CN108695593A - 近场电磁感应（nfemi）天线 - Google Patents

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Abstract

一种示例近场电磁感应(NFEMI)天线，包括：电天线，具有第一表面和第二表面；磁性天线，具有第一、第二和第三线圈；第一馈送连接，耦合至所述第一线圈的一端以及所述第一表面；第二馈送连接，耦合至所述第一线圈的另一端并且耦合至所述第二线圈的一端；其中所述第二线圈的另一端耦合至所述第三线圈的一端；其中所述第三线圈的另一端耦合至所述第二表面；其中所述第一、第二和第三线圈被配置成承载来自同一方向的所述第一和第二馈送连接的时变电流；其中所述第一和第二线圈被配置成具有第一耦合系数；并且其中所述第一和第三线圈被配置成具有第二耦合系数。

Description

近场电磁感应(NFEMI)天线
技术领域
本说明书涉及用于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以在不使用横向辐射波的情况下在人体附近借助于磁场和电场的组合进行操作。此类NFEMI系统提高了可穿戴装置的信号链路预算并且将其范围扩展到整个人体。
虽然RF无线通信可以通过借助于自由空间传播RF平面波来完成，但是NFEMI通信利用了非传播准静态场。场的准静态特性是天线维度与载波频率组合的结果。大多数能量以磁场和电场的形式存储并且少量的RF能量不可避免地在自由空间中传播。
与载波波长相比，小型天线几何结构是近场通信的候选结构，因为其不会在自由空间中生成辐射波。此类天线可以是允许近场磁感应(NFMI)的线圈天线。其它天线借助于磁和电近场两者经由近场电磁感应(NFEMI)进行通信。此类天线在非常接近身体时将会生成局限于身体附近的场。
发明内容
根据示例实施例，一种示例近场电磁感应(NFEMI)天线，包括：电天线，包括第一导电表面和第二导电表面；磁性天线，包括第一线圈、第二线圈和第三线圈；第一馈送连接，耦合至所述第一线圈的一端以及所述第一导电表面；第二馈送连接，耦合至所述第一线圈的另一端并且耦合至所述第二线圈的一端；其中所述第二线圈的另一端耦合至所述第三线圈的一端；其中所述第三线圈的另一端耦合至所述第二导电表面；其中所述第一、第二和第三线圈被配置成承载来自同一方向的所述第一和第二馈送连接的时变电流；其中所述第一线圈被配置成与所述第二线圈有第一耦合系数；并且其中所述第一线圈被配置成与所述第三线圈有第二耦合系数。
在另一个示例实施例中，所述线圈中的每个线圈是串联耦合的。
在另一个示例实施例中，所述线圈中的每个线圈具有相同的缠绕方向。
在另一个示例实施例中，所述第一耦合系数大于所述第二耦合系数。
在另一个示例实施例中，通过用所述第一耦合系数除以所述第二耦合系数形成的比在0与1之间。
在另一个示例实施例中，所述第一和第二线圈被配置成双线缠绕的电线组；并且所述第三线圈并未被配置成所述双线缠绕的电线组的一部分。
在另一个示例实施例中，所述第一和第二线圈被物理地定位成间隔第一距离的平行电线组；所述第三线圈与所述平行电线组间隔第二距离；并且所述第二距离大于所述第一距离。
在另一个示例实施例中，所述线圈中的至少一个线圈以包括以下各项的形状形成：圆形、正方形、椭圆形或菱形。
在另一个示例实施例中，所述第三线圈位于由所述第一和第二线圈形成的圆周内部。
在另一个示例实施例中，所述第三线圈位于由所述第一和第二线圈形成的圆周外部。
在另一个示例实施例中，进一步包括平面基底；其中所述第一线圈在所述基底的一侧，并且所述第二和第三线圈在所述基底的另一侧。
在另一个示例实施例中，所述第一、第二和第三线圈以及所述第一和第二导电表面形成在所述基底上。
在另一个示例实施例中，所述基底包括以下各项中的至少一项：贴片、医疗贴片、空气、高介电材料或聚乙烯泡沫。
在另一个示例实施例中，所述天线被嵌入在被配置成附接到有生命实体的表面的医疗贴片中；并且所述贴片形成所述基底的一部分。
在另一个示例实施例中，所述第一、第二和第三线圈以及所述第一和第二导电表面绕芯缠绕。
在另一个示例实施例中，所述导电表面中的至少一个导电表面或者：平行于所述线圈、在所述线圈的中心、或者由所述线圈中的至少一个线圈形成。
在另一个示例实施例中，所述第一和第二导电表面在电气上是开放式的。
在另一个示例实施例中，所述第一和第二导电表面被隔开小于所述天线的通信频率的波长的距离。
在另一个示例实施例中，所述第一、第二和第三线圈被配置成彼此磁耦合、并且生成或响应磁场；并且所述导电表面被配置成生成或响应电场。
在另一个示例实施例中，所述天线被配置成以低于30Mhz的载波通信频率或以约10.6MHz进行操作。
