CN108461901A - 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，所述近场电磁感应天线具有：芯材；电天线，其包括导电表面；磁性天线，其包括耦合到第二线圈的第一线圈；第一馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的一个端部；第二馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的另一端部且耦合到所述第二线圈的一个端部；其中所述第一馈入连接件和所述第二馈入连接件被配置成耦合到电气设备；其中所述第二线圈的另一端部耦合到所述导电表面；磁导材料，其在所述磁性天线的第一侧与所述芯材之间；且其中所述第一线圈、所述第二线圈、所述磁导材料和所述导电表面围绕所述芯材缠绕。

Description

近场电磁感应(NFEMI)天线
技术领域
本说明书涉及包括NFEMI天线的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
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无需使用横向辐射波。此类NFEMI系统改进了可穿戴式装置的信号链路预算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储存，且少量的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更是用于近场通信的候选者，这是由于它们在自由空间中不产生辐射波。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并通过近场电磁感应(NFEMI)进行通信。当此天线非常接近人体时，它将产生被限制在人体附近的场。
发明内容
根据示例实施例，一种近场电磁感应(NFEMI)天线，所述近场电磁感应天线包括：芯材；电天线，其包括导电表面；磁性天线，其包括耦合到第二线圈的第一线圈；第一馈入连接件，其耦合到第一线圈的一个端部；第二馈入连接件，其耦合到第一线圈的另一端部且耦合到第二线圈的一个端部；其中第一馈入连接件和第二馈入连接件被配置成耦合到电气设备；其中第二线圈的另一端部耦合到导电表面；磁导材料，其在磁性天线的第一侧与所述芯材之间；且其中第一线圈、第二线圈、磁导材料和导电表面围绕芯材缠绕。
在另一示例实施例中，导电表面在与磁导材料相对的磁性天线的第二侧上。
在另一示例实施例中，第一线圈和第二线圈被配置成磁耦合到彼此，且产生或响应磁场；且导电表面被配置成产生或响应电场。
在另一示例实施例中，天线被配置成以低于30MHz或以约10.6MHz的载波通信频率操作。
在另一示例实施例中，导电表面包括间隙，所述间隙被配置成准许磁性天线辐射磁信号。
在另一示例实施例中，芯材包括周界；且第一线圈、第二线圈和磁导材料环绕芯材的周界。
在另一示例实施例中，线圈以交错图案围绕磁导材料缠绕，或以第二线圈在第一线圈图案的顶部上的方式缠绕。
在另一示例实施例中，导电表面完全地、部分地或多重地围绕磁导材料和芯材缠绕。
在另一示例实施例中，完全地围绕为至少360度角；部分地为小于360度角；且多重地为超过360度角。
在另一示例实施例中，所述芯材是以下各项中的至少一个：非磁性金属芯材、电池、空气或固体。
在另一示例实施例中，芯材包括电气设备；且电气设备包括以下各项中的至少一个：集成电路(IC)、RF IC、连接器端口、电路元件；调谐电路、接收器电路和/或发射器电路、无线电电路、微处理器、数字信号处理器、音频放大器、数据处理单元、人机界面单元和/或另一天线。
在另一示例实施例中，电气设备耦合到第一馈入连接件和第二馈入连接件。
在另一示例实施例中，芯材包括电气设备；且另外包括传导层；其中传导层为以下各项中的至少一个：在电气设备与磁导材料之间或在磁导材料与线圈之间。
在另一示例实施例中，磁导材料被配置成准许插入和移除芯材。
在另一示例实施例中，磁导材料被配置成永久地附接到芯材。
在另一示例实施例中，磁导材料是以下各项中的至少一个：平面薄片、铁氧体屏蔽、铁氧体薄片、包括悬浮的铁氧体颗粒的涂层，或在一侧上具有胶粘剂的粘胶片。
在另一示例实施例中，磁导材料被配置成使芯材屏蔽由线圈产生的磁通量；且朝向与芯材相对的方向在空间上放大由线圈产生的磁通量。
在另一示例实施例中，磁导材料覆盖不到芯材的外表面的全部。
根据示例实施例，一种可穿戴式装置，所述可穿戴式装置包括：近场电磁感应(NFEMI)天线，所述近场电磁感应天线包括：芯材；电天线，其包括导电表面；磁性天线，其包括耦合到第二线圈的第一线圈；第一馈入连接件，其耦合到第一线圈的一个端部；第二馈入连接件，其耦合到第一线圈的另一端部且耦合到第二线圈的一个端部；其中第一馈入连接件和第二馈入连接件被配置成耦合到电气设备；其中第二线圈的另一端部耦合到导电表面；磁导材料，其在磁性天线的第一侧与芯材之间；且其中第一线圈、第二线圈、磁导材料和导电表面围绕芯材缠绕；且其中可穿戴装置是以下各项中的至少一个：无线电系统、无线装置、助听器或耳塞。
