CN118213747A - 天线和用于传递天线功能的关联耦合器以及相应通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信设备的天线(A)，其包括：基板(100)；天线的馈电点(E)和旨在被连接到接地平面的第一接地点(GND#1)；金属天线元件图案(101)，被印刷在基板的一侧(102)上，天线元件图案(101)形成从馈电点(E)到第一接地点(GND#1)的开环，该环在其中心定义非金属区域(103)；天线(A)适合于单独操作以辐射无线电信号，或者与耦合器(C)相关联地操作，耦合器(C)以拾取由天线(A)辐射的信号这样的方式面对并远离天线(A)设置，耦合器(C)包括与面对它的非金属区域(103)互补的金属区域(203)。

Description

天线和用于传递天线功能的关联耦合器以及相应通信设备
技术领域
本发明涉及天线和用于以无源方式传递天线功能的关联耦合器。它还涉及包括能够与这种耦合器一起操作的这种天线的通信设备。
背景技术
无线电设备通常包括内部天线(通常被完全集成到设备中)和到外部天线的连接，以使得能够根据操作状况，例如当通过无线电天线的接收状况不好时，从一个天线切换到另一个。
为此，这种设备包括两个独立的无线电信道，每个信道被连接到内部天线或到外部天线的连接。为了从一个信道换到另一个，使用射频或机械开关。
这些类型的开关的使用并不令人满意。
具体而言，射频开关要求用于检测外部连接的存在的机制，该外部连接可以证明是昂贵的、笨重的并且通过增加更多衰减而对无线电性能有害。该检测系统还带来功耗的问题(对于电池供电的设备尤其重要)。
此外，与射频开关的情况一样，并入额外非线性元件是不期望的传输或噪声的可能原因。
机械开关的使用是笨重且昂贵的，并且难以并入到印刷电路板中。该解决方案的主要功能缺点是在天线或同轴电缆的错误夹紧的情况下出现机械拍打。此外，无线电路径必然涉及到开关，这引起性能上的额外衰减。
此外，检测系统不是很可靠并且经常产生错误测量，这导致立即的通信丢失。
发明内容
本发明允许解决如上所述的至少一个缺点。
为此目的，根据第一方面的本发明涉及通信设备的天线，其包括：基板；天线的馈电点和旨在被连接到接地平面的第一接地点；金属天线元件图案，被印刷在基板的一侧上，天线元件图案形成从馈电点到第一接地点的开环，该环在其中心定义非金属区域；天线适合于单独操作以辐射无线电信号，或者与耦合器相关联地操作，耦合器以拾取由天线辐射的信号这样的方式面对并远离天线设置，耦合器包括与面对它的非金属区域互补的金属区域。
根据第一方面，本发明有利地通过以下特征单独地或以它们的技术上可能组合的任何组合来完成：
-天线元件图案从馈电点起包括由彼此远离的两个纵向分支组成的第一金属整体图案，横向分支连接这两个纵向分支，第一纵向分支从馈电点延伸，第二纵向分支平行于第一分支从横向分支延伸，天线元件图案包括第二整体图案，第二整体图案从第一接地点延伸并且包括平行并远离第一整体图案的横向分支的横向分支，第二整体图案的横向分支终止于与第一图案的第二纵向分支相距大约1至3mm的距离处而不与它接触。
-非金属区域是矩形的。
-天线包括旨在被连接到接地平面的第二接地点，并且包括从第二接地点延伸的第三整体图案。
-第一图案、第二图案和第三图案被配置为在频带LTE 20和8中操作。
根据第二方面，本发明涉及通信设备的耦合器，该耦合器包括矩形基板，该矩形基板包括印刷在一侧上的耦合图案，耦合图案包括金属区域，该金属区域与旨在以使得耦合器拾取由天线辐射的信号这样的方式面对并远离耦合器的天线的非金属区域互补。
根据第三方面，本发明涉及通信设备，该通信设备包括用于容纳根据本发明第一方面的天线的第一壳体和用于容纳根据本发明第二方面的耦合器的第二壳体，第一壳体和第二壳体以使得天线和耦合器能够彼此面对这样的方式相对于彼此进行配置，耦合器的金属区域然后面对天线的非金属区域，该设备包括两种操作模式：第一操作模式，包括独立操作的天线，用于辐射无线电信号；第二操作模式，包括天线和耦合器用于将由天线辐射的无线电信号传递到适合于被连接到耦合器的外部天线。
根据第三方面，本发明有利地通过以下特征单独地或以它们的技术上可能组合的任何组合来完成：
-第二外壳适合于保持耦合器，该耦合器面对天线并且以1和3mm之间远离天线。
-耦合器包括连接到耦合图案的连接器，该连接器适合于借助于电缆连接到外部天线。
