CN113725621A - 远程低频天线 - Google Patents

Abstract

提供了一种远程低频天线。天线包括：细长磁芯(5)；围绕所述细长磁芯(5)的线圈(8)；绕线架(2、3)，其中所述细长磁芯(5)被引入所述绕线架(2、3)的腔中；以及外壳(1)，以防水的方式包覆模制在所述绕线架(2、3)上。天线还包括：位于细长磁芯(5)的一个末端处的至少一个阻尼器(4)。至少一个阻尼器(4)由弹性且热稳定化合物制成，该弹性且热稳定化合物包括树脂和包含天然矿物填料的第一填料。因此，所述细长磁芯(5)的纵向膨胀、收缩、机械冲击和振动被所述至少一个阻尼器(4)吸收，以避免对线圈(8)的电感值变化的影响。

Description

远程低频天线

技术领域

本发明属于磁感应器领域。特别地，本发明主要涉及远程低频天线，特别是发射天线。

特别地，本发明提出的远程低频天线涉及无钥匙进入系统(KES)(也称为被动无钥匙进入(PKE))领域以及其他LF通信系统。

低频RFID通信系统通常使用电源系统和标签或无源系统进行工作。该电源系统在与电源(电池或网络)连接的发射器或传输器(TX)天线中产生高磁场，以及该标签或无源系统具有对小磁场非常敏感的接收天线(RX)，并使标签的电子设备通电以激活响应功能。

用于1D和混合系统的TX天线的特征如下：

-其必须发射高强度场H。

-其必须承受大电流。

-其通常在与本地电容(在天线处)或中央电容(在ECU处)结合的工作频率或谐振频率下以谐振模式工作。

-为了避免使铁磁芯饱和，具有最大值N×I(单位电流的匝数)，该最大值确定磁饱和B1sat的阈值并且使得这些天线的匝数和电感较低(以100uH到800uH的顺序)。

-因此，绕组通常是直径为0.1mm至1mm的厚导线，具有很少的匝数(80至150)和一层。

-体积较大(50mm至500mm)，并且根据其长度和距离被分为3组：

·短程(50mm至100mm)，读取范围1-2米。

·中程(100mm至200mm)，读取范围1.5-3米。

·远程(200mm至500mm)，读取范围>3米。

在这种类型的天线中，品质因数和灵敏度不是关键参数。同样地，这些天线通常是单向的，并且L/D(长度/直径)比(或在正方形或矩形情况下的等效直径)非常高(通常大于10)，以使磁芯中有效磁导率(magnetic permeability)的效应最大化。铁氧体磁芯的具体形状也旨在使天线的电感、灵敏度和范围最大化，尽管其也可以由任何其它软磁材料(例如纳米晶、非晶金属或PBM)制成。

背景技术

JP2017103549 A1公开了一种具有内置连接器的天线装置和制造该天线装置的方法，该天线装置可以在焊接电子组件时防止该电子组件发生位移。

EP1450436 B1公开了一种传输天线，包括：天线线圈，缠绕在铁氧体磁芯上；电容，与天线线圈连接以形成串联谐振电路；小铁氧体磁芯，具有螺旋形状，并且小磁芯的横截面积小于铁氧体磁芯的横截面积；非磁性距离调节器，与铁氧体磁芯的纵向端的其中之一配合，并且将小磁芯磁性地接合到铁氧体磁芯；孔，形成在距离调节器中，小磁芯以可移动方式布置在孔中，以调节铁氧体磁芯与小磁芯之间的距离；以及壳体，容纳天线线圈、铁氧体磁芯、小磁芯、距离调节器和电容，其中调节铁氧体磁芯与小磁芯之间的距离，从而将串联谐振电路的谐振频率设置为期望值。

US2015116171 A1涉及一种条形天线，包括：条形芯，被配置成串联连接至少两个芯部件；绕线架(bobbin)，覆盖条形芯的至少一部分；绕组，在绕线架的预定范围内缠绕；以及壳体，具有设置在其中的条形芯和绕线架，其中通过用灌封材料填充在壳体中来密封条形芯和绕线架，并且条形芯被配置成在至少两个芯部件的连接部分处相对于预定外力可弯曲。

