CN110534919B - 近场天线 - Google Patents

Abstract

一个例子公开了一种近场天线，包括：磁(H)场天线；电(E)场天线；其中，所述E场天线与所述H场天线电绝缘；并且其中，所述E场天线被配置成由所述H场天线感应充电。

Description

近场天线

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

本文讨论了基于近场电磁感应(NFEMI)的身体通信和其它无线联网装置，其中发送器和接收器通过磁(H)场和电(E)场联接。尽管RF无线通信是通过将RF平面波传播通过自由空间来实现的，但是NFEMI通信利用非传播准静态H和E场。

发明内容

根据一个示例性实施例，一种近场天线，包括：磁(H)场天线；电(E)场天线；其中，E场天线与H场天线电绝缘；并且其中，E场天线被配置成由H场天线感应充电。

在另一个示例性实施例中，E场天线介电联接到H场天线。

在另一个示例性实施例中，H场天线是小环形天线；E场天线是短加载偶极天线；并且短加载偶极天线被配置成由小环形天线充电。

在另一个示例性实施例中，H场天线是线圈；E场天线是导电结构；并且导电结构被配置成由线圈充电。

在另一个示例性实施例中，线圈包括介电芯，介电芯包括铁氧体或空气中的至少一种。

在另一个示例性实施例中，H场天线包括第一和第二部分；E场天线包括平面表面和开口；H场天线位于开口内；H场天线的第一部分位于平面表面的一侧；并且H场天线的第二部分位于平面表面的相对侧。

在另一个示例性实施例中，开口与E场天线的中心重叠。

在另一个示例性实施例中，第一和第二部分基本上相等。

在另一个示例性实施例中，第一和第二部分的尺寸是可机械调节的。

在另一个示例性实施例中，H场天线的纵轴垂直于E场天线的平面表面。

在另一个示例性实施例中，平面表面包括联接平面表面的外边缘和开口处的内边缘的缝隙。

在另一个示例性实施例中，进一步包括，一组联接到磁场天线的馈电点；和发送器和/或接收器电路；其中，E场天线与发送器和/或接收器电路电绝缘。

在另一个示例性实施例中，发送器和/或接收器电路包括以下中的至少一种：可变调谐电容器、可变电阻器或低噪声放大器。

在另一个示例性实施例中，H场天线包括线圈；E天线包括导电结构；并且线圈和导电结构在同一平面内。

在另一个示例性实施例中，近场天线是电磁感应(NFEMI)天线；

在另一个示例性实施例中，天线嵌入以下中的至少一种：可穿戴装置、助听器、耳塞、智能手表或智能手机。

根据一个示例性实施例，一种包括近场天线的可穿戴装置，其中，近场天线包括：磁(H)场天线；电(E)场天线；其中，E场天线与H场天线电绝缘；并且其中，E场天线被配置成由H场天线感应充电。

以上讨论并不旨在表示当前或未来权利要求集的范围内的每个示例性实施例或每个实施方式。以下附图和具体实施方式还举例说明了各个示例性实施例。

结合附图考虑到以下具体实施方式，可以更全面地理解各个示例性实施例，在附图中：

附图说明

图1是第一示例性近场天线。

图2是用于第二示例性近场天线的示例性磁(H)场天线。

图3是用于第二示例性近场天线的示例性电(E)场天线。

图4A是第二示例性近场天线。

图4B是第二近场天线的实际例子。

图5是第三示例性近场天线。

图6是第二或第三近场天线的示例性理想化电气等同物。

图7是被配置成接收通信信号的近场装置的示例性理想化电气等同物。

图8是被配置成发送通信信号的近场装置的示例性理想化电气等同物。

尽管本公开可以进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过附图中的例子示出并且将被详细描述。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。还包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代实施例。

具体实施方式

H场天线(即，磁性天线)主要对磁场敏感和/或主要在由电流驱动时启动磁场。来自H场天线的任何E场分量都大大减小(例如，取决于天线设计，减少-20到-60dB，因数为0.1到0.0008(10％到0.08％))。

小环形天线是示例性H场天线，并且包括尺寸远小于其使用波长的环形天线。小环形天线在NFEMI载波频率下不谐振，而是通过外部电抗调谐到谐振。在一些示例性实施例中，小环形天线中的电流在环形的每个位置都具有相同的值。

