CN110603687B - 用于不同距离通信模式的天线结构及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线结构，其包括形成为环形的多个电线区段。在电线区段之间提供连接单元，连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换。在连接单元处于导通状态的情况下，形成具有第一（较长）信号距离的环形天线，并且在连接单元处于电抗状态的情况下，形成具有第二（较短）信号距离的天线结构。所述电抗状态被适配为在相邻的电线区段之间引入相位延迟。这使得相同的天线能够用于长距离信号通信和短距离通信，例如用于系统配置或入网初始化。天线结构可以与照明系统的照明器一起使用。

Description

用于不同距离通信模式的天线结构及通信方法

技术领域

本发明涉及一种使得不同距离的通信模式能够被建立的天线结构。

背景技术

例如，不同的通信模式用于对无线通信系统进行入网初始化以及用于该系统的后续使用。在入网初始化期间，例如，在系统的安装者与系统内的每个单独单元之间存在短距离通信，以便配置每个单独单元。在系统的后续使用期间，单元在更长的距离内彼此通信或与中央控制器通信。

以示例的方式，无线通信和控制功能可以嵌入到照明器、照明模块或其他传统装备中，以实现这些产品的无线功能。

通过向这些产品添加RF模块及其相关联的天线来实现此功能。然而，RF模块及其相关联的天线通常不适合于入网初始化目的，因为出于安全原因，优选将照明器的入网初始化限制在近场。因此，基于典型的2.4GHz天线的入网初始化是一挑战。

越来越多地，照明器和其他照明模块具有用于系统通信的无线连接以及要同时执行的近场入网初始化功能。为此目的，具有其天线的RF模块增加了近场入网初始化部分，诸如近场通信（NFC）系统。因此，经常需要设计两个独立的天线，一个通常以2.4GHz天线的形式，并且另一个以在非常不同的频率下的近场入网初始化线圈的形式。两个独立的天线需要更大的PCB面积，然而很难将大型PCB放置到多种类型的产品（诸如照明器）中。

US 2009/0009295公开了一种可以用于远场和近场通信的天线结构。该天线基于大线圈，并且该线圈充当使用低频信号的近场天线。通过向线圈添加一些开关，线圈的某些区段充当高频信号（在微波频率下）的远场天线。随之存在两种不同的收发器系统来接收近场和远场通信。这种布置还需要许多附加组件。

因此，仍然需要一种能够以简单的结构实现长距离和短距离无线通信的系统。

WO2013147823A1公开了一种天线图案，其具有连接天线元件的电感器。对于NFC相关的功能，电感器在13.56 MHz NFC频率下变为短路，并且所有元件彼此直接相连；而对于WLAN操作，电感器在2.4 GHz WLAN频率下包括高阻抗（“大多数情况下充当开路”），因此这些元件被解耦。

US20100279734A1公开了天线ANT1用于NFC和其他长距离通信，比如FM、GPS，“在第一模式中，到达或来自第一和第二端口的信号（RFID）沿着整个天线谐振，并且在第二模式中，到达或来自第三端口的信号（蓝牙/WLAN/GPS/FM中的任何一个或多个）沿着天线的一部分谐振，其中该部分终止于阻抗。

发明内容

本发明基于提供一种天线结构的概念，该天线结构可以以简化的配置在不同的信号距离内操作。在优选示例中，天线结构对于不同的通信使用相同的频率，例如基于2.4GHz环形天线。天线利用可切换元件，使得可以电气地改变天线配置。

本发明的实施例的基本想法是对于远场通信使用长环形天线，并使用诸如电容器的电抗组件来为长环形分段，使得一些远场辐射彼此抵消，并且天线变为近场天线。电抗组件可切换为接通或断开，使得天线可在远场和近场操作模式之间切换。

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明的一方面的示例，提供了一种天线结构，包括：

多个电线区段，形成为环形；

多个连接单元，被适配为连接多个电线区段，所述连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换，其中，所述电抗状态被适配为在相邻的电线区段之间引入相位延迟；