在另一个示例实施例中，所述天线的所述第一和第二馈送连接耦合至电气设备；并且所述电气设备包括以下各项中的至少一项：无线装置、身体网络、集成电路(IC)、RFIC、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/或另一个天线。
根据示例实施例，一种可穿戴装置，包括：近场电磁感应(NFEMI)天线，包括：电天线，包括第一导电表面和第二导电表面；磁性天线，包括第一线圈、第二线圈和第三线圈；第一馈送连接，耦合至所述第一线圈的一端以及所述第一导电表面；第二馈送连接，耦合至所述第一线圈的另一端并且耦合至所述第二线圈的一端；其中所述第二线圈的另一端耦合至所述第三线圈的一端；其中所述第三线圈的另一端耦合至所述第二导电表面；其中所述第一、第二和第三线圈被配置成承载来自同一方向的所述第一和第二馈送连接的时变电流；其中所述第一线圈被配置成与所述第二线圈有第一耦合系数；并且其中所述第一线圈被配置成与所述第三线圈有第二耦合系数。
在另一个示例实施例中，所述可穿戴装置是以下各项中至少一项的一部分：身体网络、医疗贴片、无线电系统、助听器或耳塞。
以上讨论并不旨在表示当前或未来权利要求组的范围内的每个示例实施例或每种实施方式。随后的附图和具体实施方式也例证了各个示例实施例。
在结合附图考虑以下具体实施方式时，可以更彻底地理解各个示例实施例。
附图说明
图1A是第一近场电磁感应(NFEMI)天线的示例结构图。
图1B是被配置成连接到电气设备的第一NFEMI天线的示例等效电路。
图2A是被配置成连接到电气设备的第二NFEMI天线的示例等效电路。
图2B是第二NFEMI天线的示例结构图。
虽然本公开可采用各种修改和替代形式，但是本公开的细节已通过举例的方式示出在附图中并且将更加详细地进行描述。然而，应理解的是，除了所描述的特定实施例之外，其它实施例也是可能的。落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代性实施例也被涵盖。
具体实施方式
图1A是第一NFEMI天线600的示例结构图。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并且第二线圈617具有电感L2。线圈615和617均可被连接成使得其形成相比于第一线圈615与第二线圈617的电感和更大的电感。
线圈615和617均可以是空心线圈、形成平面结构、可以绕铁氧体或非铁氧体芯612缠绕、或可以绕导磁材料610(例如，平面片材、铁氧体屏蔽体、铁氧体片材或包括悬浮铁氧体颗粒的涂层)缠绕，导磁材料610然后绕芯612缠绕。在一个示例实施例中，线圈615和617以交错的方式绕芯612缠绕。在另一个示例实施例中，线圈615和617缠绕在彼此的顶部上。以此方式，第二线圈617先绕导磁材料610和芯612缠绕，并且然后第一线圈615绕第二线圈617、导磁材料610和芯612缠绕。
第一线圈615的第一连接被连接到第一馈送连接637。第一线圈615的第二连接被连接到第二线圈617的第一连接以及到第二馈送连接635。第二线圈617的第二连接被连接到电天线620内的导电表面630。
在非常接近身体时，天线600将会提供局限于身体附近的场。优选的传输频率为低于30MHz，以确保场遵循身体轮廓并且远场辐射大大降低。
图1A中未示出的是，导电表面630可以完全地、部分地或多重地绕线圈615和617、任何导磁材料610以及芯612缠绕。在本说明书中，短语“绕……缠绕”在本文中被限定为包括完全地(例如，以至少360度)、部分地(例如，以小于360度)或多重地(例如，以多于360度，如线圈615和617绕芯612的若干匝)环绕对象(例如，芯612)。在一些示例实施例中，“绕……缠绕”可以仅覆盖例如绕对象(如芯612)10度。
注意，芯612可以具有任何形状或大小。芯612还可以是非磁性金属芯、电池(例如纽扣电池)或固体中的至少一种。芯612可以包括各种电路系统(例如，本文中所参考的电气设备)和/或对于电气设备或NFEMI天线600的运行而言可能有必要或可能没有必要的其它电气和机械零件。
在一些示例实施例中，馈送连接637和635被连接到电气设备(未示出)。电气设备的实施例可以包括：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以包括：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。在各个示例实施例中，电气设备还可以包括：无线电功能、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/或另一个天线。
