CN109698401B - 用于车辆环境内的低频通信的天线及低频通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆环境内低频通信的天线和一种低频通信系统。其中天线(1)包括至少500mm的柔性或半柔性磁芯(10)，该磁芯(10)包括双线圈构造，该双线圈构造提供了用于发送功能的第一线圈构形和用于接收功能的第二线圈构形，并且还包括用于在两个线圈构造之间进行切换的装置。

Description

用于车辆环境内的低频通信的天线及低频通信系统
技术领域
本发明涉及低频通信领域。具体而言，本发明涉及一种用于车辆环境内的低频通信的天线，优选用于车辆到车辆(V2V)通信，且还涉及车辆内的低频通信系统。
本发明所提出的天线还可用于车辆的无钥匙进入系统中的通信，或者用于与用作人员定位器或附接到交通信号(traffic signal，交通指挥灯)的无源或有源RFID标签的通信。
背景技术
车辆到车辆(V2V)是自动驾驶车辆当前面临的问题。
V2V通信使用现今的高频(HF)无线电通信频带(GHz)。该频率允许非常的长范围和高带宽的数据传输。包括在车辆中的计算机可以通过该方法交换传感器数据和导航数据。
然而，通过使用这种HF无线电通信频带，与后面的车辆(例如汽车、卡车等)的直接局域化通信是无效的。无法从前方车辆得到快速触发/报警消息通信。
利用低频(LF)通信(kHz)，一辆车可以以非常低的延迟(latencies)和高速率向后面的车辆发送触发消息。此类通信中的带宽不大，但足以发送警报或警告消息。LF像“智能传感器”一样工作。其具有反馈，亦即发送消息的车辆可以从后面的车辆接收应答。
然而，V2V通信中的系统/设备之间的通信和读取距离必须最小为20米至30米，并且为了满足这种要求，需要非常长的LF天线。
从与本发明为同一发明人的专利EP 3192084和EP 3089176中，已知一种细长的柔性低频天线。但是，这些天线只能用作发射器或接收器。
因此，本发明提供了一种用于车辆环境中的LF通信的长天线，包括在同一磁芯内具有发送和接收功能(capabilities，能力)，以及使用集成在车辆(例如汽车)中的所述天线的LF通信系统。
LF通信的主要优点是：
-稳健性：低无线电频率可以在高湿度、寒冷天气、大雪或大风暴中传播而没有任何问题。在V2V网络出现覆盖问题的情况下，LF将继续工作。
-廉价：LF前端电子设备简单而便宜。SOC芯片组已在市场上出售。所需的硬件开销成本非常小。
-快速：由于低的处理要求和简单的电子设备，延迟和通信时间非常短。可以在少于30ms的时间内解决往返消息。
-可靠：阻挡单元(如人体、大载荷物等)不能阻挡信号。保证信号的穿透性和稳健性。
LF通信允许更好的物理稳健性，因为这些信号的波长从20KHz到300KHz是如此之长，以至于很难将其屏蔽或衰减，使得气象变化和物理障碍几乎不会影响HF或VHF信号。
US 20040252068公开了一种磁芯天线系统，其包括磁芯和绕组网络，该绕组网络可被构造成非均匀的安匝分布，以在磁芯中实现期望的磁通密度。
发明内容
本发明的天线是基于在不同的时间段提供低频发射天线和低频接收天线的单个部件的使用。
这种结果可以通过在时域中的多路复用技术实现，其使用同一个磁芯来用于天线的两个基本功能，如下文将详细说明的，或者将两个线圈直接结合，一个为Rx(接收天线)和另一个为Tx(发射天线)，从一个线圈切换到另一个线圈，这使得可以针对两种功能来使用相同的芯。
本发明的实施例提供了一种用于车辆环境内的低频(LF)通信的天线，其中该天线包括至少500mm的柔性或半柔性磁芯。
因此，根据本发明，用于低频的天线包括至少500mm的柔性或半柔性磁芯(10)，其包括或构成为双线圈构造，该双线圈构造提供了用于发送功能的第一线圈构形和用于接收功能的第二线圈构形，且还包括用于在两个线圈构形之间进行切换的装置(例如控制单元)，其中天线被配置为在20kHz至150kHz的范围内的低频率下工作，并且被构造为在1米到40米或1米到30米之间的通信范围内发送或接收数据。
