CZ2005816A3

CZ2005816A3 - Vícepásmová flícková anténa

Info

Publication number: CZ2005816A3
Application number: CZ20050816A
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: 2007-07-11
Also published as: CZ299752B6

Abstract

Vícepásmová flícková anténa je tvorená vodivou zemní deskou a vodivým záricem. Rozmer zemní desky je vetsí nez rozmer zárice a vzdálenost zárice nad zemní deskou je v rozmezí 0,01 - 0,1 .lambda.g, kde .lambda.g je vlnová délka nejvyssí pracovní frekvence zárice na daném substrátu. Prostor mezi zemní deskou a záricem je vyplnen vzduchem, prípadne dielektrickým substrátem. V zárici (5) o délce (Lz)ve smeru jeho podélné osy v rozmezí 0,7 az 1,0 .lambda.g a sírce (Wz) ve smeru kolmém na podélnou osu v rozmezí 0,5 az 0,8 .lambda.g, jsou vytvoreny soumerne vzhledem ke stredu zárice vzájemne proti sobe orientované dve skupiny sterbin sírky 0,001 az 0,01 .lambda.g. Kazdá ze skupin obsahuje alesponjednu sterbinu (1,2) tvorenou tremi na sebe navazujícími prímými úseky, a to stredním úsekem (12, 22) a dvema krajními úseky (11, 21), kde krajní úseky (11, 21) svírají se stredním úsekem (12, 22) úhel v rozmezí 60.sup..degree..n. az 120.sup..degree..n.. Vzdálenost mezi stredními úseky (12, 22) dvou nejblíze proti sobe umístených sterbin (1, 2) vesmeru podélné osy symetrie lezí v rozmezí 0,45 az0,55 .lambda.g, vzájemná vzdálenost stredních úseku prípadných dalsích sterbin v první respektive druhé skupine sterbin je v rozmezí 0,05 az 0,15 .lambda.g, délka stredních úseku (12, 22) lezí v rozmezí 0,15 az 0,35 .lambda.g. Délka stredního úseku (12) první sterbiny (1) je kratsí nez délka stredního úseku (22) protilehlé druhé sterbiny (2). Délka krajních úseku (11, 21) lezí v rozmezí 0,15 az 0,3 .lambda.g, vzdálenost (d.sub.1.n., d.sub.2.n.) mezi konci krajních úseku (11) první sterbiny (1) a konci krajních úseku (21) k ní nejblizsí protilehlé druhé sterbiny (2

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 koplanární) 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 flíčkových zářič s dvojicí resp. nťicí štěrbin tvaru U, tedy anténa patřící do kategorie upravených zářičů pracujících s vyššími módy, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům zářičů. V této kategorii je znám flíčkový 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 TM01 a TM02, rezonanční kmitočty jsou přibližně v poměru 1:2. Zmíněný zářič se dvěma štěrbinami pracuje jako dvoupásmový, zářič s módy TM₀₁ a TM₀₃, rezonanční kmitočty jsou přibližně v poměru 1:3. Na • · · * « · · · · · · · · · Μ · ··· ·Φ»« ¹ ·· ··· *

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 TM₀₁ 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 vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vícepásmová flíčková anténa podle předkládaného řešení. Tato vícepásmová flíčková anténa je tvořená vodivou zemni 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 Ag, kde Ag je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče na daném substrátu. Prostor mezi zemní deskou a zářičem je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem. Podstatou nového řešení je, že v zářiči, který má ve směru jeho podélné osy délku v rozmezí 0,7 až 1,0 Ag a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku v rozmezí 0,5 až 0,8 Ag, jsou vytvořeny souměrně vzhledem ke středu zářiče vzájemně proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířky typicky 0,001 až 0,01 Ag. Každá z_ktéto 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 úsekenrTa druhým krajním úsekem. První krajní úsek a druhý krajní úsek svírají se středním • 9 9 · ·« 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 Ag. Vzájemná vzdálenost středních úseků případných dalších štěrbin v první respektive druhé skupině štěrbin je v rozmezí 0,05 až 0,15 Ag. Délka středních úseků leží v rozmezí 0,15 až 0,35 Ag, 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 Ag, vzdálenost mezi konci krajních úseků první štěrbiny a konci krajních úseků k ní nejbližší protilehlé druhé štěrbiny od středu zářiče je ve směru podélné osy tohoto zářiče v rozmezí -0,1 až 0,2 Ag a ve směru kolmém k podélné ose zářiče je v rozmezí 0,05 až 0,15 Ag. Minimální vzdálenost středních úseků krajních štěrbin každé ze skupin štěrbin od kraje zářiče je v rozmezí 0,05 až 0,15 Ag a vzdálenost krajních úseků krajních štěrbin, každé ze skupiny štěrbin od kraje zářiče (2) je 0,05 až 0,25 Ag.

