CN107453037B - 近场电磁感应(nfemi)天线 - Google Patents

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Abstract

一个例子公开一种近场电磁感应(NFEMI)天线，该NFEMI天线包括：电天线，该电天线包括第一导电表面；磁性天线，该磁性天线包括被耦合到第二线圈(L2)的第一线圈(L1)；第一馈电连接件，该第一馈电连接件被耦合到该第一线圈的一端；第二馈电连接件，该第二馈电连接件被耦合到该第一线圈的另一端和该第二线圈的一端；其中该第二线圈的另一端被连接到该导电表面；以及磁导材料，所述磁导材料被耦合到该磁性天线的一侧并且被配置成放置在所述磁性天线与一组电组件之间。

Description

近场电磁感应(NFEMI)天线
技术领域
本说明书在此以引用的方式并入申请于2015年8月26日的美国专利申请案14/836681和申请于2014年5月05日的美国专利申请案14/270013。
本说明书涉及近场电磁感应(NFEMI)天线的系统、方法、设备、装置、制品和说明。
背景技术
近场电磁感应(NFEMI)通信系统的示例实施例可借助于磁场和电场的组合在人体附近操作而不使用横向辐射波。此类NFEMI系统改进可佩戴式装置的信号链路预算并且将它们的范围扩展到整个人体。
尽管可通过穿过自由空间传播RF平面波来完成RF无线通信，但NFEMI通信利用了非传播的准静态场。场的准静态特性是天线尺寸与载波频率组合的结果。大部分能量以磁场和电场的形式存储，少量的RF能量不可避免地在自由空间中传播。
相比于载波波长，较小的天线几何结构是用于近场通信的候选，这是由于它们在自由空间中并不产生辐射波。此类天线可以是允许近场磁感应(NFMI)的线圈天线。其它天线借助于磁近场和电近场两者经由近场电磁感应(NFEMI)通信。此类天线在非常接近人体时将产生被限制在人体附近的场。
发明内容
根据示例实施例，近场电磁感应(NFEMI)天线包括：电天线，该电天线包括第一导电性表面；磁性天线，该磁性天线包括被耦合到第二线圈(L2)的第一线圈(L1)；第一馈电连接件(637)，该第一馈电连接件(637)被耦合到第一线圈的一端；第二馈电连接件(635)，该第二馈电连接件(635)被耦合到第一线圈的另一端和第二线圈的一端；其中第二线圈的另一端被连接到导电性表面；以及磁导材料，该磁导材料被耦合到磁性天线的一侧并且被配置成放置在磁性天线与一组电组件之间。
在另一示例实施例中，磁导材料被配置成将该组电组件从通过线圈产生的磁场屏蔽开。
在另一示例实施例中，该磁导材料是以下各项中的至少一者：平面薄片、铁氧体屏蔽物、铁氧体薄片或包含悬浮液中的铁氧体颗粒的涂层。
在另一示例实施例中，磁导材料被配置成在空间上放大由线圈所产生的朝向与该组电组件相反方向的磁通量。
在另一示例实施例中，导电层的位置是以下各项中的至少一者：该组电组件与该磁导材料之间或该磁导材料与该等线圈之间。
在另一示例实施例中，该磁导材料在一侧上包括用于粘合到该等线圈的粘合剂。
在另一示例实施例中，第一导电表面和线圈在堆叠配置中，其中第一导电表面限定堆叠的第一端并且线圈限定堆叠的第二端。
在另一示例实施例中，磁导材料的位置是以下各项中的至少一者：线圈与第一导电表面之间；或在堆叠的任一端处。
在另一示例实施例中，另外包括衬底，该衬底被配置成在堆叠中将该等线圈从导电表面实体地分隔开。
在另一示例实施例中，衬底是以下各项中的至少一者：电介质材料、铁氧体材料、空气、塑料或聚合物。
在另一示例实施例中，第一导电表面包括开口端。
在另一示例实施例中，第一导电表面是平板。
在另一示例实施例中，电天线包括第二导电表面；并且第一线圈(L1)被配置成充当第二导电表面。
在另一示例实施例中，第一和第二导电表面具有实质上匹配的形状。
在另一示例实施例中，天线被安置在移动装置或可佩戴式装置的后侧上。
根据示例实施例，可佩戴式装置包括：电天线，该电天线包括第一导电表面；磁性天线，该磁性天线包括被耦合到第二线圈的第一线圈；第一馈电连接件，该第一馈电连接件被耦合到第一线圈的一端；第二馈电连接件，该第二馈电连接件被耦合到第一线圈的另一端和第二线圈的一端；其中第二线圈的另一端被连接到导电表面；以及磁导材料，该磁导材料被耦合到磁性天线的一侧并且被配置成放置在磁性天线与一组电组件之间；其中电天线和磁性天线形成近场电磁感应(NFEMI)天线。
