专利名称：嵌入式天线和滤波器装置及其方法
技术领域：
当前主题通常涉及用于提供往返于电量计(electricity meters)的射频通信 的改进的装置和方法。更特别地，当前主题涉及组合的射频滤波器和天线配 置，其实现往返于相关联电量计的改进的传输特性。
背景技术：
当前主题涉及在这样领域中的装置和方法，包括使用与印刷电路板组件 相关的嵌入组件来形成与电量计相关联的发射机或者收发信机。
计量的一般目的是监视物理现象以允许记录所监视的(多个)事件。如 果传递所记录度量或者所监视数据的能力受到妨碍，则计量设备和/或工作的 基本目的失败了。这样的计量设备的基本功能和目的可应用于多个环境。度 量的一个广泛领域例如涉及公用设施计量表(utility meters )。 4又举几个例子 来说，这些可以包括对诸如电、水、气、和油之类的各种形式能量或者其它 商品消费的监视。
历史上，使用了机械形式的寄存器用于公用设施计量表。这样的方案提 供了具有某些内在功能优点的相对可靠的现场设备。例如，如果正被测量的 可消耗商品(commodity)流被中断了，则量表的机械形式筒单地停止在其位 置，自动地反映先前累积而不需要其它配置，并且没有这样的累积数据的任 何损失。在恢复商品流之后，机械寄存器然后能简单地开始将附加的流值添 加到先前累积中，以便一直反映精确的数据，而与间歇性的商品流中断无关。
此外，在许多实例中，量表或者寄存器不需要分离的电源，这是因为其由商品流直接操作。在电量计的情况下，机械寄存器能被供电。因此，当掉
电时，测量功能暂时不相关(moot),以便即使量表本身会暂时没有电源，也
不会丢失测量功能。
随着计量设备技术的发展，机械寄存器开始由更多基于电的设备和电子 形式的寄存器所代替。另外，已经引入了允许对公共设施计量表的远程读数 和/或控制的数据传输设备，因此减轻了公共设施公司可视地检查计量表以获 得定期读数的需要、或者访问计量表以进行某些指向该计量表的通信(例如， 诸如指令)的需要。
例如，在电量计的情况下，电力已流向和通过该计量或者测量设备。这 样的事实有助于方便的电力供应，而不用必须试图依赖于电池供电或者其它
电力来源。因此，存在可用于向随运载工具携带的发射机和/或收发信机提供 电力的就绪电源，其中所述随运载工具携带的发射机和/或收发信机可以用于 向远程位置传输所收集的数据和/或接收被设计为修改或者控制公共设备计 量表的操作的各种命令和/或控制信号。
与这样的通信用途无关，部分由于以下这样的事实导致存在内在的问题， 即当使用相对大量这样的设备时，与其它这样的设备或者与其它以类似频率 进行操作的设备的干扰可以在往返于公共设施计量表接收所传输数据或者控 制信号的过程中引起错误。已经进行了在先的尝试来解决这样的技术问题。
2004年5月18日发布的、授予Garrard等人的Remote Metering的美国 专利6,737,985中公开了一种电量计，其中尤其包括天线系统120。
2000年6月20日发布的、4受予Bush的Demand Reporting of Electricity Consumption by Radio in Relays to a Base Station, and Demand Relays Wattmeters So Reporting Over a Wide Area的美国专利6,078,785中^>开了 一种 电量计，其包括可与整合到外壳绝缘部分的回路对应的天线。
标题为"Current Affairs-Advances in AMR technology"的2000年文章中 简要论述了 PCS无线调制解调器与使用完全包括在测量表底盘内的专有天线 的自动电量计读数系统一起的使用。
发明内容
考虑到先有技术中遭遇以及当前主题所要解决的所识别出的特征，公开 了用于与电量计内的计量操作有关的、传输射频(RF)信号的改进装置和方法。更具体地，当前主题的某些实施例的特定方面涉及来自与公共设施计量
