CN111817028A - 组合近场和远场天线 - Google Patents

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Abstract

一个例子公开了一种被配置成耦合到导电主表面的组合近场和远场天线，所述组合近场和远场天线包括：被配置成耦合到远场收发器的第一馈电点；被配置成耦合到近场收发器的第二馈电点；第一导电天线表面；第一滤波器，所述第一滤波器具有耦合到所述第一馈电点和所述第一导电天线表面的第一接口，并且具有耦合到所述第二馈电点的第二接口；其中所述第一滤波器被配置成衰减在所述第一导电天线表面和所述远场收发器之间传递的远场信号，以免被所述近场收发器接收；并且其中所述第一滤波器被配置成在所述近场收发器和所述第一导电天线表面之间传递近场信号。

Description

组合近场和远场天线
技术领域
本说明书涉及用于天线的系统、方法、装置、设备、制品和指令。
背景技术
在本文中讨论的是基于近场电磁感应(NFEMI)的体内和体外通信以及其它无线网络设备，其中，发射器和接收器通过磁(H)场和电(E)场耦合和/或使用通过自由空间传播的RF平面波进行远场通信。
发明内容
根据示例性实施例，一种被配置成耦合到导电主表面的组合近场和远场天线，所述组合近场和远场天线包括：被配置成耦合到远场收发器的第一馈电点；被配置成耦合到近场收发器的第二馈电点；第一导电天线表面；第一滤波器，所述第一滤波器具有耦合到所述第一馈电点和所述第一导电天线表面的第一接口，并且具有耦合到所述第二馈电点的第二接口；其中所述第一滤波器被配置成衰减在所述第一导电天线表面和所述远场收发器之间传递的远场信号，以免被所述近场收发器接收；并且其中所述第一滤波器被配置成在所述近场收发器和所述第一导电天线表面之间传递近场信号。
在另一个示例性实施例中，第一导电天线表面是平面板。
在另一个示例性实施例中，第一导电天线表面是平面盘旋线圈或非平面螺旋线圈。
在另一个示例性实施例中，第一导电天线表面是平面盘旋结构或非平面螺旋结构，所述第一导电天线表面具有耦合到一组电子电路的第一端和未耦合且终止于自由空间中的第二端。
在另一个示例性实施例中，第一导电天线表面是单极远场天线。
在另一个示例性实施例中，单极远场天线具有大于或等于远场信号载波频率的1/4波长的长度。
在另一个示例性实施例中，第一导电天线表面被定向为使得远场信号电流基本上垂直于导电主表面。
在另一个示例性实施例中，还包括耦合到近场收发器并且被配置为近场磁天线的线圈天线部分。
在另一个示例性实施例中，近场信号约为50MHz或更低；远场信号约为1GHz或更高。
在另一个示例性实施例中，第一滤波器是RF扼流线圈。
在另一个示例性实施例中，第一滤波器是铁氧体磁珠、周围具有铁氧体材料的线圈或调谐到RF频率的并联电路中的至少一个。
在另一个示例性实施例中，第一滤波器具有低通滤波器拓扑或陷波滤波器拓扑。
在另一个示例性实施例中，第一滤波器(L)具有约12nH的电感。
在另一个示例性实施例中，收发器被配置成将近场信号与远场信号时分多路传输。
在另一个示例性实施例中，收发器被配置成交替地打开和关闭，以将近场信号与远场信号时分多路传输。
在另一个示例性实施例中，还包括耦合在第一导电天线表面和远场收发器之间的第二滤波器；其中所述第二滤波器被配置成衰减在所述第一导电天线表面和所述近场收发器之间传递的近场信号，以免被所述远场收发器接收；其中所述第二滤波器被配置成在所述远场收发器和所述第一导电天线表面之间传递远场信号。
在另一个示例性实施例中，还包括参考平面；其中所述参考平面耦合到所述远场收发器；其中所述参考平面被配置成比所述第一导电天线表面更靠近所述导电主表面定位。
在另一个示例性实施例中，导电主表面是人体、耳朵、手腕或孔口中的至少一个。
在另一个示例性实施例中，组合天线嵌入到耳塞中，并且第一导电天线表面形成耳塞的外表面。
在另一个示例性实施例中，还包括耦合到近场收发器的第二导电天线表面；并且其中第一导电天线表面比第二导电天线表面离导电主结构更远。
以上讨论并非旨在表示当前或未来的权利要求组范围内的每一个示例性实施例或每一个实施方案。下面的附图和具体实施方式也举例说明了各种示例性实施例。
结合附图考虑以下具体实施方式，可以更全面地理解各种示例性实施例。
附图说明
图1是近场电磁感应(NFEMI)天线的例子。
图2是组合近场和远场天线的例子。
图3A、3B、3C和3D示出了包括示例性组合天线的两个示例性无线设备。
图4是作为定位在用户耳朵中的第一无线设备或第二无线设备的示例性组合近场和远场天线的示例性示意图。
虽然本公开服从于各种修改和替换形式，但是其细节已经在附图中通过例子的方式示出并且将被详细地描述。然而，应理解，除了所描述的特定实施例之外，其它实施例也是可能的。也涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替换实施例。
