用于近场无线装置的品质因数控制的制作方法

[0001]
本说明书涉及用于无线近场装置的品质因数控制的系统、方法、设备、装置、制品和指令。


背景技术：

[0002]
本文中论述的是近场装置(例如，在用户身体上)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，其中传输器和接收器通过磁性(h)场和电性(e)场耦合。rf无线通信是通过穿过自由空间传播rf平面波来实现的，而nfemi通信利用非传播的准静态h场和e场。
[0003]
h场天线(即，磁性天线)主要对磁场敏感和/或在由电流驱动时主要启用磁场。来自h场天线的所有e场分量都极大地减小(例如，减小-20db到-60db，根据天线设计，减小幅度为0.1到0.0008(10％到0.08％))。
[0004]
小环形天线为示例h场天线，且包括尺寸比其使用的波长小得多的环形天线。小环形天线在nfemi载波频率下不会谐振，而是被调谐成通过外部电抗谐振。在一些示例实施例中，小环形天线中的电流在环形的每个位置都具有相同的值。
[0005]
e场天线(即，电性天线)主要对电场敏感和/或在由电压驱动时主要启用电场。来自e场天线的所有h场分量都极大地减小(例如，减小-20db到-60db，根据天线设计，减小幅度为0.1到0.0008(10％到0.08％))。
[0006]
短加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，所述短加载偶极子天线在两端具有额外的电容表面。
[0007]
这些场的准静态特性是nfemi天线尺寸与其载波频率相结合的结果。大多数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。小型天线的几何形状使自由空间中的辐射波最小化。


技术实现要素：

[0008]
根据示例实施例，一种近场无线装置包括：近场天线；可变电流源；耦合到所述近场天线和所述可变电流源的控制器；其中所述控制器被配置成测量所述近场天线的传输品质因数(qtx)；并且其中所述控制器被配置成当测得的qtx低于最小qtx时，增大由所述可变电流源发送到所述近场天线的电流。
[0009]
在另一示例实施例中，所述控制器被配置成设置电流增大的上限，以防止所述近场天线发射超过一组法定限值的信号。
[0010]
在另一示例实施例中，所述控制器被配置成当qtx高于所述最小qtx时，减小由所述可变电流源发送到所述近场天线的电流。
[0011]
在另一示例实施例中，所述可变电流源包括被布置成彼此并联的一组放大器。
[0012]
在另一示例实施例中，通过接入或断开所述放大器中的一个或多个来增大或减小发送到所述近场天线的所述电流。
[0013]
在另一示例实施例中，所述放大器为电流放大器。
[0014]
在另一示例实施例中，一半的所述电流放大器耦合到所述近场天线的第一馈电点，且另一半的所述电流放大器耦合到所述近场天线的第二馈电点。
[0015]
在另一示例实施例中，所述近场天线包括一组馈电点；所述装置另外包括从所述馈电点耦合到所述控制器的一组电压感测线；并且其中所述控制器被配置成测量所述电压感测线上的信道或信号电压，并且基于测得的信道或信号电压计算所述测得的qtx。
[0016]
在另一示例实施例中，所述测得的信道或信号电压比最大信道或信号电压低3db。
[0017]
在另一示例实施例中，所述电压感测线上的电压基于由所述可变电流源发送到所述近场天线的所述电流。
[0018]
在另一示例实施例中，所述控制器被配置成获取与所述近场装置传输的信号相对应的接收信号强度(rss)测量值；并且如果测得的rss高于最小rss，则所述控制器被配置成即使所述测得的qtx低于所述最小qtx也不增大由所述可变电流源发送到所述近场天线的所述电流。
[0019]
在另一示例实施例中，如果所述测得的rss低于所述最小rss，则所述控制器被配置成增大由所述可变电流源发送到所述近场天线的所述电流。
[0020]
在另一示例实施例中，所述装置另外包括接收器电路；并且所述控制器耦合到所述接收器电路且被配置成从所述接收器电路获取所述rss测量值。
[0021]
在另一示例实施例中，所述最小rss高于所述接收器电路的噪声基底。
[0022]
在另一示例实施例中，所述近场天线为第一近场天线；所述接收器电路耦合到第二近场天线；并且所述控制器被耦合以从第二近场天线获取所述rss测量值。
[0023]
