CN210137013U - Lf发射天线 - Google Patents

Abstract

发射天线，其包括：长形磁芯(10)，其具有彼此相对的第一端部(11)和第二端部(12)以及在第一端部与第二端部之间的中心部(13)，所述长形磁芯(10)限定纵向轴线(A)；以及线圈(20)，其由导电线制成，该导电线缠绕围绕所述纵向轴线(A)的长形磁芯(10)的至少一部分；其中长形磁芯(10)具有从长形磁芯(10)的第一端部(11)朝向所述中心部(13)减小的垂直于纵向轴线(A)的横截面，磁通被集中在中心部(13)中，以产生增强的范围。

Description

LF发射天线

技术领域

本实用新型涉及单轴LF(低频)发射天线，其包括沿着第一方向延伸的长形(elongated，细长)磁芯，天线线圈缠绕围绕在所述长形磁芯上。

在本文件中使用的LF频率将被理解为从20KHz到500kHz的频率(通常专用的LFRFID频率为20KHz、125KHz和134KHz)。

本实用新型旨在增加发射天线的有效范围，并且同时，与本领域已知的提供能够增加所有单轴LF天线性能的方案的其它LF长形天线相比，显著地减小其磁芯的长度，并且特别有助于通过提高发射和接收范围将中范围(Mid-Range，中距离)天线变为长范围天线。

在这样做时，本实用新型提供了一种在短范围LF天线的尺寸和成本下获得中范围LF天线性能的方式，由此在保持尺寸和低成本的同时增加至少50％的发射和接收性能，并且在新一代LF通信项目的经济、性能、环境影响、组件数量和可扩展性方面具有明显优势，这些通信项目主要地、但并非仅仅旨在于汽车PKE(Passive Keyless Entry，被动式无钥匙进入)、KGO(Keyless Go，无钥匙进入)、KES(Keyless Entry Systems，无钥匙进入系统)或LF V2V(车对车)通信。

本实用新型主要旨在提供无钥匙进入系统和其它的LF通信系统。

本实用新型的原理在LF电磁感应领域中的另一个应用是其对于低剖面3轴发射天线的扩展，作为在保持它们的尺寸的同时非常显著地增加它们的性能的方式，或者作为减少它们的尺寸的方式。

背景技术

低频RFID通信系统通常通过使用产生高磁场H的电力系统，在连接到电源(电池或网络)的发射或传输天线Tx以及具有接收天线或Rx天线的无源标签或系统中工作，该接收天线或Rx天线对小(磁)场非常灵敏并且给标签电子器件供能以激活响应功能。这种系统或标签的示例是应答器(Transponder，收发器)，该应答器在其存储器中包含有ID码，并且在被询问时会将其传送回发射器。在多数情况下，汽车中的标签是防盗应答器或钥匙卡(Keyfob)。

系统可以在下列不同的特定空间模式(volumetric modes，体积模式)下工作：

·1D(一维，X、Y或Z方向)

oTx天线和Rx天线仅在一个坐标方向x、y、z上传输和接收；

·混合Tx 1D，Rx 3D

oTx天线仅在一个空间坐标方向上发射，但是Rx天线包括可以3D(x、y、z)接收的3D线圈(线圈在三个正交轴线上)；

·混合3D，+2Tx 1D，Rx 3D

o在不同位置(x、y、z)和定向(通常x、y)上的若干个长1D Tx天线与3D Rx天线(x、y、z)一起工作；

·全3D

o3D TX发射器和全3D接收器。

用于1D和混合系统的Tx发射天线的特点在于以下特征：

·它们必须发射高强度场H。

·它们必须承受高电流。

·它们通常结合本地电容(在天线上)或中央电容(在电子控制单元ECU上)在操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NxI(每个电流的回路数)，其确定磁饱和阈值Bsat(在饱和点处软磁芯内的最大感应值)以及是什么导致了这些具有低回路数以及100μH到800μH量级的低电感的天线。

