FI20050507A - Antennirakenne esimerkiksi etätunnistinjärjestelmää varten - Google Patents

Description

Antennirakenne esimerkiksi etätunnistinjärjestelmää varten Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne.

Keksinnön kohteena on myös antennirakenteen käyttö.

Antennia käytetään esimerkiksi etätunnistinpiirien kanssa.

Etätunnistimien (RFID) käyttö tulee kasvamaan lähivuosina. Ne tulevat suurelta osin korvaamaan esim. optisesti luettavat viivakoodit tuotteiden merkinnässä. Etätunnistin on radiosignaalilla kaukoluettava merkki, joka käsittää antennin, jännitteengenerointi-piirin, rf-signaalin modulointi/demodulointipiirit ja muistin. Muistiin voidaan sekä kirjoittaa että siitä voidaan lukea radiosignaalin avulla. Etätunnistimia on useita eri tyyppejä: passiivisia ja aktiivisia sekä induktiivisesti, kapasititvisesti tai radiotaajuisen säteily-kentän avulla kytkeytyviä. Passiiviset etätunnistimet generoivat tarvitsemansa sähköisen energian niihin kohdistetusta rf-kentästä. Aktiivisissa tunnistimissa on erillinen paristo tai muu virtalähde. Induktiivisesti kytkeytyvät etäanturit toimivat tyypillisesti 100-125 kHz tai 13,56 MHz taajuudella.

Tämän keksinnön edullisimmat sovellukset liittyvät radiotaajuisella säteilykentällä luettaviin passiivisiin etäantureihin, mutta antennityyppi on edullinen kaikissa sovelluksissa, joissa antennilta vaaditaan pitkää Iukuetäisyyttä, litteää rakennetta ja kiinnitettävyyt-tä jollekin alustalle, kuten esimerkiksi tavaran tai pakkauksen pintaan. Tällainen pinta on yleensä tasomainen. Keksinnölle edullisesti sopivia taajuuksia ovat 869 MHz ja 2,45 GHz.

Etätunnistin (RFID transponder) on antennin, mikropiirin ja muistin käsittävä pieni laite, joka lähettää muistin sisältönsä takaisinsironnalla saatuaan lukijalaitteelta lähetys-komennon ja lukijalaitteen valaistessa sitä radiosignaalilla. Passiivisessa etätunnistimes-sa ei ole paristoa vaan se ottaa tarvitsemansa käyttötehon lukijalaitteen sille lähettämästä radiosignaalista. Etätunnistimien ja lukijalaitteen välinen tehon ja informaation siirto voi tapahtua magneettikentän, sähkökentän tai säteilevän radiosignaalin avulla. Useissa etätunnistimien sovelluksissa on tärkeää että lukijalaitteen ja etätunnistimen välinen etäisyys voi olla pitkä - jopa useita metrejä.

Etätunnistimia on jo pyritty ottamaan kaupalliseen käyttöön laajamittaisestikin. Käytännössä kuitenkin etätunnistimillä, joilla laboratoriossa on päästy pitkiin lukuetäisyyksiin, on käytännön tilanteissa mitattu huomattavasti lyhyempiä lukuetäisyyksiä. Tulosten huonontuminen on aiheutunut siitä, että alusta, jolle etätunnistin on kiinnitetty on muuttanut merkittävästi etätunnistimen antennin ominaisuuksia.

PIFA on hyvin yleisesti käytetty antenni esim. matkapuhelinsovellutuksissa. Yleensä sitä syötetään läheltä taitosta, jotta impedanssitaso saataisiin lähelle 50 Ohmia. Syöttö tapahtuu myös ’’maatason” läpi. PIFA antennia voi soveltaa myös sellaisten RFID-piirien yhteydessä, joissa piirin impedanssin reaaliosa on suuri, jos syöttöpiste viedään lähelle antennin avointa päätä. RFID-piiriä varten tarvitaan tässä sovelluksessa läpivienti PEFA:n maatasoon. Jos tämän lisäksi antenni on hiukan aallonpituuden neljäsosaa lyhyempi, jää antenni induktiiviseksi ja impedanssi saadaan sovitettua kapasitiivisen ottoimpedanssin omaava RFID-piiriin. PIFA-antennin ongelmana on se, että se edellyttää läpivientiä ja se lisää merkittävästi valmistuskustannuksia. Jos antenni valmistetaan esim. suurtaajuista piirikorttitekniikkaa hyödyntäen, antennin kustannus on jopa useita Euroja.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan ongelmat ja aikaansaada aivan uudentyyppinen järjestelmä, menetelmä ja käyttö tehonmittauksen tekemiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että elektroninen komponentti, kuten RFID-piiri on kiinnitetty anturirakenteen toiselle pinnalle ja kytketty toisesta antenninavastaan siirtolinjaan ja toisesta navastaan joko toiseen siirtolinjaan tai taitokseen.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle antennirakenteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle käytölle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 7.

