CN101006609B - 小型化射频发射和接收天线以及采用所述天线的控制设备 - Google Patents

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    • H01Q7/005—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with variable reactance for tuning the antenna

Abstract

提供了一种在设备中用于控制传送给电子负载的功率并且在指定频率下发射或者接收射频信号的小型化天线。所述天线包括导电材料的第一回路，具有电容和电感，形成在所述指定频率下共振的电路，以及导电材料的第二回路，具有两个端，适合于电耦合到电子电路。所述第二回路仅磁耦合到所述第一回路并且电绝缘于所述第一回路。在所述天线的第一个实施例中，所述第一和第二回路分别形成在第一和第二印刷电路板上，允许很方便地制造小型的低成本的天线并且使最大化效率。当所述天线被安装在负载控制设备中时，例如调光器，所述天线的第一回路被安装在所述设备的外表面上。所述天线的第二回路可以处于高电压下，例如线电压。

Description

小型化射频发射和接收天线以及采用所述天线的控制设备
背景技术
本发明涉及一种天线，并且尤其涉及发射和接收射频(RF)信号的射频天线。更具体的说，本发明涉及一种小型化天线，与射频控制的照明控制系统结合使用。特别的，本发明涉及在照明控制设备例如调光器上提供的天线，所述天线接收和/或发射射频信号以控制灯并且发送灯的状态，例如开启、关闭和强度级别。所述射频信号被用于从远程主控位置控制连接到调光器的灯的状态，并且还将关于被控制灯的状态的信息提供给主控位置。主控位置的设备也可以采用根据本发明的天线。
本发明还涉及一种采用所述天线的控制设备，该设备可以安装在标准的电源墙盒中。特别的，本发明涉及一种本地电子控制设备，能够远程控制一个或者多个电子灯并且适合于安装在标准的电源墙盒中，并且该设备通过所述天线接收和发射信号。本发明进一步涉及能够远程控制一个或者多个本地电子控制设备的主控设备，所述主控设备适合于安装在标准电源墙盒中并且采用所述天线发射信号到本地电子控制设备和从本地电子控制设备接收信号，所述本地电子控制设备响应于来自所述主控设备的控制信号。
尽管本发明针对于在照明控制系统中使用的天线，但是本发明的天线可以应用到关于其他设备的控制和状态的信号的通信，例如通信设备、电机、安全系统、仪器、HVAC系统(加热、通风和空气调节)以及其他设备。
本发明针对于小型化的天线，该天线可以包含在照明控制设备例如调光器内，并且装配在标准的电源墙盒中。本发明还针对于照明控制设备本身，即主控或者本地(远程)单元。本发明特别适合于在用户使用射频信号控制受控电子设备，例如电子灯，的状态的系统中使用。在这种系统中，传统的手动控制的硬接线照明控制设备，例如墙壁开关和调光器，被根据本发明的具有控制电路和天线的控制设备替代。因此使用了根据本发明的天线的系统可以支持从各种位置远程控制的现有建筑照明系统(或者其他电子/电气设备)而不需要建筑的硬接线包含控制导线以实现对照明设备或者其他设备的远程控制。因此，在使用本发明的天线的系统中，照明控制设备，例如取代传统的电灯开关/调光器的调光器，包括根据本发明的天线、必要的执行器用于实现对照明设备的手动控制，以及控制电路和RF电路以允许通过照明控制设备的天线接收和发射的信号而进行远程控制。所述天线和控制设备安装在标准的电源墙盒中，允许传统的照明控制设备被移除并且被本发明的照明控制设备替代。类似的，根据本发明的主控单元具有执行器和天线用于发射信号到本地控制设备并且从本地控制设备接收状态信号，根据本发明一个实施例，所述主控单元也适合于置于传统的电源墙盒中。
根据本发明，所述天线具有紧凑尺寸，从而可以与控制设备电子电路和机械元件一起安装在标准的电源墙盒中，并且作为用于控制灯的电子控制设备的一部分。
并且，尽管结合取代传统的非射频控制的照明控制设备而描述了采用本发明的天线的控制设备，但是本发明也可以在新的构造中使用，从而可以减少所述新的构造中需要连接的导线的数量。因此，在采用本发明的系统中，不需要布设控制照明系统的控制导线(仅需安装电源导线)，因为本发明的天线可以接收和发射射频信号以实现控制。
现有技术中已知一种系统，允许对灯进行远程控制而不需要将控制导线硬接线到照明控制设备。这种公知系统是Lutron无线RA系统，该系统通过射频信号远程控制灯。在无线RA系统中，除了手动控制之外，各个照明控制设备具有收发器和天线，从主控单元接收射频信号并且发射射频信号到主控单元。在主控单元，建筑结构中的各个灯的状态可以被远程控制，也就是说，开启、关闭和强度级别状态可以通过从主控设备发送RF信号到照明控制设备而从主控单元进行控制。为了确保射频信号被发射到系统中的所有设备并且从所有设备接收到射频信号，在需要时采用中继器。描述无线RA系统的专利包括美国专利5,905,442和5,848,054等等。
在现有的无线RA系统中，使用了小型化无线天线，其中包括平面天线。所述平面天线尽管基本令人满意，但是具有很多缺陷。现有技术天线的一个问题是相对昂贵的制造成本，需要在印刷电路板上布置电感图形以确定共振频率。这些平面天线制造起来比较昂贵。并且，现有技术设备的天线具有相对较大的尺寸，基本与配电箱的开口一起扩展。而且，需要增加现有技术设备的天线的发射范围。而且，现有技术设备需要完全的绝缘，因为天线连接到AC导线(或者“线电压”)并且处于相同电势。线电压在美国大约为120VRMS，并且在世界各个国家和地区可能不同。因此，为了保护用户不被电击，现有技术设备的平面天线需要完全绝缘构件。因为平面天线相对较大并且电连接到调光器的线电压，因此在使用平面天线时需要更多的绝缘，从而增加了调光器的成本。美国专利No.5,982,103和5,736,965中描述了现有技术的天线。
