CZ2008443A3

CZ2008443A3 - Nízkoprofilová anténa

Info

Publication number: CZ2008443A3
Application number: CZ20080443A
Authority: CZ
Inventors: Polívka@Milan; Švanda@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-01-27
Also published as: CZ303264B6

Abstract

Nízkoprofilovou anténu tvorí první substrát (1) s motivem vlastní smycky, umístený na druhý substrát (6), na jehož vrchní strane je vytvoren motiv ctverice subvlnových plošek (7.1, 7.2, 7.3 a 7.4) oddelených vzájemne tenkými šterbinami (8.1 a 8.2). Spodní strana druhého substrátu (6) je opatrena souvislou vodivou vrstvou tvorící stínící rovinu (9). Tlouštka druhého substrátu (6) je 0,007 ÷ 0,015 .lambda..sub.g.n. a jeho relativní permitivita .epsilon..sub.r.n.>6. Vlastní smycka je tvorena tremi tenkými rovnobežnými pásky (2.1, 2.2, 2.3) délky 0,45 ÷ 0,6 .lambda..sub.g.n., které jsou vzájemne vzdáleny 0,01 ÷ 0,04 .lambda..sub.g.n., kde .lambda..sub.g.n. je vlnová délka na daném substrátu. Jejich konce jsou spojeny dvema propojovacími bocními pásky (3.1, 3.2) šírky ve stejném rozmezí jako je šírka pásku (2.1, 2.2). Pocet pásku tvorících smycku lze menit a ovlivnovat tak vstupní impedanci antény. Pásek (2.2), nejblíže stredu prvního substrátu (1) je prerušen první mezerou (4), která slouží pro umístení napájecího cipu. Šírka první mezery (4) odpovídá vzdálenosti kontaktu použitého cipu. Motiv smyckové antény je vytvoren na tenkém prvním substrátu (1) o tlouštce 0,001 ÷ 0,005 .lambda..sub.g.n. s nízkou relativní permitivitou .epsilon..sub.r.n. = 2 až 4 a je umísten symetricky vzhledem k jeho stredu. Anténa muže být modifikována zvetšením plochy druhého substrátu (6) a stínicí roviny (9) nebo pouze stínicí roviny (9). Pri použití cipu bez integrovaného stejnosmerného oddelení je motiv vlastní smycky doplnen o druhou mezeru (5) pro oddelovací kondenzátor, vytvorenou ve stejném pásku (2.2) jako je první mezera (4).

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofilového smyčkového zářiče, tedy antény, se stínící rovinou, vykazujícího komplexní charakter vstupní impedance a minimální vliv materiálu objektu, na kterém je zářič umístěn, například kov, lidská tkáň, a podobně, na jeho vlastnosti.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem ktomu, 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 několika způsoby, například doplněním antén dipólového typu nebo jejich zkrácených verzí dielektrickou podložkou, použitím flíčkových (patchových) antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou.

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 A_o. 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 vlnové délky, což vede ve zmíněných nízkých kmitočtových pásmech na poměrně rozsáhlé struktury (λ₀/ 2 ~ 170 mm). Dalším problémem je výrazný pokles vyzařovací účinnosti, a tedy i anténního zisku při snižování profilu antény. Přijatelná vyzařovací účinnost může být dosažena u antény s profilem větším než 0,02 λ₀ (tedy 6 - 7 mm v UHF pásmu). Tento jev je mnohem výraznější pro fličkové antény vytvořené na substrátech s vyšší

.... · · · · * ··.

! ·« ··*· ······ ·· · ·* ** hodnotou relativní permitivity (er>3), použitím takového substrátu tedy nelze snižovat profil antény.

Využití víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti vodivé roviny umožní realizovat nízkoprofilovou anténu (0,01 A_o) při zachování alespoň 50 % vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. Použití mikrovlnného nízkoztrátového substrátu již vede k jejímu dalšímu výraznému poklesu. 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.