在另一示例实施例中，天线被嵌入于以下各项中的至少一者中：可佩戴式装置；智能手表；智能手表外壳、无线移动装置、耳塞、助听器、头戴式耳机、运动跟踪器或心率监测仪。
在另一示例实施例中，天线被嵌入于收发器中，该收发器被配置成使用近场电磁感应与另一可佩戴式装置通信。
在另一示例实施例中，天线被配置成使用磁近场感应和电近场感应两者来传递信号。
以上论述并不旨在呈现当前或将来权利要求集的范围内的每一示例实施例或每一实施方案。以下附图说明和具体实施方式还举例说明各种示例实施例。
附图说明
结合附图考虑以下具体实施方式，可以更加完全地理解各种示例实施例，在附图中：
图1是近场电磁感应(NFEMI)天线的理想第一示例结构。
图2是近场电磁感应(NFEMI)天线的理想第二示例结构。
图3是第二示例结构的示例等效电路。
图4A是近场电磁感应(NFEMI)天线的第三示例结构的一个平坦侧面。
图4B是近场电磁感应(NFEMI)天线的第三示例结构的另一平坦侧面。
图5是近场电磁感应(NFEMI)天线的第四示例结构。
图6是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二、第三或第四示例结构的示例可佩戴式装置的透视图。
图7是示例可佩戴式装置的横截面图。
图8是从示例可佩戴式装置发出的操作磁通量。
图9是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二、第三或第四示例结构的示例接收器电路。
图10是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二、第三或第四示例结构的示例发射器电路。
尽管本公开容许各种修改和替代形式，但其细节已经借助于例子在附图中示出并且将详细地描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。
具体实施方式
在一个例子中，NFEMI的磁场是由穿过第一线圈的电流产生，并且电场可由第一耦合电容器产生，该第一耦合电容器具有被耦合到人体的第一传导板和被耦合到环境的第二传导板。借助于第二线圈和第二耦合电容器，可由在人体附近的另一个位置处的接收器接收磁场和电场，第二电容器具有被耦合到人体的第一传导板和被耦合到环境的第二传导板。
然而，在小体积产品(如耳塞、助听器或智能手表)中的实施方案要求极小的天线结构，这可能会降低无线通信链路的鲁棒性。
因此，下文描述了天线系统，该天线系统在发射模式下提供增加的电场强度，并在接收模式下增加所接收的电压。因此，在例如消费者生活方式和保健领域等应用中，这种天线系统改进无线人体通信的可靠性。这种天线系统可被集成到连接到人体的极小的无线便携式产品中。
下文描述了近场电磁天线系统，该近场电磁天线系统包括具有一个或两个加载板的短加载偶极子与小型环形天线的组合。小型环形天线具有至少两个相互耦合的线圈。两个线圈都是串联，相比于两个线圈中的一个线圈的电感，这种方式使得它们形成更大的电感。两个线圈都可以在铁氧体材料上，或它们可以呈平面结构的形式。第一线圈的第一连接件可连接到第一馈电连接件，并且连接到小型加载偶极子的第一加载板。第一线圈的第二连接件可连接到第二线圈的第一连接件，并且连接到第二馈电连接件。第二线圈的第二连接件可连接到小型加载偶极子的第二加载板。
图1是近场电磁感应(NFEMI)天线的理想第一示例结构100。天线100可包括线圈天线105(磁性天线)以及短加载偶极子120(电天线)。线圈天线105可包括铁氧体芯110，其中电线115缠绕在芯110上。短偶极子120可包括两个加载板125和130。当这种天线极其接近人体时，它将提供被限制在人体附近的场。优选的发射频率低于30MHz以确保场符合人体轮廓，并且大大减少远场辐射。
图2是近场电磁感应(NFEMI)天线600的理想第二示例结构600。天线600是具有一个或两个平板625和630的短加载偶极子620与小型环形天线605的组合。
