CZ299752B6

CZ299752B6 - Vícepásmová flícková anténa

Info

Publication number: CZ299752B6
Application number: CZ20050816A
Authority: CZ
Inventors: Polívka@Milan; Cáp@Aleš; 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: 2008-11-12
Also published as: CZ2005816A3

Abstract

Vícepásmová flícková anténa je tvorená vodivou zemní deskou a vodivým záricem. Rozmer zemní desky je vetší než rozmer zárice a vzdálenost zárice nad zemní deskou je v rozmezí 0,01 - 0,1 .lambda.g, kde .lambda.g je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zárice na daném substrátu. Prostor mezi zemní deskou a záricem je vyplnen vzduchem, prípadne dielektrickým substrátem. V zárici (5) o délce (L.sub.z.n.) ve smeru jeho podélné osy v rozmezí 0,7 až 1,0 .lambda.g a šírce (W.sub.z.n.) ve smeru kolmém na podélnou osu v rozmezí 0,5 až 0,8 .lambda.g,jsou vytvoreny soumerne vzhledem ke stredu záricevzájemne proti sobe orientované dve skupiny šterbin šírky 0,001 až 0,01 .lambda.g. Každá ze skupin obsahuje alespon jednu šterbinu (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.degree. až 120.degree.. Vzdálenost mezi stredními úseky (12, 22) dvou nejblíže proti sobe umístených šterbin (1, 2) ve smeru podélné osy symetrie leží v rozmezí 0,45 až 0,55 .lambda.g, vzájemná vzdálenost stredních úseku prípadných dalších šterbin v první respektive druhé skupine šterbin je v rozmezí 0,05 až 0,15 .lambda.g, délka stredních úseku (12, 22) leží v rozmezí 0,15 až 0,35 .lambda.g. Délka stredního úseku(12) první šterbiny (1) je kratší než délka stredního úseku (22) protilehlé druhé šterbiny (2). Délka krajních úseku (11, 21) leží v rozmezí 0,15 až 0,3 .lambda.g, vzdálenost (d.sub.1.n., d.sub.2.n.)mezi konci krajních úseku (11) první šterbiny (1)a konci krajních úseku (21) k ní nejbližší protilehlé druhé šterbi

Description

Vícepásmová flíčková anténa

Oblast techniky

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

Dosavadní stav techniky

Víeepásmové flíčkové antény se většinou realizují jako vícerezonátorové flíčkové antény, kde vícenásobných rezonancí jc dosaženo na vodivě oddělených motivech zářičů uspořádaných bud¹v jedné úrovni (tyto zářiče bývají označovány jako koplanární) nebo ve více úrovních (tyto zářiče ύ bývají označovány jako vrstvené). Vícenásobných rezonancí se dá rovněž docílit vhodnou úpravou motivu zářiče, který’ pak pracuje v režimu vyšších rezonančních módil. 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 víeepásmový flíč20 kových zářič s dvojicí resp. n—licí 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 blízkostí protilehlých hran zářiče. Zmíněný zářič s jednou štěrbinou pracuje jako dvoupásmový zářič s módy TM₀₁ a TMq₂, rezonanční kmi25 loěly jsou přibližně v poměru 1:2. Zmíněný zářič se dvěma štěrbinami pracuje jako dvoupásmový zářič s módy TM₀| a TM_(b, 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 tu dvoupásmový provoz a velice malá přeladitehiost poměru rezonančních kmitočtů 1:2 a 1:3. daná rezonancí základního a vyššího módů TM_0[ a ΤΜ_(υ resp. TMni a ΓΜ,μ.

Existuje rovněž varianta kruhového flíčkového zářiče s analogickým umístěním jedné resp. dvou štěrbin, které jsou prohnuté tak, aby kopírovaly tvar obvodu. Princip činnosti, poměr rezonanč35 nich kmitočtů a vlastnosti tohoto uspořádaní je analogický pravoúhlému zářiči.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vícepásmová llíčková anténa podle předkládaného řešení, lato vícepásmová flíčková anténa je tvořená vodivou zemní deskou a vodivým zářičem, kde rozměr zemní desky je větší než rozmčr 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 dielek45 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

- I C7. 299752 B6

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 nej bližší protilehlé druhé štěrbiny od 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 úseku 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 ío 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.

