УСТРОЙСТВО С АНТЕННОЙ
DEVICE WITH ANTENNA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к электрическим устройствам, которые включают в себя антенну, и, в частности, оно относится к устройствам, которые также используют трансформатор.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многие различные типы устройств оснащаются радиочастотной (RF) антенной для обеспечения беспроводной, удаленной связи с устройством, например, для конфигурации устройства или для удаленного управления устройством. Например, связь ближнего поля (NFC) позволяет осуществлять связь беспроводным и бесконтактным способом с помощью устройства, использующего удаленное устройство связи.
Одним примером типа устройства, которое все чаще снабжается интерфейсом беспроводной связи, является светильник или другое устройство освещения. Беспроводная связь может быть использована для управления световыходом.
Система связи (NFC) ближнего поля, встроенная в LED-светильник или модуль, например, позволяет осуществить легкую конфигурацию и переконфигурацию световыхода. Это, например, реализуется путем добавления интегральной схемы (IC) NFC-метки и ассоциированной с ней антенны к изделию освещения. IC имеет проводные внутренние соединения со встроенным ведущим блоком управления изделия, так что команды, записанные в IC метке с помощью удаленного NFC-транспондера, могут быть доступны посредством ведущего блока управления.
US20030146803A1 раскрывает согласующую цепь, которая связывает радиочастотный источник питания с радиочастотной антенной. Радиочастотный источник мощности соединяется с первичной стороной трансформатора, а антенна соединяется электрически на вторичной стороне трансформатора.
Часто металлический кожух и/или тепловой сток является частью электрического модуля. Затем NFC-метка интегрируется с печатной платой (PCB) внутри модуля. Качество работы антенны, например, как указано максимальным расстоянием считывания антенны конкретного NFC-считывателя, серьезно страдает из-за этих окружающих металлических частей.
Один обычный подход для поддержания большого расстояния считывания заключается в том, чтобы предусмотреть ферритовый материал, такой как ферритовый лист, для развязки антенны от окружающих металлических частей. Однако использование дополнительного ферритового листа приводит к увеличению стоимости материала. US20070273600A1 раскрывает конструкцию, в которой магнитный элемент вставляется и располагается между элементом антенны и печатной платой, и магнитный элемент присутствует для демонстрации эффекта высокой развязки между элементом антенны и плоскостью заземления печатной платы, тем самым улучшая характеристики излучения антенны. US20070273600A1 дополнительно раскрывает магнитный слой, который может быть использован в качестве превосходного элемента высокочастотного магнитного компонента, используемого в 100 МГц или в высокочастотном домене 1 ГГц или выше, такого как антенная подложка, магнитный сердечник трансформатора, сердечник магнитной головки, индуктивность, катушка дросселя, фильтр "или" поглотитель волн.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было бы желательным обеспечить условия для поддержания качества работы антенны в устройстве, но без необходимости в дополнительных компонентах для экранирования.
Изобретение определяется формулой изобретения.
Согласно примерам, в соответствии с аспектом изобретения, предлагается электрическое устройство, содержащее:
трансформатор с ферритовым сердечником; а также
радиочастотную антенну,
при этом упомянутая радиочастотная антенна электрически развязана от упомянутого трансформатора, а геометрический размер радиочастотной антенны вдоль поверхности антенны имеет максимальный размер, а также антенна пространственно отстоит от ближайшей части ферритового сердечника менее чем на максимальный размер.
Изобретение использует ферритовый сердечник трансформатора для обеспечения развязки антенны от других частей устройства. Это помогает уменьшить влияние этих частей устройства на качество работы антенны, в частности на диапазон приема. Это может исключить необходимость в ферромагнитной экранирующей пластине. Таким образом, реализуется двойная функция трансформатора: как электрически преобразующего для существующей схемы внутри устройства, так и обеспечивающего своим ферритовым сердечником развязку радиочастотной антенны от металлических частей. Большим отличием от US20070273600A1 является то, что этот предшествующий уровень техники раскрывает только магнитный слой, который может быть использован в качестве подложки антенны или магнитного сердечника трансформатора, и этот предшествующий уровень техники не раскрывает вышеуказанную двойную функцию ферритового сердечника.
