照明装置、路灯装置、交通灯和制造方法与流程

本发明涉及用于路灯和交通灯的天线概念，以及用于制造天线的方法。

背景技术：

路灯可以作为独立设备操作和供电，例如通过光电池供电，或者可以由中央管理系统控制。此外，可以提供光电探测器，也称为收光器，以检测日落和日出，从而使路灯相应地自动关闭和打开。另外，收光器还可以与中央管理系统结合使用进行控制，以检查是否实际执行了由中央管理系统给出的点亮或熄灭路灯的命令。

通过互连这些路灯，有增加节能的趋势，这将成为智能城市创新的关键组成部分。网络中的代表路灯的节点之间的无线连接要求天线安装在靠近路灯的位置。因此，为这些路灯节点的制造商提供合适的天线是一个问题，主要是因为空间有限。此外，天线的方向特性需要适应天线在路灯处的位置所产生的特定要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于以特别经济和可靠的方式无线互连路灯设备的装置，同时优化无线接口的质量和能量效率。

该目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

本发明基于如下构思：微带贴片(micro-strippatch)天线可以布置在包围发光元件和/或收光元件的透明盖的内部。在其最基本的形式中，微带贴片天线包括在介电基板的一侧上的辐射贴片，介电基板在另一侧具有接地平面。

传统的微带天线(也称为印刷天线)通常是指在印刷电路板(pcb)上使用微带技术制造的天线。它们主要用于微波频率。单个微带天线由pcb表面上的各种形状的金属箔贴片(贴片天线)组成，在板的另一侧具有金属箔接地平面。天线通常通过箔片微带传输线连接到发射器或接收器。在天线和地平面之间施加射频电流(或在接收天线中产生接收信号)。

微带天线非常受欢迎，因为它们具有薄的平坦轮廓，其可以结合到消费产品的表面中；它们易于使用印刷电路技术制造；易于将天线与电路的其余部分集成在同一电路板上，以及具有将有源器件(如微波集成电路)添加到天线本身以制作有源天线的可能性。

有源天线是包含有源电子元件(如晶体管)的天线，其与大多数仅包括诸如金属棒、电容器和电感器的无源元件的天线不同。有源天线设计允许有限尺寸的天线具有比无源天线更宽的频率范围(带宽)，并且主要用于较大的无源天线不实用(在便携式无线电内)或不可能(不允许使用的大型户外低频天线的郊区住宅区)的情况下。

最常见的微带天线类型是贴片天线。使用贴片作为阵列中的构成元件的天线也是可能的。贴片天线是窄带宽波束天线，其通过蚀刻金属迹线中的天线元件图案而制成，所述金属迹线结合到绝缘介电基板，例如印刷电路板，其中连续金属层结合到基板的形成地平面的相对侧。常见的微带天线形状是正方形、矩形、圆形和椭圆形，但任何连续形状都是可能的。一些贴片天线不使用电介质基板，而是由使用电介质间隔物安装在地平面上方的金属贴片制成；由此产生的结构不那么坚固，但具有更宽的带宽。因为这种天线具有非常低的轮廓，机械坚固并且可以成形为符合车辆的弯曲皮肤，所以它们通常被结合到移动无线电通信设备中。

由于简单的二维物理几何形状，微带天线的制造和设计相对便宜。它们通常用于超高频和高频，因为天线的大小与谐振频率的波长直接相关。单个贴片天线提供大约6-9db的最大指向增益。通常，使用光刻技术在单个(大)基板上印刷贴片阵列。

最常用的微带天线是矩形贴片。它大约长一半波长。由于延长的电“边缘场”，天线的谐振长度略短，这稍微增加了天线的电长度。

另一种类型的贴片天线是平面倒f天线(pifa)。pifa在具有内置天线的蜂窝电话(移动电话)中很常见。天线以四分之一波长谐振(从而减少了手机上所需的空间)，并且通常还具有良好的sar特性。sar代表特定的吸收率，是衡量人体组织吸收射频能量的指标。这个天线类似于倒f，这解释了pifa的名称。pifa很受欢迎，因为它具有小轮廓和全向模式。

