SE535251C2 - Bowtie antenn - Google Patents

Description

20 25 30 535 251 2 kommer att finna fler och fler tillämpningar i det moderna samhället.

Exempel på tillämpningsområden för UWB-teknologi: Korträckvidds- ( datahastigheter (upp till 500 Mbit/s). Exempelvis för trådlös USB-liknande kommunikation mellan datakomponenter eller trådlösa länkar mellan komponenter i underhållningssystem (DVD-spelare och TV); Sensornät, där låghastighetskommunikation kombineras med precis räckviddsuppskattning och geolokalisering, och evighetssensor för att mäta tryck, acceleration, töjning eller kraft genom konvertering till en UWB-signal.

Radarsystem och mikrovågsbildbehandling med extremt hög spatiell upplösning och hinderpenetrationsförmåga. Å andra sidan innebär det betydande utmaningar att generera, sända, ta emot och behandla UWB-signaler, vilket kräver ny forskning och nya uppfinningar inom signalgenerering, signaltransmission, signalutbredning, signalbehandling och systemteknik.

UWB antenner kan grovt klassificeras inom fyra kategorier.

Den första är den skalade strukturen. Bowtie dipol, bikonisk dipol, log-periodiska dipol-arrayer är exempel inonl denna grupp, se (bowtie-dipol "A modified Bow-Tie antenna for improved pulse radiation", av A.A. Lestari m.fl., IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, No. 7, sid. 2184-2192, juli 2010; bikonisk dipol “Miniaturization of the biconical Antenna for ultrawideband applications" av A.K. Amert m.fl., IEEE Trans. vol. 57, No. 12, 3728- 3735, dec. 2009, Den självkomplementära strukturen, se t.ex.

IEEE Antennas Antennas Propag., sid.

"Self-complementary antennas" av Y. Mushiake, 10 15 20 25 30 535 251 3 Propag. Mag., vol. 34, vol. 6, sid. 23-29, dec. 1992, är den andra gruppen som inkluderar många antenner, såsom självkomplementär spiralantenn. Därutöver finns vandringsvågsstrukturgruppen, inom vilken Vivaldiantennen, "The Vivaldi aerial" av P.J. Gibson, Proc. 101-105, 1979, 9th European Microwave Conference, sid. är en välkänd och utbrett använd UWB-antenn. Den sistnämnda kan kännetecknas som en multipelreflektion (eller resonans) struktur.

Vid närmare betraktande av de olika grupperna av UWB antenner som omnämnts ovan, kan det ses att kompakta, lågprofils- UWB antenner finns inom grupperna skalad struktur, självkomplementär struktur eller multipelreflektions-struktur, och deras strålningsfunktion är rundstrålande (en rundstrålande ett antennsystem som utstrålar effekt enhetligt i ett plan med antenn är en riktad mönsterform i ett vinkelrätt plan). Endast antenner med vandringvàgsstruktur, såsom Vivaldi-antennen, ger riktad strålningskaraktäristik (en riktad antenn är en antenn som strålar ut mer effekt i en riktning). Emellertid är denna typ av UWB-antenner stora i strålningsriktningen, se figur l.

I mànga UWB-tillämpningar, för exempel inom UWB-spàrning, UWB mikrovågstomografi, skulle fördel, UWB-geolokalisering och kompakta UWB-làgprofilsriktantenner och Vara aV sådana är därför starkt efterfrågade. Exempelvis inom UWB- radar eller bildbehandling inne i ett dielektriskt material, sàsom visas i figur 2, skall antennerna stràla in UWB- signalerna i objektet, vilket innebär att riktantenner bör användas Onz Vivaldi-antenner används för tillämpningarna. blir systemet mycket skrymmande som också ses i figur 2. På senare tid har användande av articifiell magnetisk ledar- (AMC) karaktäristiska hos elektromagnetisk bandgaps-, (EBG) 10 15 20 25 30 535 251 4 strukturer för grundplan för att erhålla lågprofils- UWB antenner blivit mer och mer uppmärksammat och vissa spriral- UWB antenner på AMC jord har rapporterats. Emellertid har det visats att frekvensbandet för articifiell magnetisk konduktor- (AMC) yta har en bandbredd på mindre än 2:1.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är mål med föreliggande uppfinning att råda bot på ovan nämnda problem och tillhandahålla en UWB-antennanordning som är kompakt, som har en riktad stràlningskarakteristik och som har en låg profil.

