Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство
Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности излучения. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство (100) содержит по меньшей мере частично прозрачную трубку (7), по меньшей мере один светодиод (1), размещенный внутри упомянутой трубки, по меньшей мере один драйвер (4) светодиода, контроллер (5) светодиода (1), радиочастотную антенну (30, 40), соединенную с контроллером, для приема и отправки беспроводных команд. Радиочастотная антенна представляет собой изогнутую антенну, имеющую антенные элементы (31, 32, 33; 41, 42, 43), расположенные в общей изогнутой плоскости, при этом упомянутая антенна содержит решетку полупетлевой проволочной антенны, и решетка полупетлевой проволочной антенны содержит множество витков линии, причем множество витков линии сформировано продолжающимся по спирали вдоль осевого направления как единое целое, при этом осевое направление параллельно оси трубки (7), и каждый поворот витков линии продолжается вдоль всего периметра трубки (7). 11 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к области освещения и, в частности, к области светодиодного освещения.
Уровень техники
Лампа TL является традиционным и хорошо известным типом лампы. Она обычно содержит газонаполненную трубку и два электрода, расположенных на расстоянии друг от друга, на которые подается электроэнергия. Для того, чтобы иметь возможность подачи питания на такую лампу от сети переменного тока, обычно 230 В, 50 Гц для Европы, осветительная система TL содержит балласт, и для запуска лампы система традиционно включает в себя переключатель стартера. Хотя традиционным балластом считается дроссельный балласт (из медной проволоки), электронные балласты являются более продвинутыми.
В последние годы быстро развивалась технология светодиодного освещения, и светодиоды все больше использовались для целей освещения в качестве альтернативы лампам накаливания или лампам TL. Однако существует также стремление к модернизации, то есть желательно устройство на основе светодиодной лампы, которое бы имело форму стандартной лампы TL, то есть трубчатую форму, и которое можно было бы использовать для замены такой стандартной лампы TL. Эта форма накладывает ограничения на пространство, которое доступно для компонентов лампового устройства.
Конкретный класс трубчатых светодиодных ламп относится к лампам, которые могут иметь дистанционное управление, то есть беспроводное управление с использованием радиочастотных (РЧ) сигналов. Такая лампа в контексте настоящего изобретения упоминается как "беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство". Одним из основных компонентов такого лампового устройства является антенна для приема сигналов команд. Для обеспечения хороших рабочих характеристик важным параметром такой антенны является размер, но размер ограничен светодиодным трубчатым ламповым устройством: очевидно, что размер конструктивных компонентов должен быть меньше диаметра трубки.
Другим важным компонентом такого лампового устройства является длинная металлическая основа, проходящая через значительную часть от полной длины трубки. Эта основа имеет две важные функции: с одной стороны, она придает трубке жесткость, с другой стороны, она действует для светодиодов в качестве радиатора. На дальних концах трубки рядом с основой расположена электронная схема. Эти электронные схемы включают в себя, например, электронные схемы драйверов светодиодов. Эта электронная схема также включает в себя схему дистанционного управления с антенной.
В документе US20130328481A1 раскрыта светодиодная трубка с изогнутой закрывающей частью, и антенна прикреплена к изогнутой закрывающей части.
Сущность изобретения
Проблема заключается в том, что длинная металлическая основа мешает полю излучения, создаваемому вокруг трубки, что влияет на беспроводной прием. В частности, беспроводной прием на одном конце трубки является очень слабым.
Было бы предпочтительным иметь беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство с лучшей производительностью излучения. Кроме того, было бы предпочтительным иметь конструкцию антенны для беспроводного светодиодного трубчатого лампового устройства, которое улучшает характеристики излучения. Было бы предпочтительным разработать антенну, которая лучше бы использовала трубчатую форму светодиодной трубчатой лампы.
В одном аспекте настоящего изобретения выполнено беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство, содержащее:
по меньшей мере частично прозрачную трубку;
по меньшей мере один светодиод, размещенный внутри упомянутой трубки;
по меньшей мере один драйвер светодиода для возбуждения упомянутого по меньшей мере одного светодиода;
контроллер для управления упомянутым по меньшей мере одним драйвером светодиода;
радиочастотную антенну, соединенную с контроллером для приема и отправки беспроводных команд;
причем радиочастотная антенна представляет собой изогнутую антенну, имеющую антенные элементы, расположенные в общей криволинейной плоскости, причем упомянутая антенна содержит решетку полупетлевой проволочной антенны, причем решетка полупетлевой проволочной антенны содержит множество витков линии.
Преимущество данного устройства состоит в том, что антенна может иметь больший размер и, тем не менее, помещаться в ламповом устройстве, а именно хорошо использовать форму трубки трубчатой лампы. Таким образом, можно улучшить характеристики излучения. В реальном варианте осуществления размер светодиодной трубчатой лампы позволяет использовать полупетлевую проволочную антенну, работающую на частоте 5 ГГц, которая находится в перспективном диапазоне частот и в планах развития Wi-Fi и Zigbee.
В возможном варианте осуществления, в частности, упомянутая плоскость, после размещения в трубке с круговой цилиндрической формой, представляет собой круговую цилиндрическую плоскость.
