CN109075819B - 用于mm波近场通信的无接触界面 - Google Patents

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Abstract

在系统(100)的所描述实例中，第一波导(110)具有耦合到所述第一波导(110)的端部的第一谐振器(112)。第二波导(111)具有耦合到所述第二波导(111)的第二谐振器(113)。所述第一谐振器(112)与所述第二谐振器(113)隔开间隙(104)距离。由所述第一波导(110)跨越所述间隙(104)传播到所述第二波导(111)的信号(203)的传输由所述第一谐振器(112)响应于耦合到所述第二谐振器(113)的传播波产生的受限近场磁场(205)增强。

Description

用于MM波近场通信的无接触界面
技术领域
此通常涉及替代用于系统模块间通信的物理/欧姆接触的近场通信(NFC)。
背景技术
在电磁及通信工程中，术语波导可是指在其端点之间传递电磁波的任何线性结构。最初及最常见的含义为用于载送无线电波的中空金属管。在例如微波炉、雷达组、卫星通信及微波无线电链路之类的设备中，此类型的波导出于例如将微波发射器及接收器连接到其天线的目的被用作传输媒体。
介电波导采用固体电介质芯而非中空管。电介质为可通过所施加的电场极化的电绝缘体。当电介质放置在电场中时，电荷不像其在导体中那样流过材料，而是仅从其平均平衡位置稍微偏移，从而导致介电极化。由于介电极化，正电荷向场位移，且负电荷在相反方向上移位。此产生内部电场，这减小电介质本身内的整个场。如果电介质由弱键合分子构成，那么那些分子变得极化，且其也重新定向，因此其对称轴与场对准。术语“绝缘体”意味着低导电性，但“电介质”通常描述具有高极化性的材料；其由称为介电常数(εk)的数字及/或由称为相对介电常数(εr)的数字表示。术语绝缘体通常指示电阻挡性，且术语电介质指示通过极化的材料的能量存储容量。
在金属管波导中的电磁波可经想象为在之字路径中沿所述波导向下行进，因此在所述波导的相对壁之间反复反射。对于矩形波导的特定状况，可基于所述视图进行精确分析。可以相同的方式观察介电波导中的传播，其中所述波因电介质表面处的全内反射而限制于所述电介质。
近场通信(NFC)为无线技术，允许两个装置在大约10cm或更小的短距离内通信。使用NFC的各种协议已在NFC论坛规范内进行国际标准化，例如经定义在ISO/IEC 18092、ECMA-340及ISO 14443。NFC允许移动装置与订户的直接环境进行交互。借助近距离非接触式技术，移动装置可用作信用卡以访问公共交通，访问安全位置以及更多应用。非接触式系统通常用作访问控制ID(例如，员工徽章)及公共交通等的支付系统。最近，信用卡开始包含NFC功能。
发明内容
在系统的所描述实例中，第一波导具有耦合到所述第一波导的端部的第一谐振器。第二波导具有耦合到所述第二波导的第二谐振器。所述第一谐振器与所述第二谐振器隔开间隙距离。由所述第一波导跨越所述间隙传播到所述第二波导的信号的传输由所述第一谐振器响应于耦合到所述第二谐振器的传播波产生的受限近场磁场增强。
附图说明
图1到2为说明借助于谐振器跨越两个波导之间的间隙的近场耦合的系统的侧视图。
图3A到3C、4更详细地说明放置在图1到2的波导中的实例波导耦合器及谐振器。
图5到7为说出图1到2的系统的模拟操作的标绘图。
图8为使用具有谐振器的波导来在模块之间进行NFC通信的实例系统的框图。
图9为图8的系统的模块的更详细的说明。
图10为图8的实例性系统的绘图说明。
图11为说明邻近模块之间的近场通信(NFC)的操作的流程图。
图12为使用跨越间隙的近场耦合的系统的另一实施例的横截面图。
图13到15说明使用谐振器来改进跨越波导之间的间隙的NFC的耦合效率的系统的其它实施例。
具体实施方式
在图式中，为一致性，相同的元件由相同的参考编号表示。
随着电子组件及系统中的频率增加，波长以对应方式减小。例如，许多计算机处理器现在在千兆赫范围内操作。随着操作频率增加到亚太赫兹，波长变得足够短使得超过短距离的信号线可充当天线且可能发生信号辐射。例如，在低介电常数为3的材料(例如印刷电路板)中，100GHz信号将具有大约为1.7mm的波长。因此，长度仅为1.7mm的信号线可充当全波天线且在材料中辐射相当大百分比的信号能量。
开放空间中的波在所有方向上传播，如球面波。以此方式，在远场范围中，其与距离的平方成比例地损耗其功率；即，在距源距离R处，功率为源功率除以R2。此随机波传播还可导致对位于附近的其它系统的干扰，且违反由例如FCC及IEC等标准机构设定的发射限制。
