用于非接觸式系統(tǒng)的多功能單天線的制作方法
【專利摘要】描述一種多功能天線，其中通過阻抗電路將所述多功能天線分為第一片段和第二片段，所述阻抗電路在低頻產(chǎn)生低阻抗且在高頻產(chǎn)生高阻抗。可通過由所述阻抗電路從所述多功能天線的所述第二片段阻擋高頻射頻HF-RF信號而僅使用所述第一片段來從HF-RF收發(fā)器發(fā)射或接收所述HF-RF信號?？赏ㄟ^使低頻射頻LF-RF信號通過所述阻抗電路而使用所述多功能天線的所述第一片段和所述第二片段兩者來接收所述LF-RF信號。
【專利說明】用于非接觸式系統(tǒng)的多功能單天線
[0001]根據(jù)35U.S.C.119(a)豐張優(yōu)先權(quán)
[0002]本申請案主張2012年10月30日申請的題為“用于非接觸式系統(tǒng)的多功能單天線(Multifunction Single Antenna for Contactless Systems) ”的第EP12290376.8號英國申請案的優(yōu)先權(quán)且以引用的方式并入此案。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體來說涉及使用單個多功能天線來支持低頻磁耦合和高頻射頻傳輸。
【背景技術(shù)】
[0004]用于主動式移動裝置的非接觸式電池充電的無線能量轉(zhuǎn)移以及主動式移動裝置與遠程接入點或基站之間的空中高速數(shù)據(jù)傳輸通常使用兩種不同的射頻無線傳輸技術(shù):磁導耦合和無線電-電傳播耦合。這些無線傳輸技術(shù)中的每一者使用專用天線設(shè)計用于在特定射頻范圍內(nèi)操作。磁導耦合通常在小于IOMHz的LF(低頻)射頻下操作且傳輸范圍小于IOcm0無線電-電耦合通常在從300MHz到高達3_5GHz范圍中的超高頻(UHF)射頻下操作且傳輸范圍大于lm。
[0005]近場通信(NFC)為允許兩裝置在近似IOcm或更小的短距離內(nèi)通信的無線技術(shù)。舉例來說，NFC在NFC論壇規(guī)范內(nèi)被國際標準化且定義在IS0/IEC18092、ECMA-340和IS014443中。NFC允許移動裝置與用戶的直接環(huán)境交互。通過近距離非接觸式技術(shù)，移動裝置可被用作信用卡，以接入公共運輸、以接入安全位置以及更多應用。雖然NFC可用于短距離通信且收集能量以對移動裝置供電，但移動裝置還可包含UHF-RF收發(fā)器以用于使用單獨天線進行更長距離的通信。
[0006]非接觸式系統(tǒng)一股用作存取控制ID(例如，員工標記卡)以及用于公共運輸?shù)鹊闹Ц断到y(tǒng)。最近，信用卡開始包含NFC能力。近來，非接觸式能力還被集成到移動電話中；近期實例為諾基亞(Nokia)的6212電話和谷歌(Google)的安卓(Android),其在最新版本中均支持NFC。

【發(fā)明內(nèi)容】
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]現(xiàn)將僅通過實例且參看隨附圖式來描述根據(jù)本發(fā)明的特定實施例:
[0008]圖1為使用多功能天線的非接觸式裝置的說明；
[0009]圖2A-2C為說明針對低頻和高頻操作兩者使用單個多功能天線的示意圖；
[0010]圖3為說明可供圖2的天線使用的實例頻帶的曲線圖；
[0011]圖4為說明多功能天線的操作的狀態(tài)圖；
[0012]圖5為說明多功能天線的操作的流程圖；以及
[0013]圖6和7說明使用多功能天線的實例移動裝置。[0014]本發(fā)明實施例的其它特征將從隨附圖式以及從以下詳細描述而顯而易見。
【具體實施方式】
[0015]現(xiàn)將參看附圖來詳細描述本發(fā)明的特定實施例。為了一致性起見，各圖中的相同元件由相同參考數(shù)字來指示。在本發(fā)明實施例的以下詳細描述中，陳述眾多特定細節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見，可在沒有這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在其它例子中，尚未詳細描述眾所周知的特征以便避免不必要地使描述變復雜。
[0016]本文檔中術(shù)語“非接觸式系統(tǒng)”既定涵蓋任何非接觸式系統(tǒng)，例如(但不限于)NFC(近場通信)、IS014443、IS015693 (接近式卡)、任何“RFID” (射頻識別)系統(tǒng)等，例如，其可使用較低頻率用于能量的磁耦合用于對電池充電以及使用較高頻率用于空中數(shù)據(jù)傳輸。
[0017]許多新服務現(xiàn)在正在開發(fā)中，所述新服務由于在緊密電子裝置中無線通信、感測和數(shù)據(jù)處理的高度集成而由機器對機器通信(M2M)支持。除了現(xiàn)在通用的被動式RFID裝置(例如，標簽)之外，存在對更強大的無線裝置的需要，其具有以完全自主性以及高速率來獲取、致動、處理和無線地傳送數(shù)據(jù)的能力。舉例來說，各種實施例可在家庭自動化、健康護理、安全性、多媒體、能量管理等中有用。