В возможном варианте осуществления, упомянутые антенные элементы являются самонесущими, и упомянутая плоскость представляет собой виртуальную плоскость. В данном варианте осуществления предложен один вариант осуществления изогнутой антенны, и антенна формируется с изогнутой формой и сохраняет изогнутую форму. Таким образом, изогнутую антенну можно собрать непосредственно в трубчатой лампе, и при этом потребуется меньшее количество компонентов.
В другом возможном варианте осуществления, который имеет преимущество, связанное, в частности, с экономически эффективным и простым изготовлением, упомянутые антенные элементы размещаются на опоре, имеющей изогнутую наружную поверхность.
Предпочтительно, упомянутые антенные элементы размещаются на изогнутой, листовой, предпочтительно гибкой и по меньшей мере частично прозрачной печатной плате (PCB), и упомянутый лист размещается в пределах и изгибается с образованием упомянутой плоскости с помощью упомянутой трубки. В данном варианте осуществления размещение, такое как печать или напыление антенны на такой гибкий лист, является очень простым и имеет низкую стоимость, и лист не требует дополнительной обработки, чтобы сделать его изогнутым, так как лист будет изгибаться во внутренней полости.
В предшествующем уровне техники антенна расположена внутри торцевой заглушки лампового устройства. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения антенна расположена внутри упомянутой трубки, где большая часть пространства является доступной, поэтому антенна может иметь больший размер.
В предшествующем уровне техники имеется только одна антенна. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения ламповое устройство содержит две изогнутые радиочастотные антенны, размещенные на противоположных концах трубки, и/или две изогнутые радиочастотные антенны, размещенные на одном конце трубки и установленные диаметрально напротив друг друга.
В другом аспекте настоящего изобретения выполнена директорная антенна, содержащая удлиненный фидерный элемент, удлиненный рефлекторый элемент, размещенный на одной стороне фидерного элемента, и один или несколько удлиненных директорных элементов, размещенных на противоположной стороне фидерного элемента, где упомянутые удлиненные элементы размещаются во взаимно параллельных виртуальных плоскостях, перпендикулярных к главному направлению передачи антенны, и где каждый из упомянутых удлиненных элементов изогнут в пределах соответствующей виртуальной плоскости вокруг общей оси, параллельной упомянутому главному направлению передачи.
Дополнительные предпочтительные разработки упомянуты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут дополнительно объяснены с помощью последующего описания одного или более предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые или аналогичные части, и в которых:
фиг.1 схематично изображает перспективный вид беспроводного светодиодного трубчатого лампового устройства предшествующего уровня техники;
фиг.2 схематично иллюстрирует общую конструкцию директорной антенны;
фиг.3 изображает перспективный вид, схематично иллюстрирующий первую возможную конструкцию изогнутой директорной антенны;
фиг.4 иллюстрирует возможный способ формирования изогнутой директорной антенны;
фиг.5A схематично иллюстрирует беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство согласно настоящему изобретению;
фиг.5B схематично изображает поперечный разрез трубки беспроводного светодиодного трубчатого лампового устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.5C схематично изображает поперечный разрез трубки другого беспроводного светодиодного трубчатого лампового устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.6 схематично показывает типичные длины проводов и расчет интервалов относительно заданной длины волны сигнала;
фиг.7 показывает сравнение 2D-диаграммы направленности излучения полного коэффициента усиления антенны для планарной F-образной антенны с и без радиаторной структуры;
фиг.8 показывает сравнение 2D-диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для директорной антенны с изгибом и без изгиба;
фиг.9 показывает сравнение 2D-диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для изогнутой директорной антенны перед и после размещения антенны в реальном приложении;
фиг.10 показывает сравнение 2D-диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для планарной F-образной антенны, планарной F-образной антенны с радиатором и изогнутой директорной антенны с радиатором;
фиг.11 показывает 3D-диаграмму направленности излучения для антенны;
фиг.12 изображает рисунок в перспективном виде, схематично иллюстрирующий полупетлевую проволочную антенну;
фиг.13 изображает перспективный вид возможного варианта осуществления полупетлевой проволочной антенны, реализованной для использования в трубчатой лампе согласно настоящему изобретению;
фиг.14 изображает перспективный вид другого возможного варианта осуществления полупетлевой проволочной антенны, реализованной для использования в трубчатой лампе согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 схематично показано беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство 10 предшествующего уровня техники. Можно видеть, что оно имеет, в основном, удлиненную трубчатую конструкцию формы. Поз.8 обозначены торцевые заглушки на концах устройства 10, предназначенные для размещения электронных схем и переноса электрических контактных штырьков 9 для подключения к сети. Каждая торцевая заглушка вмещает в себя драйвер светодиода с преобразователем 4 сетевого напряжения. Одна из торцевых заглушек, в этом случае левая заглушка, также вмещает в себя PCB, размещенную выше соответствующего преобразователя 4 напряжения и имеющую установленную на ней радиочастотную антенну 6 с излучателями на печатной плате и беспроводной контроллер 5 для приема и отправки беспроводных команд и для управления драйверами 4 светодиодов. По меньшей мере частично прозрачная трубка 7, изготовленная из стекла или пластмассы, продолжается между торцевыми заглушками 8. Внутри трубки 7 размещается удлиненная полоска 2 печатной платы, которая имеет установленные на ней светодиоды 1. Полоска 2 печатной платы соединена с преобразователями 4 напряжения и имеет цепи для подачи питания на светодиоды 1. Полоска 2 печатной платы смонтирована на удлиненном металлическом радиаторе 3 для поглощения и отвода тепла, вырабатываемого светодиодами. Этот радиатор 3 имеет, в общем, U-образное поперечное сечение и будет также упоминаться как "основа", так как она также придает устройству жесткость.
