the range of 1 to 4, on the top side of which is a conductive motif of the emitter io consisting of two identical rectangular faces, namely the first face (3.1) and the second face (3.2), symmetrically with respect to the transverse axis of the substrate (1), they are separated from one another by a slot (4) between 0,0004 and 0,08 in width and are conductively connected to the ground plane (2) on the outer edge parallel to the longitudinal axis of the slot (4), wherein the length of the first and second faces (3.1) and (3.2) in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the slot (4) is between

15, 0.15 to 0.5 λ _κ and their width is in the range 0.1 to 0.5 λ _κ , furthermore they are symmetrically symmetrical to the center of the substrate (1) in the first surface (3.1) and a distance of 0.0001 to 0.1 λ ₈ from the inner edge of the respective first face (3.1) and the second face (3.2) respectively are formed by a first tuning slot (5.1) and a second tuning slot (5.2) which are identical and whose width is in the range of 0.001 to 0.05 and the length is in the range of 0.01 to 0.5 λ ₈ , the contacts of the power chip (6) being

20 conductively connected between the inner edges of the first spot (3.1) and the second spot (3.2) of the conductive pattern of the emitter.

Low-profile slot antenna according to claim 1, characterized in that the first patch (

3.1) and the second surface (3.2) are conductively connected to the ground plane (2) by means of a first continuous conductive layer (3.3) and a second continuous conductive layer (3.4).

The low-profile slot antenna of claim 1, characterized in that the first spot (3.1) and the second spot (3.2) are conductively connected to the ground plane (2) only at a few points spaced along the edge of the substrate (1).

The low-profile slot antenna of claim 1 and any of claims 2 or 3, wherein the contacts of the power chip (6) are conductively connected between

30 the inner edges of the first face (3.1) and the second face (3.2) of the conductive pattern of the emitter in the middle of the slot (4).