CN110352316A - 具有槽天线的照明设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种照明设备（1）。该照明设备（1）包括：通信单元（10），用于在照明设备（1）和外部设备之间的无线通信；固态照明元件（3），电连接至通信单元（10）；散热器（5），与固态照明元件（3）热接触，散热器（5）具有槽（5a），槽（5a）被适配为充当槽天线；和馈送天线（11），电连接到通信单元（10），馈送天线（11）具有至少一个布置在槽（5a）处的端头，以便使得馈送天线（11）和槽（5a）能够通过邻近耦合进行通信。

Description

具有槽天线的照明设备

技术领域

本发明涉及一种具有槽天线的无线可控照明设备。

背景技术

无线可控的照明设备是本领域已知的。在US 2016/0072176 A1中公开了这种照明设备的一示例。此照明设备具有用于具有充当槽天线的槽的发光二极管的散热件，并且该槽通过与槽共面并以直角穿过槽的馈线来被馈送（参见US 2016/0072176 A1的图8a）。无线信号可以用于打开/关闭电源、调节照射强度、改变照明颜色或以某种其他方式控制灯泡的操作。

尽管US 2016/0072176 A1的照明设备和类似无线可控照明设备适于其预期使用，但是它们有待改进。例如，改进槽天线的馈送会是期望的。

发明内容

提供改进的或可替代的照明设备会是期望的。为了更好地解决这个忧虑，呈现了一照明设备，包括：通信单元，用于照明设备和外部设备之间的无线通信；固态照明元件，电连接至通信单元；散热器，与固态照明元件热接触，散热器具有槽，槽适配为充当槽天线；和馈送天线，电连接至通信单元，馈送天线具有至少一个布置在槽处的端头，以便使得馈送天线和槽能够通过邻近耦合而进行通信。

端头被布置“在槽处”的意思是端头被布置得如此接近槽以至于槽被在头部处生成的电边缘场所影响并且通过邻近耦合而耦合至馈送天线。

如上面描述的那样布置端头使得馈送天线在发射和接收期间能够特别高效地耦合至槽，这有助于改进馈送功率效率。高效的耦合是在馈送天线和散热器没有以在任何显著程度上牺牲鲁棒性、热性能、光学性能和/或美观的方式来布置的情况下实现的。此外，甚至在照明设备内部的可用空间的量特别地被限制的情况下，也可以实现高效的耦合。

进一步地，与常用的传输线馈送方法不同，即使槽布置在散热器的弯曲表面中，本发明的馈送技术也能很好地工作。传输线馈送方法还要求具有线馈送的电路板与包含槽的表面共面，这是本发明的馈送技术不要求的。

更进一步地，上面描述的照明设备可以使用适合于大规模生产的简单且快速的制造技术以成本高效的方式来生产。

散热器可以是圆柱形的。这种散热器可以具有大的外表面区域，其朝向周围空气传递热量。而且，如果散热器具有中空圆柱体的形状，则馈送天线通常可以布置在散热器内部，在那里它隐藏在视线之外并且不会干扰SSL元件发射的光。

馈送天线的至少一部分可以是弯曲的并且包括至少一个端头。

馈送天线的上面提及的部分可以沿着圆柱形散热器的弯曲内侧壁布置。

该至少一个端头可以位于由圆柱形散热器的中心纵向轴线以及槽的宽度的100％-125％限定的假想扇区中。以这种方式布置端头通常导致端头和槽之间的有效耦合。

馈送天线的上面提及的部分可以布置成不与槽交叉。

照明设备可以包括电路板，并且馈送天线可以印刷在电路板的两个相对侧上。利用这种馈送天线，增加槽和由馈送天线生成的边缘场之间的重叠是可能的。这降低了馈送天线对由于电路板未被最佳地放置（由于例如生产公差）而引起的失谐的敏感性。

