ШЛИЦЕВАЯ АНТЕННА И СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТОТЫ РАДИОВОЛН (RFID)
SPLINED ANTENNA AND RADIO WAVE FREQUENCY IDENTIFICATION METHOD (RFID)

Представленное изобретение относится в одном аспекте к шлицевой антенне, в особенности передающей антенне для идентификации частоты радиоволн, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
С другой точки зрения изобретение относится к методу идентификации частоты радиоволн.
Шлицевая антенна данного типа имеет минимум одну контурную пластину с множеством прорезей и минимум одну схему управления для возбуждения контурной пластины антенны с целью передачи и/или приема электромагнитного излучения.
Технологии дистанционной идентификации объектов и людей посредством радиоволн (Radio Frequency Identification, RFID) используются во множестве различных областей.
Технологии идентификации частоты радиоволн находят применение, например, в военной области, в пропускных системах, в библиотеках и, в особенности, в области промышленных технологий и автоматизации.
В промышленной среде возникает все больше трудностей в связи с ростом числа электрических и электронных приборов, размещаемых в очень ограниченном пространстве. В целом, при этом возникает задача свести к минимуму, а по возможности и вообще исключить воздействие таких приборов друг на друга. Это подразумевает, в частности, использование всех имеющихся в распоряжении частотных диапазонов, например, путем перехода на волны меньшей длины.
Далее известно о применении для коротких волн шлицевых антенн. Например, шлицевые антенны известны из документов WO 2004/062035, ЕР 1 602 148, ЕР 1 158 606, а также US-5596336.
Трудности возникают, например, в связи со всевозрастающей сложностью процессов производства, например при трехкоординатном производстве. Кроме того, например, при заключительных проверках внедряются новые операции, которые также включают в себя процесс радиочастотной идентификации.
Поскольку системы радиочастотной идентификации подвергаются различным помехам и влияниям, например, от микроволновых печей, устройств стандарта Bluetooth или беспроводных локальных вычислительных сетей, может происходить нежелательное прерывание связи между считывающим устройством (reader) и носителем данных. Это имеет особое значение потому, что в будущем число источников помех скорее еще больше возрастет, чем уменьшится.
При этом заданные размеры корпусов уже резко ограничивают число интегрируемых антенн. Если от большинства известных систем все-таки требуется минимальная чувствительность, то коэффициент усиления антенн должен быть идентичным, что представляется бесперспективным при использовании уже известных антенн.
Другие типы антенн, не шлицевые, не известны или исключаются уже из-за того, что для них потребуется больше места.
Задача изобретения состоит в создании шлицевой антенны, в особенности для использования с целью идентификации частоты радиоволн, которая допускала бы многообразное применение и к тому же была бы очень компактной. Кроме того, требуется указать способ идентификации частоты радиоволн, который позволил бы расширить функциональные возможности.
Эта задача решается с первой точки зрения шлицевой антенной с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Во втором аспекте изобретения задача решается способом с признаками пункта 12 формулы изобретения.
Предпочтительные примеры выполнения соответствующей изобретению шлицевой антенны и преимущественные варианты соответствующего изобретению способа являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Усовершенствование согласно изобретению шлицевой антенны вышеназванного вида заключается в том, что, по крайней мере, в один из шлицев антенны, в особенности с обратной стороны контурной пластины антенны, вставлена печатная плата со схемой управления.
При соответствующем изобретению способе используется соответствующая изобретению шлицевая антенна, и путем варьирования фазового положения схем управления целенаправленно изменяется направление излучения.
Схема управления может включать в себя компоненты системы питания для ввода необходимого управляющего воздействия или питающей мощности. Так, например, питающий контур с подходящими задающими устройствами и схемами согласования может быть частью схемы привода. Поскольку шлицевая антенна используется и для приема электромагнитного излучения, схема привода может содержать также схему приемного устройства или ее части.
Основной идеей изобретения может считаться механическое использование имеющихся шлицев антенны для размещения или крепления печатных плат, на которых помещены необходимые схемы управления антенной.
Первым существенным преимуществом изобретения может считаться создание очень компактного, то есть занимающего очень мало места, устройства.
Другое существенное преимущество изобретения состоит в том, что диэлектрические свойства материала, из которого изготовлены печатные платы, эффективно влияют на уменьшение шлицев антенн, а тем самым и на сокращение длины волн.
Основной идеей соответствующего изобретению способа может считаться то, что в отличие от известных способов идентификации частоты радиоволн направление излучения передающего или считывающего устройства целенаправленно изменяется путем варьирования разности фаз отдельных схем управления.
