SE528148C2

SE528148C2 - Circular antenna

Info

Publication number: SE528148C2
Application number: SE0500250A
Authority: SE
Inventors: Tomas Rutfors
Original assignee: Tomas Rutfors
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-09-12
Also published as: SE0500250L; WO2006080892A1

Abstract

Antenna for a wireless communication system with an antenna element of conductive material, located a distance from a ground plane of electrical conductive material, where the antenna element connects by ground and radio signal and where the antenna element has at least one hole. Antennas of this type emit an omni directional electromagnetic field with polarisation perpendicular to the ground plane. The antenna can replace whip antennas with one having less height and more robust design.

Description

528 148 Z jordplan. Signalen som skall utsändas kopplas till antennelementet och jordplanet kopplas till signalens returledare eller jord. Då antennen har ett jordplan på en sida kan denna Sldß placeras på iöreml utan att det nämnvärt påverkar dess funktion och prestanda. Nackdelen är att dess yta blir relativt stor. En konventionell cirkulär patcharnenns diameter motsvarar ca V2- våglängd för den lägsta 'frekvensen som kan utstrålas, vilket lör en antenn för 1 GHz motsvarar 17 cm. Det leder till att den blir klumpig och stor, speciellt för ﬁekvenser under l GHz. Detﬁnnsdocknågrabeﬁmﬁgametoderattminskastorlekenpåenpatchantenn. Ettsâtt är att även ansluta en elektrisk ledare mellan antennelementet och jord. Dessa antenner brukar benämnas PIFA-antenner (Planar Inverted F Antenna) En PIFA antenn ansluts med både radiosignal och jord. Dessa ansluts vid antennelementets kant vilket även är jordplanets kant. Frekvensen för antennen dvs resonansﬁekvensen bestäms av antennens längd. Antennens elektriska längd skall ungeﬁr vara 'A-våglängd av önskad ﬁ-ekvens. För att anpassa antennen till radiosändare/mottagare kan avståndet mellan anslutníngspunktema lör radiosignal och jord ökas eller minskas så att systeminmedansen 50 ohm uppnås. En vanlig PIFA-antenn lmr två egenskaper som gör att den inte kan användas som ersättning för sprötantermer. Då antennen i allmänhet måste anslutas vid jordplanets kant kommer den att pâverkas av placeringen av antennen. Om anslutningarna placeras mera ænnahpåjordphnetärmnenmnwåraümpassaﬁﬂﬂohnﬁlkdwnﬁgtvisärmömkvârd impedans lör en antenn. En PIFA-antenn ger också en polarisatíon som går längs jordplanet. 528 148 Z ground plane. The signal to be transmitted is connected to the antenna element and the ground plane is connected to the signal's return conductor or ground. Since the antenna has a ground plane on one side, this Sldß can be placed on the ear without significantly affecting its function and performance. The disadvantage is that its surface becomes relatively large. The diameter of a conventional circular patchern corresponds to about V2 wavelength for the lowest 'frequency that can be radiated, which on a 1 GHz antenna corresponds to 17 cm. This causes it to become clumsy and large, especially for sequences below 1 GHz. However, there are a few ways to reduce the size of a patch antenna. One way is to also connect an electrical conductor between the antenna element and earth. These antennas are usually called PIFA antennas (Planar Inverted F Antenna). A PIFA antenna is connected with both radio signal and ground. These are connected to the edge of the antenna element, which is also the edge of the ground plane. The frequency of the antenna, ie the resonant frequency, is determined by the length of the antenna. The electrical length of the antenna must be approximately 'A-wavelength of the desired ﬁ-sequence. To adapt the antenna to the radio transmitter / receiver, the distance between the connection points for the radio signal and the ground can be increased or decreased so that the system indentation is reached 50 ohms. An ordinary PIFA antenna has two properties that mean that it cannot be used as a replacement for rod terms. Since the antenna generally has to be connected to the edge of the ground plane, it will be affected by the location of the antenna. If the connections are placed more than the ground on the ground, the antenna must match the impedance of an antenna. A PIFA antenna also provides a polarization that runs along the earth's plane.

Den är således vinkelrät till den polarisation som sprötantenner ger. Detta är den viktigaste anledningen till att inte en normal PIFA kan användas som ersättning till sprötantenner.It is thus perpendicular to the polarization provided by rod antennas. This is the main reason why a normal PIFA can not be used as a replacement for rod antennas.