-天线被嵌入盖子中，并且其中用于耦合器的壳体是形成在盖子中的凹槽，耦合器是可移除的。
本发明具有几个优点。
耦合器和天线不接触，因此不需要添加任何额外的连接元件。这在通信设备是希望水密性符合IP67保护的智能水表时是特别有利的。
因此，内部天线当其被单独使用时表现为传统天线，并且当耦合器被面对天线定位时并且在不必改变无线电路径的情况下，通过将信号传送到耦合器来允许信号的传递。耦合器靠近天线的存在使后者作为耦合器操作。因此，有用信号不再由天线直接辐射，而是通过相邻耦合器被传送到远程外部天线。
耦合器和天线不直接接触，这允许两者之间的电隔离(在电表的情况下有用)。此外，从一种操作模式转换到另一种不要求任何电子或软件动作：耦合器的存在使得能够从涉及内部天线辐射的模式转换到涉及耦合到外部天线的模式。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从以下描述中变得明显，以下描述纯粹是说明性的和非限制性的并且必须参考附图来阅读，在附图上：
-图1a、图1b、图1c、图1d和图1e示出了根据本发明的通信设备的几个视图；
-图2示出了根据本发明的天线；
-图3示出了根据本发明的耦合器；
-图4示出了根据本发明的通信设备的侧视图，该通信设备包括天线和面对它的耦合器。
在所有图中，相似的元件具有相同参考。
具体实施方式
图1a、1b、1c、1d、1e示出通信设备D的几个视图，该通信设备包括容纳电子卡6以及电子器件(不可见)的外壳1。外壳1包括底部11和从底部11向上升起的四个壁12(两个在图中可见)。外壳1定义容纳电子器件的体积。天线A，所谓的内部天线，被连接到电子卡6，并允许通信设备D传送和接收信号。如将进一步看到的，内部天线A采用整体矩形形状的板的形式。电子卡6提供通信所要求的所有无线电处理。
这种通信设备D例如是必须远程地获取定期读数的水表。更一般地，应当注意本发明可应用于所有通信设备。
为了促进通信，内部天线A从外壳1突出并且由盖子2保护，盖子2包括用于内部天线A并且关闭外壳1的壳体。盖子2包括主壁21和副壁22，主壁21使得能够在平行于底部11的同时封闭外壳1，副壁22从主壁21突出，内部天线A容纳在副壁22内。因此，副壁22具有足够厚度以容纳内部天线1。
如图1b、1d和1d中所示，具有组装的盖子2和外壳1的通信设备不允许看到内部天线A。
作为补充，盖5被夹子固定到盖子2上，以保护如图1a中所示的整个结构。
外壳1、盖子2和盖5优选地由塑料制成。根据本申请，外壳被填充有防水保护凝胶，以保护容纳在其中的电子器件。这是因为通信设备可能被用作智能水表，并且必须是防水的。
盖子2包括面对并远离副壁22的辅助壁23。副壁22和辅助壁23一起定义凹槽24，该凹槽24使得能够容纳耦合器C，耦合器C采用整体矩形形状的板的形式。这样的耦合器C是可移除的并且被放置在凹槽24中面对内部天线A。凹槽24还包括用于保持耦合器C面对内部天线A的元件。耦合器C例如配备有同轴电缆4可以连接到的同轴连接器3。外部天线Aext被连接到同轴电缆的末端。为将耦合器连接到外部天线Aext，应提供合适的50欧姆连接器。
凹槽24和副壁22的尺寸允许耦合器C被定位在距天线A在1和5mm之间、优选2mm的距离处。换言之，是将耦合器C定位成尽可能靠近天线A以促进由天线A辐射的信号的耦合C的问题。
此外，使凹槽24成形为使得能够准确地定位耦合器C面对天线A，使得耦合是最优的而损耗尽可能少。
此外，耦合器C是不与天线A电接触的无源部件，这使得能够避免通信设备D受损。具体而言，为了定位耦合器C，只是将其放置在为此目的而提供的槽24中的问题。因此，没有必要将其拆卸或与里面的电子器件接触。因此，不更改表示为IP的保护指数(protectionindex)。
这样的通信设备具有两种操作模式。
第一模式包括独立操作的天线A，其使得能够辐射无线电信号(参见图1b和1c)或接收无线电信号。
第二模式包括天线A和耦合器C处于将天线A辐射的信号传递到外部天线这样的方式(参见图1d和1e)。无线电信号的传送/接收通过外部天线Aext进行。
以这种方式，能够将通信设备定位在任何地方，传送/接收发生在距通信设备的一定距离处。
从一种模式到另一种的转换不要求任何软件动作或开关的存在。只是将耦合器C定位在为此目的而提供的凹槽24中的问题。
