NO171290B - Antenne med innstraalings-kraftforsyning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører identifikasjon av fjerntliggende gjenstander, ofte gjenstander i bevegelse. Tidligere er dette blitt utført ved overføring av et radiofrekvent signal til en fjerntliggende merkelapp. Merkelappen inneholder gjenstandens elektroniske identitet eller annen informasjon. Merkelappen er en energisert antenne som tjener til å modulere og reflektere den overførte stråle. Den reflekterte, modulerte stråle blir mottatt ved senderen hvor informasjonen fra merkelappen blir dekodet. Systemer av denne type er beskrevet i US patent nr. 4 075 632 og US-patentsøknad nr. 885 248, inngitt 14. juli 1986 og 135 048 inngitt 18. desember 1987.

Tidligere har det vært to slags merkelapper: en energiseres ved hjelp av batteri og den andre energiseres ved hjelp av den overførte stråle. Merkelapper med batteri har den ulempe at de krever periodisk utskifting av batteri eller merkelapp. Dessuten vil et batteri fra tid til annen bli satt ut av drift meget tidligere enn normalt, noe som gjør at den fjerntliggende gjenstanden ikke lenger kan identifiseres.

Standardfrekvensen i USA for overførte mikrobølgesignaler til industrielle, vitenskapelige og medisinske forhold (ISM), den som brukes for identifikasjon for fjerntliggende gjenstander, har en senterfrekvens på 915 MHz. Ved denne frekvensen har det vært mulig å utvikle en merkelapp som energiseres av strålen alene uten batteri. Forskjellige andre land slik som Japan og Frankrike foreskriver imidlertid en ISM-mikrobølge-senterfrekvens som er meget høyere, over 2000 MHz. I Japan og Frankrike er ISM-standarden 2450 MHz. Av grunner som vil bli forklart nedenfor, har det vært umulig å utvikle en antenne ved den frekvensen som gir en rimelig overføringsavstand, over 1 meter, uten bruk av batterikraft.

Uten batterikraft må antennen samle inn sin sendingsenergi kun fra det overførte signal, for derved å oppnå tilstrekkelig utgangseffekt til å drive modulatorkretsen. Modulatorkretsen modulerer antennens tilbakesprednings-tverrsnitt og reflekterer det resulterende signal til senderen for å kommunisere kretsens entydige identifikasjonskode (et digitalt lagret nummer).

Den maksimale effekt som er tilgjengelig ved antennen, styres av to faktorer. Effekten er lik den effektive apertur (A) til antennen multiplisert med den effekt-tetthet som faller på antennen i watt pr. m<2>. Størrelsen på den effektive apertur A er omvendt proporsjonal med kvadratet av frekvensen til det utsendte mikrobølgesignal. Jo høyere den utsendte frekvens er, jo mindre blir dermed aperturen. Den utsendte frekvens er imidlertid som diskutert foran, fastsatt i forskrifter. Frekvensen kan ikke variere særlig fra en foreskrevet verdi på 2450 MHz i Japan og Frankrike eller i 915 MHz i USA. I Japan er imidertid den maksimale utsendte effekt bare 0,3 watt sammenlignet med en effekt i overkant av 2 watt i USA. Av begge disse grunner blir den tilgjengelige effekt ved antennen i Japan eller Frankrike sterkt redusert i forhold til den som er tilgjengelig i USA.

En ytterligere komplikasjon er at ettersom den utsendte frekvens blir høyere, blir parasitt-effektene til elementene i antennekretsen meget mer kritiske. Valget av mikrobølgediode er meget kritisk. Avstemming av kretsen blir også vanskeligere.

Resultatet er at for bruk i land som benytter den høye frekvens-standarden, har merkelapper krevet batterier for å gi tilstrekkelig effekt til å oppnå de ønskede minste overførings-avstander på minst 2 meter.

Muligheten for å bruke en fasestyrt gruppe av flere antenner for å øke antenneforsterkningen og dermed den effektive apertur og utgangseffekten, er blitt vurdert. Fasestyrte grupper er imidlertid uønsket i mange anvendelser fordi de gjør antennen for retningsbestemt.

Foldede dipol-antenner ble også tatt i betraktning, men de ble ansett å være utilstrekkelige fordi impedansen til en foldet dipol antenne ville være for høy sammenlignet med parasitt-impedansen til de mikrobølge-diodene som ble brukt for omforming av radiofrekvenser til likestrøm. Den parasittiske impedansen til mikrobølgedioden utgjør en spenningsdeler med antenne-impedansen, og den deler energien og reduserer den energi som leveres til utgangen. Slike foldede dipol-antenner er tidligere blitt brukt ved mikrobølgefrekvenser (2450 MHz) for å kontrollere lekk-stråling, d.v.s. uønsket utsendelse fra mikrobølgeovner.