В более конкретном варианте осуществления, антенна может представлять собой прямоугольную антенну, а максимальный размер представляет собой длину диагонали, или антенна может представлять собой круговую или овальную антенну, а максимальный размер представляет собой максимальный диаметр.
Изобретение может быть применено к различным конструкциям антенн. В общем случае, для любой формы антенны максимальным размером может считаться наибольший размер точка к точке между двумя точками антенны внутри нее или вокруг поверхности, на которой формируется антенна. Промежуток может быть менее чем 90% или менее чем 80% или менее чем 70% или даже менее чем 60% от этого максимального размера. Антенна обычно является антенной в виде дорожки.
Радиочастотная антенна, предпочтительно, представляет собой антенну связи ближнего поля с максимальным диапазоном менее чем в десять раз превышающим максимальный размер. Она, например, представляет собой плоскую антенну, другими словами, антенна в целом простирается в основном на плоскости. Альтернативно, антенна также может быть изогнутой антенной, при этом антенна в целом простирается на изогнутой поверхности.
Антенны с таким коротким диапазоном особенно уязвимы для любого уменьшения диапазона, вызванного уменьшением плотности электромагнитного потока. Изобретение позволяет поддерживать качество работы антенны. Оно также улучшает развязку от помех.
Радиочастотная антенна является, например, частью NFC-метки транспондера или NFC-устройства чтения/записи.
Ферритовый сердечник может представлять собой кубоид с одной из больших сторон, обращенных к радиочастотной антенне, причем площадь большей стороны ферритового сердечника больше, чем площадь радиочастотной антенны.
Это обеспечивает наилучшую развязку. Тем не менее, качество работы радиочастотной антенны улучшается даже с меньшей одной из сторон ферритового сердечника, обращенной к антенне.
Устройство может содержать металлическую основную часть, такую как тепловой сток, при этом радиочастотная антенна устанавливается вплотную к металлической основной части.
Металлическая основная часть особенно склонна к тому, чтобы негативно влиять на качество работы антенны. В модуле схемы возбуждения LED метка неизбежно сближается с тепловым стоком, так что использование ферритового сердечника трансформатора снижает воздействие от теплового стока.
Устройство может содержать кожух, который используется в качестве теплового стока, а радиочастотная антенна устанавливается внутри кожуха.
Как правило, антенна будет находиться внутри такого кожуха так, чтобы она была неприкосновенной для пользователя. Однако кожух не будет полностью покрыт металлом, иначе антенна не будет функционировать. Кожух может быть пластмассовым или частично металлическим и частично пластмассовым. Например, некоторые поверхности внешнего кожуха могут быть покрыты металлом, чтобы функционировать как тепловой сток. Непокрытая поверхность или поверхности, на которой размещается NFC-антенна, не покрывается металлом, а покрывается пластиком или другими изолирующими частями или может быть открытой для воздуха в этой части кожуха.
Предпочтительно, ферритовый сердечник, ближайший к радиочастотной антенне, является голым, без какой-либо обмотки трансформатора. Таким образом, ферритовый сердечник не загораживается обмоткой, и качество экранирования, таким образом, оптимизируется.
Устройство может содержать схему возбуждения, при этом трансформатор является частью схемы возбуждения. Например, схема возбуждения может содержать изолированный, импульсный источник питания. Более конкретно, импульсный источник питания может быть обратноходовым преобразователем, при этом трансформатор действует как элемент накопления энергии и элемент высвобождения энергии. Альтернативно, трансформатор может быть использован для изменения напряжения или тока, в соответствии с коэффициентом обмотки.
Изобретение также предлагает модуль LED-источника света, содержащий:
устройство со схемой возбуждения, как определено выше; а также
блок LED-источника света, приводимый в действие устройством.