在另一示例实施例中，所述近场装置为第一近场装置；并且所述控制器被配置成通过向第二近场装置请求所述rss测量值来获取所述rss测量值，所述第二近场装置被配置成接收由所述第一近场装置传输的通信信号。
[0024]
在另一示例实施例中，如果所述第二近场装置不对来自所述第一近场装置的所述rss测量请求作出响应，则所述控制器被配置成假定所述测得的rss低于所述最小rss。
[0025]
在另一示例实施例中，另外包括耦合到所述控制器的调谐电路；其中所述调谐电路包括被配置成调整qtx的一组调谐元件；并且其中所述控制器被配置成使用所述调谐电路来增大qtx。
[0026]
在另一示例实施例中，所述调谐元件包括一组可变电阻器；并且所述控制器被配置成使用所述可变电阻器来增大qtx。
[0027]
在另一示例实施例中，所述近场天线被配置成接收和传输非传播准静态电性和/或磁性近场信号。
[0028]
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现方式。以下附图和具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。
[0029]
考虑结合附图的以下具体实施方式可以更完全地理解各种示例实施例。
附图说明
[0030]
图1为第一近场无线装置中的第一近场天线的例子。
[0031]
图2为第二近场无线装置中的第二近场天线的例子。
[0032]
图3为被配置成在第一近场装置中传输通信信号的第一近场天线的示例理想等效电路。
[0033]
图4为被配置成在第二近场装置中传输通信信号的第二近场天线的示例理想等效电路。
[0034]
图5为用于通过第二近场装置传输通信信号的第二近场天线通信信道的示例频率响应曲线图。
[0035]
图6为被配置成在第三近场无线装置中传输通信信号的第二近场天线的示例理想等效电路。
[0036]
图7为用于操作第三近场无线装置的指令和/或逻辑电路的示例集。
[0037]
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但是已经借助于例子在图式中示出了其特殊性且将进行详细描述。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
[0038]
一些可穿戴物(如助听器和无线耳塞)采用近场磁感应(nfmi)作为无线通信的方法。在nfmi无线通信中，两个松散耦合的线圈实现信号传送。且不发生无线电波的辐射。在传输线圈中流动的电流产生h场，所述h场又在接收线圈中感应电流。以此方式，实现无线通信。不利的是，基于h场的具有小天线线圈的nfmi系统具有有限范围，所述范围可能远小于整个穿戴者身体的范围。此类h场通信对线圈定向敏感。就助听器的形状因数而言，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齐，因此其不受人体移动的影响。
[0039]
其它可穿戴物采用近场电感应(nfei)作为无线通信的方法。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)来交换信息。nfei有时也被称为身体耦合通信(bcc)。虽然基于e场的nfei信号范围可比基于h场的nfmi信号范围更大，但e场信号强度会根据身体姿势而变化且对身体移动敏感。身体甚至会部分地阻断电容返回路径，从而增大e场信道损耗，且不可能实现可靠又稳定的无线通信。
[0040]
图1为第一近场无线装置中的第一近场天线100的例子。在此例子中，天线100为近场磁感应(nfmi)天线。天线100包括用于磁场的线圈(h场)天线105。h场天线105包括用线材115卷绕的铁氧体芯110。天线100的馈电点135、140耦合到各个收发器电路系统，例如，下行无线电传输器和接收器集成电路(rf-ic)，(此处未示出)。天线100可被调谐成借助于集成在rf-ic中的电抗元件/组件(例如，电容器(c组))在通信频率下谐振。可类似地使用电抗元件/组件(例如，电阻器(r组))来调谐天线100的带宽和品质因数(q)。
[0041]
图2为第二近场无线装置中的第二近场天线200的例子。在此例子中，天线200为近场电磁感应(nfemi)天线。天线200包括用于磁场的线圈(h场)天线105，以及用于电场的短加载偶极子(e场)天线220。h场天线105包括用线材115卷绕的铁氧体芯110。e场天线220包括两个导电负载表面225和230。天线200的馈电点135、140还可耦合到各个收发器电路系统，例如，下形无线电发送器和接收器集成电路(rf-ic)，(此处未示出)。天线200还可被调谐成借助于集成在rf-ic中的电抗元件/组件(例如，电容器(c组))在通信频率下谐振。可类似地使用电抗元件/组件(例如，电阻器(r组))调谐天线200的带宽和品质因数(q)。