表相关联的发射机或者收发信机耦接的天线的、改进的天线辐射图(radiation pattern )。
另一个更广泛的当前方面是实现来自电量计的改进的自动化计量表读数 通信和/或到电量计的改进的命令和控制通信。
当前主题的某些实施例的另 一个更具体方面涉及在来自与公共设施计量 表相关联的发射机(或者收发信机)的带外信号中提供减少的干扰。在这样 的环境中，当前主题的一般方面提供了来自与公共设施计量表相关联的廉价 发射机的降低的谐波频率辐射。
当前主题的另一个更广泛方面是有利地利用嵌入的射频组件。更特别地， 例如在这样的环境中，当前优点是在某些实施例中提供了全部在嵌入环境中 的、与天线特征相结合的带线(stripline)或者微线(microline )滤波器配置。
更进一步的当前优点是，对于某些特定当前实施例，提供这样配置和安 装的天线元件，以便一旦完全组装了电量计，则该计量表外壳本身贡献为辐 射元件的一部分或者全部。
当前主题的另外方面和优点将在此处给出的详细描述中阐述，或者根据 这些详细描述而对于本领域普通技术人员是显而易见的。此外，还应当理解， 借助于此处的当前参考，可以在各种实施例中实践对其中具体说明、参考和 论述的特征和步骤进行修改和改变，而且对这个主题的使用没有背离其精神 和范围。这样的改变可包括但不局限于，对那些示出、参考、或者论述的等 效装置以及特征或步骤的替换，以及各种部件、特征、步骤等的功能、操作、 或者位置反向。
更进一步，应当理解这个主题的不同实施例、以及不同的当前优选实 施例可以包括当前公开的步骤或者特征、或者它们的等效的不同组合或者配 置(包括未在附图中明确参考或者在详细描述中明确陈述的步骤或者特征或 者配置的组合)。
当前主题的一个示范实施例涉及改进的天线设计，其以积极方式管理由 金属外壳环境内的天线的机械关联所带来的不可避免的射频(RF)寄生，由 此提供了改进的辐射效率。
当前主题的其它示范实施例可以利用嵌入的滤波器来限制可能损害其它 附近电子装置的操作的谐振辐射。作为当前主题的另一个方面，这样的嵌入需要。
当前主题的其它示范实施例涉及公用设施计量表，其具有计量部分、被 配置为以预定频率传输射频信号的发射机部分、以及显示部分。在这样的实 施例中，发射机部分还可能有利地包括支持发射机的印刷电路板，并且还可 以向该公用设施计量表提供分别嵌入到这样的电路板中的天线和滤波器。这 样的示范滤波器配置优选为涉及连接在发射机和天线之间的滤波器。可以在 其中的某些实施例中指定滤波器的补充细节(尽管这在其它实施例中不是必 须需要的)，其中滤波器包括预定数目的四分之一波长的调谐谐振器，其被调 谐为预定数目的预定频率的选定谐波。
更进一步，其它的当前实施例可能涉及这样的电量计，其具有嵌入的射 频特征来提供对带外谐振辐射的控制。这样的当前示范电量计可以包括，例 如计量部分、印刷电路板、在这样的印刷电路板上支持并且被配置为以预定 频率传输射频信号的发射机、嵌入到这样的印刷电路板中的天线、以及嵌入 到这样的印刷电路板中的滤波器。滤波器可以优选为连接在发射机和天线之 间，并且可以优选为包括带线滤波器和微线滤波器之一。在这样的具有嵌入 射频特征的示范当前电量计中，结果是用于诸如自动化计量表读数通信或相 关通信之类的高效数据通信的增强的电量计数据信号通信。
某些当前示范实施例更详细地涉及带线滤波器，用于减少来自被设计为
以预定频率进行操作的发射机的谐振辐射。这样的示范滤波器可以包括带 线传输线，从第一端延伸到第二端；第一对四分之一波长调谐谐振器，被调 谐到预定频率的第一预定谐波并且与该带线传输线耦接；以及第二对四分之 一波长调谐谐振器，调谐到预定频率的第二预定谐波并且与该带线传输线耦 接。在某些这样的示范带线滤波器实施例中，可以提供印刷电路板，其中带 线传输线、第一对四分之一波长调谐谐振器、第二对四分之一波长调谐谐振 器、和第五个四分之一波长调谐谐振器全部都嵌入在该印刷电路板中。在其 它、替换的带线滤波器实施例中，所有这样的特征可以在相关联的印刷电路 板上形成，而不是嵌入其中。
