CN1101037C - 远程供电电子标签和相关的激励器/读卡器以及有关方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括一个第一静电天线单元和一个第二静电天线单元和电路(30，32)的便携式通信装置，电路(30，32)耦合到该第一天线单元和该第二天线单元上，并从该第一和第二天线单元附近的一个静电场中获得工作所需的电功率。

Description

远程供电电子标签和相关的激励器/读卡器以及有关方法
本发明一般涉及便携式远程供电通信装置，并涉及用于从此类装置来上电和接收信息的***，尤其涉及采用静电耦合的此类装置和***。
远程供电电子装置和用于从此类装置来上电和接收存储信息的相关***广为人知。例如，美国专利号为4,818,855、由Mongeon等人申请的名为“识别***”的专利描述了一种远程供电的识别装置，该装置通过一个电场或磁场从一个远程电源获得电力，并通过另外一个电场或磁场将所存储信息回传给电源。类似地，美国专利号为5,009,227、由Geiszler等人申请的名为“接近探测装置”的专利描述了一种远程供电装置，它通过电磁耦合来从一个远程电源获得电功率，它同时用到了电磁耦合和静电耦合将所存储数据回传给电源。
在上述以前的***中，利用某种电磁机制，将一个激励器***和一个接收机***中的某一个或两者远程耦合到远程装置上。激励器产生一个激励信号用于给该装置上电。接收机接收由远程装置产生的信号。在以前的装置中，采用电磁耦合的一个原因是认为从一个激励器给一个装置上电时用电磁场比用静电场更为有效。同时还认为，为了用静电机制从激励器耦合能量给一个使用单平面天线的远程装置，要求相对较高的电压信号。然而，用于上电的高压信号在发射中通常受到FCC法规限制。
早先的电磁耦合机制包括一个作为激励器电路一部分的振荡器，以及安置在激励器电路和一个标签或其它实现该装置的物品上的环形天线，还包括其电子电路。例如，在一个早先的***中，激励电路连接到一个环形天线上，它辐射出的激励信号由包含该电子电路的标签上所安置的一个环形天线接收。该激励信号给电子电路提供能量，电子电路自动产生载有信息的信号，通过电磁或静电耦合发送给接收机。
在远程通信装置以及相关的上述普通类型激励器/接收机的发展中，目前的一个目标是在使成本和尺寸最小化的同时提高运行效率。在远程装置和一个激励器或一个读卡器之间采用电磁耦合存在一个问题：在采用环形天线的远程装置的生产过程中导致了额外的复杂性。例如，典型环形天线的螺旋形设计与静电天线的更为简单的设计相比之下更难生产，后者通常可以采用直导线或平面和平板类的形式。上面解释到的另一个问题是没有办法用可接受的电压来实现有效的静电功率耦合。结果，通常更喜欢采用电磁耦合而不是静电耦合。
因此，需要一种低成本的远程供电通信装置，它采用静电耦合同时用于远程供电和载有信息的信号的传输。还需要一种改进方法和装置用于将静电上电信号耦合于此类装置。本发明满足这些需要。
本发明提供一种改进的静电耦合通信装置及其相关的运行方法、制造方法和相关的激励器/读卡器***。从一个方面来看，本发明提供了一种由静电信号来上电的电子通信装置。该新型装置由于采用静电(电容)平板来进行数据传输和上电，从而不需要磁场线圈，因此制造相对比较便宜。
本发明的这些特点和其它特征以及优势，可以从下面结合附图对本发明的优选实施例所作的详细描述中更加明显地看到。
图1是一个激励器/读卡器和一个远程供电通信装置的方框图，它对应于本发明当前的一个优选实施例；
图2是一个激励器/读卡器和一个远程供电通信装置的另一种实施例的方框图，该装置中包含一个专门用于数据传输的天线单元；
图3A-3B描绘了用于执行T1和T2间的电压测量(V)的测试装置，其中一个T1端子连接到地电位，负载电阻值(RL)表示由于连接在T1和T2端子间的不同可能集成电路所产生的不同可能负载；
图4A给出了T1和T2间的电压与到E1和E2的距离的关系曲线，到E1和E2的距离是从1英寸开始到8英寸，间隔是1英寸，其中T1和T2都是4英寸乘以5英寸的长方形；
图4B给出了图4A中所画的电压的实际测量；
图5A给出了T1和T2间的电压与到E1和E2的距离的关系曲线，到E1和E2的距离是从1英寸开始到8英寸，间隔是1英寸，其中T1和T2都是3英寸乘以4英寸的长方形；
图5B给出了图5A中所画的电压的实际测量；
图6A给出了T1和T2间的电压与到E1和E2的距离的关系曲线，到E1和E2的距离是从1英寸开始到8英寸，间隔是1英寸，其中T1和T2都是2英寸乘以3英寸的长方形；
图6B给出了图6A中所画的电压的实际测量；
图7A给出了T1和T2间的电压与到E1和E2的距离的关系曲线，到E1和E2的距离是从1英寸开始到8英寸，间隔是1英寸，其中T1和T2都是0.5英寸乘以5英寸的长方形；
图7B给出了图7A中所画的电压的实际测量；
图8A是图1的远程供电通信装置的优选实施例设计的俯视图；
图8B是图1的远程供电通信装置的另一种实施例设计的俯视图；
图8C是图2的远程供电通信装置的优选实施例设计的俯视图；