因此需要提供一种天线，提供更高的性能特性，需要更少的绝缘或者隔离于AC导线，并且尺寸更小，制造成本更低。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于控制灯和其他电子设备的RF通信系统的天线，并且其中所述天线形成控制设备(例如照明控制设备)的整体部分，并且可以完全安装在传统的配电箱中。
本发明的又一个目标是提供一种天线，所述天线并不可见，完全包含在传统配电箱中的照明控制设备内。
本发明的又一个目标是提供作为照明控制设备的一部分的天线，比现有技术平面天线更加低廉的制造，并且具有比现有技术平面天线更小的尺寸。
本发明的又一个目标是提供一种照明控制设备的天线，其辐射部分隔离于AC导线，从而减少了保护用户所需的绝缘材料的数量。
本发明的又一个目标是提供一种紧凑设计的天线，提供完全各向同性的辐射方向图，即在距离天线确定距离的辐射方向图完全相同。
本发明的又一个目标是提供一种容易调谐的天线，所述天线具有更宽的频率范围并且通过更加容易获得的材料制造。
本发明的又一个目标是提供一种天线，所述天线具有灵活性，从而可以在不同产品中使用，并且特别在RF照明控制系统的不同控制单元中使用，例如在主控单元、中继器以及本地照明控制单元中使用。
本发明的又一个目标是提供一种天线，所述天线尺寸足够小，从而能够安装到有限空间内，并且特别是作为照明控制设备，例如安装在标准电源墙盒中的调光器，的整体部分。
本发明的又一个目标是提供一种天线，相对于在远程控制的照明控制设备中使用的现有技术小型化天线具有更大的发射范围。
本发明的目标是通过一种在指定频率下发射或者接收射频信号的小型化天线而实现的，所述天线包括：导电材料的第一回路(也称为主回路)，所述回路具有至少一个间隙(break)，以及包括桥接所述间隙的电容的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路(也称为反馈回路)，所述回路具有两个端，适合于电耦合到电子电路，所述第二回路仅磁性(或者感性)耦合到所述第一回路，所述第一和第二回路具有基本平行或者重合的回路轴。
在第一实施例中，所述第一和第二回路通过印刷电路板上的金属层而形成，其中所述第一回路被安置在第一印刷电路板的两个相对的表面上，所述第一印刷电路板被安置在电子控制设备的轭铁(yoke)上以将所述电子控制设备安装到配电箱。所述印刷电路板的最外层表面上的金属表面作为辐射元件工作。
在另一个实施例中，优选地，所述第一回路包括从所述照明控制设备的轭铁冲压形成的金属切隙(lance)，并且在所述切隙和所述轭铁的局部之间具有电容，从而形成包含所述切隙、电容和靠近所述切隙的轭铁局部的电子电流回路。所述切隙作为辐射元件工作。
本发明的目标还通过一种在指定频率下发射或者接收射频信号的小型化天线而实现的，所述天线包括：导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，以及包括桥接所述间隙的电容的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路，所述回路具有两个端，适合于电耦合到电子电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一回路，所述天线包括电子控制设备的一部分，所述电子控制设备具有安置在平面中的安装轭铁，所述第一回路具有基本平行于所述轭铁平面或者与所述轭铁平面重合的回路轴。
本发明的目标还通过一种在指定频率下发射或者接收射频信号的小型化天线而实现的，所述天线包括：第一印刷电路板，包括导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，并且包括桥接所述间隙的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及第二印刷电路板，包括导电材料的第二回路，所述第二回路具有两个端，适合于电耦合到电子电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一印刷电路板的所述第一回路。
本发明的目标还通过一种电子控制设备而实现，所述电子控制设备适合于至少部分安装在电源墙盒内以控制受控电子设备的状态，所述电子控制设备包括外壳；耦合到所述外壳的支撑轭铁，所述支撑轭铁具有固定设备用于将所述轭铁耦合到所述电源墙盒；包含在所述外壳内的可控导电设备用于控制受控电子设备的状态；包含在所述外壳内的控制电路；包含在所述外壳内的发射机和/或接收机；以及适合于在指定频率下从远程控制设备接收信号和/或在指定频率下发射信号到远程控制设备的天线，所述天线耦合到所述发射机和/或接收机，所述发射机和/或接收机将来自所述远程控制设备的信号耦合到所述控制电路以远程控制所述可控导电设备，和/或从所述控制电路接收信号以将信号提供给所述远程控制设备从而指示所述受控电子设备的状态，所述天线包括：导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，并且包括桥接所述间隙的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路，所述第二回路具有两个端，适合于电耦合到控制电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一回路，所述第一和第二回路各自具有回路轴，所述第一和第二回路具有基本平行或者重合的回路轴。
