CN110994140A - 近场电磁感应（nfemi）天线 - Google Patents

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conductive antenna
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Abstract

一个例子公开了一种被配置成耦合到非平面导电主体表面的近场电磁感应(NFEMI)装置，所述NFEMI装置包括：线圈天线部分，所述线圈天线部分被配置为磁场天线；以及导电天线表面，所述导电天线表面被配置为电场天线；其中所述导电天线表面在几何上适形于所述非平面主体表面。

Description

近场电磁感应（NFEMI）天线
技术领域
本说明书涉及用于近场电磁感应(NFEMI)天线的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
本文讨论了发射器和接收器通过磁(H)场和电(E)场二者耦合的基于近场电磁感应(NFEMI)的身体通信装置和其它无线联网装置。虽然RF无线通信通过使RF平面波传播通过自由空间来实现，但是NFEMI 通信利用非传播准静态H场和E场。
H场天线(即，磁性天线)主要对磁场敏感和/或主要在被电流驱动时产生磁场。来自H场天线的任何E场分量显著降低(例如，从-20dB 降低到-60dB，因子为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场天线并且包括大小远小于使用波长的环形天线。小环形天线不会以NFEMI载波频率进行谐振，而是通过外部电抗调谐以进行谐振。在一些示例实施例中，小环形天线中的电流在环路的每个位置中的值相同。
E场天线(即，电天线)主要对电场敏感和/或主要在被电压驱动时产生电场。来自E场天线的任何H场分量显著降低(例如，从-20dB降低到-60dB，因子为0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
短负载偶极子天线是示例E场天线并且包括大小远小于NFEMI载波频率的短偶极子并且在一些示例实施例中在两端均具有额外的电容结构。
这些场的准静态特性是NFEMI天线大小与其载波频率组合的结果。大多数近场能量以磁场和电场的形式储存，而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。
近场电磁感应(NFMI)通信也可以用于此类身体通信，然而这些磁场并不耦合到身体。因此，相比于NFEMI装置，这些磁场装置可能离身体更远并且仍然确保通信。然而，由于可穿戴装置中的天线尺寸很小，所以NFMI范围比整个身体短得多。
小型天线几何结构对于NFMI和NFEMI天线是高效的，因为它们使自由空间中的辐射波最小化。
发明内容
根据示例实施例，一种被配置成耦合到非平面导电主体表面(host surface)的近场电磁感应(NFEMI)装置，所述NFEMI装置包括：线圈天线部分，所述线圈天线部分被配置为磁场天线；以及导电天线表面，所述导电天线表面被配置为电场天线；其中所述导电天线表面在几何上适形于所述非平面主体表面。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面的几何适形被配置成增加所述电场天线的电容，这会增加NFEMI天线的信号强度。
在另一个示例实施例中，所述非平面主体表面是人体表面。
在另一个示例实施例中，所述非平面主体表面是耳朵表面。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面的整个表面区域适形于所述非平面主体表面。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面是刚性的。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面被配置成与所述非平面主体表面直接电流接触。
在另一个示例实施例中，所述装置嵌入在耳塞中，并且所述导电天线表面形成所述耳塞的外表面。
在另一个示例实施例中，所述装置另外包括薄介电层；其中所述薄介电层的一侧耦合到所述导电天线表面，并且所述一侧的相对侧被配置成与所述非平面主体表面直接接触。
在另一个示例实施例中，所述装置另外包括第二导电天线表面，所述第二导电天线表面被配置为所述电场天线的一部分。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面基本上以垂直于所述非平面表面的轴线为中心。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面基本上与垂直于所述非平面表面的轴线成对角。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面耦合到所述装置上的第一位置，并且所述第二导电天线表面耦合到所述装置上的第二位置。
