用于无线通信的天线的制作方法

本申请涉及无线通信技术领域。

背景技术：

近场通信(NFC)和高频(HF)射频识别(RFID)在例如点对点、支付和卡模拟等商业应用中快速增长。RFID系统可包含RFID读取器装置(也被称作“读取器装置”或仅被称作“读取器”)，所述RFID读取器装置产生可以由RFID标签装置(也被称作“标签装置”或仅被称作“标签”)接收和使用的射频信号。在一些情况下，标签装置可以从接收到的射频信号中采集功率并且还通过对射频信号进行调制来将数据发射回到读取器。标签的大小和耐用性允许标签在许多不同应用中使用。一个此类领域包括移动技术，且更确切地说，包括可穿戴技术。

虽然已经针对可穿戴RFID装置实施各种方法，但是由于天线定向和其它问题，此类装置可能易受与RFID读取器建立和维持无线通信的实际问题的影响。这些问题可以确切地说与特定应用有关，例如，可植入标签装置。针对多种应用，这些和其它问题给通信和天线定向等相关方面带来了挑战。

技术实现要素：

各种实例实施例涉及包括天线结构的设备或装置，所述天线结构具有形状为环的内核，所述内核被设计成佩戴在人类趾部上。第一和第二接触点位于内核上。导电路径连接第一接触点和第二接触点，并且包括以基本上平行的方式遍历内核的圆周的第一组绕组；以及以基本上平行的方式遍历内核的圆周的第二组绕组。这些绕组使得从内核外部的有利点看，第一组绕组基本上垂直于第二组绕组。

实施例涉及包括可植入电路的系统，所述可植入电路包括无线通信电路。内核被成形为环并且设计有外部和内部，所述外部和内部具有设计成佩戴在人类趾部上的相应的圆周。一种导电路径，所述导电路径包括：第一绕组，所述第一绕组遍历该环，同时针对内核的相应的部分在外部与内部之间交替；以及第二绕组，所述第二绕组遍历该环，同时针对内核的相应的部分，以第一绕组在这些部分的内部上而第二绕组在外部上的方式在外部与内部之间交替。

根据某些实施例，用于产生天线结构的方法包括产生形状为环的内核，所述环被设计成佩戴在人类趾部上。将第一接触点和第二接触点应用在内核上。形成导电路径，所述导电路径连接第一接触点和第二接触点。该路径是通过以下步骤形成的：在第一绕组线型与第二绕组线型之间交替，所述第一绕组线型以第一基本上平行的方式遍历内核的圆周，所述第二绕组线型以第二基本上平行的方式遍历内核的圆周。绕组图案使得从内核外部的有利点看，第一绕组图案和第二绕组图案是基本上彼此垂直的。

以上论述/总结并非意图描述本发明的每个实施例或每个实施方案。以下图式和详细描述还举例说明了各种实施例。

附图说明

考虑以下详细描述并且结合附图将更彻底地理解各种实例实施例，在附图中：

图1描绘与本发明的实施例一致的用于射频通信的系统的框图；

图2描绘与本发明的实施例一致的天线辐射方向图的自上而下视图200；

图3示出了与本发明的实施例一致的天线结构的侧视图300；以及

图4描绘与本发明的实施例一致的用于产生天线结构的流程图。

虽然本文中所论述的各种实施例能够经受各种修改及替代形式，但已经借助于图式中的实例示出了所述实施例多个方面，且本文中将详细描述所述实施例。然而，应理解，意图并不是将本发明限制于所描述的 特定实施例。相反，意图是涵盖落入本发明的范围的包含在权利要求书中限定的各方面的所有的修改、等效物和替代方案。另外，如在本申请案通篇中所使用，术语“实例”仅作为说明，且不加限制。

具体实施方式

本发明的各方面被认为适用于多种不同类型的设备、系统和方法，包括无线通信和专门的天线。本发明的各方面已经示出为在用于可穿戴无线装置的情况时是有益的。举例来说，一个或多个实施例可适用于设计为佩戴在人的趾部(手指或脚趾)上的天线。虽然未必如此受到限制，但是可通过使用此类情况的实例的论述来理解各种方面。

本发明的实施例涉及被设计为佩戴在人的趾部上的可穿戴天线，同时还被配置成用于无线通信以用于天线相对于另一装置和另一装置的对应的天线的不同旋转。举例来说，可穿戴天线可以被配置成使得至少一个导电路径(例如，导线)或任何旋转相对于另一天线的导电路径且相对于从另一天线来看对应的有利点成大约45°角或更大角度。