Следует отметить, что антенна 6 размещается на одном конце устройства 10. Мощность, излученная из антенны, будет блокироваться и/или отражаться от длинной металлической конструкции 3 и также частично от длинной полоски 2 со светодиодами.
Задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить эту конструкцию предшествующего уровня техники.
Один аспект изобретения включает в себя применение изогнутой директорной антенны в качестве дополнения к существующей антенне 6 или для замены этой антенны 6. Изогнутая директорная антенна может размещаться только на одном конце трубки, как и в конструкции предшествующего уровня техники, или две изогнутые директорные антенны могут размещаться на обоих концах.
Директорная антенна по существу является хорошо известной конструкцией антенны, и поэтому объяснение будет кратким. Фиг.2 схематично иллюстрирует общую конструкцию директорной антенны 20. Поз.24 обозначена опора электропроводных антенных элементов 21, 22, 23, которые представляют собой удлиненные полоски, или шины или провода, расположенные параллельно друг к другу в одной плоскости и выровненные таким образом, чтобы быть симметричными по отношению к главной оси, которая в показанном примере направлена по горизонтали и совпадает с удлиненной опорой 24. Главная ось определяет направление чувствительности или направленности антенны.
Поз.21 обозначен биполярный элемент драйвера или фидерный элемент, который через линию передачи (не показана) соединен с сигнальной цепью для передачи, или приема или для того и другого одновременно. Хотя точная длина может варьироваться до некоторой степени в различных конструкциях, длина равна приблизительно половине длины волны, для которой разработана антенна.
На одной стороне фидерного элемента 21 размещается рефлекторый элемент 22. Рефлекторый элемент 22 больше фидерного элемента 21 и имеет функцию блокирования или отражения излучения от фидерного элемента 21 в одном направлении.
На противоположной стороне фидерного элемента 21 размещается/размещаются один или более директорных элементов 23. Каждый директорный элемент 23 короче фидерного элемента 21 типично приблизительно в 0,4 раза по отношению к длине волны и имеет функцию повышения амплитуды сигнала в направлении главной антенны. Как правило, в этом направлении достигается коэффициент усиления 10 дБ. Взаимные расстояния между двумя смежными директорными элементами 23 и между фидерным элементом 21 и первым директорным элементом 23 являются одинаковыми и в варианте осуществления могут типично быть меньше в приблизительно 0,34 раза от длины волны. Расстояние между фидерным элементом 21 и рефлекторным элементом 22 является более коротким, типично приблизительно в 0,25 раз меньше длины волны.
Ниже по тексту фраза "длина" антенны будет использоваться для размера, измеренного вдоль направления главной антенны, тогда как размер антенны, перпендикулярный к направлению главной антенны будет упоминаться как "ширина". Так как удлиненные элементы 21, 22, 23 направлены перпендикулярно к направлению главной антенны, их "длина" соответствует "ширине" антенны.
При проектировании директорной антенны различные конструктивные решения играют роль, и частота сигнала, которая будет использоваться, является важным параметром. Например, эта частота равна приблизительно 2,4 ГГц и представляет собой частоту, которая обычно используется для пультов дистанционного управления. В таком случае половина длины волны будет соответствовать приблизительно 6 см. Антенна, имеющая такую ширину, не помещается в трубку 7 с размером TL-трубки. Учитывая, что TL трубка имеет внешний диаметр приблизительно 2,5 см, максимальная длина элемента директорной антенны, при размещении по центру трубки, может составлять приблизительно 2 см или возможно немного больше, что слишком мало для правильной конструкции антенны.
Согласно настоящему изобретению эта проблема решена с использованием изогнутой директорной антенны. Антенна изогнута вокруг оси, параллельной направлению по длине оси, поэтому антенные элементы являются изогнутыми. Таким образом, самый большой антенный элемент может иметь длину больше, чем диаметр трубки. Хотя это не имеет существенного значения, изогнутой формой элементов предпочтительно является дуга окружности, то есть участок окружности. В примере, где радиус кривизны равен 1 см, что соответствует диаметру антенны 2 см и позволяет легко вставить антенну в трубку 7, длина изогнутой части самого большого антенного элемента, то есть рефлектора 22, может быть равна 6,28 см или немного меньше, если необходимо предотвратить касание противоположных концов рефлектора друг с другом. Это будет соответствовать частоте 2,4 ГГц.
Авторы изобретения провели эксперимент, в котором они сравнили характеристики директорной антенны с такой же антенной в изогнутом состоянии. Было обнаружено, что изогнутая антенна ведет себя как директорная антенна, при этом действительно коэффициент усиления и характеристики направленности были немного меньше, чем характеристики первоначальной планарной антенны. Однако, по сравнению с планарной антенной, имеющей ширину, равную ширине (то есть диаметру) изогнутой директорной антенны, изогнутая директорная антенна имеет более высокие эксплуатационные характеристики.