[0018]空中高數(shù)據(jù)吞吐量通常依賴基于UHF(超高頻)帶中的電磁傳播耦合的射頻傳輸。裝置長距離自主性需要具有充電能力的嵌入式能量存儲裝置?；诟袘夹g(shù)的無線電力轉(zhuǎn)移技術(shù)的使用允許通過避免用于連接到電力充電器的任何布線和插頭而進一步使電子裝
置小型化。
[0019]用于現(xiàn)有主動式移動裝置的天線配置解決方案是基于分別經(jīng)設(shè)計用于感應耦合和傳播耦合的兩天線，或者僅經(jīng)設(shè)計用于感應耦合的一個天線，其中電力傳輸依賴于載波信號的能量且數(shù)據(jù)傳輸依賴于此載波的調(diào)制。后者解決方案通常用于NFC(近場通信)應用，其具有< IOcm的有限傳輸范圍和< 500K位/秒的降低數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0020]如本文描述，本發(fā)明的實施例通過支持各種無線傳輸技術(shù)的單天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計來應對將多功能天線系統(tǒng)集成到減小的形狀因數(shù)的無線電子裝置中的挑戰(zhàn)，即:用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞑ヱ詈?，以及用于能量傳輸?shù)母袘詈?。多功能天線的單個結(jié)構(gòu)的布局允許采用高級組合件或微封裝技術(shù)，例如薄柔性襯底、板上芯片、電子織物印花、層疊等。
[0021]單天線布局的各種實施例可支持在不同的射頻帶中操作的RF數(shù)據(jù)傳輸和無線感應式能量轉(zhuǎn)移。無線電-電耦合通常在從300MHz到高達3-5GHz的高頻(HF)射頻下操作且傳輸范圍大于I米。磁耦合通常在小于近似IOMHz的LF (低頻)射頻下操作且傳輸范圍小于近似10cm。然而，符合NFC的實施例可在13.56MHz下操作，且存在在此頻率下提供感應式電力充電的許多可用的目錄組件。
[0022]圖1為包含多功能天線104的非接觸式裝置100的說明，其在此實例中表示信用卡。小的集成電路102包含耦合到線圈天線104的充電電路120。在一些接近式卡和近距型卡實施例中，充電電路120可為通過經(jīng)由包含并聯(lián)連接的電容器120與線圈104的LC電路而諧振感應耦合來充電的簡單電容器。當將卡放置接近卡讀取器時，卡讀取器產(chǎn)生電磁場，所述電磁場激發(fā)線圈和諧振電流對電容器充電，其繼而激勵且對IC102供電。IC102還可包含簡單處理器124，其具有存儲在只讀存儲器中的應用軟件。IC102還可包含少量的非易失性RAM，其用以在所述卡正處理交易時存儲參數(shù)。
[0023]NFC為通常要求4cm或更小的距離的短距離無線技術(shù)的集合，所述技術(shù)使用相對低頻(LF)無線電信號的感應耦合來傳輸充電能量，且還提供無線數(shù)據(jù)傳送。舉例來說，一些NFC實施例在IS0/IEC18000-3空中接口上以13.56MHz且以范圍從106k位/秒到424k位/秒的速率操作。其它實施例可基于包含(例如)IS0/IEC14443和FeliCa的現(xiàn)有的射頻識別(RFID)非接觸式標準。實施例還可利用用于非接觸式通信的稍后開發(fā)的標準。NFC涉及啟動程序和目標；啟動程序主動地產(chǎn)生可對被動目標供電的RF場。這使得NFC目標能夠采用不需要電池的非常簡單的形狀因數(shù)，例如標簽、貼紙、鑰匙掛扣或卡。NFC對等通信是可能的，只要兩裝置均被供電即可。NFC標簽含有數(shù)據(jù)且通常是只讀但可被重寫的。所述NFC標簽可由其制造商定制編碼或使用NFC論壇(一負有促進所述技術(shù)且設(shè)置關(guān)鍵標準責任的產(chǎn)業(yè)協(xié)會)所提供的規(guī)范。所述標簽可安全地存儲個人數(shù)據(jù)，例如借記卡和信用卡信息、忠誠計劃數(shù)據(jù)、PIN和聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系人以及其它信息。NFC論壇界定四種類型的標簽，所述標簽在可配置性、存儲器、安全性、數(shù)據(jù)保持和寫入耐久性方面提供不同的通信速度和能力。標簽目前提供介于96與4，096字節(jié)之間的存儲器。
[0024]IC102還可包含收發(fā)器126，其允許所述卡使用線圈104的部分作為偶極天線經(jīng)由UHF無線電傳輸來執(zhí)行較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。如下文將更詳細描述，將阻抗電路110串聯(lián)插入于線圈104中以形成短片段112和較長片段114。將收發(fā)器126耦合到短片段112而接近阻抗電路110，如128處所指示。短片段112可用作偶極天線，而整個線圈(包含片段112和較長片段114)可用于感應耦合。
[0025]在一些實施例中，當所述卡感應式耦合到能量源時，充電電路120耦合到電池122且可操作以對電池122充電。當卡100未感應式耦合到能量源時，電池122允許所述卡的
