DE19947798A1 - Passive antenna reflection amplifier has square transponder patch antenna coupled to lambda resonator arranged in parallel with patch antenna and at defined distance from it - Google Patents

Passive antenna reflection amplifier has square transponder patch antenna coupled to lambda resonator arranged in parallel with patch antenna and at defined distance from it

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Abstract

The amplifier has a transponder patch antenna (ANT) coupled to a lambda resonator (R) arranged in parallel with the patch antenna and at a defined distance from it. The patch antenna is square and is aligned with the lambda resonator, which can consist of a wire or metal band or a conducting track. A layer of material with a dielectric constant of about 1 is arranged between the antenna and resonator.

Description

Die Erfindung betrifft einen passiven Antennenverstärker für den Einsatz in Transpondersystemen im UHF-Bereich mit einem λ-Resonator als passives Verstärkungselement, wobei der Transponder mindestens eine Patch- Antenne umfaßt.The invention relates to a passive antenna amplifier for use in Transponder systems in the UHF range with a λ resonator as a passive Reinforcing element, the transponder having at least one patch Antenna includes.

Transpondersysteme der hier in Betracht stehenden Art bestehen aus einer Leseeinheit und einer Übertragungseinheit, wobei in einem Übertragungs­ feld abgespeicherte codierte Daten bzw. die diesen Daten entsprechenden Informationen zum Auslesen übertragen werden.Transponder systems of the type under consideration here consist of a Reading unit and a transmission unit, being in a transmission field stored coded data or the corresponding to this data Information to be read out.

Die Übertragungsreichweiten reichen von wenigen Zentimetern bis zu eini­ gen Metern in Abhängigkeit von der Frequenz und gegebenenfalls beste­ hender Störbeeinflussung.The transmission ranges range from a few centimeters to one meters depending on the frequency and possibly the best interference.

Die Transponder werden insbesondere im Scheckkartenformat mit einer maximalen Stärke von 1-3 mm ausgeführt und so konzipiert, daß der Stromverbrauch minimiert ist, um eine möglichst hohe Lebensdauer mit der vorhandenen Batterie zu erreichen.The transponders are in particular in credit card format with a maximum thickness of 1-3 mm and designed so that the Power consumption is minimized to ensure the longest possible life with the to reach existing battery.

Um die Reichweiten solcher bekannter Systeme zu steigern, muß entweder die Leistung erhöht oder mit aktiven Antennen gearbeitet werden. Beides hat einen nicht erwünschten zusätzlichen Leistungsbedarf zur Folge.To increase the range of such known systems, either the performance is increased or working with active antennas. Both results in an undesired additional power requirement.

Bekannt sind insbesondere aktive Verfahren, bei welchen mit Hilfe einer eingespeisten elektrischen Spannung die Effektivität der Antenne im UHF- Bereich verbessert werden kann. Durch Reihenschaltung der flächigen An­ tenne mit einer Kapazitätsdiode kann man die Antennenparameter beein­ flussen, indem man über einen hochohmigen Widerstand eine Steuerspan­ nung anlegt, die die Antenne reflektierend oder absorbierend einstellt. Hierdurch ist die Übertragung binärer Informationen möglich, indem bei­ spielsweise der reflektierende Zustand dem Zustand "high" und der absor­ bierende Zustand dem Zustand "low" entspricht.Active methods are known in particular, in which with the aid of a fed electrical voltage the effectiveness of the antenna in the UHF Area can be improved. Through series connection of the flat An  tenne with a capacitance diode you can influence the antenna parameters flow by placing a control chip over a high-impedance resistor that sets the antenna to reflect or absorb. This enables the transmission of binary information by using for example, the reflective state, the "high" state and the absorber The corresponding state corresponds to the "low" state.

