CN103609033A - 磁感应波导 - Google Patents

Abstract

公开了一种磁感应波导，其包括多个谐振元件，多个谐振元件包括第一谐振元件和第二谐振元件，第一谐振元件包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，第二谐振元件包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，第二谐振元件与第一谐振元件磁感应地耦合；其中第一谐振元件和第二谐振元件导电地耦合。

Description

磁感应波导

技术领域

本发明涉及磁感应波导。尤其是本发明涉及具有导电地通信的谐振元件的磁感应波导。

背景技术

电子设备之间的功率和数据连接通常通过电缆完成，并且数据连接可以通过无线射频通信设备完成。计算设备通常通过通用串行总线（USB）或类似的电缆接口与相关的配件和外围设备例如打印机、数码相机、外部硬盘驱动器和闪存驱动器连接。微处理器通常通过多导体总线连接到相关的组件，所述多导体总线被定义为在印刷电路板（PCB）或相似物上的轨迹。

与电缆连接相关的问题是，它们呈现跳闸危险以及潜在的触电危险。因此，电缆管理系统通常是需要的。这样的系统在必须遵守健康和安全立法的工作场所和公共访问地区中是特别重要的。电缆连接也可能是笨拙的并且需要手动操作安装到电缆的连接器，以便实现连接。这对于身体残障的个人可能是一个问题。由于磨损，重复的连接和断开限制了连接器的寿命。

在大多数情况下，无线连接不适合于向设备提供功率。

发明内容

本发明的一个方面提供了磁感应波导，其包括多个谐振元件，多个谐振元件包括第一谐振元件和第二谐振元件，第一谐振元件包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，第二谐振元件包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，第二谐振元件与第一谐振元件磁感应地耦合；其中第一谐振元件和第二谐振元件导电地耦合，并且第一谐振元件具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/20倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于所述第一谐振元件的谐振频率的频率。

第一和第二谐振元件的相应的导电回路具有公共的部分，由此，第一和第二谐振元件导电地耦合。

第一和第二谐振元件的相应的导电回路具有公共的电容间隙。

磁感应波导可布置成使得在波导和自由空间辐射之间本质上没有耦合。

第一谐振元件可具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/30倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于第一谐振元件的谐振频率的频率。

第一谐振元件可具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/100倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于第一谐振元件的谐振频率的频率。

第一谐振元件可具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/150倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于第一谐振元件的谐振频率的频率。

根据一些实施方式，第一和第二谐振元件都不与地平面耦合。

磁感应波导可包括沿网格的线布置的导体，导体定义多个谐振元件，其中导体在网格的线交叉的节点处相遇，并且电容间隙在相邻节点对之间的导体中形成，使得所述相邻节点不通过导电路径连接。

导体可将谐振元件的形状定义为正方形、长方形或三角形中的一个。

多个谐振元件可布置为通过磁感应波传播功率或数据中的至少一个。

磁感应波导可以具有由下式给出的色散关系：

cosh(γd)=2Z/(Z-jωM)

其中γ是传播常数，d是所述多个谐振元件的周期，Z是每个谐振元件的阻抗，ω是磁感应波的角频率，M是谐振元件之间的互感，且j=√-1。

多个谐振元件可被布置为与外部设备的谐振元件磁感应地耦合，使得功率或数据中的至少一个在磁感应波导和外部设备之间传送。

本发明的实施方式有下列优势：输入和输出设备可以在设备的实质上任何位置处通过波导相互耦合。此外，两个以上的设备可以耦合到设备而无需提供连接器和相关的开关电子设备。

一些实施方式包括通过电场而不是磁场耦合的谐振电路的一个或多个阵列。

磁性耦合的谐振器的阵列能够支持传播电磁波，其主要分量是在每个电路中循环的电流和它们的共享磁通量。这样的波被称为磁感应（MI）波（见例如E.Shamonina、V.E.Kalinin、K.H.Ringhofer和L.Solymar的“Magneto-inductivewaveguide”（Electron.Letters38，371-3（2002）））。

MI波只在存在谐振电路的区域中传播。因此在二维结构中波在功率上衰减为1/r，而不是在三维结构的情况中的1/r²。

本发明利用下列事实：MI波的局部磁通量可以耦合到放置为接近支持MI波的结构但只在近场中靠近结构的外部设备。

假定阵列的谐振器的半径r与自由空间波长λ相比一般比较小，辐射损耗R_rad并不明显：

$R_{\mathrm{rad}}\∝{\left(\frac{r}{\mathrm{\λ}}\right)}^4$

这有下列优点：在近场区域中利用MI波的设备可以布置为不在远场区域中发出电磁辐射，从而消除了对准许关于电磁频谱传输频带的考虑因素的要求。此外，如果需要可以添加屏蔽，虽然这个设想在大多数实现中是不必要的。

