CN110661085A - 近场电磁感应（nfemi）天线 - Google Patents

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Abstract

一个例子公开一种近场电磁感应(NFEMI)天线装置，该NFEMI天线装置具有：线圈，该线圈具有第一和第二耦合点，被配置成产生和/或接收磁(H场)近场信号；导电结构，该导电结构具有按某一距离分离的第一耦合点与第二耦合点；第一和第二馈电点，该第一和第二馈电点被配置成承载来自发射器电路和/或去往接收器电路的电流；其中导电结构的第一耦合点耦合到第一馈电点，且其中导电结构的第二耦合点耦合到线圈的第一耦合点；其中线圈的第二耦合点耦合到第二馈电点；且其中导电结构被配置成响应于电流流过导电结构的第一耦合点与第二耦合点之间的距离而产生电(E场)近场。

Description

近场电磁感应(NFEMI)天线
技术领域
本说明书涉及近场电磁感应(near-field electromagnetic induction，NFEMI)天线的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
在本文中论述了基于近场电磁感应(NFEMI)的人体通信和其它无线联网装置，其中发射器与接收器通过磁(H)场和电(E)场两者耦合。尽管RF无线通信通过穿过自由空间传播RF平面波来实现，但NFEMI通信利用非传播的准静态H场和E场。
发明内容
根据示例实施例，一种近场电磁感应(NFEMI)天线装置包括：
线圈，所述线圈具有第一和第二耦合点，所述线圈被配置成产生和/或接收磁(H场)近场信号；
导电结构，所述导电结构具有按某一距离分离的第一耦合点与第二耦合点；
第一和第二馈电点，所述第一和第二馈电点被配置成承载来自发射器的电流和/或将电流承载到接收器电路；
其中所述导电结构的所述第一耦合点耦合到所述第一馈电点，且其中所述导电结构的所述第二耦合点耦合到所述线圈的所述第一耦合点；
其中所述线圈的所述第二耦合点耦合到所述第二馈电点；以及
其中所述导电结构被配置成响应于所述电流流过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述距离而产生电(E场)近场。
在另一示例实施例中，所述电流是包括AC电流和/或DC电流的RF电流；且所述导电结构被配置成响应于所述RF电流流过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述距离而产生所述E场。
在另一示例实施例中，所述电流在所述导电结构上传播使得E场向量覆盖所述导电结构的总表面。
在另一示例实施例中，所述导电结构是短加载偶极天线。
在另一示例实施例中，其另外包括第二导电结构，所述第二导电结构具有按第二距离分离的第一耦合点与第二耦合点；
其中所述第二导电结构的所述第一耦合点耦合到所述第二馈电点，且其中所述第二导电结构的所述第二耦合点耦合到所述线圈的所述第二耦合点；且
其中所述第二导电结构被配置成响应于所述电流流过所述第二导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述第二距离而产生第二E场。
在另一示例实施例中，其另外包括具有单一耦合点的第二导电结构；
其中所述单一耦合点耦合到所述第一馈电点或所述第二馈电点；且
其中所述第二导电结构被配置成响应于所述单一耦合点处的电压而产生第二E场。
在另一示例实施例中，所述第一耦合点与所述第二耦合点按所述导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接(即，由所使用制造方法准许的)距离分离。
在另一示例实施例中，所述第一耦合点与所述第二耦合点按小于所述导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接距离定位；且所述导电结构被配置成通过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述电流和所述耦合点处的电压两者产生所述E场。
在另一示例实施例中，所述导电结构被配置成阻止与用户的电流接触。
在另一示例实施例中，所述导电结构是大体上平坦的板。
在另一示例实施例中，其另外包括具有一组用户触摸点的电子装置；且其中所述导电结构耦合到所述用户触摸点中的至少一个。
在另一示例实施例中，所述用户触摸点包括以下各项中的至少一个：电源按钮、首页按钮、音量控制或装置控制按钮。
在另一示例实施例中，述用户触摸点包括所述电子装置的被配置成与用户接触的外部边缘。
在另一示例实施例中，所述用户触摸点被配置成与用户的皮肤直接接触。
在另一示例实施例中，所述电子装置是以下各项中的至少一个：智能电话、智能手表、可佩戴装置、助听器、耳塞或医疗传感器。
在另一示例实施例中，其另外包括电磁干扰(EMI)筛网；
其中所述导电结构在所述EMI筛网的一侧上；且