Denna uppﬁnning löser problemen med polarisationen samt impedansanpassningen av en PIFA antenn.This invention solves the problems of polarization and impedance matching of a PIFA antenna.

För att ktmna generera ett elektromagnetsikt tält som både är rundstrålande och har en polarisation som är vinkelrät till jordplan måste antennen stråla ut radiosignalen med en speciell grupp av nroder. Det är TMOx moder. Den mod som ger lägst ﬁ-ekvens är TM02 moden. Genom att utforma antennclementet och dess matning på korrekt sätt kan denna moden exciteras med god effektivitet.In order to be able to generate an electromagnetic tent that is both omnidirectional and has a polarization perpendicular to the ground plane, the antenna must emit the radio signal with a special group of nodes. It's TMOx's mother. The mode that gives the lowest ﬁ-sequence is TM02 mode. By designing the antenna clement and its feed correctly, this mode can be excited with good efficiency.

Tidigare kända trtﬂiringsfonner âr beskrivna i ”A Circular Patch Antenna for Radio LAN's” avY. J. Goum. fl. De använder encirkulår skivasomansluts med en ledare ett stycke ﬁån antennenens centrum. Med deras metod blir antennen ca 2 ggr så stor som den aktuella uppfinningen.Previously known recording features are described in "A Circular Patch Antenna for Radio LAN's" by Y. J. Goum. fl. They use single-circular discs connected by a conductor some distance from the center of the antenna. With their method, the antenna becomes about 2 times as large as the present invention.

En annan uttöringsíbrm ﬁnns beskriven i ”Shorting-Pín Loaded Annular ring Microstrip Antenna” av Guangping Zhou. Där används en cirkulär skiva med ett centrerat och cirkulart hål med en radie som är hälften av skivans radie. Som elektrisk anslutning används två jordledare och en ledare till radiosändaren eller mottagaren. Avståndet mellan signal och den närmaste jordledaren styr impedansanpassningen och avståndet till jordledaren längre bort ger resonansﬁekvensen. Denna antenn har också en diameter av l/4-våglängd men behöver tvâ elektriska ledare som ansluter mellan antennelementet och dess jordplan på två skilda ptmkter.Another debris is described in "Shorting-Pín Loaded Annular ring Microstrip Antenna" by Guangping Zhou. It uses a circular disc with a centered and circular hole with a radius that is half the radius of the disc. As an electrical connection, two earth conductors and a conductor to the radio transmitter or receiver are used. The distance between the signal and the nearest earth conductor controls the impedance matching and the distance to the earth conductor further away gives the resonant sequence. This antenna also has a diameter of 1/4 wavelength but needs two electrical conductors that connect between the antenna element and its ground plane at two different points.

En generell beskrivning av církulära antenner ﬁnns beskriven i ”Two-Port Higher Mode Circular Mícrostríp Antennas” av Rodney G. Vaughan. Han beskriver de olika strålningsmoderna och justerar resonansﬁekvens med ändring av diameter på en centralt placerad jordledare. 528 148 's Redogörelse för uppfinningen Föreliggande uppﬁnning ger en antenn med liknande egenskaper som *Kf-Vågssl-'lföf m” h" avsevärt mindre lmgd och oberoende av ett jordplan. Antennen har ett inbyggt gordplan med ett väl deﬁnierat avstånd till antennelementet vilket gör att antennen kan placeras godtyckliga ﬁiremål. En punkt på antennelementet ansluts med en elektrisk ledare till radiosändaren/mottagaren och en annan punkt på antennelementet ansluts med en eller ﬂera elektriska ledare till jordplanet. Antennen är således kortsluten till jord vilket minskar problem med statisk elektricitet.A general description of circular antennas is described in "Two-Port Higher Mode Circular Microstrip Antennas" by Rodney G. Vaughan. He describes the different radiation modes and adjusts the resonance sequence by changing the diameter of a centrally located earth conductor. 528 148's Disclosure of the Invention The present invention provides an antenna with similar properties as * Kf-Vågssl-'lföf m "h" considerably less lmgd and independent of a ground plane. The antenna has a built-in belt plane with a well-defined distance to the antenna element which makes one point on the antenna element is connected with an electrical conductor to the radio transmitter / receiver and another point on the antenna element is connected with one or ﬂ your electrical conductors to the ground plane.The antenna is thus shorted to ground which reduces problems with static electricity.

Ett antennelement utformas som en cirkulär skiva av elektriskt ledande material som placeras ett stycke ovan ochparallellt till ett jordplan som är lika stort eller större än antennelementet.An antenna element is designed as a circular disk of electrically conductive material which is placed a distance above and parallel to a ground plane which is equal to or larger than the antenna element.