В целесообразных вариантах соответствующей изобретению антенны в контурной пластине антенны имеется множество размещенных попарно шлицев. Особенно предпочтительным при этом является наличие двух пар расположенных поперечно друг другу, в особенности перпендикулярно друг другу, шлицев, поскольку в этом случае поляризация излучения может целенаправленно варьироваться путем надлежащей настройки шлицев. При надлежащем положении фаз настройки шлицев такая антенна может испускать также и циркулярно поляризованное излучение, что значительно расширяет функциональные возможности соответствующей изобретению антенны и соответствующего изобретению способа.
В принципе, уже может быть достаточно простой плащевой антенны с двумя коллинеарными шлицами. Такая антенна при надлежащей настройке испускает так называемое магнитное излучение диполя.
Предпочтительными являются примеры выполнения, в которых на контурной пластине антенны размещаются несколько пар шлицев. Так, например, контурная пластина антенны может иметь прямоугольную конфигурацию четырех шлицев или крестообразную конфигурацию также четырех шлицев.
В особо предпочтительном варианте внутри прямоугольной конфигурации четырех шлицев антенны расположена крестообразная конфигурация также четырех шлицев антенны. Здесь шлицы антенны могут рассматриваться как вложенные друг в друга. При этом ориентация крестообразно расположенных шлицев антенны может быть целесообразно размещена таким образом, чтобы шлицы антенны располагались, по существу, на диагоналях прямоугольной конфигурации. Такая конфигурация шлицев позволяет сделать конструкцию особенно компактной.
При этом у каждой схемы управления целесообразно имеется электронное фазосдвигающее устройство для определенной настройки фазового положения управляющего сигнала.
Вышеназванная особо предпочтительная антенная решетка с прямоугольной конфигурацией и расположенной внутри нее крестообразной конфигурацией шлицев антенны состоит соответственно из множества шлицевых излучателей, каждый из которых настраивается посредством фазосдвигающего устройства с электронным управлением. Питание или приведение в действие отдельных шлицев антенны происходит через расположенную перпендикулярно или поперечно печатную плату. Эта печатная плата включает в себя зону питания шлицевого излучателя, согласующий четырехполюсник, фазосдвигающее устройство, фильтр, переключение поляризации и подобающий интерфейс управления. Данный вариант осуществления изобретения отличается особенно большими функциональными возможностями, поскольку благодаря расположенным опрокинутыми относительно друг друга шлицам антенны достигается избыточность системы. Это означает, что даже при утрате отдельными элементами излучателей своей функции не происходит полного отказа системы, и такая утрата функции может быть, во всяком случае, частично восполнена посредством подобающих компенсационных мер.
В принципе, необходимая мощность схем управления может быть в виде излучения введена в контурную пластину антенны. Однако, учитывая необходимость экономии места, печатные платы, находящиеся около того или иного шлица антенны, предпочтительно гальванически соединяются с контурной пластиной антенны, то есть в простейшем случае путем токопроводящего соединения.
В принципе, отдельные шлицы антенны могут оставаться свободными, если там, возможно по соображениям экономии места, не может быть размещена печатная плата или, если это нежелательно, по причинам электроснабжения. Однако конструкция упрощается, если в каждый шлиц антенны вставлена печатная плата со схемой управления.
Дальнейшее упрощение достигается в том случае, если во все шлицы антенны вставлены одинаковые печатные платы. Применение одинаковых печатных плат с идентичными схемами управления позволяет экономить значительное количество материала. Кроме того, возникают существенные преимущества с точки зрения управления складским хозяйством, и открываются возможности ощутимой экономии затрат.
Принципиально диэлектрические свойства материала, из которого изготовлены печатные платы, оказывают особенно большое влияние на излучение антенны в том случае, когда шлицы антенны в значительной мере заполнены печатными платами. Например, у печатной платы может иметься язычок, который точно входит в соответствующий шлиц антенны.
Кроме того, вышеназванный эффект проявляется тем сильнее, чем выше относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлены печатные платы. Поэтому для обеспечения необходимой миниатюризации могут принципиально применяться и специальные диэлектрические материалы. Однако сравнительно высокая стоимость ограничивает применение таких материалов.
Соответствующая изобретению конструкция, в которой печатные платы вставлены в шлицы антенны, представляется особенно экономичной потому, что основание печатной платы, по существу, эффективно концентрируется в области шлица.
Влияние диэлектрических свойств материала, из которого сделаны печатные платы, может быть усилено, если минимум одна печатная плата будет немного выступать за передающую сторону контурной пластины антенны. И, наконец, действие вставленных печатных плат может быть усилено еще больше, если выступающие части печатных плат будут структурированы металлом. Особенно просто сформировать, например, металлическую структуру, которая образуется на выступающих частях печатной платы проходящими поперечно контурной пластине антенны отрезками проводящей полоски.
