DE102018203508A1

DE102018203508A1 - Leuchte mit integriertem Netzwerkzugangspunkt und Antenne

Info

Publication number: DE102018203508A1
Application number: DE102018203508.3A
Authority: DE
Inventors: Marwa Abdelaziz; Eberhard Höfflin; Bernhard Siessegger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Eine Leuchte (10) umfasst einen Anschluss (12) zum Verbinden mit einen Netzwerk, eine oder mehrere lichtemittierende Lichtquellen (60), einen Netzwerkzugangspunkt (52) zum Bereitstellen eines drahtlosen Netzwerks, und vorzugsweise eine Leistungsversorgungseinheit (22), welche die eine oder mehreren Lichtquellen (60) sowie den Netzwerkzugangspunkt (52) mit Leistung versorgt, sowie eine Antenne (56), die dem Netzwerkzugangspunkt (52) zugeordnet ist und elektromagnetische Wellen abstrahlen und/oder empfangen kann. Desweiteren ist ein Reflektor (58) vorgesehen, welcher ausgelegt ist, das von der oder den Lichtquellen (60) emittierte Licht gebündelt zu reflektieren und in einem Lichtkegel mit einer ersten Richtcharakteristik abzustrahlen. Die Antenne (56) ist in Bezug auf den Reflektor (58) so angeordnet, dass dieser eine zweite Richtcharakteristik der von der Antenne (56) abgestrahlten elektromagnetischen Wellen bewirkt, die im Wesentlichen kongruent ist zu der ersten Richtcharakteristik des von dem Reflektor (58) gebündelt reflektierten und abgestrahlten Lichts.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchte mit integriertem Netzwerkzugangspunkt einschließlich einer Antenne sowie eine mehrere solcher Leuchten aufweisende Beleuchtungsanlage mit einem drahtlosen Netzwerk.
Stand der Technik
Eine Leuchte mit integriertem Netzwerkzugangspunkt (Access Point) und eingebauter Antenne zum Aufbauen eines drahtlosen Netzwerks ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2016 203 530 A1 bekannt. Die darin beschriebene Leuchte weist einen Eingang zum Anschließen eines Netzwerkes mit einer integrierten Leistungsversorgung auf, die kompatibel zum PoE (Power over Ethernet) Standard ist. Eine Leistungsversorgungseinheit trennt die elektrische Leistung vom Nutzsignal und bereitet diese für die elektrischen Komponenten der Leuchte auf, insbesondere für die darin vorgesehenen LED-Module. Das Nutzsignal wird von einer Steuerungseinheit verwendet, die daraus wiederum die Steuerbefehle zum Betreiben der Leuchte von den reinen Netzdaten für den Netzwerkzugangspunkt trennt. Mit dem Netzwerkzugangspunkt wird beispielsweise drahtloses Netzwerk gemäß dem WLAN-Standard der IEEE 802.11-Familie betrieben. Der Netzwerkzugangspunkt weist eine in der Leuchte betriebene Antenne auf, bei der es sich z.B. um eine PCB-Antenne handeln kann.
Bei der in DE 10 2016 203 530 A1 vorgeschlagenen Leuchte ist nun vorgesehen, die Richtcharakteristik der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen an diejenige Richtcharakteristik des von den Lichtquellen (LEDs) der Leuchte abgestrahlten Lichts anzupassen, d.h., beide Richtcharakteristiken im Wesentlichen kongruent auszugestalten. Dadurch entsteht ein Vorteil, dass die vom Lichtplaner in einem Gebäude ausgelegte Beleuchtung unter Verwendung dieser Leuchten simultan ein entsprechend gut abdeckendes WLAN-Netzwerk ergibt. Insbesondere führt eine die homogene Beleuchtungsstärke vorsehende Planung auch zu einem entsprechend homogen ausgelegten WLAN-Netzwerk mit wenig Funklöchem im Gebäude.
Dazu sind allerdings Antennen mit asymmetrischer Abstrahlung erforderlich. Stabantennen werden folglich als ungeeignet angesehen. Die vorgeschlagene Bi-QuadAntenne weist zu diesem Zweck einen als Metallplatte eingerichteten Reflektor auf, der hinter den kaskadierten Quad-Strahlern angeordnet ist und eine Richtwirkung mit hohem Antennengewinn (gain) erzielt. Das von der Leuchte abgestrahlte Licht sowie die von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen decken einen Kegel mit einem Winkel von 30°(Luminance) und 44° (EM halbe Strahlbreite) ab. Für die Kongruenz ist eine Toleranz von +/- 3° angegeben, welches hier 10 % des Winkels entspricht, wobei als Referenzebenen bei Deckenstrahlern der Fußboden (z.B. 2,8 m Abstand), eine Tischebene, oder eine Ebene eines hochfahrbaren Bürotisches dienen kann.
Eine gefaltete F-förmige ZigBee-Antenne, die den metallenen Lampenschirm einer LED-Lampe kontaktiert, ist in dem Artikel Shen, W.H. et al. (2015): „A folded inverted-F ZigBee antenna for smart lighting systems" in Electronics, Communications and Networks IV, Hussain & Ivanovic (Hrsgb.), 2015, S. 1083-1086, Taylor & Francis Group, London, ISBN: 978-1-138-02830-2 offenbart. Die Antenne selbst ist auf einem 12×10×1 mm³ großen Substrat angebracht und nimmt dadurch sehr wenig Platz in der Leuchte ein - sie schattet daher selbst kaum ab. Durch den Kontakt zwischen dem Lampenschirm und der Grundplatte der Antenne strahlen beide als Ganzes. Dadurch wird eine nahezu rundstrahlende (omnidirektionale) Richtcharakteristik erreicht. Die Frequenz beträgt 2,44 GHz und der Antennengewinn beträgt 3,1 dB. Die Positionierung und der Betrieb der LEDs sind allerdings nicht berücksichtigt.
Eine Reihe weiterer Untersuchungen (Simulation und Messung) beschäftigt sich mit Mikrostreifen- bzw. Patchantennen für WiFi-Anwendungen bei 2,4 GHz, die mit jeweils einer Anzahl von LEDs zu einer Leuchte kombiniert werden: u.a. Subahir, S. et al. (2014): „Rectangular spiral microstrip patch antenna integrated with LED for Wifi application" in 2014 IEEE 2nd International Symposium on Telecommunication Technologies (ISTT), IEEE, 2014, ISBN: 978-1-4799-5983-9; Subahir, S. et al. (2015): „Development of rectangular loop microstrip Antenna integrated with light emitting diode (LED) for Wi-FiApplication" in Applied Mechanics and Materials 2015, Vol. 781, Seiten 116-119, Trans Tech Publications, ISSN: 1162-7482; Subahir et al. (2015): „Integration diamond shape antenna with SMD light emitting diode", 2015 IEEE International RF and Microwave Conference, ISBN: 978-1-4673-8170-3; Yon, H. et al (2015): „Integrated stacked microstrip antenna with light emitting diode (LED) for Wi-Fi application" in Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering, 2015, Vol. 8 No. 6, S. 83-86, ISSN: 2180-1843; Yon, H. et al. (2016): „Parametric study ofintegrated stacked microstrip antenna with light emitting diode (LED) for Wi-Fi application" in 2016 International Conference on Computer & Communication Engineering, 2016, IEEE, ISBN: 978-1-5090-2427-8.
Die LEDs werden dabei entweder platzsparend einschließlich ihrer Verdrahtung in einer Schicht (Ebene im Substrat einer FR4-Leiterplatte) oberhalb der Patchantenne als ein für die Antennenstrahlung parasitäres Element angeordnet, oder die LEDs werden mit ihrem elektrisch leitfähigen Abschnitt in der gleichen Ebene als Teil der Antenne zur Überbrückung segregierter Windungen der Antenne eingesetzt. In jedem Fall sind die LEDs im Strahlungsfeld senkrecht ober- bzw. unterhalb oder in der Patchantenne platziert. Dabei wurde gefunden, dass sowohl das Hinzufügen bzw. Weglassen von LEDs als auch der Einschaltzustand (EIN/AUS) einen merkbaren Einfluss auf Größen wie die Resonanzfrequenz, die Bandbreite, den Reflexionsfaktor (engl.: return loss) oder den Antennengewinn (engl.: gain) ausüben kann, dieser Einfluss aber in einigen Fällen durchaus akzeptabel sein könnte oder wenigstens hinnehmbar ist. Die jeweils erhaltene Richtcharakteristik (engl. radiation pattern) ist allerdings auch hier im Wesentlichen rundstrahlend. Bei den Untersuchungen wurden Bauteile der Leuchte wie etwa deren Fassung nicht berücksichtigt.
