具有改进品质因子的三轴天线的制作方法

本发明涉及一种三轴天线，其包括被三个正交线圈环绕的磁芯，所述三个正交线圈在彼此交叉的x轴、y轴和z轴方向上缠绕，这允许朝向/从任何方向发射和接收信号，并适于作为发射或接收天线以低频操作。

所提出的天线的特征在于，通过增加因总等效寄生电容(中间层和中间绕组)减小而获得的x轴、y轴和z轴的q因子(品质因子)而具有高增益。

品质因子是无量纲参数，其确定存储在天线(振荡谐振器)中的能量与通过阻尼过程的每个周期消耗的能量之间存在的比率。与低品质因子天线相比，高品质因子天线的每个周期消耗的能量更少。

背景技术：

在us5966641(plantronics)的图10a和图10b中，分别示出了俯视图和侧视图；双轴磁感应天线包括可渗透芯1002和第一绕组1004、第二绕组1006。芯1002是箱形的，并由铁氧体形成。第一绕组1004在第一平面中设置在芯1002的表面上。第二绕组1006设置在垂直于第一平面的第二平面中。绕组1004和1006被定向成使互感最小化。绕组1004和1006的机械结构提供了这种最小化，这消除了对用于归零的附加机械固定或调整的任何需要。因此，在大多数应用中，这种结构被描述为自动归零。芯1002的尺寸被选择为，使得绕组1004和1006具有基本相同的电感和电容。

us6407677(valeo)公开了一种通过磁耦合进行低频通信的装置，包括放置在车辆中的发射器和放置在识别构件中的接收器，其中发射器或接收器中的一者包括环形天线，发射器或接收器中的另一者包括围绕三个垂直轴缠绕的三个相关联的线圈，上述线圈限定三面形并产生全向磁场，并且三个相关联的线圈被提供有相对于彼此异相60度或120度的相同频率的电流。这里相关联的线圈围绕平行六面体的共同磁芯的六个面彼此缠绕。

es2200652(predan)公开了一种三维混合天线，其包括矩形单片磁芯，该矩形单片磁芯具有三个相互正交的绕组，其被布置成使得当经受低频电磁场时，天线在每个绕组中接收信号。此外，磁芯粘合到塑料基座上，所述塑料基座在其底侧上设有端子，用于在环绕磁芯和外部系统布置的绕组之间互连。

wo2014072075(premo)公开了一种三维天线，其具有磁芯和围绕三个相互正交的轴缠绕的三个绕组21、22和23，每个所述绕组环绕所述磁芯10并且涉及磁芯上的绕组布置以及绕组芯与用作支撑板的pcb之间的绕组的连接。

如本领域中已知的，对于具有固定匝数n的给定电感，在给定形式的芯上缠绕，固定的操作频率和已知磁导率材料，具有给定截面长度和电阻率的绕组，分配的总电容越低，q的值就越大。

在高频线圈中，必要的是，它们不以接近操作频率的频率进入自谐振。为了解决这个问题，通常的做法是设计具有高于操作频率一个数量级的谐振频率的线圈。为此，电感和电容阻抗的值被计算为在量级上相等并且与自谐振频率的角度相反。为了能够在广播电视系统、中波线圈和rf调谐电位器(rftunedpots)中以高操作频率工作，从20世纪50年代到70年代，通常的做法是使用多段线圈架，在该多段线圈架上，绕组通过将其分开来减小分布电容并因此提高q因子以使谐振频率最大。

这种技术的一个示例可以在ep2360704b1(sumida)中找到，其涉及具有十字形芯和每分支至少三个串联绕组的天线线圈，以减小分布电容并增加谐振频率和q因子。

文献us9647340b2(toko)描述了一种三轴天线，其具有限定x轴、y轴和z轴的磁芯，所述天线包括围绕x轴缠绕的x轴线圈、围绕y轴缠绕的y轴线圈和围绕z轴缠绕的z轴线圈。根据该文件，每个线圈包括两个平行且对称的部分线圈。

