CN105099525A - 躯体通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁感应无线收发器系统，其特征在于，包括：磁性天线；和导电天线，包括第一板和第二板，该第一板是可以连接到人体的；和功率驱动器，被配置为生成用于驱动所述磁性天线和导电天线以产生电磁感应场的调制信号，其中，所述收发器在连接到人体上第一位置的时候，被配置为向连接到人体上第二位置的第二电磁感应无线收发器发送功率，其中所述第一位置和第二位置之间具有一定距离，所述第一位置和第二位置是通过磁性和导电的近场耦合来连接。

Description

躯体通信天线

技术领域

各种示范的实施例涉及电磁感应无线电。

背景技术

存在多种用于近距离通信的无线系统。一些系统用于在躯体周围通信，其他的系统可能是被用于在其他对象中或周围通信。例如，最近，基于射频的助听器被考虑用于无线通信。经常的，这样的助听系统在2.4GHz的ISM频段中操作的。这样的系统通过横波传播特征，磁场和电场同相，并且覆盖相对大的范围，大约为30米。远距离可能会导致通信内容的安全问题，也可能导致干扰。而且，因为它们的较高的工作频率，这样的系统是被躯体严重影响的。

更多的助听器应用无线通信方法的磁场感应。不幸的，基于无线系统的磁场感应具有有限的范围，如果天线是比较小，例如需要用在助听器中。不能用基于磁场感应的系统用天线来延伸到躯体的所有部分。因此，很难用这样的系统来提供助听器和手持控制器之间的通信。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种电磁感应无线收发器系统，其特征在于，包括：磁性天线；和电性天线，包括第一板和第二板，该第一板是可以连接到人体的；和功率驱动器，被配置为生成用于驱动所述磁性天线和电性天线以产生电磁感应场的调制信号，其中，所述收发器在连接到人体上第一位置的时候，被配置为向连接到人体上第二位置的第二电磁感应无线收发器发送功率，其中所述第一位置和第二位置之间具有一定距离，所述第一位置和第二位置是通过磁性和导电的近场耦合来连接。

优选的，其中第二电磁感应无线收发器通过与第一人体耦合的导电和磁性的近场耦合来连接到第二人体。

优选的，进一步包括连接到功率驱动器的能源。

优选的，所述能源包括电池、太阳能收集器或者动能收集器其中一个。

优选的，进一步包括连接到功率驱动器的适应的匹配单元。

优选的，进一步适应的匹配单元包括连接到天线的接口。

优选的，其中所述适应的匹配单元共轭匹配于功率驱动器和天线。

优选的，进一步包括连接到电性天线和磁性天线的无线单元。

优选的，进一步包括包含电磁感应无线收发器的音乐源设备。

优选的，进一步包括包含电磁感应无线收发器的无线扬声器设备。

优选的，其中所述无线扬声器设备包括耳机。

根据本发明的第一个方面，提供一种电磁感应无线收发器，包括：磁性天线，被配置为接收电磁感应场，电性天线，被配置为接收电磁感应场，该电性天线包括第一板和第二板，所述第一板可以连接到人体；和接收器，被配置为接收由电磁感应场运载的调制信号，其中，所述收发器在连接到人体上第一位置的时候，被配置为从连接到人体上第二位置的第二电磁感应无线收发器接收功率，其中所述第一位置和第二位置之间具有一定距离，所述第一位置和第二位置是通过磁性和导电的近场耦合来连接的。

优选的，进一步包括调谐电路，该调谐电路被配置为调谐天线组，其中天线组包括磁性天线和电性天线。

优选的，进一步包括控制器，该控制器包括数据处理单元和信号处理单元，其中该控制器控制该接收器的操作。

优选的，进一步包括耦合到所述收发器的无线扬声器。

优选的，其中所述无线扬声器设备包括耳机。

优选的，进一步包括耦合到第二电磁感应无线收发器的音乐源设备。

附图说明

图1示出了无线通信系统的结构图；

图2示出了无线通信系统在操作期间电场和磁场线的图表；

图3示出了接近躯体的耦合电容器CE1和CE2；

图4示出了电磁感应无线电的实施例的结构图；

图5描述了控制器和/或显示装置。

具体实施方式

描述和图说明了本发明的多个方面。

这里描述的电磁感应无线电改善链路预算并延伸通信距离。该链路预算如下定义，

$\mathrm{Link\; Budget}\left[\mathrm{dB}\right]=20\log 10\left(\frac{v_{\mathrm{Rx}}}{v_{\mathrm{Tv}}}\right),$

