近场无线装置
阅读说明：本技术 近场无线装置 (Near field wireless device ) 是由 安东尼·凯斯拉斯 莉斯贝思·戈麦 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：一个例子公开了一种近场无线装置,包括：沿第一轴分布的层堆叠；具有导电表面且嵌入所述层堆叠内的第一层中的第一近场天线；其中所述导电表面被配置成携载用于体上近场通信的非传播准静态近场电感应信号；具有感应回路且嵌入所述层堆叠内的第二层中的第二近场天线；其中所述感应回路被配置成携载用于离体近场通信的非传播准静态近场磁感应信号；其中所述第一层和所述第二层是不同的层；并且其中所述第一天线和所述第二天线没有电流接触。(One example discloses a near field wireless apparatus, comprising: a layer stack distributed along a first axis; a first near-field antenna having a conductive surface and embedded in a first layer within the layer stack; wherein the conductive surface is configured to carry a non-propagating quasi-static near-field electrical induction signal for on-body near-field communication; a second near-field antenna having an inductive loop and embedded in a second layer within the layer stack; wherein the inductive loop is configured to carry a non-propagating quasi-static near-field magnetic induction signal for off-body near-field communication; wherein the first layer and the second layer are different layers; and wherein the first antenna and the second antenna are not in galvanic contact.)
技术领域
本说明书涉及用于近场无线装置的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
本文中论述的为用户身体上的一个或多个近场装置或导电表面主体(即，体上装置)与其它导电表面和/或其它无线装置(即，离体装置)之间的近场交互，所述近场交互基于以下中的任一个：近场电磁感应(NFEMI)，其中发射器和接收器通过磁(H)场和电(E)场耦合；近场电感应(NFEI)，其中发射器和接收器通过电(E)场耦合；以及近场磁感应(NFMI/NFC)，其中发射器和接收器通过磁(H)场耦合。尽管RF无线通信是通过穿过自由空间传播RF平面波来实现的，但NFEMI、NFEI、NFMI和NFC使用非传播准静态E场和/或H场信号进行通信。
H场天线(即，磁天线)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场分量极大地减小(例如，从-20dB减小到-60dB，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
小型环形天线是示例H场天线，并且包括尺寸比其使用的波长小得多的环形天线。小型环形天线不会在近场装置的载波频率下谐振，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场分量极大地减小(例如，从-20dB减小到-60dB，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
短负载偶极天线是示例E场天线并且包括尺寸比近场装置的载波频率小得多的短偶极，并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近场天线的尺寸与其载波频率组合的结果。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。小型天线几何结构最大程度地减少自由空间中的辐射波。
发明内容