В последующем описании объяснены варианты осуществления изобретения при размещении директорной антенны с изогнутой формой. Предусмотрено несколько способов для изготовления изогнутой директорной антенны, что приводит к соответствующим расчетным характеристикам антенны.
На фиг.3 показан перспективный вид, схематично иллюстрирующий первую возможную конструкцию изогнутой директорной антенны 30, где антенные элементы - фидер 31, рефлектор 32 и директор 33 реализованы в виде достаточно жестких, независимых элементов, удерживаемых на своем месте общей опорой 34. Например, элементы можно изготовить в виде изогнутых металлических проводов или шин. Каждый элемент изогнут в пределах виртуальной плоскости, причем все эти виртуальные плоскости взаимно параллельны и перпендикулярны к оси главной антенны. Форма изгиба является такой, чтобы, если смотреть в направлении оси главной антенны, все элементы проецировались друг на друга. Предпочтительно, изгиб является таким, чтобы радиус кривизны оставался постоянным по всей длине каждого элемента, при этом каждый элемент имел бы одинаковый радиус кривизны, но с различной длиной (реальной окружностью); в таком случае все элементы расположены в виртуальной круговой цилиндрической плоскости. Предпочтительно, круговая цилиндрическая плоскость совпадает с внутренней цилиндрической поверхностью трубки.
На фигуре показан только один директор 33, но количество директоров может быть равно двум или более.
Фиг.4 иллюстрирует другой способ формирования изогнутой директорной антенны 40. Поз.44 обозначен гибкий лист печатной платы, имеющий сформированные на нем взаимно параллельные антенные элементы: фидер 41, рефлектор 42 и директор 43. В этом примере показаны два директорных элемента. Элементы являются узкими; на фигуре их ширина показана в увеличенном масштабе. Что касается длины и расстояния друг от друга, то антенные элементы спроектированы в соответствии с обычными известными правилами проектирования для планарной антенны. Далее, лист 44 печатной платы сгибается вокруг оси, перпендикулярной к антенным элементам таким образом, чтобы лист 44 печатной платы приобретал форму части кругового цилиндра, и антенные элементы были направлены в направлении по окружности этого цилиндра.
В качестве альтернативы для листа печатной платы, можно использовать гибкий и прозрачный лист пластикового материала, который несет на себе электропроводные антенные элементы, размещенные на нем. Этот лист будет вставляться в трубку и сгибаться таким образом, как описано ниже, поэтому директорная антенна будет изгибаться вместе с листом.
Фиг.5A схематично иллюстрирует беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство 100 согласно настоящему изобретению, которое отличается от устройств предшествующего уровня техники наличием изогнутой директорной антенны, в этом случае антенны 40, показанной на фиг.4. Кроме этой антенны, все другие компоненты могут быть идентичны компонентам устройства 10 предшествующего уровня техники, поэтому в данном документе повторное описание этих компонентов отсутствует. На фигуре показан конечный участок трубки, в данном случае обозначенный поз.107. Поз.45 обозначен провод, соединяющий антенну 40 со схемой 5 дистанционного управления. Либо до, либо после соединения со схемой 5 дистанционного управления посредством проводов 45, антенна 40 вставляется в трубку 107 в продольном направлении сначала с директором(ами) таким образом, чтобы рефлектор 42 позиционировался на стороне торцевой заглушки 8 по отношению к фидеру 41. Антенна может быть установлена на отдельной опоре, но в этом случае антенна будет находиться напротив внутренней поверхности стенки трубки. Антенна 40 закрывает некоторые светодиоды, но гибкий лист печатной платы является по существу прозрачным, поэтому он не служит помехой для светового выхода светодиодов.
На фиг.5B показан схематичный поперечный разрез трубки 107 с профилем 3 радиатора. Радиатор 3 может иметь пластины 103, продолжающиеся наружу по направлению к внутренней поверхности стенки трубки. Лист 44 печатной платы удерживается на месте, так как его продольные края опираются на пластины 103.
На фиг.5C показан схематичный поперечный разрез трубки 107, иллюстрирующий другой вариант осуществления. Трубка 107, выступающая вовнутрь от ее внутренней поверхности, может иметь продольные выступы 117, полученные в результате совместной экструзии со стенкой трубки. Лист 44 печатной платы удерживается на своем месте, так как его продольные края опираются на выступы 117.
В вышеупомянутом варианте осуществления лист может быть плоским в своем первоначальном виде, но может изгибаться внутри трубки с помощью трубки или с помощью радиатора. В альтернативном варианте осуществления опора для антенны имеет жесткую изогнутую наружную поверхность в своей первоначальной форме, обеспечивая изогнутую плоскость антенны. Например, опору можно термически пластифицировать для получения изогнутой формы, и после пластификации или перед пластификацией антенна печатается или осаждается на ней. И затем изогнутая опора вставляется в трубку.