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 kmitočty 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 funguje jako frekvenční filtr - pásmová zádrž.

.. .··· · ·· »·.··· ·« · ··»* · · * ; * * · · · ··» » · * » · · * * . i · · · · · *··· · · «··· ·· *··

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude dále vysvětleno pomocí přiložených výkresů. Na obr.1a je schematicky naznačeno základní provedení vícepásmové flíčkové antény, a to v pohledu shora. Na obr.1b je pak přední boční pohled na anténu s vyznačením napájecí sondy. Na obr.2 je znázornění vektorové 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 f₁ = 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, kde krajní úseky štěrbin svírají se středním úsekem různé úhly.

, ^Příklady provedení vynálezu

Nejjednodušší příklad vícepásmové flíčkové antény podle předkládaného řešení je uveden na obr.1a a 1b. Tato anténa je tvořená vodivou zemní deskou 4 a vodivým zářičem 5, kde rozměr zemní desky je větší než rozměr zářiče 5. Vzdálenost zářiče 5 nad zemní deskou 4 je typicky v rozmezí 0,01-0,1 Ag, kde Ag je vínová 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 Ag a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku Wz ležící v rozmezí 0,5 až 0,8 Ag. Souměrně vzhledem ke středu zářiče jsou v zářiči 5 vytvořeny proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířek typicky 0,001 až 0,01 Ag. V daném příkladě každá ze skupin štěrbin obsahuje pouze jednu štěrbinu, a to první skupina první štěrbinu 1 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

4« *·4* ·

« «44

4

4444 4 v rozmezí 60° až 120 ^θ. V uváděném příkladě jsou štěrbiny vytvořeny ve tvaru písmene U, takže první štěrbina X je tvořena prvním středním úsekem 12. a prvními krajními úseky 11. 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 vzdáleností přibližně 0,1 až 0,2 Ag 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 fiíčkovou anténu, kde bude ve skupinách více než jedna štěrbina, tedy až n. štěrbin. Jeden možný, příklad ukazuje obr.4 až 7, kde v jedné skupině jsou dvě štěrbiny a ve<k druhé skupině je pouze jedna štěrbina. Jednotlivé štěrbiny· jsou zde označeny pořadovým číslem tak, že jedna ze dvou štěrbin nejblíže ΐ-umístěných ke středu zářiče 5 s kratším středním úsekem má číslo 1, druhá protilehlá štěrbina umístěná nejblíže středu zářiče 5 má číslo 2 a? J třetí štěrbina, umístěná ve skupině s první štěrbinou 1, ale dále od·?: středu zářiče 5, má číslo χ. 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 umístěné na protilehlé straně zářiče 5Je 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.

.<

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 Ln₁₍ kdě n je pořadové číslo štěrbiny. V nejjednodušším ‘provedení jsou tedy vytvořeny dvě štěrbiny tvaru ··*♦

0' 0 O 0 A písmene U, které rozdělují motiv zářiče 5 na vnitrní a vnější oblast. Zářič 5 pak pracuje v dvóupásmovém provozu s maximem vyzařování ve směru kolmém k ploše zářiče 5, jestliže rozměry vnitřní a vnější oblasti splňují podmínky pro vytvoření stojaté proudové půlvlny ve vnitřní oblasti s rezonancí na vyšším kmitočtu L a vnější oblasti s rezonancí na nižším kmitočtu fi, přičemž'uzly těchto stojatých vín jsou umístěny na podélné ose symetrie na krajích vnitřní resp. vnější oblasti.

