CZ303919B6

CZ303919B6 - Nízkoprofilová sterbinová anténa

Info

Publication number: CZ303919B6
Application number: CZ20090258A
Authority: CZ
Inventors: Svanda@Milan; Polívka@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2013-06-26
Also published as: CZ2009258A3

Abstract

Nízkoprofilová sterbinová anténa obsahuje zemní rovinu (2) tvorenou souvislou vodivou vrstvou, vodivý motiv zárice a napájecí cip (6). Zemní rovina (2) je vytvorena na celé spodní strane jednovrstvého substrátu (1) majícího tloustku v rozmezí 0,001 az 0,015 .lambda..sub.g.n. a relativní permitivitu .epsilon..sub.r.n. v rozmezí 1 az 4. Na vrchní strane substrátu (1) je umísten vodivý motiv zárice, sestávající ze dvou shodných pravoúhlých ctyrúhelníkových plosek (3.1) a (3.2), které jsou umísteny vedle sebe symetricky vzhledem k prícné ose substrátu (1). Tyto plosky (3.1) a (3.2) jsou vzájemne oddeleny sterbinou (4) o sírce v rozmezí 0,0004 az 0,08 .lambda..sub.g.n. a jsou na vnejsí hrane rovnobezné s podélnou osou sterbiny (4) vodive spojeny se zemní rovinou (2). Délka plosek (3.1) a (3.2) ve smeru kolmém na podélnou osu sterbiny (4) 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.. V první plosce (3.1) a ve druhé plosce (3.2) jsou symetricky vzhledem ke stredu substrátu (1) ve vzdálenosti 0,0001 az 0,1 .lambda..sub.g.n. od vnitrního okraje príslusející první respektive druhé plosky (3.1) respektive (3.2) vytvoreny první ladicí sterbina (5.1) a druhá ladicí sterbina (5.2), které jsou shodné. Jejich sírka je v rozmezí 0,001 az 0,05 .lambda..sub.g.n. a délka je v rozmezí 0,01 az 0,5 .lambda..sub.g.n.. Kontakty napájecího cipu (6) jsou vodive pripojeny mezi vnitrní hrany první plosky (3.1) a druhé plosky (3.2) vodivého motivu zárice.

Description

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofilového planárního 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.

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 nebo stínícími stěnami založenými na umělých magnetických površích, použitím flíčkových neboli patchových antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou. Je rovněž známa smyčková anténa se stínícím povrchem chráněná užitným vzorem č. zápisu 18825 a dipólová anténa s upraveným stínícím povrchem, která je předmětem užitného vzoru č. zápisu 19482.

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 λ₀, 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 nebo čtvrtinou 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 pod cca 0,02 λο, tedy 6 až 7 mm v UHF pásmu. Tento jev je mnohem výraznější pro antény vytvořené na substrátech s vyšší hodnotou relativní permitivity ε, > 3, použitím takového substrátu tedy nelze anténu miniaturizovat.

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. 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 odstraňuje uvedené nedostatky, její nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou s_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.

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 smyslu/směru podél celé smyčky, což dokládá elektricky malý obvod smyčky. Parametry elektricky malé smyčkové antény jsou degradovány absorpcí vyzařovaných rádiových vln při umístě-1 CZ 303919 B6 ní 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.

Z dokumentu WO 2008/123515 A je známo řešení, kdy je čipem napájená anténa dipólového typu (TAG) odstíněna od nežádoucích dielektrických objektů pomocí podložek různých geometrií a kombinací různých materiálů včetně vodivých motivů se štěrbinami, jejichž použití zvyšuje výškový rozměr antény a činí anténu konstrukčně složitější. Neumožňuje dále na rozdíl od navrhovaného řešení ladit vstupní impedanci antény na požadovanou hodnotu v komplexním oboru odpovídající impedanci připojovaného čipu integrovaného obvodu.

Podstata vynálezu

Nedostatky výše uvedených řešení, včetně hmotnosti a ceny zářiče, odstraňuje nízkoprofilová anténa podle předkládaného řešení tvořená substrátem s motivem a zemní rovinou. Podstatou nového řešení je, že první substrát má tloušťku 0,0001 až 0,015 λ_β, kde λ_κ je délka vlny na použitém dielektrickém substrátu, a nízkou relativní permitivitu s_r, která je v rozmezí 1 až 4. Motiv zářiče, umístěný na vrchní straně substrátu, je tvořen dvěma pravoúhlými čtyřúhelníkovými ploškami, které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu. Tyto 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 L_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 λ_β. Spodní strana druhého substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící stínící 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 až 0,1 X_g od vnitřního okraje příslušné plošky, tedy od okraje ležícího blíže středu struktury. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 až 0,05 λ_β, délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany plošek, nejlépe uprostřed struktury, což ale není podmínkou.