图8D是图1的远程供电通信装置的另一种实施例设计的俯视图，其中它没有采用基底；
图8E是图2的远程供电通信装置的另一种实施例设计的俯视图，其中它没有采用基底；
图9A-9C是图8A-C装置的三种不同结构的侧面剖视图；
图10是根据本发明的远程供电通信装置的另一种实施例的俯视图，它包含两对天线单元；
图11是根据本发明的远程供电通信装置的另一种实施例的俯视图，它包含四对天线单元；
图12A-12B给出了相对于诸激励器单元阵列的某部分为两个不同方向时图8A中的装置；
图13是诸固定激励器单元阵列其中一部分的简化俯视图，它包括水平延伸诸激励器单元和垂直延伸诸激励器单元；
图14A-14C是部分换向激励器单元阵列的另外三种可选配置的简化俯视图；图14A给出的是水平方向配置；图14B是对角线方向配置；图14C是垂直方向配置；
图15是另外一种可选换向激励器阵列配置的简化俯视图，其中的两个平行带状激励器单元以环形方式进行动态扫描；
图16是另外一种可选换向激励器阵列配置的简化俯视图，其中该阵列被传感器所包围，传感器用于检测跨越该阵列的通信装置的运动。
本发明包括一种新型的远程供电通信装置、相关激励器/读卡器***以及相关的方法。接下来的描述能使每个技术人员理解并利用本发明。所提供的特定应用的描述仅仅是示例而已。对优选实施例作不同的修正对于本专业的技术人员而言是显然的，在此定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用中，同时又不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不局限于所给的实施例，而是在包含了在此所揭示的原理特征的最宽范围之内的。
参看例图1，它给出了一种激励器/读卡器装置30和一种远程供电通信装置32的方框图，它们与本发明当前的一个优选实施例相对应。装置30的激励器部分提供静电信号以供装置32上电。装置30的读卡器部分一旦上电以后就接收由装置32产生的静电通信信号。该装置例如可以用作电子身分证。例如在某种应用中，当装置32放到激励器/读卡器装置30附近时，激励器发送静电信号给装置32上电。该装置然后自动发送一个携带识别信息的静电信号。装置30的读卡器部分接收该识别信号并判定是否触发某些诸如打开一扇锁着的门的动作。
装置30的激励器部分包括一个振荡器34，它产生一个频率为F0的信号。该振荡器连接到一个功率放大器35上，功率放大器35又连接到阻抗变换器37的主线圈36上。阻抗变换器37的副线圈38与电容39并联。副线圈38的顶端接头连接到一个第一静电激励器天线极板E1上，副线圈30的底端连接到一个第二静电激励器天线极板E2上。在本实施例中，该激励器包括一对对称异相的天线极板。在下面描述的另一种实施例中，激励器包括一对对称异相天线极板阵列。然而，为了简化，接下来对图1的描述只讨论两个示例性的激励器平板E1和E2。可供选择的是，例如可以采用诸如导线天线激励器单元或梳状结构而不是天线极板。
装置30的读卡器包括一个单极板静电读卡器天线极板R1，它连接到给检测器41提供输入信号的一个接收机40上。I/O处理器42接收从检测器41来的信号。
远程供电通信装置32的当前实施例包括第一和第二静电装置天线极板T1和T2，它们如图连接，向全波桥式整流器43提供时钟A和时钟B。注意到T1和T2相互间在电气上是绝缘的。可供选择的是，例如可用导线天线单元来替代极板。电容44跨接V+和整流器43的公共端。时钟B输入也提供给分频计数电路45。在当前实施例中，计数器45连接到一个数字存储装置-只读存储器(ROM)46上以提供地址信号。一个调制器电路，在本示例性实施例中是一个用“异或”门电路47实现的二相调制器，从计数器45接收频率为F0/n的时钟信号，并接收从ROM 46输出的数据。调制电路(“异或”门电路47)的输出通过二极管48和电阻49提供给时钟B线路。
尽管本优选实施例的装置32采用的是二相调制，事实上本发明可以采用任何调制技术。例如，PSK、FSK、AM或其它调制方式。而且，在当前实施例中，调制信号返回到线路B，作为通过天线极板T2传输给读卡器的输入。然而，在另外一种可选方式中，调制信号可以送给一个独立的天线单元(没有画出)以传输给读卡器。一个包括这样一个独立数据传输天线单元的可选实施例在下面结合图2来讨论。
在运行过程中，当前优选实施例的振荡器34产生一个4MHz信号，其峰峰值大约为2-5伏特。该信号由放大器35将峰峰值提升到大约20-30伏特。阻抗变换器37再将该峰峰值电压提升到大约300-400伏特。并联电容39对变换器电路进行微调使它在振荡器频率处产生谐振。通过副线圈38的顶端接头，对送给激励器极板E1的信号进行均衡，与该信号相差180°的信号通过副线圈38的底端供给激励器极板E2。激励器极板E1和E2产生箭头所示的静电能量，用于给通信装置32上电。可以理解，电场所需的电压电平可以由激励器与待上电装置32间的距离来决定。另外，所需的电压电平也可能由激励器运行时所在国家的频率发射要求来决定。而且，某些操作，诸如将数据写入装置存储器中可能要求比从装置存储器读取信息时更多的功率。