l oto uspořádání s minimálně třemi štěrbinami umožňuje naladit další vzniklé rezonanční kmitočty zářiče téměř libovolně v rozsahu mezi nej nižším a nej vyšším kmitočtem vzájemnou polohou štěrbin, délkami jednotlivých úseků štěrbin a jejich polohou v zářiči vc výše uvedených tolerančních mezích. S růstem počtu štěrbin sc zužuje impedanční šířka pásma, což umožňuje použít anténu v určitých aplikacích, kde je třeba přijímat nebo vysílat úzkopásmový signál v několika frekvenčních kanálech. Vc frekvenčním pásmu mezi jednotlivými rezonancemi anténa naopak funguje jako frekvenční filtr - pásmová zádrž.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude dále vysvětleno pomocí přiložených výkresů. Na obr. la je schematicky naznačeno základní provedení vícepásmové flíčkové antény, a to v pohledu shora. Na obr. 1 b 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 f = 1,690 GHz a na ío obr. 3 je tentýž případ, ale pro rezonanční kmitočet f₂ = 3,050 (il Iz. Znázornění vektorové proudové hustoty zářiče strojící U- štěrbin postupně na rezonančních kmitočtech f, = 1,600 GHz, f₂ = 1,950 G1 Iz. f, = 2,600 GHz a G = 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. la a lb. lato anténa jc tvořená vodivou zemní deskou 4 a vodivým zářičem 5, kde rozměr zemní desky 4 jc 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 zemni 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 W, ležící v rozmezí 0,5 až 0,8 Xg. Soui? ničme vzhledem ke středu zářiče 5 jsou v zářiči 5 vytvořeny proti sobe 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 1 a druhá skupina druhou štěrbinu 2. Obecně jc 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 1 je tvořena prvním středním úsekem 12 a prvními krajními úseky J_L Analogicky druhá štěrbina 2 je tvořena druhým středním úsekem 22 a druhými krajními úseky 2f. První štěrbina f a druhá štěrbina 2 představují vodivé narušení zářiče 5. umístěné souměrně vzhledem ke středu tohoto zářiče 5 otevřeným ústím písmene U proti sobě. Napájeni zářiče je provedeno koaxiální sondou 6, jejíž . O 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 vodic, vlastní napájecí sonda, je vodivě spojen se zářičem 5.

Výhodné je vytvořil víeepásmovou flíěkovou 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 pořadovým číslem tak, že jedna ze dvou štěrbin nejblíže umístěných ke středu zářiče 5 s kratším středním úsekem má číslo L druhá protilehlá štěrbina umístěná nejblíže středu zářiče 5 má číslo 2 ío 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 nej bližší 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 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.

Jak bylo jíž uvedeno, každá štěrbina se skládá ze tří přímých úseků. Jejich délky lze obecně označit tak, že délka středního úseku je Ln₂. krajní úseky Lii|, kde n je pořadové číslo štěrbiny. V nej jednodušším provedení jsou tedy vytvořeny dvě štěrbiny tvaru písmene U, které rozdělují motiv zářiče 5 na vnitřní a vnější oblast. Zářič 5 pak pracuje v dvou pásmovém provozu s maximem vyzařování ve směru kolmém k ploše zářiče 5. jestliže rozměry vnitřní a vnější oblasti splňují podmínky pro vytvoření stojaté proudové půl vlny ve vnitřní oblasti s rezonancí na vyšším kmitočtu f₂ a vnější oblasti s rezonancí na nižším kmitočtu tj, 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 vínové délky Xg nej vyšší pracovní frekvence zářiče následovně. Vzdálenost mezi prvním středním úsekem 2_L první štěrbiny i, který' má délku LH a druhým středním úsekem 22 druhé štěrbiny 2. který má délku L2₂. ve směru podélné osy symetrie je v rozmezí 0,45 až 0.55 Xg. Délka Ui prvních krajních úseků jj_ první štěrbiny 1 a délka L2_Z druhých krajních úseků 21 druhé štěrbiny 2 jsou v rozmezí 0,15 až 0.3 Xg. délka LP prvního středního úseku J_2 první štěrbiny 1 a délka L2₂ druhého středního úseku 22 druhé Štěrbiny 2 je v rozmezí 0,15 až 0,35 Xg. Vzdálenosti d| resp. d₂ mezi konci prvních resp. druhých krajních úseku ]_[ a 2_L nej bližších protilehlých štěrbin od středu zářiče 5 zde tedy první štěrbiny i 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 1 a druhého středního úseku 22 druhé štěrbiny 2. je od kraje zářiče 5 v rozmezí 0,05 až OJ 5 Xg a vzdálenost krajních úseku _U 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 L, v rozmezí 0.7 až 1,0 Xg a ve směru kolmém na podélnou osu má šířku W, v rozmezí 0,5 až 0.8 Xg. a zevnitř polohou štěrbin.

