具体实施方式

在随后的本发明实施例的描述中，相同元件或具有相同效果的元件在附图中用相同的附图标记提供，使得它们的描述是可互换的。

图3a示出了根据本公开的实施例的通信系统的参与者100的示意图。参与者100包括发送和/或接收装置102(例如，发送器)和连接到发送和/或接收装置102的天线阵列104，其中，天线阵列104包括具有中断一次(即，仅一次)的环路108的磁性天线106。

图3b示出了根据本公开的实施例的通信系统的参与者100的示意图。参与者100包括发送和/或接收装置102(例如，发送器)和连接到发送和/或接收装置102的天线阵列104，其中，天线阵列104包括具有中断多次的环路108的磁性天线106。

下面主要描述如图3b所示的具有中断多次的环路的磁性天线106的天线阵列104的实施例。然而，应当注意，以下描述的实施例也可以应用于图3a所示的具有中断一次的环路的磁性天线106的天线阵列104。

在实施例中，具有磁性天线106的环路108可以被诸如谐振电容(谐振电容器)的电容元件110中断。例如，如图3b所示，磁性天线106的环路108可以被两个电容元件110中断(例如，电容性缩短)。然而，应当注意，在实施例中，磁性天线106的环路108也可以被任何其他数量的电容元件110中断。因此，在实施例中，磁性天线106的环路108可以被n个电容元件110划分为n段(或部分，或份)，其中，n是大于或等于2的自然数。段在这里是各个电容元件110之间的环路的部分或份。

在实施例中，中断多次的环路108的段可以由电容元件110连接。详细地，中断多次的环路的两段均可以由串联在两段之间的一个电容元件连接。换言之，磁性天线106的环路108的段和电容元件110交替地串联连接为环路。

在这种情况下，发送和/或接收装置102可以经由电容元件110之一连接到磁性天线106。在一侧的一个电容元件和在另一侧具有其他(例如，剩余的)电容元件的中断多次的环路108可以形成并联谐振电路(例如，从发送和/或接收装置102的角度来看)。

在实施例中，天线阵列102还可以包括用于调谐磁性天线106的调谐装置。调谐装置可以被配置为自动调谐磁性天线106。

根据磁性天线106的环路108的几何形状，来自磁性天线106的辐射能量不在平面的所有方向上均匀地发射。相反，图3b所示的磁性天线106的天线图包括零点，即，在天线图中存在磁性天线的辐射能量实际上为零的区域(例如，点)。在实施例中，天线阵列104因此可以包括第二磁性天线，如下面基于图7详细描述的，或者还包括附加的电天线。第二磁性天线和/或附加的电天线可以被布置为使得磁性天线106的零点得到补偿。

在实施例中，通信系统的参与者100显然不仅可以被配置为借助于磁性天线106向通信系统的其他参与者发送信号，还可以借助于磁性天线106从通信系统的其他参与者接收信号。为此，例如，参与者100可以包括连接到天线阵列104的接收装置(例如，接收器)。显然，参与者100还可以包括组合的发送/接收装置(例如，收发器)102。

在实施例中，参与者100(或参与者的通信系统)可以被配置为在ISM频带(ISM＝工业、科学和医疗频带)中通信，即，在ISM频带中发送和/或接收信号。

在实施例中，参与者100(例如，参与者的通信系统)可以被配置为基于电报拆分方法来发送数据。在电报拆分方法中，将数据(例如，电报或数据分组)划分为多个子数据分组(或部分数据分组或部分分组)，并且子数据分组通过使用时间和/或跳频模式在时间和/或频率上分布式地(即，非连续地)从通信系统的一个参与者传输到另一个参与者(即，从基站到终端点，或从终端点到基站)，其中，接收子数据分组的参与者加入(或组合)它们以便获得数据分组。在这种情况下，子数据分组中的每一个仅包含数据分组的一部分。此外，可以对数据分组进行信道编码，使得不需要所有子数据分组都对数据分组进行无错解码，而仅需要子数据分组的一部分。