[0042]
当nfemi天线200接近导电结构(例如，具有一个或多个导电表面的结构、主体、人、物件等)时，磁场和电场将基本局限于导电表面，并且不会在自由空间中产生明显的辐射。这增强了此类主体网络通信的安全性和私密性。
[0043]
在各种示例实施例中，天线200在50mhz或低于50mhz(例如，在30mhz)的频率下操作以确保场沿着导电表面的轮廓，并且确保远场辐射大大降低。
[0044]
图3为被配置成在第一近场装置中传输通信信号的第一近场天线100的示例理想等效电路300。例子300包括调谐电路302、电流放大器304和控制器306。
[0045]
第一近场天线100示出了线圈天线105的电感(l1)和线材115内的电阻损耗(r3)。调谐电路302包括可变电容器c1和c2以及可变负载电阻器r1和r2。电流放大器304向近场天线100供应通信信号调制电流，从而在馈电点135、140两端产生电压。
[0046]
控制器306用可变电容器c1和c2(即，c组)调谐天线100的谐振频率(例如，10.6mhz)。控制器306用可变负载电阻器r1和r2(即，r组)调谐天线100的带宽(例如，400khz)和品质因数(q)。
[0047]
图4为被配置成在第二近场装置中传输通信信号的第二近场天线200的示例理想等效电路400。例子400包括调谐电路402、电流放大器404和控制器406。
[0048]
第二近场天线200示出了线圈天线105的电感(l1)、线材115内的电阻损耗(r3)、导电表面225、230的电容(ca)以及短加载偶极子(e场)天线220的电阻损耗(r4)。调谐电路402包括可变电容器c1和c2以及可变负载电阻器r1和r2。电流放大器404向近场天线200供应通信信号调制电流，从而在馈电点135、140两端产生电压。
[0049]
控制器406用可变电容器c1和c2(即，c组)调谐天线200的谐振频率(例如，10.6mhz)。控制器406用可变负载电阻器r1和r2(即，r组)调谐天线200的带宽(例如，400khz)和品质因数(q)。c组电容器的调整范围受到电容器物理大小的限制。r组电阻器的调整范围受到其泄漏电流的限制。
[0050]
图5为用于通过第二近场装置传输通信信号的第二近场天线200的通信信道508的示例频率响应曲线图500。水平轴502以mhz为单位显示频率，竖直轴504以dbv为单位显示馈电点135、140两端的电压。图中还示出了信道508的频率响应曲线506。在此示例实施例中，通信信道508由频率响应曲线506中的3dbv点限定。
[0051]
在此例子中，以400khz的信道带宽508在10.6mhz的频率下调谐第二近场天线200，且所述第二近场天线200具有传输品质因数(qtx)，其被定义为：
[0052][0053]
其中fr为通信频率(mhz)且bw为信道带宽508(mhz)。在此特定例子中，qtx的值为26.5。信道带宽508对于允许在无失真的情况下传递通信信号来说是重要的。
[0054]
天线还具有固有品质因数(qa)(基于其固有的物理结构，以及电阻损耗r3和r4)，所述固有品质因数被定义为：
[0055][0056]
其中fr为谐振频率(mhz)且bwa为信道带宽(mhz)。例如，近场天线可具有值为50的
固有品质因数。
[0057]
qtx和传输电流不能过高，否则近场装置的天线将产生将超出法定限值的杂散发射。例如，在欧洲，标准etsi-en3003301v1.7.1(2010-02)描述了对远场杂散发射限值的限制。在美国，标准fcc-子部分-c15.209描述了对远场杂散发射的限制。
[0058]
近场天线的远场发射还可由穿戴近场装置的用户中感应到的小电流引起。在一些例子中，这是因为用户的身体充当了频率在70mhz到150mhz范围之间的高效天线，并且此频率范围内的杂散电流将产生不必要的远场发射。例如，当通信频率为10.6mhz时，将在其所有谐波(例如，21.2mhz、31.8mhz等)下和在70mhz到150mhz频率范围内产生杂散发射。
[0059]
qtx也不能过低，否则其它近场装置处的接收信号强度(rss)就会减小，从而产生不适于可靠的数据通信的信噪比(snr)。
[0060]