Denna uppfinning fokuserar på att lösa UWB antennproblem för sändning och mottagning av UWB-signaler och mottagande genom att tillhandahålla en UWB-antenn som är kompakt, och som är en lågprofilsriktantenn.

Uppfinningen av den nya UWB-antennen - självjordad bowtie- antenn, är den första kompakta UWB-làgprofilsriktantennen, och den har betydelse inom UWB-teknologi.

Detta uppnås genonx en antennanordning såsom inledningsvis angivits och som uppvisar kännetecknen i den kännetecknande delen av krav 1. Fördelaktiga utföranden anges genom de i underkraven angivna kännetecknen.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att, i icke begränsande syfte, beskrivas ytterligare under hänvisning till bifogade figurer, i vilka: Fig. 1 visar en känd Vivaldi-antenn, Pig. 2 visar ett Vivaldi-antennsystem, 10 15 20 25 30 Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. 3 4 5 7A 7B 8A 8B 10 ll 12 535 251 visar en platta för en plan bowtie-dipolantenn enligt ett första utföringsexempel, visar ett andra utföringsexempel på en platta för en plan bowtie-dipolantenn visar i tvärsnitt en bowtie-dipolantenn næd uppvikta armsektioner, visar en självjordad bowtie-antenn, visar ett alternativt utförande av en självjordad bowtie antenn i en vy snett uppifrån, visar den självjordande bowtie-antennen enligt FIg. 7A i en vy snett från sidan, visar ytterligare ett alternativt utförande av en självjordad bowtie-antenn i en vy snett ovanifràn, visar den självjordande bowtie-antennen enligt Fig. 8A i en vy snett från sidan, visar ett utförande med en dubbelpolariserad självjordad bowtie-antenn, visar ett utförande med en självjordad bowtie- antenn fylld med ett dielektrikum, visar hårdvaran hos en självjordad bowtie-antenn, illustrerar kompakthet och låg profil hos en självjordad bowtie-antenn enligt uppfinningen, 10 15 20 25 30 535 251 Fig. 13 visar ett system av självjordade bowtie-antenner, Fig. 14A visar ett UWB-system i biltillämpning, Fig. 14B visar ett utförande med UWB-antenner för strokediagnosticering, Fig. l4C visar UWB-antenner för hjärtslags- och andningsövervakning, och Fig. 15 visar simulerad reflektionskoefficient för självjordad bowtie-antenn.

DETALJERAD BESKRIVNING I detta avsnitt beskrives exempel på självjordade bowtie- antenner enligt uppfinningen och hur de kan användas för olika tillämpningar med dess unika fördelar.

Figur 3 visar geometrin hos en självjordad bowtie-antenn 10 enligt ett första utförande. Den består av ett stycke av en metallplatta bildande en plan bowtie-dipolantenn med två armsektioner lA,lB med längs symmestriska begränsningslinjer mot en ändspets avsmalnande avsnitt där ändspetsarna 2A,2B är riktade mot varandra och där armsektionerna är förbundna med avsnitt som bildar en central sektion 3 (se Fig. 6).

Begränsningslinjerna bildar en vinkel Q sägs bilda en rak vinkel, medan i Fig. 4 ett utföringsexempel av en bowtie- antenn ll visas där vinkeln Q, som i Fig. 3 sägs vara krökt, dvs. begränsningslinjerna är ej räta utan krökta.

Figur 5 visar ett tvärsnitt av bowtie-antennen i Fig. 3, där båda armsektionerna lA,lB har lyfts till att bilda en vinkel 10 15 20 25 30 535 251 7 ß med horisontalplanet varpå de kröks mot varandra till att bilda en självjordad bowtie-antenn 10 enligt uppfinningen och såsom visas i Pig. 6 som visar den slutgiltiga geometrin hos bowtie-antennen.