本发明的目标还通过一种远程控制设备而实现，所述远程控制设备适合于至少部分的安装在电源墙盒内，并且适合于控制连接到受控电子设备的电子控制设备而不需要导线连接，所述远程控制设备包括外壳；耦合到所述外壳的支撑轭铁，所述支撑轭铁具有固定设备用于将所述轭铁耦合到所述电源墙盒；包含在所述外壳内的控制电路；包含在所述外壳内的发射机和/或接收机；天线，耦合到所述控制电路的至少一个执行器用于向其提供信号以控制受控电子设备的状态，所述天线适合于在指定频率下从所述控制电路发射信号到所述电子控制设备，和/或在指定频率下从所述电子控制设备接收信号，所述天线耦合到发射机和/或接收机，所述发射机和/或接收机将来自所述控制电路的信号耦合到所述天线以远程控制所述电子控制设备从而控制受控电子设备的状态，和/或从所述天线接收来自所述电子控制设备的信号以将信号提供给所述控制电路从而指示所述受控电子设备的状态，所述天线包括：导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，并且包括桥接所述间隙的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路，所述第二回路具有两个端，适合于电耦合到所述控制电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一回路，所述第一和第二回路各自具有回路轴，所述第一和第二回路具有基本平行或者重合的回路轴。
本发明的目标还通过一种电子控制设备而实现，所述电子控制设备适合于至少部分的安装在电源墙盒内以控制受控电子设备的状态，所述电子控制设备包括外壳；耦合到所述外壳的支撑轭铁，所述支撑轭铁置于平面中，并且具有固定设备用于将所述轭铁耦合到所述电源墙盒；包含在所述外壳内的可控导电设备用于控制受控电子设备的状态；包含在所述外壳内的控制电路；包含在所述外壳内的发射机和/或接收机；以及适合于在指定频率下从远程控制设备接收信号和/或在指定频率下发射信号到远程控制设备的天线，所述天线耦合到所述发射机和/或接收机，所述发射机和/或接收机将来自所述远程控制设备的信号耦合到所述控制电路以远程控制所述可控导电设备，和/或从所述控制电路接收信号以将信号提供给所述远程控制设备从而指示所述受控电子设备的状态，所述天线包括：导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，并且包括桥接所述间隙的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路，所述第二回路具有两个端，适合于电耦合到控制电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一回路，所述第一回路具有基本平行于所述轭铁平面的主回路轴。
本发明的目标还通过一种远程控制设备而实现，所述远程控制设备适合于至少部分的安装在电源墙盒内，并且适合于控制连接到受控电子设备的电子控制设备而不需要导线连接，所述远程控制设备包括外壳；耦合到所述外壳的支撑轭铁，所述支撑轭铁置于平面中并且具有固定设备用于将所述轭铁耦合到所述电源墙盒；包含在所述外壳内的控制电路；包含在所述外壳内的发射机和/或接收机；天线，耦合到所述控制电路的至少一个执行器用于向其提供信号以控制受控电子设备的状态，所述天线适合于在指定频率下从所述控制电路发射信号到所述电子控制设备，和/或在指定频率下从所述电子控制设备接收信号，所述天线耦合到发射机和/或接收机，所述发射机和/或接收机将来自所述控制电路的信号耦合到所述天线以远程控制所述电子控制设备从而控制受控电子设备的状态，和/或从所述天线接收来自所述电子控制设备的信号以将信号提供给所述控制电路从而指示所述受控电子设备的状态，所述天线包括：导电材料的第一回路，所述回路具有至少一个间隙，并且包括桥接所述间隙的电容，所述回路具有电感并且与所述电容形成电路，包括所述回路和所述电容的所述电路在所述指定频率下共振；以及导电材料的第二回路，所述第二回路具有两个端，适合于电耦合到所述控制电路，所述第二回路仅磁性耦合到所述第一回路，所述第一回路具有基本平行于所述轭铁平面的主回路轴。
本发明的其他特征和优点通过下面的参考附图的详细描述可以更加明白。
附图说明
在下文中参考附图更加详细的描述本发明，其中：
图1显示了使用根据本发明的天线的射频控制的照明系统的框图；
图2显示了照明控制设备例如调光器的简化框图，所述照明控制设备适合于接收控制信号以控制灯负载并且发射关于灯负载的状态的状态信号；
图3显示了根据本发明的天线的等效电路；
图4是根据本发明的天线的第一实施例的分解简化示意透视图；
图5a和图5b分别显示了主回路印刷电路板的第一实施例的顶视图和底视图；
图5c和图5d分别显示了主回路印刷电路板的第二实施例的顶视图和底视图；
图5e和图5f分别显示了主回路印刷电路板的第三实施例的顶视图和底视图；
图6显示了反馈回路印刷电路板的分解图；
图7示意显示了本发明的共振回路天线的电特性和磁特性；
图8显示了根据本发明的包括本发明天线的第一实施例的调光器的透视图；
图9显示了包括具有本发明天线的调光器的照明控制设备的横截面图；
图10是包含本发明天线的调光器的透视图；
图11显示了根据本发明的天线的另一个实施例，其中部分的通过从电子控制设备的轭铁冲压的金属部分或者固定到所述轭铁的金属部分而形成主回路；
图12显示了图11所示天线的反馈回路；以及
图13显示了图11所示天线的侧视图。
本发明的其他目标、特征和优点通过下面的详细描述可以更加明白。
具体实施方式
现在参考附图，根据本发明的天线和控制单元包括控制照明控制系统的射频元件。所述系统如图1所示连接到建筑硬接线的电力系统10。图1中仅显示了AC电路的火线端。其中未显示零线和地线。除了安装所述照明控制设备以替代现有的标准照明控制开关和调光器之外，对建筑接线不需要进行任何改变以实现控制功能。因此，如图1所示的系统可以用于提供建筑照明系统的远程控制而不需要安装附加导线。这在改造现有建筑以进行远程控制而不需要代价高昂的建造工作和重新接线时特别有用。然而，这种类型的系统也可以在新的建筑中采用以减少所需接线的数量。所有控制功能均通过在主控和照明控制设备、照明控制设备和中继器、主控设备和中继器之间适当的发射的射频信号而实现。
