CN112424997B - 井盖和安装天线组件的方法 - Google Patents

Abstract

将无源无线电中继器构建到井的盖子中，以便在基站与诸如井底处的水表之类的无线通信装置之间中继无线电信号。在盖的外表面(41、48)内设有上贴片天线和下贴片天线(42、47)。下天线(47)具有与盖的平面成直角向下延伸的辐射图，以使该下天线与井底处的装置进行通信。上天线(42)具有沿高程面的定向波束图，该定向波束图是通过以高于基模的模态激励上天线来实现的。这两个天线通过设置有馈线(92、98)的带状线印刷电路板(45)进行联接，以生成所需波束图。

Description

井盖和安装天线组件的方法

技术领域

本发明涉及能够将无线电更好地传入和传出洞或井的装置。将要描述的实施方式被应用于水表包围盒(water meter boundary box)以支持使用无线电网络的“智能”计量，但是其它应用也是可能的。

背景技术

对于住宅和小型商业地产，公用事业仪表(特别是水表)通常位于接地面之下，能够通过0.5m至1m深的管道或洞向下进入，并且用盖子(cover)或盖(lid)保护着。在“智能计量”应用中，出于诸如监测和计费的目的，在某些警报条件下按照预定的计划表，或者响应于计费中心发送的提示，仪表使用无线连接将其读数发送至后端服务器。为此，仪表装配有无线电单元。由于这样的洞中的空间有限，所以与这样的单元相关联的天线通常非常小并且被并入仪表本身中，因而也是朝向洞底的。

由于天线小且在地下，去往和来自仪表的无线电信号会受到衰减，使得无线电信号需要穿过地面和/或井盖(pit lid)行进很远的距离。而且，来自无线电单元的发送功率通常非常有限，这是因为通常水表是没有电源供电的，所以它们是由电池或水流进行供电的。因此，只有在附近存在基站的情况下，这种“智能”水表才能有效运行。增加基站数量通常不是成本有效的解决方案。

已知在仪表洞顶处使用位于地平面的天线来改善无线电信号。这些天线可以通过导线连接至仪表本身，但是这可能不方便，并且在移开盖时损坏连接。美国专利US6072405A描述了一种安装在井盖上的单元，该单元装配有有源电子设备和微处理器。这需要电源。美国专利US6218995B1描述了一种使用电容耦合将无线电覆盖范围扩展到地下计量单元的装置。这两者均需要将相对昂贵且精密的电子设备安装在井盖中，如果为了进入井中而移开盖，很容易发生误操作；或者如果大的物体掉落在盖上、或者在盖上进行拖动或推动，那么电子设备容易损坏。这也使得所述盖很昂贵，并且由于需要重新连接电气部件，因此使盖的更换变得复杂。

还已知使用嵌入在盖中作为无源中继器的天线。无源中继器接收并重传信号而无需解译该信号，并且不需要增加电力。这更便宜且更易于安装，但是由于电力有限，因此，如果在顶部和底部使用的天线是简单的类型，且辐射图与盖面成直角延伸，那么可能仅在一定范围上有很小的改善(如有)。

发明内容

根据本发明，提供了一种井盖，该井盖包括中继器天线，该中继器天线被配置成将无线电信号重传入和重传出所述井，并且具有通过带状线联接的上贴片天线和下贴片天线，上贴片天线具有以相对于贴片平面的预定角度沿向上方向集中的辐射图，并且下贴片天线具有沿大致垂直于贴片平面的向下方向辐射的辐射图，并且被调整为具有以下尺寸的波导：所述尺寸适于形成大小适于容纳所述井盖的孔。因此，该下贴片天线能够被配置以被调整至该下贴片天线要装配的井的尺寸，使得该井可以充当波导。

优选地，上天线是使用高于基模的模态来激励的。可以将带状线联接至接地面并且通过电介体与上天线分隔开，该电介体具有多个孔，并且一个或更多个通柱(via post)穿过所述孔，以将所述接地面联接至所述上天线，从而在所述天线中感应更高模态。

