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EP2223385B1 - Planare breitbandige antenne - Google Patents

Planare breitbandige antenne Download PDF

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Publication number
EP2223385B1
EP2223385B1 EP07856804.5A EP07856804A EP2223385B1 EP 2223385 B1 EP2223385 B1 EP 2223385B1 EP 07856804 A EP07856804 A EP 07856804A EP 2223385 B1 EP2223385 B1 EP 2223385B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna element
planar
antenna
radiation element
feed points
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07856804.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2223385A1 (de
Inventor
Gerhard RÖTTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2223385A1 publication Critical patent/EP2223385A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2223385B1 publication Critical patent/EP2223385B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2208—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H01Q1/2225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in active tags, i.e. provided with its own power source or in passive tags, i.e. deriving power from RF signal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/106—Microstrip slot antennas

Definitions

  • the invention relates to a planar antenna having a surface-trained inner radiation element, which is surrounded by an outer radiation element, wherein the inner and the outer radiation element each having a feed point.
  • Such an antenna is in the EP 1 437 792 B1 disclosed as part of a cavity slot antenna for automobiles.
  • the inner radiation element has a hexagonal shape. It is surrounded by a square-shaped surface element, which serves as a ground conductor.
  • From the EP 1 513 224 A1 is another known planar antenna.
  • This has a radiating element with an approximately square basic shape, wherein, however, are milled off two opposite corners of the square basic shape. This has the consequence that the two orthogonal successive diagonals of the approximately square basic shape have different lengths.
  • terminal contact points for the radiating element and the grounding surface are present. These are placed opposite each other on two side edges of the radiating element and ground surface outside the diagonal.
  • the wideband as possible implementation of a coplanar antenna structure is required.
  • Read and write devices for UHF transponders in the frequency range from currently 865 MHz to 960 MHz may only operate in a certain frequency range, depending on the country's approval regulations, where the system is used. Objects that are to be identified with transponders are often used across borders. Therefore, transponders with a recognition range in a large frequency range of importance. Large detection ranges are only possible if the antenna system of a transponder can supply enough energy to the RFID semiconductor component.
  • the invention is based on the object to provide a planar antenna of the type mentioned above, which allows broadband operation.
  • the object is achieved in that between the inner radiation element and the outer radiation element is a continuous or discontinuous change in the distance, which is similar with respect to an axis of symmetry of the inner radiation element, and wherein the distance of the outer to the inner radiation element in the region of the two feed points different in the area facing away from the feeding points.
  • the antenna By this embodiment of the antenna, a continuous transformation of the impedance at the feed point to the characteristic impedance of the free space is achieved.
  • the continuous transformation results in a nearly constant radiation behavior in the operating frequency range.
  • the outer radiation element can also be opened in the area facing away from the feed points.
  • the inner radiation element of the antenna according to the invention is in the form of an isosceles triangle.
  • a radiation element which is inhomogeneous in the sense of conduction theory is obtained.
  • the edges can also run exponentially.
  • FIG. 1 is in the middle of the base of the triangular inner radiation element 2, a first feed point 4 and this opposite on the formed as a loop outer radiation element 3, a second feed point 5 is provided.
  • FIG. 2 is the tip of the triangular inner radiation element with the feed point 4 directly opposite the feed point 5 of the outer radiation element 3.
  • the illustrated triangular, inner radiation element 2 is in the sense of line theory an inhomogeneous radiation element whose legs may not necessarily be continuous but also discontinuous as in FIG. 3 shown.
  • the here completely filled surface of the inner radiation element 2 can also be a recess 6 different shape as in the Figures 4,5,6 represented, for example, a slot, for example.
  • the complex impedance and radiation behavior of an antenna is constant within a frequency range.
  • changes in the complex impedance occur as a function of the frequency. The smaller these changes in the given frequency range, the more broadband this execution can be called.
  • This property can be achieved by self-similar or self-complementary geometric structures. Self-similar structures show similar or comparable properties when magnified as in the initial state.
  • the similarity of the inner radiation element 2 is meant with the recess, which results from the boundary with the outer closed or partially closed, rectangular loop. The loop must be closed or continuous in the region of the inner radiation element 2.
  • the extent of the largest dimension of the inner radiation element 2 is in the range of the quarter wavelength of the operating frequency.
  • the dashed shown connected to the feed points 4,5 transformation network 8 is optional, that is, with suitable semiconductor impedance, the connection without concentrated elements is possible.
  • the positioning of the two feed points 4,5 is crucial.