根据所述系统，可以安装主控设备20，它具有多个控制和状态指示器22用于控制分配给各个控制执行器的各个灯。将特定灯分配到特定控制按钮可以根据现有公知的Lutron无线RA系统而进行。在美国专利No.5,905,442和5,848,054等中描述了这种系统，其内容作为引用而完整结合于此。主控设备20包括内部天线，在附图中被隐藏(或者外部天线)，并且接收和发射射频信号以实现控制和状态功能。主控设备20插入到墙壁插座25以通过AC转换器26获得电源。如果需要，可以提供附加的主控设备20。还可以提供墙壁安装的一个或多个主控单元30。主控单元30被称为墙壁安装的主控单元是因为它被安装在现有的电源墙盒中。墙壁安装主控单元30还可以包括根据本发明的内部天线，在附图中被隐藏。可以在系统中提供任何数量的桌面类型20或者墙壁安装类型30的主控单元。
根据所述系统，还可以提供中继器40(可多个)以确保系统的每个元件接收到RF通信信号以进行控制。中继器40包括外部天线24(或者隐藏天线)以发射和接收射频信号。中继器可以通过插入到墙壁插座25的转换器26A而供电。中继器在上述专利中进行了描述。应当注意，中继器40和主控设备20可以通过电池而不是AC转换器26供电。
提供了至少一个照明控制设备50，其中包括根据本发明的天线。照明控制设备50能够通过手动控制按钮52而手动执行，但是也可以从主控单元20、30或者中继器40接收射频信号以控制灯54的状态。另外，照明控制设备50优选地能够发射射频信号到中继器40和主控单元20和30以将受控的一个或多个灯54的状态通知给主控单元。照明控制设备50例如可以包括调光器，并且可以包括多个状态指示器，例如发光二极管(LED)和/或光纤56，从而将灯54的强度和设置指示给用户。指示器56可以为直接查看LED或者光纤管道，从适当的照明设备例如发光二极管接收光能。并且，照明控制设备50包括装置58用于设置强度级别，例如，所述装置58可以包括上/下摇杆开关。而且，可以提供开启/关闭开关59以禁用灯的操作。开启/关闭开关59可以包括例如在执行灯维护时将灯完全隔离于调光器电路的空气隔离开关。可以根据所述系统而提供控制各个灯54的多个照明控制设备50。尽管在此描述了具有根据本发明天线的调光器50和主控设备30，但是主控单元20和中继器40也可以具有所述天线。
图2显示了照明控制设备50的简化框图，所述照明控制设备50能够接收和发射RF信号。照明控制设备50的火线端连接到电力系统10并且调节后的火线端连接到灯负载54。连接到灯负载54的零线不需要连接到照明控制设备50。这样，照明控制设备50可以取代简单的双线开启/关闭开关或者调光器。
照明控制设备50具有用户输入装置102，可以包括适当的用于提供开启/关闭和调光功能的开关或者控制。三端双向可控硅开关106(或者其他适当的功率传导半导体)控制由控制电路108确定的传送给灯负载54的功率量。本发明的天线300通过DC(直流)阻隔电容114连接到收发器110以消除天线中的DC电流。收发器110还耦合到编解码器112，编解码器112耦合到控制电路108。收发器110能够发射RF信号到天线300以及接收RF信号以控制控制电路108。电源116提供电源给调光器50的控制和其他电路。例如，电源116可以为“猫耳”电源，仅在周期中三端双向可控硅开关106被关断的部分中获取功率，从而防止灯负载54的电压下降。用户输入102、三端双向可控硅开关106、控制电路108、收发器110、编解码器112以及电源116均安装在调光器电路印刷电路板(PCB)118上。
图3显示了根据本发明的天线300的等效电路。天线300包括两个部分：主回路210和反馈回路250。主回路210是天线300的主要辐射元件，并且包括串联的电感L和电容C。当提供能量时，主回路210在通过L和C值确定的频率下共振，并且能够通过辐射电阻Rr发射和接收RF信号，所述电阻可以表示传送到辐射的能量。主回路210中的损耗通过损耗电阻R1而表示。主回路210主要通过磁性耦合到反馈回路250。这种耦合在图3中通过理想变压器T而示意表示。反馈回路250包括磁化电感Lm，漏电感L1，以及通过电容114连接到调光器电路PCB 118的两端357。反馈回路250允许在调光器电路PCB 118和主回路210之间传导信号。
这样，天线300适合于通过主回路210接收信号，射频信号电磁耦合到反馈回路250以输入到RF电路收发器110。相反的，反馈回路250接收从收发器110发射的信号，将这些信号电磁耦合到主回路210以发射RF信号到主控或者中继器设备。
图4显示了本发明天线300的该实施例的透视简化示意分解图。根据本发明，天线300包括共振回路天线，该共振回路天线包括主回路印刷电路板(PCB)310，优选地包括印刷电路板，优选地为1/8英寸厚度FR4印刷电路基底，在其上侧和下侧均安置了导电材料314，例如铜、铝或者钢。上侧和下侧的导电材料314通过路径312连接以形成主回路PCB的上侧和下侧之间的电流回路。主回路PCB 310具有内部电感，供应如图3所示的电感L。主回路PCB 310还包括狭槽(slot)360，其尺寸允许反馈回路印刷电路板(PCB)350以相对于主回路PCB的垂直方向安装在所述狭槽中。反馈回路PCB 350可以包括62密耳(mil，千分之一寸)厚度的FR4印刷电路板，具有适合于连接到照明控制设备50的调光器电路PCB 118的两端357。