Изогнутая директорная антенна может быть единственной антенной в устройстве 100. Альтернативно, как показано на фиг.5A, по-прежнему присутствует антенна 6 предшествующего уровня техники, которая в этом случае представляет собой простую печатную антенну на печатной плате, но которая может альтернативно быть простой антенной, изготовленной, например, из проволоки или штампованного металла. В таком случае антенны не соединены параллельно схеме 5 дистанционного управления, но соединены через переключатель, управляемый схемой 5 дистанционного управления. При нормальной работе схема 5 дистанционного управления устанавливает этот переключатель таким образом, чтобы использовать простую антенну 6 в качестве первичной антенны. Эта конфигурация будет рабочей в том случае, когда устанавливается связь с другими устройствами, расположенными поблизости от того же самого конца трубки, как и антенна 6. Затем изогнутая директорная антенна становится вторичной антенной. Схема 5 дистанционного управления контролирует качество сигнала для принятого РЧ-сигнала антенны, и если это качество не является достаточно хорошим, схема 5 дистанционного управления устанавливает упомянутый переключатель таким образом, чтобы использовать изогнутую директорную антенну 40. Эта конфигурация будет работать в том случае, когда имеет место связь с другими устройствами, расположенными на другом конце трубки. Если качество сигнала улучшается, то схема 5 дистанционного управления может переключиться обратно на простую первичную антенну 6.
Выше была описана только одна изогнутая директорная антенна 40 либо в качестве единственной антенны, либо в качестве вторичной антенны в сочетании с первичной антенной. В любом случае можно иметь более одной изогнутой директорной антенны для улучшения качества связи. Например, можно иметь изогнутые директорные антенны, установленные на противоположных концах трубчатого лампового устройства. Кроме того, можно иметь две изогнутые директорные антенны, установленные на одном и том же конце трубчатого лампового устройства и установленные диаметрально напротив друг друга, то есть одна "выше" другой по отношению к срединной плоскости трубки, причем каждая из них продолжается под углом чуть менее 180°. В результате, можно получить более мощные сигналы, излучаемые в более широком диапазоне направлений.
Ниже будет приведено теоретическое сравнение между "нормальной" и "изогнутой" директорными антеннами, и будут рассмотрены результаты некоторых экспериментов.
На фиг. 6 показаны типичные длины проводов и вычисление интервалов между проводами относительно заданной длины волны сигнала.
Способ, используемый для моделирования антенны, представляет собой метод моментов, в котором применяется численный электромагнитный код (NEC), разработанным Ливерморской лабораторией им. Лоуренса. Для того чтобы использовать Метод моментов, пользователь типично преобразует проводящую структуру в ряд проводов, создавая "каркасную модель". Затем эти провода разбиваются на "сегменты", причем каждый сегмент является коротким по сравнению с длиной волны, представляющей интерес. Каждый из этих сегментов будет проводить некоторый ток, и ток в каждом сегменте будет влиять на ток в другом сегменте. Чтобы вычислить токи в каждом сегменте, на компьютере создается и решается система линейных уравнений.
После вычисления тока в каждом сегменте можно вычислить поля в ближней и дальней зонах с помощью суперпозиции.
Самой простой моделью в NEC является одиночный отрезок проволоки, причем каждый отрезок создает электромагнитное поле в любой точке пространства.
При условии, что отрезок (a) имеет длину менее чем 0,1λ на самой высокой частоте, представляющей интерес, и (b) имеет отношение диаметра к длине менее чем 0,1, то можно легко решить уравнения Максвелла, которые позволяют связать ток, протекающий в отрезке, с электрическим полем на некотором расстоянии от этого отрезка.
Поля имеют вид:
где
θ, r - координаты: θ в радианах, r в метрах;
I* - "задержанный" ток в Амперах=I0ejωt-βr;
I0 - ток, протекающий в отрезке в момент время t=0;
l - длина отрезка в метрах;
ω - круговая частота в радианах в секунду=2πf;
t - время в секундах;
β - фазовая постоянная=2π/λ;
ε0 - диэлектрическая проницаемость воздуха (диэлектрическая постоянная); и
c - скорость света в метрах в секунду.
Поэтому, если токи, протекающие во всех отрезках, известны, можно вычислить поле в любой точке с помощью суперпозиции. К сожалению поля, создаваемые каждым отрезком, оказывают влияние на токи, протекающие во всех других отрезках, что приводит к задаче, которую можно решить, используя методы решения линейных уравнений.
Линейные уравнения можно описать в виде, приведенном ниже, при этом N обозначает число отрезков:
В этом случае, In - ток, протекающий в отрезке n, и En - электрическое поле, наведенное в каждом отрезке. Так как поле, умноженное на расстояние, равняется напряжению, напряжение Vn на каждом отрезке равно полю En, умноженному на длину Δzn отрезка. Аналогия с законом Ома является преднамеренной, и фактически параметр Znm представляет собой "взаимный импеданс", связывающий отрезки.
Когда NEC начинает расчет, сначала будут рассчитываться эти импедансы. После нахождения импедансов можно вычислить токи, протекающие в каждом отрезке. После того, как они становятся известными, можно вычислить поля в ближней и дальней зонах.
