АНТЕННА ДЛЯ ВЛАЖНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2015 года по МПК H01Q1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем случае, относится к антеннам и, в частности, к формированию высокочастотной индуктивной антенны.

Изобретение, в частности, применяется к антеннам, предназначенным для передач на радиочастотах порядка нескольких МГц во влажной среде, например, для систем связи на основе бесконтактных чиповых карт, радиометок или электромагнитных приемоответчиков.

Уровень техники

На фиг.1 очень схематично показан пример радиочастотной системы связи наподобие той, к которой, в порядке примера, применяется настоящее изобретение.

Такая система содержит считывающее устройство или базовую станцию 1, генерирующую электромагнитное поле, которое могут регистрировать один или несколько приемоответчиков 2, находящихся в этом поле. Такие приемоответчики 2 представляют собой, например, электронную метку 2', установленную на объекте в целях идентификации, или, в более общем случае, любой электромагнитный приемоответчик (обозначенный блоком 2 на фиг.1).

На стороне считывающего устройства 1 резонансная индуктивная антенна, в общем случае, обозначается последовательным резонансным контуром, сформированным из резистора r, конденсатора C1 и индуктивного элемента L1 или антенны. Этот контур возбуждается высокочастотным генератором 12 (ВЧ), управляемым (соединение 14) другими схемами, которые не показаны, базовой станции 1. Высокочастотная несущая, в общем случае, модулируется (по амплитуде и/или по фазе) для передачи данных на приемоответчик.

На стороне приемоответчика 2 резонансный контур, в общем случае параллельный, содержит индуктивный элемент или антенну L2, соединенную параллельно с конденсатором C2 и с нагрузкой R, представляющей электронные схемы 22 приемоответчика 2. Этот резонансный контур регистрирует поток высокочастотного магнитного поля, генерируемого базовой станцией, когда он помещен в это поле. В случае электронной метки 2' индуктивный элемент L2 сформирован из проводящей обмотки, подключенной к электронной микросхеме 22. Микросхема, в общем случае, включает в себя конденсатор C2.

Символическое представление в форме последовательного резонансного контура на стороне базовой станции и параллельного резонансного контура на стороне приемоответчика является обычным, даже если на практике можно найти последовательные резонансные контуры на стороне приемоответчика и параллельные резонансные контуры на стороне базовой станции. На стороне базовой станции также можно найти резонансную LC-структуру, где емкость делится на параллельную часть и последовательную часть. Это позволяет добавить функцию изменения импеданса, например для согласования импеданса с генератором.

Приемоответчики, в общем случае, не имеют автономных источников питания и извлекают мощность, необходимую для их работы, из магнитного поля, генерируемого базовой станцией 1. Они передают данные на станцию, изменяя нагрузку (R), подключенную к их резонансному контуру, для модуляции тока, текущего в их индуктивной антенне L2 и обусловленного электромагнитной силой, индуцируемой магнитным полем базовой станции.

Резонансные контуры считывающего устройства и приемоответчика, в общем случае, настроены на одну и ту же резонансную частоту ω (L1.C1.ω²=L2.C2.ω²=1). Когда приемоответчик находится в такой среде, как воздух, диэлектрическая проницаемость среды, окружающей приемоответчик, практически совпадает с диэлектрической проницаемостью вакуума (ε₀=8.854.10^-12 фарад на метр, то есть относительная диэлектрическая проницаемость ε_r=1). Характеристики резонансного контура приемоответчика (перестройка частоты, добротность) стабильны и равны номинальным значениям. Однако это не так в почве (или в любой другой влажной среде), где переменное количество воды приводит к высокой изменчивости диэлектрической проницаемости среды, окружающей приемоответчик, вплоть до очень высоких значений. Вода имеет очень высокую относительную диэлектрическую проницаемость ε_r, приблизительно равную 80. Если резонансный контур приемоответчика недостаточно защищен оболочкой из материала с устойчиво низкой диэлектрической проницаемостью, характеристики резонансного контура приемоответчика будут сильно изменяться. Если диэлектрическая проницаемость защитной оболочки, которую, возможно, можно использовать, не низка, характеристики резонансного контура в присутствии этой оболочки можно регулировать при условии, что эта диэлектрическая проницаемость стабильна.

На фиг.2 очень схематично показан пример системы связи во влажной среде. Эта система предназначена для обнаружения труб 3, закопанных в почве S. Базовая станция, образующая детектор, располагается вблизи поверхности 55 почвы S. Такой детектор излучает радиочастотное магнитное поле, которое может быть обнаружено приемоответчиками 2, связанными с трубами 3, закопанными в почве. Такая система, в общем случае, используется для регистрации присутствия каналов в гидротехнических сооружениях.