馈送天线可以是单极天线，例如鞭状天线、平面倒F天线（PIFA）或倒F天线。单极天线特别容易实现，并且它们也可以相对较小，并因此在空间要求极其紧凑时特别适合。

电路板可以包括地平面，并且槽可以与单极天线的端头和地平面之间的间隙对齐。

馈送天线可以是偶极天线。偶极天线可以特别高效并且可以生成强辐射场。

馈送天线可以具有两个端头，并且槽可以与两个端头之间的间隙对齐。以这种方式布置端头通常导致端头和槽之间的强耦合。进一步地，可以利用相位相差180度的相应电压在端头之间生成特别强的电场。可以在圆柱形散热器的弯曲的侧壁中提供完整的槽。

槽可以是L形的。理论上，槽可以具有任何形状。然而，槽的尺寸和位置影响散热器的热性能和机械强度，以及发明人已经发现，在散热器没有变得生产复杂或耗时的情况下，L形槽可以被定位成使得散热器的热和机械属性不受任何显著程度的负面影响（相较于没有槽的散热器）。

照明设备可以包括用于将照明设备在机械上和电气上连接至灯座的连接器，以及L形槽的底部可以靠近连接器。这是特别有益的定位槽的方式，因为它可以有助于最大化散热器的热性能和机械强度。

请注意本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能的组合。

附图说明

现将参考示出本发明（多个）实施例的附图来更详细地描述本发明的这一方面和其他方面。

图1示出了根据本发明一示例实施例的照明设备的示意性分解图。

图2示出了图1中的照明设备的侧视图。

图3示出了沿图2中的线B-B的俯视图。

图4示出了根据本发明另一实施例的照明设备的类似于图3中的俯视图的俯视图。

如图中图示的，层和区域的尺寸为说明目的而夸大，并且因此被提供以说明本发明的实施例的一般结构。相同的附图标记始终指代相同的元件。

具体实施方式

现将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式来体现，并且不应该被解释为限于本文陈述的实施例；相反，这些实施例是为详尽性和完备性而提供的，并且向技术人员全面地传达本发明的范围。

图1、2和3示出了灯泡形式的照明设备1。照明设备1具有中心纵向轴线A。由照明设备1发射的光的分布在所图示的示例中围绕中心轴线A大致旋转对称。用于将照明设备1在机械上和电气上连接至灯泡座的连接器2形成照明设备1的端部。在图1中，照明设备1被定位成使得中心轴线A平行于垂直线并且连接器2在底部。此处连接器2是爱迪生螺旋座，但是在其他示例中连接器2可以是某种其他类型的连接器，诸如USB连接器、卡口连接器或引脚连接器（例如，类似在Mr 16和Gu 10灯中的）。

照明设备1进一步包括具有一个或多个固态光源3a的固态照明（SSL）元件3。在图示的示例中，存在若干以发光二极管（LED）形式的固态光源3a，诸如半导体LED、有机LED或聚合物LED。所有的LED 3a可以配置为发射相同颜色的光，例如白色光，或不同LED可以配置为发射不同颜色的光。LED 3a被安装在LED板3b上，在这种情况下LED板3b为印刷电路板，但是可以使用诸如有线电路板的其他类型的电路板。在图示的示例中，以中心轴线A为中心来以圆形布置LED 3a。在另一示例中，LED 3a可以被不同地布置，诸如以矩形图案。此处LED3a的总体照射方向是在轴线方向上远离连接器2，但是LED 3a可以被布置成使得总体照射方向在某个其他方向上，诸如垂直于中心轴线A的方向。

光透射部件4覆盖SSL元件3。部件4可以例如由至少部分透明的塑料材料或玻璃制成。在图示的示例中，部件4具有关于中心轴线A旋转对称的灯泡样形状。部件4形成照明设备1的一端部，由部件4形成的端部和由连接器2形成的端部沿中心轴线A相对布置。

SSL元件3与适配为将热量从SSL元件5传递离开并传递至四周的空气的散热器5热接触。在图示的示例中，SSL元件3和散热器5经由散热件12而热连接，该散热件12被布置在SSL元件3a和散热器5的垂直顶部之间，基本上垂直于中心轴线A。在图示的示例中，散热件12是板，通常1 mm到2 mm厚。板12可以具有垂直边缘，例如大约5 mm长，其被压入散热器5中，使得板12和散热器5彼此固定。