  • the practical embodiment requires the placement of the RFID chip 7 between the illustrated feed points 4, 5, since bonding wires establish the electrical connection between the RFID chip and the antenna 1.
  • the geometrically minimal distance is to be realized for the connection of the outer radiation element 3 to the RFID chip and from this to the planar inner radiation element 2.
  • the connections are to be made in the vicinity of the symmetry line.
  • the positioning of the RFID chip and its connections to the radiation elements 2, 3 at locations where the geometrically minimum distance also results is possible for the impedance matching.
  • the geometrically minimal distance of the connection to the radiation elements 2, 3 is likewise advantageous.
  • RFID semiconductors exhibit lossy capacitive impedance behavior between their connection ports.
  • the antenna 1 shows between those feed points 4,5 a complex impedance in the inductive range.
  • capacitive and inductive components cancel each other out in the best case. If the inductive component of the antenna 1 should not be sufficient for complete compensation, the addition of corresponding proportions by a concentrated component or a power element with a corresponding required inductive content is possible.
  • the outer radiation element 3, in this case the loop is continuous in the area of the feed points 4, 5, that is to say it is closed.
  • the inner 2 and outer radiation element 3 need not necessarily be on one level. However, this is advantageous for the practical implementation.
  • the antenna 1 according to the invention may be applied to a non-conductive support and opposed to a metal surface. With the inventively designed antenna 1 then results in a change in impedance between the feed points 4,5, but to a lesser extent, as in a dipole antenna with comparable dimensions.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine planare Antenne mit einem flächenhaft ausgebildeten inneren Strahlungselement, das von einem äußeren Strahlungselement umgeben ist, wobei das innere und das äußere Strahlungselement jeweils einen Speisepunkt aufweisen.
  • Eine derartige Antenne ist in der EP 1 437 792 B1 als Teil einer Hohlraumschlitzantenne für Automobile offenbart. Das innere Strahlungselement weist eine sechseckige Form auf. Es ist umgeben von einem quadratisch ausgebildeten Flächenelement, das als Masseleiter dient.
  • Aus der EP 1 513 224 A1 ist eine weitere Planarantenne bekannt. Diese weist ein Abstrahlelement mit einer annähernd quadratischen Grundform auf, wobei allerdings zwei gegen über liegende Ecken von der quadratischen Grundform abgefräst sind. Dies hat zur Folge, dass die beiden, orthogonal aufeinander stehenden Diagonalen der annähernd quadratischen Grundform unterschiedlich lang sind. Es ist weiterhin eine ringförmige Erdungsfläche vorhanden. Diese spannt in ihrem Inneren eine quadratische Fläche auf, in welche das Abstrahlelement eingelegt ist. Das Abstrahlelement nimmt dabei gegenüber der Innenkante der ringförmigen Erdungsfläche - bis auf die Bereiche der beiden abgegrenzten Ecken - einen gleichmäßigen Abstand ein. Schließlich sind Anschlusskontaktpunkte für das Abstrahlelement und die Erdungsfläche vorhanden. Diese sind gegenüber liegend an zwei Seitenkanten von Abstrahlelement und Erdungsfläche außerhalb der Diagonalen platziert.
  • Aus.der US 6,914,573 B1 ist weiterhin eine kleine planare Antenne mit großer Bandbreite bekannt. Diese weist eine, gegenüber einer Achse symmetrische Erdungsfläche mit rechteckiger Außenkontur auf. Im Inneren der Erdungsfläche befindet sich eine annähernd ovale Freifläche, in die eine ebenfalls annähernd ovale Antennenfläche symmetrisch eingelegt ist. Die Antennenfläche weist eine Anschlussleitung auf, welche auf der Symmetrieachse liegend über einen Spalt durch die Erdungsfläche hindurch nach außen geführt ist. Die Weite der Freifläche nimmt dabei von der Anschlussleitung bis zu einem der Anschlussleitung gegenüberliegenden Punkt gesehen nicht ab. Allerdings schnürt sich die Weite der Freifläche in den beiden symmetrischen Bereichen in Richtung auf die Anschlussleitung ein, um einen gleichmäßigen Übergang der Impedanz zu erreichen.
  • Für verschiedene Anwendungen, zum Beispiel für den Einsatz bei UHF-RFID-Transpondern (Radio-Frequency-Identification) wird eine möglichst breitbandige Ausführung einer koplanaren Antennenstruktur benötigt. Lese- und Schreibgeräte für UHF-Transponder im Frequenzbereich von derzeit 865 MHz bis 960 MHZ dürfen abhängig von den Zulassungsbestimmungen des Landes, wo das System Einsatz findet, nur in einem bestimmten Frequenzbereich arbeiten. Objekte, welche mit Transpondern identifiziert werden sollen, finden oftmals grenzübergreifend Einsatz. Deshalb sind Transponder mit einer Erkennungsreichweite in einem großen Frequenzbereich von Bedeutung. Große Erkennungsreichweiten sind nur dann möglich, wenn das Antennen- System eines Transponders genügend Energie an das RFID-Halbleiterbauelement liefern kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine planare Antenne der oben genannten Art zu schaffen, die einen breitbandigen Betrieb ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen dem inneren Strahlungselement und dem äußeren Strahlungselement eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Veränderung des Abstands besteht, die bezüglich einer Symmetrieachse des inneren Strahlungselements gleichartig ist, und wobei der Abstand des äußeren zum inneren Strahlungselement im Bereich der beiden Speisepunkte verschieden zu dem in dem den Speisepunkten abgewandten Bereich ist.
  • Durch diese Ausführung der Antenne wird eine kontinuierliche Transformation der Impedanz am Speisepunkt zum Wellenwiderstand des freien Raums erreicht. Die kontinuierliche Transformation resultiert in einem nahezu konstanten Abstrahlungs-verhalten im Betriebsfrequenzbereich. Das äußere Strahlungselement kann dabei in dem den Speisepunkten abgewandten Bereich auch geöffnet sein.