由诸激励器单元E1和E2所产生的静电场激发起天线单元T1和T2上的电压。T1单元被这样连接，以使提供时钟A输入给全波桥式整流器43，而T2单元被这样连接，以使提供时钟B输入给整流器43。T1和T2相互间不直接相连。电容44从接收到的上电信号中滤除激励器脉冲以保证整流器一个纯DC输出。整流器提供一个相对于整流器43的公共端为V+的DC电压信号。可以理解，不一定要求是纯DC信号。根据装置电路的具体实现，在V+电压中有一些纹波是可以接受的。计数器45接收4MHz时钟B信号并在线路50上提供一系列的地址信号，它们用于寻址以及设置从ROM 46数据输出的数据速率。不同线路50上的不同信号通过将4MHz除以不同的值来生成，本专业的技术人员对所用方式十分熟悉。ROM出来的数据速率明显小于F0/n。
可以理解，尽管优选实施例使用的是4MHz信号，不同频率的其它信号也可以使用。例如可以采用13.56MHz信号或37.5MHz信号。
计数器还在线路51上提供一个2MHz载波信号，将它作为异或门电路47的时钟输入(或载波信号输入)。ROM 46的数据输出作为异或门电路47的数据输入(或调制信号输入)。因此计数器通过将输入频率除以2来提供一个载波信号，并设置调制该载波的ROM 46输出数据信号的数据速率。异或门电路47作为一个二相调制电路使用，它的输出是一个二相调制信号，它通过二极管48和电阻49提供给时钟B信号线路。该二相信号反馈到T2装置单元，并以静电方式发射给激励器/接收机30的接收部分。二极管48和电阻49的作用是将调制信号耦合回到时钟B输入上。如上所解释，在本发明中可以采用其它多种不同调制电路的调制方式。而且，根据下面结合图2所作的解释，在与根据本发明的通信装置中采用一个专门用于数据传输的第三天线单元更为有利。
静电接收机天线R1接收由装置天线单元T2发射的静电发射信号，并将这些接收信号提供给接收机40，由接收机40放大信号，还可能将它们的频率转换到中频以供进一步的放大，以及在将它们提供给检测器电路41之前进行带通滤波，检测器电路41检测由接收信号携带的数据。接收机40和检测器41广为人知，在此没必要再作详细描述。检测器41向I/O处理器42提供数据信号，由它以可供诸如主计算机(没有画出)使用的格式来生成数据。
对称异相静电信号的传输是通过诸激励器单元E1和E2将能量通过装置静电天线单元T1和T2耦合给装置32。当激励器单元E1上的电压处于正电平时，单元E2的电压处于负电平。反过来，当激励器单元E1的电压处于负电平时，激励器单元E2上的电压处于正电平。目的是使E1和E2上的对称异相电压在装置天线单元T1和T2上产生电压，从而相互之间建立一个对称异相关系。在不同的装置单元T1和T2之间通常有一定的电势差，使得有可能产生一个相对于公共端为V+的DC供电电压。在本质上E1和E2是电容耦合到装置单元T1和T2上的。这种方法能使采用静电能量的耦合效率更高。
另外，由于诸激励器天线单元E1和E2产生的是对称异相静电场，这样的场在远距离处通常会相互抵消，减小了触犯FCC或其它诸如有关辐射限制法规的可能性。因此，激励器信号通常可以采用更高的上电电压电平。
在本发明中也可以不采用对称异相激励信号而用非对称激励信号来代替。特别地，例如可以采用单个激励天线单元来产生一个周期性的静电激励信号。例如一个由这样的非对称信号上电的远程供电通信装置可以包括一个单独的天线单元，它的一个端点连接到一个时钟A输入上。然而，重要的一点是这样的备选远程供电通信装置可以耦合到一个外部地电势上去。注意到对于对称信号来说没必要使用地电势，因为利用一个时钟B输入和对称异相信号产生了一个共公地。在一个这样的备选实施例中，单个供电单元也可以用于发射和接收数据信号。
要求装置32的功耗相对较低。因此，由天线单元T2发射的载有信息的信号的功率相对较低。接收机40是高灵敏度的，能从装置32发射的相对(低功率)弱信号中提取出数据。
注意到并没有要求T1和T2具有典型的电磁激励两个单元天线所需的半波尺寸。诸单元通过电容耦合被静电激励，不需要电磁耦合所需的谐振。因此，只要足以实现电容(静电)耦合，这些单元的尺寸可以随意。一般来讲，电容耦合随着天线面积和信号频率的增加而增加。另外，该装置天线单元不需要谐振天线单元所需的特征阻抗。然而，激励器天线单元E1和E2的间距应该与装置天线单元T1和T2的间距很好地匹配，以获取激励器到装置的足够的耦合能量。
参看参考图2，给出了与根据本发明的一个通信装置32″和激励器/读卡器30″的可选实施例的简化方框图。事实上，除了一个附加的纯粹用于数据传输的第三天线单元(T3)以外，图2装置32″的所有方面与图1装置32是完全一样的。同时参看图1和2，除了装置32″中的T1和T2都没有被连接去接收数据传输电路的输出接收上，装置32和装置32″的其它内部电路连接都是一样的。相反，T1″和T2″专用于接收激励器单元E1″和E2″发出的静电上电电场。在当前实施例中，T1″和T2″连接到一个桥式电路43″以及一个计数器45″上，但在时钟A″节点或时钟B″节点与数据调制电路47″的输出之间都没有连接。
