用于高效無(wú)線通信的多層多匝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是用于高效無(wú)線通信的多層多匝結(jié)構(gòu)。一種用于無(wú)線通信的結(jié)構(gòu)，具有：多個(gè)導(dǎo)體層；將每個(gè)導(dǎo)體層分離的絕緣體層；以及連接導(dǎo)體層中的兩個(gè)導(dǎo)體層的至少一個(gè)連接體；其中當(dāng)在預(yù)定頻率處在所述諧振器中感生電信號(hào)時(shí)，電阻減小。
【專利說明】用于高效無(wú)線通信的多層多匝結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本主題一般涉及設(shè)計(jì)、操作并制造無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備，以及更具體地，涉及設(shè)計(jì)、操作并制造用于近場(chǎng)無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)的高效結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，采用近場(chǎng)無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)的應(yīng)用(如，商務(wù)電子、醫(yī)療系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、高頻變壓器、包括納米級(jí)功率和/或數(shù)據(jù)傳遞的微電子或其微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(ISM)頻帶接收機(jī)、無(wú)線感測(cè)等)在獲得優(yōu)化性能方面受到限制，因?yàn)檫@些系統(tǒng)中使用的天線具有相對(duì)較低的品質(zhì)因數(shù)。
[0003]這些無(wú)線發(fā)送和/或通信系統(tǒng)的相對(duì)較低的品質(zhì)因數(shù)主要由于被稱為“趨膚效應(yīng)”的現(xiàn)象所導(dǎo)致的較高電阻損耗。通常，趨膚效應(yīng)是交變電流(AC)在導(dǎo)體內(nèi)分布的趨勢(shì)，使得電流密度在導(dǎo)體表面附近起主導(dǎo)作用，而其余導(dǎo)電體相對(duì)于電流‘未使用’。因?yàn)殡娏髅芏鹊湫偷仉S與導(dǎo)體表面相距的距離而衰減，所以其余導(dǎo)電體相對(duì)于電流‘未使用’。電流幾乎全在表面附近流動(dòng)，被稱為“導(dǎo)體”的“趨膚”。電流距表面的深度被稱為“趨膚深度”?！摆吥w深度”定義了在發(fā)送和/或通信中活躍的電信號(hào)傳導(dǎo)路徑，而導(dǎo)體被定義為能夠傳導(dǎo)電信號(hào)的主體。
[0004]在采用無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信的系統(tǒng)中，趨膚效應(yīng)現(xiàn)象通常在電流流過天線引線(wire)和電路時(shí)引起能量損耗。在高頻的較高電阻損耗是大多數(shù)電子設(shè)備或裝置面對(duì)的問題。趨膚效應(yīng)在工作頻率提高時(shí)變得更加普遍。隨著頻率變高，通常流經(jīng)形成該天線的引線的整個(gè)橫截面的電流變得局限于其表面。結(jié)果，引線的有效電阻與較細(xì)引線的有效電阻相類似，而不是與電流可以分布經(jīng)過的實(shí)際直徑的引線的有效電阻相類似。在低頻針對(duì)有效性能表現(xiàn)出可容許電阻的引線在高頻轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁豢山邮艿碾娮璧囊€。從可容許電阻到不可接受的電阻的轉(zhuǎn)變變換為低效的功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)，無(wú)法傳導(dǎo)在特定應(yīng)用中所需要的電信號(hào)。因此，目前的天線設(shè)計(jì)無(wú)法解決這些低效性，在一些情況下，加劇了無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)低效性。盡管不是窮舉，受到當(dāng)前的天線技術(shù)的限制的典型應(yīng)用包括例如射頻識(shí)別(RFID)、電池充電和再充電、遙感勘測(cè)、感測(cè)、通信、資產(chǎn)跟蹤、患者監(jiān)視、數(shù)據(jù)輸入和/或檢索等。這些系統(tǒng)組件過熱、數(shù)據(jù)檢索的速率和精度、能量傳遞的速率、發(fā)送距離約束和發(fā)送未對(duì)準(zhǔn)限制是無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信應(yīng)用中的其他嚴(yán)峻問題。
[0005]在植入醫(yī)療設(shè)備(MD)的應(yīng)用(如，起搏器、去纖顫器、神經(jīng)調(diào)節(jié)或神經(jīng)肌肉刺激設(shè)備)中，期望最小化電池再充電時(shí)間。例如，更快的電池再充電時(shí)間降低了患者不適、不便的持續(xù)時(shí)間和受傷的可能性。如果天線具有較少的電阻損耗，可以從相距更遠(yuǎn)的距離，并在不損害性能的情況下以對(duì)天線的未對(duì)準(zhǔn)或迷失方向更高的容許量實(shí)現(xiàn)電池再充電。已知難以實(shí)現(xiàn)精確定向和對(duì)準(zhǔn)，尤其對(duì)于肥胖的患者。此外和/或可選地，如果可以在保持成功系統(tǒng)操作所需性能特性的同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)際制造更小尺寸的結(jié)構(gòu)，則可以減小MD的整體尺寸。
[0006]在RFID應(yīng)用(如，供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品認(rèn)證和資產(chǎn)跟蹤)中，需要增大讀取范圍，提高讀取速率，提高系統(tǒng)可靠性并提高系統(tǒng)精度。例如在高頻，讀取范圍至多為三英尺，這對(duì)于貨盤跟蹤來說一般是不夠的。超高頻讀取器實(shí)現(xiàn)了八到十英尺的更大的讀取距離，然而它們引入了其他性能問題，如金屬反射或水吸收信號(hào)、或顯示不可讀、在讀取場(chǎng)中的盲點(diǎn)。增大的讀取范圍需要集中功率來促進(jìn)反射回信號(hào)以獲得更好的性能，因而更有效的結(jié)構(gòu)會(huì)有助于解決這些問題。
[0007]在需要有效的低損耗線圈(需要在苛刻的條件下保持諧振)的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的基于引線的天線會(huì)發(fā)生形變。公知的是，引線橫截面的任何形變將會(huì)導(dǎo)致電感和可能的電阻的改變，繼而將會(huì)改變天線的諧振頻率，并因而會(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)的電阻。改進(jìn)的制造減小危及形變的可能性的這些類型的結(jié)構(gòu)的方法可以消除該問題。本教導(dǎo)包括制造包括精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和固定的靈活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二者的方法。
[0008]在解決上述問題的嘗試過程中，部分地發(fā)展了絞合線(Litz wire)。然而，絞合線一般不足以用于高頻應(yīng)用，因而在具有約3MHz以上工作頻率的應(yīng)用中一般不是很有用。絞合線是包括纏繞或編織成統(tǒng)一樣式的多個(gè)單獨(dú)的絕緣磁引線的引線，使得每股引線易于占據(jù)整個(gè)導(dǎo)體的橫截面中的所有可能位置。該多股配置或絞合構(gòu)造被設(shè)計(jì)用于最小化由于“趨膚效應(yīng)”而導(dǎo)致的實(shí)心導(dǎo)體中表現(xiàn)的功率損耗。絞合線構(gòu)造試圖通過增大表面積的量而不顯著增大導(dǎo)體尺寸來抵消該效應(yīng)。然而，即使適合地構(gòu)造，由于絞合成股的限制而導(dǎo)致絞合線仍表現(xiàn)出一些趨膚效應(yīng)。意在用于較高頻率范圍的引線一般需要更多精細(xì)規(guī)格尺寸的股，而不是同樣橫截面面積但包括較少且較大股的絞合線。絞合線的提供商提供能夠提高效率的配置的最高頻率是大約3MHz。目前不存在針對(duì)工作頻率在此3MHz最大頻限以上的應(yīng)用的解決方案。
[0009]因而，需要改進(jìn)的高效天線設(shè)計(jì)和減小結(jié)構(gòu)的本征電阻損耗、尤其在高頻減小結(jié)構(gòu)的本征電阻損耗以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]這里的教導(dǎo)通過利用多層引線概念增大結(jié)構(gòu)內(nèi)的電導(dǎo)面積，緩解了導(dǎo)致較低品質(zhì)因數(shù)的在高頻的較高電阻損耗的一個(gè)或多個(gè)上述問題。多層引線配置導(dǎo)致了導(dǎo)體損耗的減小和結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)的提高。本教導(dǎo)應(yīng)用于針對(duì)近場(chǎng)能量傳遞、功率傳遞、數(shù)據(jù)傳遞或其組合的無(wú)線發(fā)送和/或通信。更具體地，本教導(dǎo)應(yīng)用于針對(duì)近場(chǎng)能量網(wǎng)絡(luò)、功率網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(包括這些網(wǎng)絡(luò)的任一和全部組合)的無(wú)線發(fā)送和/或通信。
