CN110365370B - 近场通信装置、近场医疗感测装置及可穿戴装置 - Google Patents
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Abstract
一个例子公开了一种近场通信装置，其包括：近场天线；具有第一表面和第二表面的保形材料；其中所述第一表面介电耦合到所述天线；并且其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构。
Description
技术领域
本说明书涉及用于近场通信的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
近场电磁感应(NFEMI)通信是基于非传播准静态电场和磁场。相比之下，RF无线通信是基于通过自由空间传播RF平面波。
近场的准静态特性是天线尺寸与载波频率相结合的结果。大多数近场能量以磁场和电场的形式存储，然而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。
发明内容
根据示例实施例，一种近场通信装置，其包括：近场天线；具有第一表面和第二表面的保形材料；其中所述第一表面介电耦合到所述天线；并且其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构。
在另一个示例实施例中，所述介电耦合包括所述第一保形表面与所述天线之间的绝缘电介质。
在另一个示例实施例中，所述绝缘电介质是以下中的至少一种：聚合物、塑料、ABS、皮革、棉、FR4材料、腕表带、衣服、非金属层或印刷电路板。
在另一个示例实施例中，所述第二表面与所述主体结构之间的所述电流耦合是以下中的至少一种：碳浸渍的聚氨酯泡沫；导电纤维网、导电颗粒掺杂材料或金属层。
在另一个示例实施例中，所述保形材料具有均匀的导电性。
在另一个示例实施例中，所述保形材料的所述第一表面具有第一导电性；并且所述保形材料的所述第二表面具有第二导电性。
在另一个示例实施例中，所述保形材料包括内芯；并且所述保形材料的所述内芯具有第三导电性。
在另一个示例实施例中，所述保形材料响应于所述近场天线与所述主体结构之间的空间移动而在厚度上是自适应的。
在另一个示例实施例中，所述保形材料具有属于以下中的至少一种的导电性质：单层、多层、均匀、各向同性、各向异性、均质或非均质。
在另一个示例实施例中，所述保形材料具有包括低导电性区域和较高导电性区域的非均质图案；并且所述较高导电性区域位于所述保形材料最可能接触所述主体结构的位置。
在另一个示例实施例中，所述保形材料具有小于100K欧姆/cm2的电阻。
在另一个示例实施例中，所述主体结构是有机结构或生物表面。
在另一个示例实施例中，所述主体结构是以下中的至少一种：无机结构、包装、衣服、车辆表面、椅子、墙壁和/或商品。
在另一个示例实施例中，所述天线包括被配置成传导近场电能的导电板；并且所述第一表面介电耦合到所述导电板。
在另一个示例实施例中，其另外包括刚性平面基板；并且其中所述基板耦合到所述天线和所述保形材料并且在所述天线与所述保形材料之间。
在另一个示例实施例中，所述保形材料耦合到所述刚性平面基板的仅一侧。
在另一个示例实施例中，所述天线包括：被配置成传导近场磁能的线圈；被配置成传导近场电能的导电板；并且其中所述线圈和所述导电板是平面的。
在另一个示例实施例中，所述近场通信装置嵌入到以下中的至少一种中：体域网装置、身体贴纸、智能手表、腕带、耳塞或眼镜。
根据示例实施例，一种近场医疗感测装置，其包括：近场天线；具有第一表面和第二表面的保形材料；其中所述第一表面介电耦合到所述天线；并且其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构。
根据示例实施例，一种嵌入有近场通信装置的可穿戴材料，其包括：近场天线；具有第一表面和第二表面的保形材料；其中所述第一表面介电耦合到所述天线；并且其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构。
以上讨论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。
结合附图考虑以下具体实施方式，可以更彻底地理解各个示例实施例，在附图中：
附图说明
图1A是示例理想化单线圈近场电磁感应(NFEMI)通信装置。
图1B是示例理想化近场电(NFE)通信装置。
图2是示例理想化双线圈NFEMI通信装置。
图3A是制造的双线圈NFEMI装置的示例第一侧。
图3B是双线圈NFEMI装置的示例第二侧。
图4A是靠近主体结构的双线圈NFEMI装置的示例布局。
图4B是作为双线圈NFEMI装置与主体结构之间的距离的函数的示例信号强度。
图5A是靠近主体结构的双线圈NFEMI装置的第二实施例的示例布局。
图5B是作为双线圈NFEMI装置的第二实施例与主体结构之间的距离的函数的示例信号强度。
尽管本公开适于各种修改和替代形式，但是本公开的细节已经通过举例示出在附图中并且将进行详细描述。然而，应该理解，除了所描述的特定实施例之外，其它实施例也是可能的。还涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等同物和替代性实施例。
