本发明涉及防碰撞检测领域。更具体地，本发明涉及一种天线，所述天线当耦合至射频检测模块时界定根据需要而适配的标记区域。本发明还涉及包括这种天线的防碰撞检测系统。
背景技术：
为了防止引擎之间、引擎与人之间、或者甚至引擎与固定结构之间的碰撞，已知的做法是向引擎提供防碰撞检测系统。存在可用于确保所述检测的若干种技术(雷达、无线电波、相机等)。许多技术(超声、光学等)并非在所有的气候环境中(在夜间、强亮度、雨天、雪天等)以及在建筑工地上等遇到的困难条件(灰尘、泥土等)下都是可靠的。
基于通过射频波(RF)进行的检测的检测解决方案是非常有效的但缺乏准确性，并且即使不存在碰撞风险时也可能会标记存在。因此，其生成太多误警报。
为提高准确性，存在被定性为定向的在3个轴X、Y和Z上辐射不均匀的天线。因此，在文献WO 2004/090830、US 2008/0018472和US 2011/0227748中的检测系统提及了定向天线或具有使得能够成形检测区域形式的特定金属配置的天线的用途。
在所谓的定向天线中，定向性仅是局部的，辐射仍360度存在，如在图1中由实线示出的。所述天线被认为是定向的，因为与发射圈的所有其他点相比，信号在特定方向上被更强地推送。事实上，这种天线在这三个轴上仅仅具有不同力的辐射。这些天线仅部分地是定向的。如以上针对安全标记、或针对通信量、目标等(其动作领域必须准确)的检测所解释的，有必要定期提升RF发射的定向性的增强准确性。
发明目的
本发明旨在开发一种使得可以生成呈现增强定向性的波束的天线。因此，本发明旨在开发一种天线，所述天线使得可以获得指向精确目标的信号、旨在限制期望定向性之外的最大任何辐射(具体地，限制横向辐射)、并且消除与所述目标相反方向上的辐射。因此，所生成的波束根据需要具有可变宽度，并且可以被减小为几乎完全定向的直线RF波束，就像激光束一样。
本发明还旨在开发一种小型化天线，以便允许其被并入任何设备中。
本发明的主要特征要素
本发明涉及一种用于射频波的定向天线，所述定向天线包括：
-所谓的定向馈电天线，所述定向馈电天线在给定方向上发射较强的射频辐射，
-包壳，所述包壳包括链接相对于所述给定方向横向安排的、也被称为横向面的面的基部，所述馈电天线被安排在所述包壳内，其特征在于，所述横向面包括第一材料，所述第一材料吸收所述横向射频辐射并且包括安排在所述第一吸收材料的任一侧的第一金属层和第二金属层。
根据本发明的具体实施例，所述定向天线具有以下特征中的至少一个或适当组合：
-所述第一金属层和/或所述第二金属层搁置在PCB的接地平面上；
-所述天线在所述包壳内包括部分地覆盖有金属片的抛物面形式的支撑件，所述馈电天线被安排在由所述抛物面形式界定的空间中并且被定向成朝向所述抛物面形式的中心发射所述较强的射频辐射；
-所述支撑件包括覆盖有吸收所述射频辐射的第二材料的表面，所述表面被安排为面向所述馈电天线并且具有与所述馈电天线的所述表面的尺寸基本上相等的尺寸；
-所述第二吸收材料在其中心处被所述射频辐射的反射器中断；
-所述馈电天线在其与面向所述支撑件的面相反的表面上包括吸收所述射频辐射的第三材料；
-所述馈电天线被安排在由所述包壳的所述基部形成的平坦支撑件上，所述馈电天线在与所述平坦支撑件相反的给定方向上发射射频辐射；
-所述平坦支撑件是由所述PCB的所述接地平面形成的；
-所述包壳的所述横向面在其在所述包壳内的自由端处被吸收所述射频辐射的第四材料覆盖；
-所述第四吸收材料采用附接至抛物面形式的所述支撑件的环形的形式被安排；
-所述第一吸收材料以及被安排在所述第一吸收材料的任一侧的所述第一金属层和所述第二金属层贯穿所述基部而延伸；
-所述天线占据小于100cm3的体积；
-所述天线包括设置有由盖件封闭的所述包壳的壳体；
-所述第一和第二金属层在所述包壳的所述横向壁的所有表面上延伸至所述盖件；
-所述第二金属层由所述壳体的壁形成；