此外，可以通过提高操作频率来增加带宽，操作频率的限制由制造问题和所使用的金属导体的复电导率设置（大约几百GHz）。

支持MI波的耦合谐振器的阵列（或通过与磁场通量线相反的电场通量线耦合到彼此的对应的谐振器）与“超材料”是相似的，这是因为，尽管它们由分立耦合元件的阵列形成(它们的视在体特性可通过这些分立耦合元件来设计)，但它们在自由空间波长标度上作为连续的介质表现。

设备可具有自由表面，其被布置为允许数据发送或数据接收单元放置为与其邻接，从而实现单元与设备的谐振元件之间的近场耦合。

例如，谐振元件可以被嵌入基底介质例如塑料材料板、可选地柔性塑料材料板中。

应理解，自由表面可以是平坦的平面、曲面或任何其他合适的表面。

设备的谐振元件的每个相应回路的平面可以被布置为实质上平行于对相应回路局部的自由表面的一部分。

局部指的是自由表面的最接近相应回路的一部分。

可选地，设备的谐振元件的每个相应回路的平面可设置成实质上正交于对相应回路局部的自由表面的一部分。

设备的谐振元件的每个相应回路的平面可设置成与对相应回路局部的自由表面的该部分成在从大约30°到大约70°的范围内、优选地大约45°的角。

相应的相邻谐振元件对可被布置成使得它们的相应回路部分关于位于每个回路部分的平面中的轴线在相反的方向上倾斜，相应的轴线实质上是互相平行的。

相应的相邻元件对可定向成实质上彼此正交。

设备可包括第一层和第二层谐振元件。

第一层谐振元件的每个相应回路的平面可实质上平行于第二层谐振元件的每个相应回路的平面。

可选地，第一层谐振元件的每个相应回路的平面可实质上正交于第二层谐振元件的每个相应回路的平面。

设备可包括第三层谐振元件，第一层和第三层被布置为在其间夹入第二层。

第三层中的谐振元件的每个相应回路可平行于第一层中的谐振元件的相应回路，第一层中的该谐振元件是在第三层的每个相应回路之上的谐振元件。

第一层谐振元件可具有与第二层谐振元件不同的谐振频率。

数据发送单元或数据接收单元的耦合元件的谐振频率可与第一和第二层谐振元件的谐振频率不同。

在第一层谐振元件之上在适当的方向上的数据发送单元或数据接收单元的耦合部分的存在可以被布置为引起在第一层谐振元件中的一个或多个谐振元件的谐振频率的移动，由此，第二层谐振元件与数据发送单元或数据接收单元的耦合元件变为耦合的。

这有下列优点：可减少未授权方可将谐振元件耦合到设备的容易性。

设备的谐振元件可以被布置为变得无效，由此，在谐振元件的回路部分中流动的电流的幅值超过规定值的情况下，谐振元件不再耦合到一个或多个相邻的谐振元件。

这有下列优点：在一些情况下，如果未授权方设法将谐振元件耦合到设备，可以使设备变得无效。设备可以被布置为被使得变得永久地无效（一次性布置）。设备可以被布置为被使得变得可逆地无效。

设备的第一层谐振元件可以被布置为在其回路部分中流动的电流的幅值超过规定值的情况下变得无效。

设备可以进一步包括第三层谐振元件，第一层和第三层被布置为在其间夹入第二层。

第一层和第三层可以被布置为通过结构增强所传输的信号的耦合。

第一层和第三层耦合元件的回路部分的相应的平面可以实质上是平行的。

第一层和第三层耦合元件的回路部分的相应平面实质上正交于第二层的回路部分的相应平面。

数据发送单元和数据接收单元可以被布置为通过磁感应（MI）波相互通信。

可选地或另外，数据发送单元和数据接收单元可以被布置为通过电感应（EI）波相互通信。

公共通信设备的谐振元件可以设置在基板上或在基板内。

基板可包括从塑料材料和织物中选择的一个。

基板可以是柔性基板。

包括波导的产品可以是从一件衣服、一块地毯、一张壁纸、建筑板、流体导管、电路板、主板和集成电路中选择的产品。

本发明的实施方式提供了输送装置，其具有设置在其结构的一部分上或中的根据本发明的波导。

优选地，结构是选自船的外壳、飞机的机身、机动车的主体和机动车的驾驶室中的一个。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了（a）提供公共通信设备（或“通道”）的平面耦合谐振电路的1-D阵列；（b）示出了适合于在图1（a）的布置中使用的谐振电路的实例；（c）示出了适合于在图1（a）的布置中使用的谐振电路的另一个实例。