根据示例实施例，一种近场无线装置包括：沿第一轴分布的层堆叠；具有导电表面且嵌入所述层堆叠内的第一层中的第一近场天线；其中所述导电表面被配置成携载用于体上近场通信的非传播准静态近场电感应信号；具有感应回路且嵌入所述层堆叠内的第二层中的第二近场天线；其中所述感应回路被配置成携载用于离体近场通信的非传播准静态近场磁感应信号；其中所述第一层和所述第二层是不同的层；并且其中所述第一天线和所述第二天线没有电流接触。
在另一示例实施例中，所述导电表面形成第一平面表面；并且所述感应回路形成第二平面表面。
在另一示例实施例中，所述第一近场天线的所述导电表面被配置成通过所述非传播准静态近场电感应信号耦合到体上表面；并且所述第二近场天线的所述感应回路被配置成通过所述非传播准静态近场磁感应信号耦合到离体近场无线装置。
在另一示例实施例中，另外包括嵌入所述层堆叠内的第三层中的衬底；其中所述第一近场天线的所述导电表面在所述衬底的一侧上；并且其中所述第二近场天线的所述感应回路在与所述衬底的所述一侧相对的一侧上。
在另一示例实施例中，所述衬底具有大于环境空气的磁导率。
在另一示例实施例中，所述第一近场天线另外包括感应回路，所述感应回路被配置成携载用于体上近场通信的非传播准静态近场磁感应信号；并且所述衬底被配置成减弱在离体通信期间由所述第二近场天线产生的所述近场磁感应信号，以避免干扰在体上通信期间由所述第一近场天线接收的近场磁感应信号。
在另一示例实施例中，另外包括也在与所述衬底的所述一侧相对的所述一侧上的一组支持电路；其中所述第一近场天线另外包括感应回路，所述感应回路被配置成携载用于体上近场通信的非传播准静态近场磁感应信号；并且其中所述衬底被配置成减弱由所述支持电路产生的磁场，以避免干扰在体上通信期间由所述第一近场天线接收的近场磁感应信号。
在另一示例实施例中，所述第二近场天线被配置成通过所述非传播准静态近场磁感应信号耦合到离体NFC读取器。
在另一示例实施例中，所述第一近场天线和所述第二近场天线都是NFEMI(近场电磁感应)天线。
在另一示例实施例中，所述装置被配置成将所述第一近场天线的所述导电表面定位成比所述第二近场天线的所述感应回路更靠近用户身体。
在另一示例实施例中，另外包括穿过沿所述第一轴分布的所述层堆叠中的每一层的空腔；并且其中所述空腔被配置成耦合到传感器，所述传感器被配置成测量体上用户属性。
在另一示例实施例中，所述传感器是葡萄糖传感器。
在另一示例实施例中，所述体上近场通信由用户身体代管，所述用户身体包括以下各项中的至少一个：人体、车辆主体、机器人、对接装置、物理耦合系统或装配线上的工具或存储台。
在另一示例实施例中，所述装置嵌入以下各项中的至少一个中：可穿戴物、葡萄糖监测仪、医疗装置、智能手表、耳塞、助听器、头戴式耳机、活动跟踪器或心率监测仪。
在另一示例实施例中，另外包括在所述无线装置内部的控制器和电源；其中控制器被配置成使用所述第一近场天线和所述电源自行启动所述装置与第二无线装置之间的通信；并且其中控制器被配置成从第三无线装置接收电力并且使用所述第二近场天线对来自所述第三无线装置的通信作出响应。
在另一示例实施例中，所述第二近场天线是NFC天线。
在另一示例实施例中，控制器被配置成使用从所述第三无线装置接收的电力对所述电源充电。
在另一示例实施例中，另外包括控制器；其中控制器被配置成防止同时从所述第一近场天线和所述第二近场天线进行信号发射。
在另一示例实施例中，另外包括控制器；其中所述第一近场天线包括被配置成耦合到第一调谐电路的第一组馈电点；其中所述第二近场天线包括被配置成耦合到第二调谐电路的第二组馈电点；并且其中所述控制器将所述第一调谐电路与所述第二调谐电路电分离。
在另一示例实施例中，所述调谐电路包括一组电容调谐参数和电阻调谐参数；所述电容调谐参数被配置成单独地调整所述第一天线和所述第二天线的谐振频率；并且所述电阻调谐参数被配置成单独地调整所述第一天线和所述第二天线的操作带宽。
以上论述并非旨在表示当前或未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。以下图式和
具体实施方式
还举例说明了各种实施例。
结合附图考虑以下具体实施方式可更全面地理解各种示例实施例。
附图说明
图1是近场无线装置的例子。
图2A是无线装置中的第一示例近场天线。
图2B是无线装置中的第二示例近场天线。
图2C是无线装置中的第三示例近场天线。
图3是近场装置的示例电路。
图4A是近场无线装置的一个示例实施例的示例侧视图。
图4B是近场无线装置的一个示例实施例的示例俯视图。
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但是本公开的细节已经借助于例子在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例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