根据本发明，所引用的双线圈构造包括多绕组线圈(包括多个电绝缘的绕组的线圈)，其具有数个匝，通过该多绕组线圈的绕组的串联或并联连接(通过对所述多绕组线圈进行切换(多路复用技术)而在时域中激活该串联或并联连接)，该多绕组线圈在线圈的所有绕组并联的情况下作为发射器操作，或者该多绕组线圈在线圈的所有绕组串联的情况下作为接收器。
在多绕组线圈的时域中的激活可在控制单元的管控下以10毫秒-20毫秒的脉冲串来执行。
因此，所提出的天线可具有发射和接收功能(双线圈构造)，在同一磁芯中集成全双工性能(full duplex performance)，且同时允许通信及读取距离超过30米。此外，由于天线磁芯是柔性或半柔性的，因此允许在曲面上容易地组装而不降低效率。
所提出的天线被配置为用于定向的V2V通信。此外，该天线可以被配置为用于与用作人员定位器或者附接到交通信号的无源或有源RFID标签通信以便对其进行识别，或者用于车辆的无钥匙进入系统。
在优选实施例中，所提出的天线布置在车辆的前端和/或后端，例如布置在车辆的保险杠上。
优选地，柔性或半柔性磁芯的长度范围在500mm至1.2米之间。为了实现该磁芯，可以应用EP 3192084和EP 3089176的教导。
此外，在一个实施例中，具有双线圈构造的柔性或半柔性磁芯优选地封装在防水材料中以保证场的可靠性。
根据另一方案，本发明的实施例还提供一种LF通信系统，其中上述天线被集成在一车辆中。
附图说明
从以下参照附图对实施例的详细描述中将更全面地理解先前所述的和其它的优点和特征，附图必须以说明性和非限制性的方式被考虑，其中：
图1是根据本发明一实施例的用于车辆环境内的LF通信的长天线的俯视图。
图2示出了根据本发明一实施例的用于天线发送功能的多绕组线圈(multifilarcoil)的细节。
具体实施方式
图1示出了所提出的用于车辆环境内的低频(LF)通信的长天线1的优选实施例。如从图中可看到的，天线具有柔性或半柔性磁芯10，通过该磁芯10集成一线圈11。
根据本发明，提出了一种双线圈构造，其包括用于发送功能的第一线圈构形和用于接收功能的第二线圈构形，并且还包括用于在这两种构形之间切换的装置。
用于发送功能的所述第一线圈构形和用于接收功能的所述第二线圈构形都被套设在一公共磁芯10上。
因此，经由单个元件(即，同一个芯10)并且通过实施以下方面，可以一并实现发送和接收两种功能：
-由控制单元管控的时域多路复用技术，在多绕组线圈11的多个绕组(filament)上，即通过在时域中激活的线圈的绕组的串联或并联连接，通过对其进行切换而使线圈11作为发射器(线圈11的所有绕组并联)，或作为接收器(线圈11的所有绕组串联)。
另一种替代方案(其并不构成本发明的一部分)包括使用具有独立功能的两个线圈11，其中用于发送功能的第一线圈在1-5Amp的低电流范围、100-500uH的低电感范围、20-150kHz的频率范围以及高电场内操作，而用于接收功能的第二线圈在2-10mH的高电感和高灵敏度以及20-150kHz的频率范围内工作；如在另一个实施例中的那样，由控制单元来管控在一个或另一个线圈之间的切换，使得在给定时刻，仅有所述第一线圈和第二线圈11中的一者在工作。
可以看到，图1和图2中所示的磁芯10还包括与模具定位器相对应的多个凹部12。
所提出的天线1主要被配置为用于定向性的车辆到车辆(V2V)通信。在这种情况下，该天线被布置在车辆的前端和后端(例如汽车或卡车等)，优选地布置在保险杠上。然而，天线1可以被配置为用于其他目的，例如，其可以被配置成用于与无源或有源的RFID标签通信，该RFID标签例如由行人或骑自行车的人使用，以便于感测这些人员，或者附接到一交通信号以对其进行追踪。
所提出的天线的长度应至少为500mm，优选地，天线的长度范围在500mm与1.2m之间。
为了确保在应用场所中的可靠性，磁芯10和双线圈11优选地封装在防水材料中。
