技术领域
[0001] 本说明书涉及用于近场通信装置的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
相关背景技术
[0002] 本文中论述的是用户身上或导电表面主体上的一个或多个近场装置(即，体上装置)与其它导电表面和/或其它无线装置(即，体外装置)之间的近场交互，所述近场交互基于以下任一项：近场电磁感应(NFEMI)，其中发送器和接收器通过磁(H)场和电(E)场耦合；近场电感应(NFEI)，其中发送器和接收器通过电(E)场耦合；以及近场磁感应(NFMI/NFC)，其中发送器和接收器通过磁(H)场耦合。尽管RF无线通信是通过穿过自由空间传播RF平面波来实现，但NFEMI、NFEI、NFMI和NFC使用非传播准静态E场和/或H场信号进行通信。
具体实施方式
[0031] 在各种示例实施例中，第一近场天线包括近场电感应天线(例如NFEI天线或NFEMI天线)，并且被配置成用于体上通信。第二近场天线包括近场磁感应天线(例如NFC天线)，并且被配置成用于体外通信。
[0032] 例如，第一近场无线装置中的体上传感器可被配置成将传感器的读数传送到第二体上近场无线装置，所述第二体上近场无线装置收集传感器的读数，还可能收集其它用户信息。第三体外无线装置可以是给收集传感器读数的第二体上近场无线装置供能的智能电话/NFC读取器，并且由此促使第二体上近场无线装置将收集的传感器读数发送到智能电话/NFC读取器。
[0033] 注意，虽然本文中论述的示例实施例是指用户的身体、体上和体外，但在近场装置的替代实施例中，体在本文中被广泛地定义成至少包括：人的身体、动物的身体、活生物体的身体、无生命对象的主体结构、机器人、车辆、对接系统、物理耦合系统、装配线上的站等。
[0034] 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‑20dB到‑60dB，系数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
[0035] 小型环形天线是示例H场天线，并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的每个位置具有相同值。
[0036] 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‑20dB到‑60dB，系数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
[0037] 负载短偶极子天线是示例E场天线并包括尺寸比NFEMI载波频率小得多的短偶极子，并且在一些示例实施例中在两端均具有额外电容表面。
[0038] 这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其载波频率组合的结果。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。
[0039] 当近场天线接近导电主体(例如，人、物体等)时，磁近场信号和电近场信号将基本上受限于所述主体而不会在自由空间中大量辐射。这增强了联网的此类主体的安全和隐私。
[0040] 各种稳健近场通信系统使用约10到13MHz的频带，并且在主体周围具有可在30cm与1米之间变化的通信区域，这取决于用于进行发送的天线和功率。然而，对于在此类通信优选被阻断直到可能通过检测到两个或更多个近场装置用户之间的物理接触而触发的示例实施例中，此类稳健近场通信可能在限定的触发条件(例如已进行物理接触)之前已经开始。
[0041] 现论述一种具有可变信道路径损耗的近场装置，所述近场装置阻止第一装置用户与第二装置用户之间的数据通信，直到符合例如物理接触等触发条件，之后使用近场通信进行数据交换。
[0042] 在一些示例应用中，所述近场装置旨在托管两个或更多个用户(例如涉及例如一起玩同一款游戏等同一应用的用户)之间的通信；然而附近以及在正常近场通信范围内可能有第三用户或甚至更大的用户群组。在没有办法辨别用户的情况下，近场装置将不会知道要与另外哪个近场装置传送数据。
[0043] 可变信道路径损耗近场装置的示例实施例使两个用户能够在潜在的一群其他用户当中进行通信。
[0044] 图1是具有可变信道路径损耗的近场无线装置100的示例。示例近场无线装置100包括近场天线102、调谐电路104(例如天线调谐单元(ATU))、收发器电路112(例如通信单元)、可变信道路径损耗控制器108和接触检测器电路114。