其中所述线圈在所述EMI筛网的相对侧上。
在另一示例实施例中，所述EMI筛网是铁丝网。
在另一示例实施例中，所述EMI筛网连接到电源供应器。
在另一示例实施例中，其另外包括具有一组电路的电子装置以及电磁干扰(EMI)筛网；且其中所述组电路在所述EMI筛网的一侧上且所述导电结构在所述EMI筛网的相对侧上。
在另一示例实施例中，所述NFEMI天线耦合到包括以下各项中的至少一个的一组支持电路系统：平衡或非平衡收发器、用于针对特定谐振频率调谐所述天线的电容器组；或用于调整所述天线的带宽的电阻器组。
以上论述并不意图呈现在当前或将来权利要求集的范围内的每个示例实施例或每个实施方案。附图和之后的具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。
附图说明
结合附图考虑以下具体实施方式，可更加完全地理解各种示例实施例，在附图中：
图1是具有电压驱动导电结构的示例近场电磁感应(NFEMI)天线。
图2是包括具有电压驱动导电结构的NFEMI天线的示例移动装置。
图3是具有电压驱动导电结构的NFEMI天线的示例示意图。
图4A是具有两个电流驱动导电结构的第一示例NFEMI天线。
图4B是具有一个电流驱动导电结构的第二示例NFEMI天线。
图5是具有一个电流驱动导电结构、一个电压驱动导电结构和接近于接地电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)筛网的支持电路系统的示例NFEMI天线示意图。
图6是基于电流驱动导电结构中的电流流动的示例电流分布和电场矢量分布。
图7是使两个电流驱动导电结构耦合到电子装置(例如，智能电话)的NFEMI天线的第一例子。
图8是使两个电流驱动导电结构耦合到电子装置的NFEMI天线的第二例子。
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但其细节已经借助于例子在图式中示出且将进行详细描述。然而，应理解，超出所描述特定实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。
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场分量极大地降低(例如，-20到-60dB降低，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
小环形天线是示例H场天线，并包括尺寸比其用途的波长小得多的环形天线。小环形天线不会在NFEMI载波频率下共振，而是替代地被调谐成通过外部电抗共振。在一些示例实施例中，小环形天线中的电流在回路的各个位置中具有相同值。
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场分量极大地降低(例如，-20到-60dB降低，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
短加载偶极天线是示例E场天线，并包括尺寸比NFEMI载波频率小得多的短偶极并在一些示例实施例中在两端具有附加的电容结构。
这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸接合其载波频率的结果。大部分近场能量以磁场和电场的形式存储，而少量的RF能量在自由空间中传播。
近场磁感应(near-field magnetic induction，NFMI)通信还可用于此类人体通信，然而，这些磁场并不耦合到人体。因此，这些磁场装置可比NFEMI装置更远离身体并仍确保通信。然而，NFMI范围归因于可佩戴装置中的小型天线大小而比全身短得多。
小型天线几何结构对于NFMI和NFEMI天线是高效的，这是因为它们最小化自由空间中的辐射波。
图1是具有电压驱动导电结构的示例近场电磁感应(NFEMI)天线100。天线100在此例子中是电磁感应(NFEMI)天线。在一些示例实施例中，天线100包括用于磁场的线圈(H场)天线105，结合用于电场的短加载偶极(E场)天线120。H场天线105包括缠绕着导线115的铁氧体核心110。E场天线120包括两个电压驱动(即，AC电流)导电加载结构125和130。天线100馈电点135、140耦合到各种收发器电路系统，例如下游无线发射器和接收器集成电路(radio transmitter and receiver integrated circuit，RF-IC)(此处未示出)。
当NFEMI天线100接近于人体(例如，人、物体等等)时，磁场和电场将大体上受限于人体并且不会在自由空间中显著地辐射。此增强此类人体联网通信的安全性和保密性。
在各种示例实施例中，天线100处于或低于50MHz操作以确保场遵循人体轮廓并确保极大地减少远场辐射。
图2是包括具有两个电压驱动导电结构125、130的NFEMI天线100的示例200移动装置。移动装置200(例如，智能电话)包括托管各种电子组件204的印刷电路板202。