Die genannten Arbeiten zeigen, dass die Kombination einer Leuchte mit einer Antenne beispielsweise zum Aufbau eines drahtlosen Netzwerks sinnvoll und grundsätzlich möglich ist. Es bleibt bei diesen Vorschlägen jedoch noch offen, wie eine gewünschte Kongruenz von abgestrahltem Licht und abgestrahlter Mikrowellenstrahlung weiter verbessert werden kann und insbesondere eine bessere Netzabdeckung in Gebäuden erzielt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Leuchte mit einem integrierten Netzzugangspunkt bereitzustellen, die eine angepasste Richtcharakteristik bietet, um das Ziel einer möglichst kongruenten Licht- und Antennenabstrahlung zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchte mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ausgangspunkt ist eine Leuchte mit einem Anschluss zum Verbinden mit einen Netzwerk, vorzugsweise mit einer integrierten Leistungsversorgung, einer oder mehreren lichtemittierenden Lichtquellen, und einem Netzwerkzugangspunkt zum Bereitstellen eines drahtlosen Netzwerks. Vorzugsweise ist auch eine Leistungsversorgungseinheit vorgesehen, welche die eine oder mehrere Lichtquellen sowie den Netzwerkzugangspunkt mit der über den Anschluss gelieferten Leistung versorgt.
Dem Netzwerkzugangspunkt ist eine Antenne zugeordnet. Diese kann (drahtlos) elektromagnetische Wellen abstrahlen und/oder empfangen. Speziellen Ausführungsformen zufolge kann das durch den Netzwerkzugangspunkt aufgebaute drahtlose Netzwerk ein WLAN-Netzwerk nach dem Standard der IEEE 802.11-Familie sein, wobei der Netzwerkzugangspunkt vorzugsweise eines der im Standard vorgesehenen Frequenzbänder aus 2,4 GHz oder 5,0 GHz verwendet, oder ein ZigBee-Netzwerk, das auf dem Standard IEEE 802.15.4 aufbaut, wobei der Netzwerkzugangspunkt vorzugsweise eines der Frequenzbänder aus 2,4 GHz, 868 MHz oder 915 MHz verwendet. Andere Netzwerke mit anderen Frequenzen (beispielsweise auf Grundlage von Bluetooth gemäß IEEE 802.15.1, etc.) sind eingeschlossen. Auch sind entsprechend Standards mit bloßen Punkt-zu-Punkt Verbindungen eingeschlossen.
Bei dem Netzwerkzugangspunkt handelt es sich um eine Schnittstelle für kabellose Kommunikationsgeräte. Möglich ist, dass der Netzwerkzugangspunkt als Basisstation dient und mit einem fest installierten Kommunikationsnetz über ein Kabel (z.B. Ethernet) verbunden ist. Insbesondere im Fall von ZigBee- oder anderen Netzwerken kann die Leuchte selbst aber auch als Endgerät dienen, und dann optional nicht mit einem Netzdatenkabel versehen zu sein.
Ferner ist ein Reflektor vorgesehen, welcher ausgelegt ist, das von der oder den Lichtquellen emittierte Licht gebündelt zu reflektieren und in einem Lichtkegel mit einer ersten Richtcharakteristik abzustrahlen. Anders als der eingangs genannte Reflektor einer Patchantenne gemäß dem Stand der Technik, der hinter oder unter einer Patch- oder Bi-Quadantenne etc. angeordnet ist, ist dieser Reflektor für eine optische Reflexion ausgelegt und darüber hinaus räumlich auch so angeordnet, dass er das von den Lichtquellen emittierte Licht überhaupt empfangen kann, welches einen direkten oder indirekten mehr oder weniger transparenten Lichtpfad voraussetzt. Es handelt sich insbesondere um einen Reflektor, der eine bestimmungemäße Ausleuchtung bzw. eine erste Richtcharakteristik (engl. radiation pattern) des die Leuchte umgebenden Raums im Betrieb ermöglicht. Typische Beispiele sind Decken-, Wand- oder Bodenstrahler (engl.: downlight), die Licht nur in einem bestimmten, begrenzten Raumwinkelbereich beispielweise kegelartig abstrahlen. Die Erfindung ist aber nicht auf solche Reflektoren begrenzt.
Die Eigenschaft des Reflektors, Licht reflektieren zu können, beinhaltet auch Spezialeffekte in der Oberfläche des Reflektors, die z.B. durch Aufrauhung, Schliff oder Beschichtung entstehen können. Auch sind auf dem optischen Pfad zwischenliegende Elemente wie Glas- oder Plastikscheiben in oder an der Leuchte möglich, die beispielsweise dem Schutz der Leuchte oder als Diffuser oder Polarisationsfilter etc. dienen.
Der Erfindung zufolge ist nun die Antenne in Bezug auf den Reflektor so angeordnet, dass dieser eine zweite Richtcharakteristik der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen bewirkt, die im Wesentlichen kongruent ist zu der ersten Richtcharakteristik des von dem Reflektor gebündelt reflektierten und abgestrahlten Lichts. Richtcharakteristiken beschreiben die Winkelabhängigkeit der Intensität empfangener oder gesendeter Wellen bezogen auf die Empfindlichkeit oder die Intensität in einer Hauptrichtung. Im direktiven bzw. asymmetrischen Fall kann von einer Richtwirkung gesprochen werden. Die Richtwirkung wird im Fall von Antennen quantitativ durch den Strahlungs- bzw. Antennengewinn (engl. gain) beschrieben. Liegt keine Richtwirkung vor, ist die abgegebene Strahlung omnidirektional. Im Fall von Antennen kann die (hier: zweite) Richtcharakteristik durch räumliche Schnitte wiedergegeben werden, wobei ausgehend von der Antenne im Mittelpunkt die in jeder Raumrichtung abgestrahlte Intensität ermittelt (insbesondere gemessen) und in dem Schnittdiagramm in Polarkoordinaten in einem entsprechenden Radiusabstand logarithmisch in Einheiten von Dezibel (dB) beispielsweise bezogen auf eine omnidirektionale Abstrahlung gleicher Leistung als Wert aufgetragen wird.
Im Fall der optischen Abstrahlung durch Lichtquellen wird dagegen im Allgemeinen die auf den Lichtstrom normierte Lichtstärke für jeden Raumwinkel bestimmt. Dabei können dann auch die Raumwinkel identifiziert werden, bei welchen die Intensität beispielsweise den halben Wert des Maximums betragen, und es können zum Beispiel wie in der eingangs erwähnten Druckschrift DE 10 2016 203 530 A1 beschrieben Referenzebenen eingetragen werden. Die beiden Repräsentationen für optisches Licht und Mikrowellenstrahlung entsprechen einander. Bei hinreichender Richtwirkung geben beide Richtcharakteristiken im Diagramm eine „Keule“ bzw. einen Raumwinkelbereich wieder, der entsprechend bestrahlt wird.
Der Reflektor und die Antenne sind nun jeweils so ausgelegt und relativ zueinander angeordnet, dass die ersten und zweiten Richtcharakteristiken kongruent sind. Das bedeutet, dass diese im Wesentlichen die gleiche Form und Größe in Bezug auf solche Referenzebenen besitzen. Entscheidend ist, dass durch das wahrnehmbare Licht gleichzeitig auch die Abdeckung des durch die Leuchte erzeugten drahtlosen Netzwerks ersichtlich wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein in manchen Leuchten wie z.B. Deckenstrahlern (engl. downlights) ohnehin vorgesehener Reflektor passiv zur Überformung der durch eine Antenne erzeugten Mikrowellenstrahlung eingesetzt werden kann. Unter bestimmten Voraussetzungen führt dies dazu, dass sich die dadurch überformte zweite Richtcharakteristik von Antenne und Reflektor sehr stark der ersten Richtcharakteristik der Lichtquellen mit dem Reflektor annähert. Gerade in diesem Fall kann ein hoher Grad an Kongruenz erreicht werden. Als Maß für die Kongruenz können Referenzflächen im Raum unterhalb der Leuchte wie in DE 10 2016 203 530 A1 angegeben dienen. Toleranzen von +/- 30 %, +/- 20 %, +/- 10 % oder sogar +/- 5 % in dem daraus bestimmten Raumwinkel sind möglich.
