CZ303918B6

CZ303918B6 - Nízkoprofilová anténa

Info

Publication number: CZ303918B6
Application number: CZ20090098A
Authority: CZ
Inventors: Svanda@Milan; Polívka@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2013-06-26
Also published as: CZ200998A3

Abstract

Nízkoprofilová anténa je tvorená prvním substrátem (1) s prvním motivem. První substrát (1) je umísten na druhém substrátu (2), na jehoz vrchní strane prilehlé ke spodní strane prvního substrátu (1) je vytvoren druhý motiv a jehoz spodní strana je opatrena souvislou vodivou vrstvou tvorící stínicí rovinu. První substrát (1) má tloustku 0,0001 az 0,005 .lambda..sub.g .n.a nízkou relativní permitivitu .epsilon..sub.r .n.v rozmezí 1 az 4. První motiv na vrchní strane prvního substrátu (1), je tvoren páskem (6) o celkové délce 0,4 az 1,6 .lambda..sub.g .n.a o tloustce v rozmezí 0,001 az 0,015 .lambda..sub.g.n.. Je slozen z na sebe navazujících navzájem rovnobezných úseku symetricky rozlozených kolem stredu tohoto pásku (6) a je prerusen mezerou (7) pro umístení napájecího cipu. Druhý substrát (2) má relativní permitivitu v rozmezí 1 az 4 a jeho tloustka lezí v rozmezí 0,001 az 0,015 .lambda..sub.g.n.. Druhý motiv na vrchní strane druhého substrátu (2) pokrývá celou vrchní stranu a je tvoren dvema stejnými pravoúhlými ctyrúhelníkovými ploskami (4.1, 4.2), které jsou umísteny vedle sebe. Jejich délka ve smeru podél delsího rozmeru pásku (6) je v rozmezí 0,15 az 0,5 .lambda..sub.g .n.a jejich sírka je v rozmezí 0,1 az 0,5 .lambda..sub.g.n.. Plosky (4.1, 4.2) jsou navzájem oddeleny sterbinou (5) lezící ve stredu substrátu (2), která má sírku 0,0004 az 0,025 .lambda..sub.g.n.. Na vnejsí hrane rovnobezné se sterbinou (5) jsou obe plosky (4.1, 4.2) spojeny se stínicí rovinou (3).

Description

Nízkoprofilová anténa

Oblast techniky

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.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem ktomu, 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. Původci předkládaného řešení byla v minulosti vyvinuta smyčková anténa se stínícím povrchem.

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, 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.

Rozměry flíčkových antén musí být srovnatelné s polovinou vlnové délky, což vede ve zmíněných nízkých kmitočtových pásmech na poměrně rozsáhlé struktury (λ₀/2 ~ 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 (s_r > 3), použitím takového substrátu tedy nelze anténu miniaturizovat.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti vodivé roviny umožní realizovat nízkoprofilovou anténu (0,01 λ₀) 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 ve výšce substrátu, je realizace tohoto zářiče se vzduchovým dielektrikem značně obtížná. Rozměry antény jsou opět srovnatelné s polovinou vlnové délky.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem, která je předmětem PV 2008-443 odstraňuje uvedené nedostatky, její nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou (e_r > 6).

Z dokumentu EP 16 26 364 B je známa smyčková anténa tvořená vodivým páskem ovinutým kolem podpůrného dielektrika, jež je přerušen mezerou, v níž je umístěn integrovaný obvod, tedy čip. Obr. 3 zde ilustruje proudové rozložení na této smyčce, které je orientováno ve shodném smysl u/směru podél celé smyčky, což dokládá elektricky malý obvod smyčky. Parametry elektricky malé smyčkové antény jsou degradovány absorpcí vyzařovaných rádiových vln při umístění na podkladový absorpční materiál, jak původci i sami uvádějí, což má za následek krátkou komunikační vzdálenost. Anténa tak vykazuje významně nižší odolnost elektrických parametrů vůči vlivu dielektrických objektů v její blízkosti.