当前的更进一步方面涉及对应的方法，本领域技术人员应当理解，这样 的对应方法同样形成当前公开的一部分。广泛而言， 一个这样的示范当前方 法涉及一种减少来自印刷电路板的谐波频率辐射的方法，包括步骤提供印刷电路板，并且在其上包括被配置为以预定频率传输射频信号的传输部分； 在这样的印刷电路板中嵌入天线，该天线被这样配置以便辐射预定频率；在 印刷电路板中嵌入滤波器，这样的滤波器包括至少一对调谐到预定频率的预 定谐波的部分；以及将该滤波器连接在传输部分和天线之间。
根据当前主题的某些实施例的方面，每个这样的嵌入滤波器可以被配置 为使得无法控制的表面辐射最小化，该表面辐射以别的方式由各个滤波器组 件的使用而引起。
未必在这个发明内容部分中描述的当前主题的另外实施例可以包括和合 并在上面的发明目的中引用的特征、组件、或者步骤和/或另外在这个申请中 论述的其它特征、组件、或者步骤的方面的各种组合。通过浏览说明书的其 它部分，本领域技术人员将更好地理解这样和其它实施例的特征和方面。
参考附图在说明书中阐述了包括最佳模式在内的、当前主题向本领域普 通技术人员的完整和允许公开，在附图中
图1是根据当前主题构造的示范滤波器的示范配置的示意以及
图3示意性地说明了根据当前主题、在公用设施计量表内的天线安装。 遍及当前说明书和附图对参考符号的重复使用意欲用来表示当前主题中 的相同或者相似特征、元件或者步骤。
具体实施例方式
如发明内容部分所述，当前主题尤其涉及在例如诸如电量计之类的公用 设施计量表内、用于传输与计量操作有关的射频(RF)信号的改进装置和方 法。作为通常非限制的示例，以卯0MHz (兆赫)ISM (工业、科学、医学) 频带频率(通常为902 MHz到928 MHz )进行操作的介质供电 (medium-powered) RF发射机在落入FCC (联邦通信委员会)限制频带中的 第三、第四和第五谐波处生成相当大的功率输出。因此，需要特定的谐波滤 波来使发射电平在政府规定的限制之下。
传统的设计利用集中的带通和/或低通滤波器来实现谐波抑制的任务。主要是由于从滤波器本身生成了寄生通带和不受控制的辐射，所以这样滤波器 的实现已经是困难的。另外，各个组件的使用不必要地增加了这样的滤波器 的总成本。
具体参见图1,示意图示出了根据当前主题构造的带线滤波器IO的示范 配置。当前主题提供了可以并入常规的多层印刷电路板中的经济型带线滤波 器10,而且其另外解决了相对于本领域先前的开发所标识的许多问题。更具 体而言，根据当前主题的带线滤波器IO避免了本身可能是无法控制的辐射来 源的各个组件的使用。
如图1所述，根据当前主题的带线滤波器10包括通常在第一端口 20和 第二端口 22之间延伸的传输线部分12。这样的端口 20和22可被指定为输 入和输出端口，但是次序可以电反转，这是因为所述示范滤波器结构是对称 的。然而，在其它设计中可以不必呈现这样的对称性，以便滤波器设计的对 称性不是当前主题的必需限制。
进一步参见图1，根据当前主题的带线滤波器IO例如可以对应于通常成 对排列、并且沿传输线12分布的多个弯曲的四分之一波长谐振器。这样的四 分之一波长谐振器可以配置为陷波滤波器(notch filters),而低通或者带通滤 波器可以已经是先前在其它滤波器配置(即，非带线实施例)中釆用的滤波 器类型。因此，如所述，四分之一波长谐振器30和32中的每个都可以调谐 为发射机操作频率的第三谐波。在该示范配置中，同样如本领域的那些技术 人员所理解的那样，这样的频率可以对应于大约2,700 MHz或者2.7 GHz(即， 是900MHz的基础或者基本频率的三倍)。
