CZ304585B6

CZ304585B6 - Nízkoprofilová planární štěrbinová anténa

Info

Publication number: CZ304585B6
Application number: CZ2013-397A
Authority: CZ
Inventors: vanda Milan Ĺ; Milan PolĂvka
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Elektrotechnická
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-07-16
Also published as: CZ2013397A3

Abstract

Nízkoprofilová planární štěrbinová anténa je tvořená dielektrickým substrátem (1) s nízkou relativní permitivitou v rozmezí 1 až 4 majícím na spodní straně zemní rovinu (2) a na horní straně vodivý motiv zářiče tvořený dvěma pravoúhlými vodivými ploškami (3.1, 3.2) oddělenými uvnitř štěrbinou (4) o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 .lambda..sub.g.n., kde .lambda..sub.g.n. je vlnová délka na daném substrátu a spojenými na vnějších hranách se zemní rovinou. Délka první a druhé plošky (3.1, 3.2) ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny (4) je v rozmezí 0,15 až 0,5 .lambda..sub.g.n. a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 .lambda..sub.g. .n.Mezi vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče jsou vodivě připojeny kontakty napájecího čipu (6). První vodivá ploška (3.1) obsahuje první sadu (5.1) ladicích zářezů a/nebo druhá vodivá ploška (3.2) obsahuje druhou sadu (5.2) ladicích zářezů orientovaných kolmo na štěrbinu (4), přecházejících plynule do této štěrbiny (4) a umístěných symetricky vůči středu antény. Šířka ladicích zářezů a pásků mezi ladicími zářezy je v rozmezí 0,0005 až 0,02 .lambda..sub.g.n. a délka ladicích zářezů je v rozmezí 0,01 až 0,2 .lambda..sub.g.n.. Šířka ladicích zářezů a pásků mezi nimi může být shodná nebo různá.

Description

Nízkoprofilová planární štěrbinová anténa je tvořená dielektrickým substrátem (1) s nízkou relativní permitivitou v rozmezí 1 až 4 majícím na spodní straně zemní rovinu (2) a na horní straně vodivý motiv zářiče tvořený dvěma pravoúhlými vodivými ploškami (3.1,

3.2) oddělenými uvnitř štěrbinou (4) o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 Xg, kde /._g je vlnová délka na daném substrátu a spojenými na vnějších hranách se zemní rovinou. Délka první a druhé plošky (3.1, 3.2) ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny (4) je v rozmezí 0,15 až 0,5 Xg ajejich šířkaje v rozmezí 0,1 až 0,5 Xg Mezi vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče jsou vodivě připojeny kontakty napájecího čipu (6). První vodivá ploška (3.1) obsahuje první sadu (5.1) ladicích zářezů a/nebo druhá vodivá ploška (3.2) obsahuje druhou sadu (5.2) ladicích zářezů orientovaných kolmo na štěrbinu (4), přecházejících plynule do této štěrbiny (4) a umístěných symetricky vůči středu antény. Šířka ladicích zářezů a pásků mezi ladicími zářezy je v rozmezí 0,0005 až 0,02 Xg a délka ladicích zářezů je v rozmezí 0,01 až 0,2 Xg. Šířka ladicích zářezů a pásků mezi nimi může být shodná nebo různá.

Nízkoprofilová planární štěrbinová anténa

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nového způsobu ladění vstupní impedance extrémně nízkoprofilové planární antény určené pro činnost v bezprostřední blízkosti libovolných materiálů, jako je kov, lidská tkáň a podobně a to bez ovlivnění jejích elektrických vlastností. Vstupní impedanci lze ladit pomocí sady souběžných zářezů na požadované reálné i komplexní hodnoty.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem ktomu, že výsledkem předkládaného řešení je anténa s velmi malým výškovým rozměrem pracující s dobrými elektrickými 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. Z dokumentu WO 2008123515A je známo řešení, kdy je čipem napájená anténa dipólového typu odstíněna od nežádoucích dielektrických objektů pomocí podložek různých geometrií a kombinací různých materiálů včetně vodivých motivů se štěrbinami, jejichž použití však 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.

Je rovněž známa smyčková anténa se stínícím povrchem chráněná patentem zápisu 303264, dipólová anténa s upraveným stínícím povrchem patentem zápisu 303918 a přímo buzená nízkoprofilová štěrbinová anténa chráněná patentem zápisu 303919.

Aby bylo možné provozovat dipólový typ antény 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 tlouštka podložky větší než cca 10 mm, což není pro řadu aplikací přijatelné.

Rozměry flíčkových antén musí být srovnatelné s polovinou nebo čtvrtinou vlnové délky pracovního kmitočtu, 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 výšky (profilu) antény pod cca 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 &_r > 3, použitím takového substrátu tedy nelze anténu dostatečně miniaturizovat při zachování dostatečné vyzařovací účinnosti.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti nad vodivou stínící 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 vyzařovací účinnosti. 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.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem dle patentového zápisu 303264 odstraňuje uvedené nedostatky, její nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou ε_Γ > 6. Další nevýhodou je nutnost

- 1 CZ 304585 B6 použít dvojvrstvý substrát, což řešení prodražuje. Dipólovou anténu s upraveným stínícím povrchem dle patentového zápisu 303918 lze již realizovat na substrátu s nízkou permitivitou, což významně snižuje její hmotnost. Nevýhodou řešení však stále zůstává dvojvrstvý substrát.