该文件中描述的磁芯在四个角上具有四个突起，限定了两个正交的绕组通道，用于容纳x轴线圈以及用于容纳y轴线圈，但磁芯的外周缺少用于容纳z轴线圈的绕组通道。

磁芯被插入支撑结构内，该支撑结构限定了两个平行的绕组通道，用于容纳z轴对称的部分线圈。所述支撑结构也部分地插入在x轴线圈与磁芯之间，并且还插入在y轴线圈与磁芯之间，所述支撑结构包括将对称的部分线圈隔开的隔断壁。

所述支撑结构将线圈与磁芯隔开，但造成线圈的长度增加，并且引入寄生电容，从而降低了天线的品质因子。

本发明是考虑到提供本领域现有技术的替代解决方案而做出的，以通过基于特殊芯的q因子的增加来获得具有高增益的三轴天线，在上述特殊芯上，三个正交线圈直接缠绕并且至少两个所述线圈由自身的芯的隔断壁分开。所提出的解决方案还提供了小型化和空间上的节省。

技术实现要素：

本发明涉及一种三轴天线，用于朝向/从任何方向发射和接收信号，所述天线具有改进的品质因子。

品质因子确定存储在作为感应天线的振荡谐振器中的能量与通过阻尼过程每个周期消耗的能量之间存在的比率。

本发明的目的是获得一种高品质因子天线，其每周期消耗的能量比先前已知的较低品质因子的天线少。

所提出的发明包括，如现有技术所知：

·磁芯，具有棱柱形构造，该棱柱形构造限定彼此正交的x轴、y轴和z轴，所述棱柱形构造包括在磁芯的每个角上的z轴方向上突出的突起，突起限定围绕磁芯的x轴绕组通道和y轴绕组通道；

·x轴线圈，围绕x轴缠绕，其环绕x轴绕组通道内的磁芯，x轴线圈包括两个分开且相邻的x轴部分线圈；

·y轴线圈，围绕y轴缠绕，其环绕y轴绕组通道内的磁芯，y轴线圈包括两个分开且相邻的y轴部分线圈；

·z轴线圈，围绕z轴缠绕，其环绕磁芯，

·其中，x轴绕组通道在两个相对的交叉区域上与y轴绕组通道相交，其中y轴绕组通道被限定在较低高度处的x轴绕组通道中断。

所述突起优选地在磁芯的两个相对侧上沿z轴方向突出，并且彼此隔开，在它们之间限定了一空间，该空间被限制在彼此面对的突起的侧表面之间。所述空间是绕组通道，其中线圈可以围绕磁芯缠绕并通过所述突起保持在该位置。

在x轴和y轴绕组通道相交的情况下，x轴绕组通道处于比y轴绕组通道低的高度，通过雕刻中断所述y轴绕组通道，其中x轴线圈可以被容纳，而不会干扰容纳在y轴绕组通道中的y轴线圈，该y轴线圈在所述交叉区域中与x轴线圈重叠。因此，包含在彼此面对的突起的侧表面之间的y轴绕组通道的部分处于与x轴绕组通道不同的高度，通过包含x轴绕组通道的凹陷区域中断y轴绕组通道。

该特征首先允许x轴线圈的绕组，其次y轴线圈的绕组越过x轴线圈而不会干扰。

与现有技术公开的解决方案不同，本发明提出以下特征：

·所述突起还在x轴和y轴方向上突出，其限定外周边，围绕该外周边缠绕z轴线圈，而不会干扰x轴线圈和y轴线圈，

所述磁芯包括：至少一个x轴隔断壁，从x轴绕组通道突出，将x轴绕组通道分成两个x轴部分绕组通道，其中容纳两个分开且相邻的x轴部分线圈，所述x轴突出壁不会干扰y轴绕组通道；

·所述磁芯包括至少一个y轴隔断壁，从y轴绕组通道突出，将y轴绕组通道分成两个y轴部分绕组通道，其中容纳两个分开且相邻的y轴部分线圈。

突起在x轴和y轴方向上的突出限定了磁芯的外周边，其在磁芯的周边表面上提供了阶梯式构造，外表面是距离磁芯的中心较远的表面，另一个周边表面距离放置于所述x轴绕组通道与y轴绕组通道的突起部分之间的中心较不远。