图1B是被配置成连接到电气设备(未示出)的第一NFEMI天线600的示例等效电路601。在电气上，电天线620(例如，短负载偶极)用电容Ca和电阻R1来表示。电阻R1表示将板材625和630隔开的介质的损耗。在一个示例实施例中，板材625和630与线圈615和617隔开，而在另一个示例实施例中，线圈615和617中的至少一个线圈还用作电天线620和电容板材625中的至少一项。
磁性天线605(例如，小型环形天线)至少用两个耦合线圈615、617电力地表示，其中第一线圈615具有电感L1并且第二线圈617具有电感L2。电阻R2表示耦合线圈的损耗。
现在讨论的是在发射模式下提供增大的磁场强度和增大的电场强度的NFEMI天线。接收模式下的接收到的电压也增大。第二NFEMI天线的结构可被集成到在人体附近的非常小的无线便携式产品中，如智能平面贴片、用于健康护理应用的身体网络装置、耳塞、助听器以及其它。
图2A是被配置成连接到电气设备(未示出)的第二NFEMI天线200的示例等效电路。第二NFEMI天线200包括：电天线202、磁性天线204、第一馈送连接206(F1)和第二馈送连接208(F2)。
在各个实施例中，天线200耦合至基底(未示出)(例如，平面片材、芯等)或芯(未示出)。在操作构型中，天线200耦合至电气设备(未示出)(例如，无线装置、身体网络、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/或另一个天线)。
为讨论清楚起见，将各个点220、222、224和226添加到图2A。这些点标识天线200的电路中的位置并且可以是或也可以不是存在某种物理连接的位置。
电天线202包括第一导电表面210(S1)和第二导电表面212(S2)。
磁性天线204包括第一线圈214(L1)、第二线圈216(L2)和第三线圈218(L3)。在第一线圈214(L1)与第二线圈216(L2)之间限定第一耦合系数(K1)。在第一线圈214(L1)与第三线圈218(L3)之间限定第二耦合系数(K2)。
第一馈送连接206耦合至第一线圈214的一端226以及第一导电表面210。第二馈送连接208耦合至第一线圈214的另一端224并且耦合至第二线圈216的一端224。第二线圈216的另一端222耦合至第三线圈218的一端222。第三线圈218的另一端220耦合至第二导电表面212。
第一线圈214(L1)、第二线圈216(L2)和第三线圈218(L3)各自被配置成承载来自同一方向的第一和第二馈送连接的时变电流。天线200的示例瞬时电流方向参见图2B。
在一些示例实施例中，第一馈送连接206(F1)和第二馈送连接208(F2)被连接到电气设备(未示出)(例如，收发器、无线电系统等)。
电天线202由第一导电表面210(S1)和第二导电表面212(S2)形成并且包括寄生电阻R1。表面210、212(S1、S2)被隔开并且以天线200的通信频率形成电容器Ca。
在一些实施例中，与天线200的通信频率的波长相比，两个210、212(S1、S2)之间的间隔非常小。例如，与天线200的30米通信频率波长相比，表面210、212(S1、S2)可以具有大约4mm的间隔。
电天线202的表面210、212(S1、S2)可被放置在基底(未示出)的两侧。基底材料可以是以下各项中的任一项或其组合：贴片、医疗贴片、空气、高介电材料或聚乙烯泡沫。R1表示表面210、212附接的基底材料的损耗。
在其它示例实施例中，电天线202可以通过将由磁性天线204的线圈214、216、218(L1、L2、L3)中的一个或多个线圈形成的第一导电表面210(S1)与第二导电表面212(S2)组合来形成。
在一个示例实施例中，磁性天线204由各自具有螺旋形状的三个平面线圈214、216、218(L1、L2、L3)形成。在一些示例实施例中，线圈214、216、218(L1、L2、L3)并不完全是平面的而是遵循由使用其的无线产品确定的形状。线圈214、216、218(L1、L2、L3)包括寄生电阻R2。电阻器R2表示耦合线圈214、216、218(L1、L2、L3)的损耗。
线圈214、216、218(L1、L2、L3)被配置成在操作期间彼此磁耦合、彼此串联连接并且各自具有相同的缠绕方向。
第一线圈214被配置成与第二线圈216具有第一耦合系统(K1)，并且第一线圈214被配置成与第三线圈218具有第二耦合系数(K2)。物理地定位第一线圈214(L1)和第二线圈216(L2)以产生第一耦合系数(K1)。第三线圈218(L3)相对于第一线圈214物理地定位以产生第二耦合系数(K2)。