在实施例中，通信系统可以是个域网(PAN)或低功率广域网(LPWAN)。

图3b所示的通信系统的参与者100可以是通信系统的基站。备选地，图3b所示的通信系统的参与者100也可以是该通信系统的终端点，后面将结合图3c进行描述。

详细地，图3c示出了根据本发明的实施例的通信系统的参与者100的示意图，在该通信系统中，参与者100是终端点。

如图3c示例性所示，终端点100在实施例中可以作为传感器节点。在传感器节点的情况下，终端点100可以是传感器114，例如，温度传感器、压力传感器、湿度传感器或任何其他传感器，其中，传感器节点100发送的信号取决于传感器提供的传感器信号。例如，传感器可以包括微处理器112，该微处理器112处理由传感器提供的传感器信号，以便基于传感器信号产生由发送装置(例如，发送和接收装置)102例如基于电报拆分传输方法发送的待传输数据。

显然，终端点100也可以是致动器节点，其中，致动器节点包括致动器114。在这种情况下，例如，处理器112可以被配置为基于所接收到的信号或所接收到的数据来驱动致动器114。

在实施例中，终端点100可以是电池操作的。备选地或附加地，终端点100可以包括用于产生电能的能量收集元件。

在下文中，描述了磁性天线106或具有磁性天线106的天线阵列104的详细实施例。

1.环路的设计

实施例涉及用于发送和/或接收情况的磁性天线(例如，用于传感器节点或也用于基站)。在这种情况下，磁性天线可以自动调谐。

1.1.磁性天线在传感器节点中的应用

磁性天线106包括具有一匝或若干匝的电流环路108。在接收情况下，交变磁场在环路108中感应出电压(感应定律，[5])，在发送情况下，在环路108中流动的电流产生磁场(Biot-Savart定律，[6])。如果磁性天线106仅在频率处或相对较小带宽的范围内操作，则磁性天线106的磁性天线106效率可以借助于谐振电容显著增加。电流108增加到谐振上升的程度(由品质因子Q表示)，即，在相同的馈电功率下，两倍的Q因子导致两倍的电流(以及因此两倍的磁场)。因此，期望获得尽可能高的Q因子，这同时意味着环路108和电容必须具有尽可能小的损耗。通常，环路108中的损耗主要是由于所用金属(主要是Cu)的有限电导率。

图4示出了这种磁性天线的示意图。如已经提到的，磁性天线106包括具有一匝或若干匝的环路108和谐振电容110(C0)。在这种情况下，磁性天线106可以经由谐振电容110和环路108(线圈)形成的并联谐振电路耦合到例如发送和/或接收装置102(参见图3)。

磁性天线106具有高天线Q因子同时具有较小安装大小的优点。

另外，磁性天线106具有例如通过自动调谐可以适应不同环境条件的优点。

本发明的实施例涉及具有磁性天线的传感器节点。在这种情况下，磁性天线可以自动调谐。

1.2.磁性天线的环路的多次缩短

图5示出了具有(例如，电容性缩短的)中断多次的环路108的磁性天线106的示意图。如图5示例性所示，环路108可以被四个电容元件110(4C0)(例如，谐振电容(例如，谐振电容器))划分为四段。然而，应当注意，磁性天线106的环路108也可以被划分为任何其他数量的段。因此，在实施例中，磁性天线106的环路108可以被n个电容元件110划分为n段，其中，n是大于或等于2的自然数。

在实施例中，磁性天线的环路108可以被划分为等距段。将环路108划分为等距段具有在总体上实现了最低电场部分的优点。显然，环路也可以被划分为非等距段。

较低的电场或多次电容性缩短具有天线直接附近的介电材料相应地在其谐振频率中同样失谐较少的优点。

另外，较低的电场或多次电容性缩短具有天线直接附近的介电损耗材料降低其Q因子较少的优点。

另外，较低的电场或多次电容性缩短具有谐振电容处的电压相应较低(即，例如，缩短两次时电压的一半，然而是电容值的两倍)的优点。特别地，如果谐振电容中的一个或若干个是可调谐的，则这是有利的，因为调谐机构然后可以包括较低的电压维持能力/电强度。