在本发明的实施方式中，上天线的辐射图是方位角对称的。在其它实施方式中，井盖具有圆不对称性，并且辐射图能够被构造成沿相对于所述盖的预定方位方向聚焦。

优选地，上贴片天线被保护材料覆盖，该保护材料具有不平坦形状的表面，以阻止会使所述上贴片天线的发送失真的物体被放置在所述盖上。

本发明还扩展到一种安装天线组件的方法，该天线组件在位于井中的无线电站与远离井的无线电基站之间中继无线电信号，该方法包括利用根据本发明的上述方面的井盖来覆盖井。在初始安装时，基站的角高程(angular elevation)可以从井盖的顶部孔处的位置进行测量，并且从具有以不同的预定俯仰角(elevation angle)集中的辐射图的多个井盖中，选择具有与被选择安装的基站的俯仰角相对应的辐射图的井盖。可以提供一组井盖，这些井盖具有不同的辐射图，以使用户可以从该组中选择这样的井盖，即，该井盖的辐射图最适合需要与该井盖进行通信的基站的高程(elevation)。具有不同辐射图的井盖可能会因不同的形状而有所区别，以适配根据基站的高程选择的不同形状的孔，使得仅可以安装正确的井盖，特别地，使得可以简单地执行受损盖的更换。

因此，本发明的实施方式提供了一种类型的无源中继器，所述无源中继器具有贴片天线，其中，底部天线具有与盖平面成直角延伸的辐射图，但是顶部天线在高程面(elevation plane)上具有定向波束图，并且在方位面上具有全向图。这种类型的图是通过以高于基模的模态激励顶部天线来实现的。底部天线的激励可以是基模或不是基模，但是基模是最有可能的，因为底部天线会生成沿井直接向下指向仪表的辐射图。通过带状线印刷电路板联接所述两个天线，该带状线印刷电路板从这两个天线生成的图的角度在最佳的点处向它们馈电。

具有定向顶部天线的无源中继器可以收集在接地面处从基站接收到的无线电信号，并将无线电信号向下朝着被盖覆盖着的井的底部的水表聚焦。由于信号是通过井中的空气而非通过地面传送的，因此可以在接收器处获得更好的信号强度和质量。这减少了为服务给定区域中的仪表所需的无线电网关的数量和/或功率。本发明允许将包围盒的现有的盖替换成包含联接的贴片天线的盖，这使得无线电信号能够更好地传播到包围盒的底部。可以将来自顶部天线的辐射图选择成适合优选基站的最佳俯仰角。这是通过选择贴片形状(例如，方形、圆形或三角形)、强制通过短路点存在更高的模态以及以所选择的模态激励贴片的位置处将贴片连接至带状线来实现的。

当然，以上讨论的有关从基站接收无线电信号的考虑同样适用于从仪表反向发送到基站的数据。

在安装盖时，在现场进行必要的电气连接可能不切实际，并且结果可能不够鲁棒以经得住典型的外部条件，因此使用高于基模的模态的一系列激励图来制造具体实施本发明的井盖，从而选择最适合该位置的井盖来进行安装。这使得天线及其连接被适当地保护，以防止误操作或因物体掉落在盖上或者是在盖上进行拖动或推动而造成的损坏。

要描述的实施方式涉及水表安装，但本发明不限于水表，并且可以在需要从地下位置发送无线电信号或者在地下位置处接收无线电信号的任何情况下使用。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1是描绘井中的水表的示意图，该井用装配有天线的盖覆盖；

图2以侧视图描绘了具体实施本发明的井盖的截面图，示出了盖中多个层的总体布置；

图3描绘了高程面中的辐射图；

图4是顶部贴片天线的平面图；

图5是上介电层的平面图；

图6是带状线印刷电路板的平面图；

图7是下介电层的平面图；

图8是示出底部贴片天线的平面图；

图9以分解图描绘了图4至图8中的元件的组装；

图10描绘了井和井盖的另选构造；

图11描绘了高程面中的辐射图。

具体实施方式

图1描绘了井1，井1的底部有水表2，水表2被接通(plumbed)至供水管3，以便测量管中的水流。通常，这将是向商业或住宅场所的供水，其通常在地下大约1米处进行输送，以避免地表上或靠近地表下的活动对管道的干扰。

如图1所示，提供盖4来封闭井的顶部，以便防止物体掉入井中，并且提供平坦的地表面。根据本发明的实施方式，还将中继器天线系统并入了盖中，这在图2至图9中进行了详细描绘。

图2以侧视图描绘了具体实施本发明的井盖的截面图，示出了盖中多个层的总体布置；应注意，这些层中的一些层可能不是彼此独立的，例如，接地面和天线可能是使用双面介电基板一起制成的。

