CN109217905B

CN109217905B - 用于近场通信系统的锥形同轴发射结构

Info

Publication number: CN109217905B
Application number: CN201810684815.4A
Authority: CN
Inventors: B·S·库克; N·布鲁克斯; S·桑卡兰; B·A·克莱默; M·W·摩根; B·哈罗恩
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: US20190007486A1; US10171578B1; CN109217905A

Abstract

本申请涉及用于近场通信系统的锥形同轴发射结构。本申请提供了一种系统，该系统中一组模块(221)的每一个具有基板(250)，在基板(250)上安装射频(RF)传输器和/或RF接收器(251)。每个模块具有围绕和包围该基板的外壳(260)。该外壳在外壳的表面上具有端口区域。每个模块具有位于基板与外壳上的端口区域之间的锥形近场通信(NFC)场限制器(255)，该锥形近场通信(NFC)场限制器(255)被配置成将由RF传输器产生的电磁能量导引到端口区域，使得电磁能量可被放射到邻近模块的端口区域。

Description

用于近场通信系统的锥形同轴发射结构

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及2017年6月29日提交的美国专利申请US15/638,146。该申请以引用方式并入本文。

技术领域

本公开一般涉及使用近场通信(NFC)代替物理/欧姆接触以用于系统模块之间的通信。

背景技术

近场通信(NFC)是无线技术，该无线技术允许两个装置在约10厘米或更少的短距离内通信。使用NFC的各种协议已在NFC论坛规范内进行国际标准化，并且在例如ISO/IEC18092、ECMA-340和ISO 14443中进行了定义。NFC允许移动装置与订户的直接环境交互。用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、以访问安全位置以及更多应用程序。非接触式系统常常用作访问控制ID(例如，员工徽章)以及用于公共交通的支付系统等。最近，信用卡开始包括NFC能力。

典型的NFC系统用诸如具有大的边缘电场或磁场的线圈或电容板的结构依靠低频信号来促进短距离内的信号传送。然而，这些低频限制了数据速率。为了增加数据速率，必须增加载波的频率，并且必须为该载波分配大的带宽。

电容率是一种材料属性，其表达由于电极化造成的每单位米的材料的能量储存的量度(J/V²)/(m)。相对电容率为电荷之间的电场相对于真空减小或增加的因子。电容率通常由希腊字母ε表示。相对电容率也常常被称为介电常数。

导磁率为响应于施加的磁场材料支持其自身内磁场的形成的能力的量度。导磁率通常由希腊字母μ表示。

电介质为可通过施加的电场极化的电绝缘体。当将电介质放置在电场中时，电荷不像它们流过导体那样流过材料，而是仅从它们的平均平衡位置稍微偏移，从而致使电介质极化。因为电介质极化，所以正电荷朝向场移位，并且负电荷在相反方向上偏移。这创建了一内部电场，其减少电介质本身内的整个场。如果电介质由弱结合的分子组成，则这些分子不仅变得极化，而且还重新取向，使得它们的对称轴线与场对准。虽然术语“绝缘体”意指低导电性，但是“电介质”通常用于描述具有高极化率的材料，该高极化率由称为相对电容率(εr)的数字表达。术语绝缘体一般用于指示电阻碍，而术语电介质用于指示材料凭借极化的能量储存容量。

附图说明

现在将仅以举例的方式且参考附图来描述根据本公开的特定实施例：

图1为在模块之间使用导引的NFC通信的示例性系统的框图；

图2至图4为包括用于图1的系统的锥形同轴发射结构的模块的更详细图示；

图5为图1的示例性系统的立体图示；以及

图6为示出邻近模块之间的NFC的操作的流程图。

从附图且从以下的详细描述，本发明的多个实施例的其它特征将是明显的。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本公开的具体实施例。为了一致性，各个图中的相似元件由相似的附图标记指代。在以下本公开的实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说将明显的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其它情况下，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。

如上面提及的，近场通信(NFC)为短程无线连接技术，当装置彼此接触或使装置在彼此的几厘米内时，该短程无线连接技术使用磁场感应以使得装置之间能够通信。例如，使用NFC的几种通信协议(诸如ISO/IEC 18092、ECMA-340和ISO 14443)现已被标准化。各种标准规定了装置建立对等(P2P)网络以交换数据的方式。

非接触式系统常常被用作访问控制ID(例如，员工徽章)以及用于公共交通的支付系统等。最近，信用卡开始包括NFC能力。然而，开放空间中的波(如球面波)在所有方向上传播。以该方式，远场与距离的平方成比例的损失功率；也就是说，在距源距离R处，功率为源功率除以R的平方。此类随机波传播也可导致对位于近旁的其它系统的干扰，并且违反由标准机构诸如FCC设定的发射限值。