Geometricky lze definovat velikost vnitřní oblasti poměrně pomocí vlnové délky Ag nejvyšší pracovní frekvence zářiče následovně. Vzdálenost mezi prvním středním úsekem 21 první štěrbiny 1_, který má délku Ll^ a druhým středním úsekem 22 druhé štěrbiny 2, který má délku L2g_ve směru podélné osy symetrie je v rozmezí 0,45 až 0,55 Ag. Délka L1_t prvních krajních úseků 11 první štěrbiny 1 a délka L2j druhých krajních úseků 21 druhé štěrbiny 2 jsou v rozmezí 0,15 až 0,3'^;Ag, délka L1g prvního středního úseku 12 první štěrbiny 1_ a délka L2g í druhého středního úseku 22 druhé štěrbiny 2 je v rozmezí 0,15 až 0,35 $ Ag. Vzdálenosti di_resp. d2 mezi konci prvních resp. druhých krajních

- úséků JJ. 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 Ag, 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 Ag. 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 1 a druhého středního úseku 22 druhé štěrbiny 2, je od kraje zářiče 5 v rozmezí 0,05 až 0,15 Ag 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 Ag.

Rozměry vnější oblasti jsou vymezeny vně rozměrem zářiče 5, který má ve směru jeho podélné osy délku v rozmezí 0,7 až 1,0 Ag a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku W? v rozmezí 0,5 až 0,8 Ag 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 fn takto vzniklé oblasti, jež odpovídá pulvlnné rezonanci na tomto nižším kmitočtu. Délku této střední linie lze určit ze vztahu

LSfi ~ ((L1₂ + L2₂)/2 + L11 + L2i + dí + d₂ + (W_z + L_z))/2. ‘

Vyšší rezonanční kmitočet f₂ lze přibližně odvodit z délky linie LSf₂, jež odpovídá polovině délky stojaté proudové vlny na vyšším: < «c kmitočtu

LSf₂ L1 η + L2i + di + d₂.

V dalším z možných uspořádání jsou umístěny tři štěrbiny;, vdaném příkladě ve tvaru písmene U, a to první štěrbina 1, druhá štěrbina 2 a třetí štěrbina 3, viz obr.4 až 7, a zářič 5 pracuje ve třípásmovém resp. čtyřpásmovém provozu. Vnější rezonanční oblast je ohraničena vně rozměrem 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 vně druhou štěrbinou 2, v druhé, pravé, polovině vně třetí štěrbinou 3 a zevnitř první štěrbinou 1. 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 velikosti vektorů, a uzly reprezentované 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 G = 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 proudové vlny.

Průmyslová využitelnost

Oblasti použití vícepásmové flíčkové antény lze nalézt napři, v komunikačních zařízeních využívajících dvou až čtyř pásem, na' i , příklad v mobilní telefonii bezdrátových lokálních datových sítích i W.LAN, pro radiofrekvenční identifikaci (RFID) nebo při aplikacích ⁵ detekce signálů.

Claims

PAT E.N TOVĚ NÁROKY

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 Ag/kde Ag je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče na daném substrátu, a kde prostor mezi zemní deskou a zářičem je vyplněn vzduchem, případně dieíektrickým substrátem, vyznačující se tím, že v zářiči (5), který má délku (Lz) ve směru jeho podélné osy v rozmezí 0,7 až 1,0 Ag a šířku (Wz) ve směru kolmém na podélnou osu v rozmezí 0,5 až 0,8 Ag, jsou vytvořeny souměrně vzhledem ke středu zářiče vzájemně proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířky typicky 0,001 až'\ 0,01 Ag, z nichž první skupina obsahuje alespoň jednu první štěrbinu (1) a druhá skupina obsahuje alespoň jednu druhou štěrbinu (2), kde 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 Ag, vzájemná vzdálenost středních úseků případných dalších štěrbin v první respektive druhé skupině štěrbin je * M.

v rozmezí 0,05 až 0,15 Ag, délka středních úseků (12, 22) leží v rozmezí 0,15 až 0,35 Ag, 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 Ag, vzdálenost (di, d₂) mezi konci krajních úseků (11) první štěrbiny (1) a konci krajních úseků (21) k ní nejbližší protilehlé druhé štěrbiny (2) od středu zářiče (5) je ve směru podélné osy tohoto zářiče (5) v rozmezí -0,1 až 0,2 Ag a ve směru kolmém k podélné ose zářiče (5) je v rozmezí 0,05 až 0,15 ·« 9«·· .4

0 ··· ίο ..... .......

Ag, 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 Ag a vzdálenost krajních úseků (11, 21) krajních štěrbin (1,2) každé ze skupiny štěrbin od kraje zářiče (5) je 0,05 až 0,25 Ag.

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