图5a和图5b中分别显示了主回路PCB 310的顶视图和底视图。导电材料314的一个层，例如在主回路PCB 310的底部上，提供了间隙或者狭槽316。通过所述狭槽，可以安置适当的表面安装电容315以随着主回路PCB的内部电感一起提供如图3所示的电容C。所述电容例如可以包括表面安装电容，可以被调节(使用可调节电容)以调整主回路的共振频率。从而电容与印刷电路一起形成LC电路。当被发射或者接收的RF信号处于通过主回路PCB 310的电感L和电容C确定的共振频率下时，LC电路中的电流最大。
主回路PCB 310中的开口340允许通过加热棒(heat stake)将主回路PCB装配到调光器50，所述加热棒是绝缘固定器，不会改变主回路PCB的磁特性。加热棒是由热塑材料制成的，并且包括两个直立柱头，通过开口340安装在主回路PCB 310中。柱头的端部使用焊模(horn)而成形，所述焊模被加热以熔化所述热塑材料。在热熔工艺之后，柱头的端部具有大于开口340直径的直径，从而将主回路PCB 310保持在适当位置。可替换地，可以使用其他方法形成柱头端部，例如超声波塑形，其中所述端部通过焊模的振动而被加热并且成形。这种设计允许将主回路PCB 310装配在最低电流密度的区域。已经确定最大电流密度区域位于主回路PCB 310的边缘342，从而在此实施例中，在主回路中具有更小的电流干扰。然而，也可以使用其他方法，例如主回路PCB 310的边缘处的弹簧连接。
主回路PCB 310的顶部设置了互相交叉的指状物320，从而提供了形成共振主回路的LC电路的内部电容调节装置。外指状物322和内指状物324互相间隔一定间隙326。内指状物324通过路径328耦合到主回路PCB310的底部上的导电材料314。所述指状物通过使用激光或者其他切削装置切割铜而调节。调节内指状物324比调节外指状物322对主回路PCB 310的电容产生更大改变。
图5c和5d分别显示了主回路PCB 310A的第二可能实施例的顶视图和底视图。图5c中显示了互相交叉指状物320B的不同配置。互相交叉指状物320A具有更大数量的通过间隔326A分隔的外指状物322A和内指状物324A。路径328A将内指状物324A连接到主回路PCB 310A的底部上的导电材料314A层。同样的，所述指状物通过使用激光切割铜而调节。调节内指状物324A比调节外指状物322A对主回路PCB 310A的电容产生更大改变。
图5c显示了主回路PCB 310A，在导电材料314A中具有至少一个激光切割狭槽318。激光切割狭槽318调节主回路PCB 310A的电感L，因为导体电感依赖于导体的长度、宽度和厚度。这样，主回路PCB 310A的共振频率可以通过切割主回路PCB的导电材料314A以提供不同厚度和长度的激光切割狭槽318而调节。尽管切割导电材料314A提供了改变主回路PCB 310A的电感L的方式，切割导电材料也增加了损耗并且降低了主回路PCB的效率。
图5e和图5f分别显示了主回路PCB 310B的第三可能实施例的顶视图和底视图，显示了改变主回路PCB 310B的电感L和电容C的进一步装置。电容指状物320B提供了调节主回路PCB 310B的电容的装置。内指状物324B通过间隙326B分隔于主回路PCB 310B的顶部上的导电材料314B，并且通过路径328B连接到主回路PCB 310B的底部上的导电材料314B。内指状物324B通过使用激光切割铜而调节。
在主回路PCB 310B的底部上，显示了七个表面安装电容315B，各个电容如图5f所示连接到单独的路径312B。在顶部，五个内部路径312B中的每一个通过迹线330连接到导电材料314B。通过激光切割一个或者多个迹线330，主回路PCB 310B的电容可以通过简单的从电路中去除装配到迹线330的电容315A而改变。
主回路PCB 310B的顶部上的迹线332提供了调整主回路PCB的电感的方式。当这些迹线被切割时，主回路PCB 310B的电感L改变，因为导体电感依赖于导体的长度、宽度和厚度。
图6显示了图4所示的反馈回路印刷电路板350的分解图。三个绝缘层352由FR-4印刷电路板基底制造，位于四个适当的导电材料层(例如铜、铝、钢)之间。两个内部导电材料层包括反馈回路迹线355，所述反馈回路迹线355并联耦合并且通过外部绝缘层352而绝缘于主回路PCB 310的外部接触端和轭铁518。反馈回路迹线355通过路径362连接到两端357并且被内部屏蔽354和外部屏蔽353包围，内部屏蔽354和外部屏蔽353均可以是铜、铝或者钢，或者任何适当材料，并且屏蔽照明控制设备的电路不受RF干扰影响。内部屏蔽354和外部屏蔽353通过路径364连接。
图7示意显示了本发明的共振回路天线的电特性和磁特性。主回路PCB310包括主回路轴，平行于Z轴。如图所示，通过主回路PCB 310接收到的RF信号产生经过主回路PCB的上部和下部表面的电流I。电流流过各端的路径312并且当发射或者接收的RF信号处于通过主回路210的电感L和电容C确定的共振频率时电流处于最大值。电流产生如图所示的磁场φ。磁力线与反馈回路250相交，导致反馈回路中感应的电流输入到RF电路的接收机。在发射时，反馈回路PCB 350中的RF信号通过磁场φ电磁耦合到主回路PCB 310，在共振频率下在主回路PCB 310中建立电流以作为射频信号发射。
天线300提供完全各向同性的辐射方向图，这意味着天线在以天线为中心的球面上的所有方向上相对均匀地辐射。在该球面上任何方向中没有任何位置的辐射功率等于零。这意味着天线300可以按照任何方式即水平地或者垂直地安装，但是仍然可以正常工作。
图8是包含根据本发明的天线300的调光器照明控制设备50的透视图。图8中没有显示面板以及控制灯的开启/关闭操作以及照明强度的执行开关机制52和58。这些机制被安置于图8所示的调光器装置的顶部。这些机制在图8中有意地被隐藏以揭示根据本发明的天线的结构。然而，图10显示了开启/关闭和调光执行机制的细节。
