专利名称：具有内置射频天线的照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明装置的领域。更具体地，本发明提供具有内置射频(RF)天线的例如标准电源插座灯形式的照明装置。本发明提供具有天线的照明装置，该天线适于在宽指向性模式中RF信号的可靠通信。
背景技术：
智能照明已经变得广泛，并且RF通信是在特别是用于家庭和办公环境的灯的远程管理中将使用的强大技术。替代控制到灯的功率，例如230V电源，趋势已经转向通过发送RF控制信号到照明装置而直接控制光源或照明装置，即灯的可更换元件。对于室内使用，ISM频段覆盖合适频率以允许在大至20米的范围上的通信。对于低数据率应用，比如灯的远程管理，合适的通信标准为ZigBee。发射的控制信号可以用于远程地控制灯的状态(接通/断开)、光输出(颜色，光通量)、束宽或取向。为了有效地发射或接收这种远程管理控 制信号，每个灯必须设有天线。灯中的天线的性能应不受由导电材料(或者会降低Q因子或谐振频率的不导电材料)制成的其它灯部件干扰，这种灯部件会在某些方向上屏蔽RF信号或者改变天线的谐振频率，并且因而显著地影响与遥控器或其它灯的RF通信。因而，重要的是天线在大立体角中以显著指向增益辐射。为了与其它灯以及与遥控器的可靠通信，对应于具有足够增益(例如参考无损各向同性天线，大于-IOdB)的所有方向的立体角实际应在2 至3 的范围。在这种装置的外包壳的有限尺度中获得这一点是个难题，因为这种尺度经常取决于标准尺寸壳体和电源插座。US2007/025252描述一种比如在街道照明中使用的结合RF天线的照明灯具或照明器。然而，RF天线置于形成光源的照明装置的外部，该RF天线而不是置于外部壳体的一部分中，该外部壳体是由不干扰RF波到达天线的非屏蔽材料制成。
发明内容
因而，根据上述描述，目的是提供一种比如微型替换灯的照明装置，其仍允许与该照明装置的宽空间范围的无线RF通信，尽管尺寸小得使得需要非常有效热沉以移除光源中不可避免的散热。在第一方面，本发明提供一种照明装置，比如替换照明装置，该照明装置包括布置在外包壳中的
-布置成沿着光轴生成光的光源，
-由电阻率小于0. OlQm的材料制成的热沉，例如金属热沉，其布置成用于移除由光源产生的热量，
-射频通彳目电路，以及
-天线，其连接到射频通信电路并且布置成用于传达比如射频控制信号的射频信号， 该外包壳比如为部分由该热沉形成的外包壳，其中具有大于射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件布置成低于与该光轴正交绘制且穿过该天线的虚拟平面。根据第一方面的照明装置可以利用非常紧凑尺度，例如利用基于发光二极管(LED)的光源来设计，因为热沉提供了将热量有效传输离开光源。因而，该照明装置适于低能量替换灯，例如，其就比如接通/断开、强度、颜色、束宽和光取向而言可以被直接遥控。如所定义地相对于大于通信射频(RF)信号的波长的1/10的金属部件布置天线，则有可能在宽的部分角度范围中进行照明装置的RF通信并且因而RF控制，因为RF干扰的金属部件置为远离天线。具有电阻率小于0. OlQm的热沉用于提供具有高热导率的热沉，因而允许照明装置在尺寸上微型化。特别地，热沉可以由电阻率小于0. OOlQm,比如小于0. OOOlQm,比如小于0. OOOOlQm的材料制成。热沉可以由包括大量金属的材料制成，且特别地热沉可以是实心金属主体，例如铝主体形式的金属热沉。可替换地，热沉可以由聚合物材料制成，该聚合物材料具有导电填充材料用以提供所述电阻率。例如填充材料可以是金属，比如铜或钢。可替换地，填充材料为碳或石墨。可以使用5-20%，比如近似10%的填充度。 