应理解的是，磁芯的主表面是其中x轴线圈和y轴线圈彼此交叉垂直于z轴的那些表面，周边表面是环绕所述主表面的那些表面。

围绕所述磁芯的所述外表面缠绕的z轴线圈不会干扰容纳在所述突起之间的x轴线圈和y轴线圈。

磁芯的几何形状允许三个x轴、y轴和z轴线圈的绕组直接与磁芯表面接触，而不需要任何额外的结构支撑。缠绕磁芯上的线圈减小了线圈每匝的经度，以及构成所述线圈的线的总经度。这增加了天线的品质因子。

如前所述，每个x轴线圈包括两个分开且相邻的x轴部分线圈。磁芯包括x轴隔断壁，该x轴隔断壁容纳在x轴绕组通道中并从磁芯突出。所述x轴隔断壁限定了彼此平行的两个x轴部分绕组通道，并且允许在磁芯上容易、精确和自动地缠绕两个分离的x轴部分线圈。

在y轴绕组通道中存在等效的隔断壁，限定了彼此平行的两个平行的y轴部分绕组通道。

每个部分线圈产生其自身的磁场。在每个线圈上包括两个平行的部分线圈可产生平行磁场，这防止所述磁场的耗散，从而减少能量耗散并因此增加天线的品质因子。

将所述隔离壁直接包括在磁芯上能够防止使用非磁性支撑结构来支撑隔离壁，这将增加线圈的经度并因此降低天线的品质因子(参见例如us9647340b2上使用的支撑结构)。

隔断壁可以是一个隔断壁或优选多个共面隔断壁。

根据本发明的实施例，x轴隔断壁在y轴方向和/或z轴方向上突出。y轴隔断壁也可以在x轴方向和/或z轴方向上突出。

x轴隔断壁优选地是连续壁，连续壁围绕磁芯的四个相邻面延伸。在x轴绕组通道与y轴绕组通道和/或z轴绕组通道交叉的交叉区域中，所述x轴隔断壁的高度等于或低于x轴绕组通道和其他绕组通道之间的阶梯构造。这防止x轴隔断壁干扰y轴线圈或z轴线圈。

根据一个实施例，y轴隔断壁是两个独立且对称的壁，每个壁围绕棱柱形芯的三个相邻面连续地延伸，所述两个独立且对称的壁由x轴绕组通道隔开。在y轴绕组通道与z轴绕组通道交叉的交叉区域中，所述y轴隔断壁的高度等于或低于y轴绕组通道与z轴绕组通道之间建立的阶梯构造，防止y轴隔断壁干扰z轴线圈。

优选地，x轴隔断壁和/或y轴隔断壁与突起等距，以在相应的绕组通道上居中。这确定了部分线圈相等且对称地定位，并且所产生的磁场也是对称的，从而增加了品质因子。

还提出，所述磁芯的外周边包括在x轴和/或y轴方向上突出的z轴壁。该解决方案允许通过注入有磁性材料的铸型来形成可生产的磁芯，所述磁芯具有可以容易地从两件式铸型中脱模的几何形状。该特征允许磁芯的简单、便宜、快速和精确的制造。

所述z轴壁可以被设置在外周边的中心，限定了两个对称的z轴部分绕组通道，所述部分通道一起限定了z轴绕组通道。在该实施例中，围绕z轴缠绕的z轴线圈包括两个分开且相邻的z轴部分线圈，每个z轴部分线圈缠绕在一个不同的所述z轴部分绕组通道中。