波导可用于在相对长的距离上传输高频信号。波导将波限制于以一维传播，使得在理想条件下，波在传播时不会损耗功率。沿着波导的轴的电磁波传播由波动方程描述，波动方程是从麦克斯韦方程导出的，且其中波长取决于波导的结构及其内部的材料(空气、塑料、真空等)，以及波的频率。常用的波导只有几个类别。最常见种类的波导为具有矩形横截面的波导，通常不是方形的波导。通常，此横截面的长边为其短边的两倍。这些对载运水平或垂直极化的电磁波是有用的。
针对亚太赫兹的射频(RF)信号遇到的非常小的波长，介电波导表现良好，且比制作中空金属波导便宜得多。此外，金属波导具有由波导的大小确定的频率截止。低于截止频率，不发生(电磁场的)传播。介电波导具有更宽的操作范围，没有固定的截止点。
使用具有波导的NFC耦合在各种模块之间分配信号可提供低成本互连解决方案。实施例可提供在不使用物理/欧姆接触的情况下介接可移除系统模块的方式。
图1到2为说明借助于谐振器112、113跨越两个波导110、111之间的间隙104的近场通信(NFC)的实例性系统100一部分的侧视图。在此实例中，衬底101可含有或耦合到高频电路，所述高频电路经配置以生成射频(RF)信号。在一些实施例中，RF信号可具有在大约10到200GHz的实例范围内的基频。衬底101可为使用用于电子系统及封装的任何常用或以后开发的材料实施的印刷电路板(PCB)，例如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、树脂玻璃等。
波导110可位于邻近的衬底101且远离衬底101延伸达距离D1。如上文中所述，波导110可为金属波导、介电波导、电介质填充金属波导，或其它已知或以后开发的用于传播RF信号的传输媒体。耦合器114可制作在衬底101上用于将RF信号发射到波导110中。例如，耦合器114可为连接到生成RF信号的电路的微带的短环路。在另一实施例中，耦合器114可为差分环路，其中每侧的微带线经差分馈电。其它实施例可使用其它已知的或以后开发的结构来将RF信号发射到波导110中。
类似地，另一衬底102可含有或耦合到经配置以接收RF信号的高频电路。在一些实施例中，RF信号可具有在大约10到200GHz的实例范围内的基频。衬底102可为使用用于电子系统及封装的任何常用或以后开发的材料实施的PCB，例如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、树脂玻璃等。
波导111可位于邻近的衬底102且远离衬底102延伸达距离D2。如上文中所述，波导111可为金属波导、介电波导、电介质填充金属波导，或其它已知或以后开发的用于传播RF信号的传输媒体。耦合器115可制作在衬底102上用于从波导110接收RF信号。例如，耦合器115可为连接到接收RF信号的电路的微带的短环路。在另一实施例中，耦合器114可为差分环路，其中每侧的微带线经差分馈电。其它实施例可使用其它已知的或以后开发的结构来从波导111接收RF信号。
一种谐振器112可经制作在波导110的与耦合器114相对的端部上，如下文中所描述。类似地，谐振器113可经制作在波导111的与耦合器115相对的端部上。在此实例中，含有谐振器112的波导110的端部与含有谐振器113的波导111的端部隔开间隙距离104。例如，间隙可仅为两端部之间的空间且充满空气。在一些实施例中，固体材料103可填充间隙104的全部或部分。固体材料103可为电介质或绝缘材料，例如塑料、玻璃、纤维玻璃、陶瓷，树脂玻璃等。
距离D1、D2可能对于其中衬底经封装在经定位紧密的系统模块内的应用相对较短，其实施例将在下文中进行描述。在其它应用中，在衬底101经定位距衬底102较远距离时，D1及/或D2可能较长。例如，衬底101可与衬底102分开数英寸、数英尺，或甚至几百英尺或更多。波导110、111允许信号限制及传播，其中在长距离上具有低损耗。
图2说明系统100中的NFC的操作。例如，发射结构114可为微带的短环路或在波导110中形成磁场202以匹配波导110的TE01模式磁场(H-field)的差分环路。此允许用于从微带传播模式转换到波导传播模式。然后，磁场202根据波导传播原理诱导传播电场(E-field)203。当传播电场203与谐振器112交互时，产生电流，所述电流产生受限近场模式磁场205。受限近场模式磁场205基本上为非辐射消逝场，其跨越间隙104与谐振器113磁耦合以在谐振器113中产生感应电流。然后谐振器113中的感应电流产生磁场206，所述磁场在波导111中感应传播的电场207。当电场207到达耦合器115时，磁场208生成RF信号，所述RF信号然后可经路由到衬底102上的接收器电路。