顶层41和底层49是盖的外表面的一部分，顶层41和底层49由合适的材料制成以提供风雨防护并保护盖的内部部件。由于可能会不时地需要进入，因此仪表井通常位于不太可能将诸如花盆或垃圾箱之类的物体置于其上的位置，尽管在使用常规盖的情况下，当需要进入时可以移开这样的物体。然而，当井无人看管时，如果要远程发送或接收无线电信号，不在井上放置可能干扰这种信号的东西更加重要。为了防止这种情况，如图1所示，可以使盖的上表面41成形为使得难以在盖的顶部放置物体。

在任何情况下，根据其位置，盖可能需要足够坚固，以支撑在盖上行走的人的重量，甚或是在盖上行驶的车辆的重量。

在盖内有两个贴片天线42、48，两个贴片天线42、48分别面向盖的上表面41和下表面49。

图4至图8更详细地示出了盖中的一些单独的层，并且图9以分解图的形式示出了这些层。

图4以平面图更详细地示出了顶部天线42。该顶部天线42用于与基站进行通信。可以通过以本领域已知的方式适当设计天线来选择天线的辐射图。在该示例中，贴片天线包括中央圆形贴片28和外部环形圈29。主贴片与环形圈之间的环形间隙27防止任何磁场被辐射到该区域，并且短路连接部或通孔81、82控制电场。这两种机制在它们之间建立了跨天线存在的两个波长，因此天线处于二阶模态。图3描绘了上贴片42的辐射图，如在高程面中看到的。可以通过以高于基模的模态(例如，TM₀₂)激励贴片天线来选择俯仰角300，这可以通过在天线贴片的适当点201、202(基础馈电点200除外)中放置短路通孔81、82以连接至接地面44(图2)或者通过使用多个馈线来实现。增加圈、间隙以及通孔的数量仍会将该天线驱动到更高的模态，从而导致辐射图的不同俯仰角。

因此，井盖被制造有一系列激励图(excitation pattern)，从而根据与盖配合的基站的角高程(如从盖的位置所看到的)选择最适合该位置的井盖来进行安装。

通常使用螺旋钻(auger)来挖掘水表井，从而得到圆形截面的井，并且覆盖这种井的盖通常也是圆形的。因此，优选具有方位角对称的辐射图，在这种情况下，可以以任何取向将盖放置在孔上，但是如图3中所描绘的，盖具有根据最近的基站的俯仰角来选择的俯仰角300。

图8更详细地示出了底部贴片天线48，并且底部贴片天线48通常是在基模下通过被连接至适当放置的馈电点800的馈电柱98进行馈电的，这导致辐射图直接向下延伸至井中。在该实施方式中，下天线48具有单个馈线，并且不存在到下接地面46的短路通孔，因此是在基模下运行的。该下天线的辐射图以直角直接远离贴片，因此沿井直接向下指向仪表。该下天线还被示作矩形贴片，但是也可以使用任何形状(包括圆形)。无线电频率和井尺寸的适当组合可以使井充当波导，从而改善接收器处的信号强度。

在两个天线42、48之间夹有电路或“带状线”组件45(在图6中以平面图示出)，该电路或“带状线”组件45执行顶部天线与底部天线之间的联接的功能，特别是提供到带状线轨道(stripline track)51的连接部52、58，从而通过相应的馈电柱92、98连接至天线42、48上的相应的馈电点200、800，并且如果需要的话，将天线之间的馈线分开并定相。如果在顶部天线42或底部天线48上存在多个馈线，则可以添加更多条线。带状线轨道51周围有隔离间隙45。

贴片天线42、48是通过相应的电介体43、47(图5和图7)和接地面44、46与带状线组件45接地面间隔开的。图5示出了顶部电介体43，并且图7示出了底部电介体47，这些电介体具有孔30、40、60、70，以允许馈电柱92、98将带状线组件45上的连接点52、58连接至相应天线。顶部电介体43还具有其它孔31、32，以允许通孔81、82将上接地面44连接至上贴片天线42。应注意，通孔的数量和位置将取决于设计频率和期望的激励模态。如果要求底部电介体47将短路通孔或附加信号路径馈接至下天线48，以使下天线也能以更高的模态工作，则该底部电介体47也可以具有类似的附加孔。