[0011]無(wú)線能量傳遞或無(wú)線功率發(fā)送是無(wú)需互連引線的、從功率源到電負(fù)載的電能發(fā)送。對(duì)于能量、功率或數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送，效率是重要參數(shù)，因?yàn)榘l(fā)送信號(hào)必須到達(dá)一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。使用諧振磁感應(yīng)跟隨的直接感應(yīng)來執(zhí)行涉及能量、功率或數(shù)據(jù)傳遞的最常見形式的無(wú)線發(fā)送。目前所考慮的其他方法包括電磁輻射，例如但不限于微波或激光。
[0012]此外，無(wú)線能量接收或無(wú)線功率接收是無(wú)需互連引線的、從功率源接收電能量。對(duì)于能量、功率或數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，效率是重要參數(shù)，因?yàn)樾盘?hào)的接收必須從一個(gè)或多個(gè)發(fā)射機(jī)接收以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。這樣，可以使用直接感應(yīng)、諧振磁感應(yīng)以及具有微波或激光形式的電磁輻射來執(zhí)行包括能量、功率或數(shù)據(jù)的形式的無(wú)線接收。
[0013]此外，本發(fā)明的實(shí)施例能夠無(wú)需引線進(jìn)行電能、電功率和/或數(shù)據(jù)的無(wú)線通信。無(wú)線通信包括同步或獨(dú)立的電能、電功率和/或數(shù)據(jù)的發(fā)送和/或接收。
[0014]本教導(dǎo)的一方面是一種用于無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)傳遞或接收的諧振器，其中通過將引線橫截面中的有用導(dǎo)體橫截面面積最大化來將諧振器內(nèi)的電阻損耗最小化。在一個(gè)實(shí)施例中，諧振器通過在其引線內(nèi)引入非傳導(dǎo)介電層，以產(chǎn)生包括傳導(dǎo)(conducting)材料層與非傳導(dǎo)材料層交替的結(jié)構(gòu)，來減小不必要的高頻趨膚效應(yīng)。所述結(jié)構(gòu)有效地提供了增大數(shù)量的表面，每個(gè)表面具有其特征趨膚深度，并且所有表面電連接。趨膚深度的范圍可以是從導(dǎo)體深度的近似一半到大約等于導(dǎo)體深度。導(dǎo)體深度的范圍可以是趨膚深度到趨膚深度的兩倍。然而，取決于可用技術(shù)、成本和應(yīng)用，導(dǎo)體深度可以是趨膚深度的二十倍或更多倍。
[0015]諧振器包括具有至少一匝的線圈，其中線圈由多層引線構(gòu)成。多層引線可以包括由絕緣材料層分離的第一和第二導(dǎo)電層。導(dǎo)電(conductive)層可以具有基本相同的厚度和/或深度，其中所述厚度和/或深度的范圍可以是從趨膚深度到趨膚深度的兩倍。然而，取決于可用技術(shù)、成本和應(yīng)用，導(dǎo)體厚度和/或深度可以是趨膚深度的二十倍或更多倍。每個(gè)導(dǎo)電層可以使用至少一種互連方法(例如但不限于孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘)彼此電連接。
[0016]非傳導(dǎo)層的一個(gè)目的是使兩個(gè)不同的傳導(dǎo)層絕緣。非傳導(dǎo)層的最基本設(shè)計(jì)在理想情況下是與制造過程實(shí)際允許的一樣薄，但仍提供足夠的絕緣特性。例如，在PCB技術(shù)中，通過“芯材厚度”和“半固化片厚度”來指示層的厚度。在另一設(shè)計(jì)中，選擇非傳導(dǎo)層的厚度來修改結(jié)構(gòu)的電氣行為。
[0017]諧振器可以具有大于100的品質(zhì)因數(shù)。優(yōu)選地，品質(zhì)因數(shù)大于300。更優(yōu)選地，品質(zhì)因數(shù)大于600。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)顯而易見的是，需要兩個(gè)諧振器的系統(tǒng)可以具有有相等且甚至相似品質(zhì)因數(shù)的諧振器。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)顯而易見的是，需要兩個(gè)諧振器的系統(tǒng)可以利用這樣的諧振器，其中一個(gè)諧振器具有基本與另一個(gè)諧振器不同的品質(zhì)因數(shù)。每個(gè)諧振器的品質(zhì)因數(shù)選擇將取決于應(yīng)用、每個(gè)諧振器的設(shè)計(jì)規(guī)范和每個(gè)諧振器的意向使用。將會(huì)理解，傳統(tǒng)電感耦合的系統(tǒng)利用具有品質(zhì)因數(shù)大約30的諧振器。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)顯而易見的是，諧振器的品質(zhì)因數(shù)可以取決于所使用的環(huán)境，因而例如在空氣中具有品質(zhì)因數(shù)100的諧振器在植入人類或動(dòng)物組織時(shí)可能僅具有50的品質(zhì)因數(shù)。在任意給定環(huán)境中，這里描述的MLMT結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)諧振器。
[0018]因而，引線中損耗的降低和諧振器顯著減小的內(nèi)部電阻可以實(shí)現(xiàn)高效的、擴(kuò)展范圍的、消耗更少能量、具有更長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間并簡(jiǎn)化操作的緊湊無(wú)線系統(tǒng)，而不會(huì)產(chǎn)生諸如過熱之類的危害事件。
[0019]在一個(gè)示例中，公開了一種用于無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用于無(wú)線發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量和/或電功率。此外，所述結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)發(fā)送。此外，所述結(jié)構(gòu)能夠一起發(fā)送和/或接收或分離地發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合。
[0020]所述結(jié)構(gòu)可以包括:多個(gè)導(dǎo)體層；分離每個(gè)導(dǎo)體層的絕緣體層；以及連接兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)體層的至少一個(gè)連接體。多個(gè)導(dǎo)體層中的每一個(gè)可以具有至少一匝，并且還可以以平行朝向放置?？梢杂蓪?dǎo)電(electrically conductive)材料形成每個(gè)導(dǎo)體層。導(dǎo)電材料可以包括銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、銀、錯(cuò)、鉿、鎳鈦合金(nitinol)、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈀、碳、銀、貴金屬、或生物相容材料及其任意組合。導(dǎo)體層可以具有例如但不限于圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面或橢圓形橫截面的橫截面形狀。連接導(dǎo)體層的連接體可以是但不限于孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘。
[0021]所述結(jié)構(gòu)可以具有例如但不限于圓形螺線管形配置、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置和共形螺線管形配置的結(jié)構(gòu)形狀。其他配置可以用于修改該結(jié)構(gòu)的電特性。
[0022]當(dāng)在一頻率上在諧振器中感生電信號(hào)時(shí)，可以減小結(jié)構(gòu)中的電阻?？梢詮拇蠹s10kHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)選擇該頻率。此外，該頻率可以是從大約10kHz到大約1GHz的頻帶或在大約IMHz到大約1GHz的范圍內(nèi)。電信號(hào)可以是電流、電壓、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)或其任意組合。
[0023]在另一示例中，公開了一種用于無(wú)線通信的結(jié)構(gòu)，包括:多個(gè)導(dǎo)體層；分離每個(gè)導(dǎo)體層的絕緣體層；以及連接兩個(gè)或更多導(dǎo)體層的至少一個(gè)連接體，使得當(dāng)在一頻率處在該結(jié)構(gòu)中感生電信號(hào)時(shí)，電阻是可減少的。導(dǎo)體層可以包括導(dǎo)電帶、導(dǎo)電條和沉積金屬中的至少一個(gè)。在一些示例中，可以從大約10kHz到大約3MHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。在其他示例中，所述頻率可以是在大約10kHz到大約3MHz的范圍內(nèi)的頻帶。在另一示例中，可以從大約3MHz到大約1GHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。在又一示例中，所述頻率可以是在大約3MHz到大約1GHz的范圍內(nèi)的頻段。