·因此，线圈通常由几圈(80至150)直径在0.1mm到1mm量级的一层粗线制成。

·它们通常在物理上大而长(50mm到500mm)，并且根据它们的长度和范围被分类为3组：

o短范围(长度50mm-100mm)读取范围1-2m；

o中范围(长度100mm-200mm)读取范围1.5-3m；

o长范围(长度200mm-500mm)读取范围>3m。

关于本实用新型所指的低频发射天线LF：

·品质因数和灵敏度并不重要。

·比率L/D即长度/直径(或等效直径或平均宽度，在方形或矩形的情况下)非常高(通常大于10)，以便最大化芯中的有效导磁率的效应。铁氧体磁芯(其还可以具有任何其它软磁性材料，例如纳米晶、非晶态金属或PBM)的特定形状也旨在最大化构造有这种芯的天线的电感、灵敏度和范围。

有许多LF传输天线的专利和专利申请，其中的一些被详列于下，仅供参考：US5396698、US2003/0122725A1、US2003/0184489A1、DE102006003999A1、US2004/0252068A1、US2012/0176215A1、US2016/0315388A1、US2017/0062915A、US2017/0263368A1、US2007/0075913A1、FR2892566、EP1641073B1、EP3192084A1、EP3089176B1、CN204011727U。

在任何情况下，现有技术发方案的回顾证明，在所有情况下，它们提出的都是沿着芯具有恒定的横截面形状和面积的芯。

如上所述，中范围天线比短范围天线长，而长范围天线又比中范围天线更长。

较长的装置在提供较长的范围方面具有明显的优点：

较低的组件数量，因此具有：

·较高的系统可靠性；

·较低的组装成本；

·较低的总系统成本。

然而，由于铁氧体的固有脆性，较长的天线需要较长的芯，其具有若干缺点：

·非常脆；

·非常差的热稳定性；

·降低的机械性能；

·非常差的抗弯性；

·非常差的抗扭性。

为此，存在成本和可制造性的以下挑战：

·因为在烧结过程中在收缩(shrinkage)期间的“香蕉效应”，长铁氧体磁芯的生产变得至关重要。

·高L/D比率的小的缩小(contraction)和扩大(dilatation)对有效导磁率产生很大的影响，由此导致L和SRF参数在温度范围上缺乏稳定性。

·采用塑料外壳和/或树脂对芯的机械保护变得昂贵和至关重要，因为组合的热系数是至关重要的。

·由于工具和模具更大且更复杂(较高的投资成本)，而生产能力因脆性和较低机械阻力而低于较小的部件，因此制造成本飙升。

然后，如果这些天线的成本远高于其短范围的等同物，则材料和工艺的成本又会高出很多，从而降低了每辆车具有较低部件数量的优势，并且通过使用较少天线来降低总系统成本的逻辑会被破坏。

因此，需要找到一种实现中范围和长范围天线的所有优点的方案，又没有脆性、昂贵的材料、工艺和投资、以及临界温度和机械性能的上述缺点。

本实用新型的目的在于提供一种LF发射天线，其具有中范围天线的所有优良的特征，同时保留并保持短范围天线的所有优良的特征(成本效益、机械性稳健以及热稳定)。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种LF发射天线，其包括具有可变横截面面积的芯，在一优选实施例中，该横截面面积在天线的两个末端处最大而在天线的安置线圈的中心处最小。

众所周知，对于恒定的H场，感应值B与磁场线的密度和材料的有效导磁率成比例。对于相同的磁性材料和相同的匝数(相同的线圈N＝常数)，在芯的具有一半横截面面积的部分中的感应值B是双倍的。这样，减小截面的芯将集中磁场，以在横截面面积最小的位置处最大化感应值B。因此，在芯的最窄点处的感应值B显著地高于最宽点处的感应值。相对于其它具有恒定横截面的芯的LF磁性长形芯天线，这种磁通集中的效应还将提高LF天线的范围，这是因为伸出到芯外部的磁场强度是磁芯中的磁场强度和磁场沿着芯的长度的分布的函数。