其中天线结构可在第一和第二操作模式之间切换，

其中在所述第一模式下，连接单元被适配为处于导通状态，从而连接电线区段以形成具有第一信号距离的环形天线，

并且其中在所述第二模式下，连接单元被适配为处于电抗状态，从而形成具有小于第一信号距离的第二信号距离的天线结构。

该天线结构可以在长距离和短距离操作模式之间切换。因此，单个天线结构可以用于设备内的多种功能。当连接单元处于其导通模式时，形成连续的长距离环形天线。当连接单元处于其电抗模式时，形成具有较短距离的不连续结构。

较小的第二信号距离使得通信具有增强的安全性。第二信号距离例如是1米或更小，而第一信号距离通常是10米或更大（取决于应用环境）。

天线结构例如用于在频带中发送或接收信号，其中该频带对于第一和第二模式是相同的。两种操作模式针对相同的频带，使得相同的接收器可以使用用于短距离和长距离模式两者的天线来通信。

频带例如包括2.4GHz。这是适合于设备网络（诸如照明系统的照明器）内的流行无线控制和通信的频段。目前，Zigbee和WiFi都基于此频段。

第一模式例如是长距离通信模式，并且第二模式是近场入网初始化模式。因此，天线结构使得能够在系统内实现多种模式，使得共享结构可以用于初始入网初始化和随后的系统使用。

电抗状态例如定义电容耦合。因此，连接单元可以包括串联电容器。

每个连接单元可以例如包括RF开关和电容器的并联连接，其中RF开关被适配为闭合以将连接单元设置处于导通状态，并且断开以将连接单元设置处于电抗状态。

开关的闭合状态为电容器设旁路，并且因此形成用于常规RF通信的连续环形天线。

天线结构还可以包括环形上的天线馈电点，其中连接单元中的一个与环形上的天线馈电点相对，并且还包括与所述电容器并联的电阻器。与馈电点相对的连接单元的这种不同设计确保输入端口阻抗匹配。

每个连接单元例如形成在双层印刷电路板上，其中RF开关形成在印刷电路板的第一层中，并且电容器形成在印刷电路板的第二层中，以及RF开关和电容器通过穿过印刷电路板的金属化过孔布置连接。

这提供了PCB上连接单元的结构的紧凑实现方式。

在优选实施例中，每个RF开关例如是二极管。为了实现导通模式，可以施加足以使二极管导通并且将连接单元切换到导通状态的DC电压，而对于电抗状态可以施加较低的DC电压。因此，可以基于施加到开关单元的DC正向电压来切换它们。

在一组示例中，每个二极管是LED芯片的发光二极管，从而形成集成的光源和天线架构。因此，天线结构是诸如照明器的照明单元的一部分。二极管执行提供期望的光输出以及用作天线结构的互连元件的双重功能。这为具有无线通信和入网初始化能力的照明单元提供了低成本和紧凑的解决方案。已经作为照明系统的一部分存在的组件用作可切换天线元件。可以基于所施加的DC电压电平来使用LED二极管功能。如果DC电压超过LED串电压，则LED被接通以发射光，但也导通以为电抗元件设旁路。

电线区段例如包括LED芯片之间的布线，该布线被适配为承载LED芯片电流。

天线结构还可以包括控制器，用于控制连接单元处于第一或第二模式，

其中，所述控制器用于跨二极管提供高于二极管的正向电压的偏置DC电压，以便控制连接单元处于导通状态，或者否则控制其处于电抗状态，以及

通信电路，用于在偏置DC电压上施加AC信号分量，以便在第一模式下使用具有第一信号距离的环形天线来通信。

LED照明电路可以包括：

如上定义的天线结构，其具有作为连接单元的LED；

调光接口，用于接收调光信号；以及

一组附加的LED芯片；

其中，LED照明电路被适配为接通天线结构中的LED芯片，以便发射光并能够实现第一信号距离中的通信，并且根据所述调光信号接通或关断该组附加的LED芯片。

因此，当需要长距离通信时，天线结构的LED可以永久接通，并且可以控制其他LED芯片以实现调光功能。

本发明还提供了一种LED灯，其包括如上定义的LED照明电路。

依照本发明另一方面的示例提供了一种通信方法，包括：

提供天线结构，该天线结构包括：

多个电线区段，形成为环形；以及

多个连接单元，被适配为连接多个电线区段，所述连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换，其中，所述电抗状态被适配为在相邻的电线区段之间引入相位延迟，