其中，VTx是发射器天线上的发射电压；VRx是在接收器天线上收到的电压。

本发明可能改善链路预算、延伸到整个躯体的距离，启用接近躯体的设备之间的通信，包括连接到第一躯体的第一设备，连接到第二躯体的第二设备，使得第一设备与第二设备通信，其中第一躯体和第二躯体是通过磁和电的近场耦合连接的。尽管超过两个躯体之间的通信是可能的，但是实施例为简单起见，只使用两个活体。使用无线电收发器的多设备也是可能的；但是实施例为简单起见只使用两个设备或者无线电收发器。

磁场是通过第一线圈的电流产生的。电场是通过第一耦合电容器产生的，第一耦合电容器具有耦合到躯体的第一传导板和耦合到环境的第二传导板。无线通信系统不是接地的。磁场和电场可以由接近躯体的另一个板通过第二线圈和第二耦合电容器接收，第二电容器具有耦合到躯体的第一传导板和耦合到环境的第二传导板。

图1示出了无线通信系统的框图。图2示出了无线通信系统在操作期间电场线和磁场线的图。图1的无线通信系统包括发射机XMTR和接收器RCVR。发射机XMTR和接收器RCVR之间的通信是通过电场和磁场的结合来完成的，后面将进一步描述。发射机XMTR和接收器RCVR与人的躯体HB以夸张的距离隔开，以便于显示电场。任何其他的躯体可以替代图1、图2和图3中的活体。磁场H1是通过线圈1产生的。电场E1可以通过耦合电容器CE1上的电压产生。耦合电容器CE1具有耦合到人的躯体HB的第一传导板和耦合到环境的环境的第二传导板。设置电容器C1和C2让相应的电路谐振在要求的工作频率上。

磁场H1和电场E1可能是通过使用电源S1和S2的同一个电压产生的。相应地，电源S1和S2产生传输的通信信号。在说明性的实施例中，电源S1和S2可能产生线圈L1两端的平衡电压。然而线圈L1两端的电压可能是不平衡的，在该例中只要求一个电源。

磁场H2和电场E2(它们分别于磁场H1和电场E1具有不同的振幅)可能由位于接近躯体的另一个得放的接收器RCVR通过线圈L2和耦合电容器CE2接收。信号检测器检测RCVR收到的信号。耦合电容器CE2具有耦合到人的躯体HB的第一传导板和耦合到环境的第二传导板，线圈L1和L2具有互感系数M。

图1显示了实施例的允许定向通信的发射机XMTR和接收器RCVR。在另一个实施例中，XMTR和RCVR可能是收发器，因此也可以是双向的通信。

驱动电路没有详细说明，信号处理电路、扩音器、控制电路等等。.虽然这样的结构可能被视为包括在图1中的CX或者CR表示的模块中。

无线通信系统在躯体附近使用无线电磁场通信方法通信。电磁感应场是磁场H1和电场E1的结合，没有意图形成横向辐射的波。磁场H1是由磁性天线产生的，电场E1是由耦合电容器CE1上的电压产生的。耦合电容器CE1具有耦合到躯体HB的第一传导板P11和耦合到环境的第二传导板P12。无线系统包括发射机XMTR和接收器RCVR，无线系统不是连接到地的。应该知道的是，电场线E1和E2沿躯体HB的长度往下延伸。

创造磁场和电场的结合，活体和环境之间存在电场。磁感应场与空气中的电源的之间的距离每增加十个，磁感应场就减少60db，然而电感应场与电源的距离增加十个，磁感应场减少小于60db。

磁场H2和电场E2可以由接近躯体的另一个位置的接收器依靠线圈L2和耦合电容器CE2接收，耦合电容器CE2具有耦合到躯体的导电板P21和到环境中的导电板P22。

在讨论的实施例中，线圈和耦合电容器非常小(如小于电场E1，E2和磁场H1，H2的波长的5％)，这样就不会有显著的不期望的横向辐射波的产生。

在一个实施例中，线圈和L1和L2是未筛的并且小于所选的操作的波长。电容器CE1和CE2各自有导电面，就是图3中的P11和P22，它们接近躯体或者与活体接触，示范性的，是躯体HB。图3的板P12和P22的相反的面，比起躯体HB，更接近于环境，板的尺寸小于(理想的小很多)所选的操作的波长。优选的，板P12和P11是平行的并且有相同的形状，但是也可以允许它们为不同的大小并且只有部分平行(有点不平行)或者并排。对板P21和P22来说也是一样的。