图2是本发明的实施方式的电路图表示；

图3（a）和（b）示出了适合于与图2的布置一起使用的电容元件的实例；

图4示出了波导和外部设备；

图5示出了（a）另一实施方式，其中提供了两层谐振电路和（b）作为频率的函数的S21的相应曲线；

图6示出了（a）实施方式的俯视图和侧视图，其中以不共面波纹状方式提供谐振电路；（b）实施方式的俯视图和侧视图，其中谐振电路本身是不共面的；

图7示出了具有三层谐振电路的实施方式；

图8示出了根据实施方式的谐振电路的一维阵列；

图9示出了具有三层谐振电路元件的实施方式，三层谐振电路元件分别被布置为输送功率、控制信号和数据信号；

图10示出了公共通信设备，其具有可被描述为“砖墙”布置的谐振电路元件的布置；以及

图11示出了根据图1和2的布置的衰减常数；

图12示出了根据图1和2的布置的有效带宽。

具体实施方式

为了处理上述有线连接的问题，都通过引用被并入本文的专利申请GB0921401.6和PCT/GB2010/052040公开了多个磁感应（MI）耦合谐振电路，其中每一个谐振电路可由开口环形成，间隙由电容器桥接。

图1a示出了具有平面耦合谐振电路210的阵列201的这样的设备的实例，所述谐振电路210通过由在相应的电路210的回路部分中感应的电流所产生的磁通量耦合。在这里平面或在一对谐振电路之间的平面耦合意味着连接所述对的每个回路的中心的标称线具有至少平行于也如图1a中所示的每个回路的平面的不可忽略的分量。谐振电路被轴向耦合的其他布置也是可能的，如在专利GB0921401.6和PCT/GB2010/052040中所解释的。

图1b和1c示出了与图1a的布置兼容的谐振电路的实例。图1b示出了谐振电路110，其具有一对同心开口环谐振器110’和110”。开口环谐振器110’和110”每一个都是不连续的环元件的形式，不连续的环元件具有定义间隙的一对自由端。在一些实施方式中此间隙是空气间隙。在一些实施方式中，在自由端之间设置的是介质而不是空气。图1b的实施方式中谐振器的相应的间隙相对于彼此被定向成180°。在图1c的实施方式中，提供了具有单个开口环的谐振电路110，环的自由端通过电容器119连接。谐振器也可以采用其他的形式，例如螺旋开口环的形式。

图1a也示出了发射器单元的谐振电路220，发射器单元可以是一个单独的设备。信号Tx被输送到发射器单元的谐振电路（例如，通过有线连接）并通过MI耦合传送到阵列201的谐振电路210。然后信号通过阵列借助于MI耦合传播。当具有谐振电路220的接收器单元（其可以是一个单独的设备）被放置在阵列210附近时，通过阵列传播的信号可以通过MI耦合被接收器单元的谐振电路220接收。然后可以从接收器单元的谐振电路220通过有线连接传送信号。

与发射器单元和接收器单元的通信可以利用轴向耦合或平面耦合，或某种其他的布置。

在图1的布置中，作为谐振粒子之间的间隔的函数的耦合系数的变化示出当κ（平面内耦合系数）增加时在谐振频率附近的增加的通带。对于无限结构，通带（即，一区域，在此区域上，衰减的幅值α实质上在最小值处）随耦合增加而大致线性地增加。对于有限结构，反射和驻波可能起作用并且通带被调制有离散峰值。

通过图1中的阵列互相通信的设备可以被布置为根据阵列的一个或多个特性例如通带的一个或多个峰值的位置选择信号的发送和/或接收的频率。

为了减少反射信号的数量，图1的结构的端部或边缘可以通过复阻抗或一系列阻抗终止，见例如Syms等人的“Absorbing terminations formagneto-inductive waveguides”（IEE Proceedings-Microwaves Antennas andPropagation152，PP77-81（2005））。

图1的布置准许信号（例如数字或功率）在设备之间传输，而不需要设备之间的导电连接。这处理上述的电连接器的限制。另外，上面的布置可以被配置为向设备提供功率。

因为上述布置不需要暴露的导电元件产生连接，防水连接器的提供可以被大大简化。

此外，到微处理器和相似部件的有线连接要求复杂的连接和连接器之间的精确配准，这导致增加的复杂度和生产成本。以上布置可以应用于简化这样的部件的连接，因为不需要形成导电连接。

在一般无线通信中安全性可能被降低，因为通信可能被不是预期接收者的第三方接收。此外，一些无线通信方法可能要求在一些权限中的许可证。因为以上布置利用短程MI耦合，这些问题可被避免或减少。