备选地，z轴壁可以在外周边的非中心位置突出，z轴线圈在z轴壁的一侧上围绕z轴缠绕，其限定了限于z轴线圈的一个绕组。

根据附加实施例，z轴附加壁在外周边的非中心位置突出，所述z轴附加壁与z轴壁对称，在其间限定了z轴绕组通道，并且z轴线圈被容纳在所述z轴绕组通道上。该解决方案防止z轴线圈从其位置移动，但是磁芯的制造变得更加复杂和昂贵，因此所述形状不能从两件式铸型获得，需要更复杂的铸型或需要在磁芯上进行铣削操作以产生z轴绕组通道。

在替代实施例中，磁芯可包括位于非中心位置的多个z轴壁，从而产生用于部分z线圈的多个z轴绕组通道。

优选地，所述磁芯由从铁磁材料、pbm、压制并烧结的金属粉末中选择的材料制成。

棱柱形构造可以是具有垂直于x轴、y轴和z轴中的每一个的两个主面的矩形棱柱形构造。

还提出在x轴、y轴、z轴线圈与磁芯之间存在电绝缘材料的涂层，防止由于磁芯电导率升高的感应电流(涡电流)的循环和与线圈电感并联的等效电阻的产生，从而增加了天线的品质因子。

所述电绝缘材料优选是化学气相沉积聚合物，从而形成磁芯的超薄绝缘层覆盖物。所述超薄绝缘材料不会引起线圈每匝的长度的增加。

三轴天线可以用绝缘材料包覆成型，其中保持嵌入有金属连接端子，每个金属连接端子连接到由一个线圈构成一根导线的一个端部，并且每个金属连接端子的一部分未被绝缘材料覆盖，从而能够与三轴天线的盖子的外部接触。所述包覆成型防止线圈从其精确位置移动，从而防止可能降低品质因子的操纵或事故，并且金属连接端子允许三轴天线容易且安全地连接到将所述端子的端部用作安装表面垫的电路。

从以下实施例的详细描述中可以得到本发明的其他特征。

附图说明

基于实施例的以下详细描述并参考附图将更全面地理解上述和其他优点和特征，所述附图以示意性和非限制性的方式来解释，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的磁芯的立体图；

图2是图1所示的同一磁芯的立体图，该磁芯具有围绕其缠绕的x轴线圈、y轴线圈和z轴线圈，还包括金属连接端子；

图3是根据本发明第二实施例的磁芯的立体图。

图4是图3所示的同一磁芯的立体图，该磁芯具有围绕其缠绕的x轴线圈、y轴线圈和z轴线圈；

图5是根据第三实施例的磁芯的平面图。

图6是图5所示磁芯的侧视图。

图7是图5所示的磁芯越过z轴绕组通道的横截面。

具体实施方式

基于实施例的以下详细描述并参考附图将更全面地理解上述和其他优点和特征，所述附图以示意性和非限制性的方式来解释。

根据所提出的三轴天线的第一实施例，磁芯10由压制并烧结的金属粉末获得。由于其几何形状，所述磁芯10在两件式铸型中生产，这允许从两件式铸型中容易地取出铸型。在替代实施例中，可以使用用于芯的另一种材料，优选地是铁磁材料、pbm(聚合物粘合的软磁材料)。如图1所示，磁芯10的形状是棱柱形构造，其限定了彼此正交的x轴x、y轴y和z轴z，并且具有垂直于z轴的两个主面，其具有四个拐角。

在每个拐角处，突起11从所述磁芯10突出，所述四个突起11在磁芯10的两个主面上突出，所述突起11沿径向方向从棱柱形构造向外延伸，限定磁芯10的外周边。。

在磁芯10的每个主面上，在四个突起11之间，形成两个垂直的绕组通道12x和12y。x轴绕组通道12x与两个主面交叉。在未被x轴绕组通道12x占据的两个相邻突起11之间限定的空间包括升高的表面，该升高的表面与x轴绕组通道12x形成阶梯式构造。所述升高的表面限定了y轴绕组通道12y，其相对于x轴绕组通道12x处于不同的高度。