虽然微带天线通常具有窄带宽，但是可以设计具有宽带宽覆盖的微带天线。一些贴片形状显示出比其他形状更大的带宽。与较大带宽相关联的贴片形状包括环形环、矩形或方形环、以及四分之一波长(短)贴片。论文“awidebandplanarinvertedfantennaforwirelesscommunicationdevices”(abhishekthakur，thapar大学，2016)描述了一种pifa，其具有覆盖多个频段的宽带宽覆盖，如gps(1575mhz)、dcs(1800mhz)、pcs(1900mhz)、3g(2100mhz)、4g(2300mhz)和wlan/蓝牙(2400-2800mhz)。这种传统天线结构紧凑，尺寸为66.39mm×40mm×3.8mm。在其设计中，在地平面上蚀刻了两个槽，并且调整槽的位置有助于在几个通信标准上获得宽带覆盖。使用高频结构模拟器(hfss)软件设计天线。

根据本发明，提供了一种照明装置，其包括具有基座和透明盖的壳体，安装到基座的电子电路，并且包括至少一个发光和/或收光元件，其布置用于穿过透明盖发射和/或接收光，以及至少一个天线。天线的辐射贴片遵循透明盖的内表面的轮廓，并连接到电子电路。

利用这种集成天线，与没有无线通信能力的照明装置相比，在壳体内不需要额外的空间。此外，通过提供远离基座的上表面的天线结构，可以实现天线的改善的方向特性。

例如，根据本发明，诸如商用模块lumawiseendurances的现有照明模块设计可以通过将天线结构应用于透明盖的内表面来配备至少一个天线，以便实现连接的路灯照明。模块lumawiseendurances由teconnectivity提供，且可以符合诸如国家电气制造商协会(nema)，传感器就绪(sr？)的标准，或任何其他要求标准(参见：http://www.te.com/commerce/documentdelivery/ddecontroller？action＝srchrtrv&docnm＝1-1773915-3_lumawise_endurance_s_modules&doctype＝ds&doclang＝en，2018年3月20日下载)。

为了节省空间，所述至少一个天线的辐射贴片布置在所述照明装置操作期间发光所到的区域中。虽然与没有天线的设备相比，这可能具有减少光发射的效果，但是天线可以布置成仅部分地覆盖透明盖，使得照明装置仍然发射足够的光。

当照明装置还包括卡扣配合件和弹簧夹时，可以实现将透明盖附接在基座上的特别有效且快速的附接方式，其中，通过卡扣配合件与弹簧夹接合，基座和透明盖配合在一起形成封闭的空间。这具有保护例如led的实际光源和天线免受诸如下雨的天气的影响。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明也可以使用其他将盖固定在基座上的方式，例如螺纹连接或超声波焊接。

通过卡扣配合件和弹簧夹将透明盖和基座放在一起，至少一个天线应自动连接到电子电路，以使设备尽可能容易地工作。因此，本发明涉及一种如上所述的照明装置，其中，通过经由卡扣配合件和弹簧夹将透明盖和基座放在一起，形成封闭空间，在所述至少一个天线和电子电路之间建立连接。

为了能够提供不同的通信和/或电力传输接口，根据本发明的照明装置可以包括至少两个天线，其可操作以发送和/或接收不同的信号。

路灯之间的无线通信可以使用各种无线通信标准来实现，包括蜂窝天线(2g/&3g/4g)或长距离广域网(lorawan，“lora”)，其范围通常为10km；以及具有典型的1-100m范围的蓝牙和具有10cm范围的近场通信(nfc)。蜂窝天线和lora天线可用于各个路灯和中央管理中心之间的通信。蓝牙可用于相邻路灯之间的通信。

蓝牙可以与平面倒f天线(pifa)结合使用。倒f天线是无线通信中使用的一种天线。它由平行于地平面并在一端接地的单极天线组成。天线从距离接地端一定距离的中间点馈电。相对于简单的单极天线，该设计具有两个优点：天线更短更紧凑，并且设计人员可以控制阻抗匹配，而无需额外的匹配元件。

nfc天线遵循不同的原理。nfc的工作频率约为13.56mhz。相应的波长为22米长。这意味着要获得半波偶极天线(辐射良好)，将需要长度约为11米的装置。因此，nfc天线实际上不是天线，而是在附近的第二电感器中感应电流的电感器(线圈)，因此，nfc天线的范围非常短，限制为10cm。