小型环形天线包括至少两个耦合的线圈615和617。第一线圈615具有电感L1，第二线圈617具有电感L2。可连接线圈615和617两者，以使得它们形成比第一线圈615和第二线圈617的电感更大的电感。
线圈615和617两者可以是空心线圈，该等空心线圈缠绕在铁氧体芯610周围，或线圈615和617两者可以呈平面结构的形式。在一个例子中，线圈615和617可以交错的方式缠绕在芯610周围。可替换的是，线圈615和617可在彼此的顶部上缠绕，即，第二线圈617首先缠绕在芯610周围，并且第一线圈615接着在第二线圈617的顶部上缠绕在芯610周围。
第一线圈615的第一连接件被连接到第一馈电连接件637，并且被连接到短加载偶极子620的第一平板625。第一线圈615的第二连接件被连接到第二线圈617的第一连接件，并且被连接到第二馈电连接件635。第二线圈617的第二连接件被连接到短加载偶极子620的第二平板630。
图3是用于第二示例结构600的示例等效电路。短加载偶极子620在电学上由电容Ca和电阻R1表示。电阻R1表示将平板625和630分隔开的介质(例如，如下文所论述的衬底652)的耗损。在一个示例实施例中，平板625和630与线圈615和617分隔开，而在另一示例实施例中，线圈615和617中的至少一者也充当平板625和630中的至少一者。
图4A是近场电磁感应(NFEMI)天线的第三示例结构650的一个平坦侧面并且图4B是近场电磁感应(NFEMI)天线的第三示例结构650的另一平坦侧面。第三示例结构650由柔性衬底652(例如，具有高熔融温度的聚合物或聚酰亚胺，例如DuPont所研发的Kapton)支撑，柔性衬底652可沿线654折叠并且插入于(例如)可佩戴式装置中。
在一个示例实施例中，设定平板625的大小(即，L1)以匹配平板630或与平板630重叠。因此，平板630不具有矩形外边缘，其可具有实质上匹配L1线圈625或正好与L1线圈625重叠的内边缘和外边缘。
图5是近场电磁感应(NFEMI)天线的第四示例结构1000。天线1000包括第一线圈1015和第二线圈1017，两个线圈都是平面的。线圈1015和1017类似于上文所描述的线圈615和617。
天线1000是具有一个平板1025的短加载单极(电天线)1070与两个平面线圈1015和1017(磁性天线)的组合。平面线圈1015和1017两者以电磁方式耦合并且以串联布置连接。线圈1015和1017两者以一种方式连接，这种方式使得它们形成了比第一线圈1015的电感L1或第二线圈1017的电感L2更大的电感。线圈1015和1017两者可在塑料或其它材料的载体上。
第一线圈1015的第一连接件被连接到第一馈电连接件637(参看图3)。第一线圈1015的第二连接件被连接到第二线圈1017的第一连接件，并且被连接到第二馈电连接件635。第二线圈1017的第二连接件被连接到小型加载偶极子1070。如所示出，平板1025与第一线圈1015和第二线圈1017分隔开，并且在第二线圈1017中的开口1075的上方。平板1025的大小可与开口1075相同，或小于或大于开口1075的大小。
在其它实施例中，平板1025可位于第一线圈1015的上方。这个位置将平板1025对第一线圈1015内部的磁通量的影响降到最低。为了使天线1000的大小减到最小，平板1025可以仅在第一线圈1015的上方，以将天线1000的大小限制为第一线圈1015的大小。另外，在此布置中，可将平板1025制作得大于开口1075，因为平板1025将不会干扰第一线圈1015的磁通量。
天线1000的平面布置在用于例如智能手表等可佩戴式装置时具有益处。在一个例子中，平板1025与用户的皮肤接触，并且在另一例子中，平板1025并不触碰用户的皮肤。
图6是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二、第三或第四示例结构的示例可佩戴式装置700的透视图。在这个实施例中的示例装置700是智能手表。装置700包括：腕带702、外壳704和电子装置706。在某些示例实施例中，电子装置706包括电气组件(例如，IC、离散元件等)和无线天线。由于无线NFEMI天线被集成到可佩戴式装置700的外壳704中，所以均可选择各种导电和非导电的腕带702并且并不减弱无线NFEMI天线信号。