以此方式，RF信号可经由波导110、111跨越间隙104从衬底101上的电路传输到衬底102上的电路，其中由于邻近间隙的每一波导的端部处由谐振器产生的受限近场模式磁场而对邻近系统/组件的最小损耗或辐射。
图3A到3C、4更详细地说明放置在图1到2的波导中的实例性耦合器及谐振器。图3B为通过衬底301观察波导310的端视图。此处描述可应用于图1到2中的两个波导110、111。图3A说明可含有连接到波导耦合器314的RF电路的实例IC 320。IC 320可包含接收器电路，用于处理经由波导310或发射器电路在耦合器314上接收的RF信号用于产生由耦合器314发射到波导310的RF信号。例如，在一些实施例中，IC 320可含有发射器电路及接收器电路两者。
此外，例如，耦合器314可为经焊接到衬底301的离散环路。耦合器314可为差分环路，其在每一侧上具有微带321以为其差分馈电，如图3B中所说明。在图3A中，铜迹线321经配置为接地平面322上的微带。图3C说明另一实施方式，其中环314的一侧可经短路323接地以进行单端馈电。
参见图3B所示，谐振器312基本上为开环，其经配置以与其安装到的波导上传播波交互。例如，谐振器312可使用例如以下的已知或稍后开发的技术制作在单层衬底上且附接到波导310的端部：粘合剂，通过将衬底上的安装垫焊接到金属波导等。在一些实施例中，波导310可具有介电芯。在此状况下，可使用加法工艺(例如使用导电墨水的喷墨印刷)在介电芯的端部上形成谐振器312。在另一实施例中，谐振器312可安装在例如电介质103(再次参考图1)的电介质上，所述电介质与波导310的端部邻近。
图4为耦合器112及113的等距视图，说明耦合器可如何相对于彼此定向且由间隙104间隔开。
图5为说明图1到2的系统的模拟操作的场强标绘图。在此实例中，电场203在由矢量502指示的方向上传播通过波导110。当电场203遇到谐振器112时，产生强约束近场模式磁场，其在间隙104上磁耦合到谐振器113而没有附近系统/组件的重大损耗或辐射。受限场充当不会辐射的消逝场。
图6为说明在传播信号的波长中测量的耦合效率与间隙距离的标绘图。标绘线602说明无谐振器的系统，而标绘线604说明系统的操作，其中谐振器放置在间隙的任一侧上的波导的端部处。对于使用谐振器的0.35波长的实例性间隙，可观察到大约1dB的效率改进。如上文中所描述，对于100GHz的频率，在介电常数为3的材料中波长大约为1.7mm。
图7为说明耦合效率与频率的标绘图。标绘线702说明无谐振器的系统，而标绘线704说明系统的操作，其中谐振器放置在间隙的任一侧上的波导的端部处。在此实例中，波导经配置以具有在100GHz开始的传播模式1，以及在200GHz处开始的传播模式2。在此状况下，插入到间隙中的耦合谐振器经设计成具有有限带宽且可在选定的频带上增加耦合效率。
在另一实施例中，针对不同频率范围经调谐的数个谐振器可经插入以增加带宽。在另一实施例中，可使用宽带谐振器来增加带宽。
图8为使用具有谐振器的波导来在模块之间进行NFC通信的实例系统的框图。系统800为实例性可编程逻辑控制器，其使用模块之间的引导NFC通信。可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器为用于典型工业机电过程自动化的数字计算机，例如工厂装配线上的机器、游乐设施、灯具等的控制。在许多行业中，PLC用于许多机器中。PLC经设计用于数字及模拟输入及输出的多种布置、扩展的温度范围、电气噪声抗扰性以及抗振动及抗冲击性。控制机器操作的程序通常存储在备用电池或非易失性存储器中。PLC为“硬”实时系统的实例，因为输出结果必须在有限时间内响应输入条件而产生，否则将导致意外操作。PLC系统为已知且在此不详细描述(例如，参见2015年12月1日的“可编程逻辑控制器”，维基百科，其通过引用的方式并入本文中)。
在此实例中，数个模块被称为“线路卡”。各种类型的线路卡可安装在机箱或机架中，且经配置用于各种目的，例如：控制制造过程，控制建筑物中的加热及冷却，控制医疗设备等。因此，通常需要或希望电隔离以防止受控制的各种设备之间的接地回路或其它相互作用。过去，已使用各种类型的隔离装置，例如：光隔离器，变压器等。
此实例具有电源线路卡802，数据通信线路卡810及数个处理线路卡820、840、841。图8展示五个线路卡模块，但实例性机箱可容纳十个或多于十个模块。本文中说明使用线路卡的系统，但实施例不限于线路卡。各种类型的模块可使用本文中所描述的通信技术来提供可移除模块之间的可靠通信。
在此实例中，供电线路卡802耦合到电源，且又可产生可经由总线804分配的一或多个电压，所述总线可经由连接器(例如连接器805)耦合到线路卡中的每一者。通常，电压总线804可包含在为连接器805提供支撑的底板中。