磁芯10的周边面是连接磁芯10的主面的那些面，设置在其周边并包括磁芯10的外周边。

如前所述，突起11沿径向(x轴x和y轴y方向)突出。在沿径向突出的突起11之间限定了x轴绕组通道12x和y轴绕组通道12y的一部分，所述部分被限定在磁芯10的周边表面上。

x轴绕组通道12x在其中心包括x轴隔断壁14x，在该实施例中，该x轴隔断壁是环绕磁芯10的环形且连续的壁。

所述x轴隔断壁14x是磁芯10的突起，并且限定了两个x轴部分绕组通道13x(每侧一个)。

y轴绕组通道12y在其中心还包括y轴隔断壁14y，在该实施例中，该y轴隔断壁是两个独立且共面的壁，每个壁覆盖磁芯10的三个面，所述y轴隔断壁14y是磁芯10的突起，并限定两个y轴部分绕组通道13y(每侧一个)。

由突起11的外表面限定的磁芯10的外周边还包括从磁芯10突出的z轴壁14z，在该实施例中，该z轴壁包括四个共面壁，每个突起11上一个，在外周边上居中，限定两个z轴部分绕组通道13z(每侧一个)。

在图2中，示出了在每个x轴部分绕组通道13x上如何缠绕x轴部分线圈21x，其中两个x轴部分线圈21x一起形成环绕磁芯10的x轴线圈20x。

另外，在每个y轴部分绕组通道13y上缠绕y轴部分线圈21y，两个y轴部分线圈21y一起形成环绕磁芯10的y轴线圈20y。

最后，在每个z轴部分绕组通道13z上缠绕z轴部分线圈21z，两个z轴部分线圈21z一起形成环绕磁芯10的z轴线圈20z。

然后，金属连接端子30围绕三轴天线设置，每个金属连接端子30连接到构成部分线圈21x、21y、21z的导线的一端。

如图2所示，每个金属连接端子30例如通过每个突起11上的粘合剂附接到磁芯10，并且提供用于表面安装连接的部分，用作表面安装垫。

另外，然后围绕三轴天线形成包覆模制的盖子，使所有金属连接端子30的一部分露出，以便将所形成的天线电连接到电路。该包覆成型的盖子未在附图中示出。

根据图3所示的替代实施例，x轴隔断壁14x可以是非连续的和非环形的。

在该实施例中，z轴隔断壁14z被设置在外周边的非中心位置，仅在其一侧限定z轴绕组通道12z，其中单个z轴线圈20z将被缠绕，如图4所示。

在如图5、图6和图7所示的附加的替代方案中，x轴隔断壁14x仅在y轴y方向上突出，并且y轴隔断壁14y仅在x轴x方向上突出，两者都从磁芯10的周边表面突出而不是从磁芯10的主面突出。

在该实施例中，z轴壁14z从突起11的外周边突出到非中心位置，并且z轴附加壁15z也从外周边突出，处于与前面提到的z轴壁14z关于磁芯10的垂直于z轴z的中心平面对称的非中心位置。

在z轴壁14z与z轴附加壁15z之间限定z轴绕组通道12z，其中缠绕有单个z轴线圈20z。

由于包含在彼此面对的两个壁之间的z轴绕组通道12z的形状，并且由于也包含在正交方向上彼此面对的面之间的其他绕组通道12x和12y的形状，在该最后一个实施例中描述的磁芯10的形状不能以两件式铸型生产。

在这种情况下，磁芯10可以例如通过在铸型中压制金属粉末来制造，该铸型形成缺少z轴绕组通道12z的磁芯10的一般形状。然后，在烧结过程(这固化了构成磁芯10的金属粉末)之前或之后，取出磁芯10并在磁芯10中铣削z轴绕组通道12z。高压模具注射工艺和随后的烧结可以替代使用。

在任何前述实施例中，在缠绕x轴、y轴和z轴线圈20x、20y和20z之前，所述磁芯10可以用绝缘材料覆盖。优选地，所述绝缘材料是化学气相沉积聚合物，其产生超薄绝缘层。

应理解的是，本发明的一个实施例的各个部分可以与其他实施例中描述的部件自由组合，甚至所述组合没有被明确地描述，只要这种组合中没有危害。