En slik kontrollanordning blir imidlertid anbrakt bare noen få centimeter fra kilden for mikrobølgeenergi, og de overførings-nivåer som man forsøkte å detektere, var forholdvis høye, i størrelsesorden 5 milliwatt pr. cm<2>. Derfor var antennens parasitt-effekter slett ikke kritiske. Den tilgjengelige effekt ved en slik kort avstand var tilstrekkelig selv om en betydelig effektmengde gikk tapt som et resultat av de parasittiske effektene.

I foreliggende oppfinnelse er den stråle-effekt som brukes til å energisere antennen, meget lav, mer enn to størrelses-ordener mindre enn effekten utenfor enhver mikrobølgeovn som selv marginalt overstiger forskriftene (de som krever generering av et utgående faresignal fra antennen). Det er derfor nødvendig med en lav antenneimpedans og en høy parasittisk diodeimpedans for derved å maksimalisere spenningen over dioden og dermed utgangseffekten. Følgelig ble foldede dipol-antenner forkastet.

Helt uventet ble det oppdaget at ved å kombinere et jordplan kritisk anbrakt i forhold til antennen, kunne impedansen til en foldet dipol-antenne reduseres tilstrekkelig til i betydelig grad å øke effekten ut fra antennen. Ved å kombinere denne minsk-ningen av antenne-impedansen med omhyggelig valg av en utgangs-diode med en høy impedans, ble utgangseffekten øket dramatisk.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen blir to eller flere av disse antennene likestrømskoblet i serie for ytterligere å øke antenne-effekten. Ved å bruke likestrøms-kobling i motsetning til fasestyrte sammenstillinger, blir den uønskede direktiviteten ikke øket.

Antennen ifølge oppfinnelsen er kort sagt konstruert for å motta og modulere utsendte signaler som har en meget lav effekt-tetthet i størrelsesorden omkring 1 watt pr m<2>, ved en valgt senterfrekvens over omkring 2000 MHz. For å oppnå dette blir en foldet plan dipol seksjon brukt som har to U-formede elementer anbrakt ovenfor hverandre, og som hver har et par ender. En kondensator er seriekoblet mellom to motstående anbrakte ender av de to U-formede elementene. En diode med høy impedans ved den valgte senterfrekvens er seriekoblet mellom de andre to motstående endene av de to U-formede elementene. Endelig er et metallisk jordplan montert parallelt med planet til den plane, foldede dipolseksjonen og i en forut bestemt avstand fra dette planet, idet avstanden velges for å redusere antenneimpedansen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir typen av og impedansen til dioden, formen på den foldede, plane dipolseksjonen og valget av størrelsen på avstanden mellom dipolseksjonen og jordplanet alle valgt for å øke likestrøms-effektutgangen fra antennen.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kan to eller flere dipolseksjoner forbindes likestrømsmessig i serie. Dessuten kan kondensatoren velges slik at den har en lav impedans ved senterfrekvensen til det utsendte signal. I tillegg kan en tilpasset seksjon forbindes mellom den foldede dipolseksjon og dioden for bedre å tilpasse diodens impedans til antennens impedans.

Det vises til de vedføyde tegninger, hvor:

Fig. 1 er et oppriss av den foldede dipol-seksjon vist noe skjematisk, i antennen ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 2 er et oppriss av den foldede dipolseksjonen vist noe skjematisk for antennen ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 3 er et oppriss av den foldede dipol-seksjon vist noe skjematisk, for antennen i en foretrukket utførelses-form av oppfinnelsen. Fig. 4 er et tverrsnitt som viser monteringen av den foldede dipol-seksjon i antennen ifølge oppfinnelsen adskilt fra det metalliske jordplan eller bakplan.

Det vises nå til figur 1 hvor dipol-antennen ifølge oppfinnelsen er sammensatt av to U-formede elementer 1 og 2, anbrakt overfor hverandre som vist. En diode 3 er koblet i serie mellom to motstående anbrakte ender av de U-formede elementene 1 og 2, som vist. Dioden 3 har en høy impedans, fortrinnsvis over omkring 100 ohm ved den valgte senterfrekvens. For bruk i Japan eller Frankrike er den valgte senterfrekvens som diskutert ovenfor, 2450 MHz. Dioder som arbeider ved denne frekvensen er fortrinnsvis Schottky-dioder, for eksempel Schottky-diode HSCH-6330 fremstilt av Hewlett Packard Company.

