CN107851891A - 具有天线的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电气设备，包括具有铁氧体芯(24)的变压器(22)和RF天线(14)。天线(14)与所述变压器(22)电气隔离，并且天线(14)的几何尺寸具有沿着或围绕RF天线的表面(即，在天线的平面内或者围绕限定天线的弯曲表面)的最大尺寸，并且RF天线(14)与铁氧体芯(24)的最近部分在空间上隔开的距离小于最大尺寸。这种设计利用变压器的铁氧体芯来提供天线与设备的其他部件的隔离。这有助于减小设备的那些部件对天线的性能的影响，特别是对接收范围的影响。

Description

具有天线的设备
技术领域
本发明涉及包含天线的电气设备，并且特别地涉及也使用变压器的设备。
背景技术
许多不同类型的设备都配有射频(RF)天线，以使得能够与设备无线远程通信，以例如用于设备的配置或用于设备的远程控制。例如，近场通信(NFC)使得能够与利用远程通信设备的设备无线地和以无接触的方式进行通信。
越来越多地提供有无线通信接口的设备类型的一个示例是灯具或其他照明装置。无线通信可以用来控制光输出。
嵌入到LED灯具或模块中的近场通信(NFC)系统例如使得能够轻松地配置和重新配置光输出。这例如通过将NFC标签集成电路(IC)以及它的相关联的天线添加到照明产品来实施。IC具有与产品的嵌入式主控制单元的有线内置连接，使得主控制单元可以访问通过远程NFC应答器写入标签IC的指令。
US 20030146803 A1公开了一种将RF电源耦合到RF天线的匹配网络。RF电源连接到变压器的初级侧，并且天线电连接在变压器的次级侧。
通常，金属壳体和/或散热器是电气模块的一部分。NFC标签然后与模块内部的印刷电路板(PCB)集成。由于这些周围的金属部件，例如由具体NFC读取器的天线的最大读取距离所指示的天线性能将受到严重影响。
维持较大读取距离的一种常用方法是提供铁氧体材料，诸如铁氧体片，以将天线与周围的金属部件隔离。但是，使用额外的铁氧体片导致材料成本的增加。US 20070273600A1公开了一种结构，其中磁性构件被插入并且布置在天线元件与印刷电路板之间，并且磁性构件用于展示天线元件与印刷电路板的接地面之间的高度隔离效果，由此增强了天线辐射特性。US 20070273600 A1进一步公开了一种磁性层，该磁性层可以用作100MHz或者1GHz或以上的高频域中所使用的高频磁组件中(诸如，天线基板、变压器磁芯、磁头芯、电感器、扼流线圈、滤波器“或”波吸收器)的优异部件。
发明内容
期望使得能够维持设备内的天线性能而不需要附加的屏蔽组件。
本发明由权利要求限定。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种电气设备，包括：
具有铁氧体芯的变压器；以及
RF天线，
其中所述RF天线与所述变压器电隔离，并且RF天线沿着天线的表面的几何尺寸具有最大尺寸，并且天线与铁氧体芯的最近部分在空间上隔开的距离小于最大尺寸。
本发明利用变压器的铁氧体芯来提供天线与设备的其他部件的隔离。这有助于减少设备的这些部件对天线的性能的影响，特别是对接收范围的影响。它可以避免需要铁磁屏蔽板。以这种方式，实现了变压器的双重功能：既为设备内的现存电路进行电气变换，又为RF天线提供与金属部件隔离的铁氧体芯。与美国专利US 20070273600 A1不同之处在于，该现有技术仅公开了磁性层可以用作天线基板或变压器磁芯，并且该现有技术没有公开上文铁氧体芯的双重功能。
在更特定的实施例中，天线可以包括矩形天线，并且最大尺寸包括对角线的长度，或者天线可以包括圆形或椭圆形天线，并且最大尺寸包括最大直径。
本发明可以被应用于各种天线设计。一般地，对于任何形状的天线而言，最大尺寸可以取成在形成天线的表面内或围绕该表面的天线的点间的最大点到点尺寸。间距可以小于该最大尺寸的90％，或小于80％，或小于70％，或甚至小于60％。天线通常是一个轨迹天线。
RF天线优选地包括具有小于最大尺寸十倍的最大范围的近场通信天线。它例如包括平面天线，换而言之，天线作为整体主要在平面上延伸。备选地，天线也可以是弯曲天线，其中天线作为整体在弯曲表面上延伸。
这种短程天线特别对电磁通量密度减少引起的范围的任何减少特别地敏感。本发明使得能够维持天线性能。它也提高了与干扰的隔离。
RF天线例如是NFC应答器标签或NFC读取器/写入器的一部分。
铁氧体芯可以包括长方体，其中一个较大的面面向RF天线，其中铁氧体芯的较大面的面积大于RF天线的面积。