数据端子T3在上电端子T1″和T2″之间被安置在无效区域中。该无效区域位于装置32″上激励器单元E1″和E2″基本上相互抵消时所产生的一个上电区域，从而对装置32″发射的数据信号的干扰量最小。当装置32″与T1″和T2″排成一列以从激励器单元E1″和E2″获得最大拾取能量时，数据传输单元T3与给读卡器单元R1″的传输相互间干扰最小。
应该理解“远程”这个词只是一个相对的术语。根据环境的不同，术语“远程”可用于距离从毫米级到更大的若干范围内。由某些诸如激励器辐射静电信号的电压电平等因素决定，为了给装置上电，激励器和装置相互之间可能不得不挨得很近；或者也可能间隔很远而仍能实现耦合。术语“远程”仅仅意味着从激励器到装置的功率耦合是在空中进行的。通常认为提高信号频率和天线极板面积能增加静电信号能给一个标签装置上电的距离。
从以下表格所述实验得到的距离来看，利用静电场的集成电路装置32的上电结果令人吃惊。在以前，静电信号是从一个标签装置发送给一个读卡器装置的。在先前的静电数据传送中，数据传送信号通常工作在给早期的标签装置上电所用的上电信号功率电平的大约80％左右。一个早期的典型读卡器必须是高灵敏度的，需要大约80-110dB的增益以使从一个载波信号中提取数据。从早期标签装置中数据信号相对较弱的静电耦合来看，按照本发明，在实验过程中所测试的距离上实现静电上电是令人惊讶的。
而且，在诸天线单元T1和T2之间没有明显的电流路径。因此，T1和T2将构成一个开路的相对两侧。因此，桥式电路43的相对两个端子将连接到一个开路上。从而，惊奇地发现由于该桥式电路可以运用一个开路而实现了与根据本发明的上电。
更明确地说，T1和T2连接到桥式电路43的相对节点上。每个都馈送到电容44的相同极板上。因此，电容极板是装置32内同时耦合到T1和T2的一个节点。没有一个同时包括了T1和T2、而且其中的电流能产生跨越电容44的电压的明显的闭合回路。然而，利用E1和E2所产生的静电场能对电容44进行充分的充电，从而产生相对于基底公公共端为V+的供电电压。
实验结果画在图3-7中，证明与根据本发明的静电耦合能产生足够的能量来给集成电路装置上电。令人高兴的是功率与V2/RL成正比。图3A-3B给出用于执行T1和T2间电压测量(V)的测试装置。测试是在一个标签装置上进行的，其中的T1端子连接到地电位上。负载电阻值(RL)表示由于连接在T1和T2端子间的不同的可能的集成电路所产生的不同的可能的负载。图4A给出了T1和T2间的电压与到E1和E2的距离的关系曲线，到E1和E2的距离是从1英寸开始到8英寸，间隔是1英寸，其中T1和T2都是4英寸乘以5英寸的长方形。图4B的表格给出了图4A中所画的电压的实际测量值。图5A-5B、6A-6B和7A-7B中的曲线和表格分别给出了T1和T2为3″×4″、2″×3″和0.5″×5″时类似的测量结果。
相信可以用本发明对应方式来进行静电耦合的实际功率由标签装置和激励器之间的距离、标签装置天线面积和信号频率决定。已经从图3-7及其说明中的实验结果得到了装置性能的解析近似。在图4-7中的数据送入到称为“Mathematica”的市售计算机程序中。执行二维曲线拟合，以找出以平行极板电容表达式(C＝eA/d)类似曲线开始的最小二乘法拟合。所选的开始曲线为(Vd/Vz)＝k*(Ax*Ad)a/Dd xtDd xt；其中“k”是个常数，“a”是一个面积指数，“d”是一个距离指数。
推导得到从激励器到通信装置之间的电压耦合方程为：
Vt/Vx＝0.132586((Ax*At)0.18/Dxt，其中，
Ax＝激励器天线单元面积
Ad＝通信装置天线单元面积
Vd＝装置电压
Vz＝激励器电压
Dxt＝装置和激励器之间的距离
采用静电耦合来用于装置的上电和装置的传输使远程供电通信装置的生产简单化并相对比较便宜。参看示例图8A，给出了与根据本发明的的一个远程通信装置32的当前优选实施例的俯视图。装置32包括基底58、一个包括第一单元62(T1)和第二单元64(T2)的两单元天线60，以及集成电路(IC)发射应答器(transponder)66。天线单元60和IC66安置在基底58之上。整个装置32可以封装在一个诸如塑料或其它材料做的保护结构(没有画出)之内。IC包括上述装置的电子电路部分。第一和第二单元62(T1)和64(T2)包括一个在基底上形成的导电图形。在当前实施例中，单元62和64可以电接触到一个高阻抗端点上，以垫在IC66的底部上。由于装置32是一个低电流工作装置，因此可以采用高阻抗端接法。两单元天线60和IC66可以用任何各种不同的机制实现相互的电接触。例如，极板的各个部分可以焊接到IC衬垫上；或用导电粘合剂或导线连接的方法固定到衬垫上。
参看示例图8B，给出了远程装置32′用另一种天线配置的另外一种实施例。天线单元62′和64′连接到一个集成电路66′上。天线极板和IC都布置在基底58′上。该可选装置32′按图1所描述的来工作。然而天线单元62′和64′放置成间隔最大。也就是它们在延伸以后的尺寸相互基本上是平行的，而且与它们之间横断IC的轴相垂直。这种提高装置天线极板间距的好处是减小对称异相激励器极板所发出的信号间的有害干扰。