现在更详细地论述示例可佩戴式装置700。
图7是示例可佩戴式装置700的横截面图。在这个示例可佩戴式装置700中，电子装置706包括电子组件708和无线NFEMI天线710。在这个例子中，图4A和图4B中示出的第三示例结构650并入到无线装置700中。可在替代的示例实施例中使用其它天线结构。
无线NFEMI天线710包括：线圈L1、L2、平板625(即，L1)、平板630、衬底652和铁氧体屏蔽物712。
在一个例子中，平板630是具有开口端的导电表面。在这个例子中，图4A和图4B中示出的第三示例结构650已经沿线654折叠并且现在处于堆叠配置中。在这种配置中，线圈L1、L2离电子组件708最近，并且平板630离外壳704的下部外表面最近，当用户佩戴装置700时，外壳704的下部外表面将接近用户的皮肤。
衬底652将线圈L1、L2与平板630分隔开。衬底652可以是空气或任何电介质材料(例如，塑料、DuPont的Kapton等)。在一个例子中，衬底652为约2mm厚。
铁氧体屏蔽物712或另一磁导材料安置于线圈L1、L2与电子组件708之间。铁氧体屏蔽物712形成由线圈L1、L2所产生的磁场线的低阻抗通路。铁氧体屏蔽物712还增加天线结构650的总电感，因此在空间上放大远离电子组件708并且朝向平板630的磁通量，因此改进可佩戴式装置700的能效和发射质量。
因此，铁氧体屏蔽物712允许天线结构650接近智能手表外壳704中用于智能手表的操作的功能性的电子组件708和任何其它导电部件。
在某些示例实施例中，铁氧体屏蔽物712可以非常薄(例如，0.1mm厚)。铁氧体屏蔽物712材料的例子是来自制造商LAIRD的240-2799-ND。这种示例材料对于约10MHz的频率非常有效。在替代性示例实施例中，铁氧体屏蔽物712可以是任何磁导材料。
在其它示例实施例中，另外的导电层被插入于电子组件与磁导材料之间；或磁导材料与线圈之间；以减少由进入天线的电子电路所产生的电干扰。
在各种示例实施例中，铁氧体屏蔽物712可从完全覆盖天线结构650变到仅部分阻断来自天线结构650的磁通量以免干扰电子组件708内的特定组件而不同。铁氧体屏蔽物712不必是连续的，但可具有棋盘式或任何其它不连续的布局。
可使用电容器组(未示出)在载波频率下调谐天线结构650的谐振频率。可使用电阻器组(未示出)调谐天线结构650的带宽。电容和电阻调谐组两者可被集成到无线电集成电路中。在一个示例实施例中，用于传达NFEMI信号的载波频率是10.6MHz+/-5MHz。
图8是从示例可佩戴式装置700发出的操作性磁通量(即，场线)802。如所示出，磁通量802集中在铁氧体屏蔽物712中，从而屏蔽电子组件708。磁通量802还放大并且指向平板630，平板630在使用时将离佩戴装置700的用户最近。
因此，铁氧体屏蔽物712的使用改进各种NFEMI装置的通信范围，尤其具有较小尺寸的那些NFEMI装置，例如智能手表，并且因此需要适合于小型装置外壳的小型天线构造。具有铁氧体屏蔽物的NFEMI天线还可并入到具有易受磁性干扰的导电材料的许多其它产品中。
图9是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二示例结构600、第三示例结构650或第四示例结构1000的示例接收器电路670。也可以使用并有铁氧体屏蔽物712的其它示例结构。
在接收期间，来自发射线圈的磁场将感应小型环形天线605中的接收线圈L1、L2中的电压。类似地，来自发射偶极子的电场将感应包括平板625、630的接收偶极子620中的电压。接收系统可包括调谐电路640和低噪音放大器(LNA)660，以放大接收到的信号。因为两个感应电压可具有180度的相位关系，所以它们在并联的天线组合中相加在一起。
图10是包括近场电磁感应(NFEMI)天线的任一第二示例结构600、第三示例结构650或第四示例结构1000的示例发射器电路680。也可以使用并有铁氧体屏蔽物712的其它示例结构。