磁芯天线通常包括磁性材料制成的长芯，线圈被设置在该长芯上。线圈包括诸如导线的导体，其围绕芯的长度均匀地设置以形成线圈。

如前面所解释的，单轴LF发射天线包括：

·长形磁芯，其具有彼此相对的第一端部和第二端部以及在第一端部与第二端部之间的中心部，所述长形磁芯限定跨越所述第一端、中心部和第二端的纵向轴线；以及

·线圈，缠绕包围所述纵向轴线的磁芯的至少一部分。

长形磁芯具有通过所插置的中心部而间隔开的两个相对端部，所述三个部是连续的，并且沿其限定纵向轴线。所述纵向轴线以长形磁芯的几何中心为中心并且垂直于长形磁芯的横向截面。

线圈将由导电线制成，其端部将被连接到电子控制电路或电源。

通过线圈的电能的受控循环将在长形磁芯中产生磁场。

根据本实用新型，长形磁芯从磁芯的第一端部朝向所述中心部将具有减小的横截面(垂直于纵向轴线)，使得磁通被集中在中心部中，因此产生增强的传输范围。

就是说，长形磁芯在第一端部的横截面面积远大于在中心部的横截面面积，这被称为“狗骨”形状，从而提供具有窄的中心部以及至少在第一端部、但优选在相对的第一端部和第二端部两者使长形磁芯加宽的长形磁芯。

这个在第一端部中增加的横截面面积产生了在长形磁芯上产生的伸出到芯外部的磁场的放大效果，亦即，与具有呈相同长度但并无所述减小的横截面的长形磁芯的发射天线相比，在信号接收区域内产生能够从更长的距离探测的非常强的信号。

根据本实用新型的一实施例，长形磁芯还具有从磁芯的第二端部朝向所述中心部减小的垂直于纵向轴线的横截面。在这种情况下，两个相对的端部具有的横截面面积比中心部的横截面大。在这种情况下，增加了放大效果。

所述减小的横截面优选限定逐渐减小的横截面，其具有面积减小的多个连续的横截面，每个横截面都垂直于纵向轴线。逐渐减小的横截面产生非阶状体。

还提出，所述多个连续的横截面是圆形横截面。在此情况下，所述逐渐减小的横截面也能够在长形磁芯上(例如在第一端部上或者在第一端部和第二端部两者上)限定锥形表面区域，所述锥形表面区域将具有朝向长形磁芯的中心部被截切和指向的顶部。

包括第一端部和第二端部两者，对应于两个截头顶部的所述锥形表面区域将彼此连接，两个锥形表面区域的一部分限定长形磁芯的中心部，或者替代地，所述两个截头顶部将被连接到圆柱形的中心部的相对端。

替代地，提出所述减小的横截面的至少一部分的形状通过围绕纵向轴线由凹形曲线获得的旋转体限定，从而在长形磁芯上产生弯曲凹入的旋转表面区域。这个形状可以仅覆盖第一端部的一部分，第一端部和第二端部两者，或者第一、第二和中心部。在这种情况下，较大的横截面区域可以出现在外部H场，然后增加通过芯的磁通Φ，以便引导最大数量的场线通过由芯提供的低磁阻路径。