与某些实施例一致，可穿戴天线可以具有环形内核。内核中的开口可以被设计成允许将天线佩戴在人的趾部上。天线包括具有围绕内核的多个绕组的导电路径，其中每个绕组表示内核的圆周的一次遍历。多个绕组一起表示被设计成允许电流从路径的一端流动到路径的另一端的单个导电路径。路径的每一端都可以连接到接触点和无线(例如，HF-RFID)通信电路。

与一些实施例一致，可穿戴天线的绕组可以分成两个不同组的绕组，其中每个绕组通过在形成开口的内部部分与内核的外部部分之间交替而遍历内核的圆周。如本文中更详细地论述，相同组中的每个绕组可以遵循一种天线辐射方向图，其中绕组的导电路径或导线是基本上彼此平行的。然而，当从内核外部的有利点观察时，来自不同组的绕组的定向可以是基本上垂直的。

可穿戴电子产品可以用于多种目的，包括但不限于，医学领域(例如，可穿戴助听器和起搏器)。具有NFC功能的装置可以用于安全应用， 例如，解锁移动电话和共享类似Wi-Fi密码、到网站的链接、联系信息等信息。可穿戴技术还可以在自动化和安全系统中使用，例如，在汽车和家庭安全系统中使用。

通过使用一个以上集成电路(IC)或在IC内增加安全元件，安全能力可受到妨碍。举例来说，将安全元件添加到NFC控制器可能消耗更多芯片空间，使得芯片更大，并且增大功率消耗。对于NFC控制器具有有限功率的应用(例如，由来自读取器装置的射频信号供电)，增大功率需求可不利地影响读取范围。特定类型的可穿戴技术是可由人佩戴且用作天线的环。用于可穿戴技术应用的NFC环可使得在佩戴环的同时，维持与读取器天线的通信的安全性遭受问题，并且可能需要多种不同天线辐射方向图和设计以用于不同大小的环。

本发明的各种实施例利用一种天线结构，所述天线结构使用极化以减少由于旋转而导致的连接损失，并且包括可以使不同手指大小适合于单个结构的的天线布局设计。特定实施例涉及相对薄且具有高Q因子值的设计。

圆形环路天线可被设计用于在超高频(UHF)RFID域中的可靠的使用。本发明的特定实施例涉及被设计用于HF RFID/NFC域(例如，在大约3MHz到大约30MHz或在大约13.56MHz的频率下的电感耦合)的天线。与实施例一致，环天线可以与微控制器电路一起使用，例如，与安全认证微控制器一起使用。安全认证微控制器可例如被配置成将一个或多个安全代码传送到RFID读取器装置。这可以例如在使得患者数据可用之前验证读取器装置(例如，在可植入医疗装置的情形下)。在另一个实例中，认证可用于提供到RFID读取器装置的功能的接入(例如，自动化接入蜂窝智能手机)。

环天线可以用于具有低功率/较小信号的高频(HF)范围中的应用。因此，与物理维度和场分布有关的损失可以在很大程度上被忽略，这是因为它们大部分与高功率装置相关。与实施例一致，内核或环载体可由非磁性材料构造并且不需要考虑内核损失和诱发的涡电流。

现转而参考图式，图1描绘与本发明的实施例一致的用于射频通信 的系统的框图。读取器装置116可包括通信电路118和控制电路120，所述通信电路118和控制电路120被设计成与一个或多个标签装置建立通信。举例来说，控制电路120可包括微控制器和存储器电路，并且通信电路118可包括收发器电路和天线。与实施例一致，读取器装置可以被配置成与具有HF RFID功能的装置通信。

标签装置100可以被配置成与读取器装置116通信。标签装置可包括控制电路102和通信电路106。与实施例一致，标签装置100可以被配置到由从读取器装置接收的射频信号供电的电路中的全部电路或一些电路。通信电路106可通过一组导线或类似导体108连接到环形天线110。

与实施例一致，天线110可被设计成佩戴在人类的趾部上。举例来说，用于手指的标准环大小可以具有范围介于1.44英寸到3.05英寸的内圆周。如本文中更详细地论述，天线110可被配置成使得所述天线可以从读取器106接收信号，同时在多个方向112、114上旋转。举例来说，天线可以通过产生遵循某一图案的导电路径来构造，对于该图案，针对任何特定定向，导电路径的至少一部分不与来自天线读取器的通量的方向平行。