  • Das innere Strahlungselement der erfindungsgemäßen Antenne ist in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet. Es wird somit ein im Sinne der Leitungstheorie inhomogenes Strahlungselement erhalten. Anstelle der geraden Schenkel können dabei die Kanten auch exponentiell verlaufen.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne,
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne,
    Fig. 3
    einer Ausführung eines inneren Strahlungselements mit diskontinuierlicher Kontur ,
    Fig. 4,5,6
    unterschiedliche Ausführungen eines inneren Strahlungselements und
    Fig. 7
    eine Anordnung mit der erfindungsgemäßen Antenne in Verbindung mit einem Chip.
  • In den Figuren 1 und 2 sind zwei Ausführungen einer erfindungsgemäßen planaren Antenne 1 dargestellt. Die Antenne 1 weist ein inhomogenes, inneres Strahlungselement 2 auf, das hier als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet ist, und ein dieses umgebendes äußeres Strahlungselement 3, das als ge schlossene Schleife ausgebildet ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist in der Mitte der Basis des dreieckförmigen inneren Strahlungselements 2 ein erster Speisepunkt 4 und diesem gegenüberliegend auf dem als Schleife ausgebildeten äußeren Strahlungselement 3 ein zweiter Speisepunkt 5 vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 liegt die Spitze des dreieckförmigen inneren Strahlungselements mit dem Speisepunkt 4 unmittelbar dem Speisepunkt 5 des äußeren Strahlungselements 3 gegenüber.
  • Das dargestellte dreieckförmige, innere Strahlungselement 2 ist im Sinne der Leitungstheorie ein inhomogenes Strahlungselement, dessen Schenkel nicht unbedingt kontinuierlich sondern auch diskontinuierlich verlaufen können wie in Figur 3 dargestellt. Die hier vollständig gefüllte Fläche des inneren Strahlungselements 2 kann aber auch eine Aussparung 6 unterschiedlicher Form wie in den Figuren 4,5,6 dargestellt, unter anderem zum Beispiel ein Schlitz, aufweisen.
  • Idealerweise ist die komplexe Impedanz und das Abstrahlungs-verhalten einer Antenne innerhalb eines Frequenzbereichs konstant. In der Realität ergeben sich Änderungen der komplexen Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz. Je geringer diese Änderungen im gegebenen Frequenzbereich ausfallen, als desto breitbandiger kann diese Ausführung bezeichnet werden. Diese Eigenschaft kann durch selbstähnliche oder selbstkomplementäre geometrische Strukturen erzielt werden. Selbstähnliche Strukturen zeigen bei Vergrößerung gleiche oder vergleichbare Eigenschaften wie im Anfangszustand. Hier ist damit die Ähnlichkeit des inneren Strahlungselements 2 mit der Aussparung gemeint, welche sich durch die Begrenzung mit der äußeren geschlossenen oder teilweise geschlossenen, rechteckförmigen Schleife ergibt. Die Schleife muss im Bereich des inneren Strahlungselements 2 geschlossen bzw. durchgängig sein. Die Ausdehnung des größten Abmaßes des inneren Strahlungselements 2 liegt im Bereich der Viertel- Wellenlänge der Betriebsfrequenz.
  • Um die Antenne 1 gemäß den beschriebenen Ausführungsformen und einen RFID-Chip 7 (Radio-Frequency-Identification) bzw. - Halbleiter in Leistungsanpassung betreiben zu können, ist der Einsatz eines Transformationsnetzwerks 8 gemäß Figur 7 möglich.
  • Das gestrichelt dargestellte mit den Speisepunkten 4,5 verbundene Transformationsnetzwerk 8 ist optional, das heißt bei geeigneter Halbleiterimpedanz ist die Verbindung ohne konzentrierte Elemente möglich.
  • Für die Impedanztransformation ist auch die Positionierung der beiden Speisepunkte 4,5 entscheidend. Die praktische Ausführung erfordert die Platzierung des RFID-Chips 7 zwischen den dargestellten Speisepunkten 4,5, da Bonddrähte die elektrische Verbindung zwischen RFID-Chip und Antenne 1 herstellen. Die geometrisch minimale Distanz ist für die Verbindung des äußeren Strahlungselements 3 zum RFID-Chip und von diesem zum flächenhaften inneren Strahlungselement 2 zu realisieren. Vorzugsweise sind die Verbindungen in Umgebung der Symmetrielinie vorzunehmen. Für die Impedanzan- passung ist gegebenenfalls die Positionierung vom RFID-Chip und dessen Verbindungen zu den Strahlungselementen 2,3 an Stellen möglich, wo sich ebenfalls die geometrisch minimale Distanz ergibt. In der Praxis existieren ebenfalls Gehäuseformen, welche die Verbindung mittels Bonddrähten vom RFID-Chip zu Anschlussflächen beinhalten und als oberflächenmontierbare Bauelemente bekannt sind. Für diese Gehäusetechnik (SMD surface mounted device, SMT surface mounted technology) ist ebenfalls die geometrisch minimale Distanz der Verbindung zu den Strahlungselementen 2,3 vorteilhaft.
  • Im Betriebsfrequenzbereich 865 MHz bis 930 MHz zeigen RFID-Halbleiter zwischen ihren Anschlusstoren verlustbehaftetes kapazitives Impedanzverhalten. Die Antenne 1 zeigt zwischen denen Speisepunkten 4,5 eine komplexe Impedanz im induktiven Bereich. Bei Zusammenschaltung von RFID-Chip und Antenne 1 heben sich im günstigsten Fall kapazitive und induktive Anteile exakt auf. Sofern der induktive Anteil der Antenne 1 zur vollständigen Kompensation nicht ausreichen sollte, ist die Addition entsprechender Anteile durch ein konzentriertes Bauelement oder einem Leistungselement mit entsprechend erforderlichem induktivem Anteil möglich. Das äußere Strahlungselement 3, hier die Schleife, ist im Bereich der Speisepunkte 4,5 durchgängig, also geschlossen gestaltet.
  • Das innere- 2 und äußere Strahlungselement 3 müssen sich nicht zwingend auf einer Ebene befinden. Dies ist aber für die praktische Umsetzung vorteilhaft.
  • Die erfindungsgemäße Antenne 1 kann auf einem nicht leitenden Träger aufgebracht sein und einer Metallfläche gegenüberliegen. Mit der erfindungsgemäß ausgelegten Antenne 1 ergibt sich dann eine Veränderung der Impedanz zwischen den Speisepunkten 4,5, jedoch in geringerem Ausmaß, als bei einer Dipol- Antenne mit vergleichbaren Abmessungen.

