CZ2009258A3

CZ2009258A3 - Nízkoprofilová šterbinová anténa

Info

Publication number: CZ2009258A3
Application number: CZ20090258A
Authority: CZ
Inventors: Švanda@Milan; Polívka@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-11-03
Also published as: CZ303919B6

Abstract

Nízkoprofilová šterbinová anténa obsahuje zemní rovinu (2) tvorenou souvislou vodivou vrstvou, vodivý motiv zárice a napájecí cip (6). Zemní rovina (2) je vytvorena na celé spodní strane jednovrstvého substrátu (1) majícího tlouštku v rozmezí 0,001 až 0,015 .lambda..sub.g.n.a relativní permitivitu .epsilon..sub.r.n.v rozmezí 1 až 4. Na vrchní strane substrátu (1) je umísten vodivý motiv zárice, sestávající ze dvou shodných pravoúhlých ctyrúhelníkových plošek (3.1) a (3.2), které jsou umísteny vedle sebe symetricky vzhledem k prícné ose substrátu (1). Tyto plošky (3.1) a (3.2) jsou vzájemné oddeleny šterbinou (4) o šírce v rozmezí 0,0004 až 0,08 .lambda..sub.g.n.a jsou na vnejší hrane rovnobežné s podélnou osou šterbiny (4) vodive spojeny se zemní rovinou (2). Délka plošek (3.1) a (3.2) ve smeru kolmém na podélnou osu šterbiny (4) je v rozmezí 0,15 až 0,5 .lambda..sub.g.n.a jejich šírka je v rozmezí 0,1 až 0,5 .lambda..sub.g.n.. V první plošce (3.1) a ve druhé plošce (3.2) jsou symetricky vzhledem ke stredu substrátu (1) ve vzdálenosti 0,0001 až 0,1 .lambda..sub.g.n.od vnitrního okraje príslušející první respektive druhé plošky (3.1) respektive (3.2) vytvoreny první ladicí šterbina (5.1) a druhá ladicí šterbina (5.2), které jsou shodné. Jejich šírka je v rozmezí 0,001 až 0,05 .lambda..sub.g.n.a délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 .lambda..sub.g.n.. Kontakty napájecího cipu (6) jsou vodive pripojeny mezi vnitrní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zárice.

Description

Nízkoprofilová štěrbinová anténa

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nového extrémně nízkoprofilového planárního 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 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 nebo stínícími stěnami založenými na umělých magnetických površích, použitím flíčkových neboli patchových antén nebo použitím víceramenných dipólů nad stínící rovinou. Je rovněž známa smyčková anténa se stínícím povrchem chráněná užitným vzorem č.zápisu 18825 a dipólová anténa s upraveným stínícím povrchem, která je předmětem užitného vzoru č.zápisu 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 λ₀. 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 (A_o / 2 ~ 170 mm). Dalším problémem je výrazný pokles vyzařovací účinnosti, a tedy i anténního zisku při snižování profilu antény pod cca 0,02 λ₀, tedy 6-7 mm v UHF pásmu. Tento jev je mnohem výraznější pro antény vytvořené na • « · · · · · • •ΦΦ φφφφ ·· · ·· ·* substrátech s vyšší hodnotou relativní permitívity sr > 3, použitím takového substrátu tedy nelze anténu dostatečně miniaturizovat.

Využiti víceramenných skládaných dipólů v těsné blízkosti nad vodivou rovinou umožní realizovat nizkoprofilovou anténu při relativní výšce 0,01 A_o při zachování cca 50 % vyzařovací účinnosti. Tato hodnota účinnosti je však dosahována při použití vzduchového dielektrika. Použití mikrovlnného nizkoztrátového substrátu již vede k 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.

Nízkoprofilová smyčková anténa se stínícím povrchem odstraňuje uvedené nedostatky, její 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 vynálezu

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 A_g a nízkou relativní permitivitu £_r, která je v rozmezí 1 až 4. Motiv zářiče, umístěný na vrchní straně substrátu, je tvořen dvěma stejnými pravoúhlými čtyřúhelníkovými ploškami, které jsou umístěny vedle sebe symetricky vzhledem k příčné ose substrátu. Tyto plošky jsou navzájem odděleny první štěrbinou, která má šířku 0,0004 až 0,05 A_g. Jejich délka ve směru kolmo k první štěrbině je v rozmezí 0,15 až 0,5 A_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 A_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 součásti je dvojice čtyřúhelníkových ladících štěrbin, které umožňují ladění vstupní impedance struktury. Ladicí štěrbiny jsou umístěny symetricky vůči středu substrátu ve vzdálenosti 0,0001 - 0,1 A_g od vnitřního okraje příslušné plošky, tedy od okraje ležícího blíže středu struktury. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 - 0,05 A_g, délka je v rozmezí 0,01 -0,5Ag. 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 uspokojivé vyřešeno.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešeni bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. 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 vynálezu

Příklad řešení nízkoprofilové štěrbinové antény je schematicky naznačen na obr. 1 a obr. 2. Jedná se o substrát 1 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 í Délka první a druhé plošky 3.1 a 3.2 ve směru kolmém na podélnou osu štěrbiny 4 je v rozmezí 0,15 až 0,5 A_g a jejich šířka je v rozmezí 0,1 až

0,5 λ₀. Štěrbina 4 má šířku v rozmezí 0,0004 až 0,08 A_g. Spodní strana substrátu 1 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 34·^v jiné variantě může být toto vodivé spojení provedeno pouze v několika bodech rozmístěných podél hrany substrátu 1 Významnou součásti je dvojice ladicích štěrbin, tedy první ladicí štěrbiny 5.1 a druhé ladicí 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 A_g od vnitrního okraje příslušné první plošky 3.1 respektive druhé plošky 32. Jejich šířka je v rozmezí 0,001 - 0,05 A_g, délka je v rozmezí 0,01 - 0,5 A_g. Kontakty napájecího čipu 6 jsou vodivé připojeny mezi vnitřní hrany první plošky 3.1 a druhé plošky 37, 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 íe vybuzeno proudové rozložení v souhlasném směru. Elektromagnetické pole je pak soustředěno ve štěrbině 4 mezi první ploškou 3.1 a druhou ploškou 37, 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 %.

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 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 A_g a relativní permitivitě ε_Γ v rozmezí 1 až 4, na jehož vrchní straně je umístěn vodivý motiv zářiče sestávající ze dvou shodných pravoúhlých čtyřúhelnikových 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 Ag 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 0,15 až 0,5 A_g a jejích šířka je v rozmezí 0,1 až 0,5 A_g, 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 Ag od vnitřního okraje příslušející první respektive druhé plošky (3.1) respektive (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_g a délka je v rozmezí 0,01 až 0,5 Ag, přičemž kontakty napájecího čipu (6) jsou vodivě připojeny mezi vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče.
2. 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) pomocí první spojité vodivé vrstvy (3.3) a druhé spojité vodivé vrstvy (3.4).
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. 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 vnitřní hrany první plošky (3.1) a druhé plošky (3.2) vodivého motivu zářiče uprostřed štěrbiny (4).