具有大于射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件可以布置成比与该光轴正交绘制且穿过该天线的虚拟平面低至少4mm。藉此可以获得非常宽的RF通信角。特别地，天线可以布置在热沉前方至少2_处，比如在热沉前方4_处，因而允许宽的RF通信角，同时使得热沉可以足够大以确保有效冷却。具有大于射频信号的波长的1/15，比如大于1/20的延展的该照明装置的金属部件优选地布置成低于与该光轴正交绘制且穿过该天线的虚拟平面。非常小，即与RF信号波长相比是小的金属对象是可以接受的，例如以电子芯片的部分以及焊料材料等的形式，而特别是热沉和如此大的金属部件显著地破坏自/往天线的RF通信。特别地，热沉可以形成外包壳的一部分，比如外包壳的显著部分。在一个实施例中，天线的辐射部分基本上在一个单一平面内延伸，这一个单一平面基本上垂直于光轴。然而，在一些实施例中，天线的辐射部分具有在光轴的方向上的相当大的延展。天线可以是导线天线，比如下述其中之一 1/4波长IFA天线、八木(Yagi)天线和回路天线。可替换地，或附加地，天线布置于第一印刷电路板(PCB)上，比如布置于PCB的末端部分上。藉此，可以提供非常紧凑天线，因为PCB通常存在于照明装置中以保持用于控制光源的所需电子电路。特别地，天线可以布置于第一 PCB的末端部分上，其中此末端部分布置成用于定位在第二 PCB的开口中，优选地使得第一和第二 PCB基本上彼此垂直，以及优选地布置为使得第二 PCB基本上垂直于光轴。RF通信电路可以布置于第一 PCB上，优选地包括连接在天线和RF通信电路之间的匹配电路。藉此，可以提供非常紧凑设计，因为第一PCB被用于多个用途，并且可以提供RF电路和天线之间的短距离，以及再另外，因为天线和RF电路之间不存在布线，这种PCB适于自动化制造。特别地，RF通信电路可以布置于第一 PCB的一侧上，而天线布置于第一 PCB的对立侧上。第一 PCB可具有开口，比如穿过其中心的开口，并且可以相对于光源定位，使得光可以通过第一 PCB中的开口从光源传递离开包壳。PCB可以是基本上环状，并且其中第一和第二天线布置于第一 PCB的一侧上的不同部分上。
对于PCB天线的情形，天线可以为下述其中之一 IFA天线、PIFA天线、八木天线和回路天线(闭合)。在后一情形中，不需要平衡一不平衡变换器(balun)电路，仅仅要求平衡的输出。照明装置可以包括第二天线，其中第一和第二天线取向为在不同方向上辐射RF信号，比如第一和第二天线为不同类型的天线。藉此，改进的兼容性和改进的空间通信范围是有可能的。特别地，第一和第二天线被连接从而提供天线分集。在一些实施例中，照明装置包括控制电路，其布置成依据在经由RF天线和RF通信电路接收的RF信号中接收的数据，控制照明装置的功能，比如光源或光学元件的功能。特别地，该功能可以是下述中的一种或多种接通/断开、强度、颜色、束宽和光取向。在一些实施例中，照明装置包括用于接收电功率对光源供电的标准形状电源插座，比如为下述其中之一的电源插座E27、E14、E40、B22、⑶-10、GZ10、G4、GY6. 35、G8. 5、BA15d、B15、G53和⑶5. 3。因而，在这种实施例中，照明装置可以是用于替换卤素射灯或白炽灯的低能量替换灯。 光源可包括下述至少其一 CF (紧凑荧光灯)光源、发光箔光源和发光二极管，比如OLED或PolyLED或不同颜色的一组发光二极管。外包壳优选地包括透明或半透明部分，其布置成允许来自光源的光穿透。在第二方面，本发明提供一种灯，例如替换灯，其包括根据第一方面的照明装置。在第三方面，本发明提供一种系统，其包括根据第一方面的照明装置，以及遥控器，该遥控器布置成用于照明装置的至少一个参数的无线射频控制。在第四方面，本发明提供一种用于在比如替换照明装置的照明装置的外包壳内布置射频通信天线的方法，该照明装置包括定义光轴的光源，该方法包括将天线布置在外包壳内，以便具有大于射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件布置成低于与光轴正交绘制且穿过天线的虚拟平面，使得天线辐射模式不显著地受影响。将理解，与针对第一方面所提及的相同的优点和相同的实施例也适用于第二、第三和第四方面。