[0024]多個(gè)導(dǎo)體層中的每個(gè)可以具有平行朝向。多個(gè)導(dǎo)體層的數(shù)目可以小于或等于層的總數(shù)，并且可以并聯(lián)電連接。并聯(lián)電連接的多個(gè)導(dǎo)體層可以與并聯(lián)連接的第二多個(gè)導(dǎo)體層中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體層串聯(lián)電連接。電信號(hào)可以包括能量信號(hào)、功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)中的至少一個(gè)。電信號(hào)可以包括電流、電壓或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)中的至少一個(gè)。所述結(jié)構(gòu)可以具有大于100的品質(zhì)因數(shù)。所述結(jié)構(gòu)還包括從包括電阻器、電感器和電容器的組中選擇的電路元件。導(dǎo)體層可以包括橫截面形狀，其中所述橫截面形狀包括圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面或橢圓形橫截面中的至少一個(gè)。所述連接體可以包括孔、焊料、接頭、引線、引腳、鉚釘?shù)戎械闹辽僖粋€(gè)。
[0025]所述結(jié)構(gòu)可以具有結(jié)構(gòu)形狀，所述結(jié)構(gòu)形狀可以包括圓形螺線管形配置、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置和共形螺線管形配置中的至少一個(gè)。所述多個(gè)導(dǎo)體層可以具有至少一匝?？梢杂蓪?dǎo)電材料形成至少一個(gè)導(dǎo)體層，導(dǎo)電材料包括銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、銀、錯(cuò)、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈕、碳、銀、貴金屬、和生物相容材料中的至少一個(gè)。由電絕緣材料形成至少一個(gè)絕緣體層，電絕緣材料包括空氣、泡沫聚苯乙烯、二氧化硅、適合的生物相容陶瓷或具有低介電常數(shù)的任意類似電介質(zhì)、具有高介電常數(shù)的非導(dǎo)電電介質(zhì)和鐵氧體材料中的至少一個(gè)。所述結(jié)構(gòu)可以包括在具有諧振器、天線、RFID標(biāo)簽、RFID應(yīng)答器中的至少一個(gè)的設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備中。
[0026]在另一示例中，公開了一種用于無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的諧振器。所述諧振器被設(shè)計(jì)用于無(wú)線發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量和電功率。此外，所述諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。此外，所述諧振器能夠一起發(fā)送和/或接收或分離地發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合。
[0027]所述諧振器可以包括多個(gè)導(dǎo)體，每個(gè)導(dǎo)體具有導(dǎo)體長(zhǎng)度、導(dǎo)體高度、導(dǎo)體深度、和具有趨膚深度的導(dǎo)電表面。趨膚深度的范圍可以是從導(dǎo)體深度的近似一半到大約等于導(dǎo)體深度。導(dǎo)體深度的范圍可以是趨膚深度到趨膚深度的兩倍。然而，取決于可用技術(shù)、成本和應(yīng)用，導(dǎo)體深度可以是趨膚深度的二十倍或更多倍。多個(gè)導(dǎo)體層可以具有至少一匝。此夕卜，多個(gè)導(dǎo)體層中的每一個(gè)可以具有或可以不具有基本相同的導(dǎo)體長(zhǎng)度、導(dǎo)體高度或?qū)w深度?？梢杂蓪?dǎo)電材料形成導(dǎo)體層。導(dǎo)電材料可以包括銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、鈮、鋯、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈕、碳、銀、貴金屬、或生物相容材料及其任意組合。
[0028]多個(gè)導(dǎo)體可以被布置為形成諧振器主體。諧振器主體可以具有諧振器主體長(zhǎng)度、諧振器主體寬度和諧振器主體深度。當(dāng)通過諧振器主體感生電信號(hào)時(shí)，電信號(hào)傳播通過具有趨膚深度的傳導(dǎo)表面。電信號(hào)可以是電流、電壓、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)或其任意組合。
[0029]諧振器中的多個(gè)導(dǎo)體可以包括通過絕緣體層分離的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，其中第一導(dǎo)體層通過至少一個(gè)連接體與第二導(dǎo)體層或更多導(dǎo)體層連接。導(dǎo)體可以具有例如但不限于圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面或橢圓形橫截面的橫截面形狀。所述諧振器可以具有例如但不限于圓形螺線管形、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置或共形螺線管形配置的結(jié)構(gòu)形狀。
[0030]多個(gè)導(dǎo)體層中的至少一個(gè)可包括導(dǎo)電帶、導(dǎo)電條和沉積金屬中的至少一個(gè)。電信號(hào)可以包括能量信號(hào)、功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)中的至少一個(gè)。電信號(hào)還可以是電流、電壓或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)中的至少一個(gè)。所述諧振器具有大約100的品質(zhì)因數(shù)。由電絕緣材料形成至少一個(gè)絕緣體層，電絕緣材料包括但不限于空氣、泡沫聚苯乙烯、二氧化硅、適合的生物相容陶瓷或具有低介電常數(shù)的任意類似電介質(zhì)、具有高介電常數(shù)的非導(dǎo)電電介質(zhì)和鐵氧體材料中的至少一個(gè)。
[0031]通過使用至少一個(gè)頻率的諧振器主體，可以感生電信號(hào)。在一些示例中，可以從大約10kHz到大約3MHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。在其他示例中，所述頻率可以是在大約10kHz到大約3MHz的范圍內(nèi)的頻帶。在另一示例中，可以從大約3MHz到大約1GHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。在又一示例中，所述頻率可以是在大約3MHz到大約1GHz的范圍內(nèi)的頻段。在又一示例中，可以從大約10kHz到大約1GHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。在又一示例中，所述頻率可以是在大約10kHz到大約10GHZ的范圍內(nèi)的頻帶。所述諧振器還包括從包括電阻器、電感器和電容器的組中選擇的電路元件，并且可以包括在具有諧振器、天線、RFID標(biāo)簽、RFID應(yīng)答器中的至少一個(gè)的設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備中。
[0032]還公開了一種用于無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的電路。所述電路被設(shè)計(jì)用于無(wú)線發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量和/或電功率。此外，所述電路能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)的發(fā)送。此外，所述電路能夠一起發(fā)送和/或接收或分離地發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合。
[0033]處于高頻的電路廣泛地使用無(wú)源元件，如電感器、電容器等。這種電路配置的一些示例包括但不限于帶通、高通和低通濾波器；混頻器電路(例如，Gilbert單元)；諸如Colpitts、Pierce、Hartley和Clap之類的振蕩器；以及諸如差分、推拉、反饋和射頻(RF)之類的放大器。具體地，電感器作為源負(fù)反饋元件用于低噪放電器(LNA)中的匹配和反饋。集總電感器也是RF電路和單片微波集成電路(MMIC)中的關(guān)鍵元件。集總電感器用于片上匹配網(wǎng)絡(luò)，其中傳輸線結(jié)構(gòu)可以具有過度的長(zhǎng)度。通常，它們也用作RF扼流圈，允許將偏置電流提供給電路，同時(shí)在RF頻率及以上提供寬帶高阻抗。對(duì)于可重配置網(wǎng)絡(luò)、天線和子系統(tǒng)來說是理想的RF MEMS開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和變?nèi)荻O管也需要高Q電感器。注意，無(wú)源電路元件和諸如集總電感器之類的集總元件可以互換使用，無(wú)源電路元件是更廣義的術(shù)語(yǔ)。無(wú)源電路元件可以是電感器、電容器、電阻器，或無(wú)源電路元件只是引線。在幾乎所有上述非限制性電路示例中，期望無(wú)源組件是最低損耗的。