参考图8，其中显示了包含根据本发明的天线的调光器50的透视图。调光器50包括外壳，外壳包括背盖500。所述外壳封装调光器的电子电路，其中包括功率/调光电路、控制电路以及RF电路。背盖500上包含的螺丝端554用于将电力系统10的AC火线连接到调光器50。另一个螺丝端550允许将调节后的火线连接到负载54。螺丝端552连接到零线(如果需要的话)。第四螺丝端556(图6所示)允许连接附加的控制链路。
调光器包括轭铁518，通常由金属例如钢或者铝制成，并且适合于使用螺丝穿过孔522通过传统方式将调光器固定在电源墙盒中。轭铁518优选地由金属制成以提供调光器的功耗部件的散热器。轭铁518包括穿过其中的开口，在后文中将参考图10进行详细描述，这些开口允许执行调光器的控制，即开启/关闭功能以及设置调光级别。例如，开口538A和538B允许接入调光器摇杆装置的突出部分以执行置于调光器50内部的调光器设置开关。并且，提供开口540以允许穿过轭铁518照射的来自发光二极管(LED)的照明，从而显示依附到控制器的灯的强度。金属轭铁518优选地通过连接到接地连接装置516的导线而耦合到地电位。
在轭铁518中部，提供了本发明的天线300。根据图8所示的实施例，本发明的天线包括主回路PCB 310和基本垂直于主回路PCB 310设置在主回路PCB 310的狭槽360中的反馈回路PCB 350。主回路PCB 310的主回路轴平行于轭铁518的平面。由于调光器50的金属轭铁518优选地接地，主回路310必须安装在轭铁518的外表面上。反馈回路印刷电路板隔离于主回路并且仅磁耦合到所述主回路。主回路印刷电路板310可以通过具有柱头528的加热棒而固定到轭铁，所述柱头如前所述将主回路在最小电流密度区域装配到轭铁。在主回路PCB装配到轭铁时电容315安装在主回路PCB 310的底部上的位置处在轭铁518中具有开口以防止接触所述电容和轭铁。
图9显示了不具有面板、调光器和开启/关闭控制的调光器50的横截面图。主回路PCB 310通过加热棒526装配到轭铁518，所述加热棒是绝缘固定器，不会改变主回路PCB的磁特性。如前所述，加热棒是由热塑材料制成的，并且包括两个直立柱头528，通过开口340安装在主回路PCB 310中。柱头528的端部使用焊模(horn)而成形，所述焊模被加热以熔化所述热塑材料。在热熔工艺之后，柱头528的端部具有大于开口340直径的直径，从而将主回路PCB 310保持在适当位置。反馈回路PCB 350的端部357连接到调光器电路PCB 502的狭槽504。反馈回路PCB 350垂直于主回路PCB 310安装在主回路PCB的狭槽360中。反馈回路PCB 350通过端部357电耦合到调光器电路PCB 502的RF部分。应当注意，当反馈回路PCB 350安装在调光器50中时，外部屏蔽材料353在轭铁518的平面下方。
图10显示了包含根据本发明的天线的照明控制设备50的详细构造。图10是图8和图9所示的照明控制设备50的分解图。照明控制设备50包括绝缘的背盖500，具有螺丝端550、552、554、556，可以分别在其上提供调节后的火线、零线、火线、附加控制等电线。在背盖500内，提供了调光器印刷电路板502，耦合到上文所述的天线300。反馈回路PCB 350连接到调光器PCB 502中的狭槽504。调光器PCB 502的目的是接收来自天线300的射频信号以控制灯的操作以及将射频信号反馈到天线300以发射回到主控设备。调光器PCB 502还包括适当的电源116以及微处理器控制电路108，所述微处理器控制电路108通过从天线300接收到的信号而控制，并且发射关于受控灯的状态的信号到天线300。调光器PCB 502还包括多个发光二极管(LED)506，指示受控灯的状态。光通道组件531设置在轭铁518上方，并且将来自各个发光二极管506的光线耦合到设备外部以显示受控灯的调光状态。
背盖环510耦合到背盖500，同样由绝缘材料制成。由调光器PCB 502控制的灯的强度通过半导体功率设备514而控制，所述半导体功率设备514可以包括三端双向可控硅开关。半导体功率设备514通过背盖环510的柱头512而保持在适当位置，从而半导体功率设备514与金属轭铁518接触以散热。轭铁518包括散热器，并且作为将照明控制设备50安装到电源墙盒中的装置而工作。因此，轭铁518包括两个螺丝孔522，容纳安装螺丝以将轭铁以及设备50通过传统方式安装到电源墙盒中。主回路PCB 310在轭铁中心附近通过具有柱头528的加热棒526而固定到轭铁518。天线300的反馈回路印刷电路板350耦合到调光器PCB 502。
执行按钮52置于轭铁518上方，通过中介的铰接杆532而操作，从而控制调光器PCB 502上的开关534。开关534通过铰接杆532被操作并且提供信号给控制电路108，控制电路108控制半导体功率设备514的操作以控制调光器50的开启/关闭状态。并且，提供了摇杆臂控制538，该摇杆臂控制具有操作表面58用于通过调光器PCB 502上的接触开关536而增加和减小所连接灯的强度级别。空气隔离执行器59操作空气隔离开关以提供正空气隔离系统关闭以进行系统维护。提供边框(bezel)530作为外部覆盖，从而达到美观目的并且可以适当涂色。优选地，边框530和构件52、59和538均通过工厂采用一种选定的颜色，从而可以获得适当的美学外观。各个部件可以互换，从而可以提供不同的颜色或者颜色组合。
与美国专利No.5,982,103和5,736,965中公开的现有技术天线不同(其公开内容作为引用而完整结合于此)，由于主回路印刷电路板310电隔离于反馈回路印刷电路板，从而减少了用户可操作和可接触表面52、58、59、530与照明控制设备的面板以及照明控制设备的AC连接部分之间所需的绝缘材料的数量。特别的，主回路印刷电路板310完全隔离于反馈回路印刷电路板350。主回路印刷电路板310优选地电连接到轭铁518，但是可以通过印刷电路板和轭铁之间的很小的绝缘构件而绝缘于轭铁518。