Den grundläggande självjordade bowtie (SBT) har följande kännetecken: l) antennen som visas i figur 6, låg kompakt och profil. Antennen i figur 6, som arbetar inom frekvensbandet 2-15 GHz, har höjden 16 mm, vilket är 0,05 av våglängden vid 2 GHz. I en konventionell Vivaldi-antenn är storleken på profilen 2 våglängder av den lägsta arbetsfrekvensen, som kommer att vara 300 mm vid 2 GHz.

Därför har den självjordade bowtie-antennen mycket låg profil. 2) riktad strålning. I figur 12 kan ses att maximal stràlningslob för den nya antennen är den positiva z- riktningen. och strålningen är låg i andra riktningar. 3) ultrabrett band. En framställd prototyp av den nya antennen arbetar i frekvensbandet 2-20 GHz och detta kan utökas till ett ännu bredare band.

Figurerna 7A,7B,8A,8B visar ett alternativt utförande av geometrin hos en bowtie-antenn där vinklarna G, ß är olika.

I figurerna 7A,7B visas olika vyer av en bowtie-antenn 20 med armsektioner lA1,1B1 med ändspetsar 2A1,2B1 och vinklarna Q, ß är större än i figur 6 och figurerna 8A,8B visar olika vyer hos en bowtie-antenn 30 med ännu större vinkel Q i figurerna 6, 7A,7B. lA2,lB2 Armsektionerna förbinds av centralt avsnitt 32.

Figur 9 visar en dubbelpolariserad bowtie-antenn 40 med fyra armsektioner lA4,1B4,lC4,1DM med mot varandra riktade ändspetsar. 10 15 20 25 30 535 251 Figur 10 visar en 1A5,lB5 självjordad bowtie-antenn 50 med armsektioner med mot varandra riktade ändspetsar fylld med något slag av dielektriskt material.

I figur ll visas ett exempel på hårdvara för en bowtie- antenn lO med en konventionell dubbelledning 5A,5B ansluten till respektive ändspets 2A,2B som går genom ett centralt hål 6B i denna centrala sektionen för matning via 7.

Figur 12 visar speciellt hur kompakt och låg profil en bowtie-antenn enligt uppfinningen har, och med liten höjd h.

Exempel på tillämpningar för självjordad bowtie-antenn: UWB radar. Den självjordade bowtie- (SBT) antennen kan finna många tillämpningar i UWB-radarsystem. UWB trävirkesradar är ett exempel på tillämpning som visas i figur 13. UWB- signalerna skickas in i timmer via en av SBT antennerna och tas emot av andra. De mottagna UWB signalerna behandlas för att utvärdera kvaliteten på timret och se om det finns något fel inuti timret. Det är också möjligt att få bild av timret genom olika signalbehandlingsalgoritmer. Det skall noteras att med användning av den självjordade bowtie-antennen blir UWB radarsystemet mycket kompakt. Bilradar är ett annat exempel såsom visat i figur 14A. Bil UWB-system kan inkludera parkeringssensorer, 10-metersavstånds anti- kollisionsradar, anti-somningsövervakning och vägkvalitets- uppskattning med användning av flera av de nya antennerna. för UWB- UWB- De självjordade bowtie-antennerna kan användas korträckviddkommunikationssystem i inomhusmiljöer. antennen skall då stråla signalerna ner på borden för att få bra kommunikation med PC:er. De självjordade bowtie- antennerna är mycket lämpliga för denna tillämpning. 10 535 251 Medicinsk diagnos och övervakningstillämpningar. Beroende på den kompakta storleken och riktade strålningen, kan den självjordade bowtie-antennen också tillämpas inom medicinsk diagnos och i hälsoövervakningssystem såsom visat i figurerna l4B, l4C.

Figur 15 visar ett diagram med simulerade reflektionskoefficienter för olika självjordade bowtie- antenner med G = 60°,90°,l20°.

Sammanfattningsvis kan den självjordade bowtie-antennen användas inom många UWB tillämpningar beroende på dess kompakta storlek, låga profil och riktade strålning.