具体实施方式
小天线几何形状是良好的NFEMI天线，因为小天线几何形状不会在自由空间中产生辐射波。这种天线可以由线圈天线(磁性天线)结合短负载偶极(例如，电性天线)构成。在身体附近，这种天线将会提供局限于身体附近的场。
图1A是示例理想化单线圈近场电磁感应(NFEMI)通信装置100。装置100包括线圈部分105(例如，磁能天线)结合短负载偶极部分120 (例如，电能天线)。线圈部分105包括铁氧体芯110，导线115缠绕在芯110周围。短偶极120包括两个导电负载板125和130。馈电点135 连接到其它收发器、电子装置电路系统等。
当装置100位于主体结构(例如，人体)附近时，这个NFEMI装置100的磁性近场和电性近场将局限于这种主体结构附近。另外，通过在低于30MHz的频率下操作，这些近场将进一步局限于主体结构并且远场辐射将大大减少。
图1B是示例理想化近场电(NFE)通信装置120。在这个例子中， NFE装置120等效于单线圈NFEMI装置100，但没有线圈部分105。
图2是示例理想化双线圈NFEMI通信装置200。装置200包括具有两个导电负载板225、230的短负载偶极部分220以及小环形天线205。
小环形天线包括至少两个耦合线圈215和217。第一线圈215具有的电感L1，并且第二线圈217具有电感L2。线圈215和217均可以连接在连接点250处，使得其形成比第一线圈215和第二线圈217的电感更大的电感。
线圈215和217均可以是空气线圈，缠绕在铁氧体芯210周围(如图2所示)，或者线圈215和217可以采取平面结构的形式(示例平面线圈结构参见图3A和图3B)。
在铁氧体芯210版本中，线圈215和217可以以交错的方式缠绕在芯210周围或缠绕在彼此的顶部，即，第二线圈217先缠绕在芯210周围，并且然后第一线圈215缠绕在第二线圈217顶部在芯210周围。
连接点245将第一线圈215的一端耦合到第一馈电连接235并耦合到小负载偶极225的第一板。连接点250将第一线圈215的另一端耦合到第二线圈217的一端并连接到第二馈电连接240。连接点255将第二线圈217的另一端耦合到小负载偶极220的第二板230。为清楚起见，连接245、250和255也在图3A、图3B、图4A和图5A中示出。
图3A是制造的双线圈NFEMI装置300的示例第一侧。图3B是双线圈NFEMI装置300的示例第二侧。现在一起讨论图3A和图3B。
然而，如下文将讨论的，装置300使用平面线圈作为其磁性天线场，为了清楚起见，图3A和图3B的讨论将重新使用图2所讨论的使用铁氧体缠绕的线圈作为其磁性天线场的双线圈装置200的参考标号。
装置300包括近场天线部分302和电子电路部分304(例如，无线模块)。近场天线部分302包括第一平面线圈215(L1)和第二平面线圈 217(L2)(即，近场磁性部分)。天线302还包括采取短负载单极配置 (即，近场电性部分)的第一导电板225和第二导电板230。图3A和图3B中的线圈215、217和板225、230在操作上类似于图2中的线圈215、 217和板225、230。
平面线圈215、217均以串联布置电磁耦合并连接。与第一线圈215 的电感L1或第二线圈217的电感L2相比，线圈215、217均连接形成更大的电感。
线圈215、217均耦合到绝缘电介质308(例如，塑料或其它非导电材料的载体)。
第一线圈215的连接245连接到第一导电板225并连接到第一馈电连接235。第一线圈215的连接250连接到第二线圈217的一端并连接到第二馈电连接240。第二线圈217的连接255连接到第二导电板230。
如所示，导电板225、230被间隔开并且均包括与线圈215、217均重叠的非导电区域306。
图4A是靠近主体结构402(例如，人类躯干)的双线圈NFEMI装置300的示例布局400。
在一些示例实施例中，主体结构402可以是以下中的至少一种：有机结构、生物表面、无机结构、包装、人类皮肤、衣服、车辆表面、椅子、墙壁和/或商品。
双线圈NFEMI装置300的第二导电板230靠近主体结构402。绝缘电介质308层在第二导电板230与主体结构402之间。在各个示例实施例中，绝缘电介质308层是：绝缘材料、塑料、ABS、皮革等的薄层。
另外，当装置300靠近主体结构402放置时，除了接触区域404(例如，绝缘电介质308层的实际接触主体结构402的部分)之外，还存在一组间隙406层(例如，气穴)。
当多于一个NFEMI装置300(例如，一组无线NFEMI装置)一起耦合到主体结构402时，所述多于一个NFEMI装置300可以被配置成形成通信网络(例如，体域网)。所述多于一个NFEMI装置300的通信的链路预算被计算为：
其中VTx是发射器天线上的发射器电压并且VRx是接收器天线上的接收电压。
考虑到预选的发射器电压VTx，接收器天线上的接收电压VRx取决于装置300的近场天线部分302与主体结构402的耦合。
例如，当第二导电板230均匀地(即，相等地)接近主体结构402 时，相比于主体结构402与第二导电板230之间存在较大距离，存在更高的链路预算。