На проводящих платах в области шлица антенны целесообразно имеется замкнутый контакт со шлицевым излучателем.
Другой важный аспект соответствующей изобретению шлицевой антенны может в этой связи усматриваться в том, что место, в котором питающая и управляющая мощность вводится в контурную пластину антенны, определено особенно хорошо. По сравнению со шлицевыми антеннами из уровня техники, в которых, например, коаксиальные кабели припаиваются, это является важным преимуществом. Например, контактирование контурной пластины антенны и печатной платы может происходить на печатной плате через область проводящей полоски, все более сужающейся в направлении контурной пластины антенны. В этом случае место непосредственного контакта определяется очень точно.
Соответственно, питание шлица может происходить прецизионно и в особенности воспроизводимо. Учитывая требования серийного производства, это является важным преимуществом. Здесь в особенности имеется полная свобода в выборе точек питания, что обеспечивает дополнительную степень свободы, которая может целенаправленно использоваться и варьироваться.
В дальнейшем предпочтительном варианте выполнения соответствующей изобретению антенны печатные платы вставлены с противоположной контурной пластине стороны в стабилизирующую пластину. Эта стабилизирующая пластина со своей стороны может быть питающей платой и иметь другие электрические и электронные компоненты.
Дальнейшие преимущества и признаки соответствующей изобретению шлицевой антенны и соответствующего изобретению способа будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи. Здесь показано:
на Фиг.1 - вариант выполнения соответствующей изобретению шлицевой антенны;
на Фиг.2 - вид контурной пластины антенны из Фиг.1;
на Фиг.3 - местный вид антенны из Фиг.1;
на Фиг.4 - наглядное представление соответствующего изобретению способа.
Вариант выполнения соответствующей изобретению антенны 10 описывается со ссылкой на фигуры 1-3. Соответствующие друг другу компоненты снабжены там одними и теми же ссылочными обозначениями.
Соответствующая изобретению антенна 10 имеет в качестве существенных компонентов контурную пластину антенны 20, множество печатных плат 50 с размещенными на них схемами управления 40, а также стабилизирующую пластину 60, которая также может иметь электронные компоненты.
Показанная на Фиг.2 контурная пластина антенны 20 имеет две расположенные ортогонально друг другу антенные системы. Первая антенная система состоит из прямоугольной конфигурации четырех шлицев антенны 31, а вторая шлицевая система состоит из четырех крестообразно расположенных шлицев антенны 32. Крестообразно расположенные шлицы 32 антенны находятся внутри образованного шлицами 31 прямоугольника, по существу, на его диагоналях.
Итак, системы шлицев находятся друг в друге и таким образом сокращают потребность в занимаемой площади. Проблема управления или питания шлицев антенны решается согласно изобретению посредством вставленных в антенные шлицы 31,32 печатных плат 50.
Как показано на Фиг.3, вставленная с обратной стороны 22 в контурную пластину антенны 20 печатная плата 50 может немного выступать с передающей стороны 24 контурной пластины антенны 20. Благодаря этому усиливается действие диэлектрических свойств материала, из которого изготовлена печатная плата.
Кроме того, выступающая часть 54 печатной платы 50, что также схематически показано на Фиг.3, может иметь сформированную металлическую структуру 52, которая вызывает концентрацию поля в шлице антенны 30 и таким образом позволяет обеспечить миниатюризацию. В показанном на Фиг.3 примере сформированная металлическая структура 52 состоит из проходящих поперечно контурной пластине антенны 20 отрезков проводящей полоски.
Благодаря показанной на Фиг.1 конструкции достигается множество преимуществ. Так, при помощи детально представленной на Фиг.3 технике конструирования даже расположенные очень близко друг к другу антенные шлицы 31, 32 могут настраиваться посредством плат управления 50, которые имеют также и электронные схемы 40.
Особенно предпочтительно, что все антенные шлицы 31, 32 имеют идентичные размеры так, что возможно применение единых питающих сетей или, в более общем плане, печатных плат 50 со схемами управления 40.
Если в качестве материала основания для печатных плат 50 применяются материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, это способствует более высокой концентрации поля в шлицах и, тем самым, миниатюризации. Таким образом, может быть уменьшена длина шлицев.
Одновременно благодаря этому становится возможным уменьшение печатных плат 50 со схемами управления 40. На противоположной контурной пластине антенны 20 стороне размещена стабилизирующая пластина 60, которая также может представлять собой печатную плату с дальнейшими электрическими и/или электронными компонентами.