Ein Reflektor, wie er in Leuchten und insbesondere in Deckenstrahlern etc. verwendet wird, kann im Hinblick auf Mikrowellen zur Erläuterung des Effekts vereinfacht als mehr oder weniger zylindrischer Hohlleiter (engl. waveguide) aufgefasst werden:
Hier fungiert die Patch-Antenne als Anregungsquelle für eine größere Wellenleiterantenne, die durch den Reflektor gebildet wird. Der Reflektor ermöglicht die Ausbreitung des EM-Feldes, das der elektrischen und magnetischen Feldverteilung seiner Eigenmoden (sei TE- und/oder TM-Wellen) folgen soll. Die Grenzfrequenzen (cutoff frequencies) dieser Eigenmoden sind stark abhängig von der Form des Reflektors. Es bilden sich dabei sog. TE-Wellen aus, bei denen nur die elektrische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung verschwindet, während die magnetische Feldkomponente in dieser Richtung Werte ungleich 0 annehmen kann. Im Übrigen befinden sich die magnetischen und elektrischen Felder in Ebenen senkrecht bzw. transversal zur Ausbreitungsrichtung. Besonders wichtig ist hier der (fundamental mode) TE₁₁ -Mode des Reflektors. Durch das räumliche Platzieren der Antenne in Bezug auf den Reflektor wird das insgesamt von der Leuchte abgestrahlte elektromagnetische Feld in diesen TE₁₁ -Mode gezwungen. Gerade dieser Mode bewirkt aber als TEM mode im Fernbereich eine starke Richtwirkung und bessere Kreuzpolarisation, die derjenigen des reflektierten optischen Lichts ähnlich ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann somit vorteilhaft die Netzabdeckung in Räumen eines Gebäudes an die Ausleuchtung anhand von Strahlern oder Leuchten in diesen Räumen angepasst werden. Eine gemeinsame Beplanung von Ausleuchtung und Netzabdeckung ist möglich. Einem Netzteilnehmer wird es möglich, sich einen geeigneten Einwählpunkt zu suchen, indem er sich an der Ausleuchtung orientiert.
Ferner, kann die Anzahl der Netzzugangspunkte deutlich erhöht werden, da die Räume durch scharf begrenzte Ausleuchtraumwinkel bzw. -kegel unterteilt werden können. Gleichzeitig können Überlappbereiche benachbarter Netzzugangspunkte besser definiert werden, da nur jeweils begrenzte Anzahlen von Kanälen im Frequenzbereich zur Verfügung stehen.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge weist der Reflektor eine Symmetrieachse auf, wobei die Antenne zumindest teilweise auf der Symmetrieachse angeordnet ist. Hier ergeben sich die besten Resultate hinsichtlich der Antennenanpassung sowie auch der Kongruenz mit der lichtoptischen Abdeckung. Alternativ oder zusätzlich kann die Antenne im Innern oder zumindest auf einer Querschnittsfläche am Rande des Reflektors angeordnet sein. Die Hohlleiterfunktion sowie die Anregung des TE₁₁ -Modes des Reflektors sind hierbei besonders wirksam genutzt. Eine vom Reflektor entgegen der Abstrahlrichtung geringfügig beabstandete Antenne gilt noch von dieser Weiterbildung als am Rande liegend umfasst, soweit der Reflektor wirksam eine Konversion bzw. Kopplung des TE₁₁ -Modes in der optischen Abstrahlrichtung herbeiführt.
Einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zufolge kann die Antenne im Fall einer Mehrzahl von Lichtquellen an einer Position in der Mitte zwischen den Lichtquellen angeordnet sein. Die Dimensionierung der Antenne und des Reflektors lassen es hier zu, die Lichtquellen jeweils um die Antenne herum zu gruppieren. Mit besonderem Vorteil blockiert die Antenne daher nicht das von den Lichtquellen emittierte Licht, da sie nicht zwischen den Lichtquellen und dem Reflektor angeordnet ist. Gleichzeitig wurde gefunden, dass der Reflektor das von den Lichtquellen emittierte Licht wirksam bündeln und insbesondere auch durch Mehrfachreflexion mischen kann, so dass von außen gesehen die Positionierung der Lichtquellen am Rande einer Querschnittsfläche (weg von der Symmetrieachse) im Reflektor nicht sichtbar ist.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge repräsentieren die von der Antenne abgestrahlten und vom Reflektor überformten elektromagnetischen Wellen einen Antennengewinn (gain) von 4 dBi oder mehr, vorzugsweise 4,4 dBi oder mehr. Im Vergleich mit Patch-Antenne alleine ohne Reflektor ist der Antennengewinn maximal 1.9 dBi. Alternativ oder zusätzlich besitzen sie einen Richtfaktor (directivity) von 10 oder mehr, vorzugsweise 11,5 oder mehr. Diese Werte der die Abstrahlung der Mikrowellen als Ganzes bewirkende Kombination aus Antenne und Reflektor eignen sich hervorragend für entsprechende Deckenstrahler.
Einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zufolge kann die Antenne als eine einen Metallstreifen aufweisende Mikrostreifen- oder Patchantenne ausgebildet sein. Solche Patchantennen genießen den besonderen Vorteil, eine einfache und kostengünstige Struktur bereitzustellen, und einen besonders kleinen Raum einzunehmen, welches hier besonders wichtig ist. Ferner besteht ein Vorteil der Patchantenne darin, für sich allein genommen schon eine Richtwirkung zu erzielen, wenn Sie mit einem als Metallfläche ausgebildeten und dahinterliegenden Reflektor (reiner, plan ausgelegter Antennenreflektor, nicht zu verwechseln mit dem optischen Reflektor der Erfindung) versehen ist - möglicherweise ergänzt durch weitere parasitäre Patches.
Schließlich bietet sich durch Patchantennen eine Integration mit Leiterplatten an, wodurch die Kombination mit Lichtquellen wie etwa LEDs (light emitting diodes) besonders vorteilhaft wird, die auch auf dieser angeordnet sein können (z.B. in SMD-Technik - surface mounted devices) und die Antenne darauf umgeben können.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge ist die Mehrzahl der Lichtquellen (z.B. LEDs) auf der Leiterplatte in einem gitterartigen Muster um die Antenne herum angeordnet. Dadurch wird die Integrationsdichte erhöht. Die Lichtquellen werden, wie oben ausgeführt, nicht durch die Antenne bei ihrer Lichtabstrahlung blockiert, und umgekehrt beeinflussen die Lichtquellen (z.B. LEDs) anders als bei der Anordnung wie im Stand der Technik beschrieben die abgegebene Mikrowellenstrahlung praktisch gar nicht.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge ist die Antenne symmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse des Reflektors angeordnet, und besitzt vorzugsweise eine Rechteck- oder quadratische Form. Für diese Form und Anordnung mit hohem Symmetriegrad in Bezug auf den Reflektor wurden besonders hervorragende Messergebisse erzielt. Die Nutzung von andere Antennentopologien wie z.b. Dipolantennen ist auch möglich.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge ist der Reflektor auf der Leiterplatte aufgesetzt oder umgekehrt: die Leiterplatte ist in den Reflektor eingesetzt, so dass eine Hauptfläche der Leiterplatte im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse steht und die Symmetrieachse des Reflektors durch die Antenne hindurch verläuft. In diesem Fall, Der Reflektor kann durch Halterungen oder Klebstoff auf der Leiterplatte fixiert sein (bzw. umgekehrt). Auch für diese Form und Anordnung mit hohem Symmetriegrad in Bezug auf den Reflektor wurden besonders hervorragende Messergebisse erzielt, während der Aufbau einfach ist. Gleichwohl kann die Antenne auch in abweichenden Orientierungen relativ zur Reflexionsachse positioniert sein.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge ist eine die zweite Richtcharakteristik der Antenne verbessernde Metallfläche innerhalb der Leiterplatte oder auf einer Rückseite der Leiterplatte, der Antenne gegenüberliegend und von dieser durch eine dielektrische Schicht und/oder einen Luftspalt beabstandet, angeordnet. Ein Vorteil entsteht dadurch dass dies durch die Integration in eine Leiterplatte weiter vereinfacht wird und dass die Parameter der Antenne gezielt über die Substratdicke und die materialabhängige Permittivität einstellbar sind. Die Leistungsversorgung kann über Mikrostreifenleitung, Schlitzkopplung oder Koaxialkabelanschluss erfolgen. Im Fall der Schlitzkopplung kann die eigentlich geringe Bandbreite der Patchantenne vergrößert werden. Die Definition des Fußpunktes in der Patchantenne erlaubt weitere Feineinstellungen.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge sind die Antenne und eine die Lichtquellen mit Leistung von der Leistungsversorgungseinheit versorgende Verdrahtung aus einer gemeinsamen Metallebene auf der Leiterplatte heraus gebildet, vorzugsweise aus einer Kupferebene. Dies erleichtert die Herstellung, und verringert daher die Kosten der Integration erheblich.