[0034]假定處于高頻的電路過度地使用諸如電感器和電容器之類的無(wú)源元件，給出電感器的實(shí)施例，但不限于此。具體地，考慮到電感器，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使得獲得最大Q，同時(shí)獲得期望的電感值。換言之，需要最小化電感器中的電阻損耗。取決于工作頻率、基板上的可用面積、應(yīng)用和技術(shù)，電感器可以實(shí)現(xiàn)為TEM/傳輸線、導(dǎo)電環(huán)或多個(gè)形狀(例如但不限于，圓形、矩形、橢圓形、方形或不規(guī)則配置)的螺旋形/螺線管形/組合結(jié)構(gòu)，但不限于此?？梢允褂帽景l(fā)明中的多層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所有這些非限制性實(shí)施例。
[0035]在另一示例中，討論諧振器，作為更大電路的一部分。諧振器是在一個(gè)或多個(gè)特定頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶(稱為諧振頻率)表現(xiàn)出諧振(即，振蕩)的器件或系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)諧振頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶處，存在振蕩的最小阻抗。在電路的上下文中，在一個(gè)或多個(gè)諧振頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶處存在最小電阻抗。本發(fā)明的MLMT結(jié)構(gòu)在兩個(gè)基本條件下可以用作諧振器:(I)當(dāng)在其不具有任何附加電子組件的環(huán)境中設(shè)計(jì)MLMT結(jié)構(gòu)以在一個(gè)或多個(gè)特定頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶處諧振時(shí)；(2)當(dāng)在其結(jié)合其他組件(例如但不限于，電容器、電容器組、電容器和/或電感器網(wǎng)絡(luò))的環(huán)境中設(shè)計(jì)MLMT結(jié)構(gòu)以在一個(gè)或多個(gè)特定頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶處諧振時(shí)。因此，諧振器可以是更大電路的一部分，諧振器行為可以被設(shè)計(jì)為在一個(gè)或多個(gè)頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶、或具有一個(gè)或多個(gè)特定帶寬的一個(gè)或多個(gè)頻率或一個(gè)或多個(gè)頻帶處發(fā)生。也可以添加附加組件(例如，電阻)以改變帶寬。
[0036]還公開了一種用于無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為無(wú)線發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量和電功率。此外，所述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)的發(fā)送。此外，所述系統(tǒng)能夠一起發(fā)送或分離地發(fā)送電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合。
[0037]所述系統(tǒng)可以包括:第一諧振器，所述第一諧振器包括多個(gè)第一導(dǎo)體，每個(gè)第一導(dǎo)體具有第一導(dǎo)體長(zhǎng)度、第一導(dǎo)體高度、第一導(dǎo)體深度、和具有第一趨膚深度的第一導(dǎo)電表面。多個(gè)第一導(dǎo)體可以被布置以形成具有第一諧振器主體長(zhǎng)度、第一諧振器主體寬度和第一諧振器主體深度的第一諧振器主體。所述系統(tǒng)還可以包括第二諧振器，所述第二諧振器包括多個(gè)第二導(dǎo)體，每個(gè)第二導(dǎo)體具有第二導(dǎo)體長(zhǎng)度、第二導(dǎo)體高度、第二導(dǎo)體深度、和具有第二趨膚深度的第二導(dǎo)電表面。多個(gè)第二導(dǎo)體可以被布置以形成具有第二諧振器主體長(zhǎng)度、第二諧振器主體寬度和第二諧振器主體深度的第二諧振器主體。第一趨膚深度和第二趨膚深度可以是導(dǎo)體深度的近似一半到大約等于導(dǎo)體深度。第一和第二導(dǎo)體可以具有至少一匝，多個(gè)第一和第二導(dǎo)體層中的每一個(gè)可以具有或可以不具有基本相同的導(dǎo)體長(zhǎng)度、導(dǎo)體高度或?qū)w深度。第一導(dǎo)體深度和第二導(dǎo)體深度的范圍可以是趨膚深度到趨膚深度的兩倍。然而，取決于可用技術(shù)、成本和應(yīng)用，第一導(dǎo)體深度和第二導(dǎo)體深度可以是趨膚深度的二十倍或更多倍?？梢杂蓪?dǎo)電材料形成第一和第二導(dǎo)體層，導(dǎo)電材料是例如但不限于銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、銀、錯(cuò)、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈕、碳、銀、貴金屬、或生物相容材料及其任意組合。
[0038]當(dāng)電信號(hào)傳播通過第一諧振器主體時(shí)，電信號(hào)傳播通過具有趨膚深度的第一傳導(dǎo)表面，還感生通過第二諧振器主體的電信號(hào)。感生的電信號(hào)在趨膚深度傳播通過第二傳導(dǎo)表面。電信號(hào)可以是電流、電壓和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)或其組合。
[0039]多個(gè)第一導(dǎo)體可以包括通過絕緣層分離的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，其中第一導(dǎo)體層通過至少一個(gè)連接體與第二導(dǎo)體層或更多導(dǎo)體層連接。連接導(dǎo)體層的連接體可以是例如但不限于孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘。第一導(dǎo)體可以具有第一橫截面形狀，以及第二導(dǎo)體可以具有第二橫截面形狀。第一和第二橫截面形狀是非限制性的，并且可以是圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面或橢圓形橫截面之一。
[0040]第一諧振器可以具有第一結(jié)構(gòu)形狀，以及第二諧振器可以具有第二結(jié)構(gòu)形狀。第一和第二結(jié)構(gòu)形狀是非限制性的，并且可以是圓形螺線管形配置、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置或共形螺線管形配置。
[0041]此外，公開了一種制造用于無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的結(jié)構(gòu)的方法。用于制造的所述方法創(chuàng)建能夠無(wú)線發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量和電功率的結(jié)構(gòu)。此外，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。此外，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠一起發(fā)送和/或接收或分離地發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合。
[0042]所述方法可以包括步驟:創(chuàng)建多個(gè)導(dǎo)體層，在每個(gè)導(dǎo)體層之間具有絕緣體；以及在多個(gè)導(dǎo)體層的兩個(gè)導(dǎo)體層之間形成至少一個(gè)連接。連接導(dǎo)體層的連接體可以是孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘，但不限于此?？梢酝ㄟ^經(jīng)過掩膜的沉積來創(chuàng)建導(dǎo)體層。創(chuàng)建多個(gè)導(dǎo)體層且在每個(gè)導(dǎo)體層之間具有絕緣體的步驟還可以包括以下步驟:在第二導(dǎo)電層的上面放置第一導(dǎo)電層，并利用第一絕緣體將第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層分離。此外，在多個(gè)導(dǎo)體中的兩個(gè)導(dǎo)體之間形成至少一個(gè)連接的步驟可以包括以下步驟:連接導(dǎo)體層中的至少兩個(gè)導(dǎo)體層，包括但不限于孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘?？梢杂蓪?dǎo)電材料形成導(dǎo)體層。導(dǎo)電材料可以包括銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、鈮、鋯、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈕、碳、銀、貴金屬、或生物相容材料及其任意組合。