En kondensator 4 er seriekoblet mellom de andre to motstående endene av de U-formede elementene 1 og 2 som vist. Denne kondensatoren er valgt med en lav impedans ved den valgte senterfrekvens. En kondensator som virker godt er nr. 2100722, 22 picofarad ved 50 volt, fremstilt av Mouser Capacitor Division in Taiwan.

Antennen ifølge oppfinnelsen mottar et signal, slik som signalet ved 2450 MHz som er blitt beskrevet. Dette signalet får strømmer til å flyte på begge elementene 1 og 2. Disse strømmene flyter uhindret gjennom kondensatoren 4 som ble valgt med en lav impedans ved den valgte senterfrekvens. Gjennom dioden 3 kan imidlertid strøm bare flyte i en retning, men ikke i den andre.

1 den illustrerte utførelsesformen flyter strøm gjennom dioden

3 fra venstre til høyre, men ikke i motsatt retning. Siden likestrøm ikke kan flyte gjennom kondensatoren 4, vil en ladning bygge seg opp på kondensatoren, idet pluss-siden er til høyre som vist.

Formålet med antennen er å samle nok energi til å oppvise en spenning på omkring 1,5 volt og en strøm på omkring 100 mikro-ampere ved den utgangen som opptrer ved utgangsklemmene 5 over kondensatoren 4. Denne energien blir brukt til å energisere den elektroniske identifikasjonskretsen (ikke vist) som vil være forbundet med klemmene 5. Identifikasjonskretsen som energiseres av antennen ifølge oppfinnelsen, forandrer belastningen over kondensatoren 4 på en forut bestemt måte, noe som resulterer i endrede radiofrekvente strømmer på elementene 1 og 2 til antennen. Dette får antennen til å frembringe reflekterte felter, modulert av identifikasjonskoden som er lagret i identifikasjons-kretsen. Alt dette er beskrevet i US-patent nr. 4 075 632.

Det vises nå til figur 2 hvor det er vist en annen ut-førelsesform av oppfinnelsen. Den virker nøyaktig på samme måte som den på figur 1 og alle elementene er gitt samme nummer. Forskjellen er tilføyelsen av en tilpasningsseksjon sammensatt av et par ledende linjer 6, en ende av hvilke er koblet henholdsvis til hver an endene på de U-formede elementene 1 og 2 som var koblet til dioden 3 på figur 1. Dioden 3 er seriekoblet over de andre endene av tilpasningsseksjonen 6. Tilpasningsseksjonen blir om nødvendig brukt for å oppnå en bedre tilpasning av diodens 3 impedans.

Den foretrukne utførelsesform på figur 3 viser to dipol-seks joner 10 og 11 koblet sammen likstrømsmessig i serie. Disse to seksjonene 10 og 11 er adskilt fra hverandre med minst 1/3 bølgelengde av det utsendte signal, fortrinnsvis med minst 1/2 bølgelengde. Ved 2450 MHz vil dette gi en avstand større enn omkring 4 cm. De enkelte sammenstillinger kan bruke dipol-elementer med samme geometri og kan bruke den samme type diode og kondensatorer for både kondensator 13 og 14 og for begge diodene 15 og 16, eller de kan være forskjellig. Valget avhenger av den nøyaktige effekt og frekvens for det utsendte signal, samt av tilgjengeligheten på nødvendige komponenter. Utgangssignalet fra antennen på figur 3 opptrer ved klemmene 17. Dipolene 10 og 11 er forbundet med ledninger 18, 19 og 20.

Figur 4 viser monteringen av dipol-elementene 1 og 2 på et metallisk bakplan eller jordplan 30. Dipol-elementene 1 og 2 er montert på et konvensjonelt substrat 31 for et trykt kretskort, vanligvis laget av fiberglass (epoxy). Substratet 31 for det trykte kretskortet er festet til og adskilt fra det metalliske jordplanet 30 ved hjelp av to isolerende avstandsstykker 32 og 33 som vist. Avstanden mellom substratet 31 og jordplanet 30 er meget viktig ifølge oppfinnelsen. Det bør være en avstand som er lik mellom omkring 1/10 og 1/4 bølgelengde av det utsendte signal. Hvis signalet har en frekvens på 2450 MHz, skulle denne avstanden være mellom 1 og 3 cm.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet ved hjelp av foretrukne utførelsesformer vil man forstå at mange modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra rammen for oppfinnelsen slik den fremgår av de vedføyde krav.