Podstata vynálezu

Nedostatky výše uvedených řešení odstraňuje nízkoprofilová anténa podle předkládaného řešení tvořená prvním substrátem s motivem a stínící rovinou. Podstatou nového řešení je, že první substrát má tloušťku 0,0001 až 0,005 A_g a nízkou relativní permitivitu £_r, která je v rozmezí 2 až 4. Motiv, umístěný na vrchní straně prvního substrátu, je tvořen minimálně dvěma rovnoběžnými pásky o délce 0,45 až 0,6 A_g a o tloušťce v rozmezí 0,0015 až 0,009 A_g , které jsou vzájemně vzdáleny o 0,01 až 0,04 A_g, kde A_g je vlnová délka na daném prvním substrátu. Konce těchto pásků jsou navzájem spojeny prvním a druhým propojovacím bočním páskem o tloušťce ve stejném rozmezí jako je tloušťka pásků. Pásek, který je umístěný nejblíže středu prvního substrátu, je opatřen první mezerou, do které se umisťuje napájecí čip. Šířka této první mezery odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. První substrát je umístěn na druhém substrátu o vysoké relativní permitivitě e_r>6 a o tloušťce 0,007 až 0,015 A_g. Na vrchní straně druhého substrátu je umístěn motiv ze čtyř stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových subvlnových plošek, které jsou umístěny ve dvojicích nad sebou. Jejich délka ve směru podél delšího rozměru rovnoběžných pásků je v rozmezí 0,35 až 0,45 A_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,45 A_g. Tyto plošky jsou navzájem odděleny první a druhou štěrbinou, které mají šířku 0,0007 až 0,007 A_g a jejichž průsečík leží ve středu druhého substrátu. Spodní strana druhého substrátu je opatřena spojitou vrstvou pokovení tvořící stínící rovinu.

» * ·

V případě použití napájecího čipu bez integrovaného stejnosměrného oddělení je v pásku smyčky motivu, ve kterém je vytvořena první mezera, vytvořena ve vzdálenosti 0,02 až 0,07 A_g od středu této první mezery druhá mezera, do které se umisťuje SMD oddělovací kondenzátor. Šířka druhé mezery odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého SMD oddělovacího kondenzátoru.

V jednom možném provedení je plocha druhého substrátu a souvislé vodivé vrstvy větší než plocha prvního substrátu, přičemž rozměry čtveřice plošek jsou zachovány.

V jiném provedení je plocha souvislé vodivé vrstvy větší než plocha prvního substrátu, přičemž rozměry čtveřice plošek jsou opět zachovány.

Výhodou uvedené nízkoprofilové antény, oproti stávajícím řešením v oblasti antén pracujících v blízkosti libovolných objektů, je značná miniaturizace jeho půdorysných rozměrů a především významné snížení profilu zářiče při zachování vyzařovací účinnosti větší než 50 %, a tedy kladné hodnoty anténního zisku. Řešení tedy umožňuje využití takovéto antény pro bezkontaktní identifikaci (RFID) např. kovových kontejnerů či jiných objektů nebo osob, což představuje v současnosti značný problém.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1 znázorňuje boční pohled na výslednou anténu sestavenou zobou substrátů s příslušnými motivy. Na obr. 2 je uveden pohled shora na první substrát s motivem smyčkové antény, na obr. 3 pak pohled shora na druhý substrát s motivem čtveřice plošek oddělených štěrbinami. Obr. 4 obsahuje pohled shora na modifikaci motivu antény z obr. 2 při nutnosti použit externí stejnosměrné oddělení pomocí SMD kondenzátoru. Obr. 5 a 6 zobrazují příklady možných modifikací vlastní smyčky s jiným počtem závitů z důvodu dosaženi potřebné vstupní impedance. Na obr. 7 je uveden pohled z boku na variantu antény s rozšířenou stínící rovinou včetně druhého substrátu. Na obr. 8 pak varianta s rozšířením pouze stínící roviny.

«V · * · · · « t 4 * ♦ ·» • · · · · ♦ · • · · » ♦ · · ·· 9 ·

Příklady provedení vynálezu

Příklad řešeni nizkoprofilové smyčkové antény s rezonančním povrchem je schematicky naznačen na obr. 1. Jedná se o umístění prvního substrátu 1 s motivem smyčky na druhý substrát 6, který má na své vrchní straně vytvořen motiv čtyř subvlnových plošek 7.1, 72, 7.3 a 7.4 oddělených první štěrbinou 8.1 a na ní kolmou druhou štěrbinou 82. Motiv druhého substrátu 6 je zobrazen na obr. 3. Spodní stranu druhého substrátu 6 pokrývá souvislá vodivá vrstva tvořící stínící rovinu 9. Pevné spojení obou vrstev lze realizovat například pomoci tenké vrstvy lepidla či lisováním.