[0043]還公開了一種用于操作結(jié)構(gòu)以提供無(wú)線發(fā)送或無(wú)線接收的方法。所述方法包括以下步驟:提供能夠無(wú)線發(fā)送和/或無(wú)線接收電能量、電磁能量和/或電功率的結(jié)構(gòu)。此外，所述方法提供以下步驟:提供能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的結(jié)構(gòu)。此外，所述方法提供以下步驟:提供能夠一起發(fā)送和/或接收或分離地發(fā)送和/或接收電能量、電磁能量、電功率和電子數(shù)據(jù)的組合的結(jié)構(gòu)。
[0044]所述方法包括以下步驟:提供多個(gè)導(dǎo)體，每個(gè)導(dǎo)體具有導(dǎo)體長(zhǎng)度、導(dǎo)體高度、導(dǎo)體深度、和具有趨膚深度的導(dǎo)電表面。此外，所述方法包括步驟:提供范圍在導(dǎo)體深度的近似一半到大約等于導(dǎo)體深度內(nèi)的趨膚深度。導(dǎo)體深度的范圍是趨膚深度到趨膚深度的兩倍。然而，取決于可用技術(shù)、成本和應(yīng)用，導(dǎo)體深度可以是趨膚深度的二十倍或更多倍。多個(gè)導(dǎo)體層可以被布置為形成諧振器主體，所述諧振器主體具有諧振器主體長(zhǎng)度、諧振器主體寬度和諧振器主體深度；以及在多個(gè)導(dǎo)體的至少一個(gè)中感生電信號(hào)，使得電信號(hào)通過趨膚深度的傳導(dǎo)表面?zhèn)鞑?。電信?hào)可以是電流、電壓、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)或其任意組合。[0045]所述方法還可以包括以下步驟:提供第二多個(gè)導(dǎo)體，每個(gè)第二導(dǎo)體具有第二導(dǎo)體長(zhǎng)度、第二導(dǎo)體高度、第二導(dǎo)體深度、和具有第二趨膚深度的第二導(dǎo)電表面，其中多個(gè)第二導(dǎo)體被布置以形成第二諧振器主體，所述第二諧振器主體具有第二諧振器主體長(zhǎng)度、第二諧振器主體寬度和第二諧振器主體深度。當(dāng)電信號(hào)通過諧振器主體傳播時(shí)，電信號(hào)傳播通過趨膚深度的傳導(dǎo)表面，還感生通過第二諧振器主體的電信號(hào)，以及感生電信號(hào)以第二趨膚深度傳播通過第二傳導(dǎo)表面。
[0046]多個(gè)導(dǎo)體可以包括通過絕緣體層分離的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，其中第一導(dǎo)體層通過至少一個(gè)連接體與第二導(dǎo)體層連接。此外，連接導(dǎo)體層中的至少兩個(gè)導(dǎo)體層的至少一個(gè)連接包括但不限于孔、焊料、接頭、引線、引腳或鉚釘。導(dǎo)體可以具有不限于圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面和橢圓形橫截面的橫截面形狀。多個(gè)導(dǎo)體層可以具有至少一匝，多個(gè)導(dǎo)體層中的每一個(gè)可以具有或可以不具有基本相同的導(dǎo)體長(zhǎng)度、導(dǎo)體高度和導(dǎo)體深度?？梢杂蓪?dǎo)電材料形成導(dǎo)體層。導(dǎo)電材料可以包括銅、鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、銀、錯(cuò)、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金、不銹鋼、金、金合金、鈕、碳、銀、貴金屬、或生物相容材料或其任意組合。
[0047]諧振器可以具有不限于圓形螺線管形配置、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置或共形螺線管形配置的結(jié)構(gòu)形狀。將在以下的描述中部分地提出其他優(yōu)點(diǎn)和新特征，其部分將在檢驗(yàn)以下內(nèi)容及附圖時(shí)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見，并且可以通過示例的產(chǎn)生或操作獲知?？梢酝ㄟ^實(shí)踐或使用在以下討論的詳細(xì)示例中提出的方法、手段和組合的各個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)并獲得本教導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]附圖描述了根據(jù)僅作為示例而不意在限制的本教導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式。在附圖中，類似的參考數(shù)字指示相同或類似的元件。
[0049]圖1示出了通過同質(zhì)導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)單向電流的AC電流分布；
[0050]圖2示出了由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的在提高的頻率處的AC電流分布；
[0051 ]圖3是趨膚深度相對(duì)頻率的圖示；
[0052]圖4示出了用于無(wú)線功率傳遞的結(jié)構(gòu)的高級(jí)圖示；
[0053]圖5A示出了圓形螺線管形配置中的天線的示例；
[0054]圖5B示出了方形螺線管形配置中的天線的示例；
[0055]圖5C示出了圓形螺旋形配置中的天線的示例；
[0056]圖示出了方形螺旋形配置中的天線的示例；
[0057]圖5E示出了多層方形螺旋形配置中的天線的示例；
[0058]圖5F示出了圓形螺旋-螺線管形配置中的天線的示例；
[0059]圖5G示出了方形螺旋-螺線管形配置中的天線的示例；
[0060]圖5H示出了共形螺線管形配置中的天線的示例；
[0061]圖6A示出了具有N層的單匝圓形線圈的示例；
[0062]圖6B示出了 N層雙匝圓形螺旋-螺線管形線圈的示例；
[0063]圖7A示出了具有圓形橫截面的天線的示例；[0064]圖7B示出了具有矩形橫截面的天線的示例；
[0065]圖7C示出了具有方形橫截面的天線的示例；
[0066]圖7D示出了具有三角形橫截面的天線的示例；
[0067]圖7E示出了具有橢圓形橫截面的天線的示例；
[0068]圖7F示出了天線的矩形橫截面；
[0069]圖8A示出了具有圓形橫截面的多層天線；
[0070]圖SB示出了具有矩形橫截面的多層天線；
[0071]圖9A示出了具有I層的單匝天線；
[0072]圖9B示出了具有11層的單匝天線；
[0073]圖9C示出了具有20層的單匝天線；
[0074]圖9D示出了具有26層的單匝天線；
[0075]圖10是示出了隨頻率變化的品質(zhì)因數(shù)值的圖示；
[0076]圖1lA是示出了電阻和電感隨層數(shù)的相對(duì)改變的圖示；
[0077]圖1lB是示出了針對(duì)給定的層數(shù)、在1MHz所產(chǎn)生的品質(zhì)因數(shù)的圖示；
[0078]圖12A是示出了隨頻率變化的品質(zhì)因數(shù)的圖示；
[0079]圖12B是示出了隨頻率變化的關(guān)于16層線圈的電感的圖示；
[0080]圖12C是示出了隨頻率變化的關(guān)于16層線圈的電阻的圖示；
[0081]圖13A是示出了隨頻率變化的品質(zhì)因數(shù)的圖示；
[0082]圖13B是示出了隨頻率變化的電感的圖示；
[0083]圖13C是示出了隨頻率變化的電阻的圖示；
[0084]圖14A是示出了隨頻率變化的具有Imm金屬條帶寬度的線圈的品質(zhì)因數(shù)的圖示；
[0085]圖14B是示出了具有1.5mm金屬寬度的線圈的品質(zhì)因數(shù)的相對(duì)增大的圖示；
[0086]圖14C是示出了具有2mm金屬寬度的線圈的品質(zhì)因數(shù)的相對(duì)增大的圖示；
[0087]圖15示出了近場(chǎng)能量網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)框圖；
[0088]圖16A示出了接收單元和發(fā)送單元具有相同諧振頻率、且波段窄的情形的圖示；
[0089]圖16B示出了接收單元和發(fā)送單元具有不同諧振頻率、且波段窄的情形的圖示；
[0090]圖16C示出了接收單元和發(fā)送單元具有不同諧振頻率、且具有寬諧振的情形的圖示；
[0091]圖16D示出了接收單元和發(fā)送單元具有不同諧振頻率且發(fā)送設(shè)備有損的情形的圖示；
[0092]圖16E示出了接收單元和發(fā)送單元具有相距很遠(yuǎn)的諧振頻率且發(fā)送單元和接收單元均有損的情形的圖示；
[0093]圖16F示出了接收單元和發(fā)送單元具有接近的諧振頻率且發(fā)送單元和接收單元均有損的情形的圖不;
[0094]圖17示出了具有中繼器的近場(chǎng)能量網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)框圖；
[0095]圖18示出了典型的PCB層疊；
[0096]圖19是從所確立的PCB制造商獲得的6層PCB板的制作層疊表；
[0097]圖20示出了任意MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖；
[0098]圖21示出了作為電感器操作(條件I)的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖；[0099]圖22A示出了作為電路中的自諧振器操作(類型I)的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖；
[0100]圖22B示出了作為單獨(dú)自諧振器操作(類型I)的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖；
[0101]圖23A示出了 MLMT結(jié)構(gòu)的、顯示串聯(lián)電容器添加的等效電路圖；
[0102]圖23B示出了 MLMT結(jié)構(gòu)的、顯示并聯(lián)電容器添加的等效電路圖；
