CN112543042A

CN112543042A - 近场装置

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Publication number: CN112543042A
Application number: CN202010998585.6A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·凯斯拉斯; 利斯贝特·戈姆
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: US10812126B1; CN112543042B

Abstract

一个例子公开了一种近场装置，所述近场装置包括：电(E场)天线，所述电(E场)天线包括响应于非传播准静态近场电信号的第一导电板和第二导电板；其中，所述电天线配置成耦合到收发器电路；基板，所述基板配置成由用户佩戴；其中，所述第一导电板位于所述基板的配置成背向所述用户的第一侧上；并且其中，所述第二导电板位于所述基板的配置成面向所述用户的第二侧上。

Description

近场装置

技术领域

本说明书涉及用于近场装置的系统、方法、设备、装置、制品和指令。

背景技术

本文中论述的为可能在用户身体上的近场装置与基于近场电磁感应(NFEMI)的其它导电表面和/或其它无线联网装置(例如，物联网(IoT)装置)之间的近场交互，其中发射器和接收器通过磁(H)场和电(E)场两者耦合。虽然RF无线通信是通过在自由空间中传播RF平面波来完成的，但NFEMI通信利用非传播准静态H场和E场。

H场天线(即，磁天线)主要对磁场敏感，且/或主要在电流驱动下引发磁场。来自H场天线的任何E场分量极大地减小(例如，减小-20至-60dB，取决于天线设计，系数为0.1至0.0008(10％至0.08％))。

小型环形天线为示例H场天线，且包括尺寸远小于其使用的波长的环形天线。小型环形天线并不在NFEMI载波频率下谐振，而是替代地通过外部电抗调谐到谐振状态。在一些示例实施例中，小型环形天线中的电流在环中的每个位置具有相同值。

E场天线(即，电天线)主要对电场敏感，且/或主要在电压驱动下引发电场。来自E场天线的任何H场分量极大地减小(例如，减小-20至-60dB，取决于天线设计，系数为0.1至0.0008(10％至0.08％))。

短负载偶极子天线为示例E场天线，且包括尺寸远小于NFEMI载波频率的短偶极子，且在一些示例实施例中，在两端均具有额外电容表面。

这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其载波频率的组合的结果。大部分近场能量以磁场和电场的形式存储，而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。小型天线几何形状使自由空间中的辐射波减到最少。

发明内容

根据示例实施例，一种近场装置包括：电(E场)天线，所述电(E场)天线包括响应于非传播准静态近场电信号的第一导电板和第二导电板；其中，所述电天线配置成耦合到收发器电路；基板，所述基板配置成由用户佩戴；其中，所述第一导电板位于所述基板的配置成背向所述用户的第一侧上；并且其中，所述第二导电板位于所述基板的配置成面向所述用户的第二侧上。

在另一示例实施例中，所述基板配置成柔性地贴合用户(例如，腕带或胸带)。

在另一示例实施例中，所述基板为织物。

在另一示例实施例中，另外包括第三导电板和第四导电板；其中，所述第三导电板位于所述基板的所述第一侧上；并且其中，所述第四导电板位于所述基板的所述第二侧上。

在另一示例实施例中，所述第一和第三导电板彼此物理分离但电耦合到彼此；并且所述第二和第四导电板彼此物理分离但电耦合到彼此。

在另一示例实施例中，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板电耦合成作为电容器并联添加。

在另一示例实施例中，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板基本上沿着所述基板彼此等距分布。

在另一示例实施例中，所述基板配置成物理闭合环；并且所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板基本上围绕由所述基板形成的所述闭合环径向等距分布。

在另一示例实施例中，另外包括第五和第六导电板以及第七和第八导电板；其中，所述基板配置成物理闭合环；并且其中，所述第一和第二、所述第三和第四、所述第五和第六以及所述第七和第八导电板对分别围绕由所述基板形成的所述闭合环每45度定位。

在另一示例实施例中，所述收发器电路包括调谐电路；并且所述调谐电路配置成设置所述电天线的谐振频率和带宽。

在另一示例实施例中，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板并联耦合到所述调谐电路。

在另一示例实施例中，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板以可切换的方式耦合到所述调谐电路。