散热器5由导热及导电的材料制成，诸如铝或某种其他金属。散热器5沿中心轴线A布置，中心轴线A形成散热器5的中心纵向轴线。在图示的示例中，散热器5具有中空圆柱体的形状。图示的散热器5还是轻微喇叭形的，宽端靠近SSL元件3，并且窄端靠近连接器2。散热器5的厚度取决于应用所要求的热性能，但是通常在0.4 mm或1.2 mm的范围内。散热器5可以例如由包括拉深的工艺来生产。

散热器5设有由穿过散热器5的缝隙形成的槽5a。也就是说，形成槽5a的缝隙从散热器的内表面（即面向中心轴线A的表面）穿到散热器的外表面（即面向远离中心轴线A的表面）。使用用于生产散热器5a的相同工具来切割散热器5中的槽5a经常是可能的。例如，当通过包括使用级进冲压模具或多工位压力机的工艺来生产散热器5时，可以使用用于形成散热器5的相同机器来切割槽5a。这意味着在生产时间增加极少的情况下生产具有槽5a的散热器5是可能的。

此处槽5a具有大写字母L的形状。在图1中，L形的腿部中的一条腿，也就是L形的“底部”，靠近连接器2并且大致水平延伸。在图1中，L形的另一条腿大致垂直延伸。如在图1中可以看到的，完整的L形槽5a被提供在散热器5的弯曲侧壁中。应当注意，槽5a的水平部分的位置影响散热器5的热性能。散热器5a的顶部部分（即接近LED 3a的部分）的设计，对于朝向散热器5的整个表面区域的良好的热传递是至关重要的。发明人已经发现，应当优选地避免在散热器5的顶部侧中的任何槽，以及将槽5a主要布置在散热器5的垂直较低部分是优选的，以便最大化热性能。进一步地，应当注意，移除散热器5的一部分可能减少其机械强度，其可能导致生产期间不希望的变形。发明人已经发现，从机械强度的视角来看，将槽5a的水平部分定位成接近散热器5的垂直较低部分是特别有益的。

槽5a被适配为充当槽天线，所以散热器5用于两个目的，即辐射元件目的和散热器目的。选择槽5a的尺寸使得槽5a能够以期望的频率发生谐振。通常，槽5a的周长具有长度l，其等于或大约等于c/（f），其中c是光速，并且f是槽5a的期望的基本谐振频率。在许多应用中，槽5a被适配为具有从大约2.3 GHz至大约2.5 GHz的范围内（例如2.4 GHz）的基本谐振频率是期望的。从热性能的观点来看，期望槽5a是窄的。进一步地，通常选择与波长相比较而言小的槽5a的宽度w，通常在1 mm到4 mm的范围内。应该注意，当槽宽度w在此范围内时，在塑料部分（即外壳6，下文进一步讨论）后面没有金属（即散热器）的事实仅对热性能具有可忽略的负面影响。

外壳6布置在散热器5的外表面上，即散热器4的面向远离中心轴线A的一侧。外壳6减少了用户在触摸照明设备1时灼伤他或她的手的风险，并且也减少了电击的风险。在这种情况下外壳6由具有低碳含量的塑料材料（因为碳可以干扰信号的接收和发射）制成。合适外壳材料的示例包括聚碳酸酯和聚乙烯。外壳6通常与散热器5分开制成，并且然后放置在散热器5的周围，而不是包覆成型至散热器5上。发明人已经发现，这促进提供具有在厚度上几乎没有变化的薄壁以及在美观上怡人的平滑外表面的外壳。它也有助于以若干方式简化外壳6的制造并且减少由于收缩引起的问题。例如，当使用包覆成型时，存在外壳材料流过槽5a的风险，这可能导致外壳6中的厚度变化和不期望的天线行为。