自主操作。
[0026]圖2A為說明針對低頻和高頻操作兩者使用單個多功能天線204的示意圖。在此實施例中，收發(fā)器226可使用高頻(HF)射頻信號來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。如先前所提及，從介于近似300MHz與3-5GHz之間的HF帶選擇頻率。充電電路220從線圈204接收感應式耦合的能量且借此對電池222充電。電池222可使用已知的或以后發(fā)現(xiàn)的能量存儲技術(shù)來實施。舉例來說，電池222可為化學存儲裝置，例如鋰離子電池，或者其可為場存儲裝置，例如電容器。存儲在電池222中的能量可用以對處理模塊224供電，以允許處理模塊執(zhí)行經(jīng)由收發(fā)器226來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的應用程序。
[0027]處理模塊224可包含非易失性存儲器，其存儲由處理模塊224內(nèi)的中央處理單元(CPU)執(zhí)行的應用程序。額外的易失性或非易失性存儲器可包含在處理模塊224內(nèi)用于存儲經(jīng)由收發(fā)器226接收的數(shù)據(jù)和/或從傳感器240接收的數(shù)據(jù)，所述傳感器240可包含在處理器模塊224內(nèi)或耦合到處理器模塊224。這些傳感器可包含(但不限于)用以測量熱、光、壓力、流動速率、電場或磁場強度、壓力等的傳感器。致動器242可從RF天線片段212接收經(jīng)由收發(fā)器226而接收的數(shù)據(jù)或命令。致動器242可為運動裝置、照明裝置或其它機械/電氣裝置。致動器242可為(例如)在圖6的EKG系統(tǒng)中使用的電極。
[0028]本文所揭示的多功能天線結(jié)構(gòu)是基于線圈諧振天線設(shè)計，所述設(shè)計適于與線圈204的用作標準偶極的部分212或適于傳播耦合的類似天線配置的感應電力耦合。此節(jié)省了 PCB (印刷電路板)面積且僅需要簡單的阻抗電路210來將線圈204分為兩片段212、214從而形成偶極片段212。在此實施例中，阻抗電路120包括電感器L2和電容器C2，其在收發(fā)器226所使用的近似HF頻率下形成并聯(lián)諧振電路。可包含耦合電容器Cc230以提供用于偶極片段212與收發(fā)器226之間的傳輸線的阻抗匹配。耦合電容器Ce提供用于HF信號的低阻抗和用于LF信號的高阻抗。
[0029]如上文提及，特定實施例可經(jīng)設(shè)計以使用選擇介于近似300MHz與3GHz之間的UHF帶的頻率來操作。舉例來說，裝置可經(jīng)設(shè)計用于在2.4GHz下進行藍牙RF通信。在f =
2.4GHz (藍牙)下，并聯(lián)連接的L2/C2的諧振頻率由方程式(I)指示，且并聯(lián)連接的L2/C2所產(chǎn)生的阻抗由方程式(2)指示。
【權(quán)利要求】
1.一種移動裝置，其包括: 能量存儲裝置，其經(jīng)配置以接收來自低頻LF射頻RF信號的能量； 高頻HF RF收發(fā)器，其耦合到處理模塊，其中所述能量存儲裝置經(jīng)耦合以將電力提供到存儲模塊以及提供到所述HF-RF收發(fā)器；以及 多功能天線，其耦合到所述HF-RF收發(fā)器且耦合到所述能量存儲裝置，其中所述多功能天線的一端接地且所述能量存儲裝置耦合到所述多功能天線的相對端，且其中所述多功能天線通過第一阻抗電路而分為第一片段和第二片段，且所述HF-RF收發(fā)器鄰近所述第一阻抗電路而耦合到所述多功能天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其中所述第一阻抗電路包括經(jīng)配置以在近似所述高頻處諧振的電感器(L2)和電容器(C2)，使得高阻抗被呈現(xiàn)給來自所述收發(fā)器的HF-RF信號且低阻抗被呈現(xiàn)給所述LF-RF信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其中所述多功能天線的在所述接地端與所述第一阻抗電路之間的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/2波長的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其進一步包括: 第二阻抗電路，其接近所述接地端而與所述天線串聯(lián)連接，其中所述第二阻抗電路的阻抗對于所述LF-RF信號為低的，且其中所述第二阻抗電路的所述阻抗對于HF-RF信號為聞的；以及 其中所述多功能天線的在所述第二阻抗電路與所述第一阻抗電路之間的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動裝置，其進一步包括: 第三阻抗電路，其將所述第二片段分為第三片段和第四片段，其中所述第三阻抗電路對于HF-RF信號呈現(xiàn)高阻抗且對于所述LF-RF信號呈現(xiàn)低阻抗；且 