因此，本发明涉及如上所述的照明装置，其中，天线可以是用于通过nfc进行通信的线圈。该实施例具有以下优点：天线的范围是10cm，其可以用于经由重新编程设备选择重新编程照明装置，其中nfc发送器在杆上，nfc发送器保持靠近路灯的天线。

在另一实施例中，天线是用于通过蓝牙进行通信的平面倒f型天线。该实施例具有以下优点：天线的范围可以是1-100m，这对于相邻的路灯之间的通信是有用的。

在另一实施例中，天线可以是3g/2g天线。在另一实施例中，天线可以是lora天线。这些实施例具有以下优点：它们可以用于路灯与中央管理系统的远程通信。

照明装置可以具有用于不同目的的多个天线。例如，该设备可以呈现用于经由重新编程设备重新编程天线的线圈，其中nfc发送器位于杆上，nfc发送器保持靠近包括这种照明装置的路灯的天线。同时，照明装置可以呈现平面倒f型天线，用于通过蓝牙进行通信，以便促进相邻路灯之间的通信，每个路灯包括如上所述的照明装置。作为另一示例，包括在路灯中的照明装置可以具有用于传输辐射的天线和用于接收辐射的另一天线，二者均用于路灯与相邻路灯的通信。因此，在一个实施例中，照明装置包括至少两个天线。

根据本发明的另一有利实施例，至少一个电子部件布置在基座的与透明盖相对的第一表面上，和/或至少一个电子部件布置在基座的第二表面上，该第二表面与第一表面相背。这允许特别节省空间的所有必要电子部件的布置。

为了即使在具挑战性的环境条件下也确保长期稳定性，根据有利实施例的照明装置可包括围绕基座的开口的密封环，当基座和透明盖配合在一起形成封闭的空间时，密封环密封照明装置。密封环可包括任何合适的垫圈材料，例如硅树脂或橡胶。

根据本发明的有利实施例，至少一个天线中的一个包括平面倒f型天线，和/或线圈，和/或蜂窝天线，和/或长距离(lora)天线。

本发明还提供一种照明器，具有根据本发明的照明装置的和发光元件。根据有利实施例，发光元件包括发光二极管(led)。这是一种特别节省空间和能量的光源，其具有使用寿命长的附加优点。与白炽光源相比，led具有许多优点，包括更低的能量消耗，更长的寿命，改善的物理稳健性，更小的尺寸和更快的切换。

本发明尤其可以用于路灯单元或交通灯系统。

具有如上所述的天线的照明装置可以包括在路灯中。因此，本发明还涉及一种包括至少一个照明装置的路灯，该照明装置包括具有基座和透明盖的壳体，安装到基座的电子电路，以及至少一个天线，其中，天线结构遵循透明盖的内表面的轮廓，并连接到电子电路。这将具有以下优点：其放开(freeup)板上的空间，同时便于重新编程路灯或相邻路灯之间的通信，或者路灯与中央管理系统的通信，这取决于安装在照明装置中的天线的类型。

无线通信也可用于交通灯。例如，道路的交通灯和穿过前一条道路的交通灯可以彼此通信，使得在第一交通灯切换到绿色之前，第二交通灯切换到红色，反之亦然。无线通信还可以用于经由重新编程设备重新编程交通灯，其中nfc发送器位于杆上，nfc发送器保持靠近包括这种照明装置的路灯的天线。此外，无线通信可以用于交通灯与中央管理系统的通信，以便根据全局交通状况大规模动态地控制交通。