在接下来的图形解释中，装置32(32′或32″)的生产相对可以比较便宜，因为天线单元62和64的设计和构造都比较简单。图9A-9C是图8A(8B或8C)装置的三种不同构造时的侧面剖视图。参看所有这三个图9A-9C，基底部分58可以用任何具有所需的诸如强度或韧性特性的适当材料来制作，包括诸如纸张、电绝缘带、聚酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、有碳酸钙(CaCo3)填充物的聚丙烯、塑料或醋酸酯等材料。天线单元62和64从任何合适的导电材料中挑选出来，诸如铜、铝、银或包含诸如铜、铝、银、石墨或其它导电填充物的导电墨水。天线材料可以根据诸如成本和组装容易程度或配置以及所指望的用途等因素来选择。诸单元可以在基底上用任何适当的处理来产生，如沉淀、印刷或腐蚀等处理。对于沉淀是用诸如胶印或滚筒印刷等处理，在基底上沉淀一层(准)导电材料。例如，可以用含碳墨水在纸张或醋酸酯(薄膜)上影印天线极板图形。同样，基底上的天线图形可以采用气相沉积法。另外，例如，铜制天线单元可以用印制电路板(PCB)制造技术来生产。在基底上产生天线图形时可以有多种腐蚀方法可以使用，如铜腐蚀。而且，天线图形例如还可以从更大的导电材料切割下来或热印模下来，再粘接到基底上的方法来产生。制造方法可以根据诸如成本、耐用性以及远程装置性能等因素来选择。
例如在另一种可选实施例中，一个与根据本发明的通信装置可能包括一个集成电路加静电天线诸单元，而它不安置在基底上。参看示例图8D和8E，给出了与根据本发明的通信装置，它们每个包括一个集成电路和静电天线诸单元。然而，图8D的装置也好，图8E的装置也好，都没有安置在一个基底上。图8D的集成电路是上面结合图1所作描述的一般类型，它耦合到两个静电天线单元上。图8E的集成电路是上面结合图2所作描述的一般类型，它耦合到两个静电天线单元上。可以理解，尽管类似图8D或8E的装置它在生产过程中没有将IC或天线单元安置到一个基底上，然而在以后可以粘合到一个诸如纸张或塑料的基底上去，从而保证了一定的机械稳定性。
静电耦合的一个特征是与电磁耦合相比，它使用相对较低的电流和相对较高的电压。电流更低的一个好处是装置的天线极板可以采用导电性更低的材料。这意味着天线极板采用的材料成本更低而且/或者更容易制造。这能够减少根据本发明的远程供电通信装置的成本。
IC66可以有多个高阻抗端点或衬垫68，它们从电气上被连到天线60上。天线的每个天线单元62和64从电气上被连到不同的衬垫上。两个极板相互之间保持电气绝缘。在图9A中，一个诸如包含大约40％导体填充物(球形金、银或铜或可能是石墨)的各向异性导电粘合剂70用于两个目的：固定IC到基底58上以及提供天线单元62和64与IC衬垫间的电接触。各向异性的导电粘合剂70在一个方向上导电，而在与导电方向大致垂直的方向上不导电。在本实施例中，沿粘合剂受较大压力方向的路径的导电性较好。在图9A中，各向异性的导电粘合剂在两条窄区域72中受到较大压力的加工处理，这两条窄区域72位于天线单元62和64与IC衬垫之间；在将IC的余下部分和基底间的两个极板分开的较宽的凹区域74中受到的压力则较小。因此，在每个衬垫和粘在其上的对应单元之间存在传导，在凹区域74的横向上只有很小的传导，甚至没有。因此，单元62和64相互是电气绝缘的。采用各向异性的导电粘合剂70的好处是不需要对IC衬垫或天线极板作精确控制，因为它的导电性依赖于所施加的压力。因此，用各向异性导电材料的装置的生产更为容易，因为粘合剂可以用在IC的有源侧或基底上，而不用担心覆盖到了其它区域上面。只要要求对粘合剂的不导电区域比导电区域所用的压力更小，它就会保持不导电状态，而不会妨碍到两个天线单元的绝缘。
在图9B中，各向同性导电粘合剂76用于将IC固定到基底58上，并用以在天线单元63和64与IC衬垫68间产生电接触。诸如焊接掩模或不导电墨水或环氧树酯之类的绝缘材料78用于将不同单元62和64固定到不同衬垫68上去。各向同性导电粘合剂在所有方向上的导电性是一样的。它必须小心使用，以保证在两个电绝缘天线极板之间不致形成导电路径。
图9C与图9A类似，只是在天线极板结构上粘合了一层纸或其它材料80的中间层；对中间层80又使用了一层粘合剂层82；而在粘合剂层82上使用了一层剥离吸附层84。装置32可以通过将剥离吸附层84撕掉后，对着物品压一下粘合剂层82而将其粘合或吸附到该物品上。因此，一个物品可以容易地用一个便宜的装置“打上标签”，该装置能保存有关该物品的电子信息。
物品例如可以是航空行李。该标签装置可以包含旅客在办理登记手续期间写到电子存储器中的识别信息。将装置粘到行李的一边以识别它的主人。当主人取回该行李时将其撕下并扔掉。
如上解释，在运行期间，两个天线单元62(T1)和64(T2)必须处于不同的电压以给装置32上电。特别地，用于上电的静电耦合要求(在V+电源和公共端之间的)在装置内产生电压差。在当前实施例中，电压差是通过对称异相上电信号在两个单元62和64间建立的，该信号由激励器产生。这两个天线单元连接到一个整流器电路上，在当前优选实施例中是一个全波桥式整流器。在V+和公共端之间产生一个DC电压。在本质上，V+充当VDD电压电源，而公共端充当当前实施例的集成电路的基底接地端。
