用于近场通信系统的锥形同轴发射结构技术方案

本申请涉及用于近场通信系统的锥形同轴发射结构。本申请提供了一种系统，该系统中一组模块(221)的每一个具有基板(250)，在基板(250)上安装射频(RF)传输器和/或RF接收器(251)。每个模块具有围绕和包围该基板的外壳(260)。该外壳在外壳的表面上具有端口区域。每个模块具有位于基板与外壳上的端口区域之间的锥形近场通信(NFC)场限制器(255)，该锥形近场通信(NFC)场限制器(255)被配置成将由RF传输器产生的电磁能量导引到端口区域，使得电磁能量可被放射到邻近模块的端口区域。

Conical coaxial transmission structure for near-field communication system

The present application relates to a conical coaxial transmission structure for a near field communication system. The present application provides a system in which each of a set of modules (221) has a substrate (250) on which a radio frequency (RF) transmitter and/or RF receiver (251) are mounted. Each module has a shell (260) around and around the substrate. The shell has a port area on the surface of the shell. Each module has a conical near-field communication (NFC) field limiter (255) located between the port area on the substrate and the shell. The conical near-field communication (NFC) field limiter (255) is configured to direct the electromagnetic energy generated by the RF transmitter to the end-port area so that the electromagnetic energy can be radiated to the port area of the adjacent module.

