CZ19707U1 - Nízkoprofilová štěrbinová anténa - Google Patents

Description

Nízkoprofilová štěrbinová anténa

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofílového planámího zářiče, tedy antény, vykazujícího komplexní charakter vstupní impedance a minimální vliv materiálu objektu, na kterém je zářič umístěn (kov, lidská tkáň, apod.), na jeho vlastnosti.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem k tomu, že výsledkem předkládaného řešení je anténa pracující s dobrými parametry i v těsné blízkosti libovolných objektů, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům zářičů. Přijatelných elektrických parametrů takto pracujících antén je dosahováno nčkoliio ka způsoby, například doplněním antén dipólového typu nebo jejich zkrácených verzí dielektrickou podložkou nebo stínícími stěnami založenými na umělých magnetických površích, použitím ťlíčkových neboli patchových antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou. Je rovněž známa smyčková anténa se stínícím povrchem chráněná užitným vzorem č. zápisu CZ

18825 a dipólová anténa s upraveným stínícím povrchem, která je předmětem užitného vzoru č. 15 zápisu CZ 19482.

Aby bylo možné provozovat anténu typu zkrácený dipól v těsné blízkosti libovolných objektů (kovových či dielektrických), je nezbytné ji doplnit dielektrickou podložkou tloušťky minimálně 0,03 λο, kde λ₀ je vlnová délka ve volném prostoru. Pro kmitočtová pásma pod 1 GHz (např. RFID aplikace v UHF pásmu 869 MHz) musí být tedy tloušťka podložky větší než cca 10 mm, což není pro řadu aplikací přijatelné.

Rozměry flíčkových antén musí být srovnatelné s polovinou nebo čtvrtinou vlnové délky, což vede ve zmíněných nízkých kmitočtových pásmech na poměrně rozsáhlé struktury (λο/2 ~ 170 mm). Dalším problémem je výrazný pokles vyzařovací účinnosti, a tedy i anténního zisku při snižování profilu antény pod cca 0,02 λο, tedy 6-7 mm v UHF pásmu. Tento jev je mnohem výraznější pro antény vytvořené na substrátech s vyšší hodnotou relativní permitivity ε_Γ > 3, použitím takového substrátu tedy nelze anténu dostatečně miniaturizovat.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti nad vodivou rovinou umožní realizovat nízkoprofilovou anténu při relativní výšce 0,01 λ₀ při zachování cca 50% vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. jo Použití mikrovlnného nízkoztrátovéhú substrátu již vede k dalšímu výraznému pokiesu. Kvůli významné závislosti vstupní impedance antény na výšce substrátu, je realizace tohoto zářiče se vzduchovým dielektrikem značně obtížná. Rozměry antény jsou opět srovnatelné s polovinou vlnové délky.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem odstraňuje uvedené nedostatky, její 35 nevýhodou je však poměrně vysoká hmotnost a vyšší výrobní náklady způsobené nutností použít substrát s vysokou permitivitou e_r > 6. Další nevýhodou je nutnost použít dvojvrstvý substrát, což řešení prodražuje. Dipólovou anténu s upraveným stínícím povrchem lze již realizovat na substrátu s nízkou permitivitou, což významně snižuje její hmotnost. Nevýhodou řešení však stále zůstává dvojvrstvý substrát.

Podstata technického řešení

Nedostatky výše uvedených řešení, včetně hmotnosti a ceny zářiče, odstraňuje nízkoprofilová Štěrbinová anténa podle předkládaného řešení tvořená substrátem s motivem a zemní rovinou. Podstatou nového řešení je, že substrát má tloušťku 0,001 až 0,015 Z_g, kde Z_g je vlnová délka na daném substrátu, a nízkou relativní permitivitu ε_Γ, která je v rozmezí 1 až 4. Motiv zářiče, umístěný na vrchní straně substrátu, je tvořen dvěma stejnými pravoúhlými čtyrúhelníkovými ploškami, které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu. Tyto

-1 CZ 19707 Ul plošky jsou navzájem odděleny první štěrbinou, která má šířku 0,0004 až 0,05 X_g. Jejich délka ve směru kolmo k první štěrbině je v rozmezí 0,15 až 0,5 X_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g. Spodní strana druhého substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící zemní rovinu. Na vnější hraně rovnoběžné s první štěrbinou jsou obě plošky spojeny se stínící rovinou pomocí první a druhé spojité vodivé vrstvy. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu. Významnou součástí je dvojice čtyřúhelníkových ladicích štěrbin, které umožňují ladění vstupní impedance struktury. Ladicí štěrbiny jsou umístěny symetricky vůči středu substrátu ve vzdálenosti 0,0001 - 0,1 X_g od vnitrního okraje příslušné plošky, tedy od okraje ležícího blíže středu struktury. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 - 0,05 X_g, délka je v rozmezí 0,01 - 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany plošek, nejlépe uprostřed struktury, což ale není podmínkou.

Výhodou uvedené nízkoprofilové antény, oproti stávajícím řešením v oblasti antén pracujících v blízkosti libovolných objektů, je značná miniaturizace jejích půdorysných rozměrů a především významné snížení profilu zářiče při zachování vyzařovací účinnosti větší než 50 %, a tedy kladné hodnoty anténního zisku. Výhodou je též nízká hmotnost daná použitím dielektrického substrátu s nižší hodnotou relativní permitivity (ε_Γ < 4) a jednoduchost provedení. Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény pro bezkontaktní identifikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což není v současnosti uspokojivě vyřešeno.