以上布置也提供了导电有线连接的可选方案。

在上述阵列201中传播的MI波遭受衰减。阵列201中的波只在依赖于设备的带宽内的频率处传播。

本发明的实施方式有处理与常规有线连接器、无线连接器和/或阵列201相关的一个或多个限制或缺点的目的。

图2示出了根据本发明的实施方式的MI波导1的等效电路图。图2可以被描述为形成网孔或网格的电容部件20a的连续网格。

根据图2的实施方式，多个导体10形成MI波导1。导体10被布置成网格，网格的线5的交叉形成节点50。在每对相邻的节点50，即，由网格的线5连接的节点50之间，提供电容元件20a。这可采取电容间隙20的形式。网格限定回路，在图2中的情况下回路是方形，每一个回路具有四个边，并且每个边有电容元件20a，其中断回路。图2也示出了在回路的每一边上的电感元件30。在优选的实施方式中这些电感元件代表从回路内的导体10的配置产生的电感，并且不需要单独的或额外的电感元件。在其他实施方式中，可提供单独的或额外的电感元件。

电容间隙20可以是导体中的空间、中断或间隙，如图3a所示。电容间隙20也可以具有一维电容“板块”部分25以增加电容，如图3b所示。技术人员将想到其他布置，并且本发明并不特别被电容元件20a的布置限制。

每个回路形成谐振元件40，其当被特定的一组频率内的磁感应波激励时将谐振。由回路形成的谐振元件40布置成以与图1的阵列201中的回路部分210相似的方式与相邻的回路磁感应地耦合。然而，图1的回路部分210相互之间是电隔离的，仅通过它们的互感耦合。相反，根据本实施方式，相邻的谐振元件40也是导电地耦合的，即，电流可以直接在谐振元件40之间或谐振元件40的相应的部分之间流动。

在图2的情况中，谐振元件40之间的导电耦合通过谐振元件40共享边来实现。在这种情况下，这意味着相邻谐振元件40的回路具有公共的（共用的）导电部分。根据本实施方式，相邻谐振元件40也具有公共的（共用的）电容元件20a。

谐振元件40之间的MI耦合可以延伸出最接近的邻居，到下一个最接近的邻居并且可能到更远的谐振元件40。

在优选的实施方式中，MI波导1没有地平面，使得谐振元件40不耦合到地平面。地平面的存在减小相邻的谐振元件40之间的互感耦合的强度。这将使波导1的带宽变窄并且使波导1有损耗。

优选地，MI波导1被布置成使得具有谐振元件40谐振时的频率的自由空间辐射波长（在这里被简单地称为自由空间波长）比各个谐振元件40的尺寸大得多。当这个条件满足时，波导1和自由空间辐射之间的交互作用减少，从而减小辐射损耗。理想地，在波导1和自由空间辐射之间将没有交互作用。通过将谐振元件40的尺寸布置得比自由空间波长足够小，这样的交互作用可以变得非常微弱，并且可以变得可以忽略。例如，谐振元件40的尺寸可以小于自由空间波长的1/20，并且优选地小于自由空间波长的1/30。根据图2的实施方式的特定实例，谐振元件40是1平方厘米，具有大约400MHZ的谐振频率，并且相应的自由空间波长是75cm，即，比谐振元件40的尺寸大75倍。

在优选的实施方式中，谐振元件40的尺寸可以小于自由空间波长的1/100。在更优选的实施方式中，谐振元件40的尺寸可以小于自由空间波长的1/150。350MHZ的谐振频率对这些实施方式是优选的，但是其他的值可以被使用。如对技术人员明显的，谐振元件40的谐振频率可以用各种方法例如通过选择电容间隙或电容器极板（在被提供的场合）的尺寸或通过控制元件的自感来控制。

在图2的实施方式中的谐振元件40的尺寸与网格的相邻节点50之间的距离相对应。根据谐振元件40的几何结构，尺寸的其他度量也可能是合适的，如技术人员将理解的。在这里，当考虑谐振元件40与自由空间波的交互作用时，尺寸涉及谐振元件40的相关的线性度量。

图2的实施方式具有正方形谐振元件40，但是谐振元件的形状并不被特别地限制。在其他的实施方式中谐振元件可以是长方形、三角形等。在波导内的谐振元件可以有不同的尺寸和形状，但是在波导的优选实施方式中谐振元件有相同的尺寸和形状。谐振元件优选地是规则多边形，但不限于此。

