WO2019014733A1

WO2019014733A1 - Antena bluetooth sintonizável incorporada a placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista

Info

Publication number: WO2019014733A1
Application number: PCT/BR2017/050195
Authority: WO
Inventors: Delson MEIRA; Joao Paulo DA SILVA NOGUEIRA; Mateus DO PRADO CAPISTRANO; Ricardo HIROSHI MINODA
Original assignee: FUNDAÇÃO CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações; Taggen Sistemas De Informação Ltda.
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-01-24
Also published as: BR212020001083U2

Abstract

Antena bluetooth planar e sintonizável, incorporada em placas de circuito impresso (101 ) de dispositivos de telecomunicações que operam na faixa de micro-ondas destinados para o uso em balizas eletrônicas de bluetooth (beacons) e outras aplicações como dispositivos móveis que necessitem de sinais sintonizados ou variações de ganho/desempenho.

Description

ANTENA BLUETOOTH SINTONIZAVEL INCORPORADA A PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO PARA BALIZA ELETRÔNICA DO TIPO MISTA.

[001 ]Trata o presente relatório de descrição detalhada acompanhada de figuras ilustrativas de um novo modelo de antena Bluetooth sintonizável de alto desempenho para ser incorporada a placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista, a qual se trata de um modelo específico de antena planar utilizada em dispositivos de telecomunicações que operam na faixa de micro-ondas destinados para o uso em balizas eletrônicas de Bluetooth {beacons) e outras aplicações como dispositivos móveis que necessitem de sinais sintonizados ou variações de ganho/desempenho.

Campo da Invenção

[002]A Antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista, objeto da presente patente, trata-se de uma antena de alto desempenho, sintonizável, com aplicações em balizas eletrônicas de Bluetooth {beacons) e outros dispositivos móveis que necessitem de sinais sintonizados ou variações de ganho/desempenho. Esta antena também pode ser utilizada em diversas áreas, mas os maiores interesses mercadológicos são nas áreas de logística e marketing. Logística pela possibilidade rastreamento de itens, atuando como um "GPS indoor" e independente da rede de dados de comunicação. Na área de marketing, em ações de publicidade utilizando da transmissão de dados para divulgação de informações relevantes ao cliente de um determinado estabelecimento.

[003]Uma antena de alto desempenho é essencial para se melhorar o consumo de energia em dispositivos de BLE, ou Bluetooth Low Energy , uma vez que o elevado desempenho da antena permite a diminuição da energia de saída no módulo de rádio, consequentemente melhorando o desempenho da bateria, e a alta sensibilidade também permite que o módulo de pré-amplificação gaste menos energia para se processar o sinal.

[004]A exemplo de outras antenas, a Antena Bluetooth sintonizável para baliza eletrônica do tipo mista, objeto da presente patente, é sintonizável através da utilização de componentes discretos como indutores e capacitores, e, fisicamente, variando-se a posição dos sintonizadores conforme a aplicação. É importante frisar que a posição do sintonizador não varia após a fabricação da antena pelo método planar, no entanto a função de sintonização e a variação de ganho ainda estarão presentes.

Objetivos da Invenção e problema a ser resolvido

[005]A Antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletronica do tipo mista, objeto da presente patente, tem por objetivo principal otimizar e maximizar a desempenho de um dispositivo beacon, onde a economia de energia é um fator muito relevante para a viabilização de seu uso e a adesão do mercado.

[006]Os resultados alcançados pela Antena Bluetooth sintonizável, aqui apresentada, permitem tanto melhorar o alcance das balizas Bluetooth quanto, em função do desempenho conseguido, diminuir o consumo de energia destes dispositivos. Isto se dá devido ao excelente "casamento" da antena obtido por meio de elementos discretos e de elementos capacitivos e indutivos obtidos diretamente no desenho da antena.

[007]Devido à facilidade de comunicação do Bluetooth em distâncias menores que 10 metros, as antenas descritas no Estado da Técnica não foram projetadas para desempenho ótimo, e em função da dificuldade de projeto de novos desenhos, assim a Antena Bluetooth sintonizável, objeto desta patente vem resolver esses problemas.

Estado da Técnica

[008]As técnicas tradicionais de implantação de antena Bluetooth incorporada a placas de circuito impresso são baseadas intrinsecamente em antenas do tipo planar ou de cerâmica em função das implicações económicas, visto que, as antenas planares são de fabricação mais barata que as demais antenas.

[009]As antenas Bluetooth se dividem em monopolos do tipo dobrado, f- invertido, encurtado e f-invertido encurtado; em dipolos do tipo simples e encurtado, e em antenas cerâmicas, eventualmente associadas a algum tipo de stup ou saída aterrada.