Je rovněž známá přímo buzená nízkoprofilová štěrbinová anténa dle patentu 303919. Tato anténa je tvořena jednovrstvým substrátem nízké permitivity s motivem a zemní rovinou. Substrát má tloušťku 0,001 až 0,015 X_g, kde X_g je délka vlny na použitém dielektrickém substrátu, a nízkou relativní permitivitu e_r, která je v rozmezí 1 až 4. Motiv zářiče, umístěný na vrchní straně substrátu, je tvořen dvěma stejnými pravoúhlými čtyřúhelníkovými ploškami, které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu. Tyto plošky jsou navzájem odděleny 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. Významnou součástí je dvojice čtyřúhelníkových ladicích štěrbin, které umožňují částečné ladění vstupní impedance struktury. Nevýhodou tohoto řešení je, že vstupní impedanci lze ladit pouze v omezeném rozsahu komplexních hodnot, není možné snadno dosáhnout v řadě aplikací požadované reálné vstupní impedance např. 50 Ω.

Tento nedostatek odstraňuje navržená nízkoprofilová planámí štěrbinová anténa se sadou souběžných ladicích zářezů oddělených tenkými vodivými pásky umístěnými ve vodivém motivu zářiče vytvářející vizuálně hřebenovou strukturu, která umožní naladit dle potřeby reálné i komplexní hodnoty vstupní impedance.

Podstata vynálezu

Nedostatky výše uvedených řešení odstraňuje planámí nízkoprofilová štěrbinová anténa tvořená dielektrickým substrátem s nízkou relativní permitivitou v rozmezí 1 až 4 mající na spodní straně zemní rovinu tvořenou souvislou vodivou vrstvou, na horní straně vodivý motiv zářiče tvořený dvěma pravoúhlými vodivými ploškami oddělenými uvnitř štěrbinou o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu a spojenými na vnějších hranách se zemní rovinou vodivými stěnami nebo vodivými pásky. Délka první a druhé plošky ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny je v rozmezí 0,15 až 0,5 X_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g. Mezi vnitřní hrany první a druhé plošky vodivého motivu zářiče jsou vodivě připojeny kontakty napájecího čipu. Podstatou nového řešení je, že první vodivá ploška obsahuje první sadu ladicích zářezů a/nebo druhá vodivá ploška obsahuje druhou sadu ladicích zářezů orientovaných kolmo na štěrbinu mezi první a druhou vodivou ploškou, přecházejících plynule do této štěrbiny a umístěných symetricky vůči středu antény. Šířka ladicích zářezů a pásků mezi ladicími zářezy je v rozmezí 0,0005 - 0,02 X_g a délka ladicích zářezů je v rozmezí 0,01 až 0,2 X_g.

V jednom možném provedení jsou ladicí zářezy první a druhé sady stejně dlouhé a stejné široké a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny. Jinou možností je, že ladicí zářezy první a/nebo druhé sady jsou stejně dlouhé a vzdáleností mezi nimi jsou různé. Další modifikací je uspořádání, kdy ladicí zářezy první a/nebo druhé sady mají vůči sobě různou délku a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny. Je rovněž možné, aby ladicí zářezy první a/nebo druhé sady měly vůči sobě různou délku a byly od sebe různě vzdáleny.

Ve všech těchto uspořádáních mohou mít ladicí zářezy první a druhé sady stejnou šířku neboje možné, aby ladicí zářezy první a/nebo druhé sady měly navzájem různou šířku.

Podstatnou součástí řešení jsou tedy dvě sady souběžných ladicích zářezů umístěných v ploškách kolmo ke štěrbině, které umožňují ladění vstupní impedance struktury v požadovaném rozsahu reálných i komplexních hodnot. Ladicí zářezy jsou umístěny symetricky vůči středu substrátu a

-2CZ 304585 B6 tvoří je zpravidla sudý počet obdélníkových zářezů umístěných kolmo na štěrbinu a přecházejících plynule do štěrbiny.

Podstatným vylepšením vzhledem k dokumentům 303264, 303918 a 303919 je přítomnost hřebenových ladicích zářezů v horních vodivých plochách, jejichž rozměr a poloha vzhledem ke štěrbině mezi hranami vodivých ploch, umožňuje měnit hodnoty vstupní impedance v místě připojení napájeného integrovaného obvodu, a tím naladit vstupní impedanci ke konkrétní komplexní hodnotě impedance použitého čipu integrovaného obvodu nebo pouze čistě reálné hodnotě impedance typicky 50 Ω. Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény s komplexní vstupní impedancí pro bezkontaktní identifikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což není v současnosti uspokojivě vyřešeno. Dále pak při naladění 50 Ω vstupní impedance využití jako antény pro měřicí účely nebo ve spojení s přijímačem ke komunikačním účelům.