在一些实施方式中，通过波导彼此通信的设备可以被布置为根据波导的一个或多个特性例如通带的一个或多个尖峰的位置来选择信号的发送和/或接收的频率。

在一些实施方式中，结构的端部或边缘可以通过复阻抗或一系列阻抗来终止，以便减少反射信号的量，见例如Syms等人的“Absorbingterminations for magneto-inductive waveguides”，IEEProceedings-Microwaves Antennas and Propagation152，PP77-81（2005））。

根据本发明实施方式的波导可以通过将导电图案印刷到基板410上或通过光刻法来产生。其它方法可由技术人员想到并且可能根据尺寸、电阻和导体及其他的组件所需要的其它特性是适合的。导体可以由铜或任何其他合适的导电材料形成。在一些情况下，半导体材料可能是合适的。选择合适的基板410在技术人员的能力内。基板410优选地是介电基板。在一些实施方式中可提供覆盖层420（优选地是介电的）来包住导体10，保护并隔离导体10，如图4所示。在期望防止外部设备在波导的一些部分中或一侧上耦合到谐振元件40的场合，不是电介质的隔离基板可以用在波导1的那些部分中或那侧上。

如图4所示的，波导1和外部设备430之间的通信可以通过将具有合适的谐振元件440的外部设备放置在波导1的谐振元件40附近来实现，使得外部设备430的谐振元件440与波导1的谐振元件40磁感应地耦合。有线连接450可以在外部设备430的谐振元件440和外部设备430的其他组件460之间传送功率或数据。在外部设备430内其他的布置也是可能的。例如，外部设备430可以利用MI波导来在谐振元件440或组件460之间传送功率或信号。

外部设备430的谐振元件440可以是适合于与波导1的谐振元件40磁感应地耦合的任何谐振元件。例如，谐振元件440可以是根据本发明的波导的元件。该谐振元件也可以例如被布置为如图1中示出的回路部分。

在本发明的实施方式中，外部设备430的谐振元件440和波导1的谐振元件40之间的耦合可以通过各种布置来实现。例如，谐振元件440可以实质上位于谐振元件40的平面中。谐振元件440的平面被示为平行于谐振元件40的平面，但可以是垂直的或成某个中间角度。在谐振元件40、440能够互相耦合的条件下，相对位置及角度不受限制。

在一些实施方式中波导1的谐振元件40中的一个或多个可以设置有到其他元件例如处理器或导电连接器的导电连接（有线连接）。这允许数据和功率通过除了MI耦合以外的手段进入和/或退出波导1。

图5（a）示出了本发明的另一实施方式。在图5（a）的实施方式中提供了两层谐振器。作为传输层510L的一层谐振器510被布置为支持MI波沿谐振器510所定义的线或平面的传播。在平行于传输层510L的平面中提供了形成界面层511L的谐振电路511。传输层的谐振电路511被布置为便于传输层410L的谐振器耦合到外部设备（例如发射器或接收器单元）的谐振器520、530。

相比于传输层510L的谐振器510互相耦合的强度，界面层511L的谐振电路511被布置为互相耦合的强度较弱。

界面层511L的谐振器511的谐振频率被布置为在传输层510L的MI波通带以外，使得在合适的发送或接收单元的耦合器不存在时实质上没有从传输层510L到界面层511L的功率的耦合。

图5(b)示意性示出了作为频率的函数的功率传输函数S21（dB）。在没有外部耦合器520、530例如接收器单元或发射器单元的耦合器的情况下，轨迹A对应于界面层511L的谐振器的通带。轨迹B对应于传输层510L的谐振器的通带。

如果合适的发射或接收单元520、530的耦合器存在于界面层511L的附近，则单元的耦合器和界面层511L之间的耦合被布置成出现。这是因为发射或接收单元520、530的耦合器的存在导致界面层511L的通带的移动，使得界面层511L的通带与传输层510L的重叠出现。这在图5（b）中示出，其中轨迹C示出了界面层511L的通带的分裂，由此，被标为C的两个分立的通带现在被识别出。因此，界面层511L的通带被移动到传输层510L的MI波通带范围（由轨迹B示出）中。

在这种情况下，单元的耦合器可以将信号注入到传输层510L中，但因而产生的MI波不能耦合回界面层511，除非适合的耦合器（例如另一个合适的发射或接收单元的耦合器）存在于界面层511L的附近。

具有这个特征的本发明的实施方式具有下列优势：功率只在合适的发射器或接收器设备的耦合器所位于的位置处传输到界面层511L，从而减少从在传输层510L中传播的MI波损失的功率的量。

根据本发明的实施方式，传输层510L和界面层511L中的至少一个包括根据本发明的实施方式的波导1。优选地，至少传输层510L是根据本发明的实施方式的波导1。传输层510L或界面层511L中的一个可以具有可选的结构，例如图1所示的结构。