作为替代，提出所述多个连续的横截面是多边形的横截面，例如三角形、方形、六边形、八边形或任何其它规则或不规则的凸多边形。

在这种情况下，所述逐渐减小的横截面能够在长形磁芯上限定例如金字塔形的表面区域，其通过与多边形横截面的侧边数量相比具有相同数量的三角形面的金字塔来产生。

替代地，提出金字塔形的表面，其具有替代平坦三角形面的三角形凹曲面。

如在前述实施例中那样，所述金字塔形的表面将具有指向中心部的截头顶部。该截头顶部将被连接到具有截头顶部的对称金字塔，或者连接到具有诸如棱柱形状的不同形状的中心部。

根据本实用新型的附加实施例，所述逐渐减小的横截面限定其它几何形状，如：

·在长形磁芯上的弯曲凹表面区域；和/或

·在长形磁芯上的具有多面的凹表面区域；和/或

·在长形磁芯的表面区域上的锥形表面的至少一部分；和/或

·在长形磁芯上的弯曲凹表面区域的至少一部分。

凹表面区域是被凹形表面覆盖的区域。所述凹表面可以是弯曲的，或者替代地是多面的(包括若干个平面)。

在上述任一实施例中，中心部可以具有恒定的垂直于纵向轴线的横截面，减小的横截面仅影响第一端部和/或第二端部。替代地，所述减小的横截面还可以被部分地限定在所述中心部上。

在所有实施例中，长形磁芯关于纵向轴线(A)对称，并且第一端部和第二端部包括凸端面。

上述线圈能够围绕长形磁芯的中心部，并且不覆盖第一端部和第二端部。但是还可设想的是，所述线圈能够围绕长形磁芯而且全部或部分地覆盖第一端部和第二端部。

还可设想的是，线圈被分段成沿着芯延伸的彼此间隔开的若干个连续的线圈。

根据一替代实施例，长形磁芯包括两个相对的平行表面，上表面和下表面均沿着第一端部、中心部和第二端部延伸。长形磁芯具有所述两个平行面以及由侧面处的凹槽构成的减小的横截面，以确定长形磁芯具有恒定的厚度和可变的宽度。

还提出，第一端部和第二端部包括凸形的端面，所述端面是长形磁芯的两个彼此相距较远的区域。

长形磁芯可以是：

·由链接在一起形成链的多个部分磁芯制成的柔性磁芯；或

·被柔性聚合物套包围、且由链接在一起形成链的多个部分磁芯制成的柔性磁芯；或

·由固化的聚合物介质制成的柔性磁芯，该固化的聚合物介质包括平行于所述纵向轴线的铁磁柔性线。

所提出的这三个方案中的任一个将提供一种柔性长形磁芯，其附加地防止长形磁芯破裂的任何风险。

长形磁芯在纵向轴线方向上的长度是长形磁芯在垂直于所述纵向轴线的方向上的平均宽度的至少五倍。

根据一优选实施例，所述长形磁芯具有至少50mm的长度。

所产生的低频发射天线可以覆盖有电绝缘材料，以便保护低频发射天线的布置。

应该理解，对几何位置(诸如平行、垂直、相切等)的参照允许从由该术语限定的理论位置偏差±2°。

还应该理解，所给出的任何数值范围在极值中不可能是最佳的，并且可能需要适应性修改本实用新型以能够适用于这些极值，这些适应性修改在本领域技术人员的能力范围之内。

本实用新型的其它特征将从下面对实施例的详细描述而明显。

附图说明

从以下参考附图对实施例的详细描述将更全面地理解前述和其它优点及特征，这些描述应被认为是说明性而非限制性的，其中：

图1示出了根据第一实施例所提出的LF发射天线的俯视图、侧视图和前视图，其包括围绕长形磁芯的中心部的线圈，所述长形磁芯具有第一端部和第二端部以及在第一端部与第二端部之间的中心部，所述长形磁芯具有两个相对的平坦且平行的顶面和底面、两个凸端面以及两个弯曲凹侧面；

图2示出了根据第二实施例所提出的LF发射天线的俯视图、侧视图和前视图，第二实施例类似于第一实施例，但是具有两个具有多面的凹侧面；

图3示出了根据第三实施例所提出的长形磁芯的俯视图、侧视图和前视图，第三实施例与第一实施例相似，但是具有两个弯曲凸端面；

图4示出了根据第四实施例所提出的长形磁芯的俯视图、侧视图和前视图，其中所述长形磁芯具有可变的方形横截面，其限定上、下和侧弯曲凹面，每个面都具有可变宽度，带有窄中心部以及两个凸端面；