这提供了最佳的隔离。然而，即使铁氧体芯的面向天线的一个面较小，也提高了RF性能。
该设备可以包括诸如散热器的金属体，其中RF天线靠近金属体安装。
金属体特别可能对天线性能产生负面影响。在LED驱动器模块中，标签不可避免地靠近散热器，使得使用铁氧体变压器芯的使用减少了散热器的影响。
该设备可以包括用作散热器的壳体，并且RF天线被安装在壳体内部。
通常地，天线将在这样的壳体的内部，使得用户不可触摸。然而，壳体不会被金属完全覆盖，否则天线将不起作用。壳体可以是塑料的，或部分金属的和部分塑料的。例如，外壳体的一些表面可以被金属覆盖以作用为散热器。未被覆盖的一个或多个表面——即NFC天线所放置的位置——没有被金属覆盖，而是被塑料或其他绝缘部分所覆盖，或者可能在壳体的该部分处对空气敞开。
优选地，最接近RF天线的铁氧体芯是裸露的，而没有变压器的任何绕组线圈。以这样方式，铁氧体芯不会被绕组线圈所遮挡，并且因此优化了屏蔽性能。
该设备可以包括驱动器电路，其中变压器是驱动器电路的一部分。例如，驱动器电路可以包括隔离的开关模式电源。更特别地，开关模式电源可以是反激式转换器，其中变压器充当能量存储和续流元件。备选地，变压器可以用来根据绕组比来改变电压或电流。
本发明还提供一种LED灯模块，包括：具有如上文限定的驱动器电路的设备；以及
由该设备驱动的LED灯单元。
灯模块还可以包括配置电路，用于响应于由RF天线接收的无线命令来配置LED灯单元的输出。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了用于提供天线屏蔽的已知方法；
图2示出了根据本发明的一个示例的电气设备；
图3示出了第一产品设计以及所产生的围绕天线的电磁场分布；
图4示出了第二产品设计以及所产生的围绕天线的电磁场分布；
图5示出了根据本发明的产品设计以及所产生的围绕天线的电磁场分布；
图6示出了作为距天线的垂直距离的函数的电磁场强度；以及
图7示出了作为相对于天线的横向距离的函数的电磁场强度。
具体实施方式
本发明提供一种电气设备，其包括具有铁氧体芯和RF天线的变压器。天线沿着或围绕天线的表面(即，在天线的平面内或围绕限定天线的弯曲表面)具有最大尺寸，并且天线与铁氧体芯的最近部分隔开的距离小于上述最大尺寸。该设计利用现有变压器的铁氧体芯(即，设备中已经需要用于它自身功能的变压器)以提供天线与设备的其他部分的隔离。这有助于减少设备的那些部件对天线的性能的影响，特别是对接收范围的影响。
图1示出了用于提供天线屏蔽的已知方法。它示出了电气设备10，其中电气组件被安装在金属壳体12内。这个壳体起着散热器的作用。该设备具有用于与远程无线读写应答器16无线通信的天线14。天线14靠近设备的外表面，例如在非金属盖的后面，或者壳体可以在安装天线的一端敞开。在天线后面，提供铁氧体材料片18以屏蔽天线，并且因此将天线与周围的金属部件隔离。
图2示出了根据本发明的一个示例的设备。设备20包括具有铁氧体芯24的变压器22。在所示的示例中，铁氧体芯24围绕着线圈装置，并且铁氧体芯的外表面是裸露的而没有线圈装置。因此，线圈装置位于铁氧体芯的开口内部，并且铁氧体芯的面向天线的外部表面是平面表面，其中变压器线圈在该表面后面。RF天线14沿着天线的表面具有最大尺寸m，并且天线与铁氧体芯的最近部分隔开小于最大尺寸的间距s。
该设备具有用作散热器的外壳体12。各种其他电气和电子组件26被安装在壳体12中，例如由公共的印刷电路板28承载。
电气组件26例如包括电路元件，该电路元件与变压器一起形成驱动器电路的开关模式电源。那么，该组件例如包括由驱动器电路驱动的LED装置。
对于可配置的照明设备的示例，该组件还包括配置电路，其用于响应于由RF天线接收的无线命令来配置灯单元输出。
图2示出了电路板的平面图。天线14被直立地安装在板上。在平面天线的情况下，那么它具有一个平面，该平面垂直于印刷电路板28的平面。铁氧体芯24也具有垂直于印刷电路板的尺寸，即在板之上的高度。优选地，铁氧体芯的垂直高度至少是天线在印刷电路板之上的高度的一半。
铁氧体芯24的裸露的外表面例如具有面向天线的侧面。该侧面可以在垂直于天线平面(或者如果天线不平坦，则垂直于天线的大致平面)的平面中延伸。该侧面的面积优选地等于或大于天线的面积。例如，铁氧体芯一般地可以具有长方体的外表面，并且该侧面是长方体的外面中的一个面。它可以是长方体的两种类型外面(即，不包括平行于印刷电路板的顶部和底部)中较大的一种，但这不是必需的。
铁氧体芯也不需要是长方体，也不需要呈现朝向天线的平面表面。