Проблема этого типа применения состоит в том, что почва образует влажную среду, способную варьироваться от сухой почвы до водонасыщенной почвы. В этом случае диэлектрическая проницаемость ε_r (способная достигать нескольких десятков) уже не будет иметь тот же порядок величины, как в воздухе (ε_r=1). В результате паразитные емкости, сформированные между разными участками индуктивной цепи (L2) антенны приемоответчика, сильно увеличиваются, что создает добавочные диэлектрические потери для резонатора. В этом случае резонансный контур приемоответчика больше не настраивается, и его добротность снижается, что негативно влияет на передачу (дистанционное питание и связь).

Современные решения содержат покрытие резонансного контура приемоответчика изолирующим материалом (диэлектрическая проницаемость ε_r порядка 1 или в пределах нескольких единиц (<5)), достаточно толстым, чтобы влажная среда находилась достаточно далеко и не влияла на характеристики резонатора приемоответчика. Можно также регулировать характеристики резонатора в присутствии защитного материала. Хотя необходимая толщина (на практике несколько миллиметров) может казаться небольшой, это значительно увеличивает стоимость трубы. Для других применений тонкость приемоответчика, используемого в качестве метки, также может служить ограничением, из-за которого увеличение толщины становится нежелательным.

В частности, для определения пути пролегания канала, метки должны присутствовать с малыми интервалами в пределах от менее одного метра до нескольких метров.

Кроме того, нежелательно, чтобы каналы имели большие наросты (например, упаковку, включающую в себя приемоответчик).

На внутренней стороне, даже если труба предназначена для транспортировки жидкости, толщины трубы в общем случае достаточно, чтобы характеристики резонатора не нарушались.

На фиг.3 показан вид в перспективе, частично в разрезе, примера известной техники, позволяющей использовать электронную метку во влажной среде, имеющей влагосодержание в пределах от сухости до водонасыщенности.

Метка 2, содержащая электронную микросхему 22 и плоскую антенну L2, располагается на внешней поверхности трубы 3. Метка поддерживается изолирующим листом, который является гибким, что позволяет обертывать его вокруг трубы. Затем сборка покрывается гибким изолирующим слоем 35, например, прямоугольным. Даже для материалов с очень низкой диэлектрической проницаемостью (равной или чуть большей единицы в относительном значении), добавленная толщина остается больше нескольких миллиметров.

Можно предложить внедрение меток в толщу трубы при изготовлении. Однако это усложняет изготовление трубы и, таким образом, удорожает ее. Внедрение объекта в толщу может налагать строгие производственные ограничения для поддержания/сохранения механической прочности трубы.

Таким образом, имеется необходимость в индуктивной антенне, адаптированной к влажным средам.

Документ WO 2008/083719 описывает малую антенну, сформированную из первой круговой дорожки, прерывающейся в одной точке и окруженной второй дорожкой, прерывающейся в двух диаметрально противоположных позициях. Каждая из первой и второй дорожек не образует обмотку, в смысле геометрической фигуры, эквивалентной обмотке по меньшей мере двух витков проводящей дорожки.

Документ US 2003/080918 описывает устройство беспроводной связи и обеспечивает связывание датчиков давления и температуры с этим устройством.

Документ WO 2007/084510 описывает различные формы антенн RFID, включая круглую кольцевую антенну, сформированную из разрывных не соединенных между собой секций.

В статье Garcia et al. "On the resonances and polarizabilities of split ring resonators", опубликованной в Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, август 2005 (т.98, № 3, стр. 033103-1 - 9), описаны разные формы резонансных контуров, сформированных из пар дорожек.

Документ JP 2004-336198 описывает замкнутую антенну в несколько витков без нарушения электрической целостности.

Раскрытие изобретения

Задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение индуктивной антенны, позволяющей полностью или частично преодолеть недостатки традиционных антенн.

Другой задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение антенны, которая особенно хорошо адаптирована к использованию во влажных средах.

Еще одной задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение индуктивной антенны малой толщины (толщины менее одного миллиметра), без необходимости в дополнительном изоляторе во влажной среде.

Задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение решения, не требующего модификации опоры приемоответчика.

Для решения всех или некоторых из этих и других задач настоящее изобретение предусматривает индуктивную антенну, содержащую:

изолирующую подложку;

первую плоскую проводящую обмотку на первой поверхности подложки, прерывающуюся с регулярными интервалами для формирования последовательности пар первых проводящих дорожек;

вторую плоскую проводящую обмотку на второй поверхности подложки, обращенную к первой обмотке, причем прерывания во второй обмотке обращены к прерываниям в первой обмотке для формирования последовательности пар вторых проводящих дорожек; и

в которой:

каждая пара первых дорожек образует, совместно с обращенной к ней парой вторых дорожек, резонансную узловую сборку;

первые две дорожки одной и той же узловой сборки не соединены между собой, и каждая из них электрически подключена к одной и только одной другой первой дорожке другой узловой сборки или к выводу антенны;

вторые дорожки соседних пар электрически не соединены друг с другом; и

один конец каждой первой дорожки:

электрически подключен к одному концу второй дорожки рассматриваемой узловой сборки; или

не подключен, при этом вторые дорожки рассматриваемой узловой сборки электрически соединены друг с другом.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, подложка является гибкой.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, антенна имеет толщину менее 1 миллиметра.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, антенна содержит по меньшей мере две узловые сборки.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, антенна дополнительно содержит узловую полусборку, сформированную из первой дорожки, противоположной второй дорожке и подключенной к по меньшей мере одной узловой сборке.