在实施例中，磁性天线106(或磁性天线106的环路108)可以被电容性地缩短多次。

在实施例中，若干个电容器110串联布置在磁环路中。

1.3.磁性天线的环路的特殊设计

圆形形状的环路108具有导体路径长度与跨越(或封闭)表面积的最佳比率。然而，传统矩形电路板(导电路径)上的空间使用并不是最佳的。

多于四个拐角的形状(特别是八角形)具有优势。一方面，表面积与周长的比率变差，并且因此磁性天线106的Q因子也变差，然而，磁性天线106的效率随着给定的矩形电路板表面积而增加，因为跨越(或封闭)表面积变大。图6示出了磁性天线106的(环路108的)对称设计，然而，(环路108的)非对称设计是可以想象的，其中，例如，上半部分和下半部分(例如，环路108的段)更长。

详细地，图6示出了具有中断多次的环路108的磁性天线106的示意图，其中，环路108具有八边形形状。

如图6示例性所示，环路108可以被(例如8个)电容元件110划分为八段，其中，八段可以是有角度的，使得环路108包括八边形形状。然而，应当注意，环路108也可以被划分为任何其他数量的段和/或可以包括任何其他形状。因此，磁性天线的环路108可以是m角形的，其中，m是大于或等于4的任何自然数，例如，4、5、7、8、9、10、11或12。

在实施例中，磁性天线106可以在印刷电路板(PCB)上实现。

在实施例中，磁性天线106(或磁性天线106的环路108)可以包括非圆形的部分(或段)。

在实施例中，磁性天线106的段(或磁性天线106的环路108)的引线路由在具有组件的区域(或在该位置处)可以是直的。

在实施例中，磁性天线106(或磁性天线106的环路108)可以具有多边形形状或可以包括多于四个拐角。

这种磁性天线106具有布局可以更容易地转移到不同布局程序的优点。

另外，这种磁性天线106具有以下优点：由于(磁性天线106的环路108的)引线路由在具有组件的位置处是直的，因此组件的放置更容易。

在一些实施例中，对角延伸的边(磁性天线106的环路108的段)可以包括圆弧形状而不是角形状，以便进一步增加表面积并实现对电路板表面积的最佳使用。作为对此的反应，将失去更容易的组件放置和更简单的布局的优点。

虽然图6所示的天线阵列104包括具有中断多次的环路108的磁性天线106，应当注意，所描述的实施例也可以应用于具有中断一次的环路108的磁性天线106的天线阵列104(参见图3a)。

1.4.环路是在电路板上实现的

在实施例中，环路可以在印刷电路板(PCB)上实现。在实施例中，调谐电路可以在同一电路板上实现。

2.若干天线

在实施例中，天线阵列104可以包括若干磁性天线。

这具有可以规避磁性天线的零点(例如，天线图中磁性天线的辐射能量实际上为零的点)的优点。

2.1.具有多样性的跨场环路

在实施例中，可以使用两个磁性天线，这两个磁性天线(例如基本上)尽可能正交。

2.2.扁平化第二环路以避免零点

为了获得尽可能平坦的壳体，可以将第二磁性天线(或第二磁性天线的环路)设计为“扁平化”。在非圆形环路的情况下，与跨越(或封闭)表面积相比，绕组的电阻增加，从而降低了Q因子。在扁平环路的情况下，由于跨越较小的表面积，因此其辐射效率降低。一方面，这略微增加了Q因子，另一方面，它对辐射没有贡献。为了至少部分地补偿第一Q因子降低效应，可以使用更宽的导体(更少的损耗)。

图7示出了根据本发明的实施例的具有第一磁性天线106和第二磁性天线112的天线阵列104的示意图。

第一磁性天线106包括中断多次的环路108。如图7示例性所示，第一磁性天线的环路108可以被四个电容元件110划分为四段。然而，应当注意，第一磁性天线106的环路108也可以被划分为任何其他数量的段。因此，在实施例中，第一磁性天线106的环路108可以被n个电容元件110划分为n段，其中，n是大于或等于2的自然数。

第二磁性天线112还包括环路114，其中，第一磁性天线106的环路108和第二天线112的环路114可以基本上彼此正交布置。

如图7示例性所示，由第二磁性天线112的环路114跨越的表面积与由第一磁性天线106的环路108跨越的表面积正交地延伸。详细地，在图7中，第一磁性天线106的环路108跨越的表面积平行于由坐标系定义的xy平面延伸，而第二磁性天线112的环路114跨越的表面积平行于坐标系的z轴延伸。