电路图124描绘用于标签装置104和天线110的较小信号等效电路。天线辐射方向图和核心结构可以各自基于许多因素来设计。举例来说，通量密度与环半径成反比地变化。这可以引起磁场在内核的内部边缘上显著地较高而不是在环的外部部分中显著较高。因此，各种实施例涉及保持环形内核(或载体)的宽度尽可能地薄以帮助提供均匀的通量密度。外径与内径的较小比值(OD/ID)还防止内核的不同部分之间的较小热梯度。虽然对于较小信号此因素通常可以被忽略，但是热梯度仍然可以具有作用，例如，当温度随时间推移快速地变化时。R_s是空气内核电感(L₀)和角速度(ω)或频率(f)的函数，其中R_s＝L₀ω，L₀＝(μ₀N²A_e)/l_e，并且ω＝2πf。此处，A_e和l_e是有效内核几何形状并且等于：A_e＝C₁/C₂，C₁和C₂表示内核常数，所述内核常数是就内核高度(h)以及内核的内径(r_i)和外径(r_o)而言针对环形内核计算的，所述C₁和 C₂对应地为2π/hln(r_o/r₁)并且2π(1/r_i-1/r_o)/h²ln³(r₀/r₁)。因此，减小外径与内径的比值可以减小由内核中的通量密度的变化产生的不良影响。因此，减小外径与内径的比值可有助于使用非常薄的内核。内核中的诱发通量密度和跨越并联R-L模型的电压是通过变换器等式直接相关的：其中V_rms和B_m对应地是感应电压和峰值的均方根(rms)值以及正弦通量密度的峰值。由于在串联模型中跨越电感器的电压是通过电阻器与电感器之间的分压器确定的，所以内核中的通量密度不直接与激励电压有关。

与实施例一致，内核上的每个绕组完全缠绕环的圆周。取决于导线旋转角，均匀的绕组减小离开内核的通量的量，并且因此提供更均匀的通量密度。视图126示出了被分段成依次编号为I、II、III和IV的四个相等大小象限的环。对于具有围绕整个环相同的导线旋转角的绕组122，较小环的且相对于来自象限I的贡献的通量密度(Φ)比值是Φ_II/Φ_I＝Φ_IV/Φ_I≈0.4且Φ_III/Φ_I略微地较小。一种使所有部分均匀地以等于大约1的比率关联的方式将是使内核为具有大于1000的磁导率的磁性内核，然而，这对于商业应用可能是不可行的。实施例涉及一种解决方案，其中，例如，图案可以被设计成具有在环的外侧上的导电路径，相对于穿过环的开口的中心的线，所述外侧上的导电路径基本上垂直于环的内部上的导电路径。

图2描绘与本发明的实施例一致的天线辐射方向图的自上而下视图200。天线辐射方向图200包括各自遍历环形内核的圆周的多个绕组，所述图并未示出为允许在内核的两侧上的绕组可见。接触点或终端202和204可连接到由绕组形成的导电路径的相应的端部。在某些实施例中，用于标签装置的收发器电路可跨越终端202和204而连接。

在图2中圈出了第一组的两个绕组206和208的一部分。方向箭头指示用于参考的相对于不同绕组的电流的可能的方向(然而电流方向可反向，这将引起每一绕组的对应的反向)。如图2的视图200中所描绘， 绕组206和208的物理定向基本上平行于彼此，从而引起电流的方向也基本上相对于每个绕组平行。绕组206和208被描绘为在圈出的位置处位于内核的顶部部分上(即，朝向观看者伸出页面)。

在图2中还圈出了第二组的两个绕组210和212的一部分。方向箭头同样指示用于参考的相对于不同绕组的电流的方向。如图2中所描绘，绕组210和212的物理定向基本上平行于彼此，从而引起电流的方向也基本上相对于每个绕组平行。然而，相对于该图的观看者的有利点，绕组210和212的物理定向基本上垂直于绕组206和208。绕组210和212被描绘为在圈出的位置处位于内核的底部部分上。在某些实施例中，内核被设计成相对较薄，并且因此，绕组的任一个(或两个)组可以有助于标签与读取器之间的电感耦合。

视图220示出了多个可能的定向和来自两个不同组绕组的绕组的对应的感应电流。举例来说，I可以表示通过读取器装置的天线(读取器)导线的电流，而I₁可以对应于在绕组210或212中诱发的电流，并且I₂可以对应于在绕组206中诱发的电流。在此视图中，对应于I₁和I₂的绕组以对应于视图200中的方向箭头的方向箭头示出。应注意，电流方向可以在视图220中所描绘的特定定向的相反方向上。如通过电流值所示，至少一个天线导线将在各种定向上电感耦合到读取器导线。此外，对于其中一个导线与读取器导线平行的任何定向，另一个导线将基本上是垂直的并且因此最大限度地耦合(其中最大耦合仅考虑到物理定向)。