- 1 CZ 303918 B6

Z dokumentu EP 18 40 802 A je známa varianta smyčkové antény z dokumentu EP 16 26 364 opatřená štěrbinou ve spodní straně motivu, která je opět elektricky malá, což dokládá rozložení proudu na této smyčce, které je orientováno ve shodném smyslu/směru podél celé smyčky, viz obr. 4 dokumentu EP 18 40 802 A. Vlastnosti antény má srovnatelnou nevýhodu s anténou dle EP 16 26 364 B, tj. absorpci vyzařovaných rádiových vln při umístění na podkladový absorpční materiál, což má za následek krátkou komunikační vzdálenost.

Z dokumentu WO 2008/123515 A je známo řešení, kdy je čipem napájená anténa dipólového typu (TAG) odstíněn od nežádoucích dielektrických objektů pomocí podložek různých geometrií a kombinací různých materiálů včetně vodivých motivů se štěrbinami.

Podstata vynálezu

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 opatřena souvislou vodivou vrstvou tvořící stínící rovinu. Podstatou nového řešení je, že první substrát má tloušťku 0,0001 až 0,005 λ_ε, kde Z_g je délka vlny na použitém dielektrickém substrátu, a nízkou relativní permitivitu s_r, 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 Á_g. 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 délkový 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 až 0,015 Z_g. 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 X_g. 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 substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící stínící rovinu. Na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou jsou obě plošky spojeny se stínicí rovinou pomocí spojité vodivé vrstvy. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu.

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.

Ve výhodném provedení leží střed pásku ve středu prvního substrátu.

V porovnání s výše uvedenými řešeními podle EP 16 26 364 B a EP 18 40 802 A je u předkládaného řešení delší rozměr druhého dielektrického substrátu srovnatelný s polovinou délky vlny na daném substrátu a vytváří tak proudové rozložení podél horních a dolních vodivých ploch v nesouhlasném směru, což má tu výhodu, že ve štěrbině, která zcela překlenuje horní vodivý motiv, se vytvoří maximum intenzity elektrického pole, která vyzařuje s velkou vyzařovací účinností. Spodní souvislý vodivý motiv účinně stíní prostor pod anténou, což má tu výhodu, že elektrické parametry navrženého řešení jsou podstatně odolnější vůči ze spodní strany přiložených

-2CZ 303918 B6 blízkým absorpčním podložkám, což představuje jedno z podstatných vylepšení parametrů vzhledem ke strukturám podle EP 16 26 364 B a EP 18 40 802 A.

Druhým podstatným vylepšením vzhledem k těmto dokumentům a dokumentu WO 2008/123515 A je přítomnost první dielektrické vrstvy, na jejíž horní straně je umístěn vodivý meandrovitě nebo spirálovitě složený pásek, jehož rozměry a poloha jednotlivých úseků umožňují měnit hodnoty komplexní vstupní impedance v místě připojení napájeného integrovaného obvodu, a tím naladit vstupní impedanci ke konkrétní hodnotě impedance použitého čipu integrovaného obvodu. Současně není třeba použít dodatečných distančních podložek pro zajištění odolnosti elektrických parametrů vůči absorpčním objektům umístěním bezprostředně pod anténou jako v dokumentu WO 2008/123515 A.

Na rozdíl od tohoto řešení zde předkládaná nízkoprofilová štěrbinová anténa tvořená vodivými motivy na dolním dielektrickém substrátu tvoří vlastní zářič a dipól na horním dielektrickém substrátu slouží pouze pro vybuzení elektrického pole ve štěrbině umístěné v horním vodivém motivu dolního substrátu a současně umožňuje naladit změnou rozměrů požadovanou hodnotu vstupní impedance v komplexním oboru, což je podstatná výhoda proti řešením EP 16 26 364 B, WO 2008/123515 A a EP 18 40 802 A.

Výhodou uvedené nízkoprofilové antény, oproti stávajícím řešením v oblasti antén pracujících v blízkosti libovolných objektů, je značná miniaturizace jejich 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 (s_r < 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.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládaná 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 zobrazuje jinou variantu meandrovitě skládaného pásku. Na obr. 5 je pásek skládaný do tvaru spirály a na obr. 6 je jeho další varianta.

Příklady provedení vynálezu

Příklad řešení nízkoprofilové dipólové antény s rezonančním povrchem je schematicky naznačen na obr. 1. Jedná se o umístění prvního substrátu 1 s prvním motivem skládaného dipólu tvořeného 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 4,2, 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.

