近场测量装置的制作方法

1.本说明书涉及用于近场测量的系统、方法、设备、装置、制品和指令。


背景技术：

2.本文中论述的是基于近场电磁感应(nfemi)的可能在用户身体上的近场装置与其它导电表面和/或其它无线联网装置(例如，物联网(iot)装置、可穿戴物、耳塞、身体区域网络、游戏产品和比如持续葡萄糖监测等医用产品等)之间的近场交互，其中发射器和接收器通过磁(h)场和电(e)场两者耦合。尽管rf无线通信通过穿过自由空间传播rf平面波来实现，但nfemi通信利用非传播准静态h场和e场。
3.h场天线(即，磁天线)主要对磁场敏感和/或在由电流驱动时主要引发磁场。来自h场天线的任何e场分量极大地减小(例如，减小
‑
20到
‑
60db，倍数为0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
4.小型环形天线是示例h场天线，且包括尺寸比其使用的波长小得多的环形天线。小型环形天线不会在nfemi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环路的各个位置中具有相同值。
5.e场天线(即，电天线)主要对电场敏感和/或在由电压驱动时主要引发电场。来自e场天线的任何h场分量极大地减小(例如，减小
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20到
‑
60db，倍数为0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。


技术实现要素：

6.根据示例实施例，一种近场测量装置，包括：近场天线；调谐电路，所述调谐电路电流耦合到所述近场天线，且被配置成设置所述测量装置的谐振频率和/或品质因数；以及电流传感器，所述电流传感器电感耦合到所述近场天线，且被配置成响应于流过所述近场天线与所述调谐电路之间的电流耦合件的电流而生成信号；其中所述信号表示由所述近场天线接收的非传播准静态近场信号的测量。
7.在另一示例实施例中，所述电流传感器为变压器或环形线圈。
8.在另一示例实施例中，所述电流传感器被配置成放大在所述电流耦合件中流动的电流。
9.在另一示例实施例中，所述调谐电路包括电容和电阻。
10.在另一示例实施例中，所述近场天线包括一组导电表面，所述导电表面被配置成响应于电近场信号；所述导电表面一起形成电容；所述调谐电路电容大于所述导电表面电容，使得流过近场天线的电流的较大部分流过所述调谐电路电容；并且所述电流传感器与所述调谐电路电容串联电感耦合且与所述调谐电路电阻并联电感耦合。
11.在另一示例实施例中，另外包括感测元件；其中所述电流传感器包括初级绕组和次级绕组；其中所述初级绕组电流耦合到所述近场天线；并且其中所述次级绕组电感耦合到所述初级绕组，且电流耦合到所述感测元件。
12.在另一示例实施例中，所述感测元件包括电阻；所述信号为电压；并且所述电阻被配置成响应于流过所述初级绕组的电流而生成所述电压。
13.在另一示例实施例中，所述感测元件包括低噪声放大器；所述信号为电压；并且所述低噪声放大器被配置成响应于流过所述初级绕组的电流而生成放大的输出信号。
14.在另一示例实施例中，所述感测元件被配置成耦合到测量仪器；并且所述测量仪器被配置成响应于流过所述初级绕组的电流而输出磁近场强度信号和/或电近场强度信号。
15.在另一示例实施例中，所述感测元件被配置成耦合到基带通信电路；并且所述通信电路被配置成响应于流过所述初级绕组的电流而输出通信信号。
16.在另一示例实施例中，所述调谐电路包括可变调谐电容组，所述可变调谐电容组被配置成响应于控制线而设置所述近场天线的谐振频率。
17.在另一示例实施例中，所述调谐电路包括可变调谐电阻组，所述可变调谐电阻组被配置成响应于控制线而设置所述近场天线的品质因数或带宽。
18.在另一示例实施例中，所述调谐电路包括被配置成设置所述近场天线的固定谐振频率的固定调谐电容，以及被配置成设置所述近场天线的固定品质因数或带宽的固定调谐电阻。
19.在另一示例实施例中，在所述近场天线与所述调谐电路之间的所述电流耦合件中流动的电流仅通过由所述近场天线接收的所述非传播准静态近场信号来生成。
20.在另一示例实施例中，所述近场天线为响应于非传播准静态近场磁信号的近场磁天线。
21.在另一示例实施例中，所述近场天线为响应于非传播准静态近场电信号的近场电天线。
22.在另一示例实施例中，所述近场天线为响应于非传播准静态近场电信号和磁信号的近场电磁天线。
23.在另一示例实施例中，所述近场测量装置被配置成电容耦合到外部导电表面，将从所述外部导电表面进行非传播准静态近场信号的所述测量。
24.在另一示例实施例中，所述近场测量装置嵌入在以下各项中的至少一个中：可穿戴装置、智能手表、智能手表外壳、耳塞、助听器、医疗装置、活动跟踪器或心率监测仪。
25.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一示例实施例或每一实施方案。以下图式和具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。
26.考虑以下结合附图的具体实施方式可以更全面地理解各种示例实施例。
附图说明
27.图1是示例近场天线。
28.图2是第一近场测量装置的例子。
29.图3是第二近场测量装置的示例应用。
30.图4是第三近场测量装置的示例应用。
31.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，也可能存在除所描述的具体实施例以外的其它
实施例。还涵盖落在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
32.短负载偶极子天线是示例e场天线并包括尺寸比nfemi载波频率小得多的短偶极子，且在一些示例实施例中在两端均具有额外电容表面。
33.这些场的准静态特性是nfemi天线尺寸与nfemi载波频率的组合的结果。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。小型天线几何形状使自由空间中的辐射波减到最少。