Модуль источника света может дополнительно содержать схему конфигурации для конфигурирования выхода блока LED-источника света в ответ на беспроводные команды, принятые радиочастотной антенной.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает известный подход для обеспечения экранирования антенны;
Фиг. 2 показывает электрическое устройство, согласно примеру изобретения;
Фиг. 3 показывает первую конструкцию изделия, а также образующееся распределение электромагнитного поля вокруг антенны;
Фиг. 4 показывает вторую конструкцию изделия, а также образующееся распределение электромагнитного поля вокруг антенны;
Фиг. 5 показывает конструкцию изделия, согласно изобретению, а также образующееся распределение электромагнитного поля вокруг антенны;
Фиг. 6 показывает напряженность электромагнитного поля как функцию перпендикулярного расстояния от антенны; а также
Фиг. 7 показывает напряженность электромагнитного поля как функцию бокового расстояния относительно антенны.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение предлагает электрическое устройство, содержащее трансформатор с ферритовым сердечником и радиочастотную антенну. Антенна имеет максимальный размер вдоль или вокруг поверхности антенны (то есть в пределах плоскости антенны или вокруг изогнутой поверхности, определяющей антенну), и антенна отстоит от ближайшей части ферритового сердечника менее, чем на максимальный размер. Эта конструкция использует ферритовый сердечник существующего трансформатора (т.е. трансформатора, который уже необходим в устройстве для его собственной функции) для обеспечения развязки антенны от других частей устройства. Это помогает уменьшить влияние этих частей устройства на качество работы антенны, в частности на диапазон приема.
Фиг. 1 показывает известный подход для обеспечения экранирования антенны. Он показывает электрическое устройство 10, в котором электрические компоненты устанавливаются внутри металлического кожуха 12. Этот кожух функционирует как тепловой сток. Устройство имеет антенну 14 для беспроводной связи с удаленным беспроводным считывающим и записывающим транспондером 16. Антенна 14 находится вблизи внешней поверхности устройства, например, за неметаллическим покрытием, или корпус может быть открыт на конце, где устанавливается антенна. За антенной предусматривается лист 18 из ферритового материала для экранирования антенны и, таким образом, чтобы развязать антенну от окружающих металлических частей.
Фиг. 2 показывает устройство согласно примеру изобретения. Устройство 20 содержит трансформатор 22 с ферритовым сердечником 24. В показанном примере ферритовый сердечник 24 окружает устройство катушки, а внешняя поверхность ферритового сердечника является голой без устройства катушки. Устройство катушки находится, таким образом, внутри отверстия в ферритовом сердечнике, а внешняя сторона ферритового сердечника, обращенная к антенне, является плоской поверхностью с катушками трансформатора позади поверхности. Радиочастотная антенна 14 имеет максимальный размер m вдоль поверхности антенны, и антенна отстоит от ближайшей части ферритового сердечника на промежуток s, менее, чем на максимальный размер.
Устройство имеет внешний кожух 12, который функционирует как тепловой сток. Различные другие электрические и электронные компоненты 26 устанавливаются в кожухе 12, например, переносимые совместно используемой печатной платой 28.
Электрические компоненты 26, например, представляют собой элементы схемы, которые вместе с трансформатором образуют импульсный источник питания схемы возбуждения. Далее, компоненты, например, включают в себя сборку LED, которая возбуждается схемой возбуждения.
На примере конфигурируемого устройства освещения, компоненты также включают в себя схему конфигурации для конфигурирования выхода блока источника света в ответ на беспроводные команды, принятые радиочастотной антенной.
Фиг. 2 показывает вид сверху печатной платы. Антенна 14 устанавливается вертикально на плате. В случае плоской антенны она имеет плоскость, перпендикулярную плоскости печатной платы 28. Ферритовый сердечник 24 также имеет протяженность, перпендикулярную печатной плате, то есть высоту над платой. Предпочтительно, перпендикулярная высота ферритового сердечника составляет, по меньшей мере, половину высоты антенны над печатной платой.
Голая внешняя поверхность ферритового сердечника 24, например, имеет боковую сторону, которая обращена к антенне. Эта боковая сторона может простираться в плоскости, перпендикулярной плоскости антенны (или перпендикулярной общей плоскости антенны, если антенна не является плоской). Площадь этой боковой стороны предпочтительно равна или больше площади антенны. Например, ферритовый сердечник может иметь обычно кубовидную внешнюю поверхность, а боковая сторона является одной из внешних сторон кубоида. Она может быть большей из двух типов внешних сторон кубоида (то есть исключая верх и низ, параллельные печатной плате), но это не является существенным.