Настоящее изобретение также предусматривает резонатор, содержащий антенну, имеющую соединенные друг с другом выводы.

Настоящее изобретение также предусматривает электронную метку, адаптированную к влажным средам, содержащую электронную схему, подключенную к антенне.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, согласующая цепь, содержащая по меньшей мере один индуктивный элемент и один емкостной элемент, установлена между антенной и электронной схемой.

Настоящее изобретение также предусматривает канал, содержащий по меньшей мере одну электронную метку.

Настоящее изобретение также предусматривает упаковку содержащую по меньшей мере одну электронную метку.

Настоящее изобретение также предусматривает электромагнитный приемоответчик, содержащий электронную метку и датчик, подключенный к электронной схеме.

Настоящее изобретение также предусматривает применение метки в грунте.

Настоящее изобретение также предусматривает канал, содержащий по меньшей мере один резонатор.

Настоящее изобретение также предусматривает упаковку содержащую по меньшей мере один резонатор.

Настоящее изобретение также предусматривает электромагнитный приемоответчик, содержащий по меньшей мере один резонатор и датчик, подключенный к электронной схеме.

Настоящее изобретение также предусматривает применение резонатора в грунте.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут подробно рассмотрены в нижеследующем неограничительном описании конкретных вариантов осуществления вкупе с прилагаемыми чертежами, на которых:

на фиг.1, описанной ранее, схематично показан в форме блоков пример радиочастотной системы связи, к которой применяется настоящее изобретение;

фиг.2, описанная ранее, является упрощенным представлением установки, к которой применяется настоящее изобретение;

фиг.3, описанная ранее, является упрощенным видом в перспективе, частично в разрезе, известной техники;

фиг.4 - блок-схема варианта осуществления приемоответчика согласно настоящему изобретению;

фиг.5 - вид в перспективе антенны согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 - вид в разрезе по плоскости VI на фиг.5;

фиг.7 - упрощенный вид в разрезе первого типа узловой сборки антенны согласно настоящему изобретению;

фиг.7A демонстрирует эквивалентную электрическую схему узловой сборки, показанной на фиг.7;

фиг.8 - упрощенный вид в разрезе второго типа узловой сборки антенны согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.8A демонстрирует эквивалентную электрическую схему узловой сборки, показанной на фиг.8; и

фиг.9 схематически иллюстрирует другой пример применения антенны согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на разных чертежах, выполненных с нарушением масштаба. Для наглядности показаны и будут описаны только элементы, полезные для понимания настоящего изобретения. В частности, базовые станции, для которых предназначены антенны приемоответчика, которые будут описаны, не описаны подробно, причем изобретение совместимо с различными современными базовыми станциями и детекторами и не требует их модификации. Кроме того, сигналы модуляции нагрузки, формируемые приемоответчиком, также не описаны подробно, причем изобретение совместимо с сигналами, используемыми в настоящее время для такого рода приемоответчиков. Изобретение также совместимо с электронными метками, доступными в настоящее время для такого рода приемоответчиков.

Для обеспечения нечувствительности настройки метки к влажной среде, в которую она помещена, предлагается увеличить значение емкости ее резонансного контура. Таким образом, паразитные емкости, присутствующие между разными участками цепи и зависящие только от диэлектрической проницаемости среды, вносят, даже при высокой диэлектрической проницаемости, пренебрежимо малый вклад в настройку резонансного контура. Трудность состоит в уменьшении значения индуктивности, необходимом для компенсации увеличения емкости для данной резонансной частоты (в применениях, к которым, в частности, относится настоящее изобретение, между 10 и 100 МГц). Для снижения индуктивности можно предложить уменьшить количество витков плоских обмоток, образующих антенну (индуктивность пропорциональна квадрату количества витков). Однако уменьшение количества витков также приводит к уменьшению напряжения, снимаемого с антенны (снимаемое напряжение пропорционально количеству витков). В таком случае снимаемое напряжение должно быть достаточным для извлечения мощности, необходимой для работы микросхемы метки.

Также можно предложить увеличить формат индуктивности (снимаемое напряжение пропорционально квадрату масштабного коэффициента) одновременно с уменьшением количества витков (индуктивность пропорциональна масштабному коэффициенту). Однако необходимый для этого размер антенны часто может оказываться несовместимым с применением.

Кроме того, ограничение по толщине препятствует использованию дискретных компонентов, которые могут потребоваться, в особенности для включения емкостного элемента высокого номинала.