在另一个示例实施例中，所述第一位置与所述第二位置在所述装置上分离尽可能长的距离。
在另一个示例实施例中，所述第二导电天线表面是平面的。
在另一个示例实施例中，所述第二导电天线表面在几何上不适形于所述非平面表面。
在另一个示例实施例中，所述装置另外包括用户接口。
在另一个示例实施例中，所述第二导电天线表面环绕所述用户接口。
在另一个示例实施例中，所述导电天线表面与所述第二导电天线表面之间的距离的增加被配置成增加所述NFEMI天线的信号强度。
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案。随后的附图和具体实施方式也举例说明了各个示例实施例。
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是用于无线装置的示例近场电磁感应(NFEMI)天线。
图1B是靠近导电主体表面的近场电磁感应(NFEMI)天线100的例子。
图2A和2B示出了包括NFEMI天线的第一示例无线装置。
图3A和3B示出了包括NFEMI天线的第二示例无线装置。
图4是定位在用户耳朵中的第一示例无线装置的示例绘图。
图5是包括NFEMI天线的第三示例无线装置。
虽然本公开具有各种修改和替代形式，但是在附图中已经通过举例示出了其细节并且将对所述细节进行详细描述。然而，应理解的是，除了所描述的具体实施例之外，其它实施例也是可能的。落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代性实施例也被涵盖。
具体实施方式
图1A是用于无线装置的示例近场电磁感应(NFEMI)天线100。在这个例子中，天线100是电磁感应(NFEMI)天线。在一些示例实施例中，天线100包括线圈天线105(即，用于磁场)，结合短负载偶极子 120(即，用于电场)。线圈天线105包括缠绕有导线115的铁氧体芯110。短偶极子120包括第一导电天线表面125和第二导电天线表面130。天线100馈电点135、140耦合到各种收发器电路系统，如下游无线电发射器和接收器集成电路(RF-IC)(此处未示出)。可以使用集成在无线电 IC中的电抗组件(例如，电容和电阻组)来调谐天线100的带宽和谐振频率。
短负载偶极子部分120对电(E)场进行响应。线圈天线部分105 对磁(H)场进行响应。
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局限于身体并且不会在自由空间中明显辐射。这增强了这种身体联网通信的安全性和隐私性。
在各个示例实施例中，天线100以50MHz或更低的频率操作以确保场沿着身体轮廓并且确保远场辐射大大减少。
图1B是靠近导电主体表面145的近场电磁感应(NFEMI)天线100 的例子。在各个示例实施例中，导电主体表面145可以是人体、身体表面、耳道、鼻孔、嘴或任何类型的导电结构。
来自天线100的近场信号在发射模式下限制在导电主体表面145附近，并且在接收模式下由导电主体表面145限制。在一个示例实施例中，近场频率保持低于50MHz以确保近场信号沿着导电主体表面145的轮廓并且仅辐射少量远场辐射。天线100的物理尺寸远小于天线100的通信波长。
第一导电天线表面125和第二导电天线表面130定位在导电主体表面145附近。在一些示例实施例中，第二导电天线表面130定位在导电主体表面145(例如，人体的皮肤)附近，并且第一导电天线表面125 定位得更远。
在一些应用中，可以将NFEMI天线100定位在导电主体表面145 附近(例如，智能手表中的NFEMI天线100)。然而，在其它应用中，可以部分或完全覆盖NFEMI天线100，如当处于放置在用户耳道中的耳塞中时。
现在讨论的是在一些示例实施例中部分或全部位于非平面导电主体表面(例如，如用户耳道等身体区域)内部的NFEMI装置的示例实施例。现在要讨论的NFEMI装置的技术效果之一是：即使当NFEMI装置部分或全部处于主体表面内部时，也产生更强且更稳健的通信信号。在一些示例实施例中，通过将用于E场信号的第一导电结构尽可能靠近主体表面放置并且将第二导电结构放置成与第一导电结构相距最大间隔以进一步增加通信链路预算，实现该技术效果。
图2A和2B示出了包括NFEMI天线的第一示例无线装置200。在此示例实施例中，无线装置200是在使用时可以被部分或完全覆盖的耳塞，如当处于放置在用户耳道中的耳塞中时。图2A是无线装置200的示例侧视图202，并且图2B是无线装置200的示例轴向视图204(即，面向要插入耳道中的一侧)。
装置200包括具有核心区域206和延伸区域208的非平面外表面 205、扬声器209、用户接口210、线圈天线212(即，磁H场天线)、第一导电天线表面214(即，电E场天线)、第二导电天线表面216(即，电E场天线)、电池218和电子电路系统220。