Einer vorteilhaften Weiterbildung zufolge ist der Reflektor als ein Hohlleiter ausgebildet und weist vorzugsweise eine Konusform oder eine konusähnliche Freiform auf. Durch die Hohlleitereigenschaft wird mit Vorteil die vorbeschriebene Anregung des TE11-Modes ermöglicht, der letztendlich dann die gesamte Richtcharakteristik dominiert, während die Konusform einen begrenzten Raumöffnungswinkel definiert, der dann auch noch im Wesentlichen mit der optischen Abstrahlung übereinstimmt. Eine bloße Zylinderform des Reflektors wäre noch von dem Erfindungsgedanken umfasst, würde jedoch im Hinblick auf eine gewisse Netzabdeckung eher wenig zielführend sein.
Konusähnliche Freiformen beinhalten Auswölbungen des Reflektors, beispielsweise eine kontinuierliche Vergrößerung des Öffnungswinkels des Konus nach außen hin unter Beibehaltung einer Drehsymmetrie des Reflektors. Beispielweise kann der Winkel der Reflektorfläche innen (ausgehend von der Randfläche mit dem geringsten Durchmesser) etwa 25° bis 35° betragen und außen bereits 40° bis 50° betragen (an der Randfläche mit dem größten Durchmesser).
Der größte Durchmesser (außen bzw. an der äußeren Öffnung) kann diesem sehr speziellen Beispiel zufolge beispielsweise 160 bis 200 mm betragen, der kleinste Durchmesser (innen bzw. an der inneren Öffnung) 80 bis 100 mm, und die Tiefe entlang der Mitten- bzw. Symmetrieachse des Konus (von Öffnung zu Öffnung) 50 bis 65 mm, wobei die auf einer Leiterplatte gebildete Antenne an dem inneren Rand bzw. an oder in der inneren Öffnung des Konus bzw. von dessen Freiform angeordnet ist.
Der Reflektor in der erfindungsgemäßen Leuchte kann auch aus Streifen segmentartig zusammengesetzt sein, ähnlich wie eine Hornantenne. Damit könnte ein horizontales Querschnittsprofil des Reflektors sogar auch z.B. quadratisch anstatt kreisförmig sein.
Weiterbildungen der Erfindung zufolge ist der Reflektor aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, gebildet, oder weist zumindest eine entsprechende Beschichtung auf. Der Reflektor kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl gebildet sein. Ferner können die eine oder die mehreren Lichtquellen lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Weiterentwicklungen derselben sein.
Weiterbildungen der Erfindung im Hinblick auf das Netzwerk zufolge ist der Netzwerkzugangspunkt eingerichtet, ein Hand-Over eines Teilnehmers zu einem anderen Netzwerkzugangspunkt gemäß dem Standard IEEE 802.11f und/oder IEEE 802.11r zu ermöglichen. Ferner kann der Anschluss zum Verbinden mit einen Netzwerk kompatibel mit einer Stromversorgung über Ethernet (PoE) sein, vorzugsweise gemäß einem der Standards IEEE 802.3af-2003, IEEE 802.3at-2009 oder IEEE 802.3bt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht eine Beleuchtungsanlage mit mehreren der Leuchten gemäß einem der vorbeschriebenen Aspekte vor.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer Leuchte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A in schematischer Seitenansicht (XZ-Ebene) auf den Reflektor und die Antenne der Leuchte gemäß 1 einen vertikalen Querschnitt durch die mit HFSS simulierte elektrische Feldverteilung innerhalb der Leuchte;
2B in schematischer Seitenansicht (YZ-Ebene) auf den Reflektor und die Antenne der Leuchte gemäß 1 einen vertikalen Querschnitt durch die mit HFSS simulierte elektrische Feldverteilung innerhalb der Leuchte, wobei nur die Feldvektoren entlang der Z-Achse dargestellt sind;
2C in schematischer Draufsicht (XY-Ebene) auf den Reflektor und die Antenne der Leuchte gemäß 1 einen horizontalen Schnitt durch das mit HFSS simulierte, elektrische Fernfeld der abgegebenen Mikrowellenstrahlung;
3A eine Draufsicht auf die Leiterplatte mit der Antenne und den Lichtquellen der Leuchte aus 1, ohne Reflektor
3B eine Draufsicht auf die Leiterplatte mit der Antenne und den Lichtquellen der Leuchte aus 1, mit Reflektor
4A im vertikalen Schnitt eine (erste) Richtcharakteristik des von der Leuchte gemäß 1 abgestrahlten Lichts (engl: luminous intensity, Deutsch: Lichtstärke in cd; hier speziell normiert auf den Lichtstrom der Leuchte in cd /klm));
4B im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Leuchte gemäß 1 abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB für Co- und Kreuz-Polarisation;
5A im horizontalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der isolierten Antenne (d.h., ohne Leiterplatte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz;
5B im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der isolierten Antenne (d.h., ohne Leiterplatte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 0°-180°), äußere Keule: E_Φ -Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: E_θ - Komponente für Kreuz-Polarisation;
5C im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der isolierten Antenne (d.h., ohne Leiterplatte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 90°-270°), äußere Keule: Ee-Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: E_Φ - Komponente für Kreuz-Polarisation;
6A im horizontalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne auf der Leiterplatte (ohne Reflektor) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz;
6B im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne auf der Leiterplatte (ohne Reflektor) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 0°-180°), äußere Keule: E_Φ -Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: Ee- Komponente für Kreuz-Polarisation;
6C im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne auf der Leiterplatte (ohne Reflektor) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 90°-270°), äußere Keule: Ee-Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: E_Φ - Komponente für Kreuz-Polarisation;
7A im horizontalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne und dem Reflektor (d.h. der gesamten Leuchte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz;
7B im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne und dem Reflektor (d.h. der gesamten Leuchte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 0°-180°), äußere Keule: E_θ -Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: E_Φ - Komponente für Kreuz-Polarisation;
7C im vertikalen Schnitt eine (zweite) Richtcharakteristik der von der Antenne und dem Reflektor (d.h. der gesamten Leuchte) abgestrahlten Fernfeldamplitude in dB bei WiFi Kanal 7, Frequenz = 2.442 GHz (Schnitt entlang Ebene 90°-270°), äußere Keule: E_Φ -Komponente für Co-Polarisation, innere Keule: E_θ - Komponente für Kreuz-Polarisation.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehungsweise gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente sind keinesfalls als maßstäblich zu betrachten, es sei denn, ein Maßstab ist explizit angegeben. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zur besseren Verständlichkeit übertrieben groß/klein oder dick/dünn dargestellt sein.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leuchte 10 gemäß der vorliegenden Erfindung anhand eines schematischen Blockschaltbildes. Die Leuchte 10 weist einen Anschluss 12 zum Verbinden mit einen Netzwerk mit einer integrierten Leistungsversorgung auf. Im vorliegenden Beispiel ist dazu ein LAN-Kabel 14 (Ethernet) bereitgestellt mit einem Buchse 16, bei der es sich z.B. um eine RJ45-Buchse handeln kann. In dem Gebäude, in welchem die Leuchte 10 zu verbauen ist, können entsprechende Netzwerkkabelnetze ausgelegt sein, mit denen die Leuchte über die Buchse 16 einfach verbunden werden kann. Gemäß dem PoE (Power over Ethernet) Standard IEEE 802.3af (ab Cat3) können ungenutzte Adern des Twisted-Pair-Kabels oder ein konstanter Gleichstromanteil der Datenleitung verwendet werden, um eine Leistungsversorgung der angeschlossenen Komponenten (hier der Leuchte 10) mit z.B. 15,4 Watt bei 48 Volt (maximal 350 mA) zu gewährleisten. Gemäß dem erweiterten Standard IEEE 802.3at (PoE+; ab Cat5) ist eine Leistungsversorgung bis zu 25,5 Watt bei 54 Volt (maximal 600 mA) gewährleistet. Gemäß dem aktuell jüngsten Standard IEEE 802.3bt (4PPoE) werden bis zu 100 Watt für die integrierte Leistungsversorgung möglich sein. Ein getrennter Netzanschluss (Stromnetz) kann somit entfallen, welches Kosten und Aufwand in erheblichem Maße einspart, zumal aufgrund der Schutzkleinspannung insoweit kein elektrotechnisch geschultes Fachpersonal für die Installation der Leuchte 10 erforderlich ist.