现在将参考附图仅仅通过实例的方式解释本发明，在附图中 图1-5说明不同照明装置实施例的略图，
图6说明布置于环形PCB上的双天线的实例，
图7说明将两个天线连接到收发器电路的三个实例，
图8-9示出PCB天线的实例的照片，
图10示出特定环状PCB天线的略图，以及 图11示出照明装置实施例和其中含有的两个环状PCB的照片。
具体实施例方式图I说明穿过照明装置实施例的截面的简单略图，该照明装置实施例具有上部分和下部分形式的外包壳ENC，其中下部分为金属壳体HS，并且上部分UEP为非金属材料，例如聚合物材料。金属壳体HS用作热沉以将热量传输离开定位在包壳ENC内的光源LS。光源LS沿着光轴OA生成光，并且光通过上包壳部分UEP的透明或半透明部分而离开外包壳ENC。导线天线形式的RF天线A使用黑颜色指示，并且天线A连接到置于外包壳ENC内的RF通信电路CC。如所见，天线A定位在上包壳部分UEP中，即金属壳体HS上方。天线置于金属壳体HS和通过由天线A延伸的平面的平面之间的距离d处，由天线A延伸的该平面为垂直于光轴OA的平面。优选地，例如在l-3GHz的频率范围中，比如在2. 4GHz附近，天线A和RF通信电路CC可以从遥控器接收无线RF控制信号。藉此，照明装置可以接收数据，该数据可以用于控制与该装置生成的光有关的各种参数，例如接通/断开光源LS。将理解，可以使用其它频率范围，例如在60GHz范围的频段，例如与为八木天线或阵列相控天线的天线A组合。天线分集也是有可能的。图2说明通过具有⑶10标准电源连接器PCN的改造射灯的截面的略图。此构造的益处也在于，功率电子器件部分DRV从RF部分被其间的金属所屏蔽。如果存在耦合，封包错误率将由于收发器电路上的电源切换频率的调制而增大。光源LS包括一组LED，例如红色、绿色、蓝色LED。外包壳具有塑料形式的背部BP，其中电源连接器PCN穿透外包壳。外包壳的中间部分为具有肋条外部结构的金属壳体HS的形式，并且连接到热沉从而从光源LS有效地传输热量。例如，金属壳体HS由铝形成。外包壳的上部分为塑料前盖FC的形式。
驱动器电路DRV定位在外包壳的内部。驱动器电路优选地包括电源电压功率转换器、用于LED光源LS的驱动器和用于控制芯片的附加电源。LED LS定位在印刷电路板PCB上，该印刷电路板PCB也保持控制电路部件。在其内表面具有反射和导电材料的中空六角形混合管MT用于将光从光源LS引导至塑料准直器CLM。漫射器DFF位于准直器和混合管之间用于附加颜色混合。RF天线A定位在装置的上部分中。天线A布置于环状PCB上，该环状PCB允许准直器CLM以及因而来自光源LS的光穿过环状内部的开口。在一个版本中，天线A为IFA天线的形式，并且RF收发器芯片、微处理器和匹配电路安装在与天线A相同的PCB上，该匹配电路用于匹配得到最小噪声因数和最大功率传递，例如50Q匹配。虚线VP指示通过天线A的虚拟平面。如所见，对于到达或离开天线A的无线RF信号是干扰的主要金属对象，比如金属壳体HS，置为低于通过天线的虚拟平面VP。相对于安装在天线PCB上的电路，甚至是小的金属对象，例如焊料材料等置为低于通过天线的虚拟平面VP，因为优选地这种电路安装在PCB的下侧上，而天线元件布置于PCB的上侧上。图3说明与图2所示照明装置仅仅差别在于天线A的照明装置实施例。