在另一示例实施例中，另外包括开关矩阵和控制器。

在另一示例实施例中，所述控制器配置成命令所述开关矩阵选择性地将所述导电板耦合到所述调谐电路。

在另一示例实施例中，所述控制器配置成命令所述开关矩阵选择所述导电板以耦合到所述调谐电路，以使所述近场电信号的接收信号强度(RSS)最大化。

在另一示例实施例中，所述控制器配置成命令所述开关矩阵仅选择一组所述导电板以耦合到所述调谐电路，以使所述近场电信号的接收信号强度(RSS)最大化。

在另一示例实施例中，所述电(E场)天线包括多个导电板组；所述基板包括一组互连的分段；并且(例如，链式腕表带)所述多个导电板组中的每个导电板组仅耦合到所述分段中的一个。

在另一示例实施例中，另外包括磁(H场)天线，所述磁(H场)天线包括响应于非传播准静态近场磁信号的线圈；其中，所述磁天线配置成耦合到所述收发器电路。

以上论述并非旨在表示当前或将来的权利要求集的范围内的每个示例实施例或每个实施方案。以下附图和具体实施方式还举例说明各种示例实施例。

考虑到结合附图的以下具体实施方式，可更完全地理解各种示例实施例。

附图说明

图1A为第一示例近场天线。

图1B为耦合到近场天线且配置成接收非传播准静态近场信号的近场装置的示例理想化电气等效装置。

图2A为第一示例近场装置的第一视图。

图2B为第一示例近场装置的第二视图。

图3为第二示例近场装置。

图4为第二示例近场装置的示例理想化电气等效装置

虽然本公开容许各种修改和替代形式，但在附图中已借助于例子示出了本公开的细节，且将详细地描述本公开的细节。然而，应理解，除所描述的具体实施例之外的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、等效物和替代实施例。

具体实施方式

如助听器和无线耳塞之类的一些可佩戴物采用近场磁感应(NFMI)作为无线通信方法。在NFMI无线通信中，两个松耦合的线圈实现信号传送。不发生无线电波的辐射。在发射线圈中流动的电流产生H场，所述H场继而在接收线圈中感应出电流。以此方式，完成无线通信。不利的是，具有小型天线线圈的基于H场的NFMI系统范围有限，所述范围可能远小于用户身体的整个可佩戴范围。此类H场通信对线圈定向敏感。就助听器形状因数而言，基于H场感应的系统无法覆盖整个人体。然而，由于在助听器中两个线圈始终彼此对准，因此其不受人体移动的影响。

其它可佩戴物采用近场电感应(NFEI)作为无线通信方法。NFEI允许导电表面(例如，人体)上和附近的电子装置通过E场耦合(例如，在21MHz下)交换信息。NFEI有时也被称为身体耦合通信(BCC)。虽然基于E场的NFEI信号可具有比基于H场的NFMI信号更大的范围，但E场信号强度可相对于身体姿势而变化并且对身体移动敏感。身体甚至可能部分阻断电容返回路径，由此增加E场信道损耗并且无法实现可靠且稳固的无线通信。

图1A为用于无线装置的示例近场电磁感应(NFEMI)天线100。在此例子中，天线100为电磁感应(NFEMI)天线。在一些示例实施例中，天线100包括与电(E场)天线120(例如，短负载偶极子)结合的磁(H场)天线105(例如，小型环形天线)。磁天线105包括缠绕有线圈115的铁氧体芯110。电(E场)天线120包括两个负载板125和130。天线100的馈电点135、140耦合到各种收发器电路系统，例如，下游无线电发射器和接收器集成电路(RF-IC)(此处未示出)。

电(E场)天线120响应于电(E)场。磁天线部分105响应于磁(H)场。

当NFEMI天线100接近身体(例如，人、物体等)时，磁场和电场将基本上局限于身体，而不会在自由空间中明显辐射。这增强了此类身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在50MHz或低于50MHz下操作以确保场遵循身体轮廓，并且确保远场辐射被极大地减小。选择磁天线105的大小和发射频率以减小可由磁天线105产生的任何远场辐射。例如，磁天线105的线圈115的大小可为直径2mm且长度6mm，并且发射频率保持低于50MHz。