其中，该方法包括：

在第一操作模式下，控制连接单元处于其导通状态，从而连接电线区段以形成具有第一信号距离的环形天线，并且在第一信号距离内通信；以及

在第二操作模式下，控制连接单元处于其电抗状态，从而形成具有小于第一信号距离的第二信号距离的天线结构，并且在第二信号距离内通信。

以第一和第二操作模式的通信优选地处于相同的频带，诸如包括2.4GHz。优选地，第一模式是长距离通信模式，并且第二模式是近场入网初始化模式。

参考下文描述的（多个）实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并得以阐述。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了基本的RF环形天线；

图2示出了作为S11回波损耗值与频率的关系的天线性能；

图3示出了环形天线的修改版本；

图4示出了作为S11回波损耗值与频率的关系的天线性能；

图5以平面图示出了左侧的常规环形天线和右侧的分段天线的磁场分布图案；

图6示出了以穿过环形的截面观察的左侧的常规环形天线和右侧的分段天线的功率流分布图案；

图7示出了连接单元22a的示例；

图8示出了LED电路，其包括在PCB上的导体迹线周围形成的一组LED芯片；

图9示出了通信方法；以及

图10示出了连接单元22b的示例。

具体实施方式

本发明提供了一种天线结构，其包括形成为环形的多个电线区段。在电线区段之间提供连接单元，连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换。在连接单元处于导通状态的情况下，形成具有第一（较长）信号距离的环形天线，并且在连接单元处于电抗状态的情况下，形成具有第二（较短）信号距离的天线结构。这使得相同的天线能够用于长距离信号通信和短距离通信，例如用于系统配置或入网初始化。天线结构可以与照明系统的照明器一起使用。

图1示出了基本的RF环形天线，例如用于2.4GHz通信。

该天线包括具有馈电点12的环形10。环形直径为19mm。

图2示出了作为S11回波损耗值与频率的关系的天线性能，示出了2.4GHz处的最小损耗。

图3示出了环形天线的修改版本。

天线结构包括形成为环形的多个电线区段20。多个连接单元22连接多个电线区段，并且这些连接单元22具有电容。

连接单元可以全部相同，例如电容小于0.2pF的串联电容器。

然而，在图3中，存在两种类型的连接单元。第一类型22a包括电容小于0.2pF的串联电容器，并且第二类型22b是0.2pF电容器和43Ω电阻器的并联组合。馈电点24与连接单元22b相对。

图4示出了作为S11回波损耗值与频率的关系的天线性能。其示出了仍然接近2.4GHz但具有整体更大的回波损耗的最小损耗。

对于图1的常规环形天线，环形天线的周长与操作波长相当。这意味着沿环形的电流分布经历相位反转和电流零点。天线产生的磁场在某些区域中相对弱。

当提供分段线部段时，它们在相邻部段之间引入非常小的相位延迟，使得即使分段环形天线的周长与操作波长相当，沿分段环形流动的电流也保持在单个方向上。这样，分段环形的电流分布看起来是同相的。这样，即使环形电大，分段设计也能够产生更均匀的磁场分布。

近场性能受区段的数量和连接单元的电容的影响。优选地，存在至少8个区段。目的是获得环形电流，这产生近场天线功能。仅当已经达到数个区段时才获得该环形电流，这将取决于天线尺寸和操作频率。已经发现，对于优选的2.4GHz实现，至少8个区段提供了所需的近场操作。可以使用更多区段，但是附加的区段通过需要附加的组件而给设计引入附加的复杂性。