以上论述并非意图呈现在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。图式和之后的详细描述还举例说明各种示例实施例。
结合附图考虑以下详细描述可以更全面地理解各种示例实施例，附图中：
附图说明
图1A是第一近场电磁感应(NFEMI)天线的示例电气图。
图1B是包括连接到接收器电路的第一NFEMI天线的示例电路。
图2是第二NFEMI天线的示例电气图。
图3A、3B和3C是包括第二NFEMI天线的示例结构的不同视图。
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但是已经借助于例子在图式中示出其特殊性且将进行详细描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例之外的其它实施例也是可能的。也涵盖落入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
图1A是第一近场电磁感应(NFEMI)天线100的示例电气图。NFEMI天线100可包括线圈天线105(即磁性天线)，以及与短负载偶极子120(即电天线)。线圈天线105可包括铁氧体芯材110，其中线115围绕芯材110缠绕。短偶极子120可包括两个负载板125和130。当此天线极其接近人体时，它将提供被限制在人体附近的场。优选发射频率低于30MHz以确保场符合人体轮廓，且大大减少远场辐射。线圈天线105及两个负载板125和130耦合到第一和第二信号馈入连接件135，所述第一和第二信号馈入连接件135提供与接收器和/或发射器电路的电连接。
图1B是包括连接到接收器电路134的第一NFEMI天线100的示例电路132。等效电路132包括由短负载偶极子120的两个负载板125和130形成的等效电容(Ca)136。等效电感(La)138由线圈天线105的铁氧体芯材110和线115形成。
在操作期间，接近于NFEMI天线100的近场在等效电感(La)138中产生电压(Va2)且在等效电容(Ca)136中产生电压(Val)。
天线105、120两者呈电气并联配置且另外连接到调谐电容器(Ct)140。选择调谐电容器(Ct)140以使NFEMI天线100能够以NFEMI载波频率谐振。与调谐电容器(Ct)140并联的电阻器组(未示出)调整电路132的频率带宽。
在一些示例实施例中，调谐电容器(Ct)140可嵌入于RF集成电路(RF IC)142内，所述RF集成电路142还包括低噪声放大器(LNA)144。另外的NFEMI通信功能可添加在此电路142的后端。
相比于NFEMI载波频率的波长，例如上文所论述的第一NFEMI天线100等NFEMI装置使用小型天线组件。此类小型组件可能易于受到由例如RF集成电路(RF IC)142等其它机械和电组件产生的干扰的影响。此干扰可使NFEMI的装置的通信范围降级。
第一NFEMI天线100可构造在铁氧体棒上，其中数个铜绕组围绕所述铁氧体棒和传导表面。可替换的是，空气线圈可用作磁性天线。空气线圈的直径和表面将比基于铁氧体棒线圈的近场天线的直径和表面大得多，这是由于基于铁氧体棒线圈的近场天线在其芯材中不具有磁性材料。归因于在包覆电池的金属内部形成的涡电流，使此空气线圈接近例如纽扣电池等金属零件将大大降低近场天线100的品质因数(Q)。将使天线100的自谐振频率和品质因数两者降低到使得通信距离缩短或变得不可能的等级。
现论述第二NFEMI天线，其在发射模式中提供增大的磁场强度和增大的电场强度。接收模式中所接收的电压也增大。第二NFEMI天线的结构可集成到靠近人体的极小的无线便携式产品中，所述靠近人体的极小的无线便携式产品例如无线音频耳塞或助听器、耳内式助听器、耳道式助听器等。包括NFEMI天线的装置的应用包括：便携式装置、在人体周围定位的便携式装置(例如，助听器、用于保健应用的人体网络装置)和具有NFEMI功能性的其它装置。
图2是第二NFEMI天线600的示例电气图。天线系统600是电天线620和磁性天线605的组合。
磁性天线605包括两个耦合的线圈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。
这两个线圈615和617围绕磁导材料610(例如，平面薄片、铁氧体屏蔽、铁氧体薄片或包括悬浮的铁氧体颗粒的涂层)缠绕，且磁导材料610围绕芯材612缠绕。在一个示例实施例中，线圈615和617以交错方式围绕第一磁导材料610缠绕。在另一示例实施例中，线圈615和617缠绕在彼此的顶部上。以此方式，第二线圈617首先围绕磁导材料610和芯材612缠绕，且接着第一线圈615围绕第二线圈617、磁导材料610和芯材612缠绕。