用于计算第一耦合系数(K1＝第一线圈214(L1)与第二线圈216(L2)之间的耦合系数)的公式为：
K1＝(LT-L1-L2)/(2×(SQRT(L1×L2))，其中：
LT＝L1+L2+2*M1
L1＝第一线圈214(L1)的电感
L2＝第二线圈216(L2)的电感
M1＝线圈214(L1)与线圈216(L2)之间的互感
用于计算示例第二耦合系数(K2＝第一线圈214(L1)与第三线圈218(L3)之间的耦合系数)的公式为：
K2＝(LT-L1-L3)/(2×(SQRT(L1×L3))，其中
LT＝L1+L3+2*M2
L1＝第一线圈214(L1)的电感
L3＝第三线圈218(L3)的电感
M2＝线圈214(L1)与线圈218(L3)之间的互感
在某些示例实施例中，第一耦合系数K1与第二耦合系数K2之比为使得：0＜K2/K1＜1。精确的耦合系数比将会根据天线200的应用(例如，仅接收器、仅发射器、组合接收器-发射器等)变化。
在各个示例实施例中，第一线圈214(L1)与第二第二线圈216(L2)之间的耦合系数(即，K1)为0.5≤K1≤95，并且L1与L3之间的耦合系数(K2)为0.1≤K2≤0.5。
在其它示例实施例中，天线200包括双线部分228和非双线部分230。在此示例中，双线部分228包括像双线线圈一样缠绕以产生第一耦合系数(K1)的第一线圈214(L1)和第二线圈216(L2)。双线缠绕是除彼此之外的电线组缠绕的方法。这导致第一线圈214(L1)与第二线圈216(L2)之间相对较高的耦合系数。
非双线部分230包括第三线圈218(L3)，第三线圈218(L3)不与第一线圈214以及第二线圈216双线缠绕和/或还保持远离第一线圈214或第二线圈216中的任一线圈或两个线圈，以便产生弱于(小于)第一耦合系数(K1)的第二耦合系数(K2)。
电天线202的电场取决于跨由两个导电表面210、212(S1，S2)形成的电容器Ca的电压(V2)。由于电天线202表示高阻抗，因此在点220处加载的耦合线圈214、216、218(L1，L2，L3)具有以下电压传递函数：
Vgain＝V2/V1
Vgain＝1+(K1×SQRT(L2/L1))+(K2×SQRT(L3/L1))
因此，来自耦合至第一馈送连接(F1)和第二馈送连接(F2)的发射器源的信号被放大并且在电容器Ca上超过单位一。例如，对于平面线圈组214、216、218(L1，L2，L3)，在L1＝7匝、L2＝7匝、L3＝10匝(更多的L3匝数，因为匝的直径较小(即，L3是L1线圈和L2线圈的中心))并且表面面积为22×22mm的情况下，在Ca为10pF并且Ca阻抗在10MHz下为1.5千欧姆时，测得电压增益为2.56。
在某些实施例中，第一线圈214(L1)与第二线圈216(L2)之间的寄生电容需要减小成使得寄生电容不减小第一导电表面210(S1)与第二导电表面212(S2)之间的V2并且因此不干扰电天线202的信号。减小寄生电容的一种方法是将第一线圈214(L1)和第二线圈216(L2)放置在基底(未示出)的两侧。
在其它示例实施例中，线圈214、216、218(L1，L2，L3)可以绕对象(例如，芯)缠绕并且具有多种形状(例如，圆形、方形等)。
在耦合至天线200的馈送连接206、208(F1，F2)的电气设备是无线电系统的示例实施例中，无线电系统可以包含用于使第二NFEMI天线200以通信频率(例如，低于30Mhz和/或约10.6MHz)共振的可变电容器。无线电系统还可以包含用于限定适合于经调制的通信信号的天线的带宽的可变电阻器。
在电气设备是收发器的示例实施例中，在接收模式下，馈送连接206、208和调谐系统可以进一步被连接到低噪声放大器(LNA)和其它基带功能。在发射模式下，馈送连接206、208被连接到经调制的信号源。
图2B是第二NFEMI天线200的示例结构图。在此示例中，第三线圈218(L3)缠绕在第一线圈214(L1)和第二线圈216(L2)内部的平面基底上。
在替代实施例中，第三线圈218(L3)可以放置在第一线圈214(L1)和第二线圈216(L2)外部的平面表面上。
上文中所讨论的天线200提高了应用(如客户生活方式和健康护理)中无线通信的可靠性。天线200至少部分地通过在无线发射模式下生成更强的电场和磁场以及在无线接收模式下生成更高的电压来提供经改善的通信链路。
在天线被嵌入在贴片内的那些示例实施例中，贴片可以被配置成附接到有生命实体(例如，人体)的表面以用于引发诸如监测人的生命体征等功能或用于配给药物或其它治疗方法。