还选择电容值以确保环形电流将流动。此外，对于2.4GHz示例，近场环形谐振频率需要接近2.4GHz，并且这也影响电容值。

通过实验，获得以下结果：

区段的数量	环形电流流动的电容	接近2.4GHz的谐振电容
			8	C<0.4pF	C=0.2pF, 2.64GHz
10	C<0.6pF	C=0.2pF, 2.33GHz
			12	C<0.6pF	C=0.4pF, 2.42GHz

图5以平面图示出了左侧的常规环形天线和右侧的分段天线的磁场分布图案。分段设计具有更均匀的强度，但强度较低，并且在长距离处非常弱。

图6示出了以穿过环形的截面（垂直于环形平面）观察的左侧的常规环形天线和右侧的分段天线的功率流分布图案。

图6示出了对于基本环形天线，功率到达很远，但对于修改的分段设计，功率被限制于近场。

本发明基于使用这两个特性的天线设计。分段设计用于近场通信，例如用于操作的入网初始化模式，而常规设计用于远场通信。因此，在单个天线设计内，上面解释的两个性能特性被相组合。

为了实现该双重功能，连接单元可在导通状态和电抗状态之间切换。电抗状态定义电容，并且导通状态定义电线区段之间的短路，从而形成基本的闭合环形。

图7示出了连接单元22a的示例。连接单元形成在双层PCB上，该双层PCB具有第一前层面60和第二后层面61，第二后层面61承载电线区段20。电容器62形成在PCB后层面61上，例如为0.2pF。

图10示出了连接单元22b的示例，该连接单元22b与图7中示出的连接元件22a几乎相同，除了它还包括与电容器62并联的电阻器63。

金属化过孔64将电容器62连接到由第一PCB层面60承载的RF开关66。因此，连接单元包括RF开关66和电容器62的并联连接。

RF开关闭合以将连接单元设置为导通状态，在导通状态期间为电容器设旁路，并且断开以将连接单元设置为电抗状态，在电抗状态期间使电容器串联在电线区段之间。因此，当RF开关闭合时，分段线部段连接在一起，以用作2.4GHz环形天线模型，全部都在单个PCB层60上。当RF开关断开时，信号沿第二PCB层面61传递，即，到传递后层面，并且电容器实现近场入网初始化模型。

可以通过在第二PCB层68上提供与RF开关66并联的电阻器来形成连接单元22b（也具有并联电阻器）。

当然，前层面和后层面可以颠倒，其中电线区段和二极管在相同的层面上并且电容器在另一层面上。

RC连接单元22b可以在与馈电点相对的位置处使用，以改善近场模式性能。然而，可能不需要它。

RF开关66被示为二极管。这意味着它可以基于DC电压电平在导通状态和非导通状态之间切换。如果DC电压超过开启电压，则二极管将导通。这意味着可以基于所施加的天线驱动信号以无源方式（即，不需要附加的控制线）来切换连接单元。

然而，将有可能在第二PCB层上提供诸如晶体管的有源切换的RF开关，使得不存在置于待施加于天线结构的驱动电平上的约束。

在一个优选的实现方式中，在LED板上提供2.4GHz环形天线及其近场功能。

通过将RF开关66实现为LED，使用了LED的固有切换功能，使得不需要将RF开关提供为单独的元件。针对长距离模式，如果存在正向DC电压，则LED导通，此时天线变成连接为正常的2.4GHz环形天线。天线馈入信号可以是要叠加在正向DC正向电压上的AC分量。如果没有DC正向电压，则LED被关断，因此天线被分段为2.4GHz近场天线。

LED正向电压是DC电压，而天线驱动信号是高频AC电压。当将AC电压添加到DC电压偏置时，LED上可能有一些闪烁，但这将不会影响LED的一般接通，并且如果AC电压为高频，则对于光输出将不会有可见影响。