【技术实现步骤摘要】
用于近场通信系统的锥形同轴发射结构相关申请的交叉引用本专利申请涉及2017年6月29日提交的美国专利申请US15/638,146。该申请以引用方式并入本文。
本公开一般涉及使用近场通信(NFC)代替物理/欧姆接触以用于系统模块之间的通信。
技术介绍
近场通信(NFC)是无线技术，该无线技术允许两个装置在约10厘米或更少的短距离内通信。使用NFC的各种协议已在NFC论坛规范内进行国际标准化，并且在例如ISO/IEC18092、ECMA-340和ISO14443中进行了定义。NFC允许移动装置与订户的直接环境交互。用近距离非接触式技术，移动装置可用作信用卡以访问公共交通、以访问安全位置以及更多应用程序。非接触式系统常常用作访问控制ID(例如，员工徽章)以及用于公共交通的支付系统等。最近，信用卡开始包括NFC能力。典型的NFC系统用诸如具有大的边缘电场或磁场的线圈或电容板的结构依靠低频信号来促进短距离内的信号传送。然而，这些低频限制了数据速率。为了增加数据速率，必须增加载波的频率，并且必须为该载波分配大的带宽。电容率是一种材料属性，其表达由于电极化造成的每单位米的材料的能量储存的量度(J/V2)/(m)。相对电容率为电荷之间的电场相对于真空减小或增加的因子。电容率通常由希腊字母ε表示。相对电容率也常常被称为介电常数。导磁率为响应于施加的磁场材料支持其自身内磁场的形成的能力的量度。导磁率通常由希腊字母μ表示。电介质为可通过施加的电场极化的电绝缘体。当将电介质放置在电场中时，电荷不像它们流过导体那样流过材料，而是仅从它们的平均平衡位置稍微偏移，从而致使电介质极化。因为电介质极化，所以正电荷朝向场移位，并且负电荷在相反方向上偏移。这创建了一内部电场，其减少电介质本身内的整个场。如果电介质由弱结合的分子组成，则这些分子不仅变得极化，而且还重新取向，使得它们的对称轴线与场对准。虽然术语“绝缘体”意指低导电性，但是“电介质”通常用于描述具有高极化率的材料，该高极化率由称为相对电容率(εr)的数字表达。术语绝缘体一般用于指示电阻碍，而术语电介质用于指示材料凭借极化的能量储存容量。附图说明现在将仅以举例的方式且参考附图来描述根据本公开的特定实施例：图1为在模块之间使用导引的NFC通信的示例性系统的框图；图2至图4为包括用于图1的系统的锥形同轴发射结构的模块的更详细图示；图5为图1的示例性系统的立体图示；以及图6为示出邻近模块之间的NFC的操作的流程图。从附图且从以下的详细描述，本专利技术的多个实施例的其它特征将是明显的。具体实施方式现在将参考附图详细描述本公开的具体实施例。为了一致性，各个图中的相似元件由相似的附图标记指代。在以下本公开的实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说将明显的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其它情况下，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。如上面提及的，近场通信(NFC)为短程无线连接技术，当装置彼此接触或使装置在彼此的几厘米内时，该短程无线连接技术使用磁场感应以使得装置之间能够通信。例如，使用NFC的几种通信协议(诸如ISO/IEC18092、ECMA-340和ISO14443)现已被标准化。各种标准规定了装置建立对等(P2P)网络以交换数据的方式。非接触式系统常常被用作访问控制ID(例如，员工徽章)以及用于公共交通的支付系统等。最近，信用卡开始包括NFC能力。然而，开放空间中的波(如球面波)在所有方向上传播。以该方式，远场与距离的平方成比例的损失功率；也就是说，在距源距离R处，功率为源功率除以R的平方。此类随机波传播也可导致对位于近旁的其它系统的干扰，并且违反由标准机构诸如FCC设定的发射限值。典型的近场通信(NFC)系统用如具有大边缘电场或磁场的线圈或电容板的结构依靠低频信号在短距离(几毫米)内执行信号传送。然而，这些低频限制了数据速率。为了增加数据速率，必须增加载波的频率，并且必须为载波分配大的带宽。因为当距离和线圈/电容器尺寸比波长短得多时，感应和电容通信工作得最好，所以典型的NFC技术在高频下不能很好地工作。例如，13.56MHz具有22米的波长，而13.56GHz具有仅22毫米的波长。本公开的实施例可通过使用锥形同轴场限制块以限制传输器(TX)与接收器(Rx)之间的电磁场来增加NFC系统的频率和带宽，以在大带宽上传输和接收场。导电电场反射器可定位在锥形同轴场限制块的背面上以另外增加传送到相邻模块的NFC场能的量。锥形同轴NFC场限制器可用于将射频(RF)信号传导到特定区域，其中由RF信号产生的电磁场可被放射以产生与另一模块的近场通信。例如，NFC场限制器(FC)可用作在系统中的模块之间通信的介质。锥形同轴NFCFC可具有中央导电元件，该中央导电元件由电介质材料围绕，该电介质材料经选择为具有高介电常数或高导磁率的，以便通过减少辐射能量的波长来限制NFC能量。锥形同轴NFC场限制器也可由超材料构成。超材料为经工程改造具有尚未在自然中发现的属性的智能材料。它们由多个元件的组装制成，该多个元件来自复合材料(诸如金属或塑料)。材料往往以重复结构布置，该结构的尺度小于它们影响的现象的波长。超材料不是从基础材料的属性而是从它们新设计的结构获得超材料的属性。超材料可被设计成具有负相对电容率和/或负相对导磁率。此类超材料可被称为“负折射率材料”。超材料现在为众所周知的，并且本文不需要另外描述；参见例如2015年12月2日的“超材料(metamaterials)”维基百科，该“超材料”维基百科以引用方式并入本文。使用与导电反射器和场限制器耦合的NFC在各种模块之间分布信号可提供低成本互连解决方案。本公开的实施例提供在不使用物理/欧姆接触的情况下接合可移除系统模块的方式。图1为在模块之间使用导引的NFC通信的示例性可编程逻辑控制器100的框图。可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器是用于典型工业机电过程的自动化的数字计算机(诸如工厂组装线上的机械、游乐设施、灯具等的控制)。PLC用于很多行业中的很多机器中。PLC被设计用于数字和模拟输入和输出、扩展的温度范围、对电噪声有抗扰性，以及对振动和冲击有抵抗力的多种布置。控制机器操作的程序通常储存在电池备份或非易失性存储器中。PLC为“硬”实时系统的示例，因为必须在有限的时间内响应于输入条件产生输出结果；否则可导致意外操作。PLC系统是众所周知的，并且本文不需要详细描述；例如参见：在2015年12月1日的“可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)”维基百科，其以引用方式并入本文。在该示例中，存在将被称为“线路卡”的几个模块。各种类型的线路卡可装配在底架/机箱(chassis)或机架(rack)中，并且被配置用于各种目的，诸如：控制制造过程、控制建筑物中的加热和冷却、控制医疗设备等。同样地，经常需要或期望电隔离以防止正被控制的设备的各件之间的接地回路或其它相互作用。在过去，已使用各种类型的隔离装置，诸如：光隔离器、变压器等。在该示例中，存在电源线路卡102，数据通信线路卡110以及几个处理线路卡120、140、141。虽然图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含第一模块的系统，其中所述模块包括：基板，在所述基板上安装具有输出端的射频传输器即RF传输器；外壳，所述外壳围绕所述基板，所述外壳在所述外壳的表面上具有端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有邻近所述基板的第一端部和邻近所述端口区域的第二端部，其中导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述端口区域附近终止的第二端部，所述传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面；以及其中所述锥形传输线的所述导电元件和所述电介质为锥形，使得所述传输线的特性阻抗从邻近所述基板的所述第一端部到邻近所述端口区域的所述第二端部沿着所述传输线的长度增加。