Показанная на Фиг.1 конструкция с обратной стабилизирующей пластиной 60 при очень компактной конструкции в целом отличается великолепной механической стабильностью. На расположенных на листовых заготовках или штампованных деталях печатных поперечно ориентированных платах 50 со схемами управления 40 могут базироваться пассивные или активные структурные элементы.
Одновременно эти схемы управления 40 служат для питания и соединения антенн путем гальванической связи, а в простейшем случае - при помощи простого токопроводящего соединения. По сравнению со связанными посредством излучения шлицевыми антеннами в данном случае требуется меньше места.
Особенно благоприятно, кроме того, когда схемы управления 40 имеют электронные фазосдвигающие устройства, поскольку в этом случае лепесток излучения и/или характеристика направленности антенны могут целенаправленно изменяться соответствующим изобретению способом.
Это будет более подробно рассмотрено со ссылкой на Фиг.4. Там изображено считывающее устройство радиочастотной идентификации 80, имеющее соответствующую изобретению шлицевую антенну показанного на Фиг.3 вида. Ссылочными обозначениями 13, 14, 15 указаны отдельные метки радиочастотной идентификации в различных местоположениях. При нормально направленном луче, обозначенном ссылкой 11, срабатывает метка 13, в то время как при отклоненных направлениях лучей 12, 16 срабатывают метки 14 или 15. При этом изменение характеристики направленности соответствующей изобретению антенны происходит путем целенаправленной настройки фазосдвигающего устройства в схемах управления 40 соответствующих антенных шлицев 31, 32.
Благодаря этому открываются новые возможности применения. Например, при помощи соответствующей изобретению антенны может отслеживаться отдельная метка. Кроме того, можно целенаправленно определять и выбирать отдельные метки. Возможна одновременная локация посредством нескольких считывающих устройств. Далее, ввиду хорошо определенной характеристики направленности антенны могут целенаправленно подавляться определенные области пространственных углов. Это служит упомянутому выше подавлению помех.
Несколько считывающих устройств могут быть объединены в единую систему, и созданы считывающие устройства с высокой остротой направленности и большой дальностью действия. А они благодаря потенциальной возможности большего раскрыва антенны имеют более высокую разрешающую способность при локации. Это позволяет распознавать объекты как вблизи, так и вдали.
Таким образом, посредством данного изобретения представляется миниатюризируемая система шлицевых антенн, в особенности для применения в считывающих устройствах радиочастотной идентификации. Такие считывающие устройства работают особо предпочтительно в микроволновом диапазоне, например, при 2,5 ГГц.
Одна из основных идей соответствующего изобретению способа заключается в целенаправленном изменении характеристики направленности антенны. Внедрение соответствующих изобретению шлицевых антенн дает мощную и компактную систему антенн, которая, кроме того, позволяет экономить затраты и является особенно выгодной с точки зрения технологии сборки и соединений. Под компактностью антенны понимаются, прежде всего, ее уменьшенные размеры. По сравнению с представленными на рынке системами, которые значительно больше описанных здесь шлицевых антенн, последние дают значительное преимущество. Благодаря возможности изменения направления излучения, то есть электрически изменяемой характеристике направленности конструкции антенны, может быть повышена концентрация считывающих устройств, и при этом считывающие устройства не будут создавать друг другу помехи в работе.
Они также позволяют ослаблять потенциальное возмущающее воздействие, например, микроволновых печей. Далее, может уравновешиваться и компенсироваться причинение физического вреда непосредственным окружением и теми или иными существующими граничными условиями. Исходя из этого также возникает возможность слежения за носителем данных.
Преимущество состоит и в том то, что путем смены частоты или «скачкообразной перестройки частоты», и/или качания диаграммы направленности антенны удается элиминировать неизбежные при распространении радиоволн нулевые точки по причине стоячих волн. Для регулирования дальности действия может целесообразно производиться регулирование излученной мощности передатчика, а также варьирование чувствительности прибора при помощи малошумящих предварительных усилителей.
В связи с этим соответствующая изобретению шлицевая антенна преимущественным образом позволяет создать так называемые антенны с фазированными решетками. Такие антенны дают возможность очень быстрого изменения направления излучения и, кроме того, очень гибкой настройки характеристик антенны.
Изобретение может найти применение наряду со считывающими устройствами, носителями данных, общей радиосвязью, приемниками сигналов РЛС и системами радиолокации также и в области контроля доступа в здания.
Таким образом, изобретение дает в целом компактную «умную» систему антенн с возможностью переключения поляризации и качания диаграммы направленности антенны.