图1B为包括近场天线100和支持电路150的近场装置145的示例理想化电气等效装置。近场装置145配置成接收(例如，在接收模式中)非传播准静态近场信号。应注意，近场天线100还可耦合到发射器电路(未示出)以用于双向通信。

示例理想化天线100包括具有电阻(R3)和电感(L1)的磁(H场)天线105、具有由两个负载板125和130形成的导电结构的电(E场)天线120，以及两个馈电点135和140。

支持电路150包括调谐电路155、LNA 160(低噪声放大器)、通信信号接口165和控制器170。

调谐电路155耦合到第一馈电点135和第二馈电点140。调谐电路155包括第一可变调谐电容组(C1)、第二可变调谐电容组(C2)、第一可变调谐电阻组(R1)和第二可变调谐电阻组(R2)。电容组和电阻组耦合到参考电位190(例如，地电位)。电容组通过控制线175耦合到控制器170，并且电阻组通过控制线180耦合到控制器170。

控制器170调节第一电容组(C1)和第二电容组(C2)，以调节磁天线105和电天线120的谐振频率(例如，调节至10.6MHz)。控制器170调节第一电阻组(R1)和第二电阻组(R2)，以调节磁天线105和电天线120的带宽(例如，调节至400KHz)，从而足以允许从天线105、120接收非传播准静态近场信号。

使用控制线175从控制器170对电容组(C1)、(C2)进行均等调谐，并且使用控制线180从控制器170对电阻组(R1)、(R2)进行均等调谐。

LNA 160耦合在调谐电路155与通信信号接口165之间。当近场装置145正接收非传播准静态近场信号时，LNA 160差分输入两端存在感应电压185(Vlna)。LNA 160放大接收的近场信号，所述近场信号随后由耦合到通信信号接口165的额外的无线电/RFIC/基带电路(未示出)进一步处理。LNA 160还耦合到参考电位190。

由于到LNA 160的输入都耦合到天线105、120，所以近场装置145的配置被认为是平衡的。平衡电路配置有助于抑制以相同幅度和相位进入LNA 160的两条输入线的干扰信号。在其它例子中，可使用不平衡装置。

在操作期间，通过所接收的近场电信号在电(E场)天线120中感应出电压。此电压产生穿过E场天线120的电流。所接收的电压定义为：

其中：

U LNA 160输入处的电压[伏]

Ca电天线120的等效电容

Ct调谐电容(例如，C1和C2的组合)

电(E场)天线120的位置可影响近场装置145使用近场电信号与其它近场装置进行通信的能力。例如，如果电(E场)天线120面向用户身体定位，则导电板125和130都可能部分或全部被用户的身体导电表面覆盖，由此降低近场装置200、202使用近场电信号与其它近场装置进行通信的能力。

现在论述近场装置的示例实施例，所述装置将电(E场)天线120最佳地定向为背离用户身体。在此示例实施例中，近场装置嵌入智能手表以便佩戴在用户的左手腕上。在此定向中，一个导电板130将面向用户，而另一个导电板125将背向用户，以实现更好的近场电信号通信。

图2A为第一示例近场装置的第一视图200。图2B为第一示例近场装置的第二视图202。装置200、202包括一组电子装置204和基板附接结构206。在一些示例实施例中，装置200、202是可佩戴的(例如智能手表)，并且基板附接结构206为腕带、束带、胶带或嵌入衣服中。

在一些示例实施例中，一组电子装置204包括磁(H场)天线105(可选的)和各种支持电路150(例如，调谐电路、接收器、发射器、基带数据处理等)。

在此例子中示出，基板206承载具有响应于近场电信号的两个导电板125、130的电(E场)天线120。第一导电板125位于基板的配置成背向用户的第一侧上。第二导电板130位于基板的配置成面向用户的第二侧上。在一些示例实施例中，基板206配置成柔性地贴合用户(例如，用于智能手表的腕带、用于医疗监护仪的胸带、织物等)。