-所述盖件包括用于所述馈电天线和所述第三吸收材料的支撑件；
-所述馈电天线是陶瓷天线或在印刷电路上的轨迹；
-所述天线包括射频模块；
-所述环形包括用于允许射频电缆从所述馈电天线通到所述射频模块的开口。
本发明还涉及一种包括以上所描述的天线的防碰撞检测系统。
附图说明
图1表示在平面XZ和YZ上根据本发明(虚线)的定向天线的辐射模式与根据本领域(实线)的定向天线的辐射模式相比较。
图2是根据本发明的形成定向天线的壳体的三维视图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)示意性地表示了在横截面中根据本发明的天线的不同配置，其中，路径被所述天线内的辐射所覆盖。为了清楚起见，图3(a)、图3(b)中仅示出了天线的一部分的路径，类似路径明显地被天线的对称轴的另一侧所覆盖。对于每一种配置，还表示了所产生的标记区域。
图4表示根据本发明的天线的一部分的三维视图。为了看到吸收材料的环形，未示出外部金属层并且仅部分地示出了内部金属层。在此图中，与现实相反，所述天线没有在天线的整个高度上延伸。
图5表示根据本发明的天线的壳体的盖件的三维视图。所述附图更具体地示出了用于馈电天线的支撑件。
关键字
(1)壳体
(2)盖件
(3)包壳
(3a)基部
(3b)横向面
(4)馈电天线
(5)RF吸收材料
(5a)横向且可能地在壳体的基部上，以便吸收RF波
(5b)在包壳的输出端处以限制折射
(5c)在中心块上
(5d)在天线的后部
(6)金属层
(6a)转向壳体的内部
(6b)转向壳体的外部
(7)PCB(印刷电路板)
(7a)接地平面
(8)RF模块
(9)支撑件
(10)金属片
(11)中心块
(12)反射锥，也称为反射器
(13)开口
(14)盖件中的支撑件
(15)馈电天线的PCB，充当所述馈电天线的机械支撑件
(16)天线的连接器
具体实施方式
根据本发明的天线被设计成微型的，并且能够被并入具有显著尺寸约束并且需要发射高度定向无线电信号的任何电子设备中。通常，根据本发明的天线的深度尺寸为60mm*60mm*20mm，甚至更小，即，以小于100cm3的体积并且这种天线优选地采用24GHz到60GHz的微波频带。
图1展示了具有从本领域(实线)已知的局部定向性的天线与根据本发明的、呈现可以在窄波束(在中心处的虚线)与宽波束(外部虚线)之间变化的几乎完全定向性的天线之间的差异。
图3示意性地表示了根据本发明的天线的、使得可能调节波束宽度的不同配置。分别在图3(a)的配置1和图3(b)的配置2中，在图3(b)的配置的情况下，波束较窄且具有较长范围的标记区域。在这些配置中，馈电天线被安排在抛物面镜的座中并且朝向所述镜面发射辐射。在图3(c)的配置中，波束较宽，甚至几乎是矩形的。在这种配置中，馈电天线被安排在平坦支撑件上并且在与所述平坦支撑件相反的方向上发射电磁辐射。
针对所有配置，形成根据本发明的定向天线的组件包括：壳体1，设置有封闭包壳3、并入所述壳体内部体积中的盖件2；馈电天线4，发射电磁辐射，也被称为发射天线；以及PCB 7，包括RF模块8(参见图2和图3)。所述馈电天线被认为是定向的，因为其在一个方向上优先发射，即使其定向性对于根据本领域的天线仅是局部的，如在图1中示出的。所述馈电天线可以是陶瓷天线(陶瓷贴片天线)。其还可以是在用于定向性的特定点上提供极化的PCB上的轨迹。