Pr incip činnosti dvou pásmové 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 f, = 1,690 GÍIz, 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 fl zářiče 5 lze přibližně odvodit z délky střední linie Lsi„ takto vzniklé oblasti, jež odpovídá půl vinné rezonanci na tomto nižším kmitočtu. Délku této střední linie lze určit ze vztahu

- j cz bď

Ls_fl - ((LI₂ + 1.2,)/2 + LI i + L2, + d, + d₂ τ (W„ + L_z))/2.

Vyšší rezonanční kmitočet f₂ lze přibližně odvodit z délky linie L$_f2, jež odpovídá polovině délky ? stojaté proudové víny na vyšším kmitočtu

LS)2 ' LI i + L2| + d] t- d₂.

V dalším z možných uspořádání jsou umístěny tři štěrbiny, v daném příkladě ve tvaru písmene U. io a to první štěrbina i, 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 a třetí štěrbiny 3. První vnitřní rezonanční oblast je pak vymezena v jedné, levé, polov ině vně rozměrem zářiče 5 a zevnitř druhou štěrbinou

2, v druhé, pravé, polovině vně třetí štěrbinou 3 a zevnitř první štěrbinou i. Druhá vnitřní rezo15 nanení oblast je vymezena v jedné, levé. polovině vně 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 ílíčkové antény lze názorně dokumentovat opět rozložením vekto2o rové 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 strojící štěrbin odpovídá po řadě situaci na rezonančních kmitočtech tj - 1,600 GHz, obr. 4, f₂ = 1,950 GHz. obr. 5, ťj ^- 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.

.io Průmyslová využitelnost

Oblasti použití vícepásmové ílíčkové antény lze nalézt např. v komunikačních zařízeních využívajících dvou až čtyř pásem, na příklad v mobilní telefonii bezdrátových lokálních datových sítích WLAN, pro radiofrekvenční identifikaci (RF1D) nebo při aplikacích detekce signálů.

Claims

PATENTOVÉ 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 až 0,1 Kg, kde kg je vlnová délka nejvyšší pracovní frekvence zářiče na daném

45 substrátu, a kde prostor mezi zemní deskou a zářičem je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem, vyznačující se t í m . že v zářící (5), který má délku (L_z) ve směru jeho podélné osy v rozmezí 0,7 až LO kg a šířku (WJ ve směru kolmém na podélnou osu v rozmezí 0.5 až 0,8 Ig, jsou vytvořeny souměrně vzhledem ke středu zářiče vzájemně proti sobě orientované dvě skupiny štěrbin šířky typicky 0,001 až 0,01 kg, z nichž první skupina obsahuje alespoň

5(i 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

-4CZ 299752 B6 směru podélné osy symetrie leží v rozmezí 0.45 až 0,55 Xg, vzájemná vzdálenost středních úseku případných dalších štěrbin v první respektive druhé skupině štěrbin je v rozmezí 0,05 až 0,15 Xg, délka středních úseku (12, 22) leží v rozmezí 0,15 až 0.35 Xg, přičemž délka středního úseku (12) první štěrbiny (I) je kratší než délka středního úseku (22) protilehlé druhé štěrbiny (2). délka

5 krajních úseků (11, 21) leží v rozmezí 0,15 až 0,3 Xg, vzdálenost (dj, ch) mezi konci krajních úseku (11) první štěrbiny (I) a konci krajních úseku (21) k ní nejbližší protilehlé druhé štěrbiny (2) od středu zářiče (5) je ve směru podélné osy tohoto zářiče (5) v rozmezí -OJ 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 ío v rozmezí 0,05 až OJ5 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.

2. Vícepásmová tlíčková anténa podle nároku I, v y z n a č u j í c i se t í m . že alespoň jedna ze skupin štěrbin obsahuje minimálně dvě štěrbiny (1,3).