图3示出了接近躯体HB的耦合电容器CE1和CE2。耦合电容器CE1的导电板P11与躯体HB耦合。耦合电容器CE1的导电板P12与环境耦合。耦合电容器CE2的导电板P21与躯体HB在另一个位置耦合。耦合电容器CE1的导电板P22与环境耦合。CE1有耦合因数CP1，CE2有耦合因数CP2。耦合因数CP1和CP2在通信系统的链路预算中有用。

板P11，P12，P21和P22可能是由导电材料制造的，例如通常是金属，板P11，P12，P21和P22可能有各种形状，可能被绝缘材料围绕，以便CE1和CE2的整体结构能实现电容的功能。通常，电容器CE1和CE2的尺寸相对于操作的波长应该小。

然而不同的应用可能要求电场和磁场不同振幅和它们之间不同的相位的组合。因此下面描述的系统可能集成到射频集成电路中，并且适于产生场幅度和相位的混合，该混合可以通过编程实现以适用于各种应用。该混和可以持续适应的。为了了解电场和磁场之间不同的振幅和相位的效果，申请人做了各种测试和测量。实验结果将在后续讨论，并且给出改变电场和磁场振幅和它们之间相位的方法。

通过实施例，如果电容器CE1和CE2的值大约是10pF(它基本由耦合电容器设计来定义)，而线圈L1和L2大约是3.7μH，那就需要额外的电容来调谐电路使它达到所期望的工作频率，例如10.6MHz。因此，电容器C1和C2的值大约是50.96pF。在一个实施例中，电容器C1和C2是电容器组，它可以集成到适于调谐到所要求的频率的射频集成电路中。该可调节性补偿了由于躯体增加的电容。

根据测量发现，用于电磁感应系统的链路预算是可以变化的。不同的链路预算值可以是通过改变由无线通信系统产生的磁场和电场的相位和振幅来获得。因而系统改变施加于线圈天线和电容天线的振幅和相位可能用来改善该无线通信系统的性能。

图4示出了电磁感应无线电的实施例的结构图。该电磁感应无线电(EIR)可能包括数字处理单元DPU，信号处理单元SPU1和SPU2，信号发生器S1和S2，缓冲B1，B2和B3，调谐电容器TC，电压处理单元VC/PS，磁性天线线圈MA，和电性的天线电容器FA。

数字处理发单元DPU可能控制EIR的操作并处理与通信有关的信号。数字处理发单元包含模拟-数字转换器(ADC)和/或数字模拟转换器(DAC)，内存，存储器，诸如此类需要处理通信信号的硬件和软件。数字处理单元可能包括处理器，处理器可能是任何可以执行储存在内存或者其他存储器中的指令或者其他处理数据的硬件设备。同样地，处理器可能包括微处理器，字段可编程门阵列(FPGA)，应用-特定集成电路(ASIC)，或者其他的类似设备。内存可能包括各中存储器，例如超高速缓冲存储器(cache)或者系统存储器。同样地，该内存可能包括静态随机存取存储器(SRAM)，动态随机存取存储器(DRAM)，闪速存储器，只读存储器(ROM)，或者其他相似的存储器件。同样地，该存储器可能包括一个或多个机器-可读存储媒介，例如只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储器媒介，光存储器媒介，闪速存储器件，或者类似的存储媒介。在各个实施例中，该存储器可能存储用于处理器执行的指令或者处理器可能用于操作的数据。例如，该存储器可能存储用于控制各种硬件的基本运算的底层操作系统。它可能也存储接收的并通过EIR处理的数据。该存储器也可能存储用于处理由EIR接收的数据的指令。

信号处理单元SPU1和SPU2可能包含所接口于天线电路MA和FA和数字处理单元DPU所需要的硬件。SPU1和SPU2可能包括处理器，处理器可能是任何可以执行储存在内存或者其他存储器中的指令或者其他处理数据的硬件设备。同样地，处理器可能包括微处理器，信号处理器，图形处理器，字段可编程门阵列(FPGA)，应用-特定集成电路(ASIC)，或者其他的类似设备。信号处理单元SPU1可能有助于实现接收器的功能，而信号处理单元SPU2可能有助于实现接收器的功能。在这样的情况下，EIR可能有收发器的功能，这可以帮助实现双向通信。

在发送模式，磁场Um是由第一交流电流Im通过磁性天线，绕组MA产生的，而电场Ue是由电性的天线电容器FA上的第二交流电压Ve产生的。流过线圈MA的电流Im依赖与线圈上的电压。