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön sovellusten avulla saadaan aikaan litteä antennirakenne, jolla on erittäin pitkä lukuetäisyys. Antennityyppi on myös immuuni pinnalle, jolle se on kiinnitetty. Keksinnön sovellusten mukainen antennityyppi on myös edullinen valmistaa, koska läpivientejä et tarvita. Lisäksi anturirakenteeseen on helposti ja vähäisillä kustannuksilla yhdistettävissä esimerkiksi RFID-elektroniikka.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suori-tusesimerkin suoritusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista etälukujärjestelmää, johon keksinnön mukainen anturi soveltuu.

Kuvio 2 yläkuvantona yhtä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 3 esittää sivukuvantona suunnasta A kuvion 2 mukaista anturia.

Kuvio 4 esittää yläkuvantona toista keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 5 esittää yläkuvantona kolmatta keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 6 esittää yläkuvantona neljättä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 7 esittää yläkuvantona viidettä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 8 esittää yläkuvantona kuudetta keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 9 esittää yläkuvantona seitsemättä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 10 esittää yläkuvantona kahdeksatta keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 11 esittää poikkileikattuna sivukuvantona kuvion 10 mukaista anturia.

Kuvion 1 mukaisesti tyypillinen etälukujäijestelmä käsittää lukijalaitteen 10, sekä etä-tunnistimen 20, joka ovat toistensa kanssa kommunikaatioyhteydessä langattomasti.

Lukija 10 käsittää tyypillisesti prosessorin 11, demodulaattorin 12 ja RF-elektroniikan 13 sekä antennin 14 radiotaajuisen signaalin tuottamiseksi ja vastaanottamiseksi. Etä-tunnistin 20 puolestaan sisältää antennin 21, sovituspiirin 22, tasasuuntaajan ilmaisimi-neen 23 sekä logiikkapiirin 24. Modulaatio toteutetaan logiikan 24 ja sovituspiirin 22 yhteistoiminnalla. Etätunnistin 20 on tässä sovelluksessa laminoitu ohuelle levylle, usein luottokorttikokoon.

Tässä keksinnössä tuodaan esiin hyvän hyötysuhteen omaava antenni, jossa ei ole tarvetta läpivientiin. Kutsumme antennia planaariseksi epäsymmetrisesti syötetyksi taitetuksi antenniksi (Planar Asymmetrically Fed Folded Antenna, PAFFA).

Kuviossa 2 on kuvattu antenni, missä eristekerroksen 7 päälle muodostetun planaarisen siirtolinjan 3 toinen pää on tuotu lähelle antennin "maatasoa”. Antennista tulee hyvin pieni, mutta koska magneettikentän lähde (taitos) 1 ja sähkökentän lähde 2 (resonaattorin avoin pää) tulevat toistensa lähelle, vaikuttaa tilanne säteilyimpedanssiin ja tehon suuntautumiseen. Taitos 1 toimii magneettikentän primäärisenä lähteenä. Simuloinnit osoittavat, että antenni toimii, mutta hyötysuhde jää kohtuullisen huonoksi (20 %- 30 %). Antenni on kuitenkin kooltaan erittäin pieni (n. 30 cm x 30 cm kun taajuus on 869 MHz;n ja eristeen suhteellinen permittivisyys 2,5, n. 12 cm x 12 cm kun taajuus on 2,45 GHz)) ja voidaan käyttää sovellutuksissa, missä riittää pienehkö etäisyys. RFID-piiri 4 on tässä sovitettu lähelle taitosta 1. RFID-piirin kaksi antenninapaa on kytketty antennin magneettikentän lähteen 1 ja sähkökentän lähteen väliin. Siirtolinjan 3 pituus on tässä suoritusmuodossa toimintataajuuden aallonpituuden neljäsosa (λ/4).