具体实施方式
体内NFEMI通信利用非传播准静态H场和E场。这种体内NFEMI设备包括H场天线(即，磁天线)，所述H场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场分量被大大减小(例如，减小-20到-60dB，根据天线设计，减小系数为0.1到0.0008(10％到0.08％))。
小环路天线是示例性H场天线，并且包括尺寸远小于其使用波长的环路天线。小环路天线在NFEMI载波频率处不共振，而是通过外部电抗调谐到共振。在一些示例性实施例中，小环路天线中的电流在环路的每个位置中具有相同的值。
这种体内NFEMI设备还包括E场天线(即，电天线)，所述E场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场分量被大大减小(例如，减小-20到-60dB，根据天线设计，减小系数为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，在两端处都具有额外的电容结构。
这些近场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其载波频率相结合的结果。大部分近场能量以磁场和电场的形式存储，而少量的RF能量不可避免地在自由空间中传播。
近场磁感应(NFMI)或近场电感应(NFEI)通信也可以用于这种身体通信。NFMI设备中的磁场不耦合到身体，因此这种设备可以比NFEMI或NFEI设备离身体更远，并且仍然确保通信。然而，由于在这种NFMI设备中的磁天线尺寸小，NFMI设备的范围比全体NFEI设备的范围短得多。小天线几何形状对于NFMI和NFEMI天线是有效的，因为它们最小化自由空间中的辐射波。
图1是在无线设备中使用的近场电磁感应(NFEMI)天线100的例子。在这个例子中，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)与短加载偶极120(即，用于电场)。线圈天线105包括缠绕有导线115的铁氧体磁芯110。短偶极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，例如下游无线电发射器和接收器集成电路(RF-IC)(这里未示出)。天线100的带宽和共振频率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。
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被限制在身体上，并且不会在自由空间中显著辐射。这增强了这种体联网通信的安全性和保密性。
在各种示例性实施例中，天线100在50Mhz或50MHz以下工作，以确保场遵循身体轮廓，并确保远场辐射被大大减小。
一些例如智能手表的身体可佩戴设备包括远场通信模块，以与例如智能电话的其它无线设备进行体外通信。
身体可佩戴设备还可以包括作为身体区域网络的部分的近场通信模块，所述身体区域网络可以包括配置成靠近用户身体放置的耳塞和各种传感器。即使当用户正在收听从智能电话流向智能手表然后流向耳塞的音乐时，这种传感器也可以收集通过近场发送给智能手表的身体参数。
然而，在一些身体区域网络应用中，用户可能不配备智能手表或智能腕带。在这种情况下，另一个身体可佩戴设备将需要包括远场通信模块，以与智能电话和/或其它体外设备进行无线通信。将远场通信模块包括在耳塞中可能会有问题，因为耳塞的形状系数优选地非常小。
现在讨论的是组合近场和远场天线的身体可佩戴设备的示例性实施例。这种组合天线将近场天线的部分重新用于远场通信，从而不需要或需要最小的额外体积，使得两个天线都适合小耳塞的形状系数。
这种组合/双重模式天线的示例性实施例可以包括用于近场音频和数据通信的第一模式和用于远场通信的第二模式(例如，蓝牙、BLE等)。这种组合天线允许音频、视频和数据的体内和体外无线通信。
图2是组合近场和远场天线的例子200。组合天线200包括NFEMI天线100的元件(即，被导线115缠绕以形成近场磁天线的铁氧体磁芯110，以及形成近场电天线的第一导电天线表面125和第二导电天线表面130)。
馈电点135、140耦合到近场收发器202，在各种示例性实施例中，所述近场收发器202包括无线电发射器和接收器集成电路(RF-IC)以及用于调节NFEMI天线100带宽和共振频率的各种电抗组件(例如，电容和电阻组)。
例子200组合近场和远场天线还包括远场收发器204、第一滤波器(L)206(例如，RF扼流线圈或线圈和电容器的组合)、第二滤波器208、参考平面210和馈电点212、214、216。
第一导电天线表面125既用作近场E场耦合又用作通过自由空间传播的RF平面波的远场耦合。在各种示例性实施例中，第一导电天线表面125可以是平面板、平面线圈、盘旋线圈或螺旋线圈。