[0045] 下文在图2A中论述近场天线102的示例实施例。
[0046] 调谐电路104被配置成响应于来自控制器108的信号而使用电容组(C组)调整装置100的谐振频率，并使用电阻组(R组)调整带宽。在一些例子中，C组和R组离散值分别为约
130pF和5000欧姆，以支持所需谐振频率(例如，10.6MHz)和带宽(例如，400KHz)。控制器108被配置成使用调谐电路104来调整(例如，递增/递减)C组和R组值。
[0047] 在一些示例实施例中，收发器电路112被配置成将测试信号(例如，三个测试信号)注入到调谐电路104和天线102中。然后，控制器108被配置成：首先监测近场天线102的负载，并在所述负载不同于预先选择的负载的情况下调整调谐参数。
[0048] 在各种示例实施例中，收发器电路112包括以下中的至少一个：接收器电路中的低噪声放大器(LNA)、发送器电路中的发送功率放大器(PA)，和/或能够测量与调谐电路104和近场天线102处的交换的各种信号(例如，电压)的测量电路系统。
[0049] 收发器电路112还可包括以下中的至少一个：变频机(例如上/下变频器)、基带单元和通信数据处理器。收发器电路112可耦合到用户接口(未示出)。
[0050] 下文在图2B中论述托管近场天线102、调谐电路104和收发器电路112的电路的示例实施例。
[0051] 可变信道路径损耗控制器108将装置100配置成具有第一信道路径损耗的第一状态(例如，在启动时和/或响应于内部或外部生成的复位信号)。在第一路径损耗状态下，装置100具有第一信道路径损耗，所述第一信道路径损耗阻止两个或更多个用户之间的正常近场通信，但还被配置成响应触发条件，例如具有近场装置的两个用户之间的物理接触。
[0052] 由接触检测器电路114检测触发条件，例如一对用户之间的实际物理接触或一对用户之间的预定义阈值距离(例如5cm内)。
[0053] 其可完全驻存在控制器108中、收发器电路112中，或分布在108、112它们之间。接触检测器电路114输出检测到接触信号。
[0054] 控制器108响应于例如一对或多对用户之间的物理接触等触发条件而将装置100配置成具有第二信道路径损耗的第二状态。第二信道路径损耗低于第一信道路径损耗，并且因此实现两个用户之间的正常近场通信。
[0055] 在一些示例实施例中，控制器108通过在物理接触之前、期间和之后监测调谐电路104中维持近场装置100的中心频率和/或带宽稳定所需的C组和R组值来检测物理接触触发条件。
[0056] 控制器108被配置成通过调整装置100的插入损耗、由近场天线承载的近场信号(例如NFEI或NFEMI)的操作谐振频率和操作带宽/品质因数来改变与其它近场装置的信道路径损耗。
[0057] 在一些示例实施例中，控制器108被配置成通过命令收发器电路112插入或移除一个或多个阻抗(例如，改变数据通信信道插入损耗)来改变信道路径损耗。在一些示例实施例中，控制器108被配置成将近场装置100的阻抗设置为第一阻抗和第二阻抗。针对第一信道路径损耗，控制器108被配置成将阻抗设置为第一阻抗。针对第二信道路径损耗，控制器108被配置成将阻抗设置为第二阻抗。第一阻抗大于第二阻抗。
[0058] 控制器108还可被配置成通过命令近场装置100在两个或更多个功率电平(例如，备用模式和操作模式)下操作来改变信道场强度。
[0059] 控制器108还可被配置成通过可能在操作谐振频率不同于预先选择的谐振频率和/或操作带宽不同于预先选择的带宽的情况下命令调谐电路104调整一组调谐参数来改变信道路径损耗。
[0060] 因此，在一些示例实施例中，控制器108被配置成将近场天线的中心频率设置为第一中心频率和第二中心频率。针对第一信道路径损耗，控制器108被配置成命令调谐电路104将近场天线102设置为第一中心频率。针对第二信道路径损耗，控制器108被配置成命令调谐电路104将近场天线102设置为第二中心频率。
[0061] 出于图3中解释的原因，第二中心频率大于第一中心频率。所述中心频率可以是响应于来自控制器108的改变调谐电路104中的电容调谐参数的命令而改变的谐振中心频率。在一些示例实施例中，调谐电路104被设置为与近场天线102进行双频带谐振，并且能够使近场天线102适应因每个频带内的电磁负载引起的谐振频率和带宽的小变化。