Obr. 2 znázorňuje motiv vlastní smyčky vytvořený na prvním substrátu 1. Smyčka je zde tvořena prvním až třetím rovnoběžným páskem 2.1. 22, a 2.3 délky 0,45 + 0,6 A_g a tloušťky 0,0015 + 0,009 A_g vzájemně vzdálenými 0,01 - 0,04 A_g, kde A_g je vlnová délka na daném substrátu. Jejich konce jsou spojeny prvním propojovacím bočním páskem 3.1 a druhým propojovacím bočním páskem 32 o tloušťce ve stejném rozmezí jako mají rovnoběžné pásky 2.1 až 22. Pásek, který je nejblíže středu prvního substrátu 1, zde tedy střední pásek 2.2, je ve svém středu přerušen první mezerou 4, která slouží pro umístěni napájecího čipu. Tato první mezera 4 nemusí vždy ležet nutně ve středu daného pásku. Šířka první mezery 4 odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu. Tloušťka prvního substrátu 1 je 0,0014- 0,005 A_g a jeho relativní permitivita cr = 2 + 4. Smyčka je umístěna symetricky vzhledem k jeho středu.

Na obr.3 je uveden přiklad provedení druhého substrátu 6 s motivem. Druhý substrát 6 má vysokou relativní permitivitu, která je ε_Γ>6. Na jeho vrchní straně je vytvořen motiv čtyř stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových plošek 7.1, 72, 7,3 a 7,4, které jsou odděleny vzájemně první štěrbinou 8.1 a druhou štěrbinou 8,2 tloušťky 0,0007 4- 0,007 A_g. Tloušťka tohoto druhého substrátu 6 je 0,007 τ 0,015 A_g. Strana každé plošky 7.1, 7.2, 7.3 a 7.4 ve směru podél delšího rozměru smyčky má délku 0,35 η- 0,45 Ag. Šířka plošky 7.1, 72,7.3 a 7.4, tedy ve směru napříč delšího rozměru smyčky, je v rozmezí hodnot 0,1 -ť 0,45 A_g.

• · · ·♦· ···

Obr. 4 zobrazuje první substrát 1 s motivem vlastní smyčky, který je modifikován přídavnou druhou mezerou 5, která leží ve stejném pásku, jako první mezera 4, zde tedy ve středním pásku 2.2. Tato druhá mezera 5 umožní, u některých čipů nezbytné, stejnosměrné oddělení pomocí SMD kondenzátoru. Její šířka odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého SMD oddělovacího kondenzátoru.

Na obr. 5 resp. 6 jsou zobrazeny příklady možných modifikaci vlastní smyčky, které se liší počtem závitů z důvodu dosažení potřebné vstupní impedance v závislosti na impedanci použitého čipu. Vlastní smyčka může mít formu pouze jednoduché smyčky, obr. 5, kde se skládá jen z prvního pásku 2.1 a z druhého pásku

2.2 nebo naopak vícenásobné, například trojité, smyčky, viz obr. 6, kde je zařazen ještě čtvrtý pásek 2,4. Lze vytvořit motivy i s více než čtyřmi pásky.

Další varianty umožňující dosáhnout ještě výraznějšího potlačení vlivu materiálu podložky, na které je anténa umístěna a zvýšení směrovosti antény jsou zobrazeny na obr. 7 a 8. Celkové rozměry druhého substrátu 6 se stínící rovinou 9 tvořenou spojitou vodivou vrstvou pokovení lze, při zachování uvedených rozměrů čtveřice plošek 7.1, 7.2. 7.3 a 7.4, libovolně zvětšit, jak je uvedeno na obr. 7. Tato varianta může být dále modifikována tím, že bude zvětšen pouze povrch stínící roviny 9, což umožní výrazné snížení hmotnosti celé antény, viz obr. 8. Přesah stínící roviny 9 lze realizovat například pokovením plastového obalu, ve kterém může být anténa umístěna, např. pomocí vodivé fólie.