驱动板7（在此示例中为印刷线路板）被布置在散热器5的内部。也就是说，驱动板7布置在由中空散热器5限定的内部空间中。驱动板7基本上平行于中心轴线A。通常由塑料材料制成的隔离部件8布置在散热器5和电路板7之间，以便将电路板7从散热器5电流隔离。驱动板7包括电气电路，该电气电路电连接至连接器2并被配置成为SSL元件3供能。

照明设备1进一步包括电路板9，通常是印刷电路板，该电路板9布置在散热器5的内部，基本上垂直于中心轴线A。在这种情况下，电路板9的垂直部分（如在图1中看到的）位于这样的位置，使得馈送天线11（下文进一步描述）的端头11a关于槽5a的长度方向的中心轻微偏移。以这种方式布置馈送有助于增加槽5a和馈送天线11之间的耦合。可以注意到，馈送天线11关于槽5a的中心的位置确定了槽天线5a的阻抗。槽阻抗应与馈送阻抗相匹配。阻抗在槽5a的中心处高而在槽5a的端部处为零。

在所图示的示例中，电路板9附接于驱动板7。通信单元10（例如射频收发机）安装在电路板9上。通信单元10可以被配置用于照明设备1和外部设备（未示出）之间的无线通信。通信单元10还被配置为基于从外部设备发送至通信10的无线信号来控制SSL元件3。在不同的示例中，除了通信单元10以外的单元可以控制SSL元件3。

通信单元10电连接至馈送天线11以馈送槽5a，为简便起见此后称馈送天线11为“天线”。天线11因此被布置为电磁地激励槽5a，使得槽5a以期望的频率发生谐振。在此示例中天线11是印刷在电路板9上的单极鞭状天线。天线11因此布置在平面中，该平面基本上垂直于中心轴线A。天线11可以印刷在电路板9的两侧或电路板9的仅一侧上。印刷天线的替代物包括芯片天线、（实心）金属条天线以及线天线。

天线11的一部分（在这种情况下是整个天线11）是弯曲的。天线11沿散热器5的弯曲内侧壁（5b）布置。天线11的长度通常为大约 λ/4，其中λ是槽5a的基本谐振波长。天线11的长度通常在19 mm到22 mm的范围内。发明人已经发现，天线11的准确长度通常不是实现天线11和槽5a之间的强耦合的关键因素。在另一方面，天线11的端头11a的位置是重要因素。具体地，端头11a应当布置在槽5a处，即槽5a的附近，以便实现强耦合并且使槽5a发生谐振。在所图示的示例中，端头11a位于假想圆形扇区S中，该圆形扇区S在径向方向上从中心纵向轴线A延伸至槽5a的中间，并且具有槽5a的宽度w的100%-125%的弧长。还有，在所图示的示例中，当在垂直于中心轴线A的方向（图3中的径向方向）观察时，天线11和槽5a不彼此完全交叉。换个说法，当在垂直于中心轴线A的方向上观察时，天线11和槽5a不完全重叠。在所图示的示例中，天线11被布置成使得不存在这样的重叠。应当注意，在不同的示例中，天线11可以被布置成使得存在部分重叠（在图3中通过虚线示出的）或使得存在完全重叠（即，使得天线11和槽5a彼此完全交叉）。

在使用中，经由连接器2和驱动板7上的电路来向SSL元件3供应电能。由LED 3a发射的光通过部件4而离开照明设备1，并且照射照明设备1的四周。由LED 3a生成的热量首先传递给散热器5，散热器5然后主要通过对流来将热量释放至周围空气。

诸如智能电话、平板PC或专用远程控制件的外部设备可以用于通过向通信单元10发送射频信号来控制照明设备1。首先由作为槽天线操作的槽5a接收信号，并且然后经由天线11将信号传递到通信单元10。通信单元10处理信号，并且根据所接收的信号来控制驱动器7和SSL元件3。取决于应用，例如接通或断开照明设备1、对照明设备1调光和/或改变照明设备1的颜色设置是可能的。照明设备1可以被配置为向外部设备发送信号，例如如果SSL元件3故障的话。通信单元10然后生成经由天线11和槽5a传递至外部设备的信号。