典型的近场通信(NFC)系统用如具有大边缘电场或磁场的线圈或电容板的结构依靠低频信号在短距离(几毫米)内执行信号传送。然而，这些低频限制了数据速率。为了增加数据速率，必须增加载波的频率，并且必须为载波分配大的带宽。因为当距离和线圈/电容器尺寸比波长短得多时，感应和电容通信工作得最好，所以典型的NFC技术在高频下不能很好地工作。例如，13.56MHz具有22米的波长，而13.56GHz具有仅22毫米的波长。

本公开的实施例可通过使用锥形同轴场限制块以限制传输器(TX)与接收器(Rx)之间的电磁场来增加NFC系统的频率和带宽，以在大带宽上传输和接收场。导电电场反射器可定位在锥形同轴场限制块的背面上以另外增加传送到相邻模块的NFC场能的量。

锥形同轴NFC场限制器可用于将射频(RF)信号传导到特定区域，其中由RF信号产生的电磁场可被放射以产生与另一模块的近场通信。例如，NFC场限制器(FC)可用作在系统中的模块之间通信的介质。锥形同轴NFC FC可具有中央导电元件，该中央导电元件由电介质材料围绕，该电介质材料经选择为具有高介电常数或高导磁率的，以便通过减少辐射能量的波长来限制NFC能量。

锥形同轴NFC场限制器也可由超材料构成。超材料为经工程改造具有尚未在自然中发现的属性的智能材料。它们由多个元件的组装制成，该多个元件来自复合材料(诸如金属或塑料)。材料往往以重复结构布置，该结构的尺度小于它们影响的现象的波长。超材料不是从基础材料的属性而是从它们新设计的结构获得超材料的属性。超材料可被设计成具有负相对电容率和/或负相对导磁率。此类超材料可被称为“负折射率材料”。超材料现在为众所周知的，并且本文不需要另外描述；参见例如2015年12月2日的“超材料(metamaterials)”维基百科，该“超材料”维基百科以引用方式并入本文。

使用与导电反射器和场限制器耦合的NFC在各种模块之间分布信号可提供低成本互连解决方案。本公开的实施例提供在不使用物理/欧姆接触的情况下接合可移除系统模块的方式。

图1为在模块之间使用导引的NFC通信的示例性可编程逻辑控制器100的框图。可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器是用于典型工业机电过程的自动化的数字计算机(诸如工厂组装线上的机械、游乐设施、灯具等的控制)。PLC用于很多行业中的很多机器中。PLC被设计用于数字和模拟输入和输出、扩展的温度范围、对电噪声有抗扰性，以及对振动和冲击有抵抗力的多种布置。控制机器操作的程序通常储存在电池备份或非易失性存储器中。PLC为“硬”实时系统的示例，因为必须在有限的时间内响应于输入条件产生输出结果；否则可导致意外操作。PLC系统是众所周知的，并且本文不需要详细描述；例如参见：在2015年12月1日的“可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)”维基百科，其以引用方式并入本文。

在该示例中，存在将被称为“线路卡”的几个模块。各种类型的线路卡可装配在底架/机箱(chassis)或机架(rack)中，并且被配置用于各种目的，诸如：控制制造过程、控制建筑物中的加热和冷却、控制医疗设备等。同样地，经常需要或期望电隔离以防止正被控制的设备的各件之间的接地回路或其它相互作用。在过去，已使用各种类型的隔离装置，诸如：光隔离器、变压器等。

在该示例中，存在电源线路卡102，数据通信线路卡110以及几个处理线路卡120、140、141。虽然图1中示出了五个线路卡模块，但是典型的底架可容纳十个或更多个模块。虽然本文示出使用线路卡的系统，但是本公开的实施例不限于线路卡。各种类型的模块可使用本文解释的通信技术，以便在可移除模块之间提供可靠的通信。

在该示例中，电源线路卡102耦合到功率源，并且进而可产生可经由总线104分布的一个或更多个电压，总线104可经由连接器(诸如连接器105)耦合到线路卡的每个。通常，一条或更多条电压总线104可被包括在为连接器105提供支撑的背板(backplane)中。

例如，数据通信线路卡110可被配置成经由通信信道将数据发送到远程主机或另一机架或机箱/底架(chassis)，并且经由通信信道接收数据。各种类型的通信线路卡110可适应无线或有线接口。例如，可由线路卡110提供到本地或广域网的互联网连接。供选择地，可由线路卡110提供到Wi-Fi网络或到蜂窝网络的无线连接。