在这种情况下，为了驱动天线，可以提供控制器以控制连接单元处于第一或第二模式。控制器被适配为跨二极管的串联布置提供高于二极管的组合正向电压的偏置DC电压，以便控制连接单元处于导通状态。如果没有这样的正向DC电压，则连接单元将处于电抗状态。以示例的方式，每个LED的DC正向电压可以是3V。

环形中的部段的数量优选地至少为8。例如，可以使用7个开关二极管（以给出8个区段），从而给出至少21V的总DC正向电压。当处于长距离通信模式时，需要始终接通天线周围的LED以实现天线以及因此的通信功能。对于具有调光能力的照明器，可以使用照明器的其他LED来实现调光。因此，最低的调光设置可以对应于例如接通的8个区段环形的7个LED。

因此，整个LED照明电路可以包括上述的天线结构，其实现第一组LED，以及接收调光信号的调光接口。还存在一组附加的LED芯片。因此，LED照明电路被适配为接通天线结构中的LED芯片，以便针对所有调光水平发射光，并且因此实现第一信号距离内的通信，并且根据所述调光信号接通或关断该组附加的LED芯片。

偏置DC电压包括用于驱动LED发射光的驱动电压。然后，通信电路在偏置DC电压上施加叠加的AC信号分量，来用于在第一（长距离）模式下使用环形天线通信。因此，存在叠加在DC LED驱动信号上的AC天线驱动信号。

天线结构能够在第一和第二模式下以相同的频带发送或接收信号。如上面所解释的，频带可以包括2.4GHz。然而，本发明的概念可以清楚地应用于为其他频率设计的天线结构。环形的尺寸将在考虑目标操作频率的情况下以已知方式设计。

将LED用作RF开关要求高频下的寄生阻抗足够低。因此，对于当前的实现方式，仍然可以优选地使用专用RF二极管（或者实际上是晶体管）作为连接单元。随着LED技术发展以及高频下的LED的寄生阻抗越来越低，LED也将变得更适合于用作RF开关。

图8示出了LED电路，其包括围绕PCB上的导体迹线72形成的一组LED芯片70。导体迹线72限定天线，并且LED芯片70（部分地）限定连接单元。图7还示出了用于以叠加的DCLED驱动电平和AC通信信号来驱动天线和LED的控制器74。

图9示出了用于上述天线结构的通信方法。

在步骤80中，在长距离第一模式（L）或近场第二模式（N）之间做出选择。

对于第一操作模式，在步骤82中将连接单元控制为处于其导通状态，从而连接电线区段以形成具有第一信号距离的环形天线。

这涉及在步骤84中施加DC偏置以及在步骤86中施加AC通信信号以在第一信号距离内通信。

对于第二操作模式，在步骤88中将连接单元控制为处于其电抗状态，从而形成具有小于第一信号距离的第二信号距离的天线结构。这涉及在步骤88中施加AC通信信号以在没有DC偏置的情况下在第二信号距离内通信。例如，这包括用于照明系统的入网初始化过程的通信。以第一和第二操作模式的通信处于相同的频带。

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求保护的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的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种天线结构，包括：

多个电线区段（20），形成为环形；

多个连接单元（22a、22b），被适配为串联连接所述多个电线区段（20），所述连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换，其中，所述电抗状态被适配为引入用于相邻的电线区段（20）之间的相位延迟的电抗元件，并且所述导通状态被适配为引入为所述电抗元件设旁路的元件；