E场天线(即，电天线)主要对电场敏感和/或主要在由电压驱动时启动电场。来自E场天线的任何H场分量都大大减小(例如，取决于天线设计，减少-20到-60dB，因数为0.1到0.0008(10％到0.08％))。

短加载偶极天线是示例性E场天线，并且包括尺寸远小于NFEMI载波频率的短偶极，并且在一些示例性实施例中，其在两端都具有额外的电容结构。

这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其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，而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。

近场磁感应(NFMI)通信也可以用于此种身体通信，但是这些磁场不联接到身体。结果，相比于NFEMI装置，这些磁场装置可以更远离身体，并且仍然确保通信。然而，由于可穿戴装置中的小天线尺寸，NFMI范围比全身短得多。

小天线几何形状对于NFMI和NFEMI天线是有效的，因为它们使自由空间中的辐射波最小化。

图1是用于无线装置的示例性近场电磁感应(NFEMI)天线100。该例子中的天线100是电磁感应(NFEMI)天线。在一些示例性实施例中，天线100包括线圈天线105(即，用于磁场)以及短加载偶极120(即，用于电场)。线圈天线105包括缠绕有线115的铁氧体芯110。短偶极120包括两个加载板125和130。天线100馈电点135、140联接到各个收发器电路，例如下游无线电发送器和接收器集成电路(RF-IC)，(此处未示出)。

短加载偶极部分120响应于电(E)场。线圈天线部分105响应于磁(H)场。

当NFEMI天线100靠近身体(例如，人、物体等)时，磁场和电场将基本上限制在身体内并且不会在自由空间中显著地辐射。这增强了此种身体联网通信的安全性和隐私性。

在各个示例性实施例中，天线100以50MHz或以下工作，以确保场沿着身体轮廓并确保远场辐射强烈减少。

图2是用于第二示例性近场天线的示例性磁(H)场天线200。H场天线200包括介电芯202(例如，铁氧体、空气等)、线圈204(L)、第一馈电点206和第二馈电点208。两个馈电点206、208分别联接到线圈204的任一端。在一些示例性实施例中，H场天线200是小环形天线。

与H场天线200工作的大约10MHz近场波长相比，芯202和线圈204的尺寸是微不足道的。

H场天线200在本文被定义为具有基本上垂直于螺旋线圈204绕组的平面的纵轴(y轴)，以及基本上平行于螺旋线圈204绕组的平面的横轴(x轴)。虽然在该例子中，磁(H)场天线200是圆柱形的，但是在其它示例性实施例中，磁(H)场天线200可以是另一种形状，例如平面形。

图3是用于第二示例性近场天线的示例性电(E)场天线300。E场天线300包括导电结构302、开口304、外边缘306、内边缘308和缝隙310(例如，间隙、腔)。在一些示例性实施例中，E场天线300是短载偶极天线。

例子300中示出的导电结构302是平面(x-z平面)表面，但是其它二维和三维结构也是可能的。

虽然所示的开口304与导电结构302的中心重叠，但是在其它示例性实施例中，开口304可以偏移到导电结构302内的另一位置。

在该示例性实施例中，缝隙310连接导电结构302的外边缘306和内边缘308。在一些示例性实施例中，缝隙310填充有第一基板材料。导电结构302的一侧可以位于第二基板材料的“顶部上”。导电结构302的另一侧可以位于第三基板材料“下面”。基板可以层压到导电结构302。

这些基底材料可以不同或相同。例如，缝隙310中和导电结构302的一侧上的基板可以是空气，而导电结构302的另一侧上的基板可以是FR4。

图4A是第二示例性近场天线400。第二近场天线400组合了磁(H)场天线200和电(E)场天线300。H场天线200位于E场天线300中的开口304内。E场天线300与H场天线200电绝缘406(例如，介电联接)。

E场天线300由H场天线200感应充电。在工作期间，流过H场天线200的线圈204的RF电流导致线圈204以及H场天线200的正常磁场两端的电压。然后在某个时刻，线圈204的顶端具有正电荷，而线圈204的底端具有负电荷，从而在导电结构302的两侧产生具有相同取向的电场矢量。电场在线圈204附近最大并且衰减到导电结构302的端部。然而，由于结构302是导电的，所以电场基本上是均匀的，并且产生了有效的E场天线300。缝隙310防止涡电流引起相反的磁场并衰减电场矢量。