例如，处理线路卡120可包括前端接口逻辑130、处理逻辑131以及聚合器逻辑132。前端接口逻辑130可为各种类型以提供与正被控制的设备的互连，诸如：输入和输出信号、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，诸如：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、继电器、触点等。处理逻辑131可包括各种类型的硬连线和可编程逻辑、微控制器、微处理器、存储器等。线路卡140、线路卡141等可与线路卡120相同或类似，并且可按给定控制任务需要，包括各种类型的处理和接口逻辑以及其各种组合。

在该示例中，每个线路卡被配置成允许它与两侧上的其最近邻通信。例如，线路卡110可经由传输器111传输到具有接收器124的线路卡120。类似地，线路卡120可经由传输器123传输到线路卡110上的接收器115。同时，线路卡120可经由传输器122传输到邻近线路卡140，并且线路卡120可经由接收器121从邻近线路卡140进行接收。

以类似的方式，系统100中的每个线路卡可以菊花链方式与每个其它线路卡通信。每个线路卡包括聚合器/解聚器逻辑功能，诸如线路卡120上的132，132允许每个线路卡辨识呈递给它的菊花链上的通信。聚合器/解聚器功能也允许线路卡发起通信包，然后将该通信包提供到菊花链，并且然后该通信包通过邻近线路卡传播到目标线路卡上的最终目的地。在该实施例中，菊花链以与互联网络协议类似的方式操作，并且每个聚合器132充当互联网接口。在另一个实施例中，可使用不同类型的已知或以后开发的对等协议。

如上面提及的，NFC可用作运输工具以在每个邻近线路卡之间通信。如下面将更详细地描述的，FC段(诸如FC 115、FC 225以及FC 116、FC 126)可用于在每个邻近线路卡模块之间导引NFC，以便使信号扩展和与其它系统和装置的接口最小化。

图2至图4为用于图1的系统的模块的更详细图示。图2示出代表系统100的各种模块110、模块120、模块140等的示例线路卡模块221。例如，模块221可包括基板250，在基板250上安装各种电路部件，诸如可包括一个或更多个传输器和一个或更多个接收器(例如，如图1中所示的线路卡120的传输器123和接收器124和/或传输器122和接收器121)的集成电路(IC)251。在一些实施例中，可存在用于每个传输器和接收器的单独的IC。在另一个实施例中，例如，一个或更多个接收器和传输器可形成在单个IC中。本公开的实施例可以在近场模式中操作，其中邻近模块之间的间距是由IC 251中的一个或更多个传输器传输的频率的波长的一小部分。例如，可使用10GHz至30GHz范围内的传输频率。然而，一些实施例可使用比该范围更高或更低的频率，诸如5GHz-100GHz。

集成电路251也可包括聚合逻辑、处理逻辑和前端逻辑，或者可存在安装在基板250上的附加IC，附加IC包括聚合逻辑、处理逻辑和前端逻辑。例如，基板250可为单个或多层印刷电路板。可使用通孔或表面安装技术(取决于操作频率而使用焊料凸块或压焊)或其它已知的或以后开发的封装技术，将IC 251和其它IC安装在基板250上。基板250可为用于电子系统和封装的常常使用的或以后开发的任何材料，诸如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、丙烯酸等。

近场模式可产生可用于耦合两个邻近NFC装置的消逝场。自然情况下的消逝场随远离表面的距离呈现指数衰减。由于NFC FC 255与邻近模块中的另一个NFC FC非常接近——之间仅几毫米远，所以可使用近场模式下的消逝场实现合理的TX到RX信号耦合，同时减轻根据FCC第15部分概述的发射限值/问题。

最好的类比为变压器。线圈之间的强自耦合导致到外部世界的泄漏减少。此外，任何泄漏可认为是无意的。根据FCC对于无意的辐射的要求大大宽松于其对于有意的发射的要求。

模块221可被包围在大致在260处指示的外壳中。例如，外壳的一侧被示出为面板261，面板261可为金属或塑料。通常，外壳将为几毫米厚。

如由运动矢量270所指示的，当组装外壳260时，NFC场限制器255可安装到面板261，其位置为将其放置成大约定心在接触凸块253的上方且邻近接触凸块253。接触凸块253位于带状线252的端部处，带状线252连接到IC251内的传输器电路的输出(或接收器电路的输入)。场限制器255本质上为一小段锥形同轴传输线，并且包括由电介质层257和导电外层258围绕的导电中心元件256。如由矢量270所指示的，当外壳260被组装时，接触凸块253将与场限制器255的导电元件256的底表面接触。在另一个实施例中，可初始将NFC FC255安装在基板250上，其中中心元件256与带状线252接触，并且当外壳260被组装时，中心元件256被配置成跨越基板250与侧面板261之间。以该方式，由IC 251中的传输器电路产生的大部分RF信号将被场限制器255捕获且限制，并且由此以最小的外部辐射和信号损失被定向到邻近模块。