[0103]圖24A示出了作為電路中的諧振器操作的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖，其中通過添加并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)諧振；
[0104]圖24B示出了作為單獨(dú)諧振器操作的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖，其中通過向電路添加串聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)諧振；
[0105]圖24C示出了作為單獨(dú)諧振器操作的MLMT結(jié)構(gòu)的等效電路圖，其中通過向電路添加并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)諧振。
【具體實(shí)施方式】
[0106]在以下描述中，通過示例提出各種特定細(xì)節(jié)，以提供對(duì)相關(guān)教導(dǎo)的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以無(wú)需這些細(xì)節(jié)而實(shí)踐本教導(dǎo)。在其他實(shí)例中，以相對(duì)高層而無(wú)需其細(xì)節(jié)地描述了公知的方法、過程、組件和/或電路，以避免不必要地模糊本教導(dǎo)的各方面。
[0107]這里公開的各種技術(shù)一般涉及設(shè)計(jì)、操作并制造無(wú)線發(fā)送和/或無(wú)線接收系統(tǒng)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備，以及更具體地，涉及設(shè)計(jì)、操作并制造用于近場(chǎng)無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)發(fā)送和/或通信系統(tǒng)的高效結(jié)構(gòu)。
[0108]無(wú)線發(fā)送可以包括電能量、電磁能量和電功率的無(wú)線發(fā)送，例如實(shí)施例。此外，無(wú)線發(fā)送可以包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和信息的發(fā)送。在另一實(shí)施例中，可以一起發(fā)送或分離地發(fā)送電能量、電磁能量、電功率、電子數(shù)據(jù)和信息的組合，如在能量網(wǎng)絡(luò)中討論的實(shí)施例。還預(yù)想，這種無(wú)線發(fā)送可以同時(shí)發(fā)生或在時(shí)間間隔時(shí)段上發(fā)生。以下部分討論在能量網(wǎng)絡(luò)、功率網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和近場(chǎng)功率和數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)中的無(wú)線發(fā)送的實(shí)施例。
[0109]無(wú)線接收可以包括電能量、電磁能量和電功率的無(wú)線接收，例如實(shí)施例。此外，無(wú)線接收可以包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和信息的接收。在另一實(shí)施例中，可以一起接收或分離地接收電能量、電磁能量、電功率、電子數(shù)據(jù)和信息的組合，如在能量網(wǎng)絡(luò)中討論的實(shí)施例。還預(yù)想，這種無(wú)線接收可以同時(shí)發(fā)生或在時(shí)間間隔時(shí)段上發(fā)生。以下部分討論在能量網(wǎng)絡(luò)、功率網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和近場(chǎng)功率和數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)中的無(wú)線接收的實(shí)施例。
[0110]無(wú)線通信可以包括電能量、電磁能量和電功率的無(wú)線發(fā)送和接收，例如實(shí)施例。此夕卜，無(wú)線通信可以包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和信息的發(fā)送和接收。在另一實(shí)施例中，可以一起發(fā)送和接收或分離地發(fā)送和接收電能量、電磁能量、電功率、電子數(shù)據(jù)和信息的組合，如在能量網(wǎng)絡(luò)中討論的實(shí)施例。還預(yù)想，這種無(wú)線發(fā)送和接收可以同時(shí)發(fā)生或在時(shí)間間隔時(shí)段上發(fā)生。以下部分討論在能量網(wǎng)絡(luò)、功率網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和近場(chǎng)功率和數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)中的無(wú)線通信的實(shí)施例。
[0111]天線一般是通過其發(fā)出或接收電磁波的導(dǎo)體。天線可以包括但不限于引線或引線集合。諧振器一般是發(fā)生諧振的任意器件或材料，包括發(fā)生諧振的任意系統(tǒng)。諧振器可以是用于通過諧振檢測(cè)特定頻率出現(xiàn)的手段，還可以是具有該頻率特征的任意電路。此外，諧振器可以是按照周期性電振蕩會(huì)達(dá)到最大幅值的方式組合電容和電感的電子電路。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，天線通常在例如自諧振時(shí)或在與諸如電容器之類的另一電抗元件耦合以實(shí)現(xiàn)諧振時(shí)充當(dāng)諧振器。這樣，術(shù)語(yǔ)天線和諧振器在此通?；Q使用，并且一般被稱為結(jié)構(gòu)(例如，多層多匝結(jié)構(gòu))。
[0112]“趨膚效應(yīng)”一般是交變電流集中在導(dǎo)體外部或“皮膚”附近的趨勢(shì)。如圖1所示，針對(duì)通過同質(zhì)導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)單向電流，電流分布在橫截面上一般是均勻的；也就是說，電流密度在橫截面上的所有點(diǎn)是相同的。
[0113]在使用交變電流的情況下，隨著頻率增加，越來越多的電流移動(dòng)到表面。該電流沒有有效地利用導(dǎo)體的全部橫截面。因此，導(dǎo)體的有效橫截面減小，所以與針對(duì)均勻分布的電流的值相比，電阻和能量耗散增大。換言之，如圖2所示，由于趨膚效應(yīng)，電流密度在導(dǎo)體表面(也稱為“皮膚”)附近最大，并向橫截面中心指數(shù)衰減。
[0114]引線的有效電阻隨頻率顯著提高。在優(yōu)選實(shí)施例中，該頻率的范圍從大約10kHz到大約3MHz，更優(yōu)選地，從大約3MHz到大約10GHz。在需要工作在120KHz的大天線結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，使用大規(guī)格的引線/材料創(chuàng)建MLMT結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效性能是更有益的。
[0115]例如，對(duì)于lmm(0.04英寸)直徑的銅引線，IMHz頻率的電阻至多是dc值的四倍?！摆吥w深度”或“穿透深度” S頻繁用于評(píng)估趨膚效應(yīng)的結(jié)果。通常接受電流密度減小為其在表面處的值的大約Ι/e (大約37%)的導(dǎo)體表面以下的深度。術(shù)語(yǔ)“趨膚深度”因而被描述為電流密度下降到最大值的大約37%的橫截面內(nèi)的深度。該概念應(yīng)用于平面實(shí)體，但是可以擴(kuò)展到導(dǎo)體表面的曲率半徑略大于δ的其他形狀。例如，在60Hz頻率處，銅中的穿透深度是8.5mm (0.33英寸)；在1GHz處僅為6.6X l°_7m。趨膚深度是頻率的強(qiáng)函數(shù)，隨頻率增加而減小。該現(xiàn)象在圖3所示的圖示中顯示。
[0116]多層引線的基本概念是最大化整個(gè)引線橫截面上的可用電流密度，從而減小引線的本征電阻。通過使用其厚度約為趨膚深度的兩倍的導(dǎo)電層，確保了引線中所有點(diǎn)的電流密度大于或等于最大可能電流密度(在表面處)的?37%。通過使用其他層厚度，將會(huì)獲得不同的基礎(chǔ)電流密度。例如，通過使用大約趨膚深度4倍的層厚度，將會(huì)確保電流密度大于或等于最大可能電流密度(在表面處)的?14%。類似地，對(duì)于大約趨膚深度6倍的導(dǎo)體深度，電流密度大于或等于5%。
[0117]盡管在導(dǎo)電層保持高電流密度非常重要，但是同時(shí)，未使用的橫截面面積(即，絕緣層)整體盡可能小也非常重要。使用上述理論，多層引線的理想建議配置包括厚度/深度大約為趨膚深度兩倍的導(dǎo)電層和技術(shù)上盡可能薄的絕緣層。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，MLMT結(jié)構(gòu)可以在實(shí)施例中得到以下的趨膚深度:是無(wú)線通信中的有效導(dǎo)電區(qū)域，范圍從導(dǎo)體深度的近似一半到大約等于導(dǎo)體深度。另一方面，給定一些制造方法所施加的限制，設(shè)計(jì)MLMT結(jié)構(gòu)還會(huì)在實(shí)施例中導(dǎo)致如下的導(dǎo)體深度:能夠傳導(dǎo)信號(hào)，但是隨著工作頻率增加，并不一定完全使用，范圍從趨膚深度到趨膚深度的兩倍。