天线不必垂直于主PCB安装。它可以以一定角度安装，或者可以印刷在PCB上，使得读取器被设计成位于主印刷电路板之上而不是在如图2的示例中的边缘。
此外，天线不需要是平面的，尽管这可能是成本最低的解决方案。天线可以被限定在弯曲表面之上。例如，天线可以是柔性的并且用于附接到诸如圆柱形壳体的内表面之类的弯曲表面。天线可以是薄膜印刷柔性结构，该薄膜印刷柔性结构可以被附接到非平面表面。圆柱形产品的一个示例是圆柱形聚光灯。
在这种情况下，图2中所示的间距s可以被定义为天线的任何点与变压器芯之间的最短距离。
天线可以包括例如基于印刷电路板的轨迹的平坦轨迹装置，但是它可以替代地包括诸如漆包线(glazed wire)的接线装置。
天线可以是矩形或正方形，并且天线的最大尺寸可以取对角线的长度。天线可以代之以圆形或椭圆形，在这种情况下，最大尺寸可以取最长的直径。
本发明对于近场通信天线是特别有意义的，其中范围(range)的任何减少可能对通信系统的功能具有显著的影响。例如，近场通信天线可以被理解为是最大通信范围比十倍的天线最大尺寸小的天线，例如最大通信范围比5倍的天线最大尺寸小的天线，并且最大通信范围甚至仅约为最大天线尺寸的两倍的天线。
已经对屏蔽的效果进行建模。
图3示出了没有其他干扰部件的天线14和读取器16。底部示出了围绕天线14的电磁场分布。对于特定的天线设计和RF IC，最大读取距离约为3cm。在距天线1cm的给定点30处的电磁场强度由所使用的模型确定为7.27A/m。
当天线形成为如图4中所示的与散热器壳体12相关联的电路的一部分时，最大读取距离下降到约2cm。给定点30处的电磁场强度下降到6.35A/m。
图5示出了将变压器芯24安装在天线后面的效果。最大读取距离增加回到约3cm。给定点30处的电磁场强度增加到13.56A/m。
在图3至5的示例中，NFC标签具有10mm×10mm的尺寸。在图5中，铁氧体芯是一种PC40铁氧体材料，并且变压器是一种EF20变压器，该EF20变压器位于天线后方1mm处。
平面视图中的变压器大小为47mm×34mm，其中铁氧体芯为20×20×6mm。因此，在这个示例中，铁氧体芯在印刷电路板之上具有6mm的高度，并且天线的高度为10mm。天线面积为100mm2，并且铁氧体芯面向天线的一侧的面积为120mm2。
参考图6解释间距s的效果，其中曲线61示出了作为间距s的函数的平均电磁场强度，其中间距与天线的平面垂直。使用测试板60(尺寸43mm×52mm)在距天线3cm的距离处测量电磁场强度。曲线62显示了当不存在铁氧体时的场强，但是壳体和其他组件是相同的。
当铁氧体的变压器芯与天线之间的间距从1mm增加到20mm时，如图6所绘出的，电磁场的平均强度开始的值远高于无铁氧体情况的值，然后逐渐减小，并且趋于稳定，并且略微高于无铁氧体情况的值。这显示变压器可以在相当大范围的位置上增强NFC性能，但是特别地是在最小间距小于天线的最大尺寸(在这个示例中，对角线距离为14mm)的情况下。它示出了随着间距减少，所获得的益处增加，从而间距优选地小于最大尺寸的90％，或者更优选地小于最大天线尺寸的80％、或者更优选地小于70％或甚至小于60％。
天线与铁氧体芯之间的横向对准也将影响性能。图7示出作为从中心对准位置的横向偏移d1(如图7中所示)的函数的平均电磁场强度的曲线图，其中间隔s维持在1mm。
在1mm间隙的情况下，当天线与铁氧体的水平距离从0增加到15mm时，电磁场强度先增加后减小。
作为对准位置的函数的性能对于每个不同的应用将是有所不同的。图7示出了对于所模拟的示例，最佳定位(可能令人惊讶地)不是天线14的中心与铁氧体芯的中心对准。在图7中，铁氧体芯的横向宽度比天线大。当d1从0增加到9mm时，由一侧获得的金属隔离所引起的整体屏蔽效果的增加比另一侧所引起的减小更快，使得整体磁场强度增加。超过9mm时，金属隔离效果变得更弱。
应注意的是，图7中的y轴仅在0.24至0.3的值之间延伸。
因此，性能对定位不是极度敏感。变压器可以被放置在天线线圈的一侧。如图所示，最佳对准位置可能不在中心；这将取决于具体的产品设计。在性能降低有限的情况下，可以容忍从最佳对准点进行的推导。
由于变压器的铁氧体芯，变压器提高了读取距离。周围的金属材料将产生涡流效应(eddy current effects)。当变压器线圈中的电流随时间变化时，电磁感应在附近的金属组件中引起感应电流，从而影响天线的空间电磁场分布。磁芯的铁氧体材料削弱了涡流效应，并且因此提高了读取距离。
通过如上文所说明的将变压器靠近天线放置，天线可能不再需要任何附加的铁氧体片以隔离周围的金属部件。