在一些示例性实施例中，所述双重使用的第一导电天线表面125尽可能地远离第一导电结构(例如，用户的皮肤)，从而改善近场电(E场)性能，同时减小用户身体对远场RF信号的吸收。在一些例子中，第一导电天线表面125还可以被朝向成使得远场天线电流基本上垂直于导电主表面(例如，用户的头部)。
第一滤波器206的第一接口耦合到第一导电天线表面125和来自远场收发器204的馈电点212，而第一滤波器(L)206的第二接口耦合到馈电点135。
在较低频率(例如，10MHz)的近场模式中，第一滤波器(L)206是低阻抗，并且近场收发器202仅电力地“看见”线圈天线部分105(小环路天线、H场)和短负载偶极部分120(即，电(E)场)，如图1所述。第二滤波器208被配置成衰减来自远场收发器204的近场收发器202信号。
在较高频率(例如，2.4GHz)的远场模式中，第一滤波器(L)206是高阻抗，并且远场收发器204仅电力地“看见”第一导电天线表面125，并且防止远场信号泄漏到近场收发器202中。
在一些示例性实施例中，第一滤波器(L)206对于双重模式系统具有约12nH的电感，其中，10.6MHz用于近场通信频率，2.5GHz(例如，BT或BLE)用于远场通信频率。
第一滤波器(L)206可以是普通感应线圈、铁氧体磁珠、周围具有铁氧体材料的线圈、调谐到RF频率的“并联电路”。第一滤波器(L)206可以具有低通滤波器或陷波滤波器配置。
第二滤波器208(例如，包括RF匹配和近场滤波电路)通过馈电点214耦合在馈电点212和远场收发器204之间。第二滤波器208还将远场收发器204与近场收发器202近场信号隔离。第二滤波器208可以具有高通滤波器或陷波滤波器配置。
在远场收发器204具有平衡输入/输出的示例性实施例中，在远场收发器204和第二滤波器208之间插入平衡单元(BALUN)。
在一些示例性实施例中，如果近场和远场通信是时分多路传输的(即，不同时发生)，则可以删除第二滤波器208。可替代地添加各种屏蔽以抑制两个收发器202、204之间的任何信号谐波干扰。收发器202、204可以交替地打开和关闭，以防止干扰。
远场收发器204通过馈电点216耦合到参考平面210(例如，印刷电路板的)。在一些示例性实施例中，参考平面210处于屏蔽远场干扰的位置(例如，对于耳塞设备，参考平面210可以位于内耳道的远处)。
在一些例子中，参考平面210被放置在距第一导电天线表面125最大的距离处，以最小化参考平面210和第一导电天线表面125之间的任何电容。也可以将介电材料(例如，PCB、具有低介电常数的塑料、气腔等)放置在第一表面125和参考平面210之间。
图3A、3B、3C和3D示出了包括示例性组合天线的两个示例性无线设备300、326。在示例性实施例中，无线设备300、326是在使用中可以被部分或完全覆盖的耳塞，例如当在放置在用户耳道中的耳塞中时。
图3A是具有连续的第一导电天线表面316的第一无线设备300的示例性侧视图302，图3B是具有连续的第一导电天线表面316的第一无线设备300的示例性轴向视图304(即，面向与耳道相对的一侧)。
设备300包括具有磁芯区306和延伸区308的非平面外表面305、扬声器309、用户接口310、线圈天线312(即，磁H场天线)、第二导电天线表面314(即，电E场天线)、第一导电天线表面316(即，电E场天线)、电池318和包括载体(例如，印刷电路板)的电子电路320。
所述例子中的磁芯区306容纳如图2和图3A所示的各种功能组件。延伸区308限定了无线设备300的非平面外表面305的部分，并且其轮廓适合于主导电表面的非平面表面(例如，用户的耳朵，以便提供无线设备300的耳塞实施例的稳定定位)。
在一些示例性实施例中，扬声器309被配置成插入到用户的耳道中。用户接口310使得能够控制无线设备300(例如，控制耳塞的不同功能)，并且可以包括响应于来自用户的触摸和/或手势的开关、接近和/或光电。
线圈天线312的一些示例性实施例包括磁芯和导线绕组，其中磁芯是具有2mm直径和6mm长度尺寸的铁氧体材料，并且有至少20个导线绕组。
在一些示例性实施例中，第二导电天线表面314包括在电池附近的无线设备300内部的下部322和更靠近无线设备300的外表面的上部324。在一些例子中，第一导电天线表面316环绕用户接口310，而在其它例子中，第一导电天线表面316可以具有在用户接口310的后面或前面连续的平面部分。
在一些示例性实施例中，第一导电天线表面314和第二导电天线表面316是柔性金属箔，在其它示例性实施例中，第一导电天线表面314和第二导电天线表面316是导电涂料。