Ферритовый сердечник также не обязательно должен быть кубоидом, и не обязательно должен представлять плоскую поверхность, обращенную к антенне.
Антенну не нужно устанавливать перпендикулярно основной печатной плате. Она может быть установлена под углом или может быть впечатана в печатную плату так, чтобы считыватель проектировался быть расположенным поверх основной печатной платы, а не на краю, как в примере фиг. 2.
Кроме того, антенна не обязательно должна быть плоской, хотя это, вероятно, будет самым дешевым решением. Антенна может быть определена поверх изогнутой поверхности. Например, антенна может быть гибкой и прикрепленной к изогнутой поверхности, такой как внутренняя поверхность цилиндрического кожуха. Антенна может представлять собой напечатанную на пленке гибкую конструкцию, которая может быть прикреплена к неплоской поверхности. Примером цилиндрического изделия является точечный источник света в виде цилиндра.
В этом случае промежуток s, показанный на фиг. 2, может быть определен как кратчайшее расстояние между любой точкой антенны и сердечником трансформатора.
Антенна может представлять собой устройство с плоской дорожкой, например, на основе дорожек печатной платы, но кроме этого она может представлять собой устройство из проводов, таких как эмалированные провода.
Антенна может быть прямоугольной или квадратной, а максимальный размер антенны может быть принят как длина диагонали. Кроме этого антенна может быть круговой или овальной, и в этом случае максимальный размер может быть принят как самый длинный диаметр.
Изобретение представляет особый интерес для антенн связи ближнего поля, где любое уменьшение диапазона может существенно повлиять на функциональность системы связи. Например, антенна связи ближнего поля может пониматься как антенна с максимальным диапазоном связи менее чем в десять раз большим максимального размера антенны, например, менее чем в 5 раз большим максимального размера антенны и даже, примерно, в два раза большим максимального размера антенны.
Был смоделирован эффект экранирования.
Фиг. 3 показывает антенну 14 и считывающее устройство 16 без каких-либо других мешающих частей. Нижняя часть показывает распределение электромагнитного поля вокруг антенны 14. Для конкретной конструкции антенны и радиочастотной интегральной схемы, максимальное расстояние считывания составляет около 3 см. Напряженность электромагнитного поля в данной точке 30, которая находится в 1 см от антенны, определяется посредством используемой модели, как величина 7,27 А/м.
Когда антенна формируется как часть схемы, которая ассоциируется с кожухом 12 теплового стока, как показано на фиг. 4, максимальное расстояние считывания понижается, примерно, до 2 см. Напряженность электромагнитного поля в данной точке 30 понижается до 6,35 А/м.
Фиг. 5 показывает эффект от установки сердечника 24 трансформатора позади антенны. Максимальное расстояние считывания увеличивается обратно, примерно, до 3 см. Напряженность электромагнитного поля в данной точке 30 возрастает до 13,56 А/м.
В примерах, показанных на фиг. 3-5, NFC-метка имеет размеры 10 мм * 10 мм. На фиг. 5, ферритовый сердечник представляет собой ферритовый материал PC40, а трансформатор представляет собой трансформатор EF20, который располагается на расстоянии 1 мм позади антенны.
2
2
Размер трансформатора на виде сверху составляет 47 мм * 34 мм с ферритовым сердечником 20*20*6 мм. Таким образом, в этом примере, ферритовый сердечник имеет высоту 6 мм над печатной платой, а антенна имеет высоту 10 мм. Площадь антенны составляет 100 мм, а площадь стороны ферритового сердечника, обращенной к антенне, составляет 120 мм.
Влияние промежутка s объясняется со ссылкой на фиг. 6, в котором график 61 показывает среднюю напряженность электромагнитного поля как функцию расстояния промежутка s, где расстояние промежутка перпендикулярно плоскости антенны. Напряженность электромагнитного поля измеряется на расстоянии 3 см от антенны с использованием тестовой пластины 60 (размером 43 мм * 52 мм). График 62 показывает напряженность поля, когда феррит отсутствует, но кожух и другие компоненты являются теми же.