Таким образом, предлагается разделить цепь резонансной индуктивной антенны на узловые сборки или на пары секций, соединенных между собой определенным образом, с образованием резонансных узловых сборок, которые все имеют одинаковую резонансную частоту, причем каждая узловая сборка имеет достаточно низкое значение индуктивности для емкостного элемента, входящего в состав рассматриваемой узловой сборки, чтобы значение было достаточным для того, чтобы сделать паразитные емкости, зависящие от диэлектрической проницаемости влажной среды, пренебрежимо малыми, даже при высокой диэлектрической проницаемости.

В упрощенном варианте осуществления выводы сформированной таким образом резонансной антенны непосредственно соединены между собой. Таким образом, получается простой резонатор, характеристики перестройки частоты и добротности которого не испытывают негативного влияния влажной среды, причем такой резонатор можно применять в простых приложениях маркировки.

Согласно варианту осуществления, предусматривающему работу с электронной микросхемой, может потребоваться установить согласующую цепь между индуктивной резонансной антенной и электронной микросхемой.

На фиг.4 показана блок-схема такого варианта осуществления.

Резонатор 4 (ANT), сформированный из резонансных узловых сборок, примеры которых будут описаны ниже, подключен к электронной микросхеме 22 через согласующую цепь 5. Такая согласующая цепь сформирована, например, из индуктивности (например, плоской индуктивной обмотки), последовательно соединенной с обмотками резонатора. Емкостный элемент C2 участвует в согласовании, но может быть встроен в микросхему 22, как показано. Элемент C2 подключен параллельно электронным схемам микросхемы 22. Индуктивность L2' предпочтительно имеет малый размер по сравнению с резонансной индуктивной антенной 4. Индуктивный элемент L2' выбирается так, чтобы цепь L2'C2 настраивалась на частоту радиочастотного поля, для получения эффекта перенапряжения. Индуктивный элемент L2', с которого не нужно снимать напряжение, индуцируемое радиочастотным магнитным полем, предпочтительно выбирать таким образом, чтобы он имел малый размер, благодаря чему возмущения, вносимые влажной средой в резонансные характеристики цепи L2'C2, оказывали незначительное влияние на работу метки. В нижеследующем описании термин "антенна" будет обозначать резонансную индуктивную антенну 4.

На фиг.5 показан упрощенный вид в перспективе варианта осуществления антенны 4 для приемоответчика 2' во влажной среде.

На фиг.6 показан вид в разрезе по плоскости VI на фиг.5.

Антенна 4 сформирована из двух идентичных плоских проводящих обмоток 42 и 44 на двух поверхностях изолирующей подложки 46. Обмотки располагаются вертикально одна над другой. Подложка представляет собой, например, гибкий изолирующий лист используемого в настоящее время типа для плоских антенн. Обмотки прерываются, предпочтительно с регулярными интервалами, для формирования, на каждой поверхности подложки, сборки уложенных друг на друга идентичных проводящих дорожек, образующих микрополосковые линейные секции, причем такие микрополосковые линейные секции собраны попарно в контакте согласно конфигурации обмоток, образующих резонансные узловые сборки.

Термин "обмотка" используется для обозначения геометрической фигуры, эквивалентной обмотке из по меньшей мере двух витков проводящей дорожки.

Когда идет речь о плоской обмотке или плоской антенне, это не значит, что подложка не может быть гибкой, таким образом, в конце антенна принимает форму устройства (например, трубы), на котором она располагается.

В одной и той же резонансной узловой сборке проводящие дорожки двух линейных секций подключены к геометрической точке непрерывности согласно конфигурации обмоток согласно двум вариантам осуществления, которые будут рассмотрены ниже. Резонансные узловые сборки соединены между собой согласно конфигурации обмоток между одним концом первой узловой сборки, подключенным к выводу 41 антенны 4, и одним концом последней узловой сборки, подключенным к выводу 43 антенны 4. Соединения осуществляются посредством электрических соединений на одной и той же поверхности или посредством электрических соединений от одной поверхности к другой (перемычек).

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг.5, антенна сформирована из трех резонансных узловых сборок (которые, соответственно, идентифицируются первыми двумя цифрами 52, 54, и 56 ссылочных позиций) двух микрополосковых линейных секций, образующих сборку из четырех проводящих дорожек, причем каждая узловая сборка содержит две первые дорожки 522, 524, 542, 544, 562, 564 на первой поверхности подложки, противоположные двум вторым дорожкам 526, 528, 546, 548, 566, 568 на второй поверхности. Первые микрополосковые линейные секции каждой узловой сборки, соответственно, сформированы из пар дорожек 522 и 526, 542 и 546, 562 и 566, и вторые секции сформированы из пар дорожек 524 и 528, 544 и 548, 564 и 568. Две дорожки одной и той же резонансной узловой сборки и одной и той же поверхности геометрически располагаются одна за другой в соответствующей обмотке 42 или 44.