在图1至图9的实施方式中，顶部天线在方位面上具有全向图，但是可以设计一种具有在方位和高程上定向的辐射图的盖。这需要在盖的安装期间更仔细地对准，或者通过将洞和盖设计为不具有圆对称性，因此只能将洞和盖沿一个相对方向对准—例如，不规则多边形，从而需要更高程度的定制化。然而，更聚焦的波束需要更少的功率。图10是例示这种布置的示意图，其中盖14包含贴片天线中继器组件。将盖成形为不规则多边形，在图10中被描绘为不等边三角形。中继器组件具有以相对于多边形的顶点沿预定方向15以及预定高程16(参见图11)进行聚焦的波束图。可以使用其它不具有圆对称性的不规则形状，诸如半圆形。

要被盖覆盖的井11的横截面通常是圆形的，但是具有环形帽(cap)元件12，帽元件12具有被成形为容纳盖14的多边形孔13。由于孔13和盖14的形状，盖只能以一个方向插入。孔13和盖14的尺寸大于井11本身的井眼的直径，以使盖14的角部可以搁置在井缘处的对接部(abutment)16、17、18上。

当首次安装帽12时，将帽12相对于最近的基站对准，以使在插入互补的盖时，该盖的天线会聚焦于基站。这种布置使更换受损盖成为一项相对无需技能的任务，这是因为盖以及内部天线组件只能以相对于基站的一种取向来放置。为确保安装具有正确俯仰角的天线，可以针对不同的高程，将具有不同俯仰角的盖以及互补的孔不同地成形，以使得仅可以装配具有适当天线的替换盖。

Claims (11)

1.一种井盖，所述井盖包括中继器天线，所述中继器天线被配置成将无线电信号重传入和重传出井，所述井具有大小适于容纳所述井盖的孔，所述中继器天线具有通过带状线联接的上贴片天线和下贴片天线，所述上贴片天线和所述下贴片天线平放在彼此大致平行的平面中，所述上贴片天线具有以相对于贴片平面的预定角度沿向上方向集中的辐射图，并且所述下贴片天线具有沿大致垂直于贴片平面的向下方向辐射的辐射图，并且所述下贴片天线被调整至使得所述井能够充当波导的井尺寸。

2.根据权利要求1所述的井盖，其中，所述上贴片天线是使用高于基模的模态来激励的。

3.根据权利要求2所述的井盖，其中，所述带状线被联接至接地面，并且通过电介体与所述上贴片天线分隔开，所述电介体具有多个孔，并且一个或更多个通柱穿过所述孔，以将所述接地面联接至所述上贴片天线，从而在所述上贴片天线中感应更高模态。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的井盖，其中，所述上贴片天线的所述辐射图是方位角对称的。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的井盖，其中，所述井盖具有圆不对称性，并且所述辐射图能够被构造成沿相对于所述井盖的预定方位方向聚焦。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的井盖，其中，所述上贴片天线被保护材料覆盖，所述保护材料具有不平坦形状的表面，以阻止会使所述上贴片天线的发送失真的物体被放置在所述井盖上。

7.一组井盖，各个井盖是根据权利要求1至6中任一项所述的井盖，至少一个井盖具有以下上贴片天线：该上贴片天线具有以相对于贴片平面的第一预定角度沿向上方向集中的辐射图；并且至少另一井盖具有以下上贴片天线：该上贴片天线具有以相对于贴片平面的第二预定角度沿向上方向集中的辐射图。

8.一组井盖，各个井盖是根据权利要求5所述的井盖，至少一个井盖具有第一外部形状，并且具有以下上贴片天线：该上贴片天线具有以相对于贴片平面的第一预定角度沿向上方向集中的辐射图；并且至少另一井盖具有与所述第一外部形状不同的第二外部形状，并且具有以下上贴片天线：该上贴片天线具有以相对于贴片平面的第二预定角度沿向上方向集中的辐射图。

9.一种安装天线组件的方法，所述天线组件用于在位于井中的无线电站与远离所述井的无线电基站之间中继无线电信号，所述方法包括利用根据权利要求1至6中任一项所述的井盖来覆盖所述井。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基站的角高程是从所述井盖的顶部孔处的位置进行测量的，并且从具有以不同的预定俯仰角集中的辐射图的多个井盖中，选择具有与被选择安装的基站的俯仰角相对应的辐射图的井盖。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，所述井盖具有圆不对称形状，并且所述井的顶部孔具有对应的形状，所述井盖具有沿与所述井盖的形状有关的预定方向聚焦的发送图，并且井孔是相对于所述无线电基站沿同一预定方向取向的。