Когда промежуток между ферритовым сердечником трансформатора и антенной увеличивается от 1 мм до 20 мм, как показано на графике фиг. 6, средняя напряженность электромагнитного поля начинается со значения, намного превышающего значение поля в случае отсутствия феррита, а затем уменьшается постепенно, и имеет тенденцию быть устойчивым и немного выше, чем в случае отсутствия феррита. Это показывает, что трансформатор может улучшить качество работы NFC в значительном диапазоне положений, но особенно, если минимальный промежуток менее, чем максимальный размер антенны, каковой в этом примере составляет диагональное расстояние 14 мм. Это показывает, что, когда промежуток уменьшается, полученное преимущество увеличивается, так что предпочтительно, промежуток составляет менее чем 90% от максимального размера или, более предпочтительно, менее чем 80% или, более предпочтительно, менее чем 70% или даже менее чем 60% от максимального размера антенны.
Боковое выравнивание между антенной и ферритовым сердечником также будет влиять на качество работы. Фиг. 7 показывает график средней напряженности электромагнитного поля как функцию бокового смещения d1 от выровненного по центру положения (как показывается на фиг. 7), при этом промежуток s поддерживается на уровне 1 мм.
При зазоре 1 мм напряженность электромагнитного поля сначала увеличивается, а затем уменьшается, когда горизонтальное расстояние между антенной и ферритом увеличивается от 0 до 15 мм.
Качество работы как функция положения выравнивания будет различным для каждого различного применения. Фиг. 7 показывает, что для моделируемого примера оптимальное позиционирование (возможно, неожиданно) не связано с тем, что центр антенны 14, выровнен с центром ферритового сердечника. На фиг. 7 ферритовый сердечник больше по боковой ширине, чем антенна. Когда d1 увеличивается от 0 до 9 мм, общий экранирующий эффект, вызванный развязкой с металлом, полученной на одной стороне, увеличивается быстрее, чем уменьшение на другой стороне, так что в целом напряженность магнитного поля увеличивается. За пределами 9 мм эффект развязки с металлом становится слабее.
Обратите внимание на то, что ось y на фиг. 7 простирается только между значениями 0,24 и 0,3. Таким образом, качество работы не является критически чувствительным к позиционированию. Трансформатор может быть расположен сбоку от катушки антенны. Как показано, оптимальное положение выравнивания может не быть центральным; это будет зависеть от конкретной конструкции изделия. Отклонение от точки оптимального выравнивания может быть допущено при ограниченном снижении качества работы.
Трансформатор повышает расстояние считывания из-за ферритового магнитного сердечника трансформатора. Окружающие металлические материалы будут создавать эффекты вихревых токов. Когда ток в катушке трансформатора изменяется со временем, электромагнитная индукция вызывает индуцированные токи в близлежащих металлических компонентах, таким образом, влияя на пространственное распределение электромагнитного поля антенны. Ферритовый материал сердечника ослабляет эффекты вихревых токов и тем самым повышает расстояние считывания.
Благодаря размещению трансформатора близко к антенне, как объяснялось выше, антенна может больше не нуждаться в дополнительном ферритовом листе для развязки от окружающих металлических частей.
Изобретение представляет интерес для любых устройств, которые включают в себя трансформатор и радиочастотную антенну. Трансформатор широко используется в схемах как часть источника питания или устройства преобразования питания. Например, схемы для твердотельных источников освещения, такие как LED-схемы, часто включают в себя трансформаторы как часть импульсных источников питания.
Таким образом, изобретение представляет интерес для LED-электроники и LED-модулей и светильников. Когда такие модули и светильники включают в себя беспроводное управление, но желательны с небольшим внутренним пространством, изобретение позволяет уменьшить количество компонентов и, следовательно, необходимое пространство.
Однако изобретение может быть применено к другим устройствам, которые включают в себя как трансформатор, так и радиочастотную антенну.
Изобретение представляет особый интерес для устройств связи ближнего поля, но такой же подход может быть принят в отношении радиочастотных антенн в целом.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, благодаря изучению чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а употребление единственного числа не исключает множественности. Сам по себе тот факт, что некоторые меры перечисляются во взаимно различных, зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой. Любые позиционные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.