US20180342895 A1公开了一种条形电感组件，其具有由磁性材料制成的芯和用于该芯的安装元件，该芯被分成一连串单独的磁芯，这些磁芯通过保持元件相对于彼此被布置和固定，使得该一连串单独的磁芯的端部彼此重叠，并且其中该一连串单独的磁芯在至少两层中相对于彼此偏移。

在US20180342895 A1中所提出的方案试图通过锯齿形部件或交错形部件使磁芯改道来避免在各个磁芯之间的间隙中发生的磁通量的泄漏。这产生刚性，并且由于一组芯的有效磁导率低于单个芯的有效磁导率并且没有间隙，因此品质因数Q很低。其缺点是条形电感组件的高度增加了一倍。另一方面，天线可以抵抗冲击。

其他已知的解决方案包括由弹簧压缩的圆柱形磁芯元件，或者使用受保护和封装的非晶或纳米晶体材料。

已经发现，已知的天线具有沿着磁芯的恒定的横截面积，并且为了提供远程天线，磁芯是通过将若干较小芯的部件组装在一起而形成。

这是因为，由于“香蕉效应”，长芯的制造非常复杂。这包括如果部件(pieces)在大小上存在很大差异，铁氧体和陶瓷在高温下经过烧制或烧结时的弯曲而变形。理想地，球体或立方体没有这种效应，但在X、Y和Z轴上的大小差异越大，烧结产生的收缩力的差异越大。这些是变形和不规则的部件，具有类似于香蕉的曲线，因此盎格鲁-撒克逊(Anglo-Saxon)命名为“香蕉效应”。

铁氧体的长度远大于宽度和高度，其中Y/X比可以是5到12倍，该铁氧体非常脆弱，并且其热变化在最长轴(即Y轴)上的产生更大的伸长率(elongation)。

Y轴上的因膨胀导致的伸长率在轴上产生压缩，影响铁氧体的磁导率，从而影响天线的电感(inductance)L，导致LC箱的谐振频率的偏差。这实际上减小了天线的范围，并会由于谐振频率的偏差而使其无法直接工作。

相同的各向异性效应由低温收缩产生，低温收缩在Y轴上更为明显，并且产生相反符号的偏差，具有相同的不期望效应。

这些不需要的效应(即在磁化期间的形状或尺寸变化)发生在所有铁氧体和铁磁材料中，被称为磁致伸缩效应。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有高机械可靠性、热稳定性、远程和抗冲击影响的远程低频天线。

为此，本发明提出了使用细长刚性天线/电感器，该细长刚性天线/电感器包括由一个(在某些情况下，可选地为两个或更多个)元件组成的芯、或者通过其端部以接合的方式连接的刚性铁磁芯，形成刚性组件，但是能够吸收跌落和振动，而不会影响电感器的完整性。

在本发明的上下文中，“细长电感器”可理解为由简单或复合的磁芯形成的电感器，该磁芯的L/D比(即，长度与直径之比)在30-45之间。在芯的矩形截面的情况下(根据Huebscher)，(液压)直径相等：

d_e＝1.30(a b)^0.625/(a+b)^0.25

其中a和b是矩形的边。

L	a	b	d<sub>e</sub>	L/D	μ<sub>rod</sub>	范围	磁芯
								70	7	3	4,90	14,28	115	短程	刚性
120	8	4	6,09	19,69	180	中程	刚性
								150	10	4	6,74	22,25	190	中程	刚性
250	12	4	7,31	34,22	390	远程	刚性/柔1性0
								300	17	3	7,18	41,80	500	远程	刚性/柔性
500	17	3	7,18	69,67	1100	超远程	柔性

表1。

对于3000<μi<4000的μ_rod(初始磁导率在3000-4000之间的磁芯材料的有效磁导率)；

其中：

-L：电感(亨利)

-μ₀：真空的磁导率：4π10^-7N/A²

-μ_rod：有效磁导率

-N：匝数

-A：横截面

-L：长度

表1示出了基于芯L/D比对最终电感的影响，图3示出了由有效磁导率的变化而引起电感变化的敏感程度。可以看出，对于给定磁性材料，有效磁导率相对于L/D比呈对数变化。

本发明的目的是通过具有以下特征的天线来实现的。

在一实施例中，所提出的远程低频天线或电感器包括：细长磁芯，特别是硬的；线圈，围绕细长磁芯；绕线架；细长磁芯被引入所述绕线架的腔中；以及外壳，以防水的方式包覆模制在绕线架上。