场限制器255可减少辐射泄漏，并且由此有助于服从FCC(联邦通信委员会)。在5GHz-100GHz区域中的操作产生厘米/毫米波频率，厘米/毫米波频率允许在模块260中的NFC场限制器255与邻近模块中的邻近NFC FC之间的放宽松的空间对准限度。

导电反射器表面280可定位在带状线252后面，以将反向散射场重定向到通过NFCFC 255的期望的传播方向。

根据模块壁261的材料和厚度，场限制器255可被简单地安装到模块壁261的内表面或定位在邻近模块壁261的内表面，使得辐射信号穿过模块壁261。在一些实施例中，例如，可在模块壁261中提供窗口，使得场限制器255的外部表面可安装成与模块壁261的外表面齐平、稍微凹进或稍微凸出。场限制器所位于的外壳的表面上的一般位置在本文中将被称为“端口”。

图3示出可位于邻近模块221的第二模块322的一部分的横截面视图。模块322可具有包括面板362的外壳，该面板362将被称为“左”面板。模块221可具有将被称为“右”面板的面板261。模块322可包括基板350，其保持可包括接收器和传输器的各种IC。模块322也可包括安装到左面板362或邻近左面板362的锥形同轴场限制器355。

如在371处所指示的，当模块221和模块322被装配在底架中时，右面板261将与左面板362很靠近。模块221的场限制器255和模块322的场限制器355被配置成使得它们彼此大约对准。以该方式，由IC 251中的传输器生成的信号可传导到接触凸块253，传导通过场限制器255中的导电元件256。从锥形NFC FC 255端部放射的电磁波由此被定向到场限制器356，场限制器356然后可生成得到的RF信号，其可被提供到基板350上的接收器。

可容易地将模块221或模块322从底架移除或插入到底架中，而不会对先前在模块之间传达信号所需的触点有任何磨损或撕扯。此外，介电场限制器255、介电场限制器356在模块221与模块322之间提供完全电隔离。不需要附加的隔离机制。

在该示例中，每个NFC FC 255、NFC FC 355可具有一般圆形的横截面；然而，在其它实施例中，可使用其他形状，诸如椭圆形、正方形、矩形等。内部导电构件256和外部导电层258的直径在邻近右面板261的端部处比在与接触凸块253接触的相对的端部处大。FC355从基板350到左面板362类似地逐渐变细。同轴传输线的特性阻抗和外层258的内部直径与内部元件256中的外表面的直径的比率成比例。因此，随着FC 255的直径朝向右面板261增加，特性阻抗增加。这进而增加了电场与磁场的比率(E/H)。例如，FC 255可被配置成在与接触凸块253接触的端部处具有大约50欧姆的特性阻抗以匹配带状线252的特性阻抗，并且被配置成在其邻近右面板261的相对的端部处具有与空气匹配的特性阻抗(377欧姆)。在FC255与FC 355之间的接口处具有较高的阻抗将增加FC 255与FC 355之间的近场耦合。虽然邻近右面板的377欧姆的特性阻抗可为最佳的，但是其它实施例可被配置成提供小于377欧姆但大于50欧姆的阻抗。接近于空气的阻抗的阻抗可为优选的，但不是至关重要的。宽范围的阻抗是可接受的；接近于377欧姆的较高值可在模块之间提供稍微更好的耦合。

内部导电元件256和导电层258可用金属或非金属导电材料(诸如：金属(铜、银、金等)、通过离子掺杂形成的导电聚合物、基于碳和石墨的化合物、导电氧化物等)制造。例如，可用于电介质层257的常见电介质材料可具有大约2-3的相对电容率(ε_R)。在一些实施例中，电介质区域257可为空气或填充有空气的多孔材料。

例如，NFC FC 255(以及类似的NFC FC 355)可制造成单独的部件，并且然后安装到侧壁261或到基板250。NFC FC 255可由单独模制或冲压零件制造，然后将单独模制或冲压零件组装在一起。在另一个实施例中，可使用导电和非导电源材料使用三维(3D)打印来制造NFC FC 255以形成完整的组件。在一些实施例中，NFC FC 255可直接3D打印在侧壁261上或直接3D打印在基板250上。

图4为类似于图3的模块221、模块322的两个模块421、模块422的更详细的图示。该视图代表朝向背板看的模块的横截面视图。在该示例中，模块421、模块422被包装在塑料外壳中，每个塑料外壳可形成为两个“蛤壳”，如在461、462处指示的。虽然这里示出两个封装元件，但是可使用的各种封装的配置来组装其它实施例，例如可具有多于两个部分的封装配置。