一些近场装置可采用近场磁感应(NFMI，也称为NFC)作为无线通信方法。在NFMI/NFC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。以此方式实现无线通信。具有小型天线线圈的基于H场的NFMI系统可以具有有限范围，所述有限范围可能比用户身体的整个可穿戴范围小得多。此类H场通信也可能对线圈定向敏感。
一些近场装置采用近场电感应(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。
采用近场磁感应天线和近场电感应天线两者的装置通常被称为近场电磁感应(NFEMI)装置。
现在论述的是基于近场的无线装置天线结构和支持体上通信和离体通信两者的操作模式。天线结构包括用于体上通信的一个天线和用于离体通信的另一天线。操作模式包括活动模式和非活动模式。
图1是近场无线装置100的例子。示例近场无线装置100包括第一近场天线102、第一调谐电路104、第一收发器电路106、控制器108、第二近场天线110、第二调谐电路112和第二收发器电路114。
在各种示例实施例中，第一近场天线102包括近场电感应天线(例如，NFEI或NFEMI天线)，并且被配置用于体上通信。第二近场天线114包括近场磁感应天线(例如，NFC天线)，并且被配置成用于离体通信。
在一些示例实施例中，第二近场天线114可以被配置成将电力发射到原本可能处于休眠状态和/或具有耗尽的电池的无线装置。此电力可仅用于启动从无线装置下载数据或还用于对无线装置再充电。
接下来，参照图2A、2B和2C呈现并进一步论述近场天线102、110的示例实施例。
控制器108被配置成监测和维持装置100的操作谐振频率和由近场天线102、110携载的近场信号的操作带宽/品质因数。如果操作谐振频率不同于预选的谐振频率和/或操作带宽不同于预选的带宽，则控制器108被配置成调整调谐电路104、112中的调谐参数。
调谐电路104、112中的任一者或两者可以被配置成响应于来自控制器108的信号而使用电容组(C组)调整装置100的谐振频率，并且使用电阻组(R组)调整带宽。在一些例子中，C组和R组离散分别为约130pF和5000欧姆，以支持所需谐振频率(例如，10.6MHz)和带宽(例如，400KHz)。控制器108被配置成使用调谐电路104、112来调整(例如，递增/递减)C组和R组值。接下来，参照图3呈现并进一步论述调谐电路104、112的示例实施例。
在各种示例实施例中，收发器电路106、114可由控制器108配置以通过将测试信号(例如，三个测试信号)引入到调谐电路104、112和天线102、110中来帮助调整谐振频率和带宽。然后，控制器108可以被配置成：首先，监测近场天线102、110的负载；其次，如果负载不同于预选负载，则调整调谐参数。
在一些示例实施例中，控制器108被配置成使用天线102、110中的一者或两者将无线装置100置于至少两个操作模式中。
在活动模式中，无线装置100被配置成使用近场电感应(NFEI)或近场电磁感应(NFEMI)自行启动与其它体上无线装置(未示出)的通信。例如，第一近场无线装置中的体上葡萄糖传感器可以被配置成将葡萄糖传感器的读数传送到第二体上近场无线装置，所述第二体上近场无线装置收集葡萄糖传感器的读数和可能的其它用户医疗信息。
在非活动模式中，无线装置100被配置成仅响应于来自第三无线装置的外部提示(例如查询响应)通信而使用近场磁感应(NFMI或NFC)与第三离体无线装置(未示出)通信。例如，第三离体无线装置可以是智能手机/NFC读取器，其给收集葡萄糖传感器的读数的第二体上近场无线装置供能，并且由此促使第二体上近场无线装置将所收集的葡萄糖传感器的读数发射到智能手机/NFC读取器。
注意，虽然本文中论述的示例实施例是指用户身体、体上和离体，但在替代实施例的近场装置100中，身体在本文中被广泛地限定成至少包括：人体、动物身体、活体的身体、无生命物体的身体结构、机器人、车辆、对接系统、物理耦合系统、装配线上的工作台等。
图2A是无线装置100中的第一示例近场天线200。在此例子中，天线200是近场电磁感应(NFEMI)天线。在一些示例实施例中，天线200包括用于磁场的环形/线圈(H场)天线205，以及用于电场的短负载偶极(E场)天线220。H场天线205包括用螺旋形线215卷绕的铁氧体芯210。E场天线220包括两个导电负载表面225和230。天线200馈电点235、240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)。天线200可以借助于集成在RF-IC中的电抗组件被调谐成在通信频率下谐振。可以使用电抗组件以类似方式调谐天线200的带宽。
当NFEMI天线200接近导电结构(例如，具有一个或多个导电表面、身体、人、物体等的结构)时，磁场和电场将基本上受限于导电表面并且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200在50MHz或低于50MHz下(例如，在30MHz下)工作以确保场遵循导电表面轮廓并且确保极大地减少远场辐射。