图5示出了根据第五实施例所提出的长形磁芯的侧视图和立体图，其中所述长形磁芯具有可变的圆形横截面，其限定彼此连接的两个锥形区域，从而限定空竹形状，以及具有两个凸端面；

图6示出了根据第六实施例所提出的长形磁芯的侧视图和立体图，其类似于图5所示的长形磁芯，但是包括连接在长形磁芯的所述两个锥形区域之间的圆柱形区域；

图7示出了根据第七实施例所提出的长形磁芯的侧视图和立体图，其类似于图2所示的长形磁芯，但是该长形磁芯是通过连接在一起形成柔性链的多个部分磁芯构造而成的。

具体实施方式

从以下参考附图对若干实施例的详细描述将更全面地理解前述和其它优点及特征，这些描述被认为是说明性而非限制性的，其中：

在所有提出的实施例中，已经显示低频发射天线包括长形磁芯10，线圈20缠绕围绕长形磁芯，线圈20位于中央核心区域中，其仅作为示例而非作为限制。

长形磁芯10具有比该长形磁芯的其它尺寸长的主尺寸，其限定纵向轴线A，并且包括处在其相对端的第一端部11和第二端部12，这两个端部通过中心部13彼此连接。

所述长形磁芯10具有可变横截面，亦即，长形磁芯的横截面根据所述横截面沿着芯的长度的测量位置而具有不同的面积。

应该理解，横截面是长形磁芯的垂直于纵向轴线A的任一截面。

如前面所解释的，可变横截面的面积从长形磁芯10的第一端部11朝向所述中心部13、并且还从第二端部12朝向中心部13减小，使得中心部是横截面尺寸较大程度被减小的部位。这种特殊配置确定了磁通的集中发生在所述中心部13中。这个效果还产生了所提出低频发射天线的增强的改进范围。

线圈20可以仅围绕长形磁芯10的中心部13来缠绕，如图1和图2所示，或者还可以被缠绕成局部地或全部地覆盖第一端部11和第二端部12。

在所有实施例中，长形磁芯10关于纵向轴线A对称。

根据图1-图6所示的实施例，长形磁芯10由铁磁材料制成，或者由固化的聚合物介质制成，该固化的聚合物介质包括平行于长形磁芯的纵向轴线A的铁磁柔性线，以产生柔性长形磁芯。

根据图7所示的第七实施例，长形磁芯10是由链接在一起形成柔性链的多个部分磁芯15制成的柔性磁芯，其可选地可以被柔性聚合物套包围。

就长形磁芯10的形状而言，提出有很多不同的形状，其都产生了期望的低频发射天线的范围增大。

根据图1、图2和图3所示的第一实施例、第二实施例、第三实施例以及图7所示的第七实施例，长形磁芯10是扁平磁芯，其具有两个相对的平行表面，所述长形磁芯10具有恒定的厚度。

在那些情况下，横截面尺寸的减小将通过形成两个凸横向侧的长形磁芯10的可变宽度来获得。

在图1和图3中，所述凸横向侧限定两个对称的弯曲凸区域，所述弯曲凸区域是连续的，且包含第一端部11、中心部13和第二端部12。

根据图2和图7所示的替代实施例，所述两个凸横向侧是具有多面的横向侧。

替代地，提出长形磁芯10的形状是旋转体，例如两个以纵向轴线A为中心并通过其截头顶部连接的截锥，以形成空竹形的长形磁体10，如图5所示。

可选地，一圆柱形部分可以被插入到所述两个锥形部分之间，如图6所示。

根据另一实施例，长形磁芯将具有多边形的横截面，例如方形，如图4所示。

在这种情况下，可变横截面可以产生弯曲的凸面，或替代地产生具有多面的凸表面。

最后，就长形磁芯10的端面14而言，其是长形磁芯10的彼此间隔较大的面而且是凸表面。

应当理解，本实用新型的一个实施例的各个部分可以与其它实施例中描述的部分自由地组合，即使所述组合没有被明确地描述，只要在这种组合中不存在危害即可。

Claims (14)