Um die Effektivität der reflektierenden Antenne, d. h. den Antennengewinn in diesem Betriebszustand, zu verbessern, kann bei bekannten derartigen Antennen die Antennenfläche vergrößert werden, was z. B. durch einen zweidimensionalen Aufbau von phasensynchronen Antennen-Arrays mög­ lich ist.To the effectiveness of the reflective antenna, i. H. the antenna gain in this operating state, can improve in known such Antennas the antenna area are enlarged, which, for. B. by a two-dimensional structure of phase-synchronous antenna arrays possible is.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorgehensweise liegt neben dem größeren Flächenbedarf darin, daß unterschiedlich lange Zuleitungen zu den einzel­ nen Antennenelementen zu einer Phasenverschiebung der Signale führen können, die durch spezielle Streifenleiter kompensiert werden müssen. Ein weiteres Problem stellt die höhere Störanfälligkeit von größeren Zuleitun­ gen dar.A major disadvantage of this approach lies alongside the larger one Space requirements in that supply lines of different lengths to the individual NEN antenna elements lead to a phase shift of the signals can, which must be compensated for by special strip conductors. On Another problem is the higher susceptibility to interference of larger supply lines gene.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen An­ tennenreflexionsverstärker der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ohne Erhöhung des Energieaufwandes und ohne Inkaufnahme der ge­ schilderten Nachteile einer vergrößerten Antennenfläche eine Steigerung der reflektierten Antennenleistung erzielbar ist.Proceeding from this, the invention is based on the object to design tennis reflection amplifiers of the type mentioned at the beginning, that without increasing the energy expenditure and without accepting the ge described disadvantages of an enlarged antenna area an increase the reflected antenna power can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Patch- Antenne des Transponders mit einem λ-Resonator gekoppelt ist, der paral­ lel zu der Patch-Antenne in einem definierten Abstand von dieser angeord­ net ist.This object is achieved in that the patch Antenna of the transponder is coupled to a λ resonator, which is parallel  lel to the patch antenna at a defined distance from this is not.

Durch diese Ausgestaltung wird ohne Flächenvergrößerung und zusätzli­ chen Energiebedarf eine erhebliche Verbesserung der Antennenleistung erzielt. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Spreizung der Bandbreite gegenüber einer herkömmlichen Patch-Antenne erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine Phasenkompensation unterschiedlicher Patch-Elemente notwendig ist.This configuration means that there is no need to enlarge the area and additionally Chen energy needs a significant improvement in antenna performance achieved. Furthermore, the configuration according to the invention is a Spreading the bandwidth compared to a conventional patch antenna reached. Another advantage is that there is no phase compensation different patch elements is necessary.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Patch-Antenne quadratisch ist, insbesondere daß Patch-Antenne und Resonator deckungsgleich sind.It is advantageously provided that the patch antenna is square, in particular that the patch antenna and resonator are congruent.

Der Resonator kann günstigerweise aus einem Draht- oder Metallband be­ stehen.The resonator can advantageously be made of a wire or metal strip stand.

Zwischen der Patch-Antenne und dem Resonator ist mit Vorteil eine Schicht eines Materials, wie Schaumstoff oder dergleichen, mit einer Die­ lektrizitätskonstanten εr von etwa 1 angeordnet.A layer of a material, such as foam or the like, with a dielectric constant ε r of approximately 1 is advantageously arranged between the patch antenna and the resonator.

Günstigerweise beträgt der Abstand zwischen Patch-Antenne und Resona­ tor das 0,05-fach bis 0,1-fache der Wellenlänge λ entsprechend der Über­ tragungsfrequenz.The distance between the patch antenna and the resona is favorably tor 0.05 times to 0.1 times the wavelength λ corresponding to the over transmission frequency.

Der Resonator sollte eine Kantenlänge von etwa ¼ der Wellenlänge ent­ sprechend der Übertragungsfrequenz aufweisen. The resonator should have an edge length of about ¼ of the wavelength speaking of the transmission frequency.  

Mit Vorteil ist ein kartenartiges Substrat für die Patch-Antenne mit einer Dielekrizitätskonstanten εr ≈ 4 vorgesehen.A card-like substrate for the patch antenna with a dielectric precision constant ε r ≈ 4 is advantageously provided.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is described below on the basis of a preferred embodiment example explained in connection with the drawing. Show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung einer Patch-Antenne mit Steuerspannung nach dem Stand der Technik, Fig. 1 is a schematic illustration of a circuit arrangement of a patch antenna with a control voltage according to the prior art,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer in Fig. 1 dargestellten An­ tennenanordnung, Fig. 2 is a perspective view of a antenna apparatus An shown in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische, schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Antennenverstärkers, Fig. 3 is a perspective, schematic representation of a modern fiction, the antenna amplifier,

Fig. 4 ein Verstärkergehäuse, und Fig. 4 shows an amplifier housing, and

Fig. 5 einen Schnitt durch das Gehäuse nach Fig. 4. Fig. 5 is a section through the housing according to Fig. 4.