图2B是无线装置100中的第二示例近场(例如近场电感应(NFEI))天线245。第二示例近场天线245仅由第一示例近场天线200的短负载偶极(E场)天线部分220构成
图2C是无线装置100中的第三示例近场(例如，近场磁感应(NFMI/NFC))天线250。第三示例近场天线250由第一示例近场天线200的环形/线圈(H场)天线205部分的不同的结构实施例构成。线圈(H场)天线205的这一不同的结构实施例包括平面线255，所述平面线形成为具有交叉260的两个回路。交叉260使线255的内部部分和外部部分内的电流能够平衡流动，由此减少或消除天线250的不期望的E场分量，同时不影响天线250的期望的H场分量。
图3是近场装置100的示例电路300。注意，虽然相对于图2A的第一示例近场天线200(NFEMI)论述示例电路300，但在替代实施例中，第一示例近场天线200部分可以由图2B的第二示例近场天线245(NFEI)替换。
示例电路300包括第一示例近场天线200(NFEMI)、支持电路302、收发器电路112/118，并且被配置成使用非传播准静态近场信号进行通信(即，发射和/或接收)。
理想化第一示例近场天线200包括具有电阻(R3)和电感(L1)的磁(H场)天线205、具有由两个负载表面225和230形成的导电结构的电(E场)天线220以及两个馈电点235、240。
支持电路302包括调谐电路304和控制器108。
调谐电路304耦合到第一和第二馈电点235、240。调谐电路304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310(例如接地电位)。电容组通过控制线306耦合到控制器108，并且电阻组通过控制线308耦合到控制器108。
控制器108调整第一和第二电容组(C1)、(C2)，以调整磁天线205和电天线220的谐振频率(例如，调整到10.6MHz)。控制器108调整第一和第二电阻组(R1)、(R2)，以调整磁天线205和电天线220的带宽(例如，调整到400KHz)，使得所述带宽足以允许从天线205、220接收非传播准静态近场信号。
在一些示例实施例中，使用来自控制器108的控制线306对电容组(C1)、(C2)进行均等调谐，并且使用来自控制器108的控制线308对电阻组(R1)、(R2)进行均等调谐。
收发器电路112/118可被配置成用于平衡或不平衡操作。
图4A是近场无线装置100的一个示例实施例的示例侧视图402。图4B是近场无线装置100的一个示例实施例的示例俯视图404。现在一起论述图4A和4B。
示例侧视图402示出了近场无线装置100的第一近场天线102、第二近场天线110和支持电路302。示例侧视图402另外示出了第一衬底406、第二衬底408、第三衬底410和空腔412。并非近场无线装置100的所有示例实施例都将包括元件302、406、408、410和412。
在近场无线装置100的此示例实施例中，第一近场天线102至少包括NFEI天线，例如图2B中所示，并且被设计成比第二近场天线110更靠近用户身体，以便更好地进行体上E场通信。第一近场天线102可以电容方式或电流方式耦合到用户身体。
第二近场天线110至少包括NFMI/NFC天线，例如图2C中所示，并且被设计成比第一近场天线102更远离用户身体，以便更好地进行离体H场通信。
在近场无线装置100的其它示例实施例中，第一近场天线102和第二近场天线110都可以是NFEMI天线，例如图2A中所示。
在一些示例实施例中，第一衬底406和第二衬底408具有比空气大的介电常数(例如介电常数为4)，并且第三衬底410具有比空气大的磁导率(例如磁导率为100)。
在此特定示例实施例中，天线102、110和衬底406、408、410交错且堆叠，例如图4A中所示。其它堆叠和布置也是可能的。
由于第三衬底410定位在第一天线102与支持电路302之间，因此其提供由支持电路302产生的任何磁(H场)干扰和电(E场)干扰的额外减弱，以防止将噪声添加到由第一天线102接收的近场信号。
如果在具有线圈(H场)天线205的图2A配置中，则第一天线102在活动模式中使用并且在相对低的场强度下从其它体上近场无线装置接收H场信号时，对来自支持电路302的磁场干扰特别敏感。
相反，由于来自NFC读取器的相对较强的磁场信号，如果在与定位在第二近场天线110附近的强大NFC读取器(例如智能手机)的H场通信中，则第二近场天线110对来自支持电路302的磁场干扰不太敏感。
定位在第一和第二天线102、110之间并且具有比空气更高的磁导率的第三衬底410另外起作用，以便减弱由第一和第二天线102、110产生的近场信号，以防止其相互干扰。因此，此定位中的第三衬底410能够实现更紧凑的近场无线装置100结构，所述近场无线装置结构随后可嵌入较小形状因数(例如，葡萄糖监测装置)内。在一些示例实施例中，具有此定位的无线装置100可具有20mm或更小的直径。
