Плоская индукционная антенна

Плоская индукционная антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области систем с индуктивной связью и может быть использовано в качестве передающей антенны в индуктивных системах локальной беспроводной связи и управления, приемопередающей антенны в носимых или мобильных комплексах систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием, в частности, в малогабаритной аппаратуре индуктивных систем противодействия несанкционированному доступу к информации.

Известны передающие антенны для оперативной беспроводной индуктивной связи, которые, в отличие от радиоантенн, представляют собой одновитковые замкнутые петлевые или многовитковые контуры -электрически малые рамки или катушки индуктивности, охватывающие определенную территорию, где осуществляется индуктивная связь [1]. Ток, протекающий в рамке, образует в пределах ее контура и на небольшом удалении от нее магнитное поле, напряженность которого оказывается достаточной для наведения в приемной индукционной антенне ЭДС, обеспечивающей работу приемного устройства с необходимым соотношением сигнал/помеха. Напряженность магнитного поля передающих рамочных антенн быстро убывает с расстоянием R от них и на расстояниях R больше линейных размеров антенны изменяется по закону R^-3. Поэтому надежная индуктивная связь, для которой используется выделенный диапазон частот от 20 до 135 кГц [1], осуществляется только в пределах зоны индукции на расстояниях R=λ/10-λ/20. Минимальные продольные размеры рамочных антенн, используемых в индуктивных системах связи, на верхних частотах рабочего диапазона, достигают значений в несколько сотен метров [1]. По этой причине известные передающие антенны для индуктивной связи не пригодны для использования в носимой или мобильной аппаратуре комплексов систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием и в малогабаритной аппаратуре индуктивных систем противодействия несанкционированному доступу к информации. Известны также рамочные антенны базовых станций пассивных систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием RFID-систем, в которых для передачи энергии питания в радиочастотную метку и считывания ее данных на частоте f=13,56 МГц, используются приемопередающие устройства - ридеры, антенная цепь которых образована замкнутым проводником в виде одновитковой или многовитковой катушки индуктивности [2].

В ридерах современных стационарных систем RFID дальнего действия используются индуктивные рамки с размерами 500×1400 мм [2, р.26]. Они обеспечивают надежную индуктивную связь с радиочастотной меткой, имеющей размеры 50,8×88,9 мм и добротность Q≥40, и считывание данных на расстоянии R не более максимального размера рамки ридера, что составляет примерно R=0,9-1,1 м при мощности передающего устройства ридера 800 мВт. Однако габариты известных рамочных антенн стационарных ридеров дальнего действия (R=0.9-1.1 м) не позволяют их использовать в антенных цепях малогабаритной носимой (мобильной) аппаратуры систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием и в компактной аппаратуре индуктивных систем противодействия несанкционированному доступу к информации.

Кроме того, дальность действия R=0,9-1,1 м во многих случаях применения указанных выше систем оказывается недостаточной для решения возникающих перед ними задач. Вместе с тем из теории антенн известно, что граница зоны индукции антенны (область Френеля) находится от антенны на удалении R_инд≈λ/2π. Для систем радиочастотной идентификации с рабочей частотой f=13,56 МГц значение R_инд≈3,5 м. Это расстояние можно считать предельным для реализации индуктивной связи между носителем данных и считывающим устройством.

Таким образом, существует возможность увеличения дальности действия RFID-системы от принятого значения R=0.9-1.1 м до теоретического предела R_инд≈3,5 м.

В изобретении решается задача расширения зоны действия индуктивной связи за счет повышения эффективности передающей индукционной антенны.

Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является плоская резонансная антенна по патенту Российской Федерации №2099828 С1, MKИ Н01Q 1/36, опубликованному 20.12.97.

Она содержит индуктивность в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, подводящую линию, предназначенную для подсоединения источника высокочастотных колебаний к индуктивности.

Данное техническое решение имеет ограничения, заключающиеся в следующем.