Das oder die über das Netzkabel 14 übertragenen Signal(e) werden in der den Anschluss 12 bildenden Einheit getrennt in Datensignale und in ein Leistungssignal (z.B. wird dazu ein Gleichspannungsanteil ausgefiltert). Das Leistungssignal wird der Leistungsversorgungseinheit 22 über eine Versorgungsleitung 18 zugeführt, während das Datensignal über eine Datenleitung 20 einer weiter unten zu beschreibenden Steuereinheit 34 zugeführt wird. Die Leistungsversorgungseinheit 22 versorgt die Steuereinheit 34 sowie auch eine Treibereinheit 26 zum Betreiben der LEDs jeweils über Versorgungsleitungen 24 und 36 mit elektrischer Leistung. Die Treibereinheit 26 versorgt ihrerseits das auf einer Leiterplatte 30 (PCB, printed circuit board) gebildete LED-Modul 32 mit in diesem Ausführungsbeispiel 72 LEDs über eine Versorgungsleitung 28 mit geeignet aufbereiteter Leistung (z.B. Konstantstrom).
Die Steuereinheit 34 besteht aus einer elektronischen Schaltung, die insbesondere auch einen WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 enthält. Die Steuerfunktionen (Softwareteile) für die Leuchte 10 sind im dem die Betriebssystem-basierte Software (SW) kennzeichnenden Block 40 dargestellt. Die Software umfasst ein Netzwerkmanagement 42 (für den Ethernet-Anschluss), eine Leistungssteuerung 44, eine Sensorsignalverarbeitung 46, eine Lichtsteuerung 48 sowie eine Steuerungs- und Betriebssoftware 50 für die Steuerung eines WiFi-Netzwerkzugangspunkts 52.
Der WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 selbst bildet einen wesentlichen Teil der Steuereinheit 34. Die vom PoE-Anschluss 12 über die Datenleitung 20 erhaltenen Datensignale werden von der Steuereinheit 34 bzw. von der zentralen Steuervorrichtung 40 in Steuerbefehle und Nutzdaten getrennt, wobei Letztere dem WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 zugeführt werden. Dieser ist mit einer auf der Leiterplatte 30 gebildeten Patchantenne 56 über eine Hochfrequenzleitung 54 verbunden. Diese Verbindung kann als Kabel oder als Leiterbahn ausgeführt sein. Der WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 betreibt ein drahtloses WLAN-Netzwerk nach dem Standard der IEEE 802.11-Familie, wobei der WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 das im Standard vorgesehene Frequenzband bei 2,4 GHz verwendet. In einer alternativen Ausführungsform wird vom Netzwerkszugangspunkt 52 ein ZigBee-Netzwerk (Standard IEEE 802.15.4) aufgebaut. Andere hier nicht genannte Frequenzen oder Netzwerktechnologien sind ebenso möglich.
Über die Datenleitungen 20 und 38 können von der Steuereinheit 34 bzw. deren zentraler Steuerfunktion (SW) 40 der Betrieb des PoE-Anschlusses 12 sowie der Treibereinheit 26 gesteuert bzw. überwacht werden, wobei diverse Betriebsparameter unter anderem auch durch Sensoren aufgenommen und der Steuereinheit 34 übermittelt werden.
Mit Bezug auf die 3A wird der Aufbau der Leiterplatte 30 einschließlich der Lichtquellen 32, der Antenne 56 und des darauf angeordneten Reflektors 58 (nur 3B) erläutert. Die Leiterplatte 30 ist ein im Wesentlichen rechteckförmiges aus einem schwerentflammbaren Verbundwerkstoff der Klasse FR-4, beispielsweise ein Epoxidharz oder Glasfasergewebe. Sie besitzt eine Dicke von 1,5 mm mit seitlichen Aussparungen zur Fixierung in einem Leuchtengehäuse oder einer anderweitigen Halterung (nicht gezeigt). Links oben ist eine Anschlussbuchse der Versorgungsleitung 28 der Treibereinheit 26 zu erkennen. Verschiedene in 3A nicht gezeigte Metallbahnen verlaufen von dieser Anschlussbuchse auf dem Substrat der Leiterplatte zu den zu versorgenden lichtemittierenden Dioden 60 (LEDs). Diese LEDs 60 sind - einen quadratischen Bereich in der Mitte der Leiterplatte 30 aussparend - gitterartig in Reihen (und Spalten) um den quadratischen Bereich herum gruppiert, so dass unter Beachtung eines Mindestabstands untereinander alle 72 LEDS möglichst nahe an der Mitte platziert sind. In diesem Beispiel bildet die enge Anordnung ein Achteck mit ungefähr gleich langen Außenseiten. Eine Anordnung innerhalb eines Kreises würde ähnliche Vorteile bieten. Diese Anordnungen erlauben die Platzierung möglichst vieler LEDs innerhalb des in 3B in Draufsicht gezeigten Reflektors 58. In diesem speziellen Beispiel sind zwei verschiedene Typen LEDs 60 alternierend angeordnet, die im abgestrahlten Licht gemeinsam -abhängig von der Steuerung 48- eine bestimmte Farbtemperatur mischen, beispielsweise 36 LEDs mit 3.000 K und 36 LEDs mit 6.500 K. Andere Anordnungen und andere LED-Typen sind ebenso möglich.
In dem quadratischen Bereich in der Mitte, der nicht mit LEDs 60 bedeckt ist, ist die Patchantenne 56 eingepasst. Erkennbar ist hier nur der als Resonator wirksame, rechteckförmige Metallstreifen, der auf dem Substrat gebildet ist, und die Versorgungsleitung 54 mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω die als Kabel von der Steuereinheit 34 bzw. von dem WiFi-Netzwerkzugangspunkt 52 hierher verläuft und mit einem als SMD ausgebildeten Kontakt (nicht gezeigt) auf dem Substrat gekoppelt ist (U.FL-Steckverbinder für bis zu 6 GHz, der besonders bei platzsparenden Anwendungen vorteilhaft ist). Die Verbindung mit der Patchantenne 56 erfolgt innerhalb einer CPW-Feedline (Engl. Coplanar Waveguide transmission line, Deutsch: koplanare Wellenleiter). Diese verbindet den U.FL Steckverbinder mit der Antenne. Hierbei ist die sog. Inset-Feed-Technik verwendet, um eine gute Anpassung (engl. matching) für die Patch-Antenne mit minimaler Rückflussdämpfung (Engl. return loss, S11 < -10 dB) zu gewährleisten. Die CPW-Feedline besteht aus 3 Metallstreifen (Ground / Signal / Ground), die auf der Oberseite des Substrats aufgedruckt sind. Eine Masseebene (bottom ground plane, 3,5 cm × 4 cm) ist auf der Rückseite gedruckt und ist mit den Massestreifen (top ground strips) auf der Oberseite durch Vias verbunden, die in 3A zu sehen sind. Diese Verbindung gewährleistet die Erregung des richtigen ungeraden CPW-Modus (odd mode) mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω und definiert die HF-Masse (RF ground) der Antenne. Eine andere Topologie ist ebenfalls möglich:
Beispielsweise ist das Substrat der Leiterplatte 30 mehrschichtig, wobei eine als Reflektor dienende Metallfläche (ground) direkt unterhalb des in 3A schraffiert gezeigten Metallstreifens der Patchantenne 56 angeordnet ist - getrennt von jener lediglich durch das Dielektrikum der Leiterplatte 30 bzw. des Substrats. In der Metallfläche kann eine Öffnung gebildet sein und ein im Vergleich zum Resonator viel dünnerer Metallstreifen erstreckt sich nochmals unter der als Reflektor dienenden Metallfläche und unterhalb der Öffnung. Dieser Metallstreifen ist mit der Hochfrequenz-Versorgungsleitung 54 verbunden und regt die Schwingungen des Resonators durch die Öffnung und durch das zwischenliegende Dielektrikum hindurch an (Schlitzkopplung). Durch diesen Aufbau wird bereits eine große Richtwirkung erzielt. Andere Arten der Versorgung mit Hochfrequenzwellen sind Abwandlungen des Ausführungsbeispiels zufolge ebenfalls möglich.