Анализ директорной антенны предполагает наличие K диполей, причем последние K-2 диполей представляют собой директоры, и токи имеют синусоидальную форму, так как длины антенн составляют порядка половины длины волны. Затем вычисляют матрицу Z взаимных импедансов, и входные токи I=Z-1V. Так как возбуждается только второй элемент, вектор напряжений имеет вид:
После того, как входные токи I=[I1, I2..., IK] T становятся известными, вычисляется коэффициент усиления антенны, который представлен ниже в упрощенном виде, так как диполи расположены вдоль оси x:
Для того, чтобы сравнить характеристики, авторы изобретения создали имитационные модели для некоторых различных типов антенн:
1. Простая планарная F-образная антенна
-очень распространенная печатная антенна для приложения с частотой 2,4 ГГц, наряду с печатными платами, которые используются в светодиодных трубчатых лампах (TLED) для максимально возможного отражения фактических радиочастотных характеристик.
2. Простая планарная F-образная антенна с радиаторной структурой
-металлическая радиаторная конструкция прикреплена к простой планарной F-образной антенне. Эта модель предназначена для анализа влияния радиочастотного излучения на простую планарную F-образную антенну при добавлении радиатора.
3. Директорная антенна с 3 элементами
-модель стандартной директорной антенны минимум с 3 элементами была модифицирована из модели стандартной/примерной антенны из комплекта 4NEC2 (3elYagiMaxFB.nec) для адаптации приложения на частоте 2,4 ГГц. Эта модель используется в качестве ссылки на стандартную директорную антенну.
4. Изогнутая директорная антенна с 3 элементами
-изогнутая стандартная директорная антенна, минимум с 3 элементами, геометрический размер каждого элемента директорной антенны является таким же, как и у стандартной антенны, например, длина каждого элемента является такой же, как и у стандартной директорной антенны, хотя она изогнута или находится на цилиндрической поверхности, расстояние между каждым элементом является также одинаковым, смотри фиг. 3. Эта модель используется для исследований в том случае, когда радиочастотные характеристики изменяются в результате изгиба стандартной конструкции директорной антенны.
5. Изогнутая директорная антенна с 3 элементами и радиатором
-печатные платы и радиаторная конструкция прикреплены к изогнутой директорной антенне с 3 элементами для моделирования фактического TLED. Эта модель используется для сравнения в случае, если радиочастотные характеристики улучшаются по сравнению с простой планарной F-образной антенной с радиатором.
Сравнение диаграммы направленности излучения по результатам моделирования
2D диаграммы направленности излучения, полученные в результате моделирования, можно использовать для сравнения интенсивности радиочастотного РЧ поля при любом поперечном сечении поля излучения. Плоскость x-y является наиболее интересной, так как обычно устройства примерно располагаются на плоской поверхности как навесные элементы, свисающие с подвесного потолка в офисе открытого типа, и характеристики в плоскости x-y будет иметь гораздо более сильное влияние на пользователей.
За счет наложения 2D диаграмм направленности излучения вместе с несколькими антеннами можно видеть относительные различия характеристик различных антенн.
На фиг.7 показано сравнение 2D диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для планарной F-образной антенны без (кривая 71) и с (кривая 72) радиаторной конструкцией. Можно видеть, что с радиатором полный коэффициент усиления антенны уменьшается почти на 2 дБ в обоих направлениях оси x, что показывает, что радиатор ухудшает радиочастотные характеристики вдоль оси x.
На фиг.8 показано сравнение 2D диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для директорной антенны без (кривая 73) и с (кривая 74) изгибом. Можно видеть, что в случае директорной антенны, изогнутой в виде цилиндрической формы, сохраняется направленность по оси x директорной антенны, но уменьшается немного, приблизительно на 1 дБ, что показывает, что концепция конструкции изогнутой директорной антенны является хорошей.
Из этой 2D диаграммы направленности излучения видно, что изогнутая директорная антенна будет иметь коэффициент усиления, равный приблизительно 5,4 дБи, в положительном направлении оси x, поэтому ее можно, в общем, использовать для улучшения одного направления применения и в качестве второй антенны для компенсации слабого места первоначальной антенны.
На фиг.9 показано сравнение 2D диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для изогнутой директорной антенны перед (кривая 75) и после (кривая 76) размещения антенны в реальном приложении, которое имеет печатные платы и радиатор. Можно заметить, что после размещения изогнутой директорной антенны в приложении, характеристика уменьшается приблизительно на 3 дБ, но направленность по-прежнему сохраняется: имеется коэффициент усиления приблизительно 2,4 дБ в положительном направлении оси x.
На фиг.10 показано сравнение 2D диаграммы направленности излучения при полном коэффициенте усиления антенны для планарной F-образной антенны, планарной F-образной антенны с радиатором и изогнутой директорной антенны с радиатором. Кривая 77 показывает первоначальную планарную F-образную антенну с поддерживающими печатными платами. Кривая 78 показывает планарную F-образную антенну, когда добавлена радиаторная конструкция; радиочастотные характеристики уменьшаются приблизительно на 2 дБ вдоль оси x. Кривая 79 показывает изогнутую директорную антенну с точно такими же опорными печатными платами и радиаторной конструкцией; характеристики повышаются вдоль положительного направления оси x и становятся даже лучше, чем у первоначальной планарной F-образной антенны, перед добавлением радиаторной конструкии, поэтому можно сделать заключение, что изогнутая директорная антенна улучшает радиочастотные характеристики даже при добавлении радиаторной конструкции в TLED.