一旦体现近场装置200、202的智能手表在人的左手腕上并且用户的手臂放在他们身体旁边，第一导电表面105就背向用户的身体部位并且获得良好的天线效率。然而，如果智能手表在用户的右臂上，则第一导电表面105将面向用户大腿部分，并且天线的效率降低。

在这种情况下，两种不同的机制会影响天线效率，即在发射模式下，电场被锁定在手臂与大腿之间，并且减小后的电场沿着身体分布。其次，由于生物材料(例如用户)靠近天线的两个表面并在其上形成虚拟阻抗，因此天线电路的品质因数将降低。在一些情况下，由于不能再通过可变调谐电阻组来调节品质因数，因此接收灵敏度将大大下降。

然而，因此在一些示例实施例中，当可能佩戴在用户手腕处的智能手表中的单个E场天线120靠近用户身体时，近场装置200、202出现问题。在此操作期间，导电板125和130都部分或全部被用户的身体导电表面覆盖，由此降低近场装置200、202使用近场电信号与其它近场装置进行通信的能力。

随着用户移动，可能会在不同时间静态或动态地发生这种退化。改变近场装置220、202在用户身体上的位置通常不是解决方案，因为位置通常由应用(例如，将智能手表佩戴在手腕上)决定。

现在论述电天线具有多组导电板125、130的近场装置的其它示例实施例，每组导电板125、130相对于彼此以不同的角度定位并且位于沿着基板附接结构的不同部位，其中导电板125、130垂直于用户身体上来自近场电信号的电场矢量，使得至少一组导电板125、130最佳地耦合以接收和发射近场电信号。

图3为第二示例近场装置300。第二示例近场装置300包括一组电子装置302(例如，智能手表)，所述电子装置302包括磁(H场)天线105(可选的)和支持电路150。近场装置300还包括基板附接结构304(例如，腕带、束带、胶带等)、第一电(E场)天线306(具有两个负载板308和310)、第二电(E场)天线312(具有两个负载板314和316)、第三电(E场)天线318(具有两个负载板320和322)和第四电(E场)天线324(具有两个负载板326和328)。

在一些示例实施例中，一组内部导电板310、316、322、328面向并耦合到用户的皮肤，而一组外部导电板308、314、320、326则背向用户的皮肤并耦合到环境。

导电板彼此物理分离但电耦合到彼此(参见图4)。导电板配置成作为电容器并联添加，从而进一步提升所接收的近场电信号的强度(即RSS(接收信号强度))并且根据TSS(发射信号强度)发射电近场。

在各种示例实施例中，导电板根据应用沿着基板附接结构304、围绕基板附接结构304等以各种几何形状定位。在一个示例实施例中，导电板基本上沿着基板304彼此等距分布。在其它示例实施例中，基板304配置成物理闭合环(例如，如图3所示的腕带)，并且导电板基本上围绕由基板形成的闭合环径向等距分布(例如，可能分别围绕闭合环每45度定位)。

在一个示例实施例中，电(E场)天线总成306、312、318、324包括多个导电板组且基板包括一组互连的分段(例如，可能像链式腕表带)，其中多个导电板组中的每个导电板组仅耦合到分段中的一个。

电(E场)天线306、312、318、324不必沿着或围绕基板304均匀地(即等距地)分布。相反，可以不对称地放置电(E场)天线306、312、318、324，从而最大化和/或优化近场接收和/或发射信号强度。

由于有多组导电板，体现第二示例近场装置300的智能手表可以放置在用户的左臂或右臂上，并且至少一组导电板将有更大的机会不被用户身体阻挡，从而更好地耦合到环境，以实现更稳固的近场电通信链路。

因此，当一个天线区段被生物材料(例如用户的身体)“锁定”时，由于品质因数的降低取决于“锁定”的表面积，因此品质因数仍然可以保持一致。由于每个天线区段垂直于人体上的电场矢量相对于彼此成角度地位于不同位置，因此并非所有天线区段都可能被“锁定”在一起。