在发射期间，发射放大器的电压源645对小型环形天线605施加电压Vtx。小型环形天线605的线圈L1、L2两端的电压产生穿过线圈L1、L2的电流。当电流在线圈L1、L2中流动时，将在线圈L1、L2周围产生磁场。所产生的磁场是穿过线圈的电流的线性函数。
在本说明书中，已经依据细节的所选集合呈现示例实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以实践包括这些细节的不同所选集合的许多其它示例实施例。预期所附权利要求书涵盖所有可能的示例实施例。

Claims (10)

1.一种近场电磁感应(NFEMI)天线，其特征在于，所述近场电磁感应(NFEMI)天线包括：
电天线，所述电天线包括第一导电表面；
磁性天线，所述磁性天线包括第二线圈和被耦合到第二线圈的第一线圈；
第一馈电连接件，所述第一馈电连接件被耦合到所述第一线圈的一端；
第二馈电连接件，所述第二馈电连接件被耦合到所述第一线圈的另一端和所述第二线圈的一端；
其中，所述第二线圈的另一端被连接到所述第一导电表面；以及
磁导材料，所述磁导材料被配置成放置在所述磁性天线与一电子组件之间，
所述第一导电表面上具有开口形状的开口端，所述第一导电表面是平板，所述电天线还包括第二导电表面，其中所述第一线圈被配置成充当所述第二导电表面。
2.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述磁导材料被配置成将所述电子组件从由所述第一线圈和第二线圈产生的磁场屏蔽开。
3.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述磁导材料被配置成在空间上放大由所述第一线圈和第二线圈所产生的朝向与所述电子组件相反方向的磁通量。
4.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，第一导电表面的位置是以下各项中的至少一者：所述电子组件与所述磁导材料之间或所述磁导材料与所述第一线圈和第二线圈之间。
5.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述磁导材料在一侧上包括用于粘合到所述第一线圈和第二线圈的粘合剂。
6.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述第一导电表面和所述第一线圈和第二线圈配置为堆叠摆放，其中，所述第一导电表面限定所述堆叠的第一端并且所述第一线圈和第二线圈限定所述堆叠的第二端。
7.根据权利要求6所述的天线，
其特征在于，所述磁导材料的位置是以下各项中的至少一者：所述第一线圈和第二线圈与所述第一导电表面之间；或在所述堆叠的任一端处，
所述天线另外包括衬底，所述衬底被配置成在所述堆叠中将所述第一线圈和第二线圈从所述导电表面实体地分隔开。
8.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述天线被嵌入于可佩戴式装置。
9.根据权利要求1所述的天线，
其特征在于，所述天线被嵌入于无线移动装置。
10.一种可佩戴式装置，其特征在于，所述可佩戴式装置包括：
电天线，所述电天线包括第一导电表面；
磁性天线，所述磁性天线包括第二线圈和被耦合到第二线圈的第一线圈；
第一馈电连接件，所述第一馈电连接件被耦合到所述第一线圈的一端；
第二馈电连接件，所述第二馈电连接件被耦合到所述第一线圈的另一端和所述第二线圈的一端；
其中，所述第二线圈的另一端被连接到所述第一导电表面；以及
磁导材料，所述磁导材料被耦合到所述磁性天线的一侧并且被配置成放置在所述磁性天线与一电子组件之间；
其中所述电天线和磁性天线形成近场电磁感应(NFEMI)天线，
所述第一导电表面上具有开口形状的开口端，所述第一导电表面是平板，所述电天线还包括第二导电表面，其中所述第一线圈被配置成充当所述第二导电表面，所述第一导电表面和第二导电表面具有匹配的形状。
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