在一些实施方式中，波导1的谐振元件40可以例如通过设置在波纹状基板610上而成波纹状，使得单独的谐振元件40不是平面的，或使得相邻的谐振元件40的平面在至少一个方向上是不平行的。这可能在耦合到外部物体时减少耦合几何结构的限制。

图6a示出了波纹状基板610的实例的平面图和侧视图，波纹状基板610布置成使得相邻的谐振元件在波纹方向（在这里这指垂直于波纹的脊的方向）上是不平行的。

因此，在波纹的方向上相邻的相应谐振元件40的平面相对于彼此成角度θ倾斜。θ可以是实质上90°。θ的其他值也可以被使用。θ的一些值相对于其他值可以提供增加的数据容量。谐振电路40可以与基板的平面成45度倾斜。

以上布置允许外部设备430的谐振元件440在不同角度的范围耦合到波导1的谐振元件40。例如，外部设备430的谐振元件440可以被定向成使得谐振元件440的纵轴实质上平行于波导1的纵轴。可选地，接收器的谐振元件440的纵轴可定向成实质上正交于波导1的纵轴。

图6b示出了波纹状基板610的实例的平面图和侧视图，此波纹状基板610布置成使得至少一些谐振元件40不是平面的。

在图6a和6b中，波纹具有与谐振元件相同的周期性，但这不是必要的，并且波纹可以具有与谐振元件不同的周期。

图7示出了具有三层谐振元件751、752、753的本发明的实施方式。每一层分别包括谐振电路710A、710B、710C的子阵列。

靠外的一对层（被示为图7中的顶层和底层751、753）被布置为依靠其与中间层752的强烈交互作用（如上面关于图5描述的），来增强相应的外部单元725和735（分别被示为发射器和接收器单元）的谐振元件720、730之间的耦合。在外层751、753中的谐振电路之间的耦合通过其与中间层752的强烈交互作用来增强。

此布置可导致增加的带宽。例如，在一些布置中带宽可依靠上述的增强耦合增加大约两倍。

图8示出了具有谐振电路的一维阵列的本发明的实施方式，此电路与图2中的那些电路相似。图2的布置例如在图4、5、6和7中示出的那些布置的修改也可应用于图8的实施方式。

本发明的一些实施方式提供智能设备。例如，设备可以被布置为实时地改变波导1的通带的范围。例如，可变电容器可以合并入设备的谐振元件中。在一些实施方式中，介质的介电常数可能改变，以改变通带的范围。

波导的一些实施方式可用在集成电路设备（IC）中。例如，到或来自IC或甚至在IC内的功率和/或信号通过MI波的耦合实现。在一些实施方式中一个或多个谐振器可以设置在IC上并布置为耦合到设置在电路板或其他基板上的一个或多个相应的谐振器，IC连接到此基板IC，或者以另外方式设置在其附近。因此功率可以被传送到IC，且数据信号、控制信号和任何其他所需的信号在IC和基底之间传输。合并这样的基底的计算设备的组件可以被布置为使用波导的实施方式彼此通信。例如，存储设备、随机存取存储器设备、图形处理器设备和任何其他的设备或电路可以被布置为通过波导通信。这有消除对昂贵的和脆弱的机械连接器的需要的优点，所述机械连接器用于将组件装配到PCB。

图9示出了装置的布置，其中提供了具有分别三层谐振电路元件1310A、1310B、1310C的公共通信设备1300。

第一层1310A（也被称为数据层1310A）被布置为提供传送通信信号的高带宽总线层。

第二层1310B（也被称为控制层1310B）被布置为提供传送控制信号的相对低带宽控制层。应理解，控制信号的通信通道的带宽可通常小于数据通信通道的带宽。控制层可以例如传送与耦合到通信设备1300的设备或电路的控制相关的信号。

第三层1310C（也被称为功率层1310C）被布置为将功率传送到耦合到设备1300的单元。通过电磁感应，功率被提供给功率层1310和从功率层1310提供。

图9所示的实施方式中，功率通过以端子的形式的功率耦合器1390耦合到功率层1310C，该端子具有被布置为将功率耦合到功率层1310C的谐振电路元件1310。

相似地，通过相应的谐振电路，控制信号可以被耦合到控制层1310B并且数据信号耦合到数据层1310A。

应理解，数据层1319A、控制层1310B和功率层1310C的谐振电路1310的谐振频率分别被布置为足够不同的，以便数据信号、控制信号和/或功率信号的交叉通信的量尽可能低。