在实施例中，由磁性天线112的环路114跨越(或封闭)的表面积可以小于由第一磁性天线106的环路108跨越(或封闭)的表面积1/2(例如，1/3、1/4、1/5或1/10)。

换言之，第二磁性天线112的环路114可以被“扁平化”。

如图7进一步指示的，在实施例中，第二磁性天线112的环路114的导体可以是第一磁性天线106的环路108的导体至少两倍厚或宽(例如，三倍、四倍或五倍)。

显然，第二磁性天线112的环路114也可以被例如至少两个电容元件中断多次。

在实施例中，天线阵列104可以包括尽可能正交的第二环路114。

在实施例中，第二环路114的线大小/宽度可以(比第一环路108的线大小/宽度)更大，然而，第二环路114可以(比第一环路108)更扁平。

虽然图7所示的天线阵列104包括具有中断多次的环路的磁性天线，但是应当注意，所描述的实施例也可以应用于具有中断一次的环路的磁性天线的天线阵列。

2.3.组合磁性天线/电天线以避免零点

为了规避磁性天线106的零点(例如，天线图中磁性天线的辐射能量实际上为零的点)，除了磁性天线106之外，还可以在印刷电路板(例如，PCB)上例如以PCB F天线的形式集成电天线，作为环路108(例如，磁性环/8-gon)的“延伸”。

在实施例中，可以(例如在印刷电路板(例如，PCB)上)组合电天线和磁性天线。

2.4.切换环路

如果若干磁性环路(或磁性天线)连接在一起，则会出现来自不同方向的新零点。

因此，仅当未使用的环路(或磁性天线)可以关闭时，使用若干磁性环路(或若干磁性天线)才有意义。

2.4.1.通过中断谐振电流来关闭

在实施例中，例如，不需要的磁性天线的电流可以借助于开关中断。然而，由于每个开关包括一定的剩余电容，这基本上对应于谐振频率的强失谐。

2.4.2.借助于附加电感(L)关闭

在实施例中，一个或若干谐振电容器可以与线圈并联设置。在环路的原始谐振频率下，它们形成中断其中电流的并联谐振电路。

2.4.3.改变驱动比

在实施例中，环路的调谐以及因此主发射方向和零点可以通过两个环路之一的自谐振的略微失谐而偏移，因为然后回环在同样高的驱动功率下以不同的功率发射。然后，略微失谐的环路的非发射部分被反射回来并被发送器吸收。

2.4.4.磁性环路的移相驱动

环路的零点取决于其在三维空间中的结构。例如当仅改变谐振电容的容量时，环路的零点不会改变。因此，在平面环路的情况下，总是存在B场线不穿透其的位置，即，如果它们在环路平面中延伸。然而，即使在三维环路(或弯曲的B线)的情况下，即，在不完全在平面上延伸的略微弯曲的圆环中，总能找到一个位置，其中，从环路的一侧或从环路的另一侧穿透的场线是处于平衡的。这导致补偿，即，零点。即使是正交环路在它们的信号仅直接连接的情况下也会包含45°以下的零点。为了避免这种情况，它们的接收信号可以在90°的相移下组合，因为这使得时间信号的几何抵消变得不可能。

在实施例中，可以以相移方式驱动若干磁性环路。

在实施例中，可以以相移方式驱动若干自调谐磁性环路。

2.5.经由跳数改变辐射率

结合电报拆分传输方法[7]，每个电报可以执行发送分集(即，使用不同天线的发射)，因为在电报拆分传输方法中，每个子数据分组(跳)在不同天线上/在天线上以不同强度的发射是可能的。

这具有可以提高电报传输可靠性的优点。

在实施例中，可以在不同天线上以不同强度发射不同的子数据分组(跳)，使得以不同的天线零点发送不同的子数据分组。

2.5.1.零点取决于频率的环路设计

实施例可以使用更多或更少的具有不同谐振频率的正交环路，其信号经由解耦组合器组合。如果谐振频率接近，则环路必须包括良好的几何正交性(即，磁解耦)。否则，存在Q因子损耗和谐振失真。因此，谐振频率有意地略微失谐。不同的子数据分组(跳)在不同的频率上，并且因此以不同的强度和不同的谐振由环路发射，从而磁性天线的零点分别偏移。