电池318向电子电路320供电，并且可以充电或更换。在各种示例性实施例中，电子电路320包括收发器电路、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)调节设备300的带宽和共振频率。电子电路320可以耦合到衬底/载体。载体可以是印刷电路板或任何适于保持电子电路320的柔性材料以及能够实现耳塞功能的任何机械组件。
图3C是具有盘旋/螺旋第一导电天线表面316的第二无线设备326的示例性侧视图328，并且图3D是具有盘旋/螺旋第一导电天线表面316的第二无线设备326的示例性轴向视图330(即，面向与耳道相对的一侧)。
在示例性第二无线设备326中，第一导电天线表面316是平面盘旋结构或非平面螺旋结构，其具有耦合到电子电路320(或线圈天线312)的第一端332和未耦合并且通过形成单极RF天线而终止于自由空间中的第二端334。可以在耳塞的塑料外壳内实现盘旋/螺旋形状。在一些示范性实施例中，选择第一端332和第二端334之间的距离，以具有足够的长度来谐振1和6GHz之间的远场通信频率。
第一导电天线表面316的其它特殊形状也是可能的。在螺旋实施例中，第一导电天线表面316可以开始从用户头部附近沿各个方向旋出。螺旋导线可以非常细，以产生非常长的远场单极天线，以用于更稳健的远场通信。也可以在嵌套配置中或在不同的几何平面中使用多于一个这种螺旋导线。
在近场模式中，由无线设备300的NFEMI天线发射和/或接收的电压是由磁H场和电E场引起的电压的组合。
通过使第二导电天线表面314与主表面(例如，用户的耳道)几何上一致，天线电容(Ca)增加。因此，通过符合用户外耳的延伸区308的形状和紧挨着符合用户内耳的扬声器309的磁芯区306部分的形状会增加NFEMI天线的电容(Ca)，并且生成较大的电场。
因此，即使第二导电天线表面314生成的直接电E场被内耳阻挡，较大的电容(Ca)也使得主导电表面(例如，用户的身体)能够间接地发射第二导电天线表面314的电场。
而且，在近场模式中，通过最大化第二导电天线表面314和第一导电天线表面316之间的距离(d)，生成较大的电场并且使所接收的电压(Vrx)进一步增加。
使用这两种技术，实现了近场模式NFEMI通信的稳健性。
在远场模式中，第一导电天线表面316的三维螺旋绕组或平面盘旋绕组产生用于增强的远场辐射的长(例如，等于或大于1/4波长)RF天线。
由绕组316产生的电向量具有与流过绕组316的电流的朝向相同的朝向。当第一导电天线表面316垂直于头的皮肤定位时(对于耳塞而言)，电流具有垂直于皮肤的朝向。平行于皮肤的电流相互抵消，因为线圈前面的电流与线圈后面的电流相差180度。
在一些示范性实施例中，在2.5GHz下，天线的增益在-15和-5dBi之间。这是由于低辐射电阻(1到5ohms)和例如人体组织导电主表面的低吸收。然而，对于0dBm发射器输出，如果您具有敏感的接收器(例如，-92dBm)，这对于10到15米的通信范围来说就足够了。
图4是在定位在靠近第一导电主表面402(例如，用户的头部)、第二导电主表面404(例如，用户的外耳)和/或第三导电主表面406(例如，用户的内耳)的第一无线设备300或第二无线设备326中的示例性组合近场和远场天线200的示例性示意图400。
在一个示例性实施例中，扬声器309被插入到用户402的内耳道406中，并且第一导电结构314靠近内耳道406和外耳道404安装，同时第二导电结构316被定位成与内耳分离。导电结构314、316的这种配置提供了与主机的紧密皮肤接触和两个导电结构314、316之间的最大分离的组合。
导电主表面402、404、406通常可以是任何E场响应的导电主表面。在各种其它示例性实施例中，这种导电主表面402、404、406可以是人体的另一部分、身体表面、孔口、鼻子、嘴或任何类型的导电结构。
来自组合天线200的近场信号在发射模式中被限制在导电主表面402、404、406附近，而在接收模式中被导电主表面402、404、406限制。
在近场模式的示例性实施例中，近场频率保持低于50MHz，以确保近场信号遵循导电主表面402、404、406的轮廓，并且第一导电天线表面316仅辐射少许远场辐射。然而，在远场模式中，第一导电天线表面316被配置成辐射显著的远场辐射。
在上述附图中讨论的各种指令和/或操作步骤可以以任何顺序执行，除非明确规定了特定顺序。此外，本领域的技术人员将认识到，虽然已经讨论了指令/步骤的一些例子组，但是本说明书中的材料可以以多种方式组合以产生其它例子，并且应在本具体实施方式所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。