Таким образом, первый вывод 41 антенны 4 подключен к первому концу 5222 дорожки 522 (например, произвольно образуя полупетлю), второй конец 5224 которой обращен, не будучи присоединенным, ко второму концу 5244 дорожки 524 первой узловой сборки 52. Дорожка 524 продолжает обмотку 42 и подключена (соединение 582), своим первым концом 5242, к первому концу 5422 дорожки 542 второй узловой сборки 54. Эта структура повторяется по всей первой обмотке 42. Таким образом, первый конец 5622 дорожки 562 третьей узловой сборки 56 электрически подключен (соединение 584) к концу 5442 дорожки 544 узловой сборки 54. Второй конец 5624 дорожки 562 обращен (не будучи присоединенным) ко второму концу 5644 дорожки 564 узловой сборки 56. Первый конец 5642 дорожки 564 заканчивает обмотку посредством соединения со вторым выводом 43 антенны.

На стороне второй поверхности идентичная картина повторяется со вторыми дорожками 526, 528, 546, 548, 566 и 568 узловых сборок 52, 54 и 56. Однако первые соответствующие выводы 5262, 5462, 5662, 5282, 5482 и 5682 дорожек 526, 546, 566, 528, 548 и 568 остаются отключенными.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг.5, вторые соответствующие концы 5224, 5424 и 5624 дорожек 522, 542 и 562 первой обмотки 42 подключены (например, перемычками, соответственно, 523, 543 и 563) ко вторым соответствующим концам 5284, 5484 и 5684 дорожек 528, 548 и 568 соответствующей узловой сборки, сформированной во второй обмотке 44. Вторые соответствующие концы 5244, 5444 и 5644 дорожек 524, 544 и 564 первой обмотки 42 подключены ко вторым соответствующим концам 5264, 5464 и 5664 дорожек 526, 546 и 566 соответствующей узловой сборки, сформированной во второй обмотке 44.

Как вариант, соединения 582 и 584 находятся на обмотке 44 (соответственно, соединяя концы 5462 и 5282 и концы 5662 и 5482), и вторые концы 5422, 5622, 5242 и 5442 дорожек 542, 524, 562 и 544 остаются отключенными. В этом варианте выводы антенны соответствуют концам 5262 и 5682 дорожек 526 и 568.

Обе поверхности покрыты изолирующим лаком 482, 484 (фиг.6), после размещения на них электронной схемы (микросхемы 22), возможно, с размещением между ними согласующей цепи 5. Затем сборку можно устанавливать (например, приклеивать) на внешней поверхности трубы 3. Наконец, на сборку помещается изолирующая пленка 49.

Можно считать, что каждая узловая сборка 52, 54, 56 резонансных дорожек представляет соединение мебиусова типа между двумя линейными секциями (см., например, статью P. H. Duncan "Analysis of the Moebius Loop Magnetic Field Sensor", опубликованную в IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, май 1974, где описано соединение мебиусова типа с двумя коаксиальными линейными секциями). В этом случае разные резонансные узловые сборки геометрически располагаются, стыкуясь своими концами, в форме инволюты, причем электрическое соединение между двумя соседними узловыми сборками предпочтительно осуществлять в единичном проводящем уровне. Не существует электрической непрерывности через одну и ту же узловую сборку между двумя электрическими соединениями, которые соединяют эту узловую сборку с соседними узловыми сборками или с выводами 41, 43 антенны 4.

На фиг.7 показан вид в разрезе одной из узловых сборок (например, резонансной узловой сборки 54), показанных на фиг.5, в развернутом представлении.

Фиг.7A демонстрирует эквивалентную электрическую схему узловой сборки 54, показанной на фиг.7.

Каждая первая дорожка 542 или 544, сформированная в первом проводящем уровне или обмотке, подключена, своим вторым концом и соединением 543, соответственно 545, ко второй дорожке 548 или 546 вертикально над другой первой дорожкой в другом уровне или обмотке (перекрестное соединение). Первые концы дорожек 542 и 544 образуют выводы доступа к узловой сборке, соответственно, подключенные к выводам доступа соседних узловых сборок 52 и 56. Первые концы дорожек 546 и 548 остаются отключенными.

С электрической точки зрения и согласно фиг.7A, эквивалентная электрическая схема такой узловой сборки обеспечивает последовательное электрическое соединение индуктивности величиной L54 и конденсатора величиной C54. Индуктивность L54 представляет индуктивность единой проводящей дорожки, эквивалентной совокупности проводящих дорожек узловой сборки 54, плюс взаимные индуктивности между этой эквивалентной дорожкой и эквивалентными дорожками, связанными таким же образом с другими узловыми сборками. Конденсатор C54 представляет собой емкость, формируемую дорожками узловой сборки 54 между дорожками 542 и 544 первого уровня и дорожками 546 и 548 второго уровня (с учетом диэлектрической проницаемости изолирующей подложки 46). Разные резонансные контуры последовательно электрически соединены для формирования антенны.

Импеданс резонансной узловой сборки 54 в этом варианте осуществления (пренебрегая омическими потерями в проводящих дорожках и диэлектрическими потерями) выражается в виде Z=jL54ω+1/jC54ω.