本发明对于包括变压器和RF天线的任何设备都是令人感兴趣的。变压器作为电源或功率转换装置的一部分被广泛地用于电路中。例如，诸如LED电路的固态照明电路通常包括作为开关模式电源一部分的变压器。
因此，本发明对于LED电子器件以及LED模块和灯具都是令人感兴趣的。当这样的模块和灯具包含无线控制，但是期望具有小的内部空间时，本发明能够减少组件的数目并且因此减少所需的空间。
然而，本发明可以应用于包括变压器和RF天线两者的其他设备。
本发明对于近场通信设备是特别令人感兴趣的，但是一般地对于RF天线也可以采用相同的方法。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要保护的本发明时，可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这一纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种电气设备，包括：
变压器(22)，具有铁氧体芯(24)；以及
RF天线(14)，
其中，所述RF天线(14)与所述变压器(22)电气隔离，并且
所述RF天线沿着所述RF天线的表面的几何尺寸具有最大尺寸(m)，并且所述RF天线与所述铁氧体芯的最近部分在空间上隔开的距离小于所述最大尺寸(m)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述RF天线(14)与所述铁氧体芯(24)的最近部分隔开的距离小于所述最大尺寸的90％，更优选地为80％，更优选地为70％，并且甚至更优选地为60％；并且
其中所述变压器的所述铁氧体芯适于以下二者：
-传导由所述变压器施行的电气变换的磁通量；
-提供所述天线与所述设备的其他部件的隔离。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述RF天线(14)包括平面天线，并且所述RF天线在与所述RF天线的平面垂直的方向上与所述铁氧体芯(24)的所述最近部分隔开的距离小于所述最大尺寸。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述RF天线(14)包括矩形天线，并且所述最大尺寸包括对角线的长度，或者所述天线(14)包括圆形或椭圆形天线，并且所述最大尺寸包括最大直径。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述RF天线(14)包括近场通信天线，所述近场通信天线的最大范围小于所述最大尺寸的十倍。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述RF天线(14)是NFC读取器/写入器或NFC应答器标签的一部分。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述铁氧体芯(24)包括具有较大面中的一个面面向所述RF天线(14)的长方体，其中，所述铁氧体芯的所述较大面的面积大于所述RF天线的面积。
8.根据权利要求1所述的设备，包括诸如散热器(12)的金属体，其中，所述RF天线(14)靠近所述金属体安装。
9.根据权利要求8所述的设备，包括用作所述散热器的壳体(12)，并且所述RF天线(14)被安装在所述壳体(12)的内部。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述铁氧体芯(24)的所述最近部分是裸露的，而没有所述变压器(22)的任何绕组线圈。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括驱动器电路，其中，所述变压器(22)是所述驱动器电路的一部分。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述驱动器电路包括开关模式电源，并且所述变压器(22)适于被用作所述开关模式电源的能量交换组件。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述驱动器电路包括LED驱动器。
14.一种LED灯模块，包括：
根据权利要求13所述的设备；以及
由所述设备驱动的LED灯单元。
15.根据权利要求14所述的灯模块，进一步包括配置电路，所述配置电路用于响应于由所述RF天线(14)接收的无线命令来配置所述LED灯单元的输出。
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