如图2A所示，此例子中的核心区域206容纳各种功能组件。延伸区域208限定无线装置200的非平面外表面205的一部分，并且其轮廓被设置为紧密地贴合主体导电表面的非平面表面(例如，用户的耳朵，以便提供无线装置200的耳塞实施例的稳定定位)。
在一些示例实施例中，扬声器209被配置成插入用户的耳道中。用户接口210实现对无线装置200的控制(例如，控制耳塞的不同功能)，并且可以包括对来自用户的触摸和/或手势进行响应的开关、接近和/或光电子装置。
线圈天线212的一些示例实施例包括芯和导线绕组，其中芯是直径为2mm且长度为6mm的铁氧体材料，并且存在至少20个导线绕组。
在一些示例实施例中，第一导电天线表面214包括无线装置200内部靠近电池的下部部分222和较靠近无线装置200的外表面的上部部分 224。在一些例子中，第二导电天线表面216环绕用户接口210，而在其它例子中，第二导电天线表面可以具有在用户接口210的后面或前面延续的平面部分。在一些示例实施例中，第一导电天线表面214和第二导电天线表面216是柔性金属箔片，在其它示例实施例中，第一导电天线表面214和第二导电天线表面216是导电涂料。
电池218向电子电路系统220供电，并且可以是可充电的或可更换的。在各个示例实施例中，电子电路系统220包括收发器电路系统、接收器集成电路(RF-IC)和电抗组件(例如，电容和电阻组)。电抗组件 (例如，电容和电阻组)调节装置200的带宽和谐振频率。电子电路系统 220可以耦合到衬底/载体。载体可以是印刷电路板或适于固持电子电路系统220的任何柔性材料以及实现耳塞的运行的任何机械组件。
由无线装置200的NFEMI天线发射和/或接收的电压是由于磁H场和电E场两者而产生的电压的组合。
接收到的磁H场电压由下式定义：
Vrx，coil(x)＝Q2πNSμ0μrH(x)F
其中：
■Q＝调谐天线的品质因子
■N＝线圈的匝数
■F＝通信频率
■S＝线圈芯的表面
■H(x)＝接收线圈位置处的磁场
■μo＝4·p·10-7H/m是真空的磁导率
■μr＝线圈芯的相对磁导率
天线从电E场接收到的电压由下式定义：
Figure BDA0002222474670000071
其中：
■Q＝调谐天线的品质因子
■d＝导电表面之间的距离
■E(x)＝接收天线处的电场
■εr＝第一导电表面与第二导电表面之间的衬底的相对电容率
■Ca＝天线电容
■CTune＝用于将天线调谐到通信频率的调谐电容器
根据上述公式，当天线电容(Ca)增加和/或导电表面之间的距离 (d)增加时，来自电场的接收信号强度(即，Vrx)将增加。
通过在几何上使第一导电天线表面214适形于主体表面(例如，用户的耳道)，天线电容(Ca)增加。因此，使延伸区域208的形状适形于用户的外耳并且使核心区域206的紧邻扬声器209的部分的形状适形于用户的内耳会增加NFEMI天线的电容(Ca)并且产生更大的电场。
因此，即使内耳阻碍第一导电天线表面214直接产生E场，大电容 (Ca)也使主体导电表面(例如，用户的身体)能够间接地发射第一导电天线表面214的E场。
此外，通过使第一导电天线表面214与第二导电天线表面216之间的距离(d)最大化，会产生更大的电场并且Vrx进一步增加。
使用这两种技术，实现了NFEMI通信的鲁棒性。
图3A和3B示出了包括NFEMI天线的第二示例无线装置300。在此示例实施例中，无线装置300也是在使用时可以被部分或完全覆盖的耳塞，如当处于放置在用户耳道中的耳塞中时。图3A是无线装置300 的示例电路图302，并且图3B是无线装置300的示例侧视图304。
装置300包括具有核心区域306和延伸区域308的非平面外表面 305、扬声器(未示出)、用户接口(未示出)、双线圈天线312(即，磁 H场天线)、第一导电天线表面314(即，电E场天线)、第二导电天线表面316(即，电E场天线)、电池(未示出)和电子电路系统320。
此替代性例子中的核心区域306还容纳如图3A所示的各种电路和天线组件。延伸区域308限定无线装置300的非平面外表面305的一部分，并且其轮廓被设置为紧密地贴合主体导电表面的非平面表面(例如，用户的耳朵，以便提供无线装置300的耳塞实施例的稳定定位)。
在此例子中，由于如图3B所示的第一导电天线表面314与第二导电天线表面316之间的对角线距离，所述两个表面314、316之间的距离 (d)得到最大化。因此产生更大的电场并且Vrx进一步增加。
图4是定位在用户402的耳朵404中的第一示例无线装置200的示例绘图400。扬声器209插入用户402的耳道中。第一导电结构214装配在内耳中，而第二导电结构216被定位成与内耳分离。
导电结构214、216的这种配置提供了皮肤与主体的紧密接触以及所述两个导电结构214、216之间的最大间隔的组合。
图5是包括NFEMI天线的第三示例(例如，原型)无线装置500。在此示例实施例中，无线装置500是在使用时可以被部分或完全覆盖的耳塞，如当处于放置在用户耳道中的耳塞中时。示出了无线装置500的示例侧视图502。