例如，数据通信线路卡810可经配置以经由通信信道发送及接收数据到远程主机或另一机架或机箱。各种类型的通信线路卡810可容纳无线或有线接口。此外，例如，可通过线路卡810提供到本地或广域网的互联网连接。替代地，可通过线路卡810提供到Wi-Fi网络或蜂窝网络的无线连接。
例如，处理线路卡820可包含前端接口逻辑830、处理逻辑831及聚合器逻辑832。前端接口逻辑830可为各种类型的，以提供到经控制的设备的互连，例如：输入及输出信号，RS232/422/485兼容信号、数字信号、模拟信号等。可提供各种类型的逻辑，例如：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、继电器，触点等。处理逻辑831可包含各种类型的硬连线及可编程逻辑、微控制器、微处理器、存储器等。线路卡840、841等可与线路卡820相同或相似，且可包含给定控制任务所需的处理及接口逻辑的各种类型及组合。
在此实例中，每一线路卡经配置以允许其与两侧的其最近相邻者通信。例如，线路卡810可经由发射机811发射到具有接收机824的线路卡820。类似地，线路卡820可经由发射机823发射到线路卡810上的接收机815。同时，线路卡820可经由发送器822发射到邻近线路卡840且经由接收器821从邻近线路卡840接收。
以类似方式，系统800中的每一线路卡可以菊花链方式与每一其它线路卡通信。每一线路卡包含聚合器/解聚合器逻辑功能，例如线路卡820上的832，其允许每一线路卡识别用于其的菊花链上的通信。聚合器/解聚合器功能还允许线路卡发起通信分组，然后将其提供到菊花链，然后通过邻近线路卡传播到目标线路卡上的最终目的地。在此实施例中，菊花链以与互联网网络协议类似的方式操作，且每一聚合器832用作互联网接口。在另一实施例中，可使用不同类型的已知或以后开发的对等协议。
如上文中所描述，NFC可作为运输载具用于在每一邻近线路卡之间进行通信。如下文所述，波导段(例如波导815、825及816、826)可用于在每一邻近线路卡模块之间引导NFC，以便最小化信号传播且与其它系统及装置介接。
图9为用于图8的系统的模块的更详细的说明。图9说明代表系统800的各种模块810、820、840等的两个实例性线路卡模块921、922。模块921可包含其上安装有各种电路组件的衬底901，例如包含线路卡820的发射器及接收器(例如发射器823及接收器824及/或发射器822及接收器821)的集成电路(IC)951。在一些实施例中，每一发射器及接收器可存在单独的IC。例如，在另一实施例中，一或多个接收器及发射器可形成在单个IC中。类似地，模块922可包含衬底902，其上安装有各种电路组件，例如包含发射器及接收器的集成电路(IC)952。
集成电路951、952还可包含聚合逻辑、处理逻辑及前端逻辑，或额外IC可安装在衬底901、902上，其含有聚合逻辑、处理逻辑及前端逻辑。例如，衬底901可为单个或多层印刷电路板。IC 951及其它IC可使用取决于操作频率使用焊料凸块或键合的通孔或表面安装技术，或其它已知或以后开发的封装技术安装在衬底901上。衬底901、902可为用于电子系统及封装的任何常用或以后开发的材料，例如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、树脂玻璃等。
衬底901、902还可含有连接到被含在IC 951内的接收器/发射器的波导(WG)耦合器914。WG耦合器915也可为耦合到被含在IC 951、952内的接收器及/或发射器。WG耦合器914、915可类似于耦合器314，再次参考图3A及3B。耦合器可为安装在衬底901上的单独结构，或其可嵌入衬底901内。
波导910可安装在将其放置在WG耦合器914上方大致居中的位置中。类似地，波导911可安装在将其放置在WG耦合器915上方大致矩阵的位置中。以此方式，由WG耦合器914发出的大部分电磁能量将被波导910捕获并限制，且从而以最小的外部辐射及信号损耗被引导到邻近的模块。
如上文中所描述，谐振器可装配在波导910、911的端部中，以便将每一波导中的传播波转换往/返谐振器周围的受限近场模式消逝磁场以允许NFC穿过间隙距离904。实施例可在近场模式下操作，其中邻近模块之间的分离为由IC 951中的发射器发射的频率的波长的部分。例如，可使用100GHz到200GHz范围内的传输频率。然而，一些实施例可使用高于或低于此范围的频率。100GHz信号在空气中将具有大约3mm的波长。