参看示例图10，给出了与根据本发明的一个远程通信装置190的第一备选实施例。该装置包括两对天线单元192和194，它们安置在基底196上并连接到如图所示的IC198上。参看图11，给出了远程通信装置200的第二备选实施例。该装置包括四对天线单元202-208，它们安置在基底210上并连接到如图所示的IC212上。
装置190和200的制造可以与图9A-C的装置的制造相类似。然而，附加天线的存在为该远程装置对准于激励器极板提供了更多的机会，这可从下面的讨论来理解。作为附加装置天线的备选，如下解释，激励器极板阵列的激励图形可以有条不紊地变化，而不管装置天线定向如何，都能产生远程装置上电的最大的相似。
参看示例图12A和12B，给出了图3A的装置32可处的相对于天线阵列86的两种不同定向，它们均可被激励器/读卡器装置30所采用。在图7A和7B中，天线阵列部分包括第一激励器单元88(E1)和第二激励器单元90(E2)。激励器单元88(E1)和90(E2)以上述方式得到对称异相上电信号。应该理解的是，接下来的讨论同样可用于图8B和8C的实施例。
在图12A中，装置32对两个天线单元62(T1)和64(T2)进行定向，以使这两个单元中的其中一个单元62(T1)静电耦合到第一激励器单元88(E1)上，而另外一个天线单元64(T2)静电耦合到第二激励器单元90(E2)上。由于从本质上来说，远程静电耦合属于电容耦合，天线单元62(T1)应该位于第一激励器单元88(E1)的对面(上面)，以使第一激励器单元88将其电压静电耦合给单元62(T1)。这种定位在图7A中用曲线箭头表示。类似地，装置天线单元64(T2)应该位于第二激励器单元90(E2)的对面(上面)，以将电压静电耦合给单元64(T2)。当然，重要的是两个单元62(T1)和64(T2)之间的电压差。诸装置单元62和64上的电压是动态的。当装置单元62上的电压为高时，装置单元64上的电压为低。因此，例如，为了上电，没有必要使这两个装置单元62或64中的某一个处于任何诸如地电位之类的特定电压。而且，尽管上面的解释是激励器单元88(E1)耦合到装置单元62(T1)，而激励器单元90(E2)耦合到装置单元64(T2)上，本发明也可以这样工作：激励器单元88(E1)耦合到装置单元64(T2)，而激励器单元90(E2)耦合到装置单元62(T1)上。
在图12B中，所示装置32是面对着天线阵列86的一部分，从而不会成功地上电。装置单元62(T1)和64(T2)都在同一个激励器单元90(E2)对面(上面)。结果，在两个单元62(T1)和64(T2)之间不会产生电压差，也就不会上电。类似地，如果装置单元62和64都安置在另一个激励器单元88(E1)对面(上面)，或这两个装置单元都位于激励器单元88(E1)和90(E2)的同一对面(上面)，也不可能上电。因此，装置32和激励器/接收机装置30在获取足够的静电耦合时，要解决的一个问题是实现装置单元62(T1)和64(T2)对激励器阵列单元88(E1)和90(E2)的合适的定向和安置。因此，装置天线单元的形状、尺寸和间距与对称激励器单元的形状、尺寸和间距的适当匹配十分重要。然而，装置天线单元尺寸没必要与激励器单元尺寸一样。例如，一种备选实施例(没有画出)可以采用由更宽的激励器单元来激励延长的薄装置天线单元。已经发现，激励器单元尺寸和形状不仅仅依赖于远程装置天线单元的尺寸和形状，而同时还依赖于装置经过激励器单元阵列时的轨迹。如下所解释，例如，可以通过改变天线阵列86中的对称异相激励器单元88和90的相对定位而动态地实现所要求的相对于激励器单元阵列的装置天线的定向。
为了获得装置单元和激励器单元所要求的定向，与根据本发明的一个激励器天线阵列可能包括一个固定阵列或一个激励器单元换向阵列。在固定阵列中，不同激励器单元所使用的诸电压信号的相对相位是固定的。也就是说，如果两个激励器单元相互间存在对称异相关系，则该关系是固定的。在换向阵列中，不同激励器诸单元所使用的诸电压信号之间的相位关系可以变化。例如在一个换向阵列中，一个控制器(没有画出)确定不同天线单元的激励的相位关系。举例来说，解释如下，在一种配置中，两个相邻单元可以是对称异相关系。不过在以后的时间中，那两个单元可以工作在相互同相的关系下。然而，无论是固定情形还是换向情形，激励器单元之间的间距和远程通信装置的装置天线单元之间的间距是匹配的。这种间距保证了从激励器到远程装置的静电耦合为最大。
图13的示例图给出了与根据本发明的固定激励器天线阵列100。阵列100包括一组水平伸展的激励器天线单元102以及一组垂直伸展的激励器单元104。每个水平的激励器单元连接到副线圈38的顶端接头或底端接头上。类似地，每个垂直的激励器单元连接到副线圈38的顶端接头或底端接头上。在任何给定水平激励器单元任何一侧上的水平激励器单元与给定水平激励器单元之间存在一种对称异相电压关系。同样，在任何给定垂直激励器单元任何一侧上的垂直激励器单元与给定垂直激励器单元之间存在一种对称异相电压关系。例如，如果水平激励器单元106和108连接到副线圈的顶端，则激励器单元110和112连接到副线圈的底端。而且，例如，如果垂直激励器单元114和116连接到副线圈的顶端，则垂直激励器单元118和120连接到副线圈的底端。在当前优选实施例中，相邻水平激励器单元和相邻垂直激励器单元之间的间距与这些远程供电通信装置单元之间的间距大致相同。