在一些实施方式中，单元例如芯片栈1351、1352设置在公共通信设备1300上并且被布置为因此被供电并通过其通信。芯片栈1351、1352可以包括一个或多个集成电路例如存储器电路、微处理器电路等。每一个栈1351、1352设置有被布置为耦合到设备1300的相应的层1310A、1310B、1310C的相应的谐振电路元件。栈1351、1352的每个谐振电路元件设置有合适的滤波元件，其能够将电路元件收集的信号中不传送与特定的谐振电路元件预期收集的信号相应的信号过滤掉。因此，栈1351、1352中的对应于数据层1310A的谐振电路元件被布置为不收集来自控制层1310B和功率层1310C的任何信号。

由栈1351、1352的对应于数据层1310A的谐振电路元件收集的来自控制层或功率层1310B、1310C的任何信号被合适的滤波器过滤出。

根据一些实施方式，一个或多个层1310A、1310B和1310C可以由根据图1的谐振元件形成。层1310A、1310B和1310C中的至少一个被布置成使得例如谐振元件被电导地耦合，如在图2中所示的。

图10示出了具有被描述为“砖墙”布置的谐振电路元件1410的布置的公共通信设备1400。在所示实施方式中，设备具有两层谐振元件1410A、1410B。至少一层的谐振元件被导电地耦合（例如，如在图2中的）。每一层的谐振元件1410实质上是共面的，相应层的谐振元件以与砖墙结构的砖类似的方式彼此处于交错关系中。因此相应的层1410A、1410B的元件1410可以被描述为互相之间异相180°。

在图10中示出的布置有下列优点：谐振元件的增加的平面内耦合可以通过元件的交替垂直耦合获得。这具有增加通信设备1400对平面信号的带宽的效果。

本发明的实施方式可以包括柔性基板以产生物理上柔性的设备。这样的设备可以用相对简单的方式制造。在一些情况下，当谐振器间几何结构变化时耦合性能可能改变。在一些实施方式中，谐振器足够小，使得链中的各个谐振器之间的角度足够小，耦合性能被保持，特别是在基板的变形的预期范围内时，耦合性能被保持。

具有柔性基板的实施方式的应用的实例是耦合到人体的、谐振电路的线性阵列。在一些实施方式中电路被嵌入或以另外方式耦合到一件或多件衣服。电路的这样的阵列提供了身体网络，允许耦合到用户身体或在用户身体的附近的设备相互无线通信。例如，移动电话设备可通过电路的阵列提供与耳机的电通信，谐振电路实质上互相平面耦合。目前用于设备之间的无线通信的系统例如蓝牙在拥挤的地方中遭受限制的能力。根据本发明的实施方式，使用无辐射局部数据传输通道，其提供增强的安全性并避免在拥挤的地方中限制的能力的问题。使用这个布置，例如，设备的功率和数据存储部分可以在身体上的分开的位置处提供到便携式设备，功率和数据通过电路的阵列传递到设备。

设备可以在实质上任何不导电平表面上被制造，平表面包括LCD屏幕、衣服、医疗植入设备、车辆和包括船的外壳的船只的表面、船只、潜水器、PC和笔记本电脑壳体、印刷电路板、书籍、广告海报和任何其他合适的不导电表面。因此，例如设备可以设置在PCB上以取代用于在耦合到PCB的集成电路之间传递数据的总线。

在一些实施方式中提供了波导，其被布置为允许用户对着波导的一部分触摸通信或存储设备例如移动电话、音乐播放器和/或视频播放器以下载数据。例如，用户可以在电影院对着海报触摸移动设备并下载对应于海报的电影预告片。

根据本发明的实施方式的波导设备可以在一定范围的结构例如地毯、地毯块、壁纸、用于制造建筑物的板中、电缆、管、其他导管和任何其他合适的结构上或周围被提供。根据本发明实施方式的波导可以用在公共通信设备中。

本发明的实施方式不同于图1的布置，在本发明的实施方式中，谐振元件互相电隔离并且仅通过它们的互感而耦合。本发明的实施方式具有由网孔的回路形成的谐振元件。回路由所连接的电容形成并且具有电感，以及与它们邻居的互感。在专利申请GB0921401.6和PCT/GB2010/052040中描述的端子布置可以与本发明的实施方式一起使用。

图2的实施方式的基尔霍夫方程为：

0=4Zi_m,n+(jωM₁-Z)[i_m-1,n+i_m+1,n+i_m,n-1+i_m,n+1]

其中Z=R+jωL+1/(jωC)，M₁是最接近的邻居的互感，i_x,y是回路x,y中的电流。R、L和C分别是回路的每一边的电阻、阻抗和电容。ω是角频率，并且j=√(-1)。