反馈回路印刷电路板350电连接到电源线10并且因此可以处于线电压下。然而，由于反馈和主回路之间通过磁耦合提供的隔离，主回路印刷电路板310并不处于线电压下。如果主回路连接到轭铁518，则会通过电力系统10的接地网络而连接到地电位。
除了上述优点，本发明的天线远远小于现有技术专利中所示的平面天线，仅占用轭铁518中心的很小部分。
图11显示了根据本发明的在电子控制设备中使用的天线的另一个实施例。图11显示了电子控制设备的轭铁382。天线380包括从轭铁382的金属板冲压成形的切隙(也可称作第一导电元件)384。可替换的，切隙384可以通过螺丝、铆钉或者其他固定器或者固定方法(例如焊接)而固定到轭铁382。切隙384置于轭铁382平面的上方预定距离，并且通过该距离隔离于轭铁382。在切隙384的端部386，切隙尖端386通过介电元件388隔离于轭铁382，作为切隙384的端部386和轭铁382之间的电容。因此，切隙384作为天线380的辐射和/或接收元件。因此，当作为接收机时，在包含切隙384、介电元件388和切隙384下方以及附近的轭铁382局部的回路中感应电流。由此，形成了电流回路，具有基本平行于轭铁382平面的主回路轴。
图12显示了反馈回路390的一个实施例，可以与切隙384一起使用。所述反馈回路390置于在切隙384下方形成的开口392中。特别的，它可以被安置于当从轭铁382冲压形成切隙384时产生的开口392中。可替换地，如果切隙通过固定器或者焊接等方式固定到轭铁，则在切隙384下方形成开口392，其尺寸适合于容纳反馈回路390。反馈回路390还可以被安置于印刷电路板上或者某些其他基底上，并且可以如同前述实施例一样具有绝缘部分以将其电隔离于轭铁和主回路。反馈回路390具有两个端396用于连接到RF控制电路。
图13提供了天线380的侧视图，显示了如何将反馈回路390安装到切隙384下方的轭铁382中的开口392中。
介电元件388可以由适当材料制成。一种适当的材料为Rodgers 4010或者3010材料，并且可以被激光切割。可以提供适当的夹紧装置以将切隙端部386相对于介电元件388固定，从而防止电容的无意中的变化。
可替换地，切隙384可以在两端通过介电元件388耦合到轭铁，在切隙384的两端之间有效分布电容。
可以选择任何其他适当的介电材料作为介电元件388。优选地，使用低损耗的材料。共振电容中的损耗会直接降低回路的效率。
回路/电容组合中另一个可能的损耗源是形成轭铁与电容接合点的差异材料。如果轭铁由铝形成，在进行压力接触之前应当对铝进行打磨并且使用装置以确保持续压力以及防止氧化。形成电容的PCB优选地应当镀锡，因为锡/铅和铝的接合点比铝-铜接合点具有更低的腐蚀可能性。轭铁的电镀选择区域(或者“点镀”)也是可能的。
在天线380的一个实施例中，主回路的切隙384的顶部位于轭铁表面上方0.125英寸。切隙为0.045英寸厚和0.120英寸宽。回路为2.18英寸长。回路可以制造为更长。随着回路长度增加，由此包围的区域增加，效率随之提高。
天线380的效率直接与回路包围的面积关联。切隙384在轭铁382上方的高度对于效率来说是最为敏感的参数。该高度直接受到调光器的塑料面的厚度的限制。为了提供最大的优点，天线380应当尽可能远的向照明控制设备的面板延伸。
优选地，图12所示的反馈回路390被插入到切隙384下方的轭铁382中的狭槽392中。反馈回路390可以封装在塑料中以提供所需的绝缘。
反馈回路390可以由平的金属材料制成，例如0.15英寸黄铜。回路顶部优选地被折叠，从而与主回路紧密磁耦合，这种耦合受到它们之间的介电击穿所需的绝缘厚度的限制。这在图12中显示为折叠394。反馈回路的塑料外壳可以固定主回路切隙384，设定天线高度并且保护其不被损坏。
由于主回路和反馈回路之间的耦合完全是通过磁场的，封装反馈回路的塑料材料的介电常数相对并不重要。
由此描述了共振回路天线以及包含所述回路天线的电子控制设备，其中所述回路天线具有主回路辐射接收部分，主要通过磁耦合到反馈回路。
而且，主回路的辐射和接收由于感性耦合而隔离于反馈回路，并且不需要任何附加的隔离装置以防止电击危险。调光器的理想特征是现场通过具有不同颜色的用户接口替换整个用户接口组件(面板、按钮、边框、摇杆臂等等)的功能，当用户接口被去除并且轭铁和天线暴露给用户时，所述调光器并没有危险。这意味着在调光器PCB 502上的高压电路和用户可以接触的任何表面之间具有适当的电隔离以防止电击。
而且，所述天线很容易在很宽范围上调谐，因为它可以仅通过一个元件即电感或者电容而调谐，同时将特征阻抗保持在给定值。通常优选是调节电容，因为调节电感可能增加主回路中的损耗。
而且，主电感和漏电感被弱耦合。所述天线包括串联共振天线，并且可以独立于驱动电路而调谐。而且，所述天线可以现场更换，从而工作频率可以很容易改变。反馈回路可以被屏蔽以最小化噪声，并且可以被绝缘材料包围以获得进一步的隔离。而且，所述天线相对于电子控制设备中的现有技术小型化天线更加优越，因为扩展了发射范围，并且更加容易调谐。
而且，本发明的天线比现有技术天线可以更加低廉的制造。
尽管参考特定实施例描述了本发明，本领域技术人员可以很容易做出各种变化和修改以及其他使用。因此，本发明并不限于在此公开的特定内容，而是仅由所附权利要求限制。

Claims (26)

1.一种在指定频率下发射或者接收射频信号的天线，所述天线包括：
导电材料的第一回路，具有电容和电感，所述电容和所述电感形成在所述指定频率下共振的电路；以及
导电材料的第二回路，具有适合于电耦合到电子电路的两个端，所述第二回路仅磁耦合到所述第一回路并且电绝缘于所述第一回路；