На фиг.8 показан вид в разрезе узловой сборки согласно второму варианту осуществления.

Согласно этому второму варианту осуществления, вторые соответствующие концы дорожек 542 и 544 первой обмотки остаются отключенными (несоединенными), и вторые соответствующие концы дорожек 546 и 548 второй обмотки той же узловой сборки соединены между собой (соединение 57). В остальном нет никакого отличия от первого варианта осуществления.

С электрической точки зрения и согласно фиг.8A, предполагая, что дорожки в двух вариантах осуществления имеют одинаковую длину, вариант осуществления, представленный на фиг.8 и 8A, предусматривает последовательное соединение индуктивного элемента номиналом L54 с емкостным элементом номиналом C54/4, где L54 и C54 представляют индуктивности и емкости узловой сборки 54, заданные в связи с фиг.7A.

Импеданс пары секций в этом варианте осуществления (пренебрегая омическими потерями в проводящих дорожках и диэлектрическими потерями) выражается в виде Z=jL54ω+1/j(C54/4)ω.

Этот вариант осуществления предусматривает уменьшение эквивалентной емкости, но устраняет соединительные перемычки в каждой узловой сборке.

Два вышеописанных варианта осуществления можно объединить.

Конкретная обеспеченная антенная структура позволяет, для данной настройки частоты, формировать индуктивные узловые сборки малого значения, и, таким образом, связанные с емкостями высоких значений (и, таким образом, нечувствительные к изменению паразитных емкостей, чувствительных к влажной среде).

Таким образом, преимущество выбранной толщины диэлектрика состоит в том, что она позволяет формировать заметную емкость (более 150 пФ).

Тогда длины будут адаптироваться к рабочей частоте антенны, благодаря чему каждая узловая сборка соблюдает настройку, то есть LCω²=1 (L54C54ω² для узловой сборки 54 согласно варианту осуществления, представленному на фиг.7A, и L54C54/4ω² для узловой сборки 54 согласно варианту осуществления, представленному на фиг.8A).

Можно использовать приблизительное правило установки размера антенны. С этой целью единичная индуктивность L0 считается равной индуктивности обмотки, эквивалентной двум параллельно соединенным обмоткам 42 и 44, деленной на квадрат количества витков (суммарного количества витков обмоток 42 и 44). Общая емкость C0 также считается равной полной емкости, содержащейся между дорожками первого уровня и дорожками второго уровня, с учетом диэлектрической проницаемости изолирующей подложки 46. Если n резонансных узловых сборок равномерно распределены в расчете на виток обмотки, приблизительное правило, которому нужно следовать, выражается в виде L0C0(ω/n)²=1 в первом варианте осуществления (фиг.7) и L0(C0/4)(ω/n)²=1 во втором варианте осуществления (фиг.8). В случае, когда резонансные узловые сборки образуют более одного витка, учитывается количество витков. Например, для более двух витков будет выбрано n=1/2.

Эквивалентный импеданс антенны 4 можно получить из последовательного соединения импедансов Z каждой узловой сборки. Напряжение, снимаемое антенной 4, при размещении в магнитном поле, можно вычислить согласно нагрузке, подключенной к антенне, с учетом того, что источник напряжения подключен последовательно с ее эквивалентным импедансом. Значение этого источника напряжения соответствует электродвижущей силе, которая будет индуцироваться радиочастотным магнитным полем в обмотке, эквивалентной параллельно соединенным обмоткам 42 и 44.

Можно видеть, что длины проводящих элементов и величины емкости можно таким образом изменять согласно распределению узловых сборок одного или другого из вариантов осуществления. Значения емкостных элементов уже не являются пренебрежимо малыми, и антенна менее чувствительна к возмущениям, обусловленным влиянием среды.

Такой подход к формированию антенны также позволяет разделять электрическую цепь и не позволяет индуктивным элементам иметь слишком большую длину, препятствующую однородной (по амплитуде и фазе) циркуляции тока. На самом деле соединение пар между собой эквивалентно последовательному соединению нескольких резонансных контуров с одинаковой резонансной частотой. Чем ниже значения индуктивностей цепи, тем меньше будет дрейф тока под влиянием паразитной емкости.

Разные узловые сборки не обязательно имеют одинаковую длину, обеспеченную для каждой узловой сборки для соблюдения резонансного соотношения, возможно, с размещением между ними конденсатора.

Конденсаторы можно размещать между разными узловыми сборками. Однако, во избежание негативного влияния толщины, предпочтительно варьировать толщину подложки 46.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг.5, используемые значения толщины предпочтительно имеют следующие порядки величины:

подложка 46: менее 200 мкм;

проводящие слои для формирования обмоток 42 и 44: менее 50 мкм, например 35 мкм;

лак 482 и 484: порядка нескольких десятков мкм;

пленка 49: максимум несколько сотен мкм, предпочтительно менее 100 мкм.

Такие значения толщины могут изменяться, но можно видеть, что сформированный приемоответчик является особенно тонким (толщиной менее 1 мм в предпочтительном варианте осуществления) и в то же время не чувствителен к изменениям паразитных емкостей вследствие присутствия влажной среды.