Im＝Vm/Zcoil

Zcoil＝2πfLcoi

二个电压Vm和Ve因而各自定义了磁场Um和电场Ue。改变Vm和Ve的振幅中的一个或者他们之间的相位，会改变磁场Um和电场Ue的组成，因而可以完成场的调配来改善无线通信无线通信系统的性能。

信号处理单元SPU1可能命令信号发生器S1和S2产生驱动由线圈MA和调谐电容器TC构成的谐振电路的电流。相应地，电源S1和S2产生传输的通信信号。在说明性的实施例中，电源S1和S2可能产生MA两端的平衡电压。然而MA两端的电可能也是不平衡的，在这样的情况下只需要一个电源。TC是集成电容器储库，它可能是通过数字处理单元DPU调整以调谐接收器/发射器。该谐振频率可以是工业的、科学的和医学的(ISM)频带中选择的一个，例如10.6MHz。谐振电路可能具有对于所需的通信模式数据比率来说足够的频带宽度。可选的，频带宽度可能是通过在谐振电路中插入额外的损耗的方式来适应，例如使用具有可调电阻的电阻器组。这可能是EIR中的额外的功能模块。

磁性天线MA上的电压Vm是由电压处理单元VC/PS来处理的，并进一步施加到电性天线FA。VC/PS产生施加到电性天线FA的电压Ve。VC/PS可能减少或增加与Vm相关的输入电压Ve。VC/PS可能额外的改变Vm和Ve之间的相位。用这种方式，电场和磁场的组成可能会根据应用的需要而改变。电性天线FA上的电压Ve是由电压处理单元VC/PS来处理的，并进一步施加到磁性天线MA。VC/PS产生施加到磁性天线MA的电压Um。VC/PS可能减少或增加与Ve相关的输入电压Vm。VC/PS可能额外的改变Ve和Vm之间的相位。用这种方式，电场和磁场的组成可能会根据应用的需要而改变。

在接收模式，由磁性天线MA接收的电压可能与电性天线FA接收的电压相结合。在结合两个信号之前，可能要适应他们之间的相位和/或振幅。

例如，当两个信号组合在并行的调谐电路中，感应天线的电压振幅它们之间应该有180度的相位差，以产生最理想的组合输出信号。这并不会在所有的应用中都加以描述，出于天线设计和躯体上的位置。况且，它们之间的相位可能是动态地变化的，VC/PS可能连续不断的应答于这样的变化。

信号处理单元SPU2可能处理由天线MA和FA接收的电压。应当注意的是VC/PS可能有双向的功能。谐振电路上的由TC和MA形成的信号可能由缓冲器B2和B3进行缓冲。额外的缓冲器B1可能监视收到的磁场和电场强度之间的差值。选择性的，该接收器和发送器可能有分开的接收和发送VC/PS。

显示处理器可能校准电场和磁场之间的振幅和它们之间相位特性，用于实现发送器和接收器之间的通信。关于通信环境的信息可能是基于各种收集的测试数据。并且，试验测定可用于各个通信系统的个人用户。进一步的，各种频道测量信号可能是如同通信信号的一部分，为了确定无线通信系统在操作期间通信信道的变化。这些通道尺寸可能用于校准电场和磁场之间的振幅和它们之间相位。进一步的，反馈回路可能用来进一步的监视器和校准磁信号和电信号之间的相位和振幅。

EIR可能是以不同的集成电路的组合或者单一集成电路实现的。进一步的，图4中DPU，SPU1和SPU2物理分隔的功能模块。但是DPU，SPU1和SPU2也可能是在单一的处理器中实现，该处理器可能是它自己的集成电路。SPU1和SPU2可能是在单一的信号处理单元实现，该信号处理单元可能是它自己的集成电路。DPU或者DPU、SPU1和SPU2的组合可能被叫做控制EIR的操作的控制器。

在另一个实施例中，可能有分离的控制器和/或显示装置。图5描写控制器和/或显示装置511。控制器和/或显示装置511有相对的两块板513和515。控制器和/或显示装置511可能是在用户的手中。其中的一块板，513或者515，在手中比另外一块板握的更牢固，因此该板更强的耦合到用户，而另外一块板则较强的耦合到环境。控制器和/或显示装置511能够与发射器XMTR或者接收器RCVR通信。说明性的，控制器和/或显示装置可能是组合的，或者是单独的，提供：音量控制；噪音减弱控制器；人的躯体参数例如心率；以及其他项目例如在躯体周围检测的物理参数。控制器和/或显示装置的操作由电磁感应场促进。在一个实施例中，尺寸与并行性与上文描述的板P12和P22的是类似的。控制器和/或显示装置也许具有显示器，内部电路519，类似于发射器XMTR或者接收器RCVR(或者具有收发器的内部电路)。