Дальность действия ограничена малым значением добротности антенны из-за включения в середину витка связи согласованной нагрузки. Это также ограничивает величину протекающего по виткам спирали тока и, следовательно, уменьшает напряженность магнитного поля. Ограничение дальности действия связано также с большой неравномерностью распределения амплитуды и фазы тока по длине проводника спирали, так как его длина выбрана кратной половине наибольшей длины волны в открытом резонаторе. Малая индуктивность ленточного проводника спирали из-за его сравнительно большой ширины требует для улучшения согласования антенны с питающим фидером увеличения числа витков спирали.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении дальности действия индуктивной системы связи. Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной плоской индукционной антенне, содержащей индуктивность в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, подводящую линию, предназначенную для подсоединения источника высокочастотных колебаний к индуктивности, согласно изобретению в середине спирального проводника на расстоянии λ/8 от его начала, где λ - рабочая длина волны в спирали, выполнен разрыв с образованием зазора, расположенного поперек и симметрично относительно продольной оси спирали и предназначенного для возбуждения источником высокочастотных колебаний синфазных токов в проводниках спирали, образующий двухзаходную арифметическую спираль, проводники которой изогнуты в противоположные от зазора стороны, причем ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточного проводника спирали выбраны равными S=W=0.00042λ, в середине ленточного проводника каждой ветви спирали включен конденсатор переменной емкости.

Возможен дополнительный вариант осуществления устройства, в котором отношение длины А к ширине В каждого витка арифметической спирали выбрано равным А/В=1,5.

В другом дополнительном варианте реализации устройства целесообразно индуктивность выполнить в виде двухзаходной спирали Архимеда.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемой плоской индукционной антенны, на фиг.2 показано протекание токов по проводникам антенны и линии напряженности магнитного поля вокруг проводников антенны с током, на фиг.3 представлены экспериментальные зависимости H_z=f(R) предлагаемой индукционной антенны и одновитковой индуктивной рамки.

Предлагаемая плоская индукционная антенна содержит индуктивность в виде двухзаходной арифметической спирали, полученной из многовиткового проводника арифметической спирали длиной λ/4 путем разрыва его на расстоянии λ/8 от его начала (λ - рабочая длина волны в спирали) с образованием зазора Δ и двух заходов 1 (синий) и 2 (красный) спирали с противоположными от зазора Δ направлениями намотки витков, имеющих одинаковую электрическую длину ленточных проводников. Витки спирали имеют прямоугольную форму с отношением длины A=R6 к ширине B=R7, равным А/В=1,5, и расположены в одной плоскости вокруг общего центра 3. Они выполнены из ленточных проводников 1 и 2, расположенных на диэлектрическом основании 4, при этом ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточных проводников 1 и 2 спирали выбраны равными S=W=0.00042λ, где λ - рабочая длина волны в спирали, определяемая формулой

в которой λ₀ - рабочая длина волны в свободном пространстве,

- коэффициент укорочения длины волны в неоднородном диэлектрике на границе раздела «диэлектрическое основание - воздух»;

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость материала основания 4.

Таким образом, электрическая длина ℓ проводника каждого захода спирали выбрана равной