In Fig. 1 ist blockschaltbildartig eine Antennenanordnung dargestellt um­ fassend eine Patch-Antenne (ANT), wobei die angrenzenden Masseflächen (GND) einen UHF-Resonator bilden. Die Frequenz wird durch die Kan­ tenlänge der quadratischen Antenne (ANT) bestimmt und ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ. Durch die dargestellte Reihenschaltung der Antenne (ANT) und zweier Kapazitätsdioden (D) kann man die Parameter der Antenne (ANT) über eine Steuerspannung Ust beeinflussen, die über einen hochohmigen Widerstand R1 in der Mitte zwischen den beiden Ka­ pazitätsdioden (D) eingespeist wird. In Fig. 1, an antenna arrangement is shown in block diagram form comprising a patch antenna (ANT), the adjacent ground planes (GND) forming a UHF resonator. The frequency is determined by the edge length of the square antenna (ANT) and is inversely proportional to the wavelength λ. Through the series connection of the antenna (ANT) and two capacitance diodes (D) shown, the parameters of the antenna (ANT) can be influenced via a control voltage U st which is fed via a high-resistance resistor R1 in the middle between the two capacitance diodes (D) .

Durch die Änderung der Steuerspannung wird die effektive Fläche der Patch-Antenne (ANT) für eine definierte Frequenz verändert, so daß die Antenne entweder als optimaler Reflektor oder Absorber für die eintreffen­ den Wellen der Wellenlänge λ einstellbar ist. Folgt die Steuerspannung Ust dem Informationsgehalt einer binären Information (H bzw. L), so ist es möglich, diese Information durch Reflexion ≈ H oder Absorbtion ≈ L mit Hilfe eines unmodulierten Trägers zu übertragen.By changing the control voltage, the effective area of the patch antenna (ANT) is changed for a defined frequency, so that the antenna can be set either as an optimal reflector or absorber for the incoming waves of wavelength λ. If the control voltage U st follows the information content of binary information (H or L), it is possible to transmit this information by reflection ≈ H or absorption ≈ L with the aid of an unmodulated carrier.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 perspektivisch dargestellt. Hieraus ist erkennbar, daß das Antennensubstrat mit der Dielektrozitätskonstanten εr die Stärke d des Materials festlegt.The arrangement according to FIG. 1 is shown in perspective in FIG. 2. From this it can be seen that the antenna substrate defines the thickness d of the material with the dielectric constant ε r .

Die Antennenfläche weist die Abmessungen l × w auf, wobei für l gilt:
The antenna area has the dimensions l × w, where for l:

Für w gilt: w ≧ 1For w: w ≧ 1

Die Groundfläche (GND) befindet sich auf der Rückseite des Leiterplatten­ substrates (Ls), auf dessen Oberseite die Patch-Antenne (ANT) aufgebracht ist, wobei bei K jeweils Durchkontaktierungen vorgesehen sind.The ground plane (GND) is on the back of the circuit board substrates (Ls), on the top of which the patch antenna (ANT) is applied is, in which case plated-through holes are provided in each case.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Dabei ist vorgesehen, daß
An embodiment according to the invention is shown in FIGS. 3 and 4. It is provided that

ist. In einem Abstand dl entspre­ chend den 0,05-fachen bis 0,1-fachen der Wellenlänge λ entsprechend der Arbeitsfrequenz ist ein zusätzlicher Resonator (R) angeordnet, der die Ge­ samtlänge λ aufweist. Er ist auf einem Metalldraht oder -band hergestellt und quadratisch mit den Abmessungen
is. At a distance dl corresponding to 0.05 times to 0.1 times the wavelength λ corresponding to the working frequency, an additional resonator (R) is arranged, which has the total length λ. It is made on a metal wire or ribbon and is square with dimensions

ausgebildet.educated.

Eine optimale elektrische Koppelung der beiden Strukturen im Nahfeld wird erreicht, wenn l = l1 gegeben ist und das Dielektrikum des Leiterplat­ tensubstrats (Ls)εr ≈ 4 ist. Daraus ergibt sich als Verkürzungsfaktor für die Antenne
An optimal electrical coupling of the two structures in the near field is achieved if l = l 1 and the dielectric of the circuit board substrate (Ls) ε r ≈ 4. This results in a shortening factor for the antenna

Der Abstand d1 zwischen der Antenne (ANT) und den Resonator (R) wird mittels einer Materialschicht, z. B. Schaumstoff, mit einer Dielektrizitäts­ konstanten εr ≈ 1 eingestellt. Diese ist in Fig. 3 nicht dargestellt.The distance d1 between the antenna (ANT) and the resonator (R) is determined by means of a material layer, e.g. B. foam, set with a dielectric constant ε r ≈ 1. This is not shown in Fig. 3.