Die Patchantenne 56 selbst (bzw. der den Resonator bildende Metallstreifen) misst in diesem Ausführungsbeispiel 28 mm × 30 mm und ist für Mikrowellenstrahlung im WiFi Band 2,4 GHz ausgelegt.
Mit Vorteil können die Antenne 56 als Mikrostreifen und eine die Lichtquellen 60 mit Leistung von der Leistungsversorgungseinheit 22 versorgende Verdrahtung auf der Leiterplatte 30 aus einer gemeinsamen Metallebene auf der Leiterplatte heraus gebildet sein, vorzugsweise aus einer dünnen Kupferebene, wobei die nicht benötigten Teile beispielsweise weggeätzt oder anderweitig entfernt werden. Die verbleibende Oberfläche wird - mit Ausnahme der später als SMDs angebrachten LEDs - zum Beispiel weiß lackiert. Dies betrifft auch die Antenne 56.
In 3B ist die entsprechende Draufsicht auf die Leiterplatte 30 mit aufgesetztem Reflektor 58 gezeigt. Der Reflektor 58 besitzt eine im Wesentlichen konische Form bzw. eine konusähnliche Freiform, da sein Öffnungswinkel nach außen hin zunimmt. Ein Querschnitt ist im Diagramm der 2B zu sehen. Die untere Wandfläche 58a des Reflektors 58 in einem sich von einer inneren Randfläche 58a her erstreckenden Bereich besitzt einen Winkel von etwa 30° gegenüber einer Symmetrieachse 62 des Reflektors 58, während eine obere Wandfläche 59b des Reflektors 58 in einem sich von einer äußeren Randfläche 58b her erstreckenden Bereich einen Winkel von etwa 45° mit dieser Symmetrieachse 62 einnimmt. Mit anderen Worten, der Reflektor wölbt oder weitet sich nach außen hin auf. Anderen Ausführungsbeispielen zufolge ist der Reflektor komplett konisch, oder wölbt sich nach innen, d.h. der Öffnungswinkel nimmt nach außen hin ab.
Ein Durchmesser der inneren Randfläche 59a beträgt 92 mm, derjenige der äußeren Randfläche 59b beträgt 180 mm. Die Tiefe, d.h., der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Randfläche entlang der Symmetrieachse 62 beträgt 52 mm. Der Reflektor 58 des Ausführungsbeispiels wirkt als Hohlleiter gegenüber der Antennenstrahlung. Er ist aus Aluminium gebildet, aber andere elektrisch leitfähige Materialien oder Beschichtungen sind ebenso möglich. Ferner besitzt der Reflektor 58 Dreh- oder Rotationssymmetrie um die Symmetrieachse 62 herum. Die Parameter des Reflektors 58 und der Lichtstrom als wesentliche lichttechnische Größe entsprechen derjenigen des Downlight-Strahlers 0DX11AD833S der LEDVALUX© XL Familie der Firma Siteco Beleuchtungstechnik GmbH, Traunreut, Bayern. Die Abstrahlcharakteristik (4A) ändert sich nur unwesentlich. Der Reflektor ist in diesen oder anderen Ausführungsbeispielen nicht elektrisch leitend (drahtgebunden) mit der Antenne verbunden.
Gegenüber den LEDs 60 wirkt der Reflektor 58 optisch, d.h., er reflektiert und bündelt deren Licht entsprechend seiner räumlichen Form, wobei er im Ausführungsbeispiel leicht mattiert ist, um das von den LEDs emittierte Licht stärker zu mischen (d.h. auch zu streuen) und als einheitliche, ausgedehntere Lichtquelle wirken zu lassen. Die resultierende optische Richtcharakteristik (Lichtstärke) ist in 4A gezeigt. Es wird die Lichtstärke über alle Raumwinkel dargestellt. Dabei gibt 0° die Richtung senkrecht nach unten an, 90° entsprechend ist eine Abstrahlung in horizontaler Richtung. Es kann ein rotationssymmetrischer Verlauf der normierten Lichtstärke um die vertikale Achse angenommen werden. Somit beschreibt 4A die - in diesem Falle auf den Lichtstrom normierte - Lichtstärke für alle Raumwinkel.
Die Wirkung des Reflektors 58 auf die von der Patchantenne 56 emittierte Fernfeldamplitude in dB ist in den 2A bis 2C zu erkennen, wobei in der schematischen Draufsicht (2C) und in dem schematischen Querschnitt (2A und 2B) die Fernfeldamplitude (projiziert auf eine Schnittebene) dargestellt sind. Dargestellt sind Ergebnisse einer Simulation mit Hilfe der Finite-Elemente Software ANSYS HFSS anhand der vorbeschriebenen Leuchte 10 (nur Antenne plus Reflektor wurden simuliert). Im Nahbereich der Patchantenne 56 selbst bildet sich unmittelbar oberhalb (sowie auch unterhalb) der Leiterplatte ein starkes elektrisches Feld aus, wobei sich jedoch noch im Reflektor 58 und unter Einwirkung desselben bzw. seiner Hohlleiterfunktion mit dominierendem TE₁₁ -Mode oberhalb der Patchantenne 56 ein etwas anderes Feldmuster ausbildet, was besonders in 2B und 2C sichtbar wird.
Es bilden sich dabei unter Anregung durch die von der Antenne her einwirkende elektromagnetische Strahlung (im Nahbereich dort noch als transversal-magnetische bzw. TM-Wellen) im Reflektor als Holleiter transversal-elektrische Wellen, sog. TE-Wellen aus, bei denen nur die elektrische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung verschwindet, während die magnetische Feldkomponente in dieser Richtung Werte ungleich 0 annehmen kann. Im Übrigen befinden sich die magnetischen und elektrischen Felder in Ebenen senkrecht bzw. transversal zur Ausbreitungsrichtung. Besonders wichtig ist hier der TE₁₁ -Mode des Reflektors. Durch das räumliche Platzieren der Antenne in Bezug auf den Reflektor wird das insgesamt von der Leuchte abgestrahlte elektromagnetische Feld in diesen TE₁₁ -Mode gezwungen. Gerade dieser Mode bewirkt aber im Fernbereich eine starke Richtwirkung mit linearer Polarisation entlang Y-Achse, die derjenigen des reflektierten optischen Lichts ähnlich ist, wie die 2A bis 2C zeigen.
Die Hohlleiterfunktion sowie die Anregung der TE₁₁ -Mode des Reflektors sind hierbei besonders wirksam genutzt. In 2B ist gerade noch erkennbar, dass die von der unteren Randfläche 59a des Reflektors 58 entgegen der Abstrahlrichtung (siehe den Pfeil an der Symmetrieachse 62 in 2B) geringfügig beabstandete Antenne an und für sich nicht mehr im geometrischen Sinne „innerhalb“ des Reflektors platziert ist (weil hier z.B. noch Montagelemente zwischen Reflektor und Leiterplatte für einen geringfügigen Spalt zwischen der Hauptfläche der Leiterplatte 30 und damit der Antennenoberfläche und der unteren Randfläche 59a des Reflektors 58 sorgen. Jedoch befindet sich die Antenne 56 hier immer noch auf einer Querschnittsfläche am Rande des Reflektors (d.h., parallel zur unteren/hinteren Randfläche 59a, und der unteren Öffnung des Reflektors mit dem kleineren Durchmesser zugewandt). In diesem Fall führt der Reflektor 58 auch noch wirksam eine Konversion bzw. Kopplung des TE₁₁ -Modes in der von der Patchantenne 56 emittierten Mikrowellenstrahlung herbei.