其中，所述天线结构可在第一模式和第二模式之间切换，

其中，在所述第一模式下，所述连接单元被适配为处于所述导通状态，从而连接所述电线区段以形成具有第一信号距离的环形天线，

并且其中，在所述第二模式下，所述连接单元被适配为处于所述电抗状态，从而形成具有小于所述第一信号距离的第二信号距离的天线结构。

2.根据权利要求1所述的天线结构，用于在频带中发送或接收信号，其中，所述频带对于所述第一模式和所述第二模式是相同的。

3.根据权利要求2所述的天线结构，其中，所述频带包括2.4GHz。

4.根据任一前述权利要求所述的天线结构，其中，所述第一模式是长距离通信模式，并且所述第二模式是近场入网初始化模式。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的天线结构，其中，当所述连接单元处于所述电抗状态时，所述电线区段通过电容耦合。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的天线结构，其中，每个连接单元包括RF开关（66）和电容器（62），所述RF开关（66）和所述电容器（62）并联连接，所述RF开关（66）作为为所述电抗元件设旁路的元件，所述电容器（62）作为所述电抗元件，其中所述RF开关被适配为闭合以将所述连接单元设置处于所述导通状态，并且断开以将所述连接单元设置处于所述电抗状态。

7.根据权利要求6所述的天线结构，还包括在用于所述第一模式和所述第二模式两者的所述环形上的单个天线馈电点（24），其中，所述连接单元中的一个（22b）与所述环形上的所述天线馈电点（24）相对，并且还包括与所述电容器（62）并联的电阻器。

8.根据权利要求6所述的天线结构，其中，每个连接单元形成在双层印刷电路板上，其中，所述RF开关（66）形成在所述印刷电路板的第一层（60）中，并且所述电容器（62）形成在所述印刷电路板的第二层（61）中，并且所述RF开关和所述电容器通过穿过所述印刷电路板的金属化过孔连接。

9.根据权利要求6所述的天线结构，其中，每个RF开关（66）是二极管。

10.根据权利要求9所述的天线结构，其中，每个二极管是LED芯片（70）的发光二极管，从而形成集成的光源和天线架构。

11.根据权利要求10所述的天线结构，其中，所述电线区段（20）包括LED芯片（70）之间的布线，所述布线被适配为承载LED芯片电流。

12.根据权利要求10或11所述的天线结构，还包括控制器（74），用于控制所述连接单元处于所述第一模式或所述第二模式，

其中，所述控制器用于，提供从所述二极管的阳极到阴极的高于所述二极管的正向电压的偏置DC电压，以便控制所述连接单元处于所述导通状态，或者，不提供从所述二极管的阳极到阴极的高于所述二极管的正向电压的偏置DC电压，以便控制所述连接单元处于所述电抗状态，以及

通信电路，用于在所述偏置DC电压上施加AC信号分量，用于在所述第一模式下使用具有所述第一信号距离的所述环形天线通信。

13.一种LED照明电路，包括：

根据权利要求10至12中任一项所述的天线结构；

用于接收调光信号的调光接口；以及

一组附加的LED芯片；

其中，所述LED照明电路被适配为接通所述天线结构中的所述LED芯片，以便发射光并能够实现所述第一信号距离中的通信，并且根据所述调光信号接通或关断所述一组附加的LED芯片。

14.一种LED灯，包括根据权利要求13所述的LED照明电路。

15.一种通信方法，包括：

提供天线结构，所述天线结构包括：

多个电线区段（20），形成为环形；以及

多个连接单元（22a、22b），被适配为串联连接所述多个电线区段，所述连接单元中的每一个可在导通状态和电抗状态之间切换，其中，所述电抗状态被适配为引入用于相邻的电线区段之间的相位延迟的电抗元件，并且所述导通状态被适配为引入为所述电抗元件设旁路的元件，

其中，所述方法包括：

在第一模式下，控制所述连接单元处于其导通状态，从而连接所述电线区段以形成具有第一信号距离的环形天线，并且在所述第一信号距离内通信；以及

在第二模式下，控制所述连接单元处于其电抗状态，从而形成具有小于所述第一信号距离的第二信号距离的天线结构，并且在所述第二信号距离内通信；

其中，以所述第一模式和所述第二模式的所述通信处于相同的频带，包括2.4GHz，并且所述第一模式是长距离通信模式，并且所述第二模式是近场入网初始化模式。

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