每个模块可具有一个或更多个基板，诸如基板450。在该示例中，基板450为多层印刷布线板(PWB)；然而，例如，其它实施例可使用背对背安装的两个PWB。如上面更详细地描述的，一个或更多个IC 451安装在基板450上，并且含有传输器和接收器。处理逻辑和聚合器逻辑也可包括在一个或更多个IC 451中。左NFC FC 456可经由形成在基板450的一个或更多个层上的带状线454耦合到IC 451中的接收器。类似地，右NFC FC 455可经由形成在基板450的一个或更多个层上的带状线452耦合到IC 451中的传输器。

可在左NFC FC 456与右NFC FC 455之间提供屏蔽件480，以使由带状线452、带状线454产生的场的“反向散射”最小化。屏蔽件480可连接到用于模块的接地基准。

当模块421和模块422彼此邻近放置时，由FC 455形成的模块421的NFC端口和由NFC耦合器456-2形成的模块422的NFC端口将形成电磁(EM)耦合，电磁(EM)耦合允许由IC451中的传输器生成的信号从NFC FC 455电磁耦合到NFC FC 456-2，并且然后提供到IC451-2中的接收器。类似的过程可用于通过使用第二组NFC FC或通过共享NFC FC 455、NFCFC 456-2将信号从IC 451-2中的传输器传输到IC 451中的接收器。

在该示例中，FC通过外壳壁中的开口突出，并且FC 455和FC 457的外表面边缘与外壳的外表面齐平，使得模块421和模块422的外壳之间的间隙471确定FC 455与FC 456-2之间的间隙。使间隙最小化将使横越间隙时逸出的辐射能量的量最小化。

在模块421的另一个实施例中，NFC场限制器455可被配置成在模块外壳面板461的内表面处停止。在该情况下，例如，外壳面板461的介电特性可被选取为大约等于NFC场限制器456的介电特性。

供选择地，NFC场限制器的外表面可高出于外壳面板的外表面。以该方式，可减少邻近NFC场限制器之间的间隙。

在另一个实施例中，可将柔性非导电层添加到模块的邻接NFC场限制器的一个或两个表面上，以便填充模块之间的间隙。具有介电常数2.5至3.5的橡胶材料的示例为硅树脂。具有类似特性的可被使用的其它材料分成两种类型：不饱和橡胶和饱和橡胶。

不饱和橡胶包括：例如，合成聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁橡胶、丁基橡胶、卤化丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶等。

饱和橡胶包括：例如，EPM(乙烯丙烯橡胶)、EPDM橡胶(三元乙丙橡胶)、表氯醇橡胶(ECO)、聚丙烯酸酯橡胶(ACM、ABR)、硅酮橡胶(SI、Q、VMQ)、氟硅橡胶(FVMQ)、含氟弹性体(FKM和FEPM)氟橡胶、氟碳橡胶、全氟弹性体(FFKM)、聚醚嵌段酰胺(PEBA)、氯磺化聚乙烯合成橡胶(CSM)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)等。

图5为图1的系统100的另一个视图的示例性系统500的立体图示。如关于图1的连接器105所解释的，背板506提供用于向每个线路卡提供功率的一组连接器505。如可由图示看到的，通过简单地拉动模块以将模块与连接器505断开连接，每个线路卡模块从背板506可移除。通常，也将提供机架或底架连同背板506以在线路卡插入连接器505中时支撑线路卡。

每个线路卡模块被包围在外壳中，该外壳可由塑料或其它合适的材料制成。如上面更详细描述的，每个线路卡可具有被布置为在模块的每侧上形成非接触式通信端口的NFC耦合器和锥形同轴场限制器。例如，当两个模块插在背板506中时，模块510可在模块的右侧上具有端口555，而模块520可在模块的左侧上具有与端口555对准的端口556。

类似地，当两个模块插在背板506中时，模块520可在模块的右侧上具有另一个端口(未示出)，而模块540可在模块的左侧上具有对准端口(未示出)。如上面更详细描述的，所有模块可在每个模块的两侧上具有类似的端口对以允许所有模块之中的菊花链通信。

如上面更详细描述的，图6为示出模块之间的近场通信的操作的流程图。如上面更详细描述的，模块可为用于工业、商业和住宅应用的可编程逻辑控制系统的一部分。典型的系统可包括装配一组模块的机架或底架。每个模块可使用近场通信与邻近邻居模块通信，其中在一个模块中生成的RF信号可使用辐射耦合、近场耦合或消逝耦合或这些模式的任何组合EM耦合到邻近模块中的接收器。

例如，如在框602中所指示的，可在第一模块中生成射频(RF)信号。在图1至图6的示例中，RF信号可具有在10GHz-30GHz的范围内的频率。然而，其它系统可通过调整本文所述的场耦合和场限制部件的物理尺寸，使用处于更高或更低的频率的RF信号。