Objasnění výkresů

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu. Na Obr. 2 až 6 jsou uvedeny pohledy shora na substrát s motivem dvojice plošek oddělených štěrbinou včetně ladicích hřebenových zářezů v různých variantách provedení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad řešení nízkoprofilové štěrbinové antény s hřebenovými ladicími zářezy je schematicky naznačen na obr. 1 až 6. Jedná se o dielektrický substrát 1, který má na své vrchní straně vytvořen motiv dvou plošek, první zkoušky 3.1 a druhé plošky 3.2, oddělených navzájem štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose dielektrického substrátu L 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 X_g ajejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g, kde λ₈je vlnová délka na daném substrátu. Štěrbina 4 má šířku v rozmezí 0,0004 až 0,08 X_g. Spodní strana dielektrického substrátu I je pokiyta 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 hřebenového tvaru, tedy první sada 5.1 ladicích zářezů a druhá sada 5.2 ladicí zářezů, které umožňují ladění vstupní impedance struktury. V jiné variantě může být použita pouze jedna sada ladicích zářezů. První sada 5.1 ladicích zářezů a druhá sada 5.2 ladicích zářezů jsou umístěny symetricky vůči středu antény a přecházejí plynule do štěrbiny 4. Šířka jednotlivých zářezů tvořících sady ladicích zářezů i mezer mezi zářezů je v rozmezí 0,0005 až 0,02 X_g, délka je v rozmezí 0,01 až 0,2 Z_g. Kontakty napájecího čipu nebo vodiče kabelu 6 jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2, nejlépe uprostřed struktury. Počet ladicích zářezů je zpravidla sudý počet (2, 4, 6,...). Šířka ani délka zářezů a pásků mezi zářezy nemusí být stejná.

Podstatou antény je tedy dvojice první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2 umístěných na dielektrickém substrátu 1 a oddělených první štěrbinou 4, v nichž jsou vytvořeny hřebenové ladicí zářezy. 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 dielektrickém substrátu i ajejich 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 %. Výsledkem uvedeného řešení je, že

-3 CZ 304585 B6 pomocí tvaru a počtu ladicích zářezů první sady 5.1 a druhé sady 5.2 lze ladit vstupní impedanci antény jak v komplexních, tak i reálných hodnotách.

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. Dále pak při naladění 50 Ω vstupní impedance lze řešení využít jako anténu pro měřicí účely nebo ve spojení s přijímačem ke komunikačním účelům.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nízkoprofilová planámí štěrbinová anténa tvořená dielektrickým substrátem (1) s nízkou relativní permitivitou v rozmezí 1 až 4 majícím na spodní straně zemní rovinu (2) tvořenou souvislou vodivou vrstvou, na horní straně vodivý motiv zářiče tvořený dvěma pravoúhlými vodivými ploškami (3.1, 3.2) oddělenými uvnitř štěrbinou (4) o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu a spojenými na vnějších hranách se zemní rovinou vodivými stěnami nebo vodivými pásky, kde délka první a druhé plošky (3.1, 3.2) ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny (4) je v rozmezí 0,15 až 0,5 λ₈ a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g a kde mezi vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče jsou vodivě připojeny kontakty napájecího čipu (6), vyznačující se tím, že první vodivá ploška (3.1) obsahuje první sadu (5.1) ladicích zářezů a/nebo druhá vodivá ploška (3.2) obsahuje druhou sadu (5.2) ladicích zářezů orientovaných kolmo na štěrbinu (4) mezi první vodivou ploškou (3.1) a druhou vodivou ploškou (3.2), přecházejících plynule do této štěrbiny (4) a umístěných symetricky vůči středu antény, přičemž šířka ladicích zářezů a pásků mezi ladicími zářezy je v rozmezí 0,0005 až 0,02 X_g a délka ladicích zářezů je v rozmezí 0,01 až 0,2 X_g.
2. Nízkoprofilová planámí anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a ladicí zářezy druhé sady (5.2) jsou stejně dlouhé a stejné široké a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny.
3. Nízkoprofilová planámí anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a/nebo ladicí zářezy druhé sady (5.2) jsou stejně dlouhé a vzdálenosti mezi nimi jsou různé.
4. Nízkoprofilová planámí anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a/nebo druhé sady (5.2) mají vůči sobě různou délku a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny.
5. Nízkoprofilová planámí anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a/nebo druhé sady (5.2) mají vůči sobě různou délku a jsou od sebe různě vzdáleny.
6. Nízkoprofilová planámí anténa podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a druhé sady (5.2) mají stejnou šířku.
7. Nízkoprofilová planámí anténa podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačující se tím, že ladicí zářezy první sady (5.1) a/nebo druhé sady (5.2) mají navzájem různou šířku.

2 výkresy

-4CZ 304585 B6

Obr. 1

Obr. 2

Obr. 3

-5 CZ 304585 B6

3.1