V porovnání s výše uvedeným řešením podle EP 16 26 364 B a WO 2008/123515 A je u předkládaného řešení delší rozměr spodního 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 blízkým absorpčním podložkám, což představuje jedno z podstatných vylepšení parametrů vzhledem ke strukturám podle EP 16 26 364 B a WO 2008/123515 A. Druhým podstatným vylepšením vzhledem k těmto dokumentům je přítomnost ladicích štěrbin v horních vodivých plochách, jejichž rozměr a poloha vzhledem ke štěrbině mezi hranami vodivých ploch, 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.

Další 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 řešeno.

-2CZ 303919 B6

Přehled obrázků na výkrese

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu. Na obr. 2 je uveden pohled shora na druhý substrát s motivem dvojice plošek oddělených štěrbinou včetně ladicích štěrbin.

Příklady provedení vynálezu

Příklad řešení nízkoprofilové štěrbinové antény je schematicky naznačen na obr. 1 a obr. 2. Jedná se o substrát 1, 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 1. Délka první plošky 3,1 a druhé plošky 3.2 ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny 4 je v rozmezí 0,15 až 0,5 a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 λ_β. Štěrbina 4 má šířku v rozmezí 0,0004 až 0,08 λ_ε. Spodní strana substrátu ije 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 i. Významnou součástí je dvojice ladicích štěrbin, tedy první ladicí štěrbiny 5.1 a druhé ladicí štěrbiny 52, které umožňují ladění vstupní impedance struktury. První ladicí štěrbina 5.1 a druhá ladicí štěrbina 52 jsou umístěny symetricky vůči středu antény ve vzdálenosti 0,0001 až 0,1 X_g od vnitřního okraje příslušné první plošky 3.1 respektive druhé plošky 32. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 až 0,05 λ₈, délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu 6 jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky 3.1 a druhé plošky 32, nejlépe uprostřed struktury.

Podstatou antény je dvojice první plošky 3.1 a druhé plošky 32 umístěných na druhém substrátu I a oddělených první štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 32 jsou na své vnější hraně vodivě spojeny se stínící rovinou 2, čímž tvoří čtvrtvlnný rezonátor na daném substrátu i a jejich podélný rozměr je tak poloviční oproti nezkratované, půlvlnné, variantě. Na první plošce 3.1 a druhé plošce 32 je vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru. Elektromagnetické poleje pak soustředěno ve štěrbině 4 mezi první ploškou 3.1 a druhou ploškou 32, 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 %.

Průmyslová využitelnost

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.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nízkoprofilová štěrbinová anténa mající zemní rovinu tvořenou souvislou vodivou vrstvou, vodivý motiv zářiče a napájecí čip, vyznačující se tím, že zemní rovina (2) je vytvořena na celé spodní straně jednovrstvého substrátu (1) o tloušťce v rozmezí 0,001 až 0,015 X_g délky vlny na použitém dielektrickém substrátu (1) a relativní permitivitě ε_Γ v rozmezí 1 až 4, na jehož vrchní straně je umístěn vodivý motiv zářiče sestávající ze dvou shodných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek, a to z první plošky (3.1) a druhé plošky (32), které jsou umístěny vedle

-3 CZ 303919 B6 sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu (1), jsou vzájemně odděleny štěrbinou (4) o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 λ_κ a jsou na vnější hraně rovnoběžné s podélnou osou štěrbiny (4) vodivě spojeny se zemní rovinou (2), kde délka první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny (4) je v rozmezí 0,15 až 0,5 λ₈ ajejich šířka je v rozmezí 0,1 až

5 0,5 Z_g, dále jsou v první plošce (3.1) a ve druhé plošce (3.2) symetricky vzhledem ke středu substrátu (1) ve vzdálenosti 0,0001 až 0,1 Z_g od vnitřního okraje příslušející první plošky (3.1), respektive druhé plošky (3.2), vytvořeny první ladicí štěrbiny (5.1) a druhá ladicí štěrbina (5.2), které jsou shodné a jejichž šířka je v rozmezí 0,001 až 0,05 λ₈ a délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 X_g, přičemž kontakty napájecího čipu (6) jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky (3.1) ío a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče.
2. Nízkoprofilová štěrbinová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první ploška (3.1) a druhá ploška (3.2) jsou vodivě spojeny se zemní rovinou (2) pomocí první spojité vodivé vrstvy (3.3) a druhé spojité vodivé vrstvy (3.4).
3. Nízkoprofilová štěrbinová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první ploška (3.1) a druhá ploška (3.2) jsou vodivě spojeny se zemní rovinou (2) pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu (1).