在使用中，天线11和槽5a经由邻近耦合来通信，以便实现照明设备1和外部设备之间的通信。具体地，在信号传输期间，天线11在其端头处生成强时变电场。生成的电场延伸至电路板9的操作地平面的部分9a。槽5a被布置成足够接近端头11a，以便其能够受到由天线11生成的边缘场的影响。生成的电场通过邻近耦合而被“拷贝”至槽5a中。被激励的槽5a开始辐射对应于槽5a的基本谐振频率的电磁波。辐射槽5a的场分布可以使用通过“天线槽理论”来计算。相仿地实施对信号的接收。

图4示出了照明设备1’，其类似于在图1到图3中示出的照明设备，除了其中天线11’是偶极天线之外。天线11’具有两个弯曲部分，每个弯曲部分具有端头11a’、11b’。当天线11’处于操作中时，两个端头11a’、11b’具有不同的电极性。该两个端头11a’、11b’位于槽5a处，将两个端头11a、11b彼此隔开的间隙大约与槽5a对齐。端头11a’、11b’之间的距离d取决于应用，典型距离d大约为1.4 mm。

本领域技术人员认识到本发明绝不限于上面描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化形式是可能的。例如槽5a可以具有笔直形状、T形或锯齿形。另外地，通过对附图、公开内容和所附权利要求的学习，技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现所公开实施例的变化形式。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“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的纯粹事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (13)

1.一种照明设备（1；1’），包括：

通信单元（10），用于所述照明设备（1）和外部设备之间的无线通信；

固态照明元件（3），电连接至所述通信单元（10）；

散热器（5），与所述固态照明元件（3）热接触，所述散热器（5）具有适配为充当槽天线的槽（5a）；以及

馈送天线（11；11’），电连接至所述通信单元（10），所述馈送天线（11；11’）具有布置在所述槽（5a）处的至少一个端头（11a；11a’，11b’），以便使得所述馈送天线（11；11’）和所述槽（5a）能够通过邻近耦合来通信，以及，

其中所述馈送天线（11’）是具有位于所述槽（5a）处的两个端头（11a’，11b’）的偶极天线，并且所述槽（5a）与所述两个端头（11a’，11b’）之间的间隙对齐。

2.根据权利要求1所述的照明设备（1；1’），其中所述散热器（5）是圆柱形的。

3.根据权利要求1或2所述的照明设备（1；1’），其中所述馈送天线（11；11’）的至少一部分是弯曲的，并且包括所述至少一个端头（11a；11a’，11b’）。

4.根据权利要求2和3所述的照明设备（1；1’），其中所述馈送天线（11；11’）的所述部分沿所述圆柱形散热器（5）的弯曲内侧壁（5b）布置。

5.根据权利要求4所述的照明设备（1；1’），其中所述至少一个端头（11a；11a’，11b’）位于由所述圆柱形散热器（5）的中心纵向轴线（A）和所述槽（5a）的宽度（w）的100%-125%限定的假想扇区（S）中。

6.根据权利要求3所述的照明设备（1；1’），其中所述馈送天线（11；11’）的所述部分不与所述槽（5a）交叉。

7.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备（1；1’），进一步包括电路板（9）。

8.根据权利要求7所述的照明设备（1；1’），其中所述馈送天线（11；11’）印刷在所述电路板（9）的两个相对侧上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备（1），其中所述馈送天线（11）是单极天线。

10.根据权利要求7和9所述的照明设备（1），其中所述电路板（9）包括地平面（9a），并且其中所述槽（5a）与所述单极天线（11）的所述端头（11a）和所述地平面（9a）之间的间隙对齐。

11.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备（1；1’），其中在所述圆柱形散热器（5）的弯曲侧壁中提供所述完整的槽（5a）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备（1；1’），其中所述槽（5a）是L形的。

13.根据权利要求12所述的照明设备（1；1’），进一步包括用于将所述照明设备（1；1’）在机械上和电气上连接至灯座的连接器（2），其中所述L形槽（5a）的底部靠近所述连接器（2）。