导电电磁干扰(EMI)筛网206部分地包围电子组件204。EMI筛网206使非期望干扰信号衰减而不能进入或离开移动装置200以降低出现故障的机率。另外，移动装置200可能需要遵守各个国家对发射的限制，以便保护其它附近装置免于发生故障。
电子组件204在此例子中由电池208供电。为了最大限度地减少静电放电(ESD)问题，电池的负供电接线还连接到EMI筛网206。
因为上文所论述的NFEMI天线100包括电压驱动(即，AC电流驱动)导电结构125、130，包括NFEMI天线100，所以具有此EMI筛网206的移动装置200将大体上，若非完全，是导电结构125、130的E场近场信号衰减。
应注意，将导电结构125、130连接到接地EMI筛网206将会使NFEMI天线100短路，并阻碍产生H场和E场两者。而且，紧接于接地EMI筛网206放置导电结构125、130将产生将会大体上使E场近场信号衰减的大寄生电容，即使导电结构125、130放置于EMI筛网206外部时也是如此。因此，NFEMI天线100将难以在具有金属EMI筛网206的各种移动和/或可佩戴产品中实施。
图3是具有电压驱动导电结构125的NFEMI天线100的示例300示意图。H场天线105连接到馈电点135、140。E场天线120导电结构125耦合到馈电点135。
馈电点135、140耦合到收发器电路系统(RF-IC)302。在此例子300中，收发器电路系统(RF-IC)302具有平衡输入配置。
如果E场天线120还用作导电EMI筛网206，那么首先似乎这将极好地起作用，这是因为用户将强烈地耦合到E场天线120；但是，因为导电EMI筛网206将连接到接地(例如，例如电池208等孤电源供应器的负极)且因此E场天线120将短路，所以H场天线105将也短路。收发器302中的平衡输入的虚拟参考电平还连接到接地并因此还短接到E场天线120。
图4A是具有两个电流驱动导电结构的第一示例400 NFEMI天线。第一示例400NFEMI天线包括线圈(H场)天线105、短偶极(E场)天线120和馈电点135、140。
H场天线105包括铁氧体核心110、线圈115、第一耦合点406和第二耦合点408。
E场天线120包括具有按第一距离413分离的第一耦合点410与第二耦合点412的导电结构402(例如，导电板)。E场天线120还包括具有按第二距离417分离的第一耦合点414与第二耦合点416的导电结构404。在此示例实施例中，两个导电结构402、404由RF电流418驱动。RF电流418具有AC和/或DC分量或两者。流经导电结构402、404的此RF电流418致使产生E场以用于通信。
在一些示例实施例中，一个或两个导电结构402、404上的第一耦合点与第二耦合点按导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接距离分离。最大可附接在本文中定义为由用以制造NFEMI天线400的任何制造方法准许的最大距离。因此，一些制造方法可能需要耦合点更远离导电结构402、404的一个或多个部分的边缘，以使得可发生恰当的焊接或以使得应力疲劳不会在天线的设计寿命之前破坏天线。此类距离413、417将接着视应用而变化。
在其它例子中，导电结构402、404的第一和第二耦合点的实施例按小于导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接距离定位。此导电结构接着可通过导电结构的第一耦合点与第二耦合点之间的电流418和所述耦合点处的电压两者产生E场。
第一馈电点135和第二馈电点140将承载来自可包括发射器的收发器电路系统(见图5)的电流418和/或将电流承载到接收器电路连同其它支持电路系统。电流驱动导电结构402、404响应于流过第一距离413和第二距离417的电流418而产生电(E场)近场。在一些示例实施例中，电流418包括DC电流。
因此，示例400 NFEMI天线将E场天线120的导电结构402、404放置成与H场天线串联，使得RF电流418通过流经导电结构402、404来产生NFEMI E场信号。
图4B是仅具有一个电流驱动导电结构402且由电流422驱动到和/或从馈电点135、140驱动的第二示例420 NFEMI天线。
图5是示例500 NFEMI天线示意图。示例500 NFEMI天线示意图包括线圈(H场)天线105、具有一个电压驱动导电结构125和一个电流驱动导电结构404的短加载偶极(E场)天线、馈电点135、140、导电EMI筛网206和收发器电路系统(RF-IC)302。收发器电路系统(RF-IC)302还可标记为支持电路系统并包括添加电路和/或电池。
所述一个电压驱动导电结构125具有单一耦合点504，且所述一个电流驱动导电结构404具有两个耦合点414、416。结构125、404一起响应于单一耦合点504处的电压和在两个耦合点414、416之间通过的RF电流502而产生E场。