[0062] 在其它示例实施例中，控制器108被配置成将近场天线的带宽设置为第一带宽和第二带宽。针对第一信道路径损耗，控制器108被配置成命令调谐电路104将近场天线102设置为第一带宽。针对第二信道路径损耗，控制器108被配置成命令调谐电路104将近场天线102设置为第二带宽。
[0063] 在一些示例性实施例中，第二带宽比第一带宽窄，其中较窄的带宽产生较高的品质因数和较强的近场通信信号，而较宽的带宽将产生较低的品质因数和较弱的近场通信信号。调谐电路104被配置成响应于来自控制器108的改变电阻调谐参数的命令而改变所述带宽。
[0064] 图2A是第一示例近场天线架构200。天线200包括具有两个导电负载板225、230的负载短偶极子部分220以及小型环形天线205。
[0065] 小型环形天线包括至少两个耦合线圈215和217。第一线圈215具有电感L1，而第二线圈217具有电感L2。线圈215和217均可在连接点250处连接，使得线圈215和217形成比第一线圈215和第二线圈217的电感更大的电感。
[0066] 线圈215和217均可以是空心线圈或缠绕在铁氧体芯210上，如所示出，或线圈215和217可呈平面结构的形式。
[0067] 在铁氧体芯210形式中，线圈215和217可用交错方式缠绕芯210，或彼此上下缠绕，即，第二线圈217先缠绕芯210，然后第一线圈215围绕芯210缠绕在第二线圈217上。
[0068] 连接点245将第一线圈215的一端耦合到第一馈电连接235和小型负载偶极子225的第一板。连接点250将第一线圈215的另一端耦合到第二线圈217的一端和第二馈电连接240。连接点255将第二线圈217的另一端耦合到小型负载偶极子220的第二板230。
[0069] 图2B是基于示例近场天线架构200、支持电路272并且被配置成接收非传播准静态近场信号的示例近场电路270。近场电路270被配置成(例如，在接收模式下)接收非传播准静态近场信号。应注意，近场天线200还可耦合到发送器电路(未示出)以用于双向通信。
[0070] 具有电感(L1)和电阻(R3)的近场天线200中的线圈215形成磁(H场)天线271。偶极子部分220中的两个负载板225和230形成电(E场)天线220。两个负载板225和230是导电结构。具有电感(L2)的线圈217增大/升高从耦合到馈电连接235、240的发送器功率放大器(未示出)接收的电天线220的发送电压。
[0071] 支持电路272包括调谐电路274、收发器276(例如图1中的收发器112)、通信信号接口278和控制器280。在其它示例实施例中，支持电路272包括用户接口(未示出)。
[0072] 调谐电路274耦合到第一馈电点235和第二馈电点240。调谐电路274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参考电位290(例如，接地电位)。电容组通过控制线282耦合到控制器280，并且电阻组通过控制线284耦合到控制器280。
[0073] 控制器280调整第一电容组(C1)和第二电容组(C2)以调整磁天线271和电天线220的谐振频率(例如，调整到10.6MHz)。控制器280调整第一电阻组(R1)和第二电阻组(R2)以调整磁天线271和电天线220的带宽(例如，调整到400KHz)，使得所述带宽足以允许从天线271、220接收非传播准静态近场信号。
[0074] 使用来自控制器280的控制线282对电容组(C1)、(C2)进行同等调谐，并且使用来自控制器280的控制线284对电阻组(R1)、(R2)进行同等调谐。
[0075] 收发器276耦合在调谐电路274与通信信号接口278之间。当近场电路270进行传送(即，接收或发送)时，存在非传播准静态近场信号电压288。收发器276还通过控制线286耦合到控制器108，控制线286改变插入损耗阻抗，如先前所论述。
[0076] 图3是示例近场信道路径损耗300。示出第一近场通信装置与第二近场通信装置之间的信道路径损耗302和频率304的对比。频率304以MHz计，而信道路径损耗302以dB计。信道路径损耗302由下式限定：
[0077]
[0078] 其中：
[0079] οP以dB计的信道路径损耗
[0080] οVRx在第一近场装置中的接收器的LNA输入处的电压；
[0081] οVTx在第二近场装置中的发送器的近场天线处的电压；
[0082] οGTx以dB计的发送器天线的增益
[0083] οGTx以dB计的接收器天线的增益
[0084] 如所示，在较低频率304处，路径损耗302增大并且近场装置周围的通信范围减小。因此，为了检测触碰/接触条件，可选择比第二中心频率低的第一中心频率(例如，低于