4B zeigt die entsprechende (zweite) Richtcharakteristik der emittierten Mikrowellenstrahlung in einem vertikalen Schnitt. Die verschieden vom Zentrum (Antenne) beabstandeten Ringe geben hier nicht den Radius sondern die in diesem Raumwinkel im Fernbereich gemessene Feldstärke wieder, wobei die große „Keule“ die Ee-Komponente, d.h., in diesem Schnitt die Hauptkomponente (co-polarization) und die kleine „Keule“ die dazu senkrechte E_Φ -Komponente, d.h., die an und für sich in dieser Schnittebene unerwünschte Kreuzpolarisation (cross polarization) wiederspiegelt. Das Resultat einer Kreuzpolarisation von ca. -25 dB ist besonders gut, d.h. der Reflektor unterdrückt die unerwünschte Kreuzpolarisation sehr effizient.
Die zweite Richtcharakteristik (4B) für die Antennenstrahlung stimmt sehr gut mit der ersten Richtcharakteristik (4A) für die optische Abstrahlung überein, wie der Vergleich beider Figuren zeigt. Die beiden Richtcharakteristiken sind im Toleranzbereich im Wesentlichen kongruent. Folglich kann mit den hier vorgeschlagenen Leuchten die Beplanung von WiFi- oder WLAN-Netzwerken in Gebäuden deutlich vereinfacht werden. Durch die hier vorgeschlagene Integration des Reflektors 58 in das Abstrahlverhalten der Antenne, d.h. der Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung durch die Antenne und den Leuchtenreflektor als Ganzes wird die Abdeckung des drahtlosen Netzwerkes noch präziser begrenzt auf die beleuchteten Bereiche, insbesondere durch die Anwendung auf Downlight-Strahler.
Durch die Anordnung der Antenne zwischen den LEDs und nicht unterhalb derselben, und dadurch, dass die Kopplung des TE₁₁ -Modes (d.h., ein sogenanntes re-shaping der emittierten Mikrowellenstrahlung) deutlich oberhalb der LED-Ebene stattfindet, hat auch der Betrieb der LEDs (EIN-/AUS-Zustände) keinen Einfluss auf die von der Leuchte abgegebene Mikrowellenstrahlung. Das ist insbesondere wichtig für einen intermittierenden Betrieb der Leuchte, wie er z. B. beim sogenannten PWM-Dimmen vorkommt, bei dem die LEDs bei Frequenzen im Bereich weniger 100 Hz bis über 1 kHz ein- und ausgeschaltet werden.
Ausgangspunkt der Untersuchungen war die oben angegebene Leuchte ODX11AD833S der LEDVALUX© XL Familie der Firma Siteco Beleuchtungstechnik GmbH. Weder die Umplatzierung der LEDs zugunsten der Antenne in der Mitte noch die Hinzufügung der Antenne selbst machen eine Umdimensionierung der Leuchte und insbesondere des Reflektors 58 der Leuchte 10 erforderlich, wobei trotzdem die in den 4A und 4B sichtbare hinreichende Kongruenz erhalten wird. Mithin wird es in einigen Fällen möglich, bei einer Neukonfektionierung von Leuchtsystemen im Sinne einer Integration von Netzwerkzugangspunkten bestehende Leuchtendesigns zu erhalten und lediglich das Layout der Leiterplatten neu auszulegen, welches erhebliche Kosten spart.
Es ist anzumerken, dass alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung andere Antennentypen nutzen können, z.B. Bi-Quad-Antennen, etc. Entscheidend ist, dass der Reflektor 58 in der Lage ist, durch Modenkopplung eine Überformung (re-shaping) des von der Antenne emittierten Strahlungsfelds herbeizuführen.
Mit Bezug auf die 5A bis 7C wird das Verhalten der Patchantenne 56 und des Reflektors 58 näher erläutert. Die 5A bis 5C zeigen Messergebnisse einer (zweiten) Richtcharakteristik einer völlig isoliert im Raum stehenden Patchantenne 56, wie sie erst nachfolgend auf der Leiterplatte 30 verbaut werden wird (d.h. losgelöst von der Leiterplatte). 5A zeigt einen horizontalen Schnitt, die 5B und 5C einen vertikalen Schnitt entlang zueinander senkrecht stehender Ebenen (5B: 0°-180°; 5C: 90°-270°). In 5B entspricht die äußere Keule der E_Φ -Komponente, die innere Keule der dazu senkrechten E_θ - Komponente. In 5C ist dies genau umgekehrt. Der Antennengewinn beträgt 1,8 dBi bei 2.442 GHz (Kanal 7), der Richtfaktor 5,55 (engl. directivity; dimensionslose Zahl), und der Wirkungsgrad 42 %. Deutlich erkennbar sind die starken Nebenkeulen (side lobes), besonders auch im Horizontalschnitt der 5A, welches ganz sicher nicht dem kreisrunden optisch bestrahlten Bereich unterhalb des entsprechenden Downlight-Strahlers entspricht. Die Kreuzpolarisation beträgt geringfügig weniger als -20 dB.
Die 6A bis 6C zeigen die entsprechenden Diagramme für den Fall der auf der Leiterplatte 30 mit den LEDs 60 platzierten Patchantenne 56 (aber noch ohne aufgesetzten Reflektor). Die Zuordnung der Keulen zu Komponenten in den 6B und 6C ist wie in 5B und 5C. Der Antennengewinn beträgt jetzt nur noch 0,15 dBi bei 2.442 GHz (Kanal 7), der Richtfaktor 6,59 und der Wirkungsgrad 23 %. Trotz vergrößertem Richtfaktor steht der Antennengewinn sogar schlechter da als im isolierten Fall: hier tragen doch noch die LEDs 60 und insbesondere das unterliegende Metallgitter (die Verdrahtung der LEDs). Zwar zeigt der Horizontalschnitt in 6A bereits einer rundere Form, der Wirkungsgrad ist jedoch deutlich reduziert und der Kreis damit viel kleiner als im Vergleich zu 5A. Die in 6B und 6C erkennbare Kreuzpolarisation beträgt nun bereits -10 dB.
Die 7A bis 7C zeigen die entsprechenden Diagramme für den Fall des vollständigen Ausführungsbeispiels, d.h. Leiterplatte 30 mit Patchantenne 56, LEDs 60 und aufgesetztem Reflektor 58. 7A zeigt wieder den Horizontalschnitt, und die 7B und 7C den vertikalen Schnitt durch die Richtcharakteristik wie in 5B, 6B bzw. 5C, 6C mit entsprechender Zuordnung der E_Φ - und E_θ -Komponenten. 7C entspricht der 4B, wobei die 0°-Richtung nun nach oben zeigt (Drehung der Diagramme um 180 Grad). Der Antennengewinn beträgt nun 4,48 dBi bei 2.442 GHz (Kanal 7), der Richtfaktor 11,58 und der Wirkungsgrad 19 %. Wenn man berücksichtigt dass sich der Antennengewinn aus dem Produkt des Richtfaktors und des Wirkungsgrads ergibt, so schlägt hier bei nur leicht verschlechtertem Wirkungsgrad der durch die Reflektoreigenschaften mit seiner Modenkopplung deutlich verbesserte Richtfaktor durch. Die Kreuzpolarisation beträgt -25 dB oder sogar weniger.
Folglich kann die Leuchte 10 des Ausführungsbeispiels einen fokussierten Strahl mit einem nahezu perfekten, kreisförmigen Querschnitt erzeugen, dessen Maximum genau mit der Normalrichtung bzw. Symmetrieachse 62 der Leuchte 10 übereinstimmt. Die Welle selbst ist horizontal polarisiert.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Beispielsweise sind auch Kombinationen anderer Reflektortypen oder -geometrien (z.B. Hohlspiegel) mit weiteren Antennentypen (z.B. einfacher Dipol) möglich. Ebenso sind andere Lichtquellentypen als LEDs denkbar, z.B. Laserdioden, OLEDs, Gasentladungslampen, etc.. Darüber hinaus sind insbesondere auch Modifikationen umfasst, die sich dem Fachmann ohne weiteres erschließen, oder soweit sie von dem durch die beigefügten Ansprüche angegebenen Schutz umfasst sind. Diese Aspekte bringen in Kombination durchaus erhebliche Synergieeffekte hervor, bedingen einander aber nicht. So sind modifizierte Ausführungsbeispiele ausgehend von 1 bis 3B denkbar, bei denen Merkmale des einen oder anderen Aspekts weggelassen sind, andere aber beibehalten sind.