Anténa pracuje jako smyčková anténa o délce srovnatelné s vlnovou délkou λ₉na daném substrátu. Dvojité provedení smyčky umožní dosažení dostatečně vysoké reálné části vstupní impedance antény. Změnou počtu závitů lze tedy ladit reálnou část vstupní impedance antény v závislosti na impedanci čipu. Podstatnou součástí antény je čtveřice plošek 7.1, 7.2, 7.3 a 7.4 umístěných na druhém substrátu 6, který odděluje smyčku od vodivé stínící roviny 9. Na jednotlivých ploškách 7.1. 7.2, 7.3 a 7.4 tohoto povrchu je smyčkou vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru s rozložením na středním pásku 2.2 smyčky. Dochází tak ke konstruktivním interferencím a podstatnému zvýšení vyzařovací účinnosti, která je větší než 50 % oproti umístění smyčky na shodném substrátu bez použití zmíněných plošek 7.1, 7.2,

7.3 a 7.4, kdy je vyzařovací účinnost menší než 17 %.

Průmyslová využitelnost

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

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nízkoprofilová anténa tvořená prvním substrátem s motivem a stínící rovinou vyznačující se tím, že první substrát (1) má tloušťku 0,0001 až 0,005 A_g a relativní permitivitu ε_Γ v rozmezí 2 až 4 a na jeho vrchní straně umístěný motiv je tvořen minimálně dvěma rovnoběžnými pásky (2.1, 2.2) o délce 0,45 až 0,6 A_g a o tloušťce v rozmezí 0,0015 až 0,009 A_g vzájemně vzdálenými o 0,01 až 0,04 A_g, kde A_g je vlnová délka na daném prvním substrátu (1), jejichž konce jsou navzájem spojeny prvním a druhým propojovacím bočním páskem (3.1, 3.2) o tloušťce ve stejném rozmezí jako je tloušťka pásků (2.1,2.2), kde pásek (2.2) umístěný nejblíže středu prvního substrátu (1) je opatřen první mezerou (4) pro umístění napájecího čipu, jejíž šířka odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého čipu, a tento první substrát (1) je umístěn na druhém substrátu (6) o relativní permitivitě ε_Γ>6 a o tloušťce 0,007 až 0,015 Ag, na jehož vrchní straně je umístěn motiv ze čtyř stejných pravoúhlých čtyřúhelníkových subvlnových plošek (7.1, 7.2, 7.3, 7.4), které jsou umístěny ve dvojicích nad sebou, jejichž délka ve směru podél delšího rozměru rovnoběžných pásků (2.1, 2.2) je v rozmezí 0,35 až 0,45 A_g a jejichž šířka je v rozmezí 0,1 až 0,45 A_g, kde tyto plošky (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) jsou navzájem odděleny první štěrbinou (8.1) a druhou štěrbinou (8.2), které mají šířku 0,0007 až 0,007 A_g a jejichž průsečík leží ve středu druhého substrátu (6), přičemž spodní strana druhého substrátu (6) je opatřena souvislou vodivou vrstvou tvořící stínící rovinu (9).
2. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1 vyznačující se tím, že v případě použití napájecího čipu bez integrovaného stejnosměrného oddělení je v pásku (2.2) smyčky motivu, ve kterém je vytvořena první mezera (4), vytvořena ve vzdálenosti 0,02 až 0,07 A_g od středu této první mezery (4) druhá mezera (5) pro umístění SMD oddělovacího kondenzátoru, jejíž šířka odpovídá vzdálenosti kontaktů použitého SMD oddělovacího kondenzátoru.
3. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že plocha druhého substrátu (6) a stínící roviny (9) je větší než plocha prvního substrátu (1), přičemž rozměry čtveřice plošek (7.1,7.2,7.3,7.4) jsou zachovány.
4. Nízkoprofilová anténa podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že plocha stínící roviny (9) je větší než plocha prvního substrátu (1), přičemž rozměry čtveřice plošek (7.1, 7.2, 7.3,7.4) jsou zachovány.