现在将描述与EIR一起使用的天线的实施例。

如同上面描述的，许多无线通信发生在远场效应区，哪里信息是通过电磁波辐射传输的。然而，远场的辐射电磁波充分解决了远距离的通信的需要，对近距离躯体通信来说它可能是有效的解决方案。当要求躯体通信超过非常短的距离，经常很难限制电磁发送信号极为贴近发射器。

进一步的，如同上面描述的，近场通信已经被视为有限范围通信的有效的技术。近场电磁波经过通道是，它的振幅比远电磁波减少的快，这导致很有限的通信距离。

而“远场”指辐射天线周围的区域，其中电磁波辐射到空间，词语“近场”描述了接近于发射天线的区域，其中存在非辐射的磁波。近场和远场效应区的界限不是固定的，它随着工作频率的变化而变化。近场和远场效应区的界限可能是使用传输范围、波阻抗或者辐射的相转变来定义的。

虽然各个实施例描述了涉及一种接近活体的通信的方法，除了活体的增殖对象也可用于描述的实施例。第一和第二设备可能是通过磁性的或导电的近场耦合来连接的，使用传送对象援助传送该场。

本领域技术人员应该理解的是每块图都是代表概念性的视图，示出本发明的原则。进一步的，显示的电路中也可能根据需要被包括额外的元件，或者对电路结构做各种变化来实现相同的功能。

虽然各个示范的实施例已经详细地用特定参数来描述以确定其中示范性的各方面，应该清楚的是本发明能够用其他的实施例，它的细节也能够在各种明显的方面中进行修改。对本领域技术人员来说是显而易见的变形、修改都是在本发明的范围之内的。相应地，上文揭示的描述和图形仅仅是用于说明性的目的，不该以任何形式限制本发明，它是由权利要求定义的。

Claims (17)

1.一种电磁感应无线收发器系统，其特征在于，包括：

磁性天线；和

导电天线，包括第一板和第二板，该第一板是可以连接到人体的；和

功率驱动器，被配置为生成用于驱动所述磁性天线和导电天线以产生电磁感应场的调制信号，

其中，所述收发器在连接到人体上第一位置的时候，被配置为向连接到人体上第二位置的第二电磁感应无线收发器发送功率，其中所述第一位置和第二位置之间具有一定距离，所述第一位置和第二位置是通过磁性和导电的近场耦合来连接。

2.如权利要求1所述的系统，其中第二电磁感应无线收发器通过与第一人体耦合的导电和磁性的近场耦合来连接到第二人体。

3.如权利要求1所述的系统，进一步包括连接到功率驱动器的能源。

4.如权利要求3所述的系统，所述能源包括电池、太阳能收集器或者动能收集器其中一个。

5.如权利要求1所述的系统，进一步包括连接到功率驱动器的适应的匹配单元。

6.如权利要求5所述的系统，进一步适应的匹配单元包括连接到天线的接口。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述适应的匹配单元共轭匹配于功率驱动器和天线。

8.如权利要求1所述的系统，进一步包括连接到导电天线和磁性天线的无线单元。

9.如权利要求1所述的系统，进一步包括包含电磁感应无线收发器的音乐源设备。

10.如权利要求9所述的系统，进一步包括包含电磁感应无线收发器的无线扬声器设备。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述无线扬声器设备包括耳机。

12.一种电磁感应无线收发器，其特征在于，包括：

磁性天线，被配置为接收电磁感应场，

导电天线，被配置为接收电磁感应场，该导电天线包括第一板和第二板，所述第一板可以连接到人体；和

接收器，被配置为接收由电磁感应场运载的调制信号，

其中，所述收发器在连接到人体上第一位置的时候，被配置为从连接到人体上第二位置的第二电磁感应无线收发器接收功率，其中所述第一位置和第二位置之间具有一定距离，所述第一位置和第二位置是通过磁性和导电的近场耦合来连接的。

13.如权利要求12所述的收发器，进一步包括调谐电路，该调谐电路被配置为调谐天线组，其中天线组包括磁性天线和导电天线。

14.如权利要求12所述的收发器，进一步包括控制器，该控制器包括数据处理单元和信号处理单元，其中该控制器控制该接收器的操作。

15.如权利要求12所述的收发器，进一步包括耦合到所述收发器的无线扬声器。

16.如权利要求15所述的收发器，其中所述无线扬声器设备包括耳机。

17.如权利要求12所述的收发器，进一步包括耦合到第二电磁感应无线收发器的音乐源设备。