在图3中展示的示例中，包壳3限定了具有基部3a的矩形平行六面体的轮廓，所述基部的顶部是由盖件2封闭的横向面3b。所述盖件由非导电材料制成，例如，由塑料材料。根据本发明，包壳3形成了吸波暗室，以使得能够限制壳体内部的有害反射并且限制暗室外部的电磁通量的范围。为此，所述包壳由吸收电磁辐射的材料5a形成。这种材料是例如由具有空腔的硅树脂或者由具有空腔的腈制成。所述材料至少相对于馈电天线4而横向地安排以便吸收横向RF波并且因此确保RF波束的定向性。换言之，吸收材料5a被安排在包壳3的横向面3b上。吸收材料5a被转向包壳的内部的、也被称为内层的第一金属层6a、以及转向包壳的外部、也被称为外层的第二金属层6b括起来。每一个金属层(例如，由铜制成)形成就像吸收材料5a那样延伸到盖件2的壁，其中，这两个层中的至少一层承载在被安排在包壳的基部3a处的PCB 7的接地平面7a上。第一层6a以与法拉第笼相同的方式隔离，并且第二层6b例如通过吸收混响、振动等削减了由第一层发射的任何辐射。这两层因此使得可能将流量包含在发射天线的表面与接地平面之间的受限气隙中，这大大地限制了天线后面的辐射范围。在这两层之间所需的最小空间为0.5mm。在图3的外层不同于壳体的壁的配置中，外层6b承载在PCB 7的接地平面7a上。还可以设想当壳体的壁是金属时具有由所述壳体的壁形成的外层6b。在这种情况下，必须有区别地安排PCB。然后，将所述外层定位在基部3a的另一侧、在稍后将讨论的支撑件9与内层6a之间，其中，在这种情况下，所述内层承载在PCB的接地平面上。
为了限制在第一层6a的金属角部直到盖件2上的辐射的折射并且因此包含天线的范围，在这个点处安排吸收材料5b可能是有利的。这种吸收材料5b采用安排在包壳的一端在所述包壳的第一金属层6a上与盖件的接合点处的条带的形式。
为了调节波束的宽度和范围，配置1至3具有不同的细节。分别在图3(a)的配置1和图3(b)的配置2中，所述组件包括在包壳3内部的抛物面形式的非导电支撑件9，其中，馈电天线4位于由所述抛物面形式界定的空间中。这种天线充当焦点处的发射器。因此，本发明旨在通过使用通常使用抛物面形式的信号接收天线的逆轨迹以波束形式包含来自被设计用于PCB上的组件(因此具有非常小的尺寸)的天线的辐射。焦点的位置是天线的最终组件的尺寸的关键要素之一。为了缩小并恢复横向辐射的一部分，也就是说，与期望定向性成直角以便具有最大能量而且还具有定向性，发射天线4必须尽可能地靠近抛物面座，理想地是完全包含在抛物面座的体积内。
抛物面支撑件由薄金属片10(例如，由铜制成)部分地覆盖，从而确保了来自馈电天线的辐射的反射。所述金属片可以例如通过利用充当形成时的对应物的工具压到支撑件上而形成。所述金属片被粘到塑料支撑件的抛物面表面的一部分上。为了避免将破坏无线电信号的共振效应(抛物面组件的中心部分经历共振现象)，抛物面的中心是非反射的。因此，中心块11在中心处穿过支撑件9形成无铜区。所述中心块基本上具有与相对定位的馈电天线相同的尺寸，并且由安排在抛物面中心处的吸收材料5c面向天线4来覆盖。为了补偿焦点中心处的发射能量的损失，在配置2中抛物面的中心处添加由铜制成的、形成锥体的可选反射器12，以便对从抛物面的中心到末端的辐射进行平行化。
来自聚焦天线的在其后面的辐射也必须被消除，因为所发射信号将不会行进与抛物面反射的距离相同的距离，从而导致信号内容的相移并因此导致信号的混淆。为了弥补这个缺点，RF吸收材料5d被安排在天线4的后面。
如已经提及的，来自抛物面的场外横向辐射也必须停止，以确保组件定向性的完整性。因此，吸收材料5a以及金属层6a和6b被安排在包壳3的所有周边3a、3b上，在示例中形成U形截面。类似地，为了限制包壳在第一金属层6a的拐角上的开口端处的折射，吸收材料的条带5b以环形形式安排在支撑件9与抛物面的输出端处的盖件2之间。优选地，这种环形被安排成横向地面向吸收材料5d。在图4中可见的这种环形5b可以包括开口13，以允许RF电缆从在图5中可见的天线的连接器16通到PCB的连接器(未表示)从而确保50欧姆的标准阻抗。
为了支撑天线4以及被安排其后面的吸收材料5d，盖件2可以使用在图5中可见的支撑件14来模制。根据本发明，天线4可以安装在与包括RF模块的PCB 7不同的PCB 15上。这种PCB 15本身充当承载在支撑件14的内壁上的机械支撑件，如在图5中示出的。天线4安装在PCB 15的一侧，并且吸收材料5d安装在PCB 15的另一侧。