将容易理解的是，如本文中大体上描述的以及附图中展示的，实施例的部件可以以广泛的各种不同的构型来安排和设计。因此，如附图中表示的对各个实施例的更加详细的描述并非旨在限制本公开的范围、而仅仅是表示各个实施例。尽管在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非明确指示，否则附图并不一定按比例绘制。
本发明可以在不背离本发明的精神或必要特性的情况下以其它具体形式体现。所描述的实施例应在所有方面均被视为仅是说明性的且并非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非由此详细描述来指示。属于权利要求的等效物的含义和范围内的所有变化均应包含在其范围内。
贯穿本说明书，对特征、优点或类似语言的引用并非暗示可利用本发明实现的所有特征和优点应该或已经存在于本发明的任何单个实施例中。相反，指代特征和优点的语言应理解为意指结合实施例所描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定是指同一个实施例。
此外，所描述的本发明的特征、优点和特性可以以任何适当的方式组合到一个或多个实施例中。相关领域技术人员将认识到，鉴于本文中的描述，可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个具体特征或优点的情况下实践本发明。在其它实例中，在某些实施例中可以认识到可能并不存在于本发明的所有实施例中的附加特征和优点。
贯穿本说明，对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意指结合所指示的实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似语言可以但不一定都是指同一个实施例。

Claims (10)

1.一种近场电磁感应(NFEMI)天线，包括：
电天线，包括第一导电表面和第二导电表面；
磁性天线，包括第一线圈、第二线圈和第三线圈；
第一馈送连接，耦合至所述第一线圈的一端以及所述第一导电表面；
第二馈送连接，耦合至所述第一线圈的另一端并且耦合至所述第二线圈的一端；
其中所述第二线圈的另一端耦合至所述第三线圈的一端；
其中所述第三线圈的另一端耦合至所述第二导电表面；
其中所述第一、第二和第三线圈被配置成承载来自同一方向的所述第一和第二馈送连接的时变电流；
其中所述第一线圈被配置成与所述第二线圈有第一耦合系数；并且
其中所述第一线圈被配置成与所述第三线圈有第二耦合系数。
2.根据权利要求1所述的天线，
其中所述线圈中的每个线圈具有相同的缠绕方向。
3.根据权利要求1所述的天线，
其中所述第一和第二线圈被配置成双线缠绕的电线组；并且
其中所述第三线圈并未被配置成所述双线缠绕的电线组的一部分。
4.根据权利要求1所述的天线，
其中所述第一和第二线圈被物理地定位成间隔第一距离的平行电线组；
其中所述第三线圈与所述平行电线组间隔第二距离；并且
其中所述第二距离大于所述第一距离。
5.根据权利要求1所述的天线，
进一步包括平面基底；
其中所述第一线圈在所述基底的一侧，并且所述第二和第三线圈在所述基底的另一侧。
6.根据权利要求1所述的天线，
其中所述第一、第二和第三线圈以及所述第一和第二导电表面绕芯缠绕。
7.根据权利要求1所述的天线，
其中所述导电表面中的至少一个导电表面或者：平行于所述线圈、在所述线圈的中心、或者由所述线圈中的至少一个线圈形成。
8.根据权利要求1所述的天线，
其中所述第一和第二导电表面被隔开小于所述天线的通信频率的波长的距离。
9.根据权利要求1所述的天线，
其中所述第一、第二和第三线圈被配置成彼此磁耦合，并且生成或响应磁场；并且
其中所述导电表面被配置成生成或响应电场。
10.一种可穿戴装置，包括：
近场电磁感应(NFEMI)天线，包括：
电天线，包括第一导电表面和第二导电表面；
磁性天线，包括第一线圈、第二线圈和第三线圈；
第一馈送连接，耦合至所述第一线圈的一端以及所述第一导电表面；
第二馈送连接，耦合至所述第一线圈的另一端并且耦合至所述第二线圈的一端；
其中所述第二线圈的另一端耦合至所述第三线圈的一端；
其中所述第三线圈的另一端耦合至所述第二导电表面；
其中所述第一、第二和第三线圈被配置成承载来自同一方向的所述第一和第二馈送连接的时变电流；
其中所述第一线圈被配置成与所述第二线圈有第一耦合系数；并且
其中所述第一线圈被配置成与所述第三线圈有第二耦合系数。
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