Två olika punkter på antennelementet ansluts med elektriska ledare där en av punketna ßrbinds till jordplanet och den andra punkten ﬂirbinds till radiosändaren/mottagaren.Two different points on the antenna element are connected with electrical conductors where one of the points is connected to the ground plane and the other point is connected to the radio transmitter / receiver.

Antennelementet skall ha en diameter som rnotsvarm' den elektriska längden av omkring 1/4- vågmgd ßr den aktuella ﬁ-ekvemen. Antennelementet skall ha minst ett hål med godtycklig form, storlek och placering.The antenna element should have a diameter that is extremely hot, the electrical length of about 1/4-wavelength ßr the current ﬁ- equem. The antenna element must have at least one hole with any shape, size and location.

Anslutningen till antennen kan utformas som en transmissionsledare med en impedans mellan 10 och 300 ohm. Transmissionsledaren kan ha olika mtörmdefonner, vanliga typer är koaxialledare och par-ledare. Transsmissionsledaren placeras med fördel vinkelrät till antennelementets plan och ﬁån en position i närheten av centrumpunkten och ansluts till det underliggande jordplanet :md dess radiosändare eller niottagare.The connection to the antenna can be designed as a transmission conductor with an impedance between 10 and 300 ohms. The transmission conductor can have different thermal conductors, common types are coaxial conductors and pair conductors. The transmissive conductor is advantageously placed perpendicular to the plane of the antenna element and from a position close to the center point and connected to the underlying ground plane: by means of its radio transmitter or nine receiver.

Antennelementet behöver inte ha den fysiska diametern av l/a-vâglängd. Antennelementet kan modiﬁeras för att minska den fysiska storleken med bibehållen elektrisk längd. Exempel pá dettaüattvikadenytuekantenellerattutformaantemtenmed ﬂeravikningar. Detären ﬁlrdel att modiﬁeringen av antennelementets ﬁmn :mors cirkulart omkring centrumptmkten.The antenna element does not have to have the physical diameter of l / a wavelength. The antenna element can be modified to reduce the physical size while maintaining the electrical length. An example of this is the folding edge or the shape of the part with the folds. This is part of the modification of the antenna element's mother: mother's circular around the center point.

Med hjälp av olika storlek, position och form pâ hålet/hålen i antennelementet kan antennens impedans justeras. Små hål i antennelementet kommer inte att nämnvàt påverka antennens egenskaper. För att erhålla en signiﬁkant liirändring av antennens impedans bör hâlets omkrets vara längre än l/8-våglängd. Ett W med simiﬁkant storlek placeras med fördel på så sätt att den elektriska anslutning lör radiosignalen placeras på en sida om hålet och den elektriska anslutningen till jordplanet placeras i närheten av en position på motstående sida till rñmnda hål.Using the different size, position and shape of the hole (s) in the antenna element, the impedance of the antenna can be adjusted. Small holes in the antenna element will not significantly affect the properties of the antenna. In order to obtain a significant change in the impedance of the antenna, the circumference of the hole should be longer than 1/8 wavelength. A W with a simi ﬁ edge size is advantageously placed in such a way that the electrical connection to the radio signal is placed on one side of the hole and the electrical connection to the ground plane is placed near a position on the opposite side to the holes mentioned.

Figurbesklivning: Figur I visaretttvärsnitt genomdetcirkirlâraantennelementet därdetﬁrmsetteentrerathål och där anshnningsptmkterna lör jord och radiosignal har placerats på var sin sida om hålet. 2 visar ett tvärsnitt genom det cirkulära antennelemnetet vars kant är nedvíkt lör att minska den fysiska storleken. Här är hålet inte centrerat och radiosignalen går igenom hålet och ansluts på motstâende sida om anslutningen av jord. 528 148 <1 Figur3 visarendastamennelememetmedeüænuahphcerathåldärencennaltplaoerad transmissionsledare av koaxial typ ansluts av tvâ elektriska ledare åt olika håll ﬁån hålets centrum Figur4 visarettantennelementmedetticke centrerathålmenmedencentrerad transmissionsleclare av koaxial typ där de två olika ledarna ansluts åt olika håll sett ﬁ-ån hálets centrum.Figure description: Figure I shows a cross section through the circular antenna element where the input hole is located and where the contact points for ground and radio signal have been placed on each side of the hole. 2 shows a cross section through the circular antenna blank whose edge is folded down to reduce the physical size. Here the hole is not centered and the radio signal passes through the hole and is connected on the opposite side of the earth connection. 528 148 <1 Figure 3 shows the only members of the coaxial type transmission conductor with a coaxial type transmission conductor connected by two electrical conductors in different directions to the center of the hole.