如在框604中所指示的，RF信号可使用带状线或微带传输线(例如，诸如图2至图3中的带状线252)传导到接触点。

如在框606中所指示的，然后可使用锥形近场通信(NFC)场限制器将RF信号从接触点传导到模块中的端口区域。例如，NFC场限制器可类似于图2至图3中的场限制器255。场限制器本质上为一小段锥形同轴传输线，并且包括由电介质层和导电外层围绕的导电中心元件。如上面更详细描述的，场限制器为锥形的，并且具有接触点附近的第一特性阻抗值和在端口区域处的第二较高特性阻抗值。在邻近模块中的场限制器之间的端口区域接口处具有较高阻抗将增加邻近场限制器之间的近场耦合。

RF信号的一部分可以反向散射方式辐射。如在框608处所指示的，导电反射器可放置在NFC场限制器后面以反射反向散射能量的一部分。

如在框610中所指示的，响应于RF信号可从第一模块的端口区域中的NFC场限制器的端部放射RF电磁场。如在框610中所指示的，然后放射的RF电磁场可耦合到第二模块中的第二锥形NFC场限制器。如上面更详细描述的，该耦合通过EM耦合执行，并且可使用放射的电磁场的近场。该耦合也可使用从第一NFC场限制器传播到第二NFC场限制器的辐射能量。该耦合也可使用由第一NFC场限制器形成的消逝场。如在框612中所指示的，根据邻近模块之间的间隔，可出现这些耦合模式中的一个或组合以生成RF信号。

如在框614中所示的，然后可将得到的RF信号提供到第二模块上的RF接收器。如上更详细描述的，系统中的多个模块可以菊花链方式通信，使得任何模块能够与系统中的其它任何模块通信。

可使用已知的标准通信协议，诸如互联网协议(IP)，将菊花链NFC物理介质视为以太网。互联网协议(IP)为用于横跨网络边界而中继数据报的互联网协议组中的主要通信协议。IP具有仅仅基于包报头中的IP地址将包从源主机递送到目的地主机的任务。为此，IP定义了包结构，其压缩待递送的数据。它也定义了寻址方法，该寻址方法用于标记具有源和目的地信息的数据报。IP的第一主要版本，互联网协议版本4(IPv4)，是互联网的占主导地位的协议。其后继者是互联网协议版本6(IPv6)。

另一个实施例可使用另一个已知的或以后开发的通信协议，用于使用如本文所述的菊花链NFC物理介质通信。

以该方式，本公开的实施例可使用近场通信技术在系统的可移除模块之间提供高吞吐量通信。例如，本文所述的技术可比供选择的方案(诸如光学耦合器)便宜。NFC允许模块之间的非接触式通信，并且由此消除系统中附加的隔离需求，该需求可需要模块之间的隔离。

其它实施例

虽然已参考说明性实施例描述了本公开，但是此描述不意在被解释为限制意义。在参考该描述时，本公开的各种其它实施例对于本领域技术人员将是明显的。例如，虽然描述了可编程逻辑控制器系统，但是为了提高可靠性，其它类型的模块化系统可实现本公开的方面。

虽然本文公开了以垂直于基板安装的锥形同轴导电传输线形式的NFC FC，但是在其它实施例中，NFC FC可以歪斜的方式配置和安装，使得两个或更多个NFC FC可安装在基板的相对侧上，并且仍然耦合到与邻近模块中的端口区域对准的端口区域。在该情况下，基板上的接触凸块可从模块的表面上的端口区域偏移。

虽然在本文描述的模块中，导引的NFC端口位于模块的侧面上，但是在另一个实施例中，例如，端口可位于模块的边缘上，与其配对的端口位于背板或邻近模块的边缘的其它表面上。

虽然本文公开了被包围在外壳中的模块，但是在其它实施例中可省略外壳。在一些实施例中，例如，该模块可被包围在模制化合物中。

虽然本文描述了菊花链通信配置，但是在另一个实施例中可形成其它拓扑。例如，可通过在背板上提供与每个模块中的边缘安装端口配对的端口来形成树形拓扑。

例如，可使用3D打印过程将电介质或超材料锥形场限制器制造到基板或模块面板的表面上。

虽然本文已描述了具有聚合物电介质层的场限制器，但是其它实施例可使用其它材料用于电介质层，例如，诸如陶瓷、玻璃等。

虽然本文描述了具有圆形横截面的锥形同轴场限制器，但是可容易地实施其它实施例。例如，场限制器可具有为矩形、梯形、圆柱形、椭圆形或其它经选择的几何形状的横截面。

例如，可从大约2.4-12的范围中选择锥形FC的电介质层。这些值用于通常可用的聚合物电介质材料。具有更高或更低值的电介质材料可在它们变得可用时使用。

虽然本文讨论了10GHz-30GHz范围内的亚太赫兹信号，但是用于分布更高或更低频率信号的锥形NFC FC和系统可通过相应地调整场限制器的物理尺寸使用本文描述的原理来实施。例如，5Ghz-100Ghz范围内的信号可与适当尺寸的锥形NFC FC一起使用。