[010]As estruturas comumente usadas são as estruturas PIFA, da língua inglesa Planar inverted-F Antenna, ou antena planar do tipo F-invertido, podendo ser implantadas em loop cerâmico, tendo uma das entradas conectadas na linha de transmissão, e a outra entrada no aterramento da placa do circuito. Em geral estas antenas são simétricas e podem ser utilizadas em diversas configurações de posicionamento, adaptando-se conforme a circuitária necessária acoplada a ela.

[01 1 ]Por outro lado podem ser encontrados alguns documentos de patente que descrevem alguns modelos de antenas para uso em dispositivos Bluetooth, essas antenas apresentadas e conhecidas do estado da técnica funcionam perfeitamente nos dispositivos Bluetooth atuais, entretanto, apresentam problemas de sintonização de canal e perdas de retorno se consideramos o desempenho, alem de não apresentarem a configuração e o funcionamento conforme propostos e descritos nesta patente. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes

[012]O documento de patente CN104143689, THREE-FREQUENCY ANTENNA USED FOR BLUETOOTH/RFID/WLAN/WIMAX , de 21 de setembro de 2016, onde a invenção pertence ao campo técnico das antenas microstrip e fornece uma antena de três frequências utilizada para Bluetooth / RFID / WLAN / WiMAX. A finalidade é aumentar a largura de faixa da antena e conseguir um projeto da multi-faixa para a antena. De acordo com o esquema técnico, a antena compreende uma placa de terra, um ponto de alimentação, um trecho de radiação e um substrato como meio. O trecho de radiação é composto por quatro anéis semicirculares, um anel circular e duas tiras retangulares, em que os quatro anéis semicirculares são simétricos em pares e conectados em sequência, o anel circular está localizado na parte inferior no meio da região definida pelos quatro anéis semicirculares e a largura da linha de tira da conexão entre os quatro anéis semicirculares e o anel circular dentro é menor que a largura da linha da tira desde o ponto de alimentação até os quatro anéis semicirculares. O substrato é uma placa epóxi FR4. Uma estrutura em forma de arco é disposta na placa de terra abaixo de uma linha da tira desde o ponto de alimentação até os quatro anéis semicirculares. Uma falha circular é disposta na estrutura em forma de arco. A aplicação principal é que as antenas microstrip são projetados e fabricados.

[013]Este dispositivo é um dos poucos exemplos de variantes de antenas Bluetooth de alto desempenho utilizando a técnica de DGS, defect ground structure e estruturas semi-circulares para conseguir o desempenho necessário por supressão harmónica. Esta invenção utiliza fendas no plano terra para criar ou suprimir ressonâncias, de modo casado com os semicírculos que são formados na parte superior do substrato, o que diverge da técnica de ressonância empregada, de casamento de capacitâncias e indutâncias passivos no circuito planar;

[014]O documento de patente US2014/0135042 A1 , LOCATOR BEACON AND RADAR APPLICATION FOR MOBILE DEVICE, de 15 de maio de 2015, descreve um dispositivo, sistema e método para proporcionar (a) um componente de comunicações sem fios, configurado para enviar e receber sinais sem fios de tal modo que o dispositivo é localizável através de um meio sem fios; O componente de comunicações sem fios inclui: (i) um módulo Indicador de Força do Sinal Recebido (RSSI) para medir a intensidade do sinal de um sinal sem fios recebido no componente de comunicações sem fios, em que o dispositivo está configurado para ser rastreado por um dispositivo móvel de computação (MCD) Uma aplicação móvel em que a distância do dispositivo do MCDé calculada pela aplicação móvel ao receber entre um e três valores de RSSI, medidos pelo método RSSI, e enviado num sinal pelo dispositivo para o MCD, em que a distancia é calculada baseada em uma média dos valores RSSI recebidos.

[015]Este documento versa sobre um adesivo no formato de moeda utilizado para localização de objetos, mas não trata do formato das antenas. Esta invenção atende os requisitos de localização, mas baseia-se exclusivamente na procura de objetos perdidos;

[016]O documento de patente CN104658251 , INTERSECTION TRAFFIC FLOW DETECTION METHOD AND DEVICE BASED ON DIRECTIONAL ANTENNA de 6 de fevereiro de 2015, divulga um método e dispositivo de detecção de fluxo de trafego de intersecção com base numa antena direcional. O método compreende os seguintes passos: enviar sinais utilizando uma unidade de radiodifusão montada no veículo, em que os sinais são recebidos por um dispositivo de recepção de baliza para recolher mensagens de baliza de veículos; Transmitir as mensagens de baliza recolhidas dos veículos a um módulo de processamento de dados e analisar as mensagens de baliza dos veículos para realizar estatísticas do fluxo de tráfego e identificar as direções de deslocação dos veículos; Transmitir informação de detecção de tráfego obtida pelo módulo de processamento de dados para um sistema de monitorização remoto através de um módulo de transmissão sem fios de modo a realizar estatísticas do fluxo de tráfego e monitorização remota; Armazenar informação no sistema de monitorização utilizando um módulo de armazenamento de dados. De acordo com o método e o dispositivo, o fluxo de tráfego é detectado utilizando a antena direcional, de modo que os defeitos que a interferência mútua acontece facilmente e o intervalo de detecção é estreito num método convencional adaptando a Bluetooth e similares são superados; A cobertura da antena direcional é ampla, de modo que a detecção de fluxo de tráfego é relativamente precisa e o fluxo de tráfego é medido com precisão nas condições específicas que os veículos vira nas regiões de interseção;