在图3中，所说明的天线A为布置于环状PCB上的PIFA天线。来自图2的与天线A有关的所有描述对于图3的天线A也适用。图4说明又一基于LED的改造射灯。此实施例类似于图3的实施例，除了准直器CLM由金属制成并且具有透明前盖。准直器CLM因而形成显著的金属部件，因为与典型RF信号波长相比它具有显著的尺寸，并且因而如果准直器CLM的金属部分不置为低于通过天线A的虚拟平面VP，准直器CLM将显著地影响天线A的RF信号属性。图5说明基于改造LED的射灯形式的又一照明装置实施例。此实施例具有与图2实施例相同的天线A，即布置于环状PCB上的IFA天线A。然而，就光学元件而言是不同的，因为在此实施例中，磨砂灯泡BLB形成照明装置的外包壳的上部分。另外，电源连接器PCN为E27插座的形式。
图6说明环状PCBl的实例的两个对立侧(左俯视图，右仰视图)，环状PCBl上布置导电路径形式的天线元件，并且具有在中心的贯穿圆孔H，即与针对图2-5描述的天线相同类型的天线。在图6的实施例中，两个天线Al，A2位于对立部分上，但是位于PCBl的相同侧上。两个天线Al，A2均为分别具有辐射元件和馈电点AFP的PIFA天线的形式，并且它们电连接到一个公共接地平面GPL。在右部，在PCBl的对立侧上，天线Al，A2经由馈电点AFP连接到各自匹配电路MCI，MC2。第一匹配电路MCl经由相位匹配传输线MTL而连接到平衡一不平衡变换器BL，该相位匹配传输线MTL提供天线Al，A2之间的近似180 的相移，而匹配电路MCI，MC2相同。平衡一不平衡变换器BL最后连接到芯片CP，该芯片CP置于PCBl的延展上。例如，此芯片CP为TI CC2430芯片，其包括收纳在一个芯片中的收发器和微处理器。两个天线Al，A2提供针对直接和反射RF波之间的干涉以及针对天线信号的偏振依赖性的更小的灵敏度。具有用于芯片CP的延展的基本上环状PCBl的优点在于，在光可以 穿透中心孔H的同时，在照明装置的壳体和PCBl外部之间有可能通过空气对流冷却光源。因而，优选的是，PCBl的环状具有小于壳体的内径的尺度，从而允许空气对流用于冷却。图7说明三个图示a，b和c，其示出经由匹配电路MC将一个天线Al或者两个天线A1，A2连接到收发器电路TRC的不同方式。GND表示电学接地。在版本a和b中，平衡一不平衡变换器互连在匹配电路MC和收发器电路TRC之间。版本b是说明图6中的环状双天线A1,A2。在版本b中,相移将影响指向天线灵敏度。当偏移相位时,通过使机械天线取向为例如90 处的天线信号相移，可以抑制(IFA)天线灵敏度中的自然下降。图8和9示出合适于基于紧凑荧光灯(CFL)的光源的天线配置的照片。这种情况下图9所示天线非常接近驱动器的电子器件，并且可以位于CFL光源安装于其中的固定装置的内部。图8示出彼此挨着的第一和第二 PCB PCB1，PCB2，而图9示出处于组装状态的两个PCB PCBI, PCB2,即PCBl的末端部分插入PCB2的中心滑座或插槽。天线A布置于刺穿PCB2的PCBl的末端部分上。当安装在照明装置中时，天线A优选地向外突出并且因而凸出在大的金属部件前方。这种情况下，金属包壳不作为吸收体起反应。PCB2具有大体上圆形并且因而适于装配圆形壳体。PCBl优选地包括连接到天线A的收发器芯片。中心的向外突出的天线A与弯曲CFL管形式的光源套装在一起。如果多个天线是期望的，更多的具有天线的PCB可以安装在PCB2中更多的孔或插槽中。图10说明特定环状PCB天线，其具有两个天线元件以及适于Zigbee和WLAN通信的收发器芯片。略图上指示的尺度的单位为_。在特定的基于LED的照明装置实施例中，天线调谐到2. 405GHz的频率。图11示出具有作为热沉的肋状铝壳体的照明装置的照片。基于LED的光源定位在壳体的内部。