线圈(H场)天线105包括表示线圈115的导线和核心中的损耗的电阻。线圈(H场)天线105连接到收发器电路系统(RF-IC)302。收发器电路系统(RF-IC)302在此例子中具有平衡输入配置，但还可被设计成具有非平衡输入配置。
线圈(H场)天线105、导电结构404与电压驱动导电结构125的组合的串联被调谐成在具有如所示出的各种电容器的收发器电路系统(RF-IC)302的发射和接收频率下共振。电容器可包括电容器组。此外，可包括电阻器组(未示出)来调谐NFEMI天线400的带宽。
当天线400被调谐时，且在发射模式下，RF共振电流502流经线圈(H场)天线105和导电结构404，但不流经电压驱动导电结构125。
图6是示例600电流分布602和电场矢量分布604。例子600包括具有第一耦合点414和第二耦合点416的电流驱动导电结构404。
因为导电结构404具有某一表面面积，所以电流502作为电流分布602跨越导电结构404传播。电流分布602又根据下式而产生垂直于表面面积的电场矢量分布604：E＝J/σ，其中E＝V/米计的电场矢量分布604；J＝安培/米2计的电流密度；且σ＝西门子/米计的电导率。
因为电流502遍及导电结构404传播，所以遍及导电结构404的大多数若非所有表面面积将存在电场。因此，导电结构404将充当E场天线。运用12mA的共振电流的示例测量产生充足的电场信号以允许通过人体进行NFEMI通信。
图7是具有耦合到电子装置702的两个导电结构402、404的NFEMI天线400的第一例子700。导电EMI筛网206大体上覆盖电子装置702内部的各种电子装置以最大限度地减少外部干扰。
但是，为了最大化NFEMI天线400的E场，导电结构402、404定位于EMI筛网206外部，且定位于用户有可能与导电结构402、404紧密或直接接触以便另外增强电场矢量分布604并启用稳健人体网路NFEMI通信的位置(例如，用户触摸点)处。
这些用户触摸点(即，导电结构402、404)可包括：电源按钮、音量控制或装置控制按钮。在其它例子中，用户触摸点的实施例可包括电子装置702的被配置成与用户接触的外部边缘。取决于应用，用户触摸点可或可不与用户电流接触。
在各种应用中，电子装置702可以是：智能电话、智能手表、可佩戴装置、助听器、耳塞或医疗传感器。
EMI筛网206在一些示例实施例中可分离短加载偶极(E场)天线120中的导电结构402、404与线圈(H场)天线105和/或收发器电路系统(RF-IC)302。EMI筛网206可以是铁丝网或薄柔性金属箔片。在一些示例实施例中，EMI筛网206连接到电源供应器。
图8是具有耦合到电子装置802的一个电流驱动导电结构402的电流驱动NFEMI天线420的第二例子800。导电结构402(例如，导电片)在此示例实施例中包围电子装置802(例如，智能电话)的外边缘的一部分。
如同图7中，导电结构402定位于EMI筛网206外部，且定位于用户有可能与导电结构402紧密或直接接触(例如，通过握持智能电话)以便另外增强电场矢量分布604并启用稳健人体网路NFEMI通信的位置处。
在图7和图8两者的例子中，与用户皮肤的直接“触摸点”极大地增强来自导电结构402、404的E场强度。上文所论述的NFEMI天线400、420因此提高接近各种消费者生活方式和健康护理应用中的人体的应用中的无线通信的可靠性和稳健性。
然而，NFEMI天线400、420不限于接近人类或动物身体使用，而是还可嵌入于各种可佩戴和/或手持型(例如，智能电话)产品中，尤其是包括将或会干扰NFEMI信号接收的EMI屏蔽(即，EMI筛网206)的产品中。
一些示例实施例中的准许EMI筛网206浮动(即，无接地或电源供应器连接)的NFEMIEMI筛网206可提供替代性结构，所述替代性结构用于产生可启用可或可不使用EMI筛网206或电子装置中的任何金属结构来进行屏蔽的其它应用的E场。
将容易理解，如本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组件可以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，如图所表示的各种实施例的详细描述并不意图限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在图式中呈现了实施例的各种方面，但除非特别地指示，否则所述图式未必按比例绘制。
在不脱离本发明精神或基本特征的情况下，可以其它特定形式实施本发明。所描述实施例应视为在所有方面均仅为说明性而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此详细描述来指示。在权利要求书的等效物的含义和范围内的所有变化都涵盖在权利要求书的范围内。