1MHz)。选择较高的第二中心频率(例如，高于10MHz)并用于具有较高数据速率的数据通信。
[0085] 在一些示例实施例中，选择较低的第一中心频率，使得当两个近场装置相距1或2米时(例如，在玩游戏之前或期间)不存在初始近场通信，并且选择较高的第二中心频率，使得当两个近场装置相距1或2米时(例如，在玩游戏之前或期间)存在近场通信。
[0086] 图4是用于操作近场无线装置100的示例状态图400。在开始处，装置100被置于具有实现接触检测但阻止数据通信的较高路径损耗的第一路径损耗状态。
[0087] 接着，在检测到接触后，装置100被置于具有较低路径损耗以使得可开始数据通信的第二路径损耗状态。
[0088] 近场无线装置100的应用/实施方案包括各种可穿戴应用和游戏应用。
[0089] 对于可穿戴和/或医疗应用，两个用户可通过触碰或处于预定的检测到接触的范围内来用信号表示对数据通信的许可。
[0090] 对于游戏应用，两个用户可通过使接触能够在游戏开始时(例如为了切换玩家或更改级别)和/或在游戏期间(例如“击掌”以交换评分信息)被检测到而用信号表示对数据通信的许可。
[0091] 除非明确地陈述具体次序，否则可按任何次序执行在以上图中论述的各种指令和/或操作步骤。另外，本领域的技术人员将认识到，虽然已论述一些示例指令集/步骤，但本说明书中的材料可以多种方式组合从而还产生其它例子，并且应在此详细描述提供的上下文内来进行理解。
[0092] 在一些示例实施例中，这些指令/步骤实施为功能指令和软件指令。在其它实施例中，指令可使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式实施。
[0093] 当指令体现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。所述指令被加载以在处理器(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。处理器可指单个部件或多个部件。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)的一部分。物品或制品可指任何制造的单个部件或多个部件。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，但此类介质可能能够接收并且处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。
[0094] 应容易理解，本文中总体描述且在附图中示出的实施例的部件可按广泛多种不同配置来布置和设计。因此，如图中所表示的各种实施例的详细描述并非意图限制本公开内容的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别地指示，否则所述附图未必按比例绘制。
[0095] 在不脱离本发明精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面应视为仅具说明性而非限制性。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而非由此具体实施方式指示。在权利要求的等同含义和范围内的所有改变均涵盖在所述权利要求的范围内。
[0096] 贯穿本说明书提及特征、优势或类似语言并不暗示可通过本发明实现的所有特征和优势应在或存在于本发明的任何单个实施例中。实际上，提及所述特征和优势的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优势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势的论述以及类似语言可以是但未必是参考同一实施例。
[0097] 此外，本发明的所描述特征、优势和特性可在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文的描述，本发明可在没有特定实施例的一个或多个具体特征或优势的情况下实践。在其它情况下，在某些实施例中可认可本发明的所有实施例中可能没有的另外特征和优势。
[0098] 贯穿本说明书提及“一个实施例”、“实施例”或类似语言意指结合所指示实施例而描述的特定特征、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都指代同一实施例。