В соответствии с обозначениями фиг.1 это условие может быть записано в виде

К зазору Δ с помощью подводящей линии 5 подключен источник высокочастотных колебаний. В середине ленточного проводника каждой ветви спирали включены конденсаторы 8 и 7 переменной емкости. Ленточные проводники 1 и 2 спирали могут быть выполнены печатным способом на диэлектрическом основании 4, в качестве которого может быть использован, например, стеклотекстолит. Предлагаемая плоская индукционная антенна может быть выполнена в виде двухзаходной спирали Архимеда с электрической длиной ℓ проводника каждого захода спирали ℓ=λ/8. Предлагаемая плоская индукционная антенна работает следующим образом. При противофазном возбуждении (в точке А₁ фаза тока Φ₁=π, в точке А₂ фаза тока Ф₂=0 см. фиг.2) и симметричном питании от источника высокочастотных колебаний токи J, протекающие в соседних проводниках двухзаходной арифметической спирали со встречной намоткой витков, находятся в фазе, как показано на фиг.2. Согласно основному закону электромагнетизма - закону Ампера, Био и Савара взаимодействующие токи, протекающие в прямолинейных и параллельных проводниках 1 и 2 предлагаемой индукционной антенны, создают ближнее электромагнитное поле, которое в сферической системе координат характеризуется составляющими H_r≠0 и Е_r=0. Таким образом, ближнее поле антенны является чисто магнитным. Линии напряженности магнитного поля антенны вблизи проводников 1 и 2 показаны на фиг.2. Вектор напряженности магнитного поля в любой точке М линии напряженности касателен к ней в этой точке. Соосная составляющая вектора напряженности магнитного поля уменьшается с расстоянием R от центра 3 антенны в первом приближении по закону R^-3. Для создания в спиральных проводниках 1, 2 антенны максимального тока J, а следовательно, и напряженности она настраивается на частоту первого последовательного резонанса с помощью конденсаторов 7 и 8, включенных в середине ленточного проводника каждой ветви двухзаходной спирали. При этом симметрирование токов J в проводниках антенны осуществляется путем установки в ветвях спирали одинакового резонансного значения емкости конденсаторов 7 и 8. Включение конденсаторов 7, 8 в середине ленточного проводника позволяет уменьшить входное резонансное сопротивление антенны и, следовательно, увеличить входной ток, что также ведет к росту напряженности создаваемого антенной магнитного поля. За счет взаимоиндукции, возникающей вследствие взаимодействия синфазных токов в соседних параллельных проводниках антенны, они помимо собственной индуктивности приобретают дополнительную распределенную индуктивность, что смещает резонансную частоту антенны в область более низких частот. Вследствие этого на рабочей частоте f=13,56 МГц реактивная составляющая Z_x=jωL входного сопротивления антенны имеет индуктивный характер, а активная составляющая R_вх снижается из-за малых электрических размеров антенны (λ/8) до единиц Ом. Для повышения резонансного значения R_вх ширина W ленточных проводников 1 и 2 и зазоров S между ними выбраны равными W=S=0.00042λ. При этом увеличивается волновое сопротивление последовательного контура индукционной антенны, что облегчает согласование предлагаемой антенны с питающим коаксиальным фидером. Для увеличения соосной составляющей напряженности магнитного поля отношение длины А к ширине В каждого витка арифметической спирали выбрано равным А/В=1,5. Это позволяет за счет приближения проводников 1 и 2 к центру 3 спирали (уменьшения ширины В антенны) увеличить концентрацию линий напряженности магнитного поля в направлении оси Z и тем самым увеличить составляющую магнитного поля. При этом, как показывают исследования, выполненные в [3, с.92, рис.6], с увеличением Z=R от Z=0 до Z=1.5 α (где α=В/2 в нашем обозначении) происходит почти двукратное увеличение напряженности магнитного поля с дальнейшим незначительным уменьшением при Z=2α.

Таким образом, за счет выполнения спирального проводника индукционной антенны в виде многовитковой двухзаходной арифметической спирали, проводники которой изогнуты в противоположные стороны от зазора, предназначенного для возбуждения источником высокочастотных колебаний синфазных токов в проводниках двухзаходной арифметической спирали, и имеют длину λ/8, выбора ширины зазоров S между проводниками спирали S=W=0.00042λ и отношения длины А к ширине В каждого витка арифметической спирали равного А/В=1,5, последовательного включения в каждую ветвь спирали конденсаторов переменной емкости для выполнения резонансной настройки антенны обеспечивается повышение соосной составляющей напряженности магнитного поля в зоне индукции антенны.

Это, в свою очередь, увеличивает дальность действия индуктивной системы связи.

Сказанное подтверждается не только приведенными выше теоретическими выводами и физическими принципами работы индукционной антенны, но и результатами экспериментальных исследований конкретной конструктивной реализации на частоте 13,56 МГц предложенной индукционной антенны.