【技术特征摘要】
2017.06.29 US 15/638,1461.一种包含第一模块的系统，其中所述模块包括：基板，在所述基板上安装具有输出端的射频传输器即RF传输器；外壳，所述外壳围绕所述基板，所述外壳在所述外壳的表面上具有端口区域；锥形传输线，所述锥形传输线具有邻近所述基板的第一端部和邻近所述端口区域的第二端部，其中导电元件具有耦合到所述RF传输器的所述输出端的第一端部和在所述端口区域附近终止的第二端部，所述传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面；以及其中所述锥形传输线的所述导电元件和所述电介质为锥形，使得所述传输线的特性阻抗从邻近所述基板的所述第一端部到邻近所述端口区域的所述第二端部沿着所述传输线的长度增加。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电介质为空气。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述锥形传输线的所述外表面为导电的，所述锥形传输线的所述外表面耦合到所述基板上的接地基准。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述锥形传输线被定位成使得沿所述传输线的长度的轴线垂直于所述基板。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述模块还包括：RF接收器电路，所述RF接收器电路安装在所述基板上，所述RF接收器具有输入端；以及第二锥形传输线，所述第二锥形传输线具有邻近所述基板的第一端部和邻近第二端口区域的第二端部，其中导电元件具有耦合到所述RF接收器的所述输入端的第一端部和在所述第二端口区域附近终止的第二端部，所述第二传输线具有通过电介质与所述导电元件分离的外表面；以及其中所述第二锥形传输线的所述导电元件和所述电介质为锥形，使得所述第二传输线的特性阻抗从邻近所述基板的所述第一端部到邻近所述端口区域的所述第二端部沿着所述第二传输线的长度增加。6.根据权利要求1所述的系统，还包括：背板，所述背板具有用于附接多个模块的多个位置；多个模块，所述多个模块附接到所述背板，其中所述模块中的每个具有第一端口和第二端口；以及其中每个模块的所述第一端口区域与邻近模块的所述第二端口区域对准。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述锥形传输线填充所述外壳的所述表面的所述端口区域与所述基板之间的间隙。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述导电元件的所述第一端部耦合到所述基板上的接触凸块，并且其中所述接触凸块从所述端口区域横向偏移，其中所述传输线歪斜以填充所述端口区域与所述接触凸块之间的间隙。9.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·S·库克，N·布鲁克斯，S·桑卡兰，B·A·克莱默，M·W·摩根，B·哈罗恩，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US