可在左WG耦合器915与右WG耦合器914之间提供屏蔽963以最小化由每一WG耦合器产生的场的“反向散射”。例如，屏蔽963可为连接到模块的接地参考的导电层。屏蔽963与每一耦合器914、915间隔开大于λ/10的距离，其中λ为由耦合器发射的信号的波长，以避免可减小耦合器的带宽的电容效应。例如，εr为1的电介质中的30GHz信号的波长大约为10.0mm。在此实例中，衬底901为典型的PWB材料，其具有大约1.0的εr。因此，只要屏蔽与每一耦合器间隔开至少1mm的距离973，那么在以30GHz操作的系统中应使电容效应最小化。较低频率操作可能需要较大的间距。
近场模式可产生消逝场以耦合两个邻近谐振器912、913。消逝场的性质展现随远离源距离的指数衰减。由于模块921的谐振器912与仅数mm远的邻近模块922中另一谐振器913之间近接近，可使用近场模式中的消逝场同时减轻依照FCC第15部分所概述的发射限制/关注点来实现合理的TX到RX信号耦合。
最佳的模拟将为变压器的模拟。线圈之间的强自耦合导致减少对外部世界的直达干扰(leakage)。此外，任何直达干扰可能被认为是无意的。与对故意辐射的要求相比，依照FCC对无意发射要求大大放宽。
模块921可经封围在大致在961、961处所指示的外壳中。所述外壳的一侧经说明为面板961，且外壳的另一侧经说明为面板962(例如，金属或塑料)。通常，外壳厚度将为数mm。
此外，例如，波导910可为介电块。通过介电块的电磁波传播可由波动方程描述，波动方程是从麦克斯韦方程导出的，且其中波长取决于介电块的结构及其内部的材料(空气、塑料、真空等)，以及波的频率。波导910、911可能够通过具有显著大于周围材料及/或空气的介电常数及/或磁导率来限制由WG耦合器发出的场，这将显著减小由WG耦合器914发出的电磁场的波长。类似地，波导910、911可能够通过具有显著低于周围材料及/或空气的介电常数及/或磁导率来限制由WG耦合器发出的场，这将显著增加由WG耦合器914发出的电磁场的波长。替代地，波导910、911可由超材料构成，所述超材料导致WG耦合器914发出的电磁场的波长显著减小或增加。
例如，波导910、911可为具有相对介电常数大于大约2.0的介电块。类似地，波导910、911可为具有小于大约2.0的相对磁导率的介电块。
在另一实施例中，介电波导910可具有围绕外周的导电层以进一步限制及引导通过WG耦合器914辐射的电磁场。导电层可使用金属或非金属导电材来在波导910、911周围形成侧壁，例如：例如铜、银、金等金属，由离子掺杂形成的导电聚合物，碳及石墨基化合物，导电氧化物等。
根据模块壁961的材料及厚度，波导910可经简单地安装以邻近模块壁961的内表面，使得辐射信号穿过模块壁961。在一些实施例中，可在模块壁961中提供窗口，使得波导910的外表面可与模块壁961的外表面齐平、略微凹进或略微向前定位。波导定位在的外壳的表面上的一般位置在本文中将被称作为“端口”。
图9还说明可经定位邻近模块921的第二模块922的部分。模块922可具有包括面板962的外壳，所述面板将被称作为“左”面板。模块921可具有面板961，其将被称作为“右”面板。模块922可包含衬底902，所述衬底保持各种IC，例如可包含接收器及发射器的IC 952，以及WG耦合器914、915。模块922还可包含定位在邻近左面板962且与模块921中的WG 910对准的波导911。
当模块921及模块922经安装在机箱中，右面板961将紧密接近左面板962，如在904处所指示。模块921的波导910及模块922的波导911经配置使得其彼此大约对准。以此方式，由IC 951中的发射器生成的信号可经提供到耦合器914，辐射到波导910中，且因此经引导到谐振器912，且然后由模块922的谐振器913接收，发射到波导911中，由衬底902上的耦合器914接收，且因此提供到IC 952中的接收器。
模块921或922可从机箱容易移除或插入到机箱中，对先前要求在模块之间传递信号的触点无任何磨损。此外，使用谐振器912、913的NFC在模块921与模块922之间提供完全电隔离。不需要额外的隔离机制。
图10为作为图8的系统800的另一视图的实例系统1000的绘图说明。背板1006提供一组连接器1005，用于向每一线路卡提供电力，如关于图1的连接器105所描述。如所展示，每一线路卡模块可通过简单地拉动模块以将其从连接器1005断开而从背板1006移除。通常，还将提供机架或机箱以及背板1006以在线路卡插入到连接器1005时支撑线路卡。
每一线路卡模块经封围在一个外壳中，所述外壳可由塑料或其它合适的材料制成。如上文中所描述，每一线路卡可具有WG耦合器、波导及谐振器，其经布置以在模块的每一侧上形成非接触式通信端口。例如，模块1010可在模块的右侧具有端口1055，而模块1020可在模块的左侧具有端口1056，当将两个模块插入到底板1006中时，端口1056与端口1055对准。