在实施例中，磁性天线的发射率跨频率变化。

在实施例中，天线的零点跨频率偏移。

3.其他实施例

图8示出了根据本公开的实施例的用于操作通信系统的参与者的方法200的流程图。200处的方法包括通过使用通信系统的参与者的天线阵列的磁性天线来发送和/或接收通信信号的步骤202，其中，磁性天线包括中断一次或多次的环路。

本发明的实施例提供例如用于传感器节点的(例如，自调谐)磁性天线。对于IoT(物联网)，无线通信传感器节点的数量增加。在这种情况下，对小形状因子和简单处理能力的需求越来越强烈。使用现有的电天线只能在小的程度上满足这些需求。本发明的实施例使得能够使用磁性天线和传感器节点并因此满足上述需求。

即使已在设备的上下文中描述了一些方面，应当理解：所述方面还表示了对对应方法的描述，使得设备的块或结构部件还被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文内描述或被描述为方法步骤的方面也表示对相应设备的相应块或细节或特征的描述。可以在使用硬件设备(例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)时执行一些或全部方法步骤。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一些或若干可以由这种设备来执行。

取决于具体实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件来实现。可以在使用如下数字存储介质的同时来实现各种实现方式，例如，软盘、DVD、蓝光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘或任何其他磁或光存储器，其上存储有电可读控制信号，该信号可以与可编程计算机系统协作或合作，使得执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

从而根据本发明的一些实施例包括数据载体，该数据载体包括能够与可编程计算机系统合作以执行本文描述的任何方法的电可读控制信号。

一般而言，本发明的实施例可被实现为具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码用于在计算机上运行计算机程序产品时执行任何方法。

该程序代码还可以存储在例如机器可读载体上。

其他实施例包括用于执行本文描述的任何方法的计算机程序，所述计算机程序存储在机器可读载体上。

换言之，本发明方法的实施例从而是具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于在计算机上运行计算机程序时执行本文描述的任何方法。

本发明方法的另一实施例从而是数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其上记录有用于执行本文描述的任何方法的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录的介质通常是有形的和/或非易失性的。

本发明方法的另一实施例从而是表示用于执行本文描述的任何方法的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以被配置为例如经由数据通信链路(例如，经由互联网)来发送。

另一实施例包括例如计算机或可编程逻辑器件之类的处理单元，其被配置为或适于执行本文描述的任何方法。

另一实施例包括其上安装有用于执行本文描述的任何方法的计算机程序的计算机。

根据本发明的另一实施例包括被配置为用于向接收器发送用于执行本文描述的至少一个方法的计算机程序的设备或系统。例如，发送可以是电子的或光学的。例如，接收器可以是计算机、移动设备、存储器设备或类似设备。例如，该设备或系统可以包括用于向接收器发送计算机程序的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列FPGA)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以执行本文描述的任何方法。一般而言，在一些实施例中，方法由任何硬件设备来执行。所述硬件设备可以是任何通用硬件，例如计算机处理器(CPU)，或者可以是方法专用的硬件，例如ASIC。

例如，本文描述的装置可以使用硬件设备、或者使用计算机、或者使用硬件设备和计算机的组合来实现。

本文描述的装置或本文描述的装置的任何组件可以至少部分地在硬件和/或软件(计算机程序)中实现。

例如，本文描述的方法可以使用硬件设备、或者使用计算机、或者使用硬件设备和计算机的组合来实现。

本文描述的方法或本文描述的方法的任何组件可以至少部分地由硬件和/或软件(计算机程序)执行。

上述实施例仅表示对本发明的原理的说明。应理解，本领域其他技术人员将意识到对于本文描述的布置和细节的修改和变化。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的范围来限定，而不由本文中通过对实施例的描述和讨论提出的具体细节来限定。

参考文献

[1]https：//amrron.com/2015/07/24/home-made-high-power-magnetic-loop-an tennas/

[2]http：//www.aa5tb.com/loop.html

[3]http：//bio.groups.et.byu.net/SurfaceCoil_build.phtml

[4]https：//onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/mrm.1910160203

[5]https：//de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion

[6]https：//de.wikipedia.org/wiki/Biot-Savart-Gesetz

[7]DE 10 2011 082 098 B4。