有利地，通信设备使得其优选地在频带LTE 20和8内(即，在800MHz和900MHz频带内)操作。这些频带尤其是被用于智能仪表领域，例如水表。备选地，是耦合器C和内部天线A的定义使得能够调整操作频带。
天线A
图2详细示出适用于被并入到前述通信设备D的天线A的实施例。
天线A是包括由介电材料制成的基板100的印刷天线，其包括天线A的馈电点E和连接到天线A的接地平面(未示出)的第一接地点GND#1。馈电点E是天线A必须(在传送方向上)辐射的无线电信号的输入点。基板100是整体矩形形状的，并且沿着横向X和纵向Z方向延伸。
在基板100的一侧102上印刷有金属天线元件图案101。金属天线元件图案101例如是铜，并且使用本领域技术人员众所周知的技术进行印刷。
金属天线元件图案101形成从馈电点E到第一接地点GND#1的开环，该环在其中心定义非金属区域103。天线元件图案101形成(事实上几乎闭合的)开环的事实允许无线电信号的辐射。此外，由于图案101几乎是闭环，因此它允许天线耦合到面对它的耦合器C。
非金属区域102优选地是矩形的。可以设想其他形状。
天线A适合于在传送中单独操作以辐射无线电信号，或者与耦合器C相关联地操作，耦合器C被以拾取由天线A辐射的信号这样的方式面对并远离天线A设置，耦合器C在这方面包括与面对它的非金属区域103互补的金属区域203。
天线元件图案101具有适合于在操作频率方面设想的应用的形状。
根据图2中所示的实施例，天线元件图案101从馈电点E起包括由彼此远离的两个纵向分支104、105组成的第一金属整体图案M1，横向分支106连接这两个纵向分支104、105，第一纵向分支104从馈电点E延伸，第二纵向分支105平行于第一分支104从横向分支106延伸。该第一图案M1主要是U形的。构成第一图案M1的不同分支具有不同的厚度。
第四分支114在此存在于U的横向分支106的延伸部中。
第二整体金属图案M2从被连接到接地平面的第一接地点GND#1延伸。它包括从第一点GND#1延伸的纵向分支107，该纵向分支107之后是平行并远离第一整体图案M1的横向分支106的横向分支108，第二整体图案(M2)的横向分支108终止于与第一图案M1的第二纵向分支105相距大约1至3mm的距离处而不与它接触。换句话说，第二图案M2使得能够与第一图案M1形成开环，并且根据天线A的期望辐射进行适配。
第三金属图案M3从天线A的第二接地点GND#2延伸并且使得能够调节天线A的适配：纵向分支109从第二接地点GND#2延伸，该纵向分支109之后是平行于第一图案M1的横向分支106的横向分支110。
耦合器
图3详细示出适用于被并入到前述通信设备D的耦合器C的实施例。
耦合器C包括基板200，该基板由介电材料制成并且包括印刷在一侧202上的耦合图案201。耦合图案201包括金属区域203，该金属区域与旨在以使得耦合器C拾取由天线A辐射的信号这样的方式面对并远离耦合器C的天线A的非金属区域103互补。金属区域203通过纵向分支延伸，该纵向分支通过连接器300连接到耦合器C的输出S。连接器300是50欧姆适配的。
基板200具有突起200b从其延伸的矩形部分200a，该突起使得能够连接耦合器C的同轴连接器3并且尤其是连接到耦合器C的输出S。连接器3被放置在与上面印刷有耦合图案201的那一侧相反的一侧上。连接器3本身被连接到与外部天线Aext连接的同轴电缆。
因此，耦合图案201主要具有从其延伸分支204、205、206、207、208、209的矩形金属区域203，使得能够调节耦合器C的适配并提供耦合器C到连接器3的连接。因此，金属区域203被环包围。纵向分支205、209被印刷在基板上以面对天线A的被连接到接地点GND#1、GND#2的分支107、109。分支205、209还使得能够检测来自于天线A的信号并且因此改善耦合。
矩形金属区域202当其面对天线A的非金属区域时，使得能够拾取由天线A辐射的信号并将其递送到耦合器的输出S(在传送中)。
金属区域的形状由天线A的必须面对它的金属区域决定。
天线和耦合器
图4示出天线A和耦合器C的布置。当耦合器C被面对天线A定位时，天线的接地点面对耦合器C的接地点(其是同轴连接器的那些接地点)。此外，连接到天线A的输入点的第一图案M1的分支104面对将耦合器C的金属区域203连接到耦合器C的输出点S的分支204。此外，印刷部分当然彼此面对。
因此，无论天线A是单独还是与耦合器C一起，无线电路径是相同的。
应用