类似地，模块1020可在模块的右侧上具有另一端口(未展示)，而模块1040可在模块的左侧具有端口(未展示)，当将两个模块插入到底板1006中时，所述模块对准。所有模块可在每一模块的两侧上具有类似端口对以允许所有模块之间的菊花链通信，如上文中所描述。
图11为说明模块之间的近场通信的操作的流程图，如上文中所描述。此外，如上文中所描述，模块可为用于工业、商业及住宅应用的可编程逻辑控制系统的部分。通常的系统可包含安装有一组模块的机架或机箱。每一模块可使用近场通信与邻近的相邻模块通信，其中在一个模块中生成的RF信号可为使用辐射耦合、近场耦合或消逝耦合或此等模式的任意组合耦合到邻近模块中的接收器的EM。
例如，射频(RF)信号可在第一模块中生成1102。在图1到10的实例中，RF信号可具有在100GHz到200GHz的范围内的频率。然而，其它系统可通过调整本文中所描述的场耦合及场限制组件的物理大小来使用更高或更低频率的RF信号。
可响应于来自第一模块中的第一波导耦合器的RF信号而发出1104RF电磁场。例如，RF电磁场可为在微带环路中形成的行波的结果，如结合图3A及图3B所描述。
通过第一模块中的波导将所发出的RF电磁场限制并引导1106到波导的端部处的谐振器。响应于波导中的传播电磁场，可通过谐振器生成受限近场模式磁消逝场。
所述消逝场可感应耦合1108到位于邻近第二模块中的波导的端部的类似谐振器。如上文中所描述，两个谐振器在模块安装在系统中时位于紧密接近的位置，且因此使向周围环境发出的能量的损失最小化。如上文中所描述，此耦合通过EM耦合执行，且可使用来自谐振器的发射电磁场的近场。耦合还可利用由第一WG耦合器形成的消逝场。传播场的某一部分(来自第一模块中的波导)可辐射跨越模块之间的间隙。取决于邻近模块之间的间隔，可能出现这些耦合模式中的一个或另一个或组合。例如，此可简化符合FCC发射要求的过程。
然后，将所发出的RF电磁场传播1110到第二模块中的第二WG耦合器。
然后，可将所得RF信号提供1112到第二模块上的RF接收器。如上文中所描述，系统中的多个模块可以菊花链方式通信，使得任何模块可能够与系统中的任何其它模块通信。
也可以使用已知的标准通信协议(例如因特网协议)，将菊花链NFC物理媒体视为以太网。因特网协议(IP)是因特网协议套件中用于跨越网络边界中继数据报的主要通信协议。IP的任务为仅基于数据包标头中的IP地址将数据包从源主机递送到目标主机。为此，IP定义囊封待递送的数据的数据包结构。其还定义用于通过源及目标信息标记数据报的寻址方法。IP的第一主要版本，因特网协议版本4(IPv4)，为因特网的主要协议。其后继者为因特网协议版本6(IPv6)。
另一实施方案可使用其它已知或以后开发的通信协议来使用如本文中所描述的菊花链NFC物理媒体进行通信。
以此方式，实施例可提供使用近场通信技术的系统的可移动模块之间的高吞吐量通信。本文中所描述的技术可比例如光学耦合器的替代方案更便宜。NFC允许模块之间的非接触式通信，且因此消除在可能需要模块之间隔离的系统中进行额外隔离的需要。
图12为使用跨越间隙1204的近场耦合的系统1200的部分的另一实施例的横截面图。在此实例中，衬底1201具有形成在衬底内的波导1210。衬底1201可为使用用于电子系统及封装的任何常用或以后开发的材料实施的印刷电路板(PCB)，例如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、树脂玻璃等。集成电路1220可安装在衬底1201上且耦合到波导1210，例如使用类似于图3A的耦合器314的耦合器。在胡安赫布萨默尔(Juan Herbsommer)等人的“使用偶极天线及反射器在集成电路与介电波导之间的接口(Interface Between an IntegratedCircuit and a Dielectric Waveguide Using a Dipole Antenna and a Reflector)”的专利第US 9,306,263号中描述在衬底中形成且耦合到IC的波导的其它实例，所述专利以引用的方式并入本文中。
第二波导1211可经配置以介接到波导1210。如上文中所描述，放置在波导1211的端部中的和邻近的谐振器1212及放置在波导1210的端部中的邻近谐振器可改进跨越间隙1204的耦合效率。在此实例中，可在衬底1201的部分上或整体上形成绝缘或介电层1202。层1202可由各种材料形成，例如：二氧化硅、玻璃、石英、陶瓷、塑料等。