在各个示例性实施例中，导电结构302可以连接或不连接到接地电位。

H场天线200可以被理解为包括第一部分402和第二部分404。在一些示例性实施例中，H场天线200的第一部分402位于导电结构302的一侧，而H场天线200的第二部分404位于导电结构302的相对侧。

在一些示例性实施例中，第一和第二部分402、404基本相等；然而，在其它示例性实施例中，第一和第二部分402、404的尺寸可向上或向下机械调节，以用于可能的封装和/或调谐目的。

在一些示例性实施例中，H场天线200的纵轴(y轴)垂直于E场天线300的x-z平面表面。然而，在各个其它示例性实施例中，H场天线200的纵轴(y轴)与E场天线300x-z平面之间的角度可以不是垂直的。

图4B是第二近场天线400的实际例子408。磁(H)场天线200(参见图2)的实际例子408在铁氧体芯202上具有20个绕组，直径为2mm，长度为6mm。电感为3.6μH，品质因数为75。

导电结构302具有矩形形状，尺寸为32乘29mm。导电结构302材料是厚度为35μm的铜层。

缝隙310中和导电结构302顶部上的基板材料是空气，而导电结构302底部上的基板是1.6mm厚的FR4材料，形状与导电结构302相同。从测量结果可以看出，天线将接收信号强度(RSSI)提高了约14dB。

图5是第三示例性近场天线500(即，平面线圈)。第三示例性近场天线500示出了x-z平面中的电(E)场天线300(参见图3)，以及同样在x-z平面中的第二示例性磁(H)场天线502。

磁(H)场天线502包括介电芯504(例如，基板、铁氧体、空气等)、同样在x-z平面中的线圈506(L)、第一馈电点206和第二馈电点208。

图6是第二400或第三500近场天线的示例性理想化电气等同物600。示例性理想化天线600包括具有电阻604和电感606的H场天线602，以及具有导电结构610和电容(Ca)612、614的E场天线608，H场天线602与E场天线608之间应电绝缘。

还示出了联接到H场天线602中的线圈的馈电连接206和208。在一些示例性实施例中，寄生电容器还可以形成在连接到馈电点206、208的H场天线602线圈的端部与导电结构610之间。

图7是被配置成接收通信信号的近场装置的示例性理想化电气等同物700。示例性理想化接收器700包括H场天线602，如图6所示，但是现在具有感应电压702。示例性理想化接收器700还包括E场天线608，如图6所示，但是现在具有感应电压704和706。

调谐电路708联接到第一和第二馈电点206、208，并且包括可变调谐电容(Ct)710和可变调谐电阻(Rt)712。LNA 714(低噪声放大器)联接在调谐电路708与通信信号接口716之间。

在一些示例性实施例中，使用可变调谐电容(Ct)710将磁性602和电608天线调谐到接收频率(例如，10.6MHz)。可变调谐电阻(Rt)712用于将天线系统调谐到所需带宽，例如400KHz。需要足够的带宽以允许RF信号无失真地通过天线602、608。然而，带宽不应太大，以减少接收信道附近的不需要的干扰信号。

接收的RF信号由低噪声放大器714进一步放大，并由联接到通信信号接口716的另外的无线电电路(未示出)进一步处理。

在一些示例性实施例中，这些接收器电路嵌入在与E场天线608相同的基板中；然而，E场天线608也与这些接收器电路电绝缘。

图8是被配置成发送通信信号的近场装置的示例性理想化电气等同物800。示例性理想化发送器800包括图6中所示的H场天线602和E场天线608。

调谐电路802联接到第一和第二馈电点206、208，并且包括可变调谐电容(Ct)804和可变调谐电阻(Rt)806。调谐电路802还联接到具有发送电压源810和阻抗812的发送源808。发送源808向生成近场信号的天线602、608提供RF信号。