以类似的方式，所述谐振器40和42可以对应于调谐到示范基础频率900 MHz的第四谐波的四分之一波长谐振器，而谐振器50可以对应于调谐到示 范基础频率9 00 MHz的第五谐波的四分之一波长谐振器。
图2a到2d分别对应于与根据当前主题、对应于基础频率及其中所感兴 趣(即，第三、第四、和第五)谐波的带线滤波器IO的等效电路表示。
特别地，图2a象征地说明了当带线滤波器10以在900 MHz ISM频带内 的基本频率进行操作时、可能电学地出现的带线滤波器IO的等效电路。如图 2a所述，对应于基本操作频率，带线滤波器IO可以表示为选定长度的基本对 称排列的传输线的串并联配置。更具体而言，在图2a的基本频率表示的情况 下，如图所示，可以认为端口 20和22(分别是端口 1和端口 2)二者与1/16波长传输线和1 / 12波长传输线的结点等效耦接，而这些传输线的相对端可
被象征地表示为与公共地平面耦接。按照图2a到2d所示那些表示的常例， 将希腊符号A(X)理解为表示波长。
与两个人/16和入/12串联耦接传输线的接合点耦接的是一对串联连接的 入/12传输线，这对传输线的共同接点可以表示为经由所连接的A/20传输线 耦接到先前提及的公共参考面(参见上面对图2a的说明)。
进一步参见图2a，将会观察到，刚刚描述的带线滤波器10的等效表示 可以由无标记右手侧箭头的表示而进一步简化为图2a的右手部分所描述的更 简单形式。这样的简化或者精简说明和表示对应于一对电容器连同耦接在端 口20和端口22之间、大约入/4的单条传输线段，其中这对电容器分别耦接 到端口 20和22以及公共地平面的对应表示。
根据当前技术，第三、第四和第五谐波操作等效体可以分别对应于图2b 到2d中所述的单元。如根据对这样的图进行检查所观察到的那样，如对应的 图中所述，除了用于每个图的传输线表示的各种长度不同之外，每个这样的 等效电路表示中的初始表示在结构上与表示带线滤波器10的基本频率等效 体的、图2a中所述的那个相同。
除上述在用于各种谐波的传输线表示的长度方面的差别之外，在图2a 到2d每一个的右手侧部分，如图所述，第二、简化的组件等效电路表示(图 2b到2d中的每个相应说明的右手侧部分)从基本频率到各种谐波频率多少 分别有些不同。然而，在每个实例中，本领域的技术人员将会理解，这样的 说明利用了所指示的电容器(图2a和2b右手侧的说明)或者电感器(图2c 和2d右手侧的说明)和各种节点、与公共地平面的连接、以及特定的示范近 似传输线长度。
现在参见图3,其中将更详细地论述当前技术的另外方面，更具体而言 涉及一种用于提供与发射机或者收发信机相关联的嵌入天线的方法，其中该 发射机或者收发信机与诸如电量计之类的公用设施计量表相关联。
图3中描述了通常的电量计100,其在已安装的配置的形式下、包括通 常可以耦接计量组件130的金属外壳110,该计量组件可以插入到匹配连接 件(未示出)中，该连接件位于金属外壳110表面内的圆形开口 120内。示 范的代表性电量计100中的计量部件或者组件130被象征地说明为对应于计 量电路板140、射频(RF)发射机或者收发信机板150和显示面板160。显示面板160可以对应于液晶显示器(LCD)或者任何其它类型可以从本领域
已知或者还有待开发的显示器中选出的显示器。显示器的具体形式(甚至其 存在性)未形成对当前主题的限制。由于在当前主题给定实施例中的特别需
要，每个这样的组件(即，计量板140、发射机/收发信机板150和显示面板 160)由适当的互连(未示出，但是可以由本领域技术人员更好理解)耦接在 一起，以允许示范代表性电量计的正确操作。