在不使用使得可能获得如图3(c)中所示的更多矩形和可配置形式的RF标记的抛物面部分的情况下，上述屏蔽和绝缘方法可以应用于相同的馈电天线(作为示例，陶瓷天线或类似物)。
在配置3中，馈电天线4搁置在作为包壳3的基部3a的平坦支撑件上。所述馈电天线承载在比天线大的多的PCB 7的接地平面7a上。馈电天线在相对于配置1和配置2的相反方向上进行发射。所述组件在包壳3的横向面3b上仍包括由第一层6a和第二层6b括起来的吸收材料5a，其中，内层6a搁置在PCB的接地平面7a上。还可以设想具有同样搁置在PCB的接地平面7a上的外层6b。所述组件可以可选地包括在包壳的输出端处的吸收材料的条带5b。取决于所期望的孔径角度，需要或不需要存在吸收条带5b。如果寻求更宽的波束，则不存在条带。
总之，借助于本发明有可能根据障碍物、引擎类型、引擎速度、引擎的操作模式来调节特定扫描区域。图3(a)的配置1和图3(b)的配置2优选的用于对窄区域进行标记，如在托盘车的情况下，而图3(c)的配置优选的用于装备有大型引擎、卡车、建筑机械、钻机等。此外，对于每一种配置，还可能通过作用于组件内的几何结构来改变波束的视角。例如，在具有抛物面配置的情况下，通过改变发射天线相对于包壳的位置，可以调节视角。同样地，在采用PCB上轨迹形式的发射天线的情况下，修改接地平面的表面或甚至接地平面与天线轨迹之间的距离改变了RF区域的几何结构以及波束的范围与其宽度之间的比例。这需要针对每一种应用采取最相关的形式。
根据本发明的具有RF模块的天线组件可以并入防碰撞检测系统中，所述防碰撞检测系统包括诸如相机和一个或多个检测部件等以下其他检测装置：
ο人员检测
ο车辆启动信号
ο反向信号
ο操作信号
ο运动传感器
ο速度传感器
ο倾斜传感器
ο温度传感器
ο以及其他适当的传感器或信号。
此外，所述检测系统可以包括电源块以及使用来自各个部件的信息的处理器。根据本发明，形成所述检测系统的所有元件可以并入同一个壳体中。
因此，根据本发明的检测系统考虑到具体的真实危险区域并且包括使得可能最好地针对碰撞风险并且因此限制误警报的一组检测部件。
将补充的是，耦合到天线的RF模块还可以用作固定距离雷达。实际上，所述检测系统可以检测到与既没有信标也没有任何信号的机器或结构(起重机与现场外的机器之间、船舶的集装箱和结构之间、托盘车与存储结构之间、起重机负载与建筑物和其他结构之间等)发生碰撞的风险。再次，限制误警报并且因此在相当靠近障碍物但不是太接近时检测接近度是必要的。因为光速通过感应检测太远、对于传统雷达又太近，因此将需要不可思议的速度(并且不可思议的昂贵且大)的处理器来设法计算EM波在仅仅几米上的飞行时间。因此，根据本发明的天线还具有用于这种距离的雷达选项。因为具有其RF模块的天线具有已知且可配置的有限范围，所以其提供了如下的雷达功能。如上所述的第二天线被使用并且充当接收器，因为所述距离对于单个天线而言太接近而无法从发射相当快地切换至侦听以捕捉反射。具有其自己的RF模块的第二天线保持侦听，并且紧邻获取到所接收信号的反射时，处理器从中推断出存在位于零与天线的准确已知范围之间的一定距离处的障碍物。知道确切的距离是不重要的，重要的是检测到触发碰撞风险警报的最小距离，这种雷达模型在固定距离上做得非常好。然而，有必要隔离这两个天线以避免使接收天线错误地捕捉来自发射天线的内部发射。
为了完成这一点，将指定RF模块和天线形成标记系统，虽然这不是必需的，但所述标记系统可以与能够相应地采取行动的信标进行通信以警告携带危险信标的人员。作为示例，所述信标可以并入手表中，并且在已经检测到标记区域时发生振动。
优点
本发明使得可以获得指向精确目标的信号以限制期望定向性之外的最大任何辐射，同时非常小以至于其可以并入要求减小的空间的所有应用中。
所述壳体不仅是天线的支撑件，而且形成天线的整体部分。所述壳体通过充当吸波暗室而起到了积极的作用。