На фиг.11 показана 3D-диаграмма направленности излучения для антенны, которую можно использовать для анализа интенсивности поля в любой точке в 3D-пространстве.
В приведенном выше описании настоящее изобретение, главным образом обсуждено и объяснено на примере конструкции директорной антенны, но изобретение не ограничивается конструкцией директорной антенны. Однако можно применить принципы изобретения к антеннам, имеющим другую конструкцию. Согласно принципам изобретения все антенные элементы расположены в изогнутой плоскости, предпочтительно цилиндрической плоскости, что позволяет обеспечить размещение антенны с относительно большими антенными элементами в светодиодной трубчатой лампе. В случае независимых антенных элементов упомянутая плоскость можно быть виртуальной плоскостью. Упомянутую плоскость можно также осуществить в виде реального несущего элемента или опоры для антенных элементов, например, в виде изогнутого листа или жесткого держателя, имеющего изогнутую поверхность, на которой размещаются антенные элементы. Как показано, эти признаки можно осуществить для конструкции директорной антенны, но можно также осуществить для других типов антенн. Ниже посредством альтернативного примера будет описана полупетлевая антенна.
На фиг.12 показан перспективный вид, схематично иллюстрирующий общую конструкцию полупетлевой проволочной антенны 80, которая в этом примере содержит четыре полупетлевые проволоки 81, 82, 83, 84. Каждая полупетлевая проволока 81, 82, 83, 84 согнута под углом 180° в соответствии с полукруглым контуром. Радиус кривизны является одинаковым для всех проволок. Возможно также, что полупетлевые проволоки имеют спиралевидные участки с изгибом под углом 180°. Проволоки выровнены таким образом, чтобы они располагались на поверхности общего виртуального кругового цилиндра на взаимно одинаковом расстоянии. Концевые точки четырех полупетлевых проволок 81, 82, 83, 84 расположены в общей виртуальной или воображаемой плоскости 85. Фидерная линия 86 подсоединена к одному концу первой полупетливой проволоки 81. Передающие линии 87/88/89 соединяют второй конец первой/второй/третьей проволоки 81/82/83 с первым концом второй/третьей/четвертой проволоки 82/83/84. Фидерная линия 86 и передающие линии 87/88/89 являются коаксиальными линиями, то есть они содержат внутренний проводник, коаксиальный с внешним проводником, причем внутренний проводник имеет вышеупомянутую функцию соединения, в то время как внешний проводник имеет функцию экранирования внутреннего проводника для того, чтобы предотвратить выход излучения из внутреннего проводника. Напротив, полупетлевые проволоки представляют собой оголенные провода, которые могут действовать как антенна и излучать радиочастотный сигнал.
Таким же образом, как это было описано выше, антенна 80 можно быть только антенной или может действовать в сочетании с просто антенной 6 (смотри фиг.1). Две антенны 80 могут размещаться на противоположных концах трубки. Антенна 80 может размещаться только на одном конце трубки лампы, но также возможно, что антенна 80 будет проходить по всей длине трубки, так как проволока является очень тонкой и не препятствует световому выходу трубчатой лампы.
На фиг.13 показан перспективный вид полупетлевой проволочной антенны 90, реализованной для использования в трубчатой лампе согласно настоящему изобретению и сопоставимой с вариантом осуществления, показанным на фиг.4 и фиг.5A-5C. Поз.97 обозначена прозрачная трубка лампы. Поз.91 обозначен гибкий прозрачный лист печатной платы, который опирается на внутреннюю поверхность трубки 97 и, следовательно, изогнут в соответствии с формой трубки. Продольные края листа 91 опираются на ребра трубки или радиатора, что сопоставимо с вариантами осуществления, показанными на фиг.5B и 5C, соответственно. Лист 91 печатной платы содержит проводящие линии 92, которые размещаются параллельно друг другу и которые в согнутом состоянии листа 91 продолжаются как полуокружности, или полуэллипсы или спиральные участки вокруг продольной оси трубки 97; при этом, эти линии 92 в согнутом состоянии действуют как полупетлевые проволоки антенны. Лист 91 печатной платы дополнительно содержит передающую линию 93, соединяющую следующие друг за другом проводящие линии 92. Эти передающие линии 93 являются также изогнутыми линиями, которые следуют по участку пути спирали.
Коаксиальная решетка полупетлевой антенны имеет гораздо более широкую зону радиочастотного покрытия, поэтому эту антенну можно использовать в качестве едино антенны, и зону покрытия можно регулировать путем изменения числа петель. Преимущество гибкой конструкции печатной платы состоит в том, что она обеспечивает простой и экономичный способ изготовления антенны, которую также легко собрать в трубчатом устройстве.