为了制造如上所述的照明装置，可以通过如上所述的喷射工艺将天线安装在透明盖的内侧。在第二步骤中，盖和基座可以配合在一起，以形成封闭空间。

因此，本发明涉及一种制造照明装置的方法，该方法包括以下步骤：

在照明装置的透明盖的内侧设置天线的至少一个辐射贴片，其中，所述辐射贴片通过喷射工艺印刷，以及

将透明盖和基座配合在一起，以形成封闭空间。

根据所述方法的有利实施例，通过将透明盖附接到基座，在至少一个天线的辐射贴片与电子电路之间建立连接。

根据本发明的有利实施例，使用喷射(jetting)工艺进行印刷。该技术基于将导电材料(例如导电墨水)的小液滴分配到待金属化的位置。该沉积技术对于具有大曲率和/或小尺寸的透明盖特别有利。喷射技术的实例包括分配喷射、气溶胶喷射等。示例性导电油墨可包括聚合物厚膜(ptf)油墨，纳米颗粒油墨或它们的组合。墨水可以在低温下固化，这对照明装置的透明盖没有负面影响。例如，当聚碳酸酯用作照明装置的透明盖时，固化温度将不超过120℃，包括不超过100℃。

或者，可以通过移印(padprinting)来执行打印。移印是一种使用橡胶垫来携带墨水并转移到透明盖的内表面上的技术。

或者，还可以通过旋转丝网印刷来执行打印。这是这样一种印刷技术，使用网格将油墨转移到基底上，除了通过阻挡模板使油墨不可渗透的区域。刮片或刮板在网格上移动以用墨水填充开放的网孔，然后反向行程使网格沿着接触线瞬时接触基板。这使得油墨润湿基板，并在刮片通过后网格弹回时，将油墨拉出网孔。

天线可包括例如铜、铜银合金、银、银钯合金或钯。当然也可以根据本发明使用任何其他合适的导电材料，特别是金属或金属合金。

喷射和丝网印刷工艺允许将天线印刷到透明盖的内侧，也称为“圆顶”，允许灵活的制造工艺来生产特定的天线解决方案。

此外，将天线印刷到照明装置透明盖的内部可以放开板上的空间，并为基座提供标准选项(standardoption)。

将天线的辐射贴片安装在照明装置的透明盖的内侧而不是pcb上允许安装更大的天线，这允许更宽的带宽接收，这是通过安装在透明盖的内侧的辐射贴片和位于pcb处的接地平面之间的增加的距离。

此外，可以在板的下侧安装高电子部件。

附图说明

附图被结合到说明书中并形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例，而不应被解释为将本发明限制于仅示出和描述的实施例。此外，实施例的若干方面可以单独地或以不同的组合形式形成根据本发明的解决方案。根据如附图所示的本发明的各种实施例的以下更具体的描述，其他特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1a示出了根据第一有利实施例的照明装置的圆顶的俯视图，该照明装置包括蓝牙天线(pifa型)和nfc天线(线圈)；

图1b示出了根据另一有利实施例的照明装置的圆顶的透视图，该照明装置包括蓝牙天线(pifa型)和nfc天线(线圈)；

图1c示出了根据另一有利实施例的照明装置的基部的透视图，该照明装置包括蓝牙天线(pifa型)和nfc天线(线圈)；

图2a示出了根据另一有利实施例的照明装置的圆顶的透视图，该照明装置包括第一蜂窝天线；

图2b示出了根据另一有利实施例的照明装置的圆顶的仰视图，该照明装置包括第一蜂窝天线；

图2c示出了根据另一有利实施例的照明装置的基部的透视图，该照明装置包括第一蜂窝天线；

图3a示出了根据另一有利实施例的照明装置的圆顶的仰视图，该照明装置包括第二蜂窝天线；

图3b示出了根据另一有利实施例的照明装置的基部和圆顶的透视图，该照明装置包括第二蜂窝天线；

图3c示出了根据另一有利实施例的照明装置的基部的透视图，该照明装置包括第二蜂窝天线。

具体实施方式

图1示出了根据第一有利实施例的照明装置，其具有蓝牙天线(pifa型)102和nfc天线(线圈)104的辐射贴片。基座106形成封闭的圆柱体，其具有例如约40mm的直径。基座的内表面109表示包括用于两个天线的地的pcb。用于接触led发光元件(未在图中示出)的四个电触头从pcb突出。

透明盖101形成直径例如约40mm且具有略微拱起的顶部的开口圆筒，其中，当盖和基座配合在一起时，盖圆筒的开口指向基座，因此形成内部空间。盖101和基座106每个具有约13mm的高度。基座的内表面和透明盖的顶部之间的距离，即，天线的辐射贴片和接地平面之间的距离，因此约13mm。