在装置外部示出的两个环状PCB装配在塑料前盖中并且利用连接插座连接在一起，该连接插座提供两个PCB之间的距离。上面一个为天线PCB。所说明的实施例已经结合RF辐射模式进行测试，并且其指向性能是令人满意的，例如在>2 的大立体角上的>-10dB的天线增益。此外，在整个ISM频段(2400-2483. 5MHz)上测量到小于IOdB的回波损耗和小于2:1的SWR。概言之，本发明提供一种照明装置，比如替换照明装置，该照明装置包括例如LED的光源LS以用于沿着光轴OA产生光。由电阻率小于0. OlQm的材料制成的热沉HS，例如壳体的金属热沉部分，将热量传输离开光源LS。连接到天线(A)的射频RF通信电路CC用于使能RF信号通信，例如从而经由遥控器控制该装置。包括热沉(HS)并且具有大于RF信号的波长的1/10的延展的金属部件布置成低于与光轴(OA)正交绘制且穿过天线(A)的虚拟平面(VP)。藉此，可以获得紧凑装置，并且仍可以获得令人满意的RF辐射模式。天线可以是导线天线或PCB天线，例如PIFA或IFA类型天线。在特殊实施例中，天线形成于环状PCB上，该环状PCB具有中心孔而允许来自光源的光通过。优选地，天线定位在金属热沉(HS)前方至少2mm处。尽管本发明已经结合指定实施例予以描述，它不打算限于此处给出的特定形式。相反，本发明的范围仅仅由所附权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其它元件或步骤。附加地，尽管单独特征可以包括在不同权利要求中，这些可以有可能被有利地组合，并且包括在不同权利要求中并不暗示特征的组合不是可行和/或有利的。此外，单数引用不排除多个。因而，引用〃一〃、〃一个〃、〃第一〃、〃第二 〃等不排除多个。再者， 权利要求中的附图标记不应解读为限制范围。
权利要求
1.一种照明装置，比如替换照明装置，该照明装置包括布置在外包壳(ENC)内的 -比如一个或多个发光二极管的光源(LS),其布置成沿着光轴(OA)生成光， -由电阻率小于0. OlQii的材料制成的热沉(HS)，比如金属热沉，其布置成用于移除由该光源(LS)产生的热量， -射频通信电路(CC)，以及 -天线(A)，其连接到该射频通信电路(CC)并且布置成用于传达射频信号，比如射频控制信号， 该外包壳比如为部分地由该热沉(HS )形成的外包壳(ENC)， 其中具有大于该射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件(HS)布置成低于与该光轴(OA)正交绘制且穿过该天线(A)的虚拟平面(VP)。
2.根据权利要求I的照明装置，其中具有大于该射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件(HS)布置成比与该光轴(OA)正交绘制且穿过该天线(A)的该虚拟平面(VP)低至少4mm。
3.根据权利要求I的照明装置，其中具有大于该射频信号的波长的1/15，比如大于1/20的延展的该照明装置的金属部件(HS)布置成低于与该光轴(OA)正交绘制且穿过该天线(A)的虚拟平面(VP)。
4.根据权利要求I的照明装置，其中该天线(A)布置在该热沉(HS)前方至少2_处。
5.根据权利要求I的照明装置，其中该天线(A)的辐射部分基本上在一个单一平面内延伸，这一个单一平面基本上垂直于该光轴(A)。
6.根据权利要求I的照明装置，其中该热沉(HS)形成该照明装置的该外包壳(ENC)的部分。
7.根据权利要求I的照明装置，其中该天线(A)为导线天线，比如下述其中之一1/4波长IFA天线、八木天线和回路天线。
8.根据权利要求I的照明装置，其中该天线(A)布置于第一印刷电路板(PCBl)上，比如该天线(A)为下述其中之一 IFA天线、PIFA天线、八木天线和回路天线。