В варианте осуществления, показанном на фиг.13, линии 92 полупетлевой антенны и передающие линии 93 одновременно расположены в плоскости листа 91 печатной платы. 3D-форма антенны получается при размещении плоского листа в трубке лампы. На фиг.14 показан перспективный вид альтернативного варианта осуществления полупетлевой проволочной антенны 190, которая имеет конструктивную 3D-целостность. Прозрачная трубка лампы обозначена поз.199. Поз.191 обозначен 3D-пластиковый рамочный элемент, который имеет изогнутую верхнюю поверхность 192 с расположенными под углом 180° (то есть полукруглыми, или полуэллиптическими или спиралевидными) вмещающими канавками 193, которые вмещают в себя линии 194 полупетлевой антенны. Боковые поверхности 195 и изогнутые нижние поверхности 196 выполнены с вмещающими канавками 197, которые вмещают в себя коаксиальные передающие линии 198, соединяющие следующие друг за другом проводящие линии 194. Пластиковый рамочный элемент 91 с интегрированными заранее изготовленными вмещающими канавками 193, 197 позволяет обеспечить более высокую точность изготовления и воспроизводимость антенны по сравнению с вариантом осуществления (фиг.13) с соответствующими улучшенными радиочастотными характеристиками.
В альтернативном варианте осуществления полупетлевая антенна напечатана на прозрачной трубке трубчатой лампы. Конкретные способы печати включают в себя 3D-печать, струйную печать проводящего материала и аналогичный способ изготовления печатной платы.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство, которое содержит:
по меньшей мере частично прозрачную трубку;
по меньшей мере один светодиод, размещенный внутри упомянутой трубки;
по меньшей мере один драйвер светодиода;
контроллер светодиода;
радиочастотную антенну, соединенную с контроллером, для приема и отправки беспроводных команд.
Радиочастотная антенна представляет собой изогнутую антенну, имеющую антенные элементы, расположенные в общей изогнутой плоскости.
Антенна может быть директорной антенной, содержащей удлиненный фидерный элемент, удлиненный рефлекторный элемент, размещенный на одной стороне фидерного элемента, и один или несколько удлиненных директорных элементов, размещенных на противоположной стороне фидерного элемента, причем упомянутые элементы размещаются на взаимно параллельных виртуальных плоскостях, перпендикулярных к главному направлению передачи, при этом каждый из упомянутых элементов изогнут в пределах соответствующей виртуальной плоскости вокруг общей оси, параллельной упомянутому главному направлению передачи.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенном описании, специалистам в данной области техники будет ясно, что такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничивающие. Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления; напротив несколько изменений и модификаций являются возможными в пределах объема защиты изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Например, антенну в ламповом устройстве можно использовать для связи с переносным устройством дистанционного управления, но также возможно, что ламповое устройство является частью сети Wi-Fi.
Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественность. Один процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Даже в том случае, если некоторые функции перечислены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, настоящее изобретение также относится к варианту осуществления, содержащему одновременно эти признаки. Любые ссылочные символы в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем.
1. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство (100), содержащее:
по меньшей мере частично прозрачную трубку (7);
по меньшей мере один светодиод (1), размещенный внутри трубки;
по меньшей мере один драйвер (4) светодиода для возбуждения упомянутого по меньшей мере одного светодиода;
контроллер (5) для управления упомянутым по меньшей мере одним драйвером светодиода;
радиочастотную антенну (30; 40), соединенную с контроллером, для приема и отправки беспроводных команд;
причем радиочастотная антенна представляет собой изогнутую антенну, имеющую антенные элементы (31, 32, 33; 41, 42, 43), расположенные в общей изогнутой плоскости;
при этом упомянутая антенна содержит решетку полупетлевой проволочной антенны, и решетка полупетлевой проволочной антенны содержит множество витков линии, причем множество витков линии сформировано продолжающимся по спирали вдоль осевого направления как единое целое, при этом осевое направление параллельно оси трубки (7), и каждый поворот витков линии продолжается вдоль всего периметра трубки (7).
2. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутая плоскость представляет собой круговую цилиндрическую плоскость.
3. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутые антенные элементы являются самонесущими, а упомянутая плоскость представляет собой виртуальную плоскость.
4. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутые антенные элементы размещены на опоре, имеющей жесткую изогнутую наружную поверхность, образующую упомянутую плоскость.
5. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутые антенные элементы размещены на гибком листе (44) в изогнутом состоянии.
6. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.5, в котором упомянутый лист содержит гибкую и по меньшей мере частично прозрачную печатную плату (PCB), и в котором упомянутый лист размещен внутри упомянутой трубки в контакте с внутренней поверхностью упомянутой трубки для получения изогнутой формы, которая соответствует форме трубки.
7. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутая антенна расположена внутри упомянутой трубки.
8. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, содержащее две изогнутые радиочастотные антенны, размещенные на противоположных концах трубки.
9. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, содержащее две изогнутые радиочастотные антенны, размещенные на одном конце трубки, установленной диаметрально напротив друг друга.
10. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором первая часть каждого поворота витков линии представляет собой оголенный провод без экранирования, как у беспроводного радиатора, и вторая часть каждого поворота витков линии представляет собой коаксиальный кабель с проводником, заключенным в экран.
11. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.10, в котором полупетлевая проволочная антенна (92) размещена на гибком листе (91) в изогнутом состоянии, или в котором полупетлевая проволочная антенна (194) размещена по периметру вокруг изогнутой поверхности опорной 3D-рамы (191).
12. Беспроводное светодиодное трубчатое ламповое устройство по п.1, в котором упомянутая антенна напечатана на упомянутой прозрачной трубке.