[0118]因此，在微波頻率上使用的波導(dǎo)和諧振腔內(nèi)表面通常覆蓋有高導(dǎo)電性材料(如，銀)，以減小能量損耗，因?yàn)閹缀跛须娏鞫技性诒砻妗＜僭O(shè)覆蓋材料與δ相比是厚的，導(dǎo)體與涂覆材料的實(shí)心導(dǎo)體一樣好?！捌焚|(zhì)因數(shù)” 一般被接受為測(cè)量諸如天線、電路或諧振器之類的裝置的效率的指標(biāo)(測(cè)量數(shù)字)?？自诖吮欢x為從一層到另一層的導(dǎo)電連接。
[0119]絞合線一般是由以纏繞和編織長(zhǎng)度的統(tǒng)一樣式束或編在一起的單獨(dú)的膜絕緣引線構(gòu)成的引線。[0120]現(xiàn)在詳細(xì)參考在附圖中示出且在下面討論的示例。圖4示出了用于無(wú)線功率和/或數(shù)據(jù)傳遞的諧振器(例如，天線)的高級(jí)圖示。該諧振器包括線圈100和多層引線101。線圈100的形狀可以是圓形、矩形、三角形、一些其它多邊形或共形，以裝配在受限的體積內(nèi)。圖4示出了具有圓形線圈100的形狀的線圈的一個(gè)示例性配置。線圈100的配置可以是螺線管形的、螺旋形的或者螺旋-螺線管形的。螺線管形線圈遵循螺旋曲線，該螺旋曲線具有多匝，每一匝具有相同的半徑。螺旋形線圈配置可以具有多匝，所述多匝具有逐漸增加或減小的半徑。螺旋-螺線管形線圈配置是螺旋形和螺線管形配置的組合。也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它配置來形成該線圈。
[0121]圖5A-5H示出了可以使用的不同天線配置的示例。圖5A示出了電路螺線管形配置102中天線的示例。圖5B示出了方形螺線管形配置103中天線的示例。圖5C示出了圓形螺旋形配置104中天線的示例。圖示出了方形螺旋形配置105中天線的示例。可以理解，還可以使用其他螺旋形配置，例如矩形或三角形形狀。圖5E示出了多層方形螺旋形配置106中天線的示例。應(yīng)該注意，盡管圖5E僅示出了兩層，可以理解，可以使用任意數(shù)目的層。如下面將描述的，當(dāng)使用多個(gè)層時(shí)，可以使用但不局限于孔(via)、焊料、接頭(tab)、引線、引腳或鉚釘來連接多個(gè)層。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)導(dǎo)體層少于或等于總的層數(shù)，可以并聯(lián)電連接。此外，在另一實(shí)施例中，并聯(lián)電連接的多個(gè)導(dǎo)體層可以與并聯(lián)電連接的第二多個(gè)導(dǎo)體層中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體層串聯(lián)電連接。這些連接體至少用于以下兩個(gè)目的:(1)連接體連接多層天線的天線層；以及(2)連接體將多層天線的一匝連接到多層天線的第二匝。例如，對(duì)于兩匝天線，從第一匝到第二匝至少存在一個(gè)孔。連接體還可以用于其它目的。
[0122]對(duì)于每個(gè)天線，存在連接體的最佳數(shù)目以及對(duì)于每個(gè)連接體的最佳位置。由于對(duì)此沒有閉式解析解法，所以最佳位置最好通過迭代建模來獲得。然而，在此給出用于優(yōu)化的基本準(zhǔn)則:
[0123].優(yōu)選地，存在連接形成單個(gè)導(dǎo)體的所有引線層的至少2個(gè)連接體。在理想情況下，這兩個(gè)連接體是多層引線的兩端(多層引線的輸入端和輸出端)。
[0124].優(yōu)選地，應(yīng)該與特定應(yīng)用的需求相當(dāng)?shù)?，來選擇連接體的總數(shù)。多于最佳數(shù)目的連接體將增加電流路徑，而這會(huì)導(dǎo)致電容增加、電阻增加、品質(zhì)因數(shù)降低和帶寬變高。還應(yīng)該注意，當(dāng)連接體的總長(zhǎng)度(高度、深度)大于特定工作頻率處的最佳值時(shí)，寄生效應(yīng)會(huì)變得更加突出。連接體的長(zhǎng)度大體上為連接體的高度，并且應(yīng)該將其保持為小于大約(有效波長(zhǎng))/20，盡管根據(jù)應(yīng)用，將其保持在波長(zhǎng)/10也可以導(dǎo)致可工作的實(shí)施例。這些限制的原因在于，增加的連接體長(zhǎng)度將在所使用的多層引線的不同層之間引入顯著的相位差。不同層之間的這些相位差將引起有害的電容效應(yīng)，而這將在實(shí)際上降低自諧振頻率并增加損耗。應(yīng)該提及，對(duì)于不使用附加組件(例如，電容器)并且結(jié)構(gòu)被用作自諧振諧振器的實(shí)施例，可以將深度大于(有效波長(zhǎng))/10的連接體(例如但不局限于孔)并入到天線的設(shè)計(jì)中。
[0125]孔可以具有在印刷電路板(PCB)技術(shù)中通常使用的形式(例如，通孔、埋孔、盲孔)或在半導(dǎo)體或MEMS技術(shù)中使用的形式。備選地，孔可以是但不局限于激光熔合、熔合、印刷、焊接、銅焊、濺射沉積、引線接合等的任意導(dǎo)電材料，以便至少電連接任意兩個(gè)層和/或所有層。
[0126]圖5F示出了圓形螺旋-螺線管形配置107中天線的示例。圖5G示出了方形螺旋-螺線管形配置108中天線的示例。圖5H示出了共形螺線管形配置109中天線的示例。共形配置中的天線可以具有但不局限于圓形或矩形螺線管形的形狀或圓形或矩形螺旋形的形狀。本系統(tǒng)可以使用圖5A-5H中示出的任意天線配置。
[0127]圖4的線圈100可以具有多匝110。匝可以是但不局限于引線中的彎曲、折疊或弧線，使得引線圍繞線圈111的中心軸點(diǎn)完成旋轉(zhuǎn)。匝可以具有與線圈配置相同或類似的形狀，例如但不局限于圓形、矩形、三角形、一些其它多邊形或共形，以裝配在受限的體積內(nèi)。圖6A示出了具有N層的單匝圓形線圈，其中“N”是等于或大于I的數(shù)。圖6B示出了 N層的雙匝圓形螺線管形線圈。
[0128]通常，對(duì)于任意感應(yīng)天線，電感按照Tx增加，而電阻按照Ty增加，其中T是匝數(shù)。在理想的導(dǎo)體中，X和y分別是2和I。存在影響電感和電阻(因此影響品質(zhì)因數(shù))的其他因素，使得X和y分別小于2和I。參考圖13，給出了三種性能示例。圖形將32層-2匝天線與32層-1匝天線以及64層-1匝天線進(jìn)行比較。在頻率范圍1ΜΗζ-200ΜΗζ中，32層-2匝天線的電感和電阻相對(duì)于32層-1匝天線分別增加3-3.5和1.7-3倍。該增加與根據(jù)簡(jiǎn)化解析關(guān)系所預(yù)計(jì)的值非常接近，在簡(jiǎn)化解析關(guān)系中，電阻近似T，電感近似T2。
[0129]圖4中的多層引線101可以具有但不局限于圓形、矩形、方形或三角形橫截面形狀。此外，也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它形狀。圖7A-7E示出了在天線的設(shè)計(jì)中可以使用的引線橫截面的示例。圖7A示出了具有圓形橫截面401的天線的示例。圖7B示出了具有矩形橫截面402的天線的示例。圖7C示出了具有方形橫截面403的天線的示例。圖7D示出了具有三角形橫截面404的天線的示例。圖7E示出了具有橢圓形橫截面405的天線的示例。圖7F示出了具有第一導(dǎo)電層410和第二導(dǎo)電層420的天線的矩形橫截面。除了上述實(shí)施例之外，多層引線101可以包括精密引線結(jié)構(gòu)、固定的靈活引線結(jié)構(gòu)或其組合。
[0130]絕緣材料430將第一層410與第二層420分離。第一層410和第二層420通過橫穿絕緣材料430的孔440連接。導(dǎo)電層410、420可以是導(dǎo)電的帶/條/片/葉片或沉積金屬的層，具有金屬厚度和金屬條帶寬度。第一層410的金屬厚度由線A-A標(biāo)識(shí)，第一層410的金屬條帶寬度由線B-B標(biāo)識(shí)。在一個(gè)示例中，層的金屬厚度可以近似為趨膚深度(skindepth)的兩倍。趨膚深度在從導(dǎo)體深度(conductor depth)的近似一半至大約等于導(dǎo)體深度的范圍中。匝中的每一層具有幾乎相同的金屬厚度和金屬條帶寬度。
[0131]絕緣材料的厚度可以是足以滿足應(yīng)用的需求，或者等于可用制造技術(shù)所可能的最小厚度。此外，整體結(jié)構(gòu)可行性取決于工作的頻率(如圖1的圖形所示)、相關(guān)成本和所使用的制造技術(shù)。通常，在PCB技術(shù)中，層的厚度由“芯材厚度(core thickness) ”和半固化片(pre-preg)厚度規(guī)定。在其它設(shè)計(jì)中，選擇非導(dǎo)電層的厚度以修改結(jié)構(gòu)的電氣行為。
[0132]典型PCB層疊包括芯材和半固化片的交替層。芯材通常包括銅箔接合在兩側(cè)的薄的電介質(zhì)。芯材電介質(zhì)通常是固化的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂。半固化片通常是未固化的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂。半固化片在加熱和壓制時(shí)固化(即，變硬)。最外層通常是銅箔接合在外側(cè)(表面箔)的半固化片。如圖18所示，層疊通常是關(guān)于板子的中心、沿著垂直軸對(duì)稱的，以避免在熱循環(huán)下在板子中的機(jī)械應(yīng)力。