所提出的天线还包括位于细长磁芯的一端处的阻尼器。特别地，阻尼器由弹性且热稳定的化合物制成，该化合物包括树脂和由天然矿物填料形成的第一填料。

因此，细长磁芯的纵向膨胀、收缩、机械冲击和振动被阻尼器吸收，从而避免对线圈的电感变化的影响。所提出的解决方案防止细长磁芯断裂，并且还防止其在线圈的电感断裂的情况下产生线圈电感的变化。

在一实施例中，细长磁芯由彼此对接连接(butt to butt connected)的若干细长磁芯部分构成。对接连接(部)还可包括不同的自粘铁磁片加强件。此外，还可以提供沿着若干不同区域围绕细长磁芯部分的弹性环状保持件。

在一实施例中，天线具有两个阻尼器，每个阻尼器抵靠细长磁芯的末端定位。或者，天线包括连续地或离散地抵靠细长磁芯的壁定位的若干阻尼器。

在一些实施例中，天线还可以包括完全覆盖细长磁芯的阻尼器，从而为后者提供壳体。

根据本发明，天然矿物填料可以包括细分的石英、石英岩、大理石、砂石和/或碳酸钙。第一填料可以以50％与90％之间的比例被包括或存在于弹性且热稳定化合物中。在一些实施例中，天然矿物填料可以包含粒度不同的两种或多种不同填料。

在一实施例中，弹性且热稳定的化合物还包括第二填料，该第二填料包含给定量的氢氧化铝。例如，相对于弹性且热稳定化合物的总重量，给定量的氢氧化铝可以被包括在1％与5％的重量范围内。

在一实施例中，细长磁芯的长度在200mm–500mm之间。

在一实施例中，绕线架由两个独立的中空部件构成，这些中空部件被构造为通过在每个部件的边缘上形成的多个相互连接的特征部而相互啮合。或者，绕线架由单个部件构成，该单个部件具有在绕线架的至少一个末端上形成的通孔，以便于细长(elongated,长形的)铁氧体磁芯的引入。特别地，绕线架的外侧壁被刻有凹槽或包括狭槽，细长磁芯的线圈的导线穿过该凹槽或该狭槽定位。

外壳在绕线架上的包覆模制可以通过例如将能够硬化的热塑性材料注射到模具中来实现，从而形成防漏罩。可以采用已知的技术来进行包覆模制，例如在EP 472199A1、US5514913中公开的使用可伸缩定位销将外壳保持在模具中或将外壳封装到能够在热塑性材料硬化时变形的柔性封套或罩中等。

附图说明

参考附图，根据以下对实施例的详细描述将更全面地理解前述和其它优点和特征，这些附图必须被认为是说明性和非限制性的，在附图中：

图1是根据本发明的一实施例的构成所提出的远程频率天线的组件的分解图。

图2是根据本发明的另一实施例的构成所提出的远程频率天线的组件的分解图。

图3是示出由于有效磁导率的变化而引起电感变化的敏感程度的曲线图。

具体实施方式

参考图1，其中示出了所提出的远程频率天线(以下称为天线)的实施例。根据该实施例，天线包括：外壳1；绕线架2、3，由两个独立中空部件(即类似三明治结构)构成，这些中空部件被构造成通过形成在每个部件2、3的边缘上的三角形互连特征部而相互啮合；单片细长磁芯(monolithic elongated magnetic core)5；以及阻尼元件4。

细长磁芯5可以通过渐进式切割工艺的应用，借助一定体积的压制(>300T)和烧结后的磁性材料的制造工艺来制造，从而避免了在这类型芯的正常制造过程中发生的“香蕉效应”和浪费。

特别地，细长磁芯5由软磁材料形成。芯是铁氧体(通常为MnZn)的平行六面体，长度大(特别地在200mm-500mm之间)，但宽度小，厚度最小，以避免烧结过程的“香蕉效应”。