进一步参考发射机/收发信机板150,天线170可以嵌入到其上安装了与 发射机/收发信机相对应的组件的印刷电路板中。可以与先前相对于分别参考 图l和图2a到2d描述的带线滤波器10的论述相同的方式，将天线170嵌入 其中。在当前主题的某些实施例中，天线170和带线滤波器IO二者可以作为 另外对应于发射机/收发信机板150 (即起板150的作用)的多层印刷电路板 的部分而一起嵌入。在其它实施例中，天线170可以在印刷电路板上形成而 不是嵌入其中。类似地，可以用微线滤波器配置进行实践来代替带线滤波器。 此外，可选地， 一旦完全组装了具有外壳110的计量表，则外壳或者仪表外 壳IIO可以与天线170操作关联，以便形成天线中的辐射元件的一部分或者 全部。
与天线170在例如发射机/收发信机板150内的具体位置相关的设计原则 将考虑天线定向、以及电量计外壳和任何连接导管和电线可能在天线性能上 所具有的天线辐射图的物理存在及其影响。天线还可以被设计为以两个正交 极化提供辐射，即提供双极化特性，以便增加传输范围和可靠性，所有这些 都是符合当前主题的。在很多情况下，电量计将不会在希望与该电量计进行 通信的发射机/收发信机的视线之内。在此情况下，极化分集可以帮助提高这 样的非视线内通信的可靠性。
虽然已经相对于当前主题的特定实施例详细描述了当前主题，但是应当
这样的实施例的更改、改变和等效。因此，当前公开的范围为示例而不是限 制，而且该主题公开没有排除包括本领域技术人员之一显而易见的、对当前 主题的1奮改、改变和/或添加。
权利要求
1、一种减小来自印刷电路板的谐波频率辐射的方法，包括步骤提供印刷电路板，并且在其上包括被配置为以预定频率传输射频信号的传输部分；在所述印刷电路板中嵌入天线，所述天线被这样配置以便辐射所述预定频率；在所述印刷电路板中嵌入滤波器，所述滤波器包括调谐到所述预定频率的预定谐波的至少一个成对部分；以及将所述滤波器连接在所述传输部分和所述天线之间。
2、 如权利要求1所述的方法，其中所述在所述印刷电路板中嵌入滤波器 的步骤包括在所述印刷电路板中嵌入带线滤波器。
3、 如权利要求2所述的方法，其中，所述在所述印刷电路板中嵌入带线 滤波器的步骤包括在所述印刷电路板中嵌入被调谐为预定数目的所述预定 频率的选定谐波的预定数目的四分之一波长调谐谐振器。
4、 如权利要求l所述的方法，其中，所述在所述印刷电路板中嵌入滤波 器的步骤包括在所述印刷电路板中嵌入微线滤波器。
5、 如权利要求1所述的方法，其中所述在所述印刷电路板中嵌入滤波器 的步骤包括嵌入这样的滤波器，其包括至少两个成对部分，所述部分被调谐 到所述预定频率的不同预定谐波。
6、 如权利要求5所述的方法，其中，所述在所述印刷电路板中嵌入滤波 器的步骤包括在所述印刷电路板中嵌入带线滤波器的步骤，所述带线滤波器 包括传输线部分、 一对第三谐波部分、 一对第四谐波部分、和第五谐波部分。
7、 如权利要求l所述的方法，其中，所述提供印刷电路板并且在其上包 括传输部分的步骤还包括提供接收部分，该接收部分包括在所述印刷电路 板上，并且与所述传输部分操作关联，以形成所述电量计上的收发信机功能。
8、 如权利要求l所述的方法，其中 所述方法还包括提供电量计的步骤；以及所述提供印刷电路板并且在其上包括传输部分的步骤还包括在所述电 量计内安装所述印刷电路板，以便形成用于所述电量计的发射机功能。
9、 如权利要求8所述的方法，其中，所述提供电量计的步骤包括提供与所述天线操作互连的电量计外壳，以便起所述天线的辐射元件的一部分的作用。
10、 一种公用设施计量表，包括计量部分；发射机部分，被配置为以预定频率传输射频信号；以及 显示部分；其中所述发射机部分包括支持发射机的印刷电路板，并且具有分别嵌入 在所述电路板中的天线和滤波器，所述滤波器连接在所述发射机和所述天线 之间，而且所述滤波器包括调谐到所述预定频率的预定数目的选定谐波的预 定数目的四分之一波长调谐谐振器。
11、 如权利要求IO所述的公用设施计量表，其中，所述滤波器是带线滤波器。
12、 如权利要求IO所述的公用设施计量表，其中，所述四分之一波长调 谐谐振器调谐到所述预定频率的第三、第四、和第五谐波。
13、 如权利要求IO所述的公用设施计量表，还包括外壳，其中所述外壳 被配置为起所述天线一部分的作用。