基座呈现出凹口107，当盖和基座以正确的相对方位角取向配合在一起时，透明盖的凸起103可配合在凹口107中。位于基座106和透明盖101的界面处的橡胶环110密封内部空间不受下雨的影响。当然也可以使用任意其它适合的垫片。

两个天线包括薄膜，其沉积在透明盖的内侧上，且形成各种结构。

nfc天线104的辐射贴片包括由宽度约0.5mm的扁平导电线形成的螺旋。电线形成三个绕组，其形成“d”形，并安装在透明盖的略微拱形的顶部上，其中，直边在透明盖上沿直径行进，且圆边沿着略微拱起的顶部和盖侧面之间的边界行进。两个相邻绕组的电线具有彼此之间0.5mm的距离。布置匝使得外侧的匝围绕盖的略微拱起的顶部的面积的一半。两个线圈端子彼此平行，且沿着盖的侧壁朝向基座向下行进。通过它们与pcb的连接，如下文所述，端子中的一个用作馈送部，另一个用作接地部。每个端子靠近基座上的连接器108。每个连接器108包括矩形的壳体，弹簧从该矩形壳体推动金属线朝向对应的天线端子111，以经由其建立与天线的电接触。

pifa型的蓝牙天线102的辐射贴片沉积在盖的略微拱起的顶部的面积的第二半部上。这一天线包括导电带，其具有约5mm的宽度，并形成沿盖的顶部的边缘行进的圆的圆弧，该圆弧具有约45度的圆弧长度。在长宽的带的两个端部中的一个端部一侧，两个窄带彼此平行且靠近地沉积，每个窄带具有约3mm的宽度，其表示接触片105。接触片105从透明盖的顶部沿着盖的边缘竖直向下行进至基座。通过它们与pcb的连接，如下文所述，接触片中的一个用作馈送部，另一个用作接地部。每个接触片105靠近基座上的连接器108。每个连接器108包括矩形的壳体，弹簧从该矩形壳体推动金属线朝向对应的接触片105，以建立电接触。

通过匹配基座的凹口107和透明盖的凸起103，将基座106和透明盖101以正确的相对方位角方向配合在一起，自动建立起在nfc天线的天线端子111与基座上的对应连接器108之间的接触，以及蓝牙天线的接触片105和对应的连接器108之间的接触，从而在每个天线和pcb之间建立电接触。

nfc天线104可以用于对照明装置进行编程或重新编程，其中，蓝牙天线102可以用于以这种蓝牙天线为特征在相邻路灯之间通信。

图2a、2b和2c示出了根据另一有利实施例的照明装置，其中，蜂窝天线202的辐射贴片形成具有结构的薄膜。基座206形成封闭的圆筒，其具有例如约80mm的直径。基座的内表面209表示包括接地平面的pcb。透明盖201形成具有约20mm高度、80mm直径和略微拱起的顶部的开口圆筒，其中，当盖和基座配合在一起时，盖圆筒的开口指向基座，因此形成内部空间。

基座包括凹口207，当盖和基座以正确的相对方位角取向配合在一起时，透明盖的凸起203可配合在凹口107中。位于基座206和透明盖201的界面处的橡胶环210密封内部空间不受下雨的影响。

在透明盖201的顶部的内侧，沉积蜂窝天线202的辐射贴片，其具有圆的圆弧的形状，该圆弧呈现出约90度的弧长，并且呈现出l形开口，其具有圆弧面积约四分之一的面积。圆弧在径向的宽度为例如13mm。蜂窝天线202的辐射贴片布置成位于透明盖的顶部的一半部中。矩形的一侧在透明盖的顶部区域和侧壁之间的边界处弯折。两个窄带彼此靠近且平行地沉积，每个具有约3mm的宽度，表示接触片205。接触片205从透明盖的顶部沿着盖的侧壁竖直向下行进至基座。通过它们与pcb的连接，如下文所述，接触片205中的一个用作馈送部，另一个用作接地部。每个接触片205靠近基座上的连接器208。每个连接器208包括矩形的壳体，弹簧从该矩形壳体推动金属线朝向对应的接触片205，以建立电接触。