[017]O documento de patente US2015/0382304, METHOD AND SYSTEM FOR BLUETOOTH DEVICE S YNCHRONIZA TION , de 31 de dezembro de 2015, refere-se, de um modo geral, a um método e aparelho para a sincronização BLE de Baixa Energia (BLE). Numa concretização, a divulgação permite que os dispositivos BLE habilitados com os rádios BLE e IEEE 802.1 1 sincronizem utilizando um sinal de baliza não BLE. O sinal de baliza e a informação partilhada disponível entre os dispositivos BLE correspondentes são utilizados para sincronizar os dispositivos BLE. Num método exemplificativo, o primeiro dispositivo BLE recebe um sinal de baliza tendo uma marca de tempo de referencia e determina um primeiro deslocamento de tempo em função da marca de tempo de referencia. O primeiro dispositivo BLE seleciona então uma janela de tempo de evento como uma função do primeiro deslocamento de tempo e conduz um evento BLE (publicidade ou varredura) durante a janela de tempo de evento. O segundo dispositivo BLE também usa o sinal de baliza e as informações compartilhadas para complementar o evento do primeiro dispositivo por um anúncio ou digitalização

[018]O documento de patente WO2016/154486, BLUETOOTH LOW ENERGY RAPID ROOM ENTRY SYSTEM AND METHOD de 29-09-2016, proporciona um sistema e um método para entrada rápida de salas em que pelo menos duas balizas Bluetooth de baixa energia (BLE) podem ser utilizadas para determinar quando um objeto BLE ativado atravessou um limite. O objeto BLE habilitado pode detectar os sinais de baliza BLE e um motor de localização pode determinar o cruzamento do limite com base nos sinais detectados de cada baliza BLE. Cada baliza BLE pode ter uma antena direcional de modo que uma porção do sinal que tem uma forte resistência é direcionada para o limite e uma porção do sinal que tem uma força mais fraca é direcionada para fora do limite.

[019]Estes ultimo três documentos constituem métodos e configurações importantes e podem ser utilizadas em conjunto com a antena da baliza apresentada por esta patente.

Descrição das figuras.

[020]A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

[021 ]A Figura 1 mostra um esquema da vista superior da antena, objeto da presente patente, destacando-se a representação da superfície de cobre e da circuitária da PCB (101 ). [022]A Figura 2 mostra um esquema com detalhamento das realizações da antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista, objeto da presente invenção.

[023]A Figura 3 mostra o gráfico da perda de retorno de uma antena padrão tipo F-invertido, de bom desempenho, destacando os valores de pico para comparação com a perda de retorno da invenção na Figura 4, que representa o gráfico da perda de retorno na presente invenção.

[024]A Figura 4 mostra o gráfico da perda de retorno da Antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista, objeto da presente patente. Neste gráfico comparado com a gráfica da Figura 3 , pode-se notara que a diferença na frequência de pico é de 13 dB, ou quatro vezes mais eficiente.

Descrição da invenção.

[025]Em seguida descreve-se uma forma preferencial não restritiva de realização do presente dispositivo de antena Bluetooth sintonizável, objeto desta patente, onde a configuração e aplicação podem variar na forma adequada para cada modelo desejado; descrevendo uma das possibilidades construtivas que levam a concretizar o objeto descrito e a forma como o mesmo funciona

[026]A Antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletrônica do tipo mista, objeto da presente patente, trata-se de uma antena com arranjo de diferentes elementos passivos específicos combinados para atuação em faixas de frequência de micro-ondas.

[027]A antena é composta dos elementos passivos de cobre fixos e os elementos discretos configuráveis, sendo estes: os Elementos Fixos sintonizadores e diretores construídos no próprio cobre da placa do dispositivo que utiliza este modelo de antena e os Elementos Discretos Configuráveis que são capacitores e indutores que podem ser utilizados para sintonia fina do conjunto alterado, o casamento de impedância entre rádio TX/RX e elementos fixos da antena. [028]A alimentação da antena se dá por uma linha de transmissão (102) de impedância casada em 50 ohms, podendo-se incluir elementos discretos como capacitores e indutores entre a circuitária (101 ) e a linha de transmissão (102), responsáveis pela sintonização da antena. A junção entre a parte superior (104) e a parte inferior da antena (105) se dá pelo primeiro sintonizador (103), que determina a capacitância entre a antena e a linha de transmissão. O segundo sintonizador (106) permite deslocar a frequência de ressonância. As hastes finais são diretores (107) que permite melhor condicionamento da directividade da antena.