贯穿该描述和权利要求使用某些术语来引用特定的系统部件。如本领域技术人员将了解的，数字系统中的部件可通过不同的名称来引用，和/或可以本文未示出的方式进行组合，而不脱离所描述的功能。本文不旨在区分名称不同但功能相同的部件。在以下讨论中且在权利要求中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)”以开放式方式使用，并且因此应释义为意指“包括但不限于......”。再者，术语“耦合”及其派生词旨在意指间接的、直接的、光学的和/或无线的电连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，则该连接可通过直接电连接、通过经由其它装置和连接的间接电连接、通过光学电连接和/或通过无线电连接。

虽然方法步骤可以顺序方式在本文中展示和描述，但是所示出和描述的步骤中的一个或更多个可被省略、重复、同时执行和/或以与图中所示和/或本文所述的次序不同的次序执行。因此，本公开的实施例不应被认为限于图中所示和/或本文所述的步骤的特定次序。

因此可以预期的是，所附权利要求将覆盖落入本公开的真实范围和精神内的实施例的任何此类修改。

Claims

1.一种系统，其包括：

模块，所述模块包括：基板，在所述基板上安装有射频传输器即RF传输器，所述RF传输器具有输出端；外壳，所述外壳在所述外壳的表面处具有端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有导电元件，所述导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述端口区域处终止的第二端部；以及导电反射器，所述导电反射器定位在所述锥形传输线的背面上，以将反向散射场重定向到通过所述锥形传输线的特定的传播方向，其中所述锥形传输线的特性阻抗从所述第一端部到所述第二端部沿着所述锥形传输线的长度增加，并且所述锥形传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面，其中所述电介质为空气。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，沿所述锥形传输线的所述长度的轴线垂直于所述基板。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述锥形传输线填充所述端口区域与所述基板之间的间隙。

4.根据权利要求1所述的系统，其中从所述锥形传输线放射的电磁场具有在5GHz-100GHz的范围内的频率。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述锥形传输线为锥形近场通信场限制器，即锥形NFC场限制器。

6.一种系统，其包括：

模块，所述模块包括：基板，在所述基板上安装射频传输器即RF传输器，所述RF传输器具有输出端；外壳，所述外壳在所述外壳的表面处具有端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有导电元件，所述导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述端口区域处终止的第二端部；以及导电反射器，所述导电反射器定位在所述锥形传输线的背面上，以将反向散射场重定向到通过所述锥形传输线的特定的传播方向，其中所述锥形传输线的特性阻抗从所述第一端部到所述第二端部沿着所述锥形传输线的长度增加，以及所述锥形传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面，其中所述外表面为导电的，并且耦合到所述基板的接地基准。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述锥形传输线为锥形近场通信场限制器，即锥形NFC场限制器。

8.根据权利要求6所述的系统，其中沿所述锥形传输线的所述长度的轴线垂直于所述基板。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述锥形传输线填充所述端口区域与所述基板之间的间隙。

10.根据权利要求6所述的系统，其中从所述锥形传输线放射的电磁场具有在5GHz-100GHz的范围内的频率。

11.一种系统，其包括：

模块，所述模块包括：基板，在所述基板上安装有射频传输器即RF传输器和RF接收器，所述RF传输器具有输出端，并且所述RF接收器具有输入端；外壳，所述外壳在所述外壳的表面处具有第一端口区域和第二端口区域；第一锥形传输线，所述第一锥形传输线具有第一导电元件，所述第一导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述第一端口区域处终止的第二端部，其中所述第一锥形传输线的特性阻抗从所述第一端部到所述第二端部沿着所述第一锥形传输线的长度增加，并且所述第一锥形传输线具有通过第一电介质与所述第一导电元件分离的外表面；第二锥形传输线，所述第二锥形传输线具有第二导电元件，所述第二导电元件具有耦合到所述RF接收器的所述输入端的第三端部和在所述第二端口区域处终止的第四端部，其中所述第二锥形传输线的特性阻抗从所述第三端部到所述第四端部沿着所述第二锥形传输线的长度增加，并且所述第二锥形传输线具有通过第二电介质与所述第二导电元件分离的外表面；以及屏蔽件，所述屏蔽件提供在所述第一锥形传输线和所述第二锥形传输线之间，以减小反向散射。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一锥形传输线和所述第二锥形传输线为锥形近场通信场限制器即锥形NFC场限制器。