Claims (9)

lO 15 20 25 30 535 251 10 PATENTKRAV

1. l. En UWB bowtie dipolantennanordning (l0;20;30;40;50;60) innefattande en metallplatta med två eller fyra armsektioner (IA,lB:lA1;1B1;1A2;1B2;lA4,1B4,lC4,lDU (2A,2B;2A1,2B1;2A2,2B2), symmetriskt med vardera en ändspets där armsektionerna är anordnade och motsatta att ett avstånd lämnas mellan ändspetsarna och så att en bowtie struktur bildas, varandra så k ä n n e t e c k n a d d ä r a v (lA,lB;1A1;lB1;1A2;lB2;lA4,1B4,1C4,1D4) respektive (2A,2B;2A1,2B1;2A2,2Bfl att varje armsektion avsmalnar mot ändspets under bildande av en vinkel (Q) mellan respektive sidokanter på armsektionerna från vardera ett förbindelseavsnitt, där förbindelseavsnitten tillsammans bildar ett centralt avsnitt (3;31;32í33)f första att det centrala avsnittet är anordnat i ett plan, och armsektionerna att motstående sidoförlängningar av det centrala avsnittetoch (ZÄ, 23; 2A1, 2B1,'2A2, 2B2) dipolen blir belägna på ett vinkelrätt avstånd från det plan anordnade utgöra böjda så att ändspetsarna hos bowtie i vilket det centrala avsnittet (3;31;3;33) befinner sig och från en (6B), i detta belägen centralt öppning (2A,2B;2A1,2B1;2A2,2Bfl anslutna till en matningsanordning för matning genom sagda öppning (6B) och att ändspetsarna är anordnade att vara från en sida av det centrala avsnittet (3) motsatt den sida på vilken ändspetsarna befinner sig, (3;31;32;3a) där sagda centrala avsnitt bildar ett eget jordplan för antennanordningen så att denna blir självjordad.

2. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 535 251 ll att armsektionerna och (lA, IB; 1A1,'lB1;1A2,'1B2,°1Å4, 134, lC4, 1D4) det centrala avsnittet (3;31;32;33) är utformade i ett stycke eller i två stycken.

3. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v (1A,1B;lA1;lB1;lA2;lB2;lA4,1B4,1C4,lDU det centrala avsnittet (3;31;32;33) består av en metallplatta bildar respektive övergångar till det centrala avsnittet och att metallplattan att armsektionerna och där de respektive armsektionerna i övergångarna är så böjd att en vinkel (ß) bildas mellan varje armsektíon och det centrala avsnittet.

4. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ändspetsarna (2A,2B;2A1,2B1;2A2,2B2) är förbundna med en dubbelledning (5A,5B) för matning, där respektive ledning är förbundna med vardera en ändspets.

5. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att utrymmet mellan det centrala avsnittet (3:31;32;33) och armsektionerna (1A,1B;lA1;lB1;lA2;lB2;1A4,1B4,1C4,1D4) är fyllt med ett dielektriskt material.

6. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den innefattar fyra armsektioner (lA4,1B4,lC4,1D4) som är anordnade parvis symmetriskt, och att anordningen bildar en dubbelpolariserad, dubbel bowtie antenn. 10 15 20 25 535 251 12

7. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att varje armsektion (1A,lB) ändspets (2A,2B) och bildas av ett vinkelområde begränsat av symmetriskt avsmalnar mot sin två vinkelben bestående av två räta linjer som skär varandra i ändspetsen under bildande av vinkeln (Q).

8. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att varje armsektion (lA1,1Bfl (ZAUZBU symmetriskt avsmalnar mot sin ändspets och bildas av ett vinkelområde begränsat av två vinkelben bestående av två krökta linjer som skär varandra i ändspetsen under bildande av vinkeln (Q).

9. En UWB bowtie dipolantennanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att armsektionerna är böjda i förhållande till det centrala avsnittet så att de respektive vinklarna det (B) bildas mellan första armsektions planet och där (ß) det första planet och respektive armsektion i ett avsnitt respektive utbredningsplan, är den vinkel som bildas mellan därav som befinner sig i anslutning till dess ändspets.