在一实施例中，细长磁芯5通过以下步骤获得：通过压制和烧结工艺获得块；通过粘着元件和设置在其一侧的金属支撑件封装超级块(super-block)；以所需尺寸的细长块切割超级块。用金刚石刀片缓慢且精确地进行切割，始终控制铁氧体的切割深度、渗透和磨损。用冷却液冷却并监控整个工艺过程。超级块的封装允许切割同时进行，一旦细长部件被切割后，就不会丢失剩余部件的定位。一旦可以获得细长磁芯5，就可以配置设计和最终组装工艺，以及选择与铁氧体直接或紧密接触的材料，以确保最小的变化(<5％)。

返回参考图1，细长磁芯5接收围绕其缠绕的线圈8(参见放大视图I)。特别地，线圈8由铁磁材料的导线构成，并且沿着在绕线架2、3的外侧壁上刻有或具有的凹槽或狭槽而定位。凹槽或狭槽允许线圈8的导线的可自调节的附接，并且便于导线在制造或应力过程期间不侧向移动。

为了组装图1的天线的不同组件，在一实施例中，一个阻尼元件或阻尼器4被放置在细长磁芯5的每一末端处，并且一个阻尼器4被放置成完全覆盖细长磁芯5。然后，将细长磁芯5引入绕线架2、3的腔内，沿着所引用的凹槽或狭槽与线圈8的导线接合。一旦绕线架2、3闭合，外壳1就以防水的方式包覆模制在绕线架2、3上。

应当注意的是，在其他实施例中，在这种未示出的情况下，所提出的天线包括单个阻尼器4，该单个阻尼器仅位于细长磁芯5的一末端处。所提出的天线还可以包括多个阻尼器4，该多个阻尼器位于抵靠细长磁芯5的侧壁、上壁和/或底壁。不同的阻尼器可以彼此连续地或离散地定位。

一个或多个阻尼器4由弹性且热稳定的化合物制成，特别是由树脂(例如基于硅氧烷或硅树脂)以及天然矿物填料(例如特别是细分的石英、石英岩、大理石、砂石、碳酸钙等)制成。该化合物具有在-40℃至85℃的典型温度变化条件下，使细长磁芯5上的疲劳或压力最小化或降低到0的组合的硬度和膨胀系数。这意味着所谓的“维拉里”(Vilary)效应(是焦耳磁致伸缩的逆效应)不会发生。因此，通过在所提出的天线中包括一个或多个阻尼器4，可以吸收细长磁芯5的纵向膨胀、收缩、机械冲击和振动，从而避免对线圈8的电感变化的影响。

所述第一填料在弹性且热稳定化合物中的比例可以在50％与90％之间变化。在一些实施例中，计划使用具有不同粒度的不同天然矿物填料。

在一些实施例中，弹性且热稳定化合物还可以包括由给定量的氢氧化铝或其衍生物制成的第二填料。相对于包括树脂的弹性且热稳定化合物的总重量而言，给定量的氢氧化铝可以被包括在1％-5％的重量范围内。

在一些实施例中，外壳1可以通过HPM技术包覆模制。也就是说，具有绕线架的动态保持件的整体包覆模制允许在使用玻璃纤维负载(通常为PA66或PBT)的热稳定聚合物进行注射的最后阶段中没有孔隙，因此，以动态的方式移除支撑件，并且使绕线架在铸件上浮动，而不留支撑点。从而，能够保证外壳的机械刚度、抗冲击性和全防水性。

参考图2，其中示出了所提出的天线的另一实施例。与图1的实施例不同，在这种情况下，细长磁芯5包括对接连接的多个细长磁芯部分5A、5B、5C。此外，天线包括两个阻尼器4，细长磁芯5的每一末端各一个。

各部分5A、5B、5C在其端部具有弯曲设计(凹凸)。该弯曲设计提供了双重功能，一方面，降低了对冲击(impact)和跌落的敏感性，并且另一方面，在这些部分之间提供了更大的接触表面，而无需添加结构胶，该结构胶因跌落或弯曲而增加断裂的风险。