13.根据权利要求11所述的系统，其中沿所述第一锥形传输线的所述长度的第一轴线垂直于所述基板，且沿所述第二锥形传输线的所述长度的第二轴线垂直于所述基板。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一锥形传输线填充所述第一端口区域与所述基板之间的第一间隙，且所述第二锥形传输线填充所述第二端口区域与所述基板之间的第二间隙。

15.根据权利要求11所述的系统，其中从所述第一锥形传输线放射的电磁场具有在5GHz-100GHz的范围内的频率。

16.一种系统，其包括：

第一模块，所述第一模块包括：基板，在所述基板上安装有射频传输器即RF传输器，所述RF传输器具有输出端；外壳，所述外壳在所述外壳的表面上具有第一端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有导电元件，所述导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述第一端口区域处终止的第二端部；以及导电反射器，所述导电反射器定位在所述锥形传输线的背面上，以将反向散射场重定向到通过所述锥形传输线的特定的传播方向，其中所述锥形传输线的特性阻抗从所述第一端部到所述第二端部沿着所述锥形传输线的长度增加，以及所述锥形传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面；以及

背板，所述背板具有用于分别附接所述第一模块和第二模块的第一位置和第二位置，因此当所述第一模块和所述第二模块附接到所述背板时，所述第一端口区域与所述第二模块的第二端口区域对准。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述锥形传输线为锥形近场通信场限制器即锥形NFC场限制器。

18.根据权利要求16所述的系统，其中沿所述锥形传输线的所述长度的轴线垂直于所述基板。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述锥形传输线填充所述第一端口区域与所述基板之间的间隙。

20.根据权利要求16所述的系统，其中从所述锥形传输线放射的电磁场具有在5GHz-100GHz的范围内的频率。

21.一种系统，其包括：

模块，所述模块包括：基板，在所述基板上安装有射频传输器即RF传输器，所述RF传输器具有输出端；外壳，所述外壳在所述外壳的表面上具有端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有导电元件，所述导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述端口区域处终止的第二端部；以及导电反射器，所述导电反射器定位在所述锥形传输线的背面上，以将反向散射场重定向到通过所述锥形传输线的特定的传播方向，其中所述锥形传输线的特性阻抗从所述第一端部到所述第二端部沿着所述锥形传输线的长度增加，并且所述锥形传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面，并且所述第一端部耦合到所述基板上的接触凸块，并且所述接触凸块从所述端口区域横向偏移，以及所述锥形传输线歪斜以填充所述端口区域与所述接触凸块之间的间隙。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述锥形传输线为锥形近场通信场限制器即锥形NFC场限制器。

23.根据权利要求21所述的系统，其中沿所述锥形传输线的所述长度的轴线垂直于所述基板。

24.根据权利要求21所述的系统，其中所述锥形传输线填充所述端口区域与所述基板之间的间隙。

25.根据权利要求21所述的系统，其中从所述锥形传输线放射的电磁场具有在5GHz-100GHz的范围内的频率。

26.一种在系统中传输信号的方法，所述方法包含：

在模块中生成第一射频信号即第一RF信号；

在所述模块中生成第二RF信号；

通过第一信号线将所述第一RF信号传导到第一接触点；

通过第二信号线将所述第二RF信号传导到第二接触点；

通过第一锥形近场通信场限制器即第一锥形NFC场限制器限制所述第一RF信号并将其从所述第一接触点定向到所述模块的第一端口区域，其中所述第一锥形NFC场限制器具有在所述第一接触点处的第一特性阻抗值和在所述第一端口区域处的第二特性阻抗值；

通过定位在所述第一锥形NFC场限制器的背面上的导电反射器，将反向散射场重定向到通过所述第一锥形NFC场限制器的特定的传播方向；

通过第二锥形NFC场限制器限制所述第二RF信号并将其从所述第二接触点定向到所述模块的第二端口区域，其中所述第二锥形NFC场限制器具有在所述第二接触点处的第三特性阻抗值和在所述第二端口区域处的第四特性阻抗值；

响应于所述第一RF信号而从所述模块的所述第一端口区域放射第一RF电磁场；以及

响应于所述第二RF信号而从所述模块的所述第二端口区域放射第二RF电磁场。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述模块为第一模块，且所述方法还包括：

在邻近所述第一模块的第二模块的第三端口区域处接收所放射的第一RF电磁场，

通过第三锥形NFC场限制器限制得到的RF信号并将其从所述第三端口区域定向到第三接触点，其中所述第三锥形NFC场限制器具有在所述第三接触点处的第五特性阻抗值和在所述第三端口区域处的第六特性阻抗值；以及

将所述得到的RF信号提供到所述第二模块的RF接收器。