Přehled obrázků na výkrese

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiloženého výkresu. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu. Na obr. 2 je uveden pohled shora na substrát s motivem dvojice plošek oddělených štěrbinou včetně ladicích štěrbin.

Příklady provedení technického řešení

Příklad řešení nízkoprofilové štěrbinové antény je schematicky naznačen na obr. 1 a obr. 2. Jedná se o substrát I který má na své vrchní straně vytvořen motiv dvou plošek, první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2, oddělených štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu L Délka první plošky 3.1 druhé plošky 3.2 ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny 4 je v rozmezí 0,15 až 0,5 X_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 X_g. Štěrbina 4 má šířku v rozmezí 0,0004 až 0,08 X_g. Spodní strana substrátu I je pokryta souvislou vodivou vrstvou, která tvoří zemní rovinu 2. Na vnější hraně rovnoběžné se štěrbinou 4 jsou první ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 spojeny se zemní rovinou 2 pomocí první spojité vodivé vrstvy 3.3 a druhé spojité vodivé vrstvy 3.4. V jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu 1. Významnou součástí je dvojice ladicích štěrbin, tedy první ladicí štěrbiny 5.1 a druhé ladící štěrbiny 5.2. které umožňují ladění vstupní impedance struktury. První ladicí štěrbina 5.1 a druhá ladicí štěrbina 5.2 jsou umístěny symetricky vůči středu antény ve vzdálenosti 0,0001 - 0,1 X_g od vnitřního okraje příslušné první plošky 3.1 respektive druhé plošky 3.2. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 0,05 X_g, délka je v rozmezí 0,01 - 0,5 X_g. Kontakty napájecího čipu 6 jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2. nejlépe uprostřed struktury.

Podstatou antény je dvojice první plošky 3.1 a druhé plošky 3.2 umístěných na substrátu 1 a oddělených první štěrbinou 4. První ploška 3.1 a druhá ploška 3.2 jsou na své vnější hraně vodivě spojeny se zemní rovinou 2, čímž tvoří čtvrtvlnný rezonátor na daném substrátu 1 a jejich podélný rozměr je tak poloviční oproti nezkratované, půlvlnné, variantě. Na první plošce 3.1 a druhé plošce 3.2 je vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru. Elektromagnetické pole je pak soustředěno ve štěrbině 4 mezi první ploškou 3.1 a druhou ploškou 3.2, odkud je vyzařováno s poměrně vysokou vyzařovací účinností, která je větší než 50 %, Tato hodnota vyzařovací účinnosti je významně vyšší než vyzařovací účinnost např. běžné patchové neboli flíčkové antény srovnatelných půdorysných a výškových rozměrů, která bývá menší než 15 %.

- 2 CZ 19707 Ul

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci nízkoproFilových antén schopných pracovat v blízkosti libovolných objektů pro zařízení rádio frekvenční identifikace v UHF či mikrovlnných kmitočtových pásmech, např. identifikace kovových objektů nebo osob.

Claims (4)

1. 5 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Nízkoprofilová Štěrbinová anténa mající zemní rovinu tvořenou souvislou vodivou vrstvou, vodivý motiv zářiče a napájecí čip, vyznačující se tím, že zemní rovina (2) je vytvořena na celé spodní straně jednovrstvého substrátu (1) o tloušťce v rozmezí 0,001 až 0,015 λ_ν, a relativní permitivitě ε_Γ v rozmezí 1 až 4, na jehož vrchní straně je umístěn vodivý motiv zářiče io sestávající ze dvou shodných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek, a to z první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2), které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu (1), jsou vzájemně odděleny štěrbinou (4) o šířce v rozmezí 0,0004 až 0,08 a jsou na vnější hraně rovnoběžné s podélnou osou štěrbiny (4) vodivě spojeny se zemní rovinou (2), kde délka první a druhé plošky (3.1) a (3.2) ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny (4) je v rozmezí

   15 0,15 až 0,5 λ_κ a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 λ_κ, dále jsou v první plošce (3.1) a ve druhé plošce (3.2) symetricky vzhledem ke středu substrátu (1) ve vzdálenosti 0,0001 až 0,1 λ₈ od vnitřního okraje příslušející první plošky (3.1) respektive druhé plošky (3.2) vytvořeny první ladicí štěrbina (5.1) a druhá ladicí štěrbina (5.2), které jsou shodné a jejichž Šířka je v rozmezí 0,001 až 0,05 a délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 λ₈, přičemž kontakty napájecího čipu (6) jsou

   20 vodivě připojeny mezi vnitrní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče.
2. 2. Nízkoprofilová štěrbinová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první ploška (
3. 3.1) a druhá ploška (3.2) jsou vodivě spojeny se zemní rovinou (2) pomocí první spojité vodivé vrstvy (3.3) a druhé spojité vodivé vrstvy (3.4).

   25 3. Nízkoprofilová Štěrbinová anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že první ploška (3.1) a druhá ploška (3.2) jsou vodivě spojeny se zemní rovinou (2) pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu (1).
4. 4. Nízkoprofilová štěrbinová anténa podle nároku 1 a kteréhokoli z nároků 2 nebo 3, vyznačující se tím, že kontakty napájecího čipu (6) jsou vodivě připojeny mezi

   30 vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče uprostřed štěrbiny (4).