当指令被实施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，所述介质在用所述可执行指令编程并且由所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。所述指令被加载以在处理器(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)或其它控制或计算设备。处理器可以指单个组件或多个组件。所述计算机可读或计算机可用的存储媒介被认为是物品(或制品)的部分。物品或制品可以指任何制造的单个组件或多个组件。在本文中所定义的非瞬态机器或计算机可用介质或媒介不包括信号，但是这种介质或介质可能能够接收和处理来自信号和/或其它瞬态媒介的信息。
将容易理解的是，可以以各种不同的配置布置和设计如在本文中大致描述并且在所附附图中示出的实施例的组件。因此，如在附图中所表示的各种实施例的具体实施方式并不旨在限制本公开的范围，而仅仅是各种实施例的代表。虽然在附图中表示了实施例的各个方面，但是附图不一定按比例绘制，除非有明确说明。
在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下，本发明可以以其它特定形式实施。所描述的实施例在所有方面被认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不是所述具体实施方式来指示。在权利要求书的等同含义和范围内的所有变化都包括在权利要求书的范围内。
贯穿本说明书的对特征、优点或类似语言的引用并不意味着可以用本发明实现的所有特征和优点应当或存在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被理解为表示结合实施例描述的特定特征、优点或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定指相同的实施例。
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。相关领域的技术人员将认识到，根据本文中的描述，可以在没有特定实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实施本发明。在其它情况下，在某些实施例中可以认识到可能在本发明的所有实施例中不存在于的附加特征和优点。
贯穿本说明书的对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性被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”和类似语言可以但不一定全部指相同的实施例。

Claims (10)

1.一种被配置成耦合到导电主表面的组合近场和远场天线，其特征在于，包括：
被配置成耦合到远场收发器的第一馈电点；
被配置成耦合到近场收发器的第二馈电点；
第一导电天线表面；
第一滤波器，所述第一滤波器具有耦合到所述第一馈电点和所述第一导电天线表面的第一接口，并且具有耦合到所述第二馈电点的第二接口；
其中所述第一滤波器被配置成衰减在所述第一导电天线表面和所述远场收发器之间传递的远场信号，以免被所述近场收发器接收；以及
其中所述第一滤波器被配置成在所述近场收发器和所述第一导电天线表面之间传递近场信号。
2.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述第一导电天线表面是平面板。
3.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述第一导电天线表面是平面盘旋线圈或非平面螺旋线圈。
4.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述第一导电天线表面是平面盘旋结构或非平面螺旋结构，所述第一导电天线表面具有耦合到一组电子电路的第一端和未耦合并且终止于自由空间中的第二端。
5.根据权利要求4所述的设备：
其特征在于，所述第一导电天线表面是单极远场天线。
6.根据权利要求5所述的设备：
其特征在于，所述单极远场天线具有大于或等于远场信号载波频率的1/4波长的长度。
7.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述第一导电天线表面被朝向成使得远场信号电流基本上垂直于所述导电主表面。
8.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，还包括耦合到所述近场收发器并且被配置为近场磁天线的线圈天线部分。
9.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述近场信号约为50MHz或更低；以及
其中所述远场信号约为1GHz或更高。
10.根据权利要求1所述的设备：
其特征在于，所述第一滤波器是RF扼流线圈。
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