装置500包括核心区域506和延伸区域508、扬声器509、用户接口(顶部的微USB端口)、线圈天线512(即，磁H场天线)、第一导电天线表面514(即，电E场天线)、第二导电天线表面516(即，电E场天线)、电池518和电子电路系统520。
由于无线装置500未被封装，因此未示出非平面外表面。当被封装时，第一导电天线表面514和第二导电天线表面516可以适形于封装体的非平面外表面。
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非暂时性机器或计算机可用媒体不包括信号，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示出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，如附图所示，各个实施例的详细说明并非旨在限制本公开的范围，而是仅表示各个实施例。尽管附图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别指示，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，可以以其它特定形式体现本发明。所描述实施例应当在所有方面都仅被视为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由此详细描述指定。落入权利要求的等效方案的含义和范围内的所有改变都将涵盖在权利要求的范围内。
在整个本说明书中对特征、优点或类似语言的提及并不暗示可以用本发明实现的所有特征和优点应当处于或处于本发明的任何单个实施例中。相反，提及特征和优点的语言应被理解成意味着结合实施例描述的特定特征、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、优点和特性可以以任何适当的方式组合到一个或多个实施例中。相关领域的技术人员将认识到，鉴于本文中的描述，可以在没有具体实施例的特定特征或优点中的一个或多个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可能并不存在于在本发明的所有实施例中的附加特征和优点。
在整个本说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及意味着结合所指示实施例描述的具体特征、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，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 (10)

1.一种被配置成耦合到非平面导电主体表面的近场电磁感应(NFEMI)装置，其特征在于，所述NFEMI装置包括：
线圈天线部分，所述线圈天线部分被配置为磁场天线；以及
导电天线表面，所述导电天线表面被配置为电场天线；
其中所述导电天线表面在几何上适形于所述非平面主体表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电天线表面的几何适形被配置成增加所述电场天线的电容，这会增加NFEMI天线的信号强度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述非平面主体表面是人体表面。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述非平面主体表面是耳朵表面。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电天线表面的整个表面区域适形于所述非平面主体表面。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电天线表面是刚性的。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电天线表面被配置成与所述非平面主体表面直接电流接触。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
进一步包括薄介电层；
其中所述薄介电层的一侧耦合到所述导电天线表面，并且所述一侧的相对侧被配置成与所述非平面主体表面直接接触。
9.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天线表面，所述第二导电天线表面被配置为所述电场天线的一部分。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述导电天线表面与所述第二导电天线表面之间的距离的增加被配置成增加所述NFEMI天线的信号强度。
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