在各种示例实施例中，在近场装置制造期间，发送到第二近场天线200的电流被固定在不会超过法定杂散发射限值的最大值，但所述电流将在接收近场装置时提供尽可能稳定的snr。
[0061]
虽然由电流放大器404发送到第二近场天线200的固定电流与理想化/目标qtx(假设理想条件)相关，但在实际近场装置操作期间，第二近场天线200可不时地耦合到多个导电结构。这些导电结构耦合中的一些是实现通信所必须的；然而，这些导电结构耦合中的一些是寄生的(例如，不需要的)。这些寄生耦合(非理想的)使qtx偏离其理想化/目标qtx。
[0062]
如果qtx过高，调谐电路402中的r组电阻器可在限值内将qtx减回到标称操作范围内(例如，将qtx从50减小到26.5)。类似地，如果qtx过低，调谐电路402中的r组电阻器可在限值内将q增回到标称q范围内。
[0063]
在一些现实的(非理想化的)近场装置操作/应用中，qtx会下降得又低又快(例如，根据用户的身体移动)，以致于调谐电路402中的r组电阻器不能将q增回到标称q范围内。
[0064]
其中q会快速且显著地下降的例子包括：助听器和耳塞应用，其中用户将智能手机放置在离助听器或耳塞过近的位置。在这种情况下，nfmi天线将靠近智能手机的导电结构，并且nfmi天线的品质因数可能不当地下降到26.5以下，例如下降到15。另一例子是当通信装置使用在腕带中实施的nfemi天线时。当用户手腕靠近金属物体或在人背后时，天线的品质因数可能下降到所需值以下。
[0065]
现在论述的是在qtx低于标称操作范围时用于增大传输品质因数(qtx)的特定电路和技术，所述标称操作范围也不违反任何法定杂散发射限值。这些电路和技术可在qtx低于标称qtx范围时快速且显著地增大发送到近场装置的天线的电流，且类似地，可在qtx回到标称qtx范围内时快速且显著地减小发送到近场装置的天线的电流，以免超出任何法定杂散发射限值。
[0066]
这些电路和技术适用于近场磁感应(nfmi)和近场电磁近场(nfemi)通信装置。
[0067]
图6为被配置成在第三近场无线装置中传输通信信号的第二近场天线200的示例理想等效电路600。例子600包括调谐电路402、可变电流源602(例如，并联的一组电流放大器)和控制器604。
[0068]
在各种示例实施例中，控制器604包括用于监测近场天线200两端电压的一组电压感测线606、608，并且被耦合成从本地接收器电路接收rss测量值610，和/或从接收由例子600的近场装置发送的通信信号的另一近场装置接收通信。
[0069]
控制器604控制如图4中所论述的调谐电路402；然而，控制器604还控制可变电流源602(例如，通过接入或断开布置成彼此并联的电流放大器(例如，a1到a5、b1到b5)中的一个或多个)，以另外改变发送到第二近场天线200的电流的总量。
[0070]
这种更大程度的电流控制使得控制器604能够通过将大得多的电流发送到第二近场天线200来补偿qtx中的大幅下降，并且还能够通过减小发送到第二近场天线200的电流来快速补偿qtx中的大幅增加以免违反法定发射限值。
[0071]
电流增加导致第二近场天线200的馈电点135、140两端电压增加。在一些例子中，控制器604包括dsp(数字信号处理器)。
[0072]
图7为用于操作第三近场无线装置的控制器604的指令和/或逻辑电路的示例集。除非另外具体陈述，否则论述指令的次序并不限制其它示例实施例实施所述指令的次序。另外，在一些实施例中，并行地实施所述指令。
[0073]
控制器604的第一示例指令集700在702处开始，其中如果测得的传输品质因数(qtx)高于最小qtx，控制器604将减小流到第二近场天线200的电流。
[0074]
接下来，在704中，如果测得的qtx低于最小qtx但在第一调整范围内，则通过可变电阻调谐(r组)电路来增大qtx。接着，在706中，如果测得的qtx低于最小qtx但不在第一调整范围内，则通过增大发送到第二近场天线200的电流来增大qtx，但此操作不会引起超出法定限值的杂散发射。控制器604改变电流。
[0075]
因此，虽然一开始调谐电路402(例如，c组和r组)能通过增大或减小qtx来尝试补偿，但当qtx的减小过大时，调谐电路则无法充分增大qtx到高于最小qtx，并且控制器604必须调整可变电流源602(例如，接入更多电流放大器)来加强传送到第二近场天线200的电流。
[0076]
用于控制器604的第二示例指令集708在710处开始，其中如果测得的传输品质因数(qtx)高于最小qtx，控制器604将减小流到第二近场天线200的电流。