然而，多组间隙406在第二导电板230与主体结构402之间产生了不均匀的(即，变化的)距离。由于230与402之间的这个不规则耦合距离(例如，由于人体的形状)，链路预算降级(即，减小)。
图4B是作为双线圈NFEMI装置300与主体结构402之间的距离 410的函数的示例信号强度408(例如，链路预算)。
例如，在小于1mm的距离412处，信号强度408为75dBμV；然而，在3mm的距离414处，信号强度408减小约15dB(显著降级)。更远，在10mm的距离416处，信号强度408减小大体上大于35dB。
图5A是靠近主体结构的双线圈NFEMI装置300的第二实施例的示例布局500。
在示例布局500中，装置300的第二版本包括保形材料502。保形材料502包括第一表面504、第二表面506和内芯508区域。
保形材料502的第一表面介电耦合到天线，并且保形材料502的第二表面被配置成电流耦合到主体结构。
在一些示例实施例中，第二表面506与主体结构402之间的电流耦合是以下中的至少一种：碳浸渍的聚氨酯泡沫；导电纤维网、导电颗粒掺杂材料或金属层。这种材料是无腐蚀性的并且形成皮肤与绝缘电介质 308层之间的垫子。
在各个示例实施例中，保形材料502可以具有均匀的导电性或者单层、多层、各向同性、各向异性、均质或非均质导电性。在一些示例实施例中，保形材料502具有低导电性，电阻为1K欧姆/cm2至100K欧姆/cm2。选择保形材料502以在装置300的操作频率下具有导电性。
在示例实施例中，保形材料502具有包括低导电性区域和较高导电性区域的非均质图案，并且较高导电性区域位于保形材料502最可能接触主体结构的位置。
在一些示例实施例中，保形材料502的第一表面504具有第一导电性；保形材料502的第二表面506具有第二导电性；并且保形材料502 的内芯(例如，纤维网)具有第三导电性。在一些示例实施例中，第一表面504使用绝缘电介质308层介电耦合到天线302的导电板225、230 中的一个导电板。
在一个示例实施例中，绝缘电介质308层是刚性平面基板，并且基板耦合到天线302和保形材料502并且在天线302与保形材料502之间。
在各个应用中，紧挨第二导电板230的绝缘电介质308层与主体结构402之间的区域填充有保形材料502。通过适形于(例如，在物理上/ 在空间上适用于)间隙406区域(图4A所示)，保形材料502显著地提升了链路预算并且因此提高了通信稳健性。
在一些应用中，保形材料502完全填充所有间隙406；然而，即使留下了一些间隙406区域，但仍提升了链路预算。
在许多示例实施例中，保形材料502响应于近场天线302与主体结构之间的空间移动而在厚度上是自适应的。
主体结构402可以是有机结构(例如，生物表面，如人类皮肤)或各种无机结构，例如包装、衣物、车辆表面、椅子、墙壁和/或商品。
近场通信装置300可以嵌入体域网装置、身体贴纸、智能手表、腕带、耳塞或眼镜中。
图5B是作为双线圈NFEMI装置300的第二实施例与主体结构402 之间的距离512的函数的示例信号强度510。
例如，在1mm的距离514处，信号强度510如前所述处于75dBμV；然而，在3mm的距离516处，信号强度510减小仅3dB(与无保形材料502的装置300先前的15dB降级相比，具有显著改善)。甚至更远，在10mm的距离518处，信号强度510仍然仅减小6dB(再次，与无保形材料502的装置300先前的35dB降级相比，具有显著改善)。
因此，由保形材料502引起的信号强度510的降级显著减小。
因此，通过向上文所讨论的NFEMI装置100、200、300的各个示例实施例添加保形材料，提高了使用所述各个示例实施例的近场网络的可靠性。在医疗或消费者生活方式环境和/或材料处理、车载网络和使用近场的其它市场细分中，这种近场网络可以用于人体。通过增加这些无线装置之间的近场通信范围，另外的和/或更稳健的应用是可能的。
除非明确规定特定顺序，否则以上附图所讨论的各个指令和/或操作步骤可以按任何顺序执行。而且，本领域技术人员应认识到，虽然已经讨论了指令/步骤的一些示例集合，但是本说明书中的材料也可以通过各种方式组合以产生其它例子，并且应当在本详细说明所提供的上下文内进行理解。
在一些示例实施例中，这些指令/步骤被实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式来实施。
指令被具体化为非暂时性计算机可读或计算机可用媒体中的可执行指令集，所述可执行指令在用所述可执行指令编程并由所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。加载所述指令以在处理器(如一个或多个CPU)上执行。所述处理器包含微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或者计算装置。处理器可以指代单个组件或多个组件。所述一个或多个计算机可读或计算机可用存储媒体被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指代任何制造的单个组件或多个组件。如本文所限定的一个或多个的非暂时性机器或计算机可用媒体不包含信号，但是一个或多个这种媒体可以能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性媒体的信息。