贯穿本说明书对特性、优点或类似语言的参考并不暗示可以使用本发明实现的所有特性和优点应在或在本发明的任何单一实施例中。实际上，提及特性和优点的语言应理解成意味着结合实施例描述的特定特性、优点或特征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的论述以及类似语言可以是但未必是指同一实施例。
此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以用任何合适方式在一个或多个实施例中组合。本领域的技术人员应认识到，鉴于本文中的描述，本发明可在无特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个的情况下实践。在其它情况下，可能在某些实施例中识别出可能不存在于本发明的所有实施例中的另外特征和优点。
贯穿本说明书对“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，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可能但未必全部是都指同一实施例。

Claims (10)

1.一种近场电磁感应(NFEMI)天线装置，其特征在于，包括：
线圈，所述线圈具有第一和第二耦合点，所述线圈被配置成产生和/或接收磁(H场)近场信号；
导电结构，所述导电结构具有按某一距离分离的第一耦合点与第二耦合点；
第一和第二馈电点，所述第一和第二馈电点被配置成承载来自发射器电路和/或去往接收器电路的电流；
其中所述导电结构的所述第一耦合点耦合到所述第一馈电点，且其中所述导电结构的所述第二耦合点耦合到所述线圈的所述第一耦合点；
其中所述线圈的所述第二耦合点耦合到所述第二馈电点；并且
其中所述导电结构被配置成响应于所述电流流过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述距离而产生电(E场)近场。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述电流是包括AC电流和/或DC电流的RF电流；且
其中所述导电结构被配置成响应于所述RF电流流过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述距离而产生所述E场。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述电流在所述导电结构上传播，使得E场向量覆盖所述导电结构的总表面。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电结构是短加载偶极天线。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
进一步包括第二导电结构，所述第二导电结构具有按第二距离分离的第一耦合点与第二耦合点；
其中所述第二导电结构的所述第一耦合点耦合到所述第二馈电点，且其中所述第二导电结构的所述第二耦合点耦合到所述线圈的所述第二耦合点；且
其中所述第二导电结构被配置成响应于所述电流流过所述第二导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述第二距离而产生第二E场。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
进一步包括具有单一耦合点的第二导电结构；
其中所述单一耦合点耦合到所述第一馈电点或所述第二馈电点；且
其中所述第二导电结构被配置成响应于所述单一耦合点处的电压而产生第二E场。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一耦合点与所述第二耦合点按所述导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接距离分离。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一耦合点与所述第二耦合点按小于所述导电结构上的任何两个位置之间的最大可附接距离定位；且
其中所述导电结构被配置成通过所述导电结构的所述第一耦合点与所述第二耦合点之间的所述电流和所述耦合点处的电压两者产生所述E场。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
进一步包括具有一组电路的电子装置以及电磁干扰(EMI)筛网；且
其中所述组电路在所述EMI筛网的一侧上且所述导电结构在所述EMI筛网的相对侧上。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述NFEMI天线耦合到包括以下各项中的至少一个的一组支持电路系统：平衡或非平衡收发器、用于针对特定谐振频率调谐所述天线的电容器组；或用于调整所述天线的带宽的电阻器组。
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