Bezugszeichenliste

10: Leuchte
12: PoE-Netzwerkanschluss
14: LAN-Kabel (Ethernet)
16: RJ45-Buchse
18: Versorgungsleitung
20: Datenleitung
22: Leistungsversorgungseinheit (Schaltnetzteil)
24: Versorgungsleitung
26: Treibereinheit
28: Versorgungsleitung
30: Leiterplatte mit LEDs und Antenne
34: Steuereinheit (elektronische Schaltung)
36: Versorgungsleitung
38: Datenleitung
40: Betriebssystem-basierte Software (SW)
42: SW Netzmanagement
44: SW Leistungssteuerung
46: SW Sensorsignalverarbeitung
48: SW Lichtsteuerung
50: SW WiFi- Netzwerkzugangspunkt
52: Hardware (HW) WiFi-Netzwerkzugangspunkt
54: HF-Signal-Versorgungsleitung, U.FL-Kabel
56: (Patch-)Antenne
58: Reflektor
58a: Innere Randfläche (der Leiterplatte zugewandt)
58b: Äußere Randfläche (von der Leiterplatte abgewandt)
59a: Untere Wandfläche
59b: Obere Wandfläche
60: Lichtemittierende Dioden, LEDs
62: Symmetrieachse (Z-Achse in 2A-C)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016203530 A1 [0002, 0003, 0017, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel Shen, W.H. et al. (2015): „A folded inverted-F ZigBee antenna for smart lighting systems“ in Electronics, Communications and Networks IV, Hussain & Ivanovic (Hrsgb.), 2015, S. 1083-1086, Taylor & Francis Group, London, ISBN: 978-1-138-02830-2 [0005]
Subahir, S. et al. (2014): „Rectangular spiral microstrip patch antenna integrated with LED for Wifi application“ in 2014 IEEE 2^nd International Symposium on Telecommunication Technologies (ISTT), IEEE, 2014, ISBN: 978-1-4799-5983-9 [0006]
Subahir, S. et al. (2015): „Development of rectangular loop microstrip Antenna integrated with light emitting diode (LED) for Wi-FiApplication“ in Applied Mechanics and Materials 2015, Vol. 781, Seiten 116-119, Trans Tech Publications, ISSN: 1162-7482 [0006]
Subahir et al. (2015): „Integration diamond shape antenna with SMD light emitting diode“, 2015 IEEE International RF and Microwave Conference, ISBN: 978-1-4673-8170-3 [0006]
Yon, H. et al (2015): „Integrated stacked microstrip antenna with light emitting diode (LED) for Wi-Fi application“ in Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering, 2015, Vol. 8 No. 6, S. 83-86, ISSN: 2180-1843; [0006]
Yon, H. et al. (2016): „Parametric study ofintegrated stacked microstrip antenna with light emitting diode (LED) for Wi-Fi application“ in 2016 International Conference on Computer & Communication Engineering, 2016, IEEE, ISBN: 978-1-5090-2427-8 [0006]

Claims

Leuchte (10), umfassend: einen Anschluss (12) zum Verbinden mit einen Netzwerk, eine oder mehrere lichtemittierende Lichtquellen (60), einen Netzwerkzugangspunkt (52), zum Bereitstellen eines drahtlosen Netzwerks, eine Antenne (56), die dem Netzwerkzugangspunkt (52) zugeordnet ist und elektromagnetische Wellen abstrahlen und/oder empfangen kann, einen Reflektor (58), welcher ausgelegt ist, das von der oder den Lichtquellen (60) emittierte Licht gebündelt zu reflektieren und in einem Lichtkegel mit einer ersten Richtcharakteristik abzustrahlen, wobei die Antenne (56) in Bezug auf den Reflektor (58) so angeordnet ist, dass dieser eine zweite Richtcharakteristik der von der Antenne (56) abgestrahlten elektromagnetischen Wellen bewirkt, die im Wesentlichen kongruent ist zu der ersten Richtcharakteristik des von dem Reflektor (58) gebündelt reflektierten und abgestrahlten Lichts.
Leuchte (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (58) eine Symmetrieachse (62) aufweist, wobei die Antenne (56) zumindest teilweise auf der Symmetrieachse (62) und im Innern oder auf einer Querschnittsfläche am Rande des Reflektors (58) angeordnet ist.
Leuchte (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (56) im Fall einer Mehrzahl von Lichtquellen (60) an einer Position in der Mitte zwischen den Lichtquellen (60) angeordnet ist.
Leuchte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Antenne (56) abgestrahlten und vom Reflektor (58) überformten elektromagnetischen Wellen einen Antennengewinn von 4 dBi oder mehr, vorzugsweise 4,4 dBi oder mehr, weiter vorzugsweise 4,48 dBi oder mehr repräsentieren, und/oder einen Richtfaktor von 10 oder mehr, vorzugsweise 11,5 oder mehr, weiter vorzugsweise 11,58 oder mehr besitzen, und/oder die Kreuzpolarisation -25 dB oder weniger beträgt.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (56) als eine einen Metallstreifen aufweisende Patchantenne ausgebildet ist.
Leuchte (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (56) auf einer Leiterplatte (30) gemeinsam mit einer Mehrzahl sie umgebender Lichtquellen (60) angeordnet ist.
Leuchte (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Mehrzahl der Lichtquellen (60) in einem gitterartigen Muster um die Antenne (56) herum angeordnet ist.
Leuchte (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (56) mi Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse (62) des Reflektors (58) angeordnet ist, und vorzugsweise eine Rechteck- oder quadratische Form besitzt.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (58) auf der Leiterplatte (30) aufgesetzt ist oder umgekehrt die Leiterplatte (30) in den Reflektor (58) eingesetzt ist, so dass eine Hauptfläche der Leiterplatte (30) im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse (62) steht und die Symmetrieachse (62) des Reflektors (58) durch die Antenne (56) hindurch verläuft.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine die zweite Richtwirkung der Antenne (56) verbessernde Metallfläche innerhalb der Leiterplatte (30) oder auf einer Rückseite der Leiterplatte (30), der Antenne (56) gegenüberliegend und von dieser durch eine dielektrische Schicht und/oder einen Luftspalt beabstandet, angeordnet ist.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (56) und eine die Lichtquellen (60) mit Leistung von der Leistungsversorgungseinheit (22) versorgende Verdrahtung aus einer gemeinsamen Metallebene auf der Leiterplatte heraus gebildet sind, vorzugsweise aus einer Kupferebene.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (58) als ein Hohlleiter ausgebildet ist, und vorzugsweise eine Konusform oder eine konusähnliche Freiform aufweist und eine innere Öffnung mit einem ersten Durchmesser sowie eine äußere Öffnung mit einem zweiten Durchmesser besitzt, der größer ist als der erste Durchmesser, und die durch eine Tiefe entlang einer Symmetrieachse (62) der Konus- oder Freiform voneinander beabstandet sind, wobei die Antenne in einem Bereich in oder angrenzend an der inneren Öffnung positioniert ist.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (58) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, gebildet ist, oder zumindest eine entsprechende Beschichtung aufweist.
Leuchte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass die eine oder die mehreren Lichtquellen (60) lichtemittierende Dioden sind.
Leuchte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das drahtlose Netzwerk ein WLAN-Netzwerk nach dem Standard der IEEE 802.11-Familie ist, wobei der Netzwerkzugangspunkt vorzugsweise eines der im Standard vorgesehenen Frequenzbänder aus 2,4 GHz oder 5,0 GHz verwendet.
Leuchte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das drahtlose Netzwerk ein ZigBee-Netzwerk ist, das auf dem Standard IEEE 802.15.4 aufbaut, wobei der Netzwerkzugangspunkt vorzugsweise eines der Frequenzbänder aus 2,4 GHz, 868 MHz oder 915 MHz verwendet.
Leuchte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Netzwerkzugangspunkt (52) eingerichtet ist, eine Hand-Over eines Teilnehmers zu einem anderen Netzwerkzugangspunkt gemäß dem Standard IEEE 802.11f und/oder IEEE 802.11r zu ermöglichen.
Leuchte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Anschluss (12) zum Verbinden mit einen Netzwerk kompatibel mit einer Stromversorgung über Ethernet (PoE) ist, vorzugsweise gemäß einem der Standards IEEE 802.3af-2003, IEEE 802.3at-2009 oder IEEE 802.3bt.
Beleuchtungsanlage mit mehreren der Leuchten (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.