图13说明具有用于较大间隙的多个谐振器的系统1300的部分。在此实例中，波导1310、1311由较大间隙1304分离。如上文中所描述，谐振器1312、1313可放置在波导1310、1311的端部中以改进跨越间隙1304的耦合效率。然而，再次参考图6，随着间隙变宽，耦合效率随间隙变宽而降低。超过大约一半波长间隙，效率可能太低而不能获得良好的结果。
例如，安装跨过间隙间隔开的一或多个谐振器1314可允许每对谐振器之间的间隙的有效长度将在下面保持大约为0.5波长。
图14说明其中谐振器安装在邻近波导1410、1411的端部的电介质上的系统1400的部分。如上文中所描述，谐振器1412、1413可改进跨越间隙1404的耦合效率。在此实例中，谐振器1412、1413可将应用于形成间隙的全部或部分的电介质1461、1462的表面。例如，再次参考图9，电介质1461可表示模块的右面板961，而电介质1462可表示模块的左面板962。以此方式，波导1410、1411可为简单的波导，当组装每一模块时，所述波导经定位邻近谐振器1412、1413。
图15说明其中波导1510及波导1511形成其间具有间隙1504的“T”交叉的系统1500的部分。在此实例中，谐振器1512、1513可安装在波导中以改进跨越间隙1504的耦合效率。在其它实施例中，其它交叉配置也可用谐振器改进，例如：90度弯曲交叉，45度弯曲交叉等。
各种其它实施例为可能的。例如，本文中描述可编程逻辑控制器系统，但其它类型的模块化系统可体现实例实施例的各方面以改进可靠性。
本文中描述引导NFC端口位于模块侧面的模块，但在另一实施例中，端口可位于模块的边缘上，其中配合端口位于背板或与模块的边缘邻近的其它表面上。
本文中描述菊花链通信配置，但在另一实施例中也可形成其它拓扑。例如，可通过在背板上提供与每一模块中的边缘安装端口配合的端口来形成树形拓扑。
本文中描述简单的介电块，但另一实施例可使用金属或非金属导电材料以在所述波导场限制器上形成侧壁，例如：由离子掺杂形成的导电聚合物、碳及石墨基化合物，导电氧化物等。
例如，电介质或超材料波导场限制器可使用喷墨印刷法或其它3D打印处理来制作在衬底或模块面板的表面上。
本文中描述具有聚合物介电芯的介电波导场限制器，但其它实施例可将其它材料用于介电芯，例如陶瓷、玻璃等。
本文中描述具有矩形横截面的波导，但其它实施例可容易实施。例如，波导可具有正方形、梯形、圆柱形、椭圆形或许多其它选定几何形状的横截面。
例如，导电波导的介电芯可选自大约2.4到12的范围。这些值适用于通常可用的聚合物介电材料。当其变得可用时，可使用具有更高或更低值的介电材料。
本文中描述在100GHz到200GHz的范围内亚太赫兹信号，但WG耦合器、具有谐振器的波导，以及用于分配更高或更低频率信号的系统可使用被本文中所描述的原理通过相应地调整波导及谐振器的物理大小来实施。
在数字系统中的组件可用不同的名称提及及/或可以本文中未展示的方式组合而不脱离所描述的功能性。在本说明书中，术语“耦合”及其派生词意指间接、直接、光学及/或无线电连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接电连接，通过经由其它装置及连接的间接电连接，通过光电连接，及/或通过无线电连接。
尽管方法步骤可以顺序的方式呈现及描述，但所展示及所描述的步骤中的一或多者可经省略、重复、同时执行，及/或以不同于图式中所展示及/或本文中所描述的次序的次序执行。因此，实例性实施例不限于图式中所展示及/或本文中所描述的步骤的特定顺序。
在权利要求书的范围内，修改在所描述实施例中是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (18)

1.一种系统，其包括：
模块，其包含：衬底；所述衬底上的波导耦合器；所述衬底上的射频RF电路，所述RF电路耦合到所述波导耦合器；以及外壳，其围绕并封围所述衬底，所述外壳的表面具有端口区域；
第一波导，其布置于所述模块内并且在所述波导耦合器与所述端口区域之间，以通过所述端口区域传播从所述波导耦合器发出的近场及/或消逝耦合电磁能量，所述第一波导具有耦合到其端部的第一谐振器；及
第二波导，其具有耦合到所述第二波导的第二谐振器，
所述第一谐振器与所述第二谐振器间隔开间隙距离，且所述间隙距离的部分由所述端口区域形成，
其中所述第一谐振器附接到所述端口区域中的所述外壳的壁的内部。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二谐振器耦合到所述第二波导的端部。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二波导与所述第一波导经对准呈在其间具有所述间隙距离的“T”交叉配置，且所述第二谐振器经定位于在所述T交叉处的所述第二波导的侧上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一波导与所述第二波导为金属波导。