14、 如权利要求IO所述的公用设施计量表，其中，所述公用设施计量表 是电量计，以及其中所述发射机部分还包括接收机特征，其与所述发射机部 分操作互连，以便形成所述电量计的收发信机特征。
15 、 一种具有嵌入的射频特征以便提供对带外谐波辐射的控制的电量计， 所述电量计包括 计量部分； 印刷电路板；发射机，在所述印刷电路板上支持并且被配置为以预定频率传输射频信—， 天线，嵌入在所述印刷电路板中；以及滤波器，嵌入在所述印刷电路板中，所述滤波器连接在所述发射机和所 述天线之间，并且包括带线滤波器和微线滤波器之一，由此具有嵌入射频特 征的所述电量计提供了诸如用于自动化仪表读数通信或相关之类、用于有效 的数据通信的增强的电量计数据信号通信。
16、如权利要求15所述的电量计，其中，所述发射机具有与其操作关联的接收机部分，用于一起形成收发信机特征，以便分别经由所述天线往返于 所述电量计传输信号。
17、 如权利要求15所述的电量计，其中，所述滤波器包括调谐为所述预定频率的预定数目的选定谐波的预定数目的四分之一波长调谐谐振器。
18、 如权利要求15所述的电量计，其中 所述电量计还包括4义表外壳；以及所述天线被这样配置和安装，以便一旦完全组装了所述电量计，则所述 仪表外壳作为所述天线的部分辐射元件执行，以提供不需要附加部分并且具 有较少不受控制的表面辐射的、利用印刷电路板方案的整体产生的综合设计。
19、 一种用于减少来自发射机的谐波辐射的带线滤波器，所述发射机设 计为以预定频率进行操作，所述带线滤波器包括带线传输线，从第一端延伸到第二端；第一对四分之一波长调谐谐振器，调谐到预定频率的第一预定谐波，并且与所述带线传输线耦接；以及第二对四分之一波长调谐谐振器，调谐到所述预定频率的第二预定谐波，并且与所述带线传输线耦接。
20、 如权利要求19所述的带线滤波器，还包括第五个四分之一波长调 谐谐振器，调谐到所述预定频率的第三预定谐波，并且与所述带线传输线耦 接。
21、 如权利要求20所述的带线滤波器，其中，所述第一和第二对四分之 一波长调谐谐振器和所述第五个四分之一波长调谐谐振器以对称配置的方式 与所述带线传输线耦接，以便所述第一端和所述第二端在电学上可互换。
22、 如权利要求20所述的带线滤波器，还包括 印刷电蹈4反；以及其中所述带线传输线、所述第一对四分之一波长调谐谐振器、所述第二 对四分之一波长调谐谐振器、以及所述第五个四分之一波长调谐谐振器嵌入 在所述印刷电路板中。
23、 如权利要求22所述的带线滤波器，其中，所述印刷电路板是多层印 刷电路板。
24、 如权利要求22所述的带线滤波器，其中，所述第一预定谐波是所述 预定频率的第三谐波，所述第二预定谐波是所述预定频率的第四谐波，以及所述第三预定谐波是所述预定频率的第五谐波。
25、 如权利要求20所述的带线滤波器，还包括印刷电路板；以及 其中所述带线传输线、所述第一对四分之一波长调谐谐振器、所述第二对四分之一波长调谐谐振器、以及所述第五个四分之一波长调谐谐振器形成 在所述印刷电路板上。
26、 如权利要求25所述的带线滤波器，其中，所述印刷电路板是多层印 刷电路板。
全文摘要
公开了用于通过提供如图1所示的嵌入的射频组件、来提供往返于电量计的数据有效传输的装置和方法。提供了天线和带线或者微线滤波器(10)配置，作为与电量计的计量电路中的发射机或者接收机部分相关联的嵌入组件、以控制带外谐波辐射，以提供往返于电量计的增强的信号传输。所述天线包括附着于连接到天线的带线的第三谐波滤波器(30)或第四谐波滤波器(40)。
文档编号G08B23/00GK101421763SQ200580037099
公开日2009年4月29日 申请日期2005年8月25日 优先权日2004年8月27日
发明者弗拉迪米尔·博里索夫, 森扬·拉普欣, 菲利普·奇厄姆米恩托, 萨德赫·苏马蒂 申请人:伊特伦公司