通过匹配基座的凹口207和透明盖的凸起203，将基座206和透明盖201以正确的相对方位角方向配合在一起，自动建立起在蜂窝天线的接触片205和对应连接器208之间的接触，从而建立起在天线102、104和基座306上的pcb之间的电接触。

基座的内表面和透明盖的顶部之间的距离，即，天线的辐射贴片和接地平面之间的距离，约为20mm。

如图2a至2c所示的这种蜂窝天线202可以用于在通常10km的距离上远程通信，这将例如与路灯和中央管理系统的通信有关。

图3a、3b和3c示出了根据另一有利实施例的照明装置，第二蜂窝天线302的辐射贴片形成具有根据第二实施例的结构的薄膜。基座306形成封闭的圆筒，其具有约80mm的直径。基座的内表面309表示包括天线的接地平面的pcb。用于接触led模块和/或收光元件(例如，光电二极管)的两个电触头312(均未在图中示出)从pcb突出。

透明盖301形成具有约30mm高度、80mm直径和平坦顶部的开口圆筒，其中，当盖和基座配合在一起时，盖圆筒的开口指向基座，因此形成内部空间。位于基座306和透明盖301的界面处的橡胶环310密封内部空间不受下雨的影响。

图3a、3b和3c中所示的蜂窝天线302的辐射贴片形成矩形，其最大部分沉积在透明盖301的顶部的内侧。蜂窝天线302布置成使得其长几何轴线沿着透明盖301的顶部的直径延伸。矩形的长轴线长度为37毫米，矩形的宽度为15毫米。天线302具有l形开口，其面积约为矩形区域的四分之一。矩形的一侧在透明盖的顶部区域和侧壁之间的边界处弯折。两个窄带彼此靠近且平行地沉积，每个具有约3mm的宽度，表示接触片305。接触片305从透明盖的顶部沿着盖的侧壁竖直向下行进至基座。通过它们与pcb的连接，如下文所述，接触片中的一个用作馈送部，另一个用作接地部。每个接触片305靠近基座上的连接器308。每个连接器308包括矩形的壳体，弹簧从该矩形壳体推动金属线朝向对应的接触片305，以建立电接触。

基座呈现出凹口307，当盖和基座以正确的相对方位角取向配合在一起时，透明盖的凸起314可配合在凹口107中。位于基座306和透明盖301的界面处的橡胶环310密封内部空间不受下雨的影响。

通过匹配基座的凹口307和透明盖的凸起，将基座306和透明盖301以正确的相对方位角方向配合在一起，自动建立起在蜂窝天线的接触片305和对应连接器308之间的接触，从而建立起在天线和基座306上的pcb之间的电接触。

基座的内表面和透明盖的顶部之间的距离，即，天线的辐射贴片和接地平面之间的距离，约为30mm，且因此，大于图2a至2c中示出的照明装置中的对应距离。因此，图3a至3c中示出的照明装置的带宽将大于图2a至图2c中示出的照明装置的带宽。

与pcb轨道天线相比，印刷在照明装置的透明盖的内侧的天线呈现出更大的侧向辐射图案。因此，它们的辐射特征更均匀。这是有利的，因为由此它们与其他天线通信的能力对其取向不太敏感。

根据本发明，多频带天线，即，通过各种标准与亚ghz频域的频率通信的天线，可以以节省成本和空间的方式实现。相关通信标准可以是2g(通用分组无线业务，gprs)，gsm演进增强数据速率(edge)，gms，3g(utms)和4g(长期演进，包括窄带物联网，nb-iot)。这种多频带天线可以通过天线形状的合适设计和/或使用有源天线来实现，有源天线包括集成到天线本身的诸如微波集成电路之类的有源设备。因此，通用解决方案是可能的，模块制造商不必为具有rf通信能力的灯具开发单独的设计。

根据本发明的照明装置可以有利地安装在用于路灯照明的灯柱上，并且可以包括一个或多个发光元件和/或自动激活照明的一个或多个收光元件。在照明装置仅设置有连接到pcb的一个或多个光敏元件的情况下，发光元件也可以是与根据本发明的照明装置分离的部分。

附图标记列表