1.LF发射天线，包括：

长形磁芯(10)，其具有彼此相对的第一端部(11)和第二端部(12)以及处在该第一端部与该第二端部之间的中心部(13)，所述长形磁芯(10)限定跨越所述第一端部(11)、该中心部(13)和该第二端部(12)的纵向轴线(A)；以及

线圈(20)，其由导电线制成，该导电线缠绕围绕所述纵向轴线(A)的该长形磁芯(10)的至少一部分；

其中，该长形磁芯(10)从该长形磁芯(10)的该第一端部(11)朝向所述中心部(13)以及从该第二端部(12)朝向所述中心部(13)具有垂直于该纵向轴线(A)的减小的横截面，使得磁通被集中在该中心部(13)中，由此产生增强的传输范围；

其特征在于：

该长形磁芯(10)关于该纵向轴线(A)对称；以及

该第一端部(11)和该第二端部(12)包括凸形端面(14)。

2.根据权利要求1所述的LF发射天线，其特征在于，所述减小的横截面限定逐渐减小的横截面，并且具有垂直于该纵向轴线(A)的多个连续的横截面，所述多个连续的横截面具有减小的区域。

3.根据权利要求2所述的LF发射天线，其特征在于，所述多个连续的横截面是圆形横截面。

4.根据权利要求3所述的LF发射天线，其特征在于，所述逐渐减小的横截面限定：

在该长形磁芯(10)上的锥形表面区域；或

在该长形磁芯(10)上的旋转的弯曲凹表面区域。

5.根据权利要求3或4所述的LF发射天线，其特征在于，该中心部(13)具有圆柱形的形状。

6.根据权利要求2所述的LF发射天线，其特征在于，所述多个连续的横截面是多边形的横截面。

7.根据权利要求6所述的LF发射天线，其特征在于，所述逐渐减小的横截面限定：

在该长形磁芯(10)上的金字塔形的表面区域；或

在该长形磁芯(10)上的弯曲凹面金字塔形的表面区域。

8.根据权利要求6或7所述的LF发射天线，其特征在于，该中心部(13)是棱柱部。

9.根据权利要求2所述的LF发射天线，其特征在于，所述逐渐减小的横截面限定：

在该长形磁芯(10)上的弯曲凹表面区域；和/或

在该长形磁芯(10)上的具有多面的凹表面区域；和/或

在该长形磁芯(10)的表面区域上的锥形表面的至少一部分；和/或

在该长形磁芯(10)上的弯曲凹表面区域的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的LF发射天线，其特征在于，该中心部(13)具有垂直于该纵向轴线(A)的恒定横截面。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的LF发射天线，其特征在于，该线圈(20)围绕该长形磁芯(10)的该中心部(13)。

12.根据权利要求9所述的LF发射天线，其特征在于，该长形磁芯(10)包括两个相对的平行表面，每个表面沿着该第一端部(11)、该中心部(13)和该第二端部(12)延伸。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的LF发射天线，其特征在于，该长形磁芯是：

由链接在一起形成链的多个部分磁芯(15)制成的柔性磁芯；或

被柔性聚合物套包围、且由链接在一起形成链的多个部分磁芯(15)制成的柔性磁芯；或

由固化的聚合物介质制成的柔性磁芯，所述固化的聚合物介质包括平行于所述纵向轴线的铁磁柔性线。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的LF发射天线，其特征在于，该长形磁芯在该纵向轴线的方向上的长度至少是该长形磁芯在垂直于所述纵向轴线的方向上的平均宽度的5倍，和/或至少是50mm。

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