34.如助听器和无线耳塞之类的一些可穿戴物使用近场磁感应(nfmi)作为无线通信方法。在nfmi无线通信中，两个松耦合的线圈实现信号传递。未发生无线电波辐射。在发射线圈中流动的电流生成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。不利的是，具有小型天线线圈的基于h场的nfmi系统范围有限，所述范围可能远小于用户身体的整个可穿戴范围。此类h场通信对线圈定向敏感。在助听器形状因数的情况下，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准，因此助听器不受人体移动的影响。
35.其它可穿戴物使用近场电感应(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。
36.然而，确保稳固的近场通信可能需要谨慎地测量和表征此类装置周围的近场环境(例如，身体生成的正常场、噪声、其它装置等)。由于此类近场信号非常接近用户的身体且具有相对低幅度，因此此类近场信号可能难以测量。
37.现有电场和磁场测量仪器被设计成用于测量更强和更远距离的远场信号(例如，用于电磁兼容性(emc)和辐射场型等)。此类仪器可能仅能够测量低至500mv/m的电磁场强度。
38.现在论述的是为测量导电体表面附近和/或周围环境中的这些集中、低电平近场信号而定制的近场测量装置的示例实施例。这些示例实施例能够测量低至10mv/m的电磁场强度。一旦被捕获，这些近场信号就可随后通过例如频谱分析器或示波器等额外诊断装置来记录和表征。
39.图1是示例近场天线100。在一些示例实施例中，天线100包括用于磁场的线圈(h场)天线105，以及用于电场的短负载偶极子(e场)天线120。h场天线105包括用线115卷绕的铁氧体芯110。e场天线120包括两个导电负载结构125和130。天线100馈电点135、140耦合到各种调谐、测量和/或收发器电路系统，例如下游谐振频率和带宽调谐组、电流传感器以及无线电发射器和接收器集成电路(rf
‑
ic)。
40.当nfemi天线100接近于结构(例如，导电结构、身体、个、物体等)时，在一些示例实施例中，大体上受限于结构而不会在自由空间中强烈辐射的磁场和电场可以用大得多的灵敏度来测量。
41.在各种示例实施例中，天线100在50mhz或低于50mhz下(例如，在30mhz下)工作以
确保场遵循结构轮廓且确保极大地减少远场辐射。
42.虽然示出的近场天线100是nfemi天线，但是在其它示例实施例中，如果将仅分别感测和测量磁性(h)场或电场(e)，则可以仅单独地使用线圈(h场)天线105或短负载偶极子(e场)天线120。
43.图2是第一近场测量装置200的例子。第一近场测量装置200包括近场天线100、支持电路202，并且被配置成接收非传播准静态近场信号。近场测量装置200被配置成接收和测量非传播准静态近场信号。应注意，在一些示例实施例中，近场天线100还可耦合到发射器电路(未示出)以用于双向通信。
44.示例理想化天线100包括具有电阻(r3)和电感(l1)的磁(h场)天线105、具有由两个负载板125和130形成的导电结构以及电阻(r4)的电(e场)天线120，以及两个馈电点135、140。
45.支持电路202包括调谐电路204、电流传感器206和控制器216。
46.调谐电路204耦合到第一馈电点135和第二馈电点140。调谐电路204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接地224。电容组通过控制线218耦合到控制器216，且电阻组通过控制线220耦合到控制器216。
47.控制器216调整第一电容组(c1)和第二电容组(c2)，以调整磁天线105和电天线120的谐振频率(例如，调整到10.6mhz)。控制器216调整第一电阻组(r1)和第二电阻组(r2)，以将磁天线105和电天线120的带宽(例如，调整到400khz)调整成足以允许从天线105、120接收非传播准静态近场信号。
48.使用来自控制器216的控制线218对电容组(c1)、(c2)进行均等调谐，且使用来自控制器216的控制线220对电阻组(r1)、(r2)进行均等调谐。
49.电流传感器206包括电流耦合到近场天线100和调谐电路204的初级绕组208。电流传感器206还包括经由任选的铁氧体芯212电感耦合到初级绕组208且耦合到感测元件214(例如，电阻器)的次级绕组210。在一些示例实施例中，电流传感器206为变压器或环形线圈。
50.电流传感器206将近场天线100电感耦合到感测元件214以帮助减少电流汲取，实现更大灵敏度，且将近场天线100的负载减到最少从而提高近场灵敏度。电感感测到的谐振电流转换成感测元件214两端的电压以用于另外的仪器捕获和分析。
51.然后，控制器216被耦合以通过测量线222从感测元件214接收信号(例如，电压)。
52.当近场测量装置200正接收非传播准静态近场信号时，感测元件214两端生成的信号可由控制器216测量。在一些示例实施例中，生成的电压可用作身体通信装置中的基带接收器的前端。
53.图3是第二近场测量装置302的示例应用300。在此示例应用300中使用的此第二近场测量装置302为第一近场测量装置200的修改后版本。
54.线圈(h场)天线105、导电表面125、130和电流传感器206与用于第一近场测量装置200的相同；然而，第二近场测量装置302包括不同的调谐电路304，所述调谐电路304替代地包括固定调谐电容306和固定调谐电阻308。
55.这些固定调谐参数产生更紧凑的装置302，所述更紧凑的装置302被调谐到一组特
定应用的特定谐振频率和带宽。例如，如果需要在400mhz下带宽为10khz时进行测量，则调谐电容器306可为60pf，且调谐电阻308可为12千欧。
56.第二近场测量装置302定位成接近导电结构310(例如，人体)。导电结构310与接地224形成电容312(例如，100pf)。