在一些示例性实施例中，这些发送器电路嵌入在与E场天线608相同的基板中；然而，E场天线608也与这些发送器电路电绝缘。

使用刚刚描述的H场和E场天线在不增加功耗的情况下增加了其它近场装置之间的通信范围。这些近场天线还具有更高的品质因数，从而减少了给定信号广播强度的电流消耗。

这些近场天线的各个示例性实施例不限于在人体或动物体附近使用，而是可以替代地嵌入可穿戴产品(例如，消费者生活方式和/或医疗保健)中以增加无线装置之间的通信范围。天线还可以嵌入助听器、耳塞、智能手表或智能手机中。

除非明确说明具体顺序，否则上述附图中讨论的各个指令和/或操作步骤可以以任何顺序执行。此外，本领域的技术人员将认识到，虽然已经讨论了一些示例性指令/步骤集，但是本说明书中的材料也可以以各种方式组合以产生其它例子，并且将在本具体实施方式提供的上下文中理解。

在一些示例性实施例中，这些指令/步骤被实施为功能和软件指令。在其它实施例中，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。

当指令被实现为非瞬态计算机可读或计算机可用介质中的一组可执行指令时，这些介质在用所述可执行指令编程且由其控制的计算机或机器上实现。加载所述指令以在处理器(例如，一个或多个CPU)上执行。所述处理器包括微处理器、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)或其它控制或计算装置。处理器可以是指单个组件或复数个组件。所述计算机可读或计算机可用存储介质被认为是物品(或制品)的一部分。物品或制品可以是指任何制造的单个组件或多个组件。本文定义的非瞬态机器或计算机可用介质排除了信号，但是此种介质可以能够接收和处理来自信号和/或其它瞬态介质的信息。

容易理解的是，如本文一般描述的和附图中示出的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图中所表示的各个实施例的详细描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅代表各个实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非特别指出，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，本发明可以以其它具体形式实施。所描述的实施例在所有方面都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而不是由本具体实施方式表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包含在其范围内。

在整个本说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不暗示可以用本发明实现的所有特征和优点在或应该在本发明的任何单个实施例中。相反，涉及特征和优点的语言被理解为是指结合一个实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定是指相同的实施例。

此外，本发明的所述特征、优点和特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。根据本文的描述，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定实施例的一个或多个具体特征或优点的情况下实践本发明。在其它情况下，在某些实施例中可以认识到另外的特征和优点，这些特征和优点可能并非存在于本发明的所有实施例中。

在整个本说明书中对“一个实施例(one embodiment/an embodiment)”或类似语言的引用是指结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中的短语“在一个实施例中(in one embodiment/in anembodiment)”和类似语言可以但不一定全都是指相同的实施例。

Claims (9)

1.一种近场天线，其特征在于，包括：

磁(H)场天线；

电(E)场天线；

E场天线与H场天线电绝缘；并且

所述E场天线被配置成由所述H场天线感应充电；

所述H场天线包括第一和第二部分；

所述E场天线包括平面表面和开口；

所述H场天线位于所述开口内；

所述H场天线的第一部分位于所述平面表面的一侧；并且

所述H场天线的第二部分位于所述平面表面的相对侧。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述E场天线介电联接到所述H场天线。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述H场天线是小环形天线；

所述E场天线是短加载偶极天线；并且

所述短加载偶极天线被配置成由所述小环形天线充电。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述H场天线是线圈；

所述E场天线是导电结构；并且

所述导电结构被配置成由所述线圈充电。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：

所述线圈包括介电芯，所述介电芯包括铁氧体或空气中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述平面表面包括联接所述平面表面的外边缘和所述开口处的内边缘的缝隙。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

进一步包括，

一组联接到H场天线的馈电点；和

发送器和/或接收器电路；

所述E场天线与所述发送器和/或接收器电路电绝缘。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述H场天线包括线圈；

E场天线包括导电结构；并且

所述线圈和导电结构在同一平面内。

9.一种包括近场天线的可穿戴装置，其特征在于，所述近场天线包括：

磁(H)场天线；

电(E)场天线；

E场天线与H场天线电绝缘；并且

E场天线被配置成由所述H场天线感应充电；

所述H场天线包括第一和第二部分；

所述E场天线包括平面表面和开口；

所述H场天线位于所述开口内；

所述H场天线的第一部分位于所述平面表面的一侧；并且

所述H场天线的第二部分位于所述平面表面的相对侧。