FigurSvisarettantennelementliknandedeniﬁgur4menniedenvyﬁånsidan.FigureVisits the antenna element similar to the ur gur4menniedenvy ﬁ side.

Figuróvísarettantennelement somanslutsmedtvåledarepåvar sinsidaomettrektangulärt hål.A figurative antenna element connected by a two-wire conductor to its side through a rectangular hole.

Föredragna utföringsformer Med hänvisningtill figur 1 visasetttvärsnitt genomcentrlunavarrtemrelementet (11) som ligger ett avstånd (20) ihuvudsak parallellt till ett jordplan (10) då jordplanet har godtyßkliâ form och är lika stort eller större än antennelementet. Autemrelementet och jordplanet är separerade av enelektarisk isolatoroehkanbeståav luft, plaster, keramer ellerandratyperav isolatorer. I det cirkulära antennelementet har ett hål (12) av godtycklig form placerats och dess position, storlek och form kommer att påverka antennens impedans. Antennens resonansﬁekvens bestäms av antennelementets storlek. Till antennelementet ansluts radiosändarens /mottagarens (13) signal via en eller ﬂera elektriska ledare (14) till en och samma punkt (15) på autennelementet. Till antennelementet ansluts även en eller flera elektriska ledare (16) ﬁånjordplanet till en och samma punkt (17).Preferred Embodiments Referring to Figure 1, a cross-section through the central heating element (11) is shown which is a distance (20) substantially parallel to a ground plane (10) when the ground plane has a gaseous branch shape and is equal to or larger than the antenna element. The autem element and the ground plane are separated by a non-electrical insulator and may consist of air, plastics, ceramics or other types of insulators. A hole (12) of arbitrary shape has been placed in the circular antenna element and its position, size and shape will affect the impedance of the antenna. The resonance sequence of the antenna is determined by the size of the antenna element. The signal of the radio transmitter / receiver (13) is connected to the antenna element via one or ﬂ your electrical conductors (14) to one and the same point (15) on the antenna element. The antenna element is also connected to one or more electrical conductors (16) ﬁ the ground plane to one and the same point (17).

Antennelementet kan också utformas med dess kanter vikta för att minska dess fysiska storlek men behålla dess eleldriska storlek och därmed samma ﬁmktion som antennelement i ﬁgur l ilppnâr. Figur2 visaretttvärsnitt av ett antennelementet somharkantermviktanernrot jordplanet. Längden på den del av vikningen som är vinkelrät till jordplanet och antennens plan ﬁr inte överstígaantennensradie. Figur2visarhuretthål(l2)harplaeeratspåen position från antennens centrum och anslutning av radiosignal (15) och jord (17) är placerade på olika sidor om hålets centrum Figur 3 visar endast antennelementet och de elektriska signalerna ansluts till antennelementet via en transmissionsledare av koaxial typ där ytterledaren (19) ansluts till anslutningspunkt (17) och dm inre ledaren (21) ansluts via elektrisk ledare till anslutningspxmkten (15) på antennelementet. Ledama ikoaxialkabeln är isolerade med en elektrisk ísolator (l 8).The antenna element can also be designed with its edges folded to reduce its physical size but retain its electrical size and thus the same function as the antenna element in ﬁ gur l ilppnär. Figure 2 shows a cross-section of an antenna element which has the edge and weight of the root plane of the earth. The length of the part of the fold that is perpendicular to the ground plane and the plane of the antenna is not exceeding the radius of the antenna. Figure 2 shows the hole (12) showing the position from the center of the antenna and the connection of radio signal (15) and ground (17) are located on different sides of the center of the hole. Figure 3 shows only the antenna element and the electrical signals are connected to the antenna element via a coaxial type transmission conductor. 19) is connected to the connection point (17) and the inner conductor (21) is connected via electrical conductor to the connection point (15) on the antenna element. The lead-in coaxial cables are insulated with an electrical insulator (l 8).

Figur 4 visar hur den elektriska anslutningen kan ske ﬁån en centralt phoerad transmissionsledare av koaxial typ där hålet (12) i antennelemeritet inte är centrerat. Den koaxiala transmissionsledaren kan vara en elektrisk koaxialkomakt av godtyckligtyp.Figure 4 shows how the electrical connection can be made en from a centrally lined transmission conductor of coaxial type where the hole (12) in antenna limitation is not centered. The coaxial transmission conductor can be an electrical coaxial power of any type.