57.导电表面130定位成接近导电结构310且位于将要测量电场和/或磁场的位置处。导电表面125与导电表面130相比定位得更远离导电结构310。导电表面125、130两者一起形成其自身的电容。电容值取决于尺寸，但实际值可以大约为5pf。
58.当导电表面125、130两者均存在电场(e场)316时，在其间感应出电压，并且由于导电表面130接近导电结构310，因此存在于导电结构310上的电场(e场)316将在两个表面125、130之间感应出电压。在导电结构310为活体的情况下不受所述导电结构310影响的磁场(h场)314也将在磁线圈天线105中感应出电压。
59.在一些示例实施例中，近场测量装置302的调谐电容306比导电表面125、130之间的电容大得多。在此类实施例中，第二近场测量装置302的谐振电流的大部分流过调谐电容306，且因此电流传感器206的初级绕组208部分定位在调谐电容306与调谐电阻308之间，如图3中所示。
60.控制器212未在此图中示出，但将耦合到如图2中所论述的电流传感器206的感测元件214。
61.图4是第三近场测量装置402的示例应用400。第三近场测量装置402类似于第二近场测量装置302，然而，包括不同的电流传感器404。电流传感器404包括初级绕组208、次级绕组210和任选的铁氧体芯212；然而，包括新的感测元件406。
62.感测元件406包括第一lna 408、滤波器410、第二lna 412和输出414。第一lna408连接到次级绕组210且将次级绕组210电流转换成放大的电压。此放大的电压可直接耦合到测量仪器或基带通信电路以用于另外的处理。
63.然而，如果包括滤波器410，则第二lna 412可用于提供足够的输出电压，使得测量仪器或基带通信电路具有足够的信号强度。
64.此外，输出414可通过同轴电缆连接到测量仪器或基带通信电路。测量仪器或基带通信电路可经由其市电电源而电容耦合到接地224。
65.市电电源的接地224使得能够更准确地感测电场，使得测量仪器或基带通信电路自身并不成为天线的部分，且由此高估所测量的电流。
66.因此，lna 408、412和测量仪器或基带通信电路的电缆和导电部分上的电容电流必须尽可能地减小。这通过使用与调谐电容器306串联配置的电流传感器404以及通过减小电流传感器的初级绕组与次级绕组之间的任何杂散电容来实现，并且所有装置402元件都耦合到接地224。
67.这些近场测量装置200、302、402的各种应用包括：监测人体链路的质量、用作具有工业干扰的应用的新前端、作为人体暴露于无线体区域装置的测量装置，或用于有规律的近场(例如，nfemi、nfei、nfmi等)通信。
68.除非明确陈述特定顺序，否则可以任何顺序执行以上图式中论述的各种指令和/或操作步骤。而且，本领域的技术人员将认识到，虽然已经论述一些示例指令集/步骤，但是本说明书中的材料可以按多种方式组合以另外产生其它例子，并且应在由此具体实施方式
提供的上下文内来进行理解。
69.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。
70.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。处理器可以指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)的部分。物品或制品可以指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，但此类介质能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。
71.应容易理解，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各样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非旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。尽管在图式中呈现了实施例的各个方面，但是除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
72.在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式实施本发明。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而不是由此具体实施方式来指示。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。
73.贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的提及并不暗示可通过本发明实现的所有特征和优点应在或存在于本发明的任何单个实施例中。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的论述以及类似语言可以(但未必)指代同一实施例。
74.此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以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应认识到，鉴于本文中的描述，本发明可在无具体实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实践。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特征和优点。
75.贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及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，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以(但未必)全部指同一实施例。