其中，所述第一和第二回路各自具有回路轴，所述第一和第二回路的回路轴平行或者重合；所述第一和第二回路分别形成在第一和第二印刷电路板上；所述第一回路的第一印刷电路板具有狭槽，并且所述第二回路的第二印刷电路板安置于垂直于安置所述第一印刷电路板的平面的平面，所述狭槽的尺寸被设置为容纳所述第二印刷电路板的尺寸，所述第二印刷电路板置于所述狭槽中。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述导电材料的第一回路包括间隙，并且所述电容包括桥接所述间隙的电容。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述第二回路处于线电压下。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一回路形成在第一印刷电路板上，并且其中所述第一印刷电路板被置于平行于电子控制设备的安置轭铁的平面，所述轭铁适合于将所述电子控制设备安装在配电箱中。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述第一回路的回路轴平行于所述安置轭铁的平面。
6.根据权利要求2所述的天线，其中所述第一回路包括置于电子控制设备的安装轭铁上方预定距离并且平行于安置所述安装轭铁的平面的第一导电元件，所述第一导电元件通过所述间隙与所述轭铁分离开一部分，介电元件安置于所述间隙中形成所述电容，从而在包含所述第一导电元件、所述电容和所述轭铁的邻近所述第一导电元件的区域的所述第一回路中感应出电流。
7.根据权利要求6所述的天线，其中所述第一导电元件包括在一端电耦合到所述轭铁的金属元件，并且所述电容在所述金属元件和轭铁之间被安置于所述金属元件的另一端。
8.根据权利要求7所述的天线，其中所述金属元件在一端机械固定到所述轭铁。
9.根据权利要求7所述的天线，其中所述金属元件在所述一端与所述轭铁整体成形。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述金属元件从所述轭铁冲压成形。
11.根据权利要求6所述的天线，其中所述电容通过夹紧装置夹在所述第一导电元件和所述轭铁之间。
12.根据权利要求6所述的天线，其中所述电容包括印刷电路板电介质。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述电容包括印刷电路板，在所述印刷电路板的至少一侧上具有金属层。
14.根据权利要求6所述的天线，其中所述第二回路包括形成在回路中的导电薄片金属材料。
15.根据权利要求6所述的天线，其中所述第二回路包括形成在印刷电路板上的金属迹线。
16.一种远程控制设备，适合于控制连接到受控电子设备的电子控制设备而不需要导线连接，所述远程控制设备包括：
控制电路；
与所述控制电路通信的发射机和/或接收机；以及
耦合到所述发射机和/或接收机的天线，所述天线适合于在指定频率下发射第一信号到所述电子控制设备和/或在指定频率下从所述电子控制设备接收第二信号；
其中所述发射机将来自所述控制电路的第一信号耦合到所述天线和/或所述接收机将来自所述天线的第二信号耦合到所述控制电路；
所述天线包括：
导电材料的第一回路，具有电容和电感；所述电容和所述电感形成在所述指定频率下共振的电路；
导电材料的第二回路，具有适合于电耦合到控制电路的两个端，所述第二回路仅磁耦合到所述第一回路；
所述第一和第二回路各自具有回路轴，所述第一和第二回路的回路轴平行或者重合；
其中，所述设备还包括：可控导通设备、控制电路、发射机和/或接收机以及天线的外壳；以及耦合到所述外壳的支撑轭铁，用于将所述电子控制设备固定到电源墙盒；
所述第一和第二回路包括印刷电路板，所述第一回路被安置于平行于所述轭铁平面安置的印刷电路板上，并且所述第二回路被安置于垂直于包含所述第一回路的印刷电路板的印刷电路板上。
17.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括：
耦合到所述控制电路的执行器；所述控制电路响应于所述执行器；
其中所述第一信号被发送到所述电子控制设备以远程控制所述电子控制设备，从而控制受控电子设备的状态。
18.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括：
状态指示器，所述状态指示器耦合到所述控制电路并且响应于所述控制电路；
其中从所述电子控制设备接收所述第二信号以指示所述受控电子设备的状态。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述导电材料的第一回路包括间隙，并且所述电容包括桥接所述间隙的电容。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一回路与所述第二回路绝缘。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述第二回路处于线电压下。
22.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括显示装置用于显示所述受控电子设备的状态。
23.根据权利要求16所述的设备，其中所述轭铁包括与所述外壳共延的金属板并且具有从其中延伸的安装耳部，用于将所述轭铁固定到电源墙盒，所述天线安置于所述轭铁的向外的表面上。
24.根据权利要求16所述的设备，其中所述受控电子设备包括电子灯。
25.根据权利要求16所述的设备，其中所述天线被安置于所述轭铁的中心。
26.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一回路部分地通过第一导电元件与在所述第一导电元件的局部和所述轭铁之间形成的间隙形成，第一导电元件距离所述轭铁预定距离且平行于所述轭铁平面。
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