部分5A、5B、5C的连接包括厚度在0.1mm与0.4mm之间并且初始磁导率高于200的自粘铁磁片加强件6，该自粘铁磁片加强件具有双重效应，首先，尽量减小细长磁芯磁导率的变化，其次，避免品质因数(Q)和电感的降低。同样地，为了实现细长磁芯5与绕线架2、3之间的机械绝缘，还包括两个或多个弹性环状(例如，环形)保持件/构件7(例如，由硬度低的硅橡胶或粘弹性材料制成)，其用作抵抗外部振动、坠落和弯曲的吸收器。

在一些实施例中，在未示出的情况下，绕线架由单个部件构成，并且在其至少一个侧末端包括通孔，以便于引入细长铁氧体磁芯5。

除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的所有表示测量值、条件等的数字在任何情况下均应理解为被术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和所附权利要求书中所阐述的数值参数是近似值，可以根据由当前公开的专利所寻求的期望特性而变化。

如本文中所用，术语“约”在指代长度、宽度、浓度、百分比等的值或量时，意在涵盖一些实施例中具体数值的±10％的变化，或一些实施例中具体数值的±5％的变化，因为此类变化适于执行所公开的天线。

上述实施例将被理解为本发明的几个说明性示例。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以对实施例进行各种修改、组合和改变。特别地，在技术上可能的情况下，可以在其他配置中与不同实施例中的不同部件方案进行组合。

本发明的范围由随附的权利要求书加以限定。

Claims (15)

1.一种远程低频天线，包括：

细长磁芯(5)；

线圈(8)，围绕所述细长磁芯(5)；

绕线架(2、3)；

所述细长磁芯(5)被引入所述绕线架(2、3)的腔中；以及

外壳(1)，以防水的方式包覆模制在所述绕线架(2、3)上，

其特征在于，所述天线还包括位于所述细长磁芯(5)的一个末端处的至少一个阻尼器(4)，所述至少一个阻尼器(4)由弹性且热稳定的化合物制成，所述弹性且热稳定化合物包括树脂以及包含天然矿物填料的第一填料，由此所述细长磁芯(5)的纵向膨胀、收缩、机械冲击和振动被所述至少一个阻尼器(4)吸收，从而避免对所述线圈(8)的电感变化的影响。

2.根据权利要求1所述的远程低频天线，包括两个阻尼器(4)，每个阻尼器(4)抵靠所述细长磁芯(5)的末端定位。

3.根据权利要求1所述的远程低频天线，包括多个阻尼器，所述多个阻尼器连续地或离散地抵靠所述细长磁芯(5)定位。

4.根据权利要求1或2所述的远程低频天线，还包括一个阻尼器(4)，所述阻尼器完全覆盖所述细长磁芯(5)，以提供壳体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述天然矿物填料包括优选被细分的石英、石英岩、大理石、砂石和/或碳酸钙。

6.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述弹性且热稳定的化合物还包括第二填料，所述第二填料包括给定量的氢氧化铝。

7.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述细长磁芯(5)的长度范围在200mm-500mm之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述细长磁芯(5)由多个细长磁芯部分(5A、5B、5C)对接连接而成。

9.根据权利要求8所述的远程低频天线，其中，每个对接连接包括多个自粘铁磁片加强件(6)。

10.根据权利要求8或9所述的远程低频天线，还包括沿着若干不同区域围绕所述细长磁芯部分(5A、5B、5C)的多个弹性环状保持件(7)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述绕线架(2、3)包括两个独立的中空部件，所述中空部件被配置为经由形成在每个部件的边缘上的多个互连特征部而相互啮合。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的远程低频天线，其中，所述绕线架包括单个部件，所述单个部件具有形成在所述绕线架的至少一个末端上的通孔，以便引入所述细长铁氧体磁芯(5)。

13.根据权利要求11或12所述的远程低频天线，其中，所述绕线架(2、3)的外侧壁刻有凹槽或具有狭槽，所述细长磁芯(5)的线圈(8)的导线通过所述凹槽或所述狭槽而定位。

14.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述天然矿物填料包括粒度不同的两种或更多种不同的填料。

15.根据前述权利要求中任一项所述的远程低频天线，其中，所述第一填料在所述弹性且热稳定的化合物中的比例为50％与90％之间。

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