第一线圈615的第一连接件连接到第一馈入连接件637。第一线圈615的第二连接件连接到第二线圈617的第一连接件，且连接到第二馈入连接件635。第二线圈617的第二连接件连接到电天线620内的导电表面630。
在图2中未示出但在图3中示出了导电表面630完全地、部分地或多重地围绕线圈615和617、磁导材料610和芯材612缠绕。在本说明书中，短语“围绕……缠绕”在本文中被定义成完全地(例如，至少360度角)、部分地(例如，小于360度角)或多重地(例如，超过360度角，例如若干匝线圈615和617围绕芯材612)环绕对象(例如，芯材612)。在一些示例实施例中，“围绕……缠绕”可仅涵盖围绕例如芯材612的对象的例如10度角。图2示出从线圈615和617、磁导材料610和芯材612解开的导电表面630。
应注意芯材612可具有任何形状或大小。芯材612还可以是以下各项中的至少一个：非磁性金属芯材、电池(例如，纽扣电池)或固体。芯材612可包括各种电路(例如，本文中所提及的电气设备)和/或对于运行电气设备或NFEMI天线600来说可能必需也可能不是必需的其它电气和机械零件。
在各种实施例中，磁导材料610可以物理方式也可不以物理方式触碰芯材612。举例来说，如果芯材612是可更换的电池，那么磁导材料610的大小将需要设定成准许电池的移除和更换。在另一例子中，如果芯材612是一次性使用的电池或可无线充电式电池，那么磁导材料610可直接附接到或涂布于电池的外表面上。在任一个例子中，磁导材料610无需覆盖非金属芯材612的外表面的全部。代替地，磁导材料610的大小可被设定成通过芯材612将磁性线圈615和617的信号的任何磁性衰减降低到预定义衰减水平。
在一些示例实施例中，馈入连接件637和635连接到电气设备(未示出)。电气设备实施例可包括：集成电路(IC)、RF IC、连接器端口或其它电路元件。电气设备中的电路元件可包括：具有电容和电阻调谐组的调谐电路、接收器电路和/或发射器电路。在各种示例实施例中，电气设备还可包括：无线电功能性、微处理器、数字信号处理器、音频放大器、数据处理单元、人机界面单元，和/或另一天线。
现提供第二NFEMI天线600的各个示例实施例的更多结构细节。
图3A、3B和3C是包括第二NFEMI天线600的示例结构300的不同视图。图3A、3B和3C将在一起论述。
第二NFEMI天线600示出有被磁导材料610包围的芯材612，所述磁导材料610接着被两个耦合的线圈615(L1)和617(L2)包围，所述两个耦合线圈615和617接着被具有间隙302的导电表面630包围。
在一些示例实施例中，芯材612可以是非磁性金属芯材、电池、空气或固体。在其它示例实施例中，芯材612是电气设备(未示出)。电气设备可以是：集成电路(IC)、RF IC、连接器端口、电路元件；调谐电路、接收器电路和/或发射器电路、无线电电路、微处理器、数字信号处理器、音频放大器、数据处理单元、人机界面单元，和/或另一天线。
芯材612包括周界且线圈615、617和磁导材料610环绕芯材612的周界。图3B示出线圈615(L1)和617(L2)可如何以大体上垂直于芯材612轴线的方式围绕磁导材料610缠绕的一个例子。
磁导材料610会阻止芯材612结构中将因芯材612中存在任何金属而易于抵消磁场的涡电流。换句话说，磁导材料610形成由线圈L1615、L2617产生的磁场线的低阻抗路径。磁通量集中在磁导材料610中，由此屏蔽芯材612。磁导材料610还增加天线600的整体电感，由此远离芯材612中的任何电子组件且朝向导电表面630在空间上放大磁通量，从而提高第二NFEMI天线600的能效和发射质量。
磁导材料610不必是连续的，而是可具有棋盘式或任何其它不连续的布局。在某些示例实施例中，磁导材料610可以是极薄的(例如，0.1mm厚)。磁导材料610材料的例子为来自制造商LAIRD的240-2799-ND。这种示例材料对于约10MHz的频率非常有效。在替代示例实施例中，磁导材料610可以是任何磁导材料。
在其它示例实施例中，额外传导层(未示出)可插入电子组件与磁导材料之间以减少通过电子电路进入天线产生的电干扰。
可使用电气设备(未示出)中的电容器组以载波频率调谐天线600的谐振频率。可使用同样在电气设备中的电阻器组来调谐天线600的带宽。电容和电阻调谐组两者可集成到RF IC(未示出)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。
如果磁导材料610永久地固定到芯材612(例如，平面薄片、铁氧体屏蔽、铁氧体薄片、包括悬浮的铁氧体颗粒的涂层或在一侧上具有胶粘剂的粘胶片)，那么在一个例子中，在芯材612是电池的情况下，电池甚至可用作线圈615和617和导电表面630的机械固持器，从而更容易地且更可预测地制造近场天线600。电池将保证磁性天线和电天线的直径以及磁性天线和电天线在最终产品中的放置。