可通过其它感测和/或机械组件进一步扩增支持电路302。在一些示例实施例中，这些额外组件(例如，葡萄糖传感器)可嵌入空腔412内。注意，一些示例实施例不具有空腔412。
在一些示例实施例中，控制器108可同时将仅一个或两个天线102、110配置成活动的(例如，发射/接收、休眠/备用等)以进一步减少近场信号干扰和/或装置100电力消耗。
在图1中引入的活动模式中，仅当内部电源(例如，电池)被充分充电时，控制器108才可配置无线装置100以用于体上通信或离体通信。在非活动模式中，仅当处于休眠/备用状态时或在内部电源(例如，电池)耗尽的情况下，控制器108才可配置无线装置100以用于离体通信。在一些示例实施例中，耗尽的无线装置100电池可以在非活动模式中再充电，直到无线装置100被充分充电以恢复活动模式通信为止。
在各种应用中，近场无线装置100可嵌入用于无线体上网络的需要较小形状因数的各种可穿戴物中。医疗应用，例如穿戴在体上的葡萄糖监测系统也是可能的。在此葡萄糖监测应用中，定位在空腔412中的葡萄糖传感器定位在非常靠近第一近场天线102附近的用户身体的位置。用户血液中测量到的葡萄糖水平使用体上通信来近场无线地传送到由用户穿戴并且嵌入有第二近场无线装置100的胰岛素泵。智能电话中使用NFC的第三近场无线装置100接着给第二近场天线110供能，并且读回所测量的葡萄糖数据以用于进一步的医疗支持。
除非明确陈述特定次序，否则可以按任何次序执行上文图式中论述的各种指令和/或操作步骤。同样，本领域的技术人员将认识到，虽然已论述了一些示例指令集/步骤，但本说明书中的材料可以按多种方式组合以还产生其它例子，并且应在由此具体实施方式提供的上下文内来进行理解。
在一些示例实施例中，这些指令/步骤实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可使用逻辑门、应用专用芯片、固件以及其它硬件形式实施。
当指令实施为非暂时性计算机可读或计算机可用介质中的可执行指令集时，这些指令在编程有所述可执行指令且受所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。所述指令经过加载以在处理器(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)或其它控制或计算装置。处理器可指代单个组件或多个组件。所述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。物品或制品可指代任何所制造的单个组件或多个组件。如本文所限定的非暂时性机器或计算机可用介质不包括信号，但此类介质可能能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。
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不同配置来布置和设计。因此，如图中所表示的各种实施例的具体实施方式并非旨在限制本公开的范围，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个方面，但除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面均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，而非由此具体实施方式指示。属于权利要求书等同含义和范围内的所有变化均涵盖在权利要求书的范围内。
本说明书通篇对特征、优点或类似语言的引用并不暗示可通过本发明实现的所有特征和优点应在或在本发明的任何单一实施例中。实际上，涉及特征和优点的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性是包括在本发明的至少一个实施例中的。因此，本说明书通篇对特征和优点以及类似语言的论述可能但不一定指同一实施例。
此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。鉴于本文中的描述，相关领域的技术人员应认识到，本发明可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个特征或优点的情况下实践。在其它情况下，可在某些实施例中辨识出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优点。
本说明书通篇对“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，本说明书通篇的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但未必全部指的是同一实施例。