Kuvio 3 esittää kuvion 2 antennirakennetta nuolen A suunnasta katsottuna.. Tästä kuviosta näkyy selvemmin RFID-piirin kytkentä magneettikentän lähteen 1 ja sähkökentän lähteen 2 väliin.

Kuvassa 4 on esitetty antenni, missä RFID-piiri 4 on asetettu noin neljännesaallon päähän taitoksesta 1 ja missä RFID-piirin 4 toinen pää on maadoitettu neljännesaalonpitui-sella avoimella siirtolinjalla 3. RFID-piiri 4 sovitetaan antenniin varioimalla siirtolinjan 3 pituutta ja leveyttä sekä eristeen 7 paksuutta. Antenni on muotoiltu siten, että siirtolin-ja 3 on leveä niissä kohdissa missä virrantiheys on suuri, mutta ohut sähkökentän maksimeissa 2. Tällä järjestelyllä voimme pienentää antennin kokoa, mutta säilyttää anten nin hyötysuhde hyvänä. Toisaalta RFID-piirin 4 lähelle syntyvä sähkökenttä on huomattavan kaukana magneettisesta dipolista verrattuna kuvion 2 kytkentään ja täten antenni säteilee yhtä hyvin kuin perinteinen PIFA. Erona on ainoastaan se, että RFID-piirin 4 maadoitukseen käytetty λ/4-pituinen siirtolinja 3 myös säteilee jonkin verran. Simulointien ja mittausten perusteella kuvion 4 tyyppinen antenni toimii hyvin, mutta impedanssia on vaikea saada riittävän korkeaksi RFiD-piirille 4. Olemme tutkineet kuvion 4 mukaista antennia, jonka koko on alle 60 cm x 60 cm 869 MHz:n taajuudella.

Kuviossa 5 on esitetty antenni, joka muistuttaa hyvin paljon kuviossa 4 esitettyä antennia. RFiD-piiri 4 on kuitenkin tässä maadoitettu λ/2- pituisella siirtolinjalla 3 (kuviossa oikeanpuoleinen siirtolinja), joka päättyy taitokseen 1. Oleellisena erona kuvion 4 antenniin on se, että rakenteen pituuden vuoksi rakenteeseen syntyy kaksi virran maksimi-kohtaa, jotka molemmat säteilevät. Tämän antennin simuloinnit osoittivat, että ko. antennilla saadaan 869 MHz:n taajuudella pienihäviöistä eristettä 7 käyttäen 70 % - 80 %:n hyötysuhde ja erittäin hyvä impedanssisovitus RFID-piiri in, joka ottoimpedanssi on 6 - j200 Ω. Simuloinnit tehtiin antennilla, jonka koko on alle 60 cm x 60 cm 869 MHz:n taajuudella.

Piirin sijoitus antennille voi vaihdella suuresti aina RFID-piirin impedanssin mukaan.

Kuviossa 6 on esitetty tapa, missä RFID-piiriä 4 on syötetty hiukan 1/4-linjan avointa päätä 2 aikaisemmin. Tällä menetelmällä voidaan impedanssia alentaa (reaali- ja imagi-naariosien suhde pysyy lähes vakiona, mutta vektorin pituus muuttuu). Samaa menetelmää voidaan käyttää kaikissa tässä keksinnössä esilletuoduissa antenneissa impedanssisovituksen tekemiseen.