以此方式，近场天线600可形成有较大直径和较大表面积且因此具有较强灵敏度，同时仅使最终产品增加极小体积且接近天线600的金属零件(例如纽扣电池芯材612)的存在不会产生很大影响。在此实施例中，无需涂布整个电池，仅使用薄薄的一层磁导材料610涂布电池外侧就已足够。
当如图3C中示出，导电表面630放置在与芯材相对的线圈外侧时，导电表面630中的间隙302阻止导电表面630屏蔽线圈615和617将磁信号辐射到外部环境。
可穿戴式装置可得益于此NFEMI天线600的结构。举例来说，在空间受限的电池供电的装置中，电池常常是最大的组件。如果近场无线电必须集成于此空间受限的装置中，那么关于如何放置现有技术近场天线以及将其放置在何处常常没有太多选择：通常现有技术近场天线会驻存成极接近于电池。使用前述NFEMI天线600结构，NFEMI能力可集成到例如可穿戴物、无线电系统、无线装置、助听器或耳塞等小型装置中。
在本说明书中，已经依据选定的细节集合而呈现示例实施例。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选定集合的许多其它示例实施例。希望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，包括：
芯材；
电天线，其包括导电表面；
磁性天线，其包括耦合到第二线圈的第一线圈；
第一馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的一个端部；
第二馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的另一端部且耦合到所述第二线圈的一个端部；
其中，所述第一馈入连接件和所述第二馈入连接件被配置成耦合到电气设备；
其中，所述第二线圈的另一端部耦合到所述导电表面；
磁导材料，其在所述磁性天线的第一侧与所述芯材之间；且
其中所述第一线圈、所述第二线圈、所述磁导材料和所述导电表面围绕所述芯材缠绕。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述第一线圈和所述第二线圈被配置成彼此磁耦合，且产生或响应磁场；且
所述导电表面被配置成产生或响应电场。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述芯材包括周界；且
所述第一线圈、所述第二线圈和所述磁导材料环绕所述芯材的所述周界。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述芯材包括电气设备；且
所述电气设备包括以下各项中的至少一个：集成电路(IC)、RF IC、连接器端口、电路元件；调谐电路、接收器电路和/或发射器电路、无线电电路、微处理器、数字信号处理器、音频放大器、数据处理单元、人机界面单元，和/或另一天线。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述芯材包括电气设备；
进一步包括传导层；且
其中所述传导层为以下各项中的至少一个：在所述电气设备与所述磁导材料之间或在所述磁导材料与所述线圈之间。
6.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准许插入和移除所述芯材。
7.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永久地附接到所述芯材。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述磁导材料是以下各项中的至少一个：平面薄片、铁氧体屏蔽、铁氧体薄片、包括悬浮的铁氧体颗粒的涂层，或在一侧上具有胶粘剂的粘胶片。
9.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：
使所述芯材屏蔽由所述线圈产生的磁通量；且
朝向与所述芯材相对的方向在空间上放大由所述线圈产生的磁通量。
10.一种可穿戴式装置，其特征在于，包括：
近场电磁感应(NFEMI)天线，所述近场电磁感应天线包括，
芯材；
电天线，其包括导电表面；
磁性天线，其包括耦合到第二线圈的第一线圈；
第一馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的一个端部；
第二馈入连接件，其耦合到所述第一线圈的另一端部且耦合到所述第二线圈的一个端部；
其中所述第一馈入连接件和所述第二馈入连接件被配置成耦合到电气设备；
其中，所述第二线圈的另一端部耦合到所述导电表面；
磁导材料，其在所述磁性天线的第一侧与所述芯材之间；且
其中所述第一线圈、所述第二线圈、所述磁导材料和所述导电表面围绕所述芯材缠绕；且
其中所述可穿戴装置是以下各项中的至少一个：无线电系统、无线装置、助听器或耳塞。
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