Согласно конкретному варианту осуществления, антенна, подобная представленной на фиг.5 и адаптированная для работы на частоте 13,56 МГц, была сформирована на подложке толщиной 100 мкм с емкостью 42,5 пФ/см², в форме пяти прямоугольных петель на каждой поверхности подложки со следующими характеристиками (пренебрегая изменениями длины между узловыми сборками):

размер петли: приблизительно 210 мм на 50 мм;

ширина медных дорожек, размещенных на подложке (1,82 мм);

индуктивность L0=300 нГн;

емкость C0=1,850 пФ, то есть C54=185 пФ в первом варианте осуществления и C54=370 пФ (C54/4=93 пФ) во втором варианте осуществления.

Практическое формирование антенны и, таким образом, приемоответчика не выходит за пределы возможностей специалистов в данной области техники, основанные на функциональных указаниях, обеспеченных выше, и использовании современных технических средств производства при изготовлении интегральных схем на тонкой гибкой опоре. В частности, формирование соединений между уровнями согласно варианту осуществления, представленному на фиг.5 и 7, может требовать смещения соответствующих концов дорожек в каждой из обмоток.

Фиг.9 иллюстрирует другой пример применения антенны, адаптированной к влажным средам. Согласно этому примеру, электронная метка 2', содержащая такую антенну 4, размещается на упаковке свежего продукта (упаковки могут содержать разные свежие продукты, отличающиеся содержанием воды, могут быть замороженными или не замороженными, упакованные таким образом продукты могут быть уложены в штабель или нет, могут быть разложены по порядку или свалены в кучу).

Преимущество описанных структур состоит в их совместимости в отношении приема магнитного потока (и излучения магнитного поля, с учетом тока, циркулирующего по антенне) с помощью обмоток, имеющих большое количество витков, предпочтительно, от 5 до 15 витков.

Фиг.10 является упрощенным представлением антенны согласно другому варианту осуществления. Как и в предыдущих вариантах осуществления, антенна содержит по меньшей мере две узловые сборки 50, каждая из которых сформирована из двух пар 500 дорожек, соединенных друг с другом посредством соединения 57 или посредством соединений 543 и 545. Эта структура завершается узловой полусборкой 500, сформированной из дополнительной пары дорожек. Узловая полусборка может располагаться между двумя узловыми сборками, а не находиться на конце антенны. Присутствие дополнительной узловой полусборки можно использовать для регулировки длины антенны, для переноса концевых выводов антенны на одну и ту же поверхность подложки, и т.д.

Согласно конкретным вариантам осуществления, индуктивные антенны, отвечающие описанной структуре, были сформированы со следующими размерами.

Пример 1

Подложка: материал, известный под торговым наименованием Kapton толщиной 50 мкм (ε_r=3,3).

Обмотка: прямоугольная спираль из 5 прямоугольных петель, соответственно 47,5*212 мм, 50,5*215 мм, 53,5*218 мм, 56,5*221 мм, и 59,5*224 мм.

Ширина проводящих дорожек: 1,07 мм.

Прерывания дорожек: две пары дорожек на петлю (прерывания в середине каждой малой стороны каждой петли и серединах узловых сборок в середине больших сторон).

Тип узловых сборок: перекрестное соединение типа соединений 543 и 545, то есть один конец каждой первой дорожки электрически подключен к одному концу второй дорожки рассматриваемой узловой сборки. Всего существует десять узловых сборок.

Пример 2

Подложка: материал, известный под торговым наименованием Kapton толщиной 50 мкм (ε_r=3,3).

Обмотка: прямоугольная спираль из 6 прямоугольных петель, соответственно 47*211,75 мм, 49,5*214,25 мм, 52*216,75 мм, 54,5*219,25 мм, 57*221,75 мм, и 59,5*224,25 мм.

Ширина проводящих дорожек: 0,89 мм.

Прерывания дорожек: одна пара дорожек на петлю (прерывания в середине каждой малой стороны каждой петли и серединах узловых сборок в середине другой малой стороны).

Тип узловых сборок: прямое соединение на поверхности типа соединений 57, то есть один конец каждой первой дорожки не подключен, вторые дорожки каждой узловой сборки соединены друг с другом. Всего существует шесть узловых сборок.

Пример 3

Подложка: материал, известный под торговым наименованием FR4 толщиной 100 мкм (ε_r=4,8).

Обмотка: прямоугольная спираль из 6 прямоугольных петель, соответственно 20*100 мм, 18*98 мм, 16*96 мм, 14*94 мм, 12*92 мм, и 10*90 мм.

Ширина проводящих дорожек: 0,66 мм.

Прерывания дорожек: одна пара дорожек на партию из двух петель (прерывания и середины узловых сборок в середине одной и той же малой стороны каждой петли).

Тип узловых сборок: перекрестное соединение от одной поверхности к другой.