在运行中，一个第一通信装置32-1这样定向，使得当它沿水平箭头方向移动跨越天线阵列100的表面时，其天线单元在相邻的水平激励器单元的对面。因此，该第一装置在其水平跨越该组水平单元102时，将定向于与水平激励器单元获得最大耦合功率的方向上。一个第二装置32-2这样定向，使得当它沿垂直箭头方向移动跨越天线阵列100的表面时，其天线单元在相邻的垂直激励器单元的对面。因此，该第二装置在其垂直跨越该组垂直单元104时，将定向于与垂直激励器单元取得最大耦合功率的方向上。
图13仅画出了一个更大阵列的一部分，它包括多个如图所示方向的水平和垂直激励器单元组102和104。在将一个装置32-1或32-2设置为获得最大功率耦合的过程中，装置被上电并发送信息。所示的激励器单元组进行搜索，从而保证在某个点处，当装置移动着跨越该激励器天线阵列时，装置能获得足够的耦合能量而实现上电并开始运行。
参看示例图14A-14C，给出了与本发明的当前实施例对应的换向天线阵列124一个单段的三种不同配置。在三个时间间隔中间，阵列124从图14A的水平配置切换到图14B的对角线方向配置和图14C的垂直配置。该阵列包括多个形状(在当前实施例中的正方形)完全一样的激励器极板，它们被安置为如图所示的列对称和行对称。
在图14A所示的水平配置中，在某个给定水平行上的所有激励器单元处于相同的电压相位，与给定行相邻的诸行中的激励器单元与给定行都是对称异相电压关系。也就是说，在行126和128中的激励器单元与行130和132中的激励器单元的电压相位为对称异相关系。在水平配置中，该阵列最好配置为在通信装置32以水平箭头所示方向移动跨越该阵列时，将功率耦合到该通信装置32。
在图14B的对角线方向配置中，在某个给定行中的每个激励器单元与同一行任一侧的相邻激励器单元，以及与同一列中其上和其下的相邻激励器单元都是对称异相电压关系。反过来，在某个给定列中的每个激励器单元与同一列中其上和其下的相邻激励器单元，以及同一行中任一侧的相邻激励器单元都是对称异相电压关系。也就是说，例如，激励器134与同一行任一侧的激励器单元136和138是对称异相电压关系，与同一列中其上和其下的激励器单元140和142也是对称异相电压关系。在对角线方向配置中，该阵列最好配置为在通信装置32以对角线方向箭头所示方向移动跨越该阵列时，将功率耦合到该通信装置32。
在图14C的垂直配置中，在某个给定垂直列中的所有激励器单元处于相同的电压相位，在与该给定列相邻的诸列中的激励器单元相对于该给定列的电压都是对称异相关系。也就是说，在列144和146中的激励器单元与列148和150中的激励器极板是对称异相关系。在垂直配置中，该阵列最好配置为在通信装置32以垂直箭头所示方向移动越过该阵列时，将功率耦合到该通信装置32。
图15给出了用于向激励器单元阵列提供能量的另外一种备选技术。它并不象图14A-14C中所示那样通过一系列的水平方向、对角线方向、垂直方向极板带这种步骤，而是采用一对有适当间隔的(单个单元的)对称异相极板带202和204在一个环形图形中以所示箭头方向作跨越激励器单元阵列的扫描。在扫描过程中的某个点上，远程装置(没有画出)的天线单元被放置与激励器足够地近，以适合于上电。详细地说，在图15中，它给出了激励器单元阵列200的一部分。阵列200的单个激励器单元用这种方式获得能量，使得包括两条(阴影表示的)带202和204的多个单个激励器单元相互同相，而与其它单个(没有用阴影表示的)激励器单元是异相关系。这两条带的定向随时间而变化，但相互间保持平行。因此，例如，图15中的这两条带202和204是垂直方向的。在其它时间里，它们可能是水平方向，而在其它时间里又可能是对角线方向。尽管图示的是环形旋转的一对对称异相带，在本发明中也可以采用以其它方式动态变化的激励器单元图形和运动。
图16的示例图描述了另外一种向与根据本发明的激励器单元阵列提供能量的方法。在图16的实施例中，激励器天线单元在阵列中按行与列放置。一个诸如光学传传感器之类的传感器阵列放置在该激励器天线单元阵列周围。这些传感器检测到存在一个诸如装置“A”(水平方向上的)、“B”(对角线方向上的)或“C”(垂直方向上的)之类的通信装置以及它的运动方向。作为对传感器运动检测的响应，一个阵列控制器(没有画出)为该阵列选择一种激励配置方式，它能在装置跨越阵列表面时将能量最有效地耦合到该装置。例如，根据检测到的该装置运动方向，最好的配置可能是图14A所示的水平配置方式、图14B的对角线配置方式或图14C所示的垂直配置方式。
尽管在此详细描述的是本发明的特定实施例，可以理解，可以对本优选实施例作各种不同的修正而依旧不脱离本发明范围。因此，前面的描述并不限制所附权利要求书中对本发明所作的定义。

Claims (14)