图3示出了与本发明的实施例一致的天线结构的侧视图300。与图2一致，示出了天线结构而并不呈现内核。绕组302和304形成相对于人的趾部的中心开口位于内核的外部上的第一组绕组的部分。绕组306和308形成位于内核的内部上的第二组绕组的部分。两组绕组之间的定向类似于结合图2描述的那些定向，类似之处在于相对于特定有利点，相同组绕组是基本上垂直的并且不同组绕组是基本上垂直的。

图2和3的所描绘的实例示出了十个不同绕组。取决于对特定实施方案的考虑，各种实施例可包括更多或更少的绕组。考虑可包括但是未必限于读取器装置的通信频率、无线信号强度、用于标签装置的通信电 路系统的限制以及成本。

图4描述与本发明的实施例一致的用于产生天线结构的流程图。一开始，根据块402，可以形成设计成佩戴在人的趾部上的环形内核。如本文中所论述，内核可以是非磁性的并且具有足以作为环而被佩戴的开口。根据块404和406，可以将两个接触点添加到内核。取决于特定实施方案和制造过程，接触点可以在不同时间添加。举例来说，接触点可以在绕组的应用之前、之后或期间添加到内核。在一些实施例中，接触点可以是垫片或物理连接器的一部分，导线或类似导体可使用焊料、物理连接器及其组合而附接到所述垫片或物理连接器的一部分。

根据块408，开始于对应于一个接触点的位置处，可以将根据第一图案组的导电路径应用于内核。如本文中所论述，导电路径的第一部分可以遵循第一图案并且缠绕内核的内部和外部，同时遍历内核的圆周一次。从根据块408形成的第一绕组的端部继续，根据块410，可以继续根据第二图案组将导电路径应用于内核。如本文中所论述，第二图案可被配置成使得从内核外部的不同有利点看，对应于第二图案的绕组基本上垂直于先前应用的绕组，所述先前应用的绕组对应于第一图案。

根据块412，随后可以确定是否将添加另外的绕组。如果将添加另外的绕组，那么根据块408和410，第一图案与第二图案之间的交替的图案化可以重复。如在其它图式中所示和论述，某一组的每个新绕组可略微地从相同组中的先前绕组发生移位并且以基本上垂直的方式应用。如果不再添加另外的绕组，那么当前绕组的端部可以连接到并非已经连接的接触点中的一个接触点。根据块414，所述过程随后可以结束。

在一些实施例中，导电路径可通过印制过程来应用，其中导体材料于内核。导线或类似导体材料还可以遵循天线辐射方向图而应用。

可以实施各种块、模块或其它电路以执行本文中描述和/或图式中所示的操作和活动中的一个或多个操作和活动。在这些情况中，“块”(有时也叫“逻辑电路”或“模块”)是进行这些或相关操作/活动中的一个或多个操作/活动的电路(例如，执行安全认证且执行RFID相关的通信)。举例来说，在某些上文论述的实施例中，一个或多个模块或块是离散逻 辑电路或可编程逻辑电路，所述电路被配置成且布置成用于实施这些操作/活动，如在图1中所示的电路模块中。操作可以在被编程以操作所指示的步骤的逻辑电路中执行。在某些实施例中，此类可编程电路是一个或多个计算机电路，所述计算机电路被编程为执行所存储的指令(和/或配置数据)的组。指令(和/或配置数据)可采用存储在存储器(电路)中且可从存储器(电路)中访问的固件或软件的形式。另外，本文所描述的各种实施例可以在某些实施例中组合，并且个别的实施例的各种方面可以实施为单独的实施例。

某些实施例涉及计算机程序产品(例如，非易失性存储器装置)，所述计算机程序产品包括具有存储在其上的指令的机器或计算机可读媒体，所述指令可以由计算机(或其它电子装置)执行以执行本文中所公开的一个或多个操作/活动。

基于以上论述和说明，本领域的技术人员将易于认识到，可以对各种实施例作出各种修改和改变，而无需严格地遵循在本文中所示出且描述的示例性实施例和应用。举例来说，内核可以是不完整的环。类似地，不同材料和方法的应用可用于绕组。此类修改并不脱离本发明的各种方面的真实精神和范围，包含在权利要求书中阐述的各方面。