Проводники антенны были изготовлены методом печатной технологии на диэлектрике FR-4 толщиной 1 мм. Антенна настраивалась в резонанс с помощью переменных конденсаторов 7, 8 (фиг.1). На фиг.3 показано измеренное распределение соосной составляющей напряженности магнитного поля (фиг.2) предложенной антенны в зависимости от расстояния R от центра 3 антенны при входном токе, равном 1 А. На той же фигуре для сравнения дано измеренное распределение соосной составляющей напряженности магнитного поля традиционной одновитковой рамочной антенны, изготовленной на такой же диэлектрической подложке, имеющей ту же ширину печатного проводника и те же внешние геометрические размеры. Кроме того, на фиг.3 штрих-линией показан порог срабатывания радиочастотной метки =100 мА/м [5]. Рамочная одновитковая антенна настраивалась в резонанс с помощью переменного конденсатора, включенного в проводник последовательно на входе рамки. При проведении сравнительных измерений в ней также устанавливался входной ток, равный 1 А. Сопоставление индукционных антенн при одинаковом токе принято в практике сравнительных испытаний антенн [4]. Сравнение результатов измерений показывает, что на одном и том же расстоянии R в пределах зоны индукции антенны (R/λ<<1) предлагаемая антенна создает напряженность магнитного поля в ≈2,5 раза большую, чем напряженность у традиционной одновитковой рамочной антенны.

Рассмотрение экспериментальных зависимостей на фиг.3 показывает, что уменьшение напряженности магнитного поля c увеличением расстояния R примерно соответствует закону R^-3. Данная закономерность дает возможность заключить, что предлагаемая антенна по сравнению с одновитковой рамочной антенной позволяет увеличить дальность действия антенны в

Предложенную индукционную антенну и рамочную одновитковую антенну можно сравнить также с помощью критерия, предложенного А.А.Пистолькорсом, согласно которому эффективность плоской индукционной антенны определяется выражением [3]:

где S - обслуживаемая антенной площадь, которая принималась равной площади индукционной антенны, имеющей размеры (420×280) мм;

Р_А - мощность сигнала, подводимого к антенне.

При оценке эффективности антенны с помощью данного критерия полагалось, что площади сравниваемых антенн одинаковы. При вычислении Р_А учитывалось, что входные сопротивления одновитковой рамочной антенны и предлагаемой антенны при резонансе соответственно равны 0,8 Ом и 4 Ом, а входной ток в антеннах был одинаков и равен 1 А. Вычисление η антенн на одном и том же расстоянии R=1 м с учетом исходных условий и зависимостей фиг.3 показало, что эффективность η предложенной плоской индукционной антенны в ≈1,31 раза больше, чем эффективность традиционной одновитковой рамочной антенны.

Как следует из фиг.3, порог срабатывания радиочастотной метки (100 мА/м) достигается на расстоянии 1 м при использовании предлагаемой антенны, максимальный размер которой по широкой стороне (420 мм) в 3,3 раза меньше соответствующего размера антенны RFID ридера дальнего действия [2, р.26].

Литература

1. Шварц Б.А. Оперативная беспроводная индуктивная связь внутри предприятия. - М.: «Связь», 1978.

2. Joubok Lee. Antenna circuit design for RFID applications. DS00710C (Microchip AN710).

3. Резников Г.Б., Анкудинов B.E. Об электрических параметрах индукционных антенн. - Антенны, М.: «Связь», 1975, вып.21.

4. Финкенцеллер К. Справочник по RFID, Москва, «Додэка-ХХI, 2008».

5. Аллан Голборн. Заметки по разработке высокочастотной антенны, стр.9.

1. Плоская индукционная антенна, содержащая индуктивность в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, подводящую линию, предназначенную для подсоединения источника высокочастотных колебаний к индуктивности, отличающаяся тем, что в середине спирального проводника на расстоянии λ/8 от его начала, где λ - рабочая длина волны в спирали, выполнен разрыв с образованием зазора, расположенного поперек и симметрично относительно продольной оси спирали и предназначенного для возбуждения источником высокочастотных колебаний синфазных токов в проводниках спирали, образующий двухзаходную арифметическую спираль, проводники которой изогнуты в противоположные от зазора стороны, причем ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточного проводника спирали выбраны равными S=W=0,00042λ, в середине ленточного проводника каждой ветви спирали включен конденсатор переменной емкости.

2. Плоская индукционная антенна по п.1, отличающаяся тем, что отношение длины А к ширине В каждого витка арифметической спирали выбрано равным А/В=1,5.

3. Плоская индукционная антенна по п.1, отличающаяся тем, что индуктивность выполнена в виде двухзаходной спирали Архимеда.