应当容易理解的是，如本文概括性描述的且在附图中展示的实施例的组件可以以各种各样的不同配置进行布置和设计。因此，如附图中所示，各个实施例的详细说明不旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各个实施例。虽然附图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别规定，否则附图不一定按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，本发明可以用其它具体形式具体化。所描述的实施例在所有方面均应被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非本详细说明来指示。权利要求书中的同等意义和范围内的所有变化均应包括在权利要求书的范围内。
贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的引用并不暗示，可以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被理解成意味着本发明的至少一个实施例中包括结合实施例描述的特定特征、优点或特性。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指代同一实施例。
此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以通过任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。鉴于本文的描述，相关领域技术人员应认识到，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的情况下实践本发明。在其它实例中，可以在可能并不存在于本发明的所有实施例中的某些实施例中认识到附加特征和优点。
贯穿本说明书对“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”或类似语言的引用意味着本发明的至少一个实施例中包括结合所指示实施例描述的特定特征、结构或特性。因此，贯穿本说明书，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定都指代同一个实施例。
Claims (9)
1.一种近场通信装置，其特征在于，其包括：
近场天线；
具有第一表面和第二表面的保形材料；
其中所述第一表面介电耦合到所述近场天线；并且
其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构；
所述保形材料具有包括低导电性区域和高导电性区域的非均质图案；并且
所述高导电性区域位于所述保形材料容易接触所述主体结构的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述介电耦合包括所述第一表面与所述近场天线之间的绝缘电介质。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述保形材料的所述第一表面具有第一导电性；并且
所述保形材料的所述第二表面具有第二导电性。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述保形材料响应于所述近场天线与所述主体结构之间的空间移动而在厚度上是自适应的。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述近场天线包括被配置成传导近场电能的导电板；并且
所述第一表面介电耦合到所述导电板。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
其进一步包括刚性平面基板；并且
所述刚性平面基板耦合到所述近场天线和所述保形材料并且在所述近场天线与所述保形材料之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述近场天线包括：
被配置成辐射近场磁能的线圈；
被配置成传导近场电能的导电板；并且
所述线圈和所述导电板是平面的。
8.一种近场医疗感测装置，其特征在于，其包括：
近场天线；
具有第一表面和第二表面的保形材料；
其中所述第一表面介电耦合到所述近场天线；并且
其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构；
所述保形材料具有包括低导电性区域和高导电性区域的非均质图案；并且
所述高导电性区域位于所述保形材料容易接触所述主体结构的位置。
9.一种嵌入有近场通信装置的可穿戴装置，其特征在于，其包括：
近场天线；
具有第一表面和第二表面的保形材料；
其中所述第一表面介电耦合到所述近场天线；并且
其中所述第二表面被配置成电流耦合到主体结构；
所述保形材料具有包括低导电性区域和高导电性区域的非均质图案；并且
所述高导电性区域位于所述保形材料容易接触所述主体结构的位置。
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