上述设备被有利地用作智能水表，并且特别是用在该表的位置不允许良好的无线电链路时(例如，在地下室中的表)。在这种情况下，最重要的是能够将无线电功能传递到以接收无线电信号这样的方式审慎定位的外部天线。
此外，已经生产并测试了根据本发明的设备。在采用单独天线A的模式中，反射参数S11的测量确实覆盖预期频带：LTE 20和8。当天线A与耦合器C一起操作时，测量的传输损耗S21是可接受的(大约3dB)。

Claims (8)

1.一种通信设备(30)，包括用于容纳天线的第一壳体(22)和用于容纳耦合器(C)的第二壳体(24)，
所述天线包括：
基板(100)；
所述天线的馈电点(E)和旨在被连接到接地平面的第一接地点(GND#1)；
金属天线元件图案(101)，被印刷在所述基板的一侧(102)上，所述天线元件图案形成从所述馈电点(E)到所述第一接地点(GND#1)的开环，所述环在其中心定义非金属区域(103)；
所述天线(A)适合于单独操作在第一模式以辐射无线电信号，并且与耦合器(C)相关联操作在第二模式，所述耦合器面对所述天线(A)并且在与所述天线(A)相距一定距离处设置，
所述耦合器(C)包括矩形基板(200)，所述矩形基板包括被印刷在一侧上的耦合图案(201)，所述耦合图案(201)包括金属区域(203)，所述金属区域与旨在以使得所述耦合器(C)拾取由所述天线(A)辐射的信号这样的方式面对并远离所述耦合器(C)的所述天线(A)的非金属区域(103)互补，
所述第一壳体和所述第二壳体以使得所述天线和所述耦合器能够彼此面对这样的方式相对于彼此进行配置，所述耦合器的金属区域(203)然后面对所述天线(A)的所述非金属区域(103)，所述设备包括两种操作模式：
第一操作模式，包括所述天线(1)单独用于辐射无线电信号，
第二操作模式，包括所述天线(A)和所述耦合器(C)处于拾取由所述天线(A)辐射的信号这样的方式，用于将由所述天线(A)辐射的无线电信号传递到适合于被连接到所述耦合器(C)的外部天线。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述天线元件图案(101)从所述馈电点(E)起包括由彼此远离的两个纵向分支(104、105)组成的第一金属整体图案(M1)，横向分支(106)连接所述两个纵向分支(104、105)，第一纵向分支(104)从所述馈电点(E)延伸，第二纵向分支(105)平行于所述第一分支(104)从所述横向分支(106)延伸，所述天线元件图案(101)包括第二整体图案(M2)，所述第二整体图案从所述第一接地点(GND#1)延伸并且包括平行并远离所述第一整体图案(M1)的所述横向分支(105)的横向分支(107)，所述第二整体图案(M2)的所述横向分支(107)终止于与所述第一图案(M1)的所述第二纵向分支(105)相距大约1至3mm的距离处而不与它接触。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述天线包括旨在被连接到接地平面的第二接地点(GND#2)并且包括从所述第二接地点(GND#2)延伸的第三整体图案(M3)。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述天线的所述第一图案(M1)、所述第二图案(M2)和所述第三图案(M3)被配置为在频带LTE 20和8中操作。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述天线的所述非金属区域(103)是矩形的。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二壳体适合于保持所述耦合器(C)面对所述天线(A)并且以1和3mm之间远离所述天线(A)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述耦合器(C)包括连接到所述耦合图案(201)的连接器(3)，所述连接器(3)适合于借助于电缆(4)连接到外部天线(Aext)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述天线(A)被嵌入在盖子中，并且其中用于所述耦合器的壳体是形成在所述盖子中的凹槽(24)，所述耦合器是可移除的。
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