Claims (8)

  1. Planare Antenne (1) mit einem flächenhaft ausgebildeten inneren, Strahlungselement (2), das von einem äußeren Strahlungselement (3) umgeben ist, wobei das innere (2) und das äußere Strahlungselement (3) jeweils einen Speisepunkt (4,5) aufweisen,
    wobei
    a) zwischen dem inneren Strahlungselement (2) und dem äußeren Strahlungselement (3) eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Veränderung des Abstands besteht, und diese bezüglich einer Symmetrieachse des inneren Strahlungselements (2) gleichartig ist, und wobei
    b) der Abstand des äußeren (3) zum inneren Strahlungselement (2) im Bereich der beiden Speisepunkte (4,5) verschieden zu dem in dem den Speisepunkten (4,5) abgewandten Bereich ist, und
    c) die Speisepunkte (4,5) in Umgebung der Symmetrieachse des inneren Strahlungselements (2) platziert sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das innere Strahlungselement (2) in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet ist.
  2. Planare Antenne nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das innere (2) und das äußere Strahlungselement (3) in derselben Ebene liegen.
  3. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das innere Strahlungselement (2) eine Aussparung(6) aufweist.
  4. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (6) als Schlitz ausgeführt ist.
  5. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Längsausdehnung des inneren Strahlungselements (2) im Bereich der Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz liegt.
  6. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung in einem RFID-Transponder.
  7. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Strahlungselement (3) als Schleife ausgebildet ist.
  8. Planare Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Strahlungselement (3) als Rückleitersystem dient.
EP07856804.5A 2007-12-17 2007-12-17 Planare breitbandige antenne Not-in-force EP2223385B1 (de)

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EP2223385A1 EP2223385A1 (de) 2010-09-01
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