Exempel pá koaxiala komaktdonstyper är SMA, FME, BNC, TNC, SMB, etc.Examples of coaxial contactors are SMA, FME, BNC, TNC, SMB, etc.

Figur 5 visar en vy av ﬁgur 4 sedd från sidan. Mittledaren i koaxialkabeln (21) ansluts till anslutningspunkten (15) via en elektrisk ledare (22) som i huvudsak ligger i samma plan som antennelementet. 528 14-8 S' Fi 6 visar antennelementet med ett centralt placerat rektangulär* hål (nl Signalern? ﬁ-ån rašligsändare/mottagare och ÉOfdI-Jïﬂmt ansluts i de två Punkterna 0.5) Och (lnﬁålà “käre Storleken på hålet och dess form kommer at: bestämxm mltennellﬂ 1119032115- dock vara av godtyckhg fOrm ﬁïl' att “PPﬂå Samma egenskaper “h hgger mom uppﬁnningFigure 5 shows a view of 4 gur 4 seen from the side. The center conductor in the coaxial cable (21) is connected to the connection point (15) via an electrical conductor (22) which is substantially in the same plane as the antenna element. 528 14-8 S 'Fi 6 shows the antenna element with a centrally located rectangular * hole (nl The signal? Fi- without sound transmitter / receiver and ÉOfdI-Jï ﬂ mt connected in the two Points 0.5) And (ln ﬁ ålà “dear at: determine xmtennell ﬂ 1119032115- however be of arbitrary form att ïl 'that "PP ﬂ å Same properties" h hgger mom upp ﬁ nning

Claims

1. 528 Jlyêå Q Patøntkmv 1) Anænn fi lleliuñdlöstkommunika fi onssystemmedmvásent fi gtcüln fl m mennelemeut of elcktrisktledandematerialdünlmndaantennelementhaen diametersomihxvudsakülíkamedellamindreânys wavelength, placaqettavstånd above and in lauvudsakparallellttíll a ground plane of eiektriskt conductive matenal, _ kaunawhudavaumænneiememetharminsææmlavgodtyck fi gformplqww ochstorleksamtalteneller al melekuiskaledare fi ânjordplanetáranslumaullen pmktpåunamelemmtetocháttmella al emelekuiskaledare access from the radial access arm / mottaßansluts fi llenaxmanpunktpåantennelemellt fl t 2) Amemenlígthwlßñxlnetechmdavaümhnmingsleduemmelløgjordphnetooh frame member placed fi ggsimvudsakvinkekitü al nämndaplmochxnârhetenav oemnm 3) Antemgorfligtluavzíecknadavattmshxtníngsledarnalmfoxmassomm 4) Amennenligthavlkâmætecknadavatttmsmissionsleduenüavkoaxialtyp. 5) Amamenlígthavïkâmeæcknadavauumsmissíonsledmenbestâravenkoaxial kontaktavgodtycklígtyp. _ 6) Amemen ﬁ gtluavzweclmadavauumsmissionsledarenärutfozmadsomtvan main parallel parallel leader. 7) AmemenligtkravLåecknadavatthâlotiunennelementetplaoezasßaitdm skâravontânkträtlíxljemellandetvâanslutxñngspunkternapånâmnda 8) Amennen fi gtkravlkñnnøtecknadavauh al etiamemclememetharenomkrotssom överstigerI / S vâgl fi 9) Aerial f gtkravmcâmøtæknadwmyuerkæltenpâmtemlelememetârvüdoch breddenpânámndavikningärn fi ndreândencüh äraantemelementetsmdic al. lmmmenligthavlßânneteckmdavaummelememethar ﬂ cmvíhángusomi mvokusárcirkm ﬂ ârtuüormadeomln-íngåelememetsoennnnn. lßmennenligthavlkâmetecknadavauetthålmedomkretsövers ﬁ gande ﬂ ß placerasíckecentt matpåmxtellnelemenntet. I2) An antenna according to claim 11, characterized in that the connecting conductors between the ground plane and the antimelememaßrlâggsihuwdsakvinkekâttüllnâmndaplmochinàrhwenav. l4) Anmennen ﬁ gtkravl3, kânmetedmadava ﬂ msllmñngsledunaunfoxmassomen transmissionsledaremedenimpedansmcllanwocmwohm