图4为第二示例近场装置300的示例理想化电气等效装置400。此示例电气等效装置400与图1B中论述的类似，但是至少具有以下差异。

示例近场装置400包括改良的近场天线402，其中，电(E场)天线部分404现在具有四组并联耦合的导电板，表示为电容(Ca-1)、电阻(R4-1)、电容(Ca-2)、电阻(R4-2)、电容(Ca-3)、电阻(R4-3)、电容(Ca-4)和电阻(R4-4)。

一些示例实施例包括开关矩阵406和改良的控制器408，所述控制器408具有用于控制开关矩阵406的额外的控制线410。因此，多组导电板可以选择性地、可切换地和可变地耦合到调谐电路155。

控制器408可以命令开关矩阵406选择一组导电板或每个导电板组的各个部分以耦合到调谐电路155，以便优化、最大化等近场电信号的接收和/或发射信号强度。

除非明确说明了特定顺序，否则可以以任何顺序执行以上附图中讨论的各种指令和/或操作步骤。而且，本领域技术人员将认识到，虽然已经论述了一些示例指令集/步骤，但是本说明书中的材料也可以以多种方式组合以产生其它例子，并且应在此详细描述所提供的上下文中进行理解。

在一些示例实施例中，这些指令/步骤被实施为函数和软件指令。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。

当指令被体现为非暂时性计算机可读或计算机可用介质中的一组可执行指令时，所述可执行指令在用所述可执行指令编程并受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。处理器可以指单个部件或多个部件。所述一种或多种计算机可读或计算机可用存储介质被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指任何制造的单个部件或多个部件。本文定义的一种或多种非暂时性机器或计算机可用介质不包括信号，但是此类一种或多种介质可能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。

容易理解的是，可以以各种不同的配置来布置和设计如本文中一般描述的以及在附图中示出的实施例的部件。因此，如图中所示，对各种实施例的详细描述并不是为了限制本公开的范围，而是仅仅表示各种实施例。尽管在附图中示出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。

在不脱离本发明精神或本质特征的情况下，可以以其它特定形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面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指示而不是由此详细描述指示。落在权利要求的等同含义和范围内的所有改变均应涵盖在其范围之内。

贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的提及并不意味着可以通过本发明实现的所有特征和优点都应该在或者真的在本发明的任何单个实施例中。确切地说，提及特征和优点的语言应理解为是指结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括于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以及类似语言的论述可以但不一定指同一实施例。

此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适方式组合所描述的本发明的特征、优点和特性。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特定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可能并非在本发明的所有实施例中都存在的附加特征和优点。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及意味着结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括于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”和类似的语言可以但不一定指同一实施例。

Claims

1.一种近场装置，其特征在于，包括：

电(E场)天线，所述电(E场)天线包括响应于非传播准静态近场电信号的第一导电板和第二导电板；

其中，所述电天线配置成耦合到收发器电路；

基板，所述基板配置成由用户佩戴；

其中，所述第一导电板位于所述基板的配置成背向所述用户的第一侧上；并且

其中，所述第二导电板位于所述基板的配置成面向所述用户的第二侧上。

2.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述基板配置成柔性地贴合所述用户。

3.根据权利要求2所述的装置：

其特征在于，所述基板为织物。

4.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，另外包括第三导电板和第四导电板；

其中，所述第三导电板位于所述基板的所述第一侧上；并且

其中，所述第四导电板位于所述基板的所述第二侧上。

5.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，所述第一和第三导电板彼此物理分离但电耦合到彼此；并且

其中，所述第二和第四导电板彼此物理分离但电耦合到彼此。

6.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板电耦合成作为电容器并联添加。

7.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板基本上沿着所述基板彼此等距分布。

8.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，所述基板配置成物理闭合环；并且

其中，所述第一和第二导电板以及所述第三和第四导电板基本上围绕由所述基板形成的所述闭合环径向等距分布。

9.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，另外包括第五和第六导电板以及第七和第八导电板；

其中，所述基板配置成物理闭合环；并且

其中，所述第一和第二、第三和第四、第五和第六以及第七和第八导电板对分别围绕由所述基板形成的所述闭合环每45度定位。

10.根据权利要求4所述的装置：

其特征在于，所述收发器电路包括调谐电路；并且

其中，所述调谐电路配置成设置所述电天线的谐振频率和带宽。