其中所述多功能天線的在所述第二阻抗電路與所述第一阻抗電路之間的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度，且所述多功能天線的在所述第一阻抗電路與所述第三阻抗電路之間的所述第三片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其中所述低頻小于近似10MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其中所述能量存儲裝置包括耦合到電池充電電路的電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其中所述處理模塊包括存儲電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其進一步包括耦合到所述處理模塊的數(shù)據(jù)感測模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的移動裝置，其中所述感測模塊經(jīng)配置以收集心電圖數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動裝置，其進一步包括耦合到所述處理模塊的致動模塊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的移動裝置，其中所述致動模塊為用于心電圖裝置的電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的移動裝置，其進一步包括一組附接墊，所述附接墊耦合到所述感測模塊用于將所述移動裝置附接到衣服。
14.一種用于在移動裝置中使用多功能天線的方法，所述方法包括: 通過第一阻抗電路將所述多功能天線分為第一片段和第二片段，所述第一阻抗電路在低頻產(chǎn)生低阻抗且在高頻產(chǎn)生高阻抗；通過由所述阻抗電路從所述多功能天線的所述第二片段阻擋高頻射頻HF-RF信號而僅使用所述第一片段來從HF-RF收發(fā)器發(fā)射或接收所述HF-RF信號；以及 通過使低頻射頻LF-RF信號通過所述第一阻抗電路而使用所述多功能天線的所述第一片段和所述第二片段兩者來接收所述LF-RF信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進一步包括使用得自所述LF-RF信號的能量來對電池充電，其中使用所述整個多功能天線經(jīng)由磁感應接收LF-RF能量以用于對所述電池充電，而僅使用所述第一片段來發(fā)射或接收所述HF-RF信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述多功能天線的在接地端與所述第一阻抗電路之間的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/2波長的長度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進一步包括通過使用與所述多功能天線的所述第一片段串聯(lián)耦合的第二阻抗電路而形成偶極HF天線配置，從而針對所述LF-RF信號提供低阻抗到接地平面且針對所述HF-RF信號提供高阻抗到所述接地平面；且 其中所述HF-RF收發(fā)器耦合到接近所述第一阻抗電路的所述第一片段，且其中所述多功能天線的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括: 使用第三阻抗電路將所述第二片段分為兩個片段，其中所述第三阻抗電路對于所述HF-RF信號呈現(xiàn)高阻抗且對于所述LF-RF信號呈現(xiàn)低阻抗；且 其中所述多功能天線的在所述第二阻抗電路與所述第一阻抗電路之間的所述第一片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度，且所述多功能天線的在所述第一阻抗電路與所述第三阻抗電路之間的所述第二片段具有所述HF-RF信號的近似1/4波長的長度。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的`方法，其進一步包括: 接收來自所述移動裝置中的傳感器模塊的數(shù)據(jù)； 使用所述移動裝置中的處理器以及來自所述電池的能量來處理所述數(shù)據(jù)；以及 將所述經(jīng)處理的數(shù)據(jù)提供到所述HF-RF收發(fā)器用于傳輸。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進一步包括: 接收來自所述HF-RF收發(fā)器的數(shù)據(jù)；以及 使用所述經(jīng)接收數(shù)據(jù)來刺激所述移動裝置中的致動器模塊。
【文檔編號】A61B5/0402GK103795430SQ201310524706
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月30日
【發(fā)明者】阿蘭·布魯諾·沙托, D·喬治·普瓦索尼耶, 瓦西里·佐伊卡斯 申請人:德州儀器公司