Можно представить себе другие применения такой антенны и такого приемоответчика. Например, один или несколько датчиков физических переменных, например, давления, температуры, влажности и т.д., можно подключить к электронной схеме приемоответчика, причем данные, представляющие эти переменные, передаются на удаленное считывающее устройство посредством антенны.

Замкнутая антенна, описанная в документе WO 2008/083719, может соответствовать, самое большее, одной из узловых сборок описанной индуктивной антенны.

Были описаны различные варианты осуществления, и специалисты в данной области техники могут предложить различные изменения и модификации. В частности, размеры, приданные проводящим дорожкам, зависят от применения, и их вычисление не выходит за пределы возможностей специалистов в данной области техники, основанные на функциональных указаниях, заданных выше, и от резонансной частоты и от желаемого размера антенны.

Изобретение относится к высокочастотным индуктивным антеннам. Заявленная антенна содержит первую плоскую проводящую обмотку на первой поверхности подложки, причем упомянутая первая обмотка разрезана с регулярными интервалами для формирования последовательности пар первых проводников; и вторую плоскую проводящую обмотку на второй поверхности подложки, причем упомянутая вторая обмотка предусмотрена напротив первой обмотки и разрезана в направлении, вертикально перпендикулярном направлению разрезов первой обмотки для формирования последовательности пар вторых проводников. Каждая пара первых проводников образует резонансную узловую сборку с парой вторых проводников, противоположных им, причем каждый из двух первых проводников одной узловой сборки электрически подключен к другому первому проводнику другой узловой сборки или к выводу антенны, вторые проводники соседних пар электрически не соединены друг с другом, и один конец каждого первого проводника либо электрически подключен к одному концу второго проводника рассматриваемой узловой сборки, либо не подключен к нему. Техническим результатом является обеспечение индуктивной антенны, хорошо адаптированной к использованию во влажных средах, без необходимости в дополнительном изоляторе. 11 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Индуктивная антенна, содержащая:
изолирующую подложку (46),
первую плоскую проводящую обмотку (42) на первой поверхности подложки, прерывающуюся с регулярными интервалами для формирования последовательности пар первых проводящих дорожек (522, 524; 542, 544; 562, 564),
вторую плоскую проводящую обмотку (44) на второй поверхности подложки, обращенную к первой обмотке, причем прерывания во второй обмотке обращены к прерываниям в первой обмотке для формирования последовательности пар вторых проводящих дорожек (526, 528; 546, 548; 566, 568),
причем каждая пара первых дорожек образует, совместно с обращенной к ней парой вторых дорожек, резонансную узловую сборку (52, 54, 56),
причем две первые дорожки одной и той же узловой сборки не соединены друг с другом, и каждая из них электрически подключена к одной и только одной другой первой дорожке только одной другой узловой сборки или к выводу (41, 43) антенны,
вторые дорожки соседних пар двух соседних узловых сборок электрически не соединены друг с другом, и
один конец (5224, 5244, 5424, 5444, 5624, 5644) каждой первой дорожки:
электрически подключен (523, 543, 563, 525, 545, 565) к одному концу (5284, 5264, 5484, 5464, 5684, 5664) второй дорожки рассматриваемой узловой сборки, или
не подключен, при этом вторые дорожки рассматриваемой узловой сборки электрически соединены друг с другом (57).

2. Антенна по п.1, в которой подложка (56) является гибкой.

3. Антенна по любому из предыдущих пунктов, имеющая толщину менее 1 миллиметра.

4. Антенна по п.1, содержащая по меньшей мере две узловые сборки.

5. Антенна по п.1, дополнительно содержащая узловую полусборку, сформированную из первой дорожки, противоположной второй дорожке и подключенной к по меньшей мере одной узловой сборке.

6. Резонатор, содержащий антенну (4) по любому из предыдущих пунктов, имеющую соединенные друг с другом выводы (41, 43).

7. Электронная метка, адаптированная к влажным средам, содержащая электронную схему, подключенную к антенне (4), при этом антенна представляет собой антенну по любому из пп.1-5.

8. Электронная метка по п.7, в которой согласующая цепь (5), содержащая по меньшей мере один индуктивный элемент (L2') и один емкостной элемент (C2), установлена между антенной и электронной схемой.

9. Канал (3), содержащий по меньшей мере одну электронную метку (2') по п.7 или 8.

10. Упаковка (9), содержащая по меньшей мере одну электронную метку (2') по п.7 или 8.

11. Электромагнитный приемоответчик, содержащий метку по п.7 или 8 и датчик, подключенный к электронной схеме.

12. Применение метки по п.7 или 8 в грунте.

13. Канал (3), содержащий по меньшей мере один резонатор (4) по п.6.

14. Упаковка (9), содержащая по меньшей мере один резонатор (4) по п.6.

15. Электромагнитный приемоответчик, содержащий по меньшей мере один резонатор (4) по п.6 и датчик, подключенный к электронной схеме.

16. Применение резонатора по п.6 в грунте.