[029]A antena, aqui proposta, é semelhante às antenas do tipo F-invertida e dipolo encurtado, porém a invenção permite que as características de impedância sejam moldadas pelas características físicas das espiras (201 ), em relação à indutância pela introdução de "atrasadores" de sinal, ou "cantos" (202), e em relação à capacitância pela introdução de "adiantadores" de sinal, ou "espaçamentos capacitivos" (203), que servem para a sintonização da antena e melhoria de desempenho

[030]A utilização dos itens discretos é necessária por conta da sensibilidade inerente a este tipo de arranjo, onde alguns fatores de características de material não são ideais e podem apresentar resultados de desempenho levemente alterados de acordo com alterações em sem processo de fabricação.

[031 ]A invenção, aqui apresentada, mostrou um desempenho quatro vezes superior em relação a uma antena F-invertida comum, ou seja, é possível que a invenção possa operar com rádios quatro vezes menos potentes, tendo-se o mesmo desempenho, como demonstrado nas Figuras 3 e 4. A diferença entre os picos de frequência é de 13 dB. Este desempenho deve-se à possibilidade de sintonização das impedâncias dada pelos itens (103), sintonizador 1 , pelo número de espiras (201 ) e consequentemente pelo controle das impedâncias (202), pelas dimensões das espiras, pelas dimensões de (203) e pelo posicionamento de (106). [032]Deve-se destacar também que a antena, objeto da presente invenção, apesar de não ser significantemente maior que uma antena F-invertida, permite uma maior adequação do desenho ao tamanho do comprimento de onda dado por c=lamba^*f, onde c é a velocidade da luz, lambda é o comprimento de onda utilizado pelo rádio e f é a frequência de operação. Os testes de transmissão e recepção mostraram desempenho duas vezes melhor.

[033]Desta forma, a Antena Bluetooth sintonizável incorporada à placa de circuito impresso para baliza eletronica do tipo mista, objeto da presente patente, que descreve um modelo específico de antena planar utilizada em dispositivos de telecomunicações que operam na faixa de micro-ondas, conforme descrita acima, apresenta uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação ás antenas conhecidas no mercado para a mesma aplicação. Dentre essas vantagens podem-se citar: maior desempenho na sua função, e o fato de ser uma antena versátil que permite uma maior adequação do desenho ao tamanho do comprimento de onda utilizado pelo rádio,.

[034]Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que a ANTENA BLUETOOTH SINTONIZÁVEL INCORPORADA A PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO PARA BALIZA ELETRONICA DO TIPO MISTA, trata-se de um dispositivo novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Modelo de Utilidade.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - ANTENA BLUETOOTH SINTONIZÁVEL INCORPORADA A PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO PARA BALIZA ELETRÔNICA DO TIPO MISTA, caracterizada por trata-se de uma antena planar com arranjo de diferentes elementos passivos específicos combinados para atuação em faixas de frequência de micro-ondas, sendo composta de Elementos Fixos passivos de cobre fixos e de Elementos Discretos Configuráveis; onde os Elementos Fixos passivos que são sintonizadores e diretores são construídos no próprio cobre da placa do dispositivo que utiliza este modelo planar de antena e os Elementos Discretos Configuráveis são capacitores e indutores que podem ser utilizados para a sintonia fina do conjunto alterado, para o casamento de impedância entre rádio TX/RX e como elementos fixos da antena; onde a alimentação da antena se dá por uma linha de transmissão (102) de impedância casada em 50 ohms, podendo-se incluir os elementos discretos como capacitores e indutores entre a circuitária (101 ) e a linha de transmissão (102), responsáveis pela sintonização da antena; onde a junção entre a parte superior (104) e a parte inferior da antena (105) se dá pelo primeiro sintonizador (103), que determina a capacitância entre a antena e a linha de transmissão; e onde o segundo sintonizador (106) permite deslocar a frequência de ressonância; com dita antena contendo hastes finais diretores (107) para condicionamento da diretividade da antena.

2 - ANTENA BLUETOOTH SINTONIZÁVEL INCORPORADA A PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO PARA BALIZA ELETRÔNICA DO TIPO MISTA, de acordo com a reivinidcação 1 , caracterizada por permitir que as características de impedância sejam moldadas pelas características físicas das espiras (201 ), em relação à indutância pela introdução de "atrasadores" de sinal, ou "cantos" (202), e em relação à capacitância pela introdução de "adiantadores" de sinal, ou "espaçamentos capacitivos" (203).