[0077]
接下来，在712中，如果测得的qtx低于最小qtx但在第一调整范围内，则通过可变电阻调谐(r组)电路来增大qtx。随后在714中，如果测得的qtx低于最小qtx但不在第一调整范围内，则控制器604获取与近场装置的传输信号和qtx相对应的接收信号强度(rss)测量值。
[0078]
控制器604可用多种方式获取rss测量值。例如，传输近场装置可从另一接收近场装置请求与所述传输近场装置发送的通信信号相对应的rss测量值。此外，当另一近场装置不对rss测量请求作出响应时，传输近场装置则假定所述rss低于最小rss。例如，最小rss可比近场装置接收器的噪声基底高出5到10db。
[0079]
在另一例子中，天线200在传输调谐电路402与接收器电路(未示出)之间切换，所述接收器电路随后测量rss。
[0080]
在另一例子中，传输近场装置本身可具有另一近场天线，所述近场天线耦合到所述传输近场装置自身的接收电路，以便在本地接收rss测量值。
[0081]
随后，在716中，如果rss低于最小rss，则控制器604通过增大流到第二近场天线200的电流来增大qtx，但其限制在不会引起超出法定限值的杂散发射的较高电流水平。在一些示例实施例中，在阈值参考水平(例如，最小qtx)以下的品质因数的任何减小都能通过增大流到天线200的电流得到线性补偿。
[0082]
上文所描述的电路和技术可以在各种实施例中应用于无线耳塞、助听器、无线身体网络、智能锁系统、识别工业测量系统以及iot系统。
[0083]
各种电路、逻辑栅、模块、计算机等可托管这些指令。此类系统可包括输入/输出数据接口、处理器、存储装置和非暂时性机器可读存储介质。机器可读存储介质包括控制处理器如何接收输入数据且如何用存储装置内的数据将输入数据转换成输出数据的指令。在替代示例实施例中，机器可读存储介质为非暂时性计算机可读存储介质。在其它示例实施例中，上文所描述的指令集可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式来实施。
[0084]
本说明书中论述的材料的示例实施例可以整体或部分地通过网络、计算机或基于数据的装置和/或服务来实施。这些可包括云、互联网、内联网、移动装置、台式计算机、处理器、查找表、微控制器、消费者设备、信息基础设施或其它能够启用的装置和服务。如本文中和权利要求书中可使用的，提供以下非排他性定义。
[0085]
容易理解的是，如本文中大体描述的且在附图中说明的实施例的组件可以用各种不同的配置来布置和设计。因此，如图中所表示的各种实施例的具体实施方式并不旨在限制本公开的范围，而是仅表示各种实施例。虽然图式中呈现了实施例的各种方面，但除非具体地指示，否则图式不一定按比例绘制。
[0086]
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以用其它特定形式来实施本发明。所描述的实施例应在所有方面均被视为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由具体实施方式来指示。在权利要求书等效物的含义和范围内的所有变化均涵盖在其范围内。
[0087]
贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的参考并不暗示可以使用本发明实现的所有特征和优点应该在或在本发明的任何单一实施例中。相反地，参考所述特征和优点的语言应理解成意味着结合实施例所描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点以及类似语言的论述可以是(但不一定是)指同一实施例。
[0088]
此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以用任何合适方式在一个或多个实施例中组合。相关领域的技术人员将认识到，鉴于本文中的描述，可在无特殊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，可在某些实施例中识别出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外的特征和优点。
[0089]
贯穿本说明书提及的“一个实施例”、“实施例”或类似语言意味着结合所指示的实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可能但不一定全部都指同一实施例。