1.便携式通信装置，当可操作时，与第2装置电容耦合，该便携式通信装置包括：
一个可操作地与外部地电位耦合的电路；和
一个与该电路电耦合的天线单元。
2.用于构造当可操作时与第2装置电容耦合的便携式通信装置的方法，该方法包括下列步骤：
提供一个电绝缘载体；
在电绝缘载体上放置一个天线单元；
将一个包含第1和第2终端的电路固定在电绝缘载体上；并且
使第1终端与天线单元电耦合；和
使第2终端与外部地电位耦合。
3.电容耦合的数据通信***，它包括：
一个便携式通信装置，该装置包括：
一个与外部地电位耦合电路；和
一个与该电路电耦合的天线单元；
一个激励器装置，该装置包括：
一个激励器电路，该电路产生向便携式通信装置提供功率的激励信号；
一个激励器天线单元，它与激励器电路耦合，并与便携式通信装置的天线单元电容耦合；
一个接收机天线单元，它与便携式通信装置的天线单元电容耦合，并且它接收由便携式通信装置发射的数据信号；和
一个接收机电路，它被耦合以便接收从接收机天线单元接收的数据信号。
4.便携式通信装置，它包括：
一个第1天线单元和一个第2天线单元；和
一个与第1天线单元，第2天线单元和外部地电位耦合的电路，该电路从第1天线单元和外部地电位之间的电压差导出一个供电电压，并且它通过第2天线单元发射信号。
5.电容耦合的数据通信***，它包括：
一个便携式通信装置，该装置包括：
一个电路；和
每个都与该电路电耦合的第1天线单元和第2天线单元，一个天线单元与另一个天线单元隔绝；
一个激励器装置，该装置包括：
一个激励器电路，该电路产生向便携式通信装置提供功率的至少一个激励信号；
一个天线阵列，它包括激励器天线单元；
一个接收机天线单元，它接收由便携式通信装置发射的数据信号；
一个接收机电路，它被耦合以便接收从接收机天线单元接收的数据信号；
一个控制电路，它选择地将天线阵列的至少一个激励器天线单元与激励器电路连接起来；和
许多与激励器天线单元的阵列相邻地配置的传感器，许多为了检测便携式通信装置的存在和运动方向而安排的传感器，其中进一步安排控制电路以便根据由许多传感器中的至少一个感知的便携式通信装置的运动，选择地连接阵列的一个或多个激励器天线单元。
6.电容耦合的数据通信***，它包括：
一个便携式通信装置，该装置包括：
一个电路；和
每个都与该电路电耦合的第1天线单元和第2天线单元，一个天线单元与另一个天线单元隔绝；
一个激励器装置，该装置包括：
一个激励器电路，它产生向便携式通信装置提供功率的至少一个激励信号；
一个天线阵列，它包括激励器天线单元；
一个接收机天线单元，它接收由便携式通信装置发射的数据信号；
一个接收机电路，它被耦合以便接收从接收机天线单元接收的数据信号；
一个控制电路，它选择地将天线阵列的至少一个激励器天线单元与激励器电路连接起来，
其中将许多传感器单元配置在激励器天线单元的阵列周围，安排许多传感器单元以便检测便携式通信装置的存在和运动方向。
7.便携式通信装置，它包括：
一个天线单元；和
一个与天线单元耦合并与外部地电位可操作地耦合的电路，
其中该电路接受收由天线单元接收的能量，和其中不需要天线单元对一个频率发生谐振。
8.电容耦合的***，它包括：
一个激励器装置，该装置包括：
一个与外部地电位耦合的激励器电路；
一个与激励器电路耦合的激励器天线单元；
一个与外部地电位耦合的接收机电路；
一个与接收机电路耦合接收机天线单元；和
一个被远距离供给功率的装置，它包括：
一个与激励器天线单元和接收机天线单元电容耦合的装置天线单元；和
一个与装置天线单元和外部地电位耦合的电路。
9.被远距离供给功率的装置，它包括：
一个具有一个尺寸的天线单元；和
一个与天线单元和外部地电位耦合的电路，用于通过天线单元从具有一个波长的激励信号接收能量，
其中天线单元的尺寸与激励信号的波长无关。
10.一个方法，它包括下列步骤：
在第1装置中：
提供第1天线单元；
在第1天线单元上产生电压信号；和
通过第1天线单元和外部地电位发射电场信号；和
在第2装置中：
提供一个装置天线单元和一个电路，其中电路与外部地电位耦合；和
通过装置天线单元从电场接收能量。
11.便携式通信装置，当与第2装置静电耦合时它变成可以操作的，该便携式通信装置包括：
一个与外部地电位耦合的电路；和
至少一个与该电路电耦合的第1天线单元。
12.电容耦合的数据通信***，它包括：
一个便携式通信装置，该装置包括：
一个电路；和
每个都与该电路电耦合的第1天线单元和第2天线单元，一个天线单元与另一个天线单元隔绝；
一个激励器装置，该装置产生向便携式通信装置提供功率的至少一个激励信号；
一个天线阵列，它包括激励器天线单元，其中在一个动态变化的图案中对激励器天线单元进行激励；和
一个控制电路，它选择地将天线阵列的至少一个激励器天线单元与激励器电路连接起来。
13.权利要求1，2，3或7的装置，其中电路通过第2天线单元与外部地电位可操作地耦合。
14.权利要求4，5，6，8，9或11的装置，其中天线单元具有一个第2尺寸，和第2天线单元的第2尺寸与激励信号的波长无关。
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