5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括经定位在所述第一谐振器与所述第二谐振器之间的间隙中的一或多个额外谐振器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一谐振器为导电开环。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导耦合器为短环路，其具有来自所述RF电路的单端馈电。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导耦合器为差分馈电环路。
9.一种系统，其包括：
衬底；
第一波导，其具有耦合到其端部的第一谐振器；
第二波导，其形成于所述衬底中、并且具有耦合到所述第二波导的第二谐振器；及
介电层，其形成在所述衬底上，所述第一波导定位在所述介电层上；
所述第一谐振器经定位邻近所述第二谐振器且与所述第二谐振器间隔开所述介电层的间隙距离。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述介电层为玻璃。
11.一种系统，其包括：
第一模块，其中所述第一模块包含：
衬底，其上安装有射频RF发射器电路，所述射频RF发射器电路耦合到位于所述衬底上的第一波导耦合器；
外壳，其围绕且围封所述衬底，所述外壳在所述外壳的表面上具有第一端口区域；第一波导，其位于所述第一波导耦合器与所述外壳上的所述第一端口区域之间；以及
第一谐振器，其邻近所述第一端口区域处的所述第一波导的端部，
其中所述第一谐振器附接到所述第一端口区域中的所述外壳的壁的内部。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一模块进一步包含：
RF接收器，其经安装在所述衬底上且耦合到位于所述衬底上的第二波导耦合器；及
第二波导，其位于所述第二波导耦合器与所述外壳上的第二端口区域之间；及
第二谐振器，其邻近所述第二端口区域处的所述第二波导的端部。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一端口区域位于所述外壳的侧上且所述第二端口区域位于所述外壳的相对侧上，使得在所述第一模块安装在所述系统中且具有第三端口区域的第二模块安装所述系统中邻近所述第一模块时，所述第一模块的所述第一端口区域将与所述第二模块的所述第三端口区域对准。
14.根据权利要求11所述的系统，其进一步包含：
背板，其具有用于附接多个模块的多个位置；
多个模块，其附接在所述背板上，其中所述模块中的每一者具有第一端口及第二端口；
其中每一模块的所述第一端口区域与邻近模块的所述第二端口区域对准。
15.一种用于通过系统中的多个波导发射信号的方法，其中所述系统包括：
模块，其包含：衬底；在所述衬底上的波导耦合器；在所述衬底上的射频RF电路，所述RF电路耦合到所述波导耦合器；以及外壳，所述外壳围绕并且封围所述衬底，所述外壳的表面具有端口区域；
第一波导，其布置于所述模块内并且在所述波导耦合器与所述端口区域之间，以通过所述端口区域传播从所述波导耦合器发出的近场及/或消逝耦合电磁能量，所述第一波导具有耦合到其端部的第一谐振器；及
第二波导，其具有耦合到所述第二波导的第二谐振器，
所述第一谐振器与所述第二谐振器间隔开间隙距离，且所述间隙距离的部分由所述端口区域形成，
其中所述第一谐振器附接到所述端口区域中的所述外壳的壁的内部，
所述方法包括：
以导波传输模式将所述信号传播通过所述第一波导；
通过所述第一波导的端部处的所述第一谐振器将所述导波信号转换成受限近场模式磁场；
将所述磁场磁耦合到所述第二波导的端部处的所述第二谐振器；及
通过所述第二谐振器将所述磁场转换成导波，使得所述信号以导波传输模式传播通过所述第二波导。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述导波转换成受限近场模式磁场包含响应于所述导波在所述第一谐振器中产生循环电流。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述波导选自由金属波导、介电波导、带状线路及传输线路组成的群组。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述间隙距离为使用选自由电介质、空气及玻璃组成的群组的材料填充。
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