Koska keksinnön mukaisessa antennissa ei vaadita läpivientiä, voidaan antenni valmistaa esim. tasaiselle muoville, johon etsaamalla tai kasvattamalla rakennetaan antenni-kuvio. Tähän rakenteeseen voidaan liittää RFiD-piiri. Jos muovi on riittävän ohut (1 mm - 2 mm), se voidaan tuoda prosessiin suoraan rullata. Linja voi olla leveä, jolloin kone voi tuottaa useita antenneja rinnakkain. Piirin 4 kiinnittämisen jälkeen leveä rakenne leikataan osiin (yhden rainan leveys kaksi kertaa lopullisen antennin leveys). Lopuksi rakenne lämmitetään ja taitetaan ja leikataan erillisiksi etätunnistimiksi. Jos alkuperäisen muovin paksuus on 1 mm, muodostuneen antennin eristeen paksuus on 2 mm, joka simulointien ja kokeiden mukaan johtaa kohtuullisen hyvään antenniin. Mahdollisesti myös paksumpaa muovia voidaan käyttää, jolloin antennin hyötysuhdetta voidaan parantaa. Koska prosessin raaka-aine voidaan tuottaa rullalta ja antennikuvion kasvatus tai etsaus voidaan tehdä jatkuvatoimiseksi, saadaan koko prosessi jatkuvatoimiseksi ja tätä kautta hyvin edulliseksi. Keksinnön mukaisia antenneja voidaan tuottaa myös siten, että valmistetaan antennikuvio ohuelle muoville esim. etsaamalla. Seuraavaksi RFID-piiri 4 liitetään antenniin ja nauha leikataan nauhamaiseksi. Tämä rakenne voidaan taittaa muovinlevyn reunan yli siten että lopuksi muodostuu tässä keksinnössä kuvatun kaltainen antenni. Myös tämä prosessi voidaan saada huomattavan edulliseksi, koska läpivientiä ei tarvita.

Keksinnössä on tuotu esille menetelmä missä RFID-piiri on kytketty plaanarisesti taitettuun antenniin. Kutsumme antennia PAFFA:ksi. Keksinnössä on tuotu esille taitettu antenni, pintametallointikerros sisältää noin (2η-1)λ/4 -pituisen siirtolinjan, missä n = 1,2,3, ... Käytännössä paras tulos saavutetaan valitsemalla n = 1. Tämän siirtolinjan päähän tai lähelle on asetettu RFID-piiri. Piiri voidaan myös haudata planaarisesti eristemateriaaliin. RFID-piirin toiseen nastaan asennetaan ηλ/2 -pituinen siirtolinja, joka päätetään taitokseen tai (2η-1)λ/4 -pituinen siirtolinja, joka päätetään avoimeen kuormaan. Lisäksi antenni on muotoiltu siten, että siirtolinja on leveä viran maksimikohdissa ja kapea virran minimikohdissa. Tällä järjestelyllä voimme pienentää antennia ja silti pitää hyötysuhdetta hyvänä. Antennin merkittävin ero muihin nykyään käytettäviin metallin päälle soveltuviin antenneihin on se, että RFID-piiriä ei tarvitse galvaanisesti maadoittaa eristekerroksen läpi.

Siirtolinjojen 3 pituudet tarkoittavat tässä hakemuksessa kuvioissa esitettyjen siirtolinjo-jen 3 keskelle piirrettyjen viivojen pituuksia.

Käytännössä on tarve tehdä myös kapeita ja pitkiä rakenteita, jolloin kannattaa muokata edellä esitettyä rakennetta hiukan eri muotoon. Periaate kyllä säilyy, mutta ulkonäkö muuttuu selvästi näissä keksinnön vaihtoehtoisissa ratkaisuissa. Näitä vaihtoehtoisia ratkaisuja on kuvattu kuvioissa 7-9. Kuviossa 7 on kuvattu antenni, missä muovi on taitettu joko vasemmalta sivustalta tai ylhäältä, jolloin metallitaitos 1 tulee joko vasempaan yläreunaan tai yläsivuun. Tästä taitoksesta 1 matka mikropiirille on λ/4+ηλ/2.

Piirin toinen puoli (kuviossa alaosa) on päätetty avoimeen linjaan 2 ja pituus on tällöin myös λ/4+ηλ/2 (n voi olla eri n= 0,1,2,..).

Kuviossa B on rakenne, missä muovin taitos on tehty vasemmasta reunasta ja metalliset siirtolinjat 3 on kuvioitu siten, että johdin kulkeutuu maatasoon 1 sekä vasemmalta ylhäältä ja oikealta ylhäältä. Nyt voidaan tehdä kaksi vaihtoehtoa a) ylin linja 3 on λ/4+ηλ/2 ja alin λ/2 +ηλ/2 kuten kuviossa 9 tai b) molemmat toteuttavat yhtälön λ/4+ηλ/2 kuten kuviossa 8. Tietenkin n voi olla tietysti kaikissa erillisissä siirtolinjoissa 3 mikä tahansa. Kaikki nämä antennit voidaan taittaa vielä 90 asteen kulmaan kuten on näytetty alhaalla oikealla. Muutenkin kaikkia keksinnössä esitettyjä antenneja voi väännellä eri muotoihin antenniominaisuuksien erityisesti kärsimättä. Taitos vaikuttaa sätei-lykuvioon, joten tämä tulee ottaa suunnittelussa huomioon.