Claims (16)

1. Antenne for mottagelse og modulering av utsendte signaler med meget lav effekt-tetthet i størrelsesorden under omkring 1 watt pr. m<2>, ved en valgt senterfrekvens over 2000 MHz, karakterisert ved: en plan, foldet dipol-seksjon med to atskilte U-formede elementer anbrakt rett overfor hverandre, idet hvert av elementene har et par ender; en kondensator som er seriekoblet mellom to motstående ender av de to elementene; en diode som har en høy impedans ved den valgte senterfrekvens og som er seriekoblet mellom de andre to endene til de to elementene, hvilke andre to ender ligger rett overfor hverandre; et metallisk jordplan montert parallelt med den plane, foldede dipol-seksjon og adskilt fra denne med en forut bestemt avstand valgt for å redusere antenne-impedansen, idet diode-impedansen, formen på den plane, foldede dipolseksjon og den forut bestemte avstand mellom jordplanet og den plane, foldede dipolseksjon er valgt for å øke likestrøms-effektutgangen fra antennen.

2. Antenne ifølge krav 1, karakterisert ved at kondensatoren er valgt med en lav impedans ved den valgte senterfrekvens.

3. Antenne ifølge krav 2, karakterisert ved at dioden er valgt med en impedans over omkring 100 ohm ved den valgte senterfrekvens.

4. Antenne ifølge krav 3, karakterisert ved at dioden er en Schottky-barriere-diode.

5. Antenne ifølge krav 1, karakterisert ved at den forut bestemte avstand mellom den plane, foldede dipolseksjon og jordplanet er en avstand lik mellom 1/10 og 1/4 bølgelengde av det utsendte signal.

6. Antenne for å motta og modulere utsendte signaler som har en meget lav effekt-tetthet i størrelsesorden under omkring 1 watt pr. m<2> ved en valgt senter f rekvens over 2000 MHz, karakterisert ved: en plan, foldet dipolseksjon med to adskilte U-formede elementer anbrakt rett overfor hverandre, idet hvert av elementene har et par ender; en kondensator som er seriekoblet mellom to motstående anbrakte ender av de to elementene; en tilpasningsseksjon som består av to ledende linjer, idet en ende av hver linje er koblet til hver av de andre to motstående endene av de to U-formede elementene; en diode som har en høy impedans ved den valgte senterfrekvens, seriekoblet mellom de andre endene av de to ledende linjene i tilpasningsseksjonen; et metallisk jordplan som er montert parallelt med den plane, foldede dipol-seksjon og adskilt fra denne med en forut bestemt avstand som er valgt for å redusere antenne-impedansen, idet impedansen til dioden, formen på den plane, foldede dipol-seksjon og den forut bestemte avstand mellom jordplanet og den plane, foldede dipolseksjon alle er valgt for å øke likestrøms- effektutgangen fra antennen.

7. Antenne ifølge krav 6, karakterisert ved at kondensatoren er valgt med en lav impedans ved den valgte senterfrekvens.

8. Antenne ifølge krav 7, karakterisert ved at dioden er valgt med en impedans over omkring 100 ohm ved den valgte senterfrekvens.

9. Antenne ifølge krav 8, karakterisert ved at dioden er en Schottky-barriere-diode.

10. Antenne ifølge krav 6, karakterisert ved at den forut bestemte avstand mellom den plane, foldede dipolseksjonen og jordplanet er en avstand lik mellom 1/10 og 1/4 bølgelengde for det utsendte signal.

11. Antenne ifølge krav 1, karakterisert ved at en annen plan, foldet dipolseksjon er koblet likestrømsmessig i serie med den første seksjon, idet den annen dipolseksjon også har en diode og en kondensator og er montert med den samme avstand til den samme j ordplan-montasje.

12. Antenne ifølge krav 11, karakterisert ved at den annen diode og den annen kondensator er av samme type som de i den første foldede dipolseksjon.

13. Antenne ifølge krav 11, karakterisert ved at avstanden mellom den første og den annen dipolseksjon er en avstand som er minst 1/3 bølgelengde ved den valgte frekvens.

14. Antenne ifølge krav 6, karakterisert ved at en annen plan, foldet dipolseksjon er koblet likestrømsmessig i serie med den første seksjon, idet den annen dipolseksjon også har en diode og en kondensator og er montert med den samme avstand til den samme j ordplan-montasj e.

15. Antenne ifølge krav 14, karakterisert ved at den annen diode og den annen kondensator er av samme type som de i den første foldede dipolseksj on.

16. Antenne ifølge krav 14, karakterisert ved at avstanden mellom den første og den annen dipolseksjon er en avstand som er minst 1/3 bølgelengde ved den valgte frekvens.