9.根据权利要求8的照明装置，其中该天线(A)布置于该第一电路板(PCBl)的末端部分上，其中此末端部分布置成用于定位在第二印刷电路板(PCB2)的开口(SL)中，优选地使得该第一和第二电路板(PCB1，PCB2)基本上彼此垂直，以及优选地布置为使得该第二印刷电路板(PCB2)基本上垂直于该光轴(OA)。
10.根据权利要求8的照明装置，其中该RF通信电路(CP)布置于该第一印刷电路板(PCBl)上，比如该RF通信电路(CP)布置于该第一印刷电路板(PCBl)的一侧上，而该天线布置于该第一印刷电路板(PCBI)的对立侧上。
11.根据权利要求8的照明装置，其中该第一印刷电路板(PCBl)具有开口，并且相对于该光源定位，使得光可以通过该第一印刷电路板(PCB1)中的该开口从该光源传递离开该包壳，比如该第一印刷电路板(PCBl)为基本上环状。
12.根据权利要求I的照明装置，包括第二天线，其中该第一和第二天线取向为在不同方向上辐射RF信号，比如该第一和第二天线为不同类型的天线，比如该第一和第二天线被连接从而提供天线分集。
13.根据权利要求I的照明装置，包括控制电路，其布置成依据在经由该RF天线和该RF通信电路接收的RF信号中接收的数据，控制该照明装置的功能，比如光源或光学元件的功能。
14.根据权利要求I的照明装置，包括用于接收电功率对光源供电的标准形状电源插座，比如为下述其中之一的电源插座E27、E14、E40、B22、⑶-10、GZ10、G4、GY6. 35、G8. 5、BA15d、B15、G53 和 GU5. 3。
15.根据权利要求I的照明装置，其中该光源包括下述至少其一紧凑荧光灯光源、发光箔光源和发光二极管，比如OLED或PolyLED或者不同颜色的一组发光二极管。
16.一种包括根据权利要求I的照明装置的装置，比如包括与该照明装置的相应电源插座(PCN)适配的电源插头的装置。
17.—种系统，其包括根据权利要求I的照明装置，以及遥控器，该遥控器布置成用于该照明装置的至少一个参数的无线射频控制。
18.一种用于在比如替换照明装置的照明装置的外包壳内布置射频通信天线的方法，该照明装置包括定义光轴的光源，该方法包括将该天线布置在该外包壳内，以便具有大于射频信号的波长的1/10的延展的该照明装置的金属部件布置成低于与该光轴正交绘制且穿过该天线的虚拟平面。
全文摘要
一种照明装置，比如替换照明装置，其包括例如LED的光源(LS)以用于沿着光轴(OA)产生光。由电阻率小于0.01 m的材料制成的热沉(HS)，例如为壳体的一部分的金属热沉，将热量传输离开光源(LS)。连接到天线(A)的射频(RF)通信电路(CC)用于使能RF信号通信，例如从而经由遥控器控制该装置。包括热沉(HS)并且具有大于RF信号的波长的1/10的延展的金属部件布置成低于与光轴(OA)正交绘制且穿过天线(A)的虚拟平面(VP)。藉此，可以获得紧凑装置，并且仍可以获得令人满意的RF辐射模式。天线可以是导线天线或PCB天线，例如PIFA或IFA类型天线。在特殊实施例中，天线形成于环状PCB上，该环状PCB具有中心孔而允许来自光源的光通过。优选地，天线定位在金属热沉(HS)前方至少2mm处。
文档编号H01Q1/44GK102804493SQ201080034802
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月5日
发明者B.陈, G.张, M.H.R.兰克霍斯特, R.H.邓克, J.斯内尔滕, D.J.A.克莱森斯, L.黑南, J.H.A.塞伦, P.v.库滕 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司