这与图1所示的第一阶耦合磁感应波设备的基尔霍夫方程相似，额外的耦合由阻抗项Z产生。图2结构的色散方程为：

cosh(γd)=2Z/(Z-jωM)

比较起来，图1的布置的色散方程为：

cosh(γd)=2Z/(jωM)

在这里γ是传播常数，且d是谐振元件的周期（例如，图2中的网格的周期，其由相邻的节点之间的距离定义）。衰减常数可从色散方程的实部导出，并在图11中对典型值进行了显示。图1的布置的衰减常数被示为线1110，而图2的布置的衰减常数对应于线1120。如可以看到的，与图1的布置相比，图2的布置在中间带具有小于一半的衰减。

对于平面结构，因为互感是负的，总的效果是在最接近的邻居之间有增加的耦合。图12示出了有效带宽。白色区域1210是这样的频率，对于此频率在一维结构中传播是可能的。在对应于图2的方形结构的最大可实现的平面内互感的M/L=-0.7的耦合常数处，由实线示出的图2的布置的带宽是由虚线示出的图1的布置的带宽的将近两倍。此时，图2的布置的带宽是它的中心频率的97%，使这成为真正的超宽带通道。

本发明实施方式的优点是功率不需要被提供给波导，以便使它运行。控制器也不一定是需要的，以便根据本发明的实施方式控制沿波导传输的信号，除非这样需要。

在这个说明书的描述和权利要求中，词“包括”和“包含”以及词的变形例如“comprising（包括）”和“comprises（包括）”意思是“包括但不限于”，并且不打算（和不会）排除其他的部分、添加物、组件、整数或步骤。

在这个说明书的描述和权利要求中，单数包括复数，除非上下文另有要求。特别是，在不定冠词被使用的场合，说明书应被理解为设想复数以及单数，除非上下文另有要求。

结合本发明的特定的方面、实施方式或实例描述的特征、整数、特点、复合物、化学部分或组应被理解为可应用于本文描述的任何其他方面、实施方式或实例，除非与其不相容。

Claims (14)

1.一种磁感应波导，包括多个谐振元件，所述多个谐振元件包括：

第一谐振元件，其包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，以及

第二谐振元件，其包括被至少一个电容间隙中断的导电回路，所述第二谐振元件用于与所述第一谐振元件磁感应地耦合；其中

所述第一谐振元件和所述第二谐振元件导电地耦合，以及

所述第一谐振元件具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/20倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于所述第一谐振元件的谐振频率的频率。

2.如权利要求1所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件和所述第二谐振元件的相应的导电回路具有公共的部分，由此，所述第一谐振元件和所述第二谐振元件导电地耦合。

3.如权利要求2所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件和所述第二谐振元件的相应的导电回路具有公共的电容间隙。

4.如任一前述权利要求所述的磁感应波导，其中所述磁感应波导布置成使得在所述波导和自由空间辐射之间本质上没有耦合。

5.如任一前述权利要求所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/30倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于所述第一谐振元件的谐振频率的频率。

6.如权利要求5所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/100倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于所述第一谐振元件的谐振频率的频率。

7.如权利要求6所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件具有约为或小于自由空间电磁波的波长的1/150倍的尺寸，所述自由空间电磁波具有等于所述第一谐振元件的谐振频率的频率。

8.如任一前述权利要求所述的磁感应波导，其中所述第一谐振元件和所述第二谐振元件都不与地平面耦合。

9.如任一前述权利要求所述的磁感应波导，包括沿网格的线布置的导体，所述导体定义所述多个谐振元件，其中

所述导体在所述网格的线交叉的节点处相遇，以及

电容间隙在相邻的节点对之间的所述导体中形成，使得所述相邻的节点不通过导电路径连接。

10.如权利要求9所述的磁感应波导，其中所述导体将所述谐振元件的形状定义为正方形、长方形或三角形中的一个。

11.如任一前述权利要求所述的磁感应波导，其中所述多个谐振元件被布置为通过磁感应波导传播功率或数据中的至少一个。

12.如权利要求11所述的磁感应波导，具有由下式给出的色散关系：

cosh(γd)=2Z/(Z-jωM)

其中γ是传播常数，d是所述多个谐振元件的周期，Z是每个谐振元件的阻抗，ω是磁感应波的角频率，M是所述谐振元件之间的互感，以及j=√-1。

13.如权利要求11或权利要求12所述的磁感应波导，其中所述多个谐振元件布置为能够与外部设备的谐振元件磁感应地耦合，使得功率或数据中的所述至少一个能够在所述磁感应波导和所述外部设备之间传送。

14.一种实质上如参考附图在本文中描述的磁感应波导。

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