所提出的天线可用于多种应用。例如：
-车队(Platoon)：可通过使用LF通信将额外的链路层(link layer，连结层)添加到系统。该信号可以穿透金属底盘并在恶劣环境(恶劣天气)下工作。通过加入这种技术，车队将更加可靠和安全。
-基础设施(Infrastructure)。车辆可以触发安装在基础设施中或者由行人或骑自行车者携带的有源或无源LF标签和装置上的唤醒事件(wake-up event)。当车辆经过时，可以激活小型传感器和致动器，使得在农村或非动力(电池)场所的安装成为可能。
-紧急状况/警报。车辆可以发送高优先级的消息来警告其他车辆。该信号可以是极具方向性的并且聚焦于后面的车辆或前面的车辆。
-无源入口。一旦LF前端安装在前/后保险杠中，车辆就有可能产生一环绕的磁场，并且可以在大的距离范围内精确定位用户密钥卡(keyfob)。
-安全性。行人、骑自行车的人、轮椅使用者以及危险的地段/区域可以携带LF接收器。这些接收器将用作触发元件，其可以警告车辆以避免进入或接近这些目标。
本发明还提供一种系统，在该系统中上述用于LF通信的天线被集成到一可移动支持物中，优选地是诸如汽车、卡车、公共汽车等的车辆。在优选实施例中，LF天线1将被布置在车辆的前端和/或后端，例如布置在车辆的保险杠处。因此，根据所提出的系统允许V2V通信，与用作人员定位器或附接到交通信号的无源或有源RFID标签通信，或用于车辆的无钥匙进入系统的通信。

Claims (10)

1.用于在车辆环境内低频通信的天线，其中所述天线(1)包括至少500mm的柔性或半柔性磁芯(10)，其特征在于：
-所述磁芯(10)包括双线圈构造，该双线圈构造包括多绕组线圈(11)，所述多绕组线圈具有围绕所述磁芯(10)的数个匝，提供了用于发送功能的第一线圈构形和用于接收功能的第二线圈构形；
-所述磁芯(10)还包括用于在所述第一线圈构形与所述第二线圈构形之间进行切换的切换装置，所述切换装置被配置为通过将所述多绕组线圈的所有绕组并联连接以作为发射器操作、或者将所述多绕组线圈的所有绕组串联连接以作为接收器操作，而在所述多绕组线圈(11)的绕组上实现时域多路复用；以及
-所述天线(1)被配置为在20kHz至150kHz的范围之间的低频率下工作，并且被配置为在1米至40米之间的通信范围内发送或接收数据。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述通信范围包括在1米至30米之间。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，在控制单元的管控下以10ms-20ms的脉冲串执行所述多绕组线圈在时域中的激活。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的天线，其中，所述柔性或半柔性磁芯(10)的长度介于500mm至1.2米之间的范围。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的天线，其中，所述柔性或半柔性磁芯(10)和多绕组线圈(11)被封装在防水材料中。
6.一种低频通信系统，包括：
-根据权利要求1所述的天线(1)；以及
-可移动支持物，所述天线(1)适用于该可移动支持物，
其中，所述可移动支持物是车辆，并且所述天线(1)被布置在车辆的前端和/或后端。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述天线(1)被构造为布置在所述车辆的保险杠处。
8.如权利要求1所述的天线在定向性的车辆到车辆V2V通信中的应用。
9.如权利要求1所述的天线用于与无源或有源RFID标签的通信的应用，所述无源或有源RFID标签用作人员定位器或附接到交通信号。
10.如权利要求1所述的天线用于车辆的无钥匙进入系统中的通信的应用。
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