In Fig. 4 ist ein Verstärkergehäuse (G) perspektivisch und in Fig. 5 im Schnitt dargestellt, das zur Aufnahme eines Transponders dient. Dies ist von Vorteil, da der elektronische Ausweis (Transponder) im Nor­ malfall eine Dicke von 1 mm nicht überschreiten soll, mit geringer Reich­ weite jedoch auskommt. Der gleiche Transponder kann nun beispielsweise in das Verstärkergehäuse (G) gesteckt werden, in welches der Resonator (R) integriert ist. Der notwendige Abstand (d1) zum Reflektor ist durch die Konstruktion des Gehäuses bereits vorgegeben.In Fig. 4 an amplifier housing (G) is shown in perspective and in Fig. 5 in section, which serves to accommodate a transponder. This is an advantage, since the electronic ID (transponder) should normally not exceed a thickness of 1 mm, but does not require a long range. The same transponder can now be plugged into the amplifier housing (G), for example, in which the resonator (R) is integrated. The necessary distance (d1) to the reflector is already specified by the construction of the housing.

Claims (12)

1. Antennenverstärker für den Einsatz in Transpondersystemen im UHF- Bereich mit einem λ-Resonator als passives Verstärkungselement, wo­ bei der Transponder mindestens eine Patch-Antenne umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Patch-Antenne (ANT) des Transponders mit einem λ-Resonator (R) gekoppelt ist, der parallel zu der Patch-Antenne (ANT) in einem definierten Abstand d1 von dieser angeordnet ist.1. Antenna amplifier for use in transponder systems in the UHF range with a λ resonator as a passive reinforcement element, where the transponder comprises at least one patch antenna, characterized in that the patch antenna (ANT) of the transponder with a λ resonator (R) is coupled, which is arranged parallel to the patch antenna (ANT) at a defined distance d1 from it. 2. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Patch-Antenne (ANT) quadratisch ist.2. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that the patch antenna (ANT) is square. 3. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Patch-Antenne (ANT) und λ-Resonator (R) deckungsgleich sind.3. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that Patch antenna (ANT) and λ resonator (R) are congruent. 4. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der λ-Resonator (R) aus einem Draht- oder Metallband besteht oder ei­ ner Leiterbahn.4. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that the λ resonator (R) consists of a wire or metal strip or egg ner conductor track. 5. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Patch-Antenne (ANT) und λ-Resonator (R) eine Schicht ei­ nes Materials, wie Schaumstoff oder dergleichen, mit einer Dielektri­ zitätskonstanten εr von etwa 1 angeordnet ist.5. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that between the patch antenna (ANT) and λ resonator (R) a layer of egg nes material, such as foam or the like, is arranged with a dielectric constant ε r of about 1. 6. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Patch-Antenne (ANT) und λ-Resonator (R) das 0,05-fache bis 0,1-fache der Wellenlänge λ entsprechend der Übertra­ gungsfrequenz beträgt.6. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that the distance between the patch antenna (ANT) and the λ resonator (R)  0.05 to 0.1 times the wavelength λ corresponding to the transfer frequency is. 7. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der λ-Resonator (R) eine Kantenlänge von etwa ¼ der Wellenlänge entsprechend der Übertragungsfrequenz aufweist.7. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that the λ resonator (R) has an edge length of about ¼ of the wavelength corresponding to the transmission frequency. 8. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kartenartiges Substrat (Ls) für die Patch-Antenne (ANT) mit einer Dielektrizitätskonstanten εr ≈ 4 vorgesehen ist.8. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that a card-like substrate (Ls) for the patch antenna (ANT) is provided with a dielectric constant ε r ≈ 4. 9. Antennenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenverstärker ein separates Gehäuse (G) darstellt und zur Be­ festigung an beliebigen Objekten ausgebildet ist.9. Antenna amplifier according to claim 1, characterized in that the antenna amplifier represents a separate housing (G) and for loading attachment to any object is formed. 10. Antennenverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenverstärker einen Schlitz (S) besitzt, der zur Aufnahme des Transponders (TRP) dient.10. Antenna amplifier according to claim 9, characterized in that the antenna amplifier has a slot (S) which is used to receive the Transponders (TRP) is used. 11. Antennenverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der λ-Resonator in das Gehäuse (G) integriert ist.11. Antenna amplifier according to claim 9, characterized in that the λ resonator is integrated in the housing (G). 12. Antennenverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der notwendige Abstand (d1) durch den Schlitz und dessen Abstand zu (R) konstruktiv vorgesehen ausgebildet und die Bedingung εr ≈ 1 opti­ mal erfüllt ist.12. Antenna amplifier according to claim 9, characterized in that the necessary distance (d1) through the slot and its distance to (R) is provided in a constructive manner and the condition ε r ≈ 1 is met optimally.
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