PAFFA antenni voidaan myös toteuttaa kuvion 10 ja 11 mukaisella rakenteella. Jos alustana on metallikerros 12, voimme käyttää sitä suoraan PAFFAm maatasona. Kuvioiden 10 ja 11 järjestelyssä metallialustan 12 päälle on asetettu muovikappale 10 (esim. polyeteeni), joka on pituudeltaan noin aallonpituuden puolikas. Muovin 10 ja metalli-kerroksen 12 päälle asetetaan ohut antennilaminaatti, joka muodostuu eristekerroksesta 11 ja tämän päällä olevista sähköisesti johtavista siirtoteistä 3. Antennilaminaatti ulottuu muovikappaleen 10 molemmilta puolilta metallialustaa 12 vasten aallonpituuden neljäsosan verran. Tulee huomata että aallonpituus voi olla eri alueella missä antennilaminaatti 3 on suoraan metallin päällä kun se on muovin päällä, koska valon nopeus voi olla niissä erilainen johtuen lähinnä materiaalien permittiviteettieroista. Koska metallia 12 vasten olevan siirtolinjan 3 aaltoimpedanssi on matala ja koska sen pituus on aallonpituuden neljännes, syntyy muovin 10 reunaan efektiivinen oikosulku metallia 12 vasten. Tällä järjestelyllä voidaan tavallaan tehdä kontaktin alla olevaan maatasoon. Tämä huomioiden antenni käyttäytyy kuten molemmilta puolilta taitettu PAFFA antenni. Jos alla olevan metallin 12 johtavuus on erityisen huono, voi olla tarve pinnoittaa se ensin kohtuullisen hyvin johtavalla metallikerroksella, jonka paksuus voi olla 1 pm - 10 pm luokkaa.

Elektroninen piiri kuten RFID-piiri kytketään siirtolinjaan 3 joko sen päähän tai kuvion 4 mukaisesti sopivaan kohtaan siirtolinjassa. Sijoituspaikan määrää elektronisen piirin impedanssi.

Antennipiiri voidaan taittaa myös molemmista päistä tai kahdelta sivulta, vaikkakin tämä tapa saattaa olla teknisesti yhtä taitosta hankalampi ja kalliimpi toteuttaa.

Claims (7)

1. Antennirakenne kaksinapaista antennikytkentää (4) varten, joka käsittää - ensimmäisellä pinnalla olevan johtava maatason (6), - ainakin yhden toisella pinnalla olevan, maatasoon (6) antennirakenteen reunassa olevan taitoksen (1) kautta kytketyn siirtolinjan (3), jolloin taitos toimii magneettikentän primäärisenä lähteenä, - ensimmäisen ja toisen pinnan väliin sovitetun eristekerroksen (7), ja - antennirakenteeseen yhdistetyn elektronisen komponentin (4), jossa on kaksinapainen antenniliitin, tunnettu siitä, että - elektroninen komponentti (4) on kiinnitetty anturirakenteen toiselle pinnalle ja kytketty ensimmäisestä antenninavastaan siirtolinjaan (3) ja toisesta navastaan joko toiseen siirtolinjaan (3) tai taitokseen (1).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että komponentin (4) ensimmäiseen antenninapaan kytketyn siirtolinjan (3) pituus on λ*(2η-1)1/4, missä n = 1,2,3.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että komponentin (4) toiseen antenninapaan kytketyn siirtolinjan (3) pituus on λ*η!/2, missä n = 0,1,2,3.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että komponentin (4) toinen antenninapa on kytketty taitokseen (1), jolloin n=0.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennirakenne, tunnetta siitä, että komponentin (4) toinen antenninapa on kytketty siirtolinjaan (3), jonka pituus on λ*(2η-1 )1/4.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että komponentti (4) on passiivinen RFID-piiri.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen anturirakenteen käyttö RFID-piirin antennina.