Obr. 3 znázorňuje první motiv vlastního meandrovitě skládaného pásku 6 na prvním substrátu L Pásek 6 je zde ve svém středu přerušen mezerou 7, která slouží pro umístění napájecího čipu. Tato mezera 7 nemusí vždy ležet nutně ve středu daného pásku 6. Šířka mezery 7 odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. Tloušťka prvního substrátu i je 0,0001 až 0,005 X_g a jeho

-3CZ 303918 B6 relativní permitivita ε,. = 1 až 4. Pásek 6 je zde umístěn symetricky vzhledem k jeho středu. Toto 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.

Na obr. 2 je uveden příklad provedení druhého substrátu 2 s druhým motivem. Druhý substrát 2 má relativní permitivitu, která je v rozmezí 1 až 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 4.1 a z druhé plošky 4.2, které jsou odděleny vzájemně štěrbinou 5 tloušťky 0,0004 až 0,025 X_g. Tloušťka tohoto druhého substrátu 2 je 0,001 až 0,015 X_g. Strana každé plošky 4.1 a 4.2 ve směru podél delšího rozměru smyčky má délku 0,15 až 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 až 0,5 X_g.

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.

Anténa pracuje jako dipólová 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 půlvlnné, 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 %.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci nízkoprofdových antén schopných pracovat v blízkosti libovolných objektů pro zařízení radiofrekvenční identifikace v UHF či mikrovlnných kmitočtových pásmech, např. identifikace kovových objektů nebo osob.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nízkoprofilová anténa 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 opatřena souvislou vodivou vrstvou tvořící stínící rovinu, vyznačující se tím, že první substrát (1) má tloušťku 0,0001 až 0,005 X_g a nízkou relativní permitivitu ε_Γ, která je v rozmezí 1 až 4 a první motiv, umístěný na vrchní straně prvního substrátu (1), je tvořen páskem (6) o celkové délce 0,4 až 1,6 X_g a o tloušťce v rozmezí 0,001 až 0,015 X_g, kterýje složen z na sebe navazujících navzájem rovnoběžných úseků symetricky rozložených kolem středu tohoto pásku (6) a je přerušen mezerou (7) pro umístění napájecího čipu, jejíž šířka odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu, a kde druhý substrát (2) má relativní permitivitu v rozmezí 1 až 4 a jeho tloušťka leží v roz-4CZ 303918 B6 mezí 0,001 až 0,015 X_g, přičemž na vrchní straně druhého substrátu (2) umístěný druhý motiv pokrývá celou tuto vrchní stranu a je tvořen dvěma stejnými pravoúhlými čtyřúhelníkovými ploškami (4.1, 4.2), které jsou umístěny vedle sebe, jejichž délka ve směru podél delšího rozměru pásku (6) je v rozmezí 0,15 až 0,5 λ₈ a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g a tyto plošky (4.1, 4.2) jsou navzájem odděleny štěrbinou (5) ležící ve středu druhého substrátu (2), která má šířku 0,0004 až 0,025 X_g, a na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou (5) jsou obě plošky (4.1, 4.2) spojeny se stínící rovinou (3).
2. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první motiv je tvořen sklady ve tvaru meandru, jehož obě poloviny jsou vzhledem ke středu pásku (6) skládány na stejnou stranu.
3. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první motiv je tvořen sklady ve tvaru meandru, jehož každá polovina je skládána vzhledem ke středu pásku (6) na opačnou stranu.
4. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první motiv je tvořen sklady ve tvaru spirály, jejíž obě poloviny jsou vzhledem ke středu pásku (6) skládány na stejnou stranu.
5. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první motiv je tvořen sklady ve tvaru spirály, jejíž každá polovina je vzhledem ke středu pásku (6) skládána na opačnou stranu.
6. Nízkoprofilová anténa podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačující se tím, že střed pásku (6) leží ve středu prvního substrátu (1).
7. Nízkoprofilová anténa podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačující se tím, že obě plošky (4.1, 4.2) jsou spojeny se stínící rovinou (3) spojitou vodivou vrstvou.
8. Nízkoprofilová anténa podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačující se tím, že obě plošky (4.1, 4.2) jsou spojeny se stínící rovinou (3) pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany druhého substrátu (2).
9. Nízkoprofilová anténa podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že mezera (7) leží ve středu pásku (6).