[0133]針對(duì)13.56MHz處的應(yīng)用，給出導(dǎo)體和絕緣層厚度等于可用制造技術(shù)所可能的最小厚度的一個(gè)實(shí)施例。在13.56MHz處，趨膚深度大約為17.8微米。在理想情況下，導(dǎo)體深度應(yīng)該大約為35.6微米，絕緣厚度應(yīng)該盡可能小。然而，如圖19所示，在實(shí)際上，使用利用標(biāo)準(zhǔn)的、已制定的低成本技術(shù)的PCB制造方法，針對(duì)6層PCB板所獲得的制造層疊為大約71微米，近似為趨膚深度的4倍。此外，絕緣層大于導(dǎo)電層的3倍。先進(jìn)PCB技術(shù)(明顯更高的成本)可能允許較小的導(dǎo)體和絕緣深度。例如，目前處于研究階段的PCB技術(shù)可以允許低至5微米的導(dǎo)電材料(例如，銅)以及大約39微米的絕緣電介質(zhì)。諸如半導(dǎo)體制造和MEMS制造技術(shù)的其他技術(shù)可以允許更薄的層厚度，得到更接近理想的性能。如果使用半導(dǎo)體或MEMS制造，則導(dǎo)電層和絕緣層的厚度可以薄至幾百納米，或者更薄。在優(yōu)選實(shí)施例中，電介質(zhì)層厚度小于200微米，并且優(yōu)選地盡可能地絕緣，具有小于10的介電常數(shù)。
[0134]類似地，電介質(zhì)層可以由幾種材料制成，并且可以具有各種配置。例如，一些應(yīng)用可能需要極低的寄生電容。在這些情況下，具有可能的最小介電常數(shù)的非導(dǎo)電電介質(zhì)是優(yōu)選的。此外，可能希望增加絕緣層厚度以最小化寄生效應(yīng)。另一示例可以是針對(duì)可能需要鐵氧體材料以增加電感和/或增加磁屏蔽的應(yīng)用。在這種情況下，電介質(zhì)層可以由鐵氧體膜/塊或類似屬性的配置/材料替換。
[0135]因此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，絕緣材料可以具有一厚度，該厚度在用于制造該諧振器的制造技術(shù)的實(shí)際能力內(nèi)，并且與該諧振器所針對(duì)的應(yīng)用的效率需求兼容。
[0136]導(dǎo)電層的材料可以是銅或金，然而，其他材料也是可以的。為了增強(qiáng)導(dǎo)電性，也可以使用具有一層沉積銀的銅或金。在天線被植入并且可能暴露于體液的情況下，應(yīng)該使用通常已知的生物相容的材料，包括用于增強(qiáng)導(dǎo)電性的添加劑。這些材料可以包括但不局限于選自包括以下各項(xiàng)的組的導(dǎo)電材料:鈦、鉬和鉬/銥合金、鉭、鈮、鋯、鉿、鎳鈦合金、Co-Cr-Ni合金(例如MP35N、Havar _< ?、Eligiloy⑧)、不銹鋼、金及其各種合金、鈕、碳或任意其它貴金屬。取決于應(yīng)用，絕緣材料可以是(i)空氣，(?)具有低介電常數(shù)的電介質(zhì)(例如，泡沫聚苯乙烯、二氧化硅或任意適當(dāng)?shù)纳锵嗳莸奶沾?，(iii)具有高介電常數(shù)的非導(dǎo)電電介質(zhì)，(iv)鐵氧體材料，或(V)上面所列材料的組合。材料的選擇或材料的組合可以根據(jù)諸如制造過程、成本和技術(shù)需要的因數(shù)。例如，如果需要高電容效應(yīng)來影響天線的低自諧振頻率，高介電常數(shù)電介質(zhì)可能是優(yōu)選的，或者包括鐵氧體膜或鐵氧體塊的材料的組合可能是優(yōu)選的，以便增加天線的自感。此外，可以使用鐵氧體芯材來提供提升的性能。
[0137]圖8A-圖SB示出了不同多層引線橫截面配置的示例。圖8A示出了具有圓形橫截面510的多層引線。圖SB示出了具有矩形橫截面520的多層引線。在圖SB中，連接導(dǎo)電層540的孔530位于作為引線的開端的端口或輸入端550處。根據(jù)特定的應(yīng)用，連接導(dǎo)電層的孔530的定位會(huì)影響天線的性能。例如，不夠的孔可能導(dǎo)致不同層之間的相位差。相反，充足的孔可能導(dǎo)致附加的循環(huán)電流路徑，而這會(huì)增加電阻損耗?？卓梢晕挥谝€的開端(例如，端口、輸入端等)處，或者位于沿著引線的一個(gè)或多個(gè)位置處。此外，包括兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層的一個(gè)集合之間的孔可以位于與包括兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層的另一個(gè)集合不同的位置處。應(yīng)該理解，根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多種變型是可能的?？梢允褂脤?duì)于多層多匝結(jié)構(gòu)的制造所使用的技術(shù)而言標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)來制造孔。在其它情況下，可以使用焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)孔，例如，通過使用電焊、熔合接頭、激光熔合定位焊或其他公知電連接技術(shù)，在孔的位置處連接多個(gè)層。
[0138]如本文所述，優(yōu)選地利用高品質(zhì)因數(shù)(QF)來設(shè)計(jì)天線，以實(shí)現(xiàn)功率的有效傳遞，降低高頻處的天線的本征電阻損耗。品質(zhì)因數(shù)是設(shè)備所存儲(chǔ)的能量與設(shè)備損耗的能量之t匕。因此，天線的QF是天線的能量損耗與存儲(chǔ)的能量之比。承載時(shí)變電流的源設(shè)備(例如，天線)具有可以劃分為三個(gè)分量的能量:1)電阻能量(Wms)，2)輻射能量(Wrad)，以及3)電抗能量(Wra)。在天線的情況下，所存儲(chǔ)的能量是電抗能量，損耗的能量是電阻和輻射能量，其中，天線的品質(zhì)因數(shù)由等式Q = Wrea/(Wres+Wrad)表示。
[0139]在近場(chǎng)通信中，設(shè)備(在這種情況下，是天線)向周圍環(huán)境釋放輻射和電阻能量。當(dāng)必須在具有有限功率存儲(chǔ)器的設(shè)備(例如，具有尺寸約束的電池供電的設(shè)備)之間傳遞能量時(shí)，過多的功率損耗會(huì)極大地降低設(shè)備的性能效力。因此，近場(chǎng)通信設(shè)備被設(shè)計(jì)為最小化電阻和輻射能量，同時(shí)最大化電抗能量。換言之，近場(chǎng)通信受益于最大化Q。
[0140]例如，在電感耦合的系統(tǒng)中的設(shè)備之間的能量和/或數(shù)據(jù)傳遞的效率是基于發(fā)送機(jī)中天線的品質(zhì)因數(shù)(Ql)、接收機(jī)中天線的品質(zhì)因數(shù)(Q2)以及兩個(gè)天線之間的耦合系數(shù)(K)0能量傳遞的效率根據(jù)以下關(guān)系而變:eff~ K^Q1Qy更高的品質(zhì)因數(shù)指示天線的能量損耗與所存儲(chǔ)的能量之比較低。相反，較低的品質(zhì)因數(shù)指示天線的能量損耗與所存儲(chǔ)的能量之比較高。耦合系數(shù)(K)表示在兩個(gè)天線之間存在的耦合程度。
[0141]此外，例如，感應(yīng)天線的品質(zhì)因數(shù)根據(jù)以下關(guān)系而變:0=￥，其中f是工作頻
率，L是電感，R是總電阻(歐姆+輻射)。由于QF與電阻成反比，所以較高的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的品質(zhì)因數(shù)。
[0142]可以針對(duì)單匝線圈使用多層引線中的多層來實(shí)現(xiàn)較高的品質(zhì)因數(shù)。還可以使用增加線圈中的匝數(shù)來增加結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)。針對(duì)恒定頻率處的設(shè)計(jì)，可能存在最佳的層數(shù)，以達(dá)到最大品質(zhì)因數(shù)。一 旦達(dá)到該最大值，則隨著增加更多的層，品質(zhì)因數(shù)隨之降低?？梢杂糜诙鄬佣嘣呀Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量包括:
[0143]a.金屬條帶寬度wn(例如，W1:第一導(dǎo)電層的寬度，wk:第k導(dǎo)電層的寬度。)也稱為金屬寬度或條帶寬度
[0144]b.每匝的導(dǎo)電層的數(shù)目Nn(例如，第一匝中的層數(shù)N1)
[0145]c.每個(gè)導(dǎo)電層的厚度dn(例如，Cl1:第一層的厚度，dk:第k層的厚度)
[0146]d.絕緣厚度din(例如，Cli1:第一層之下的絕緣厚度)，dik:第k層之下的絕緣厚度)
[0147]e.匝數(shù) T
[0148]f.連接每一匝中不同導(dǎo)電層的孔的數(shù)目
[0149]g.連接每一匝中不同導(dǎo)電層的孔的位置
[0150]h.形狀(圓形、矩形、某種多邊形；取決于應(yīng)用；例如，可以是共形的，以恰好裝配在某個(gè)設(shè)備或組件外或內(nèi))
[0151]1.配置(螺線管形、螺旋形、螺旋-螺線管形等)
[0152]j.維度(長(zhǎng)度、寬度、內(nèi)徑、外徑、對(duì)角線等)
[0153]下面，描述基于上述參數(shù)的示例性多層多匝設(shè)計(jì)。
[0154]在一個(gè)示例中，天線可以是具有多層引線的單匝圓形線圈，如圖9A-9D所示。單匝線圈包括單阻，并且可以包括近似1.75mm的金屬條帶寬度、近似0.03mm的金屬厚度、近似0.015mm的絕緣層和近似5mm的外徑。引線可以具有在5至60之間的層，例如5、11、20、26、41或60層。例如，圖9A示出了具有I層的單匝天線，圖9B示出了具有11層的單匝天線，圖9C示出了具有20層的單匝天線，且圖9D示出了具有26層的單匝天線。盡管圖9A-9D示出了特定示例，但是應(yīng)該理解，引線可以具有少于5層或多于60層，以便實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)。針對(duì)5至60層范圍的對(duì)應(yīng)線圈厚度可以在近似0.2mm至3mm之間，例如分別為0.2、0.5、1、1.25、2.05、或3mm。如上所述，可以理解，通過改變引線中的層數(shù)、匝數(shù)、金屬厚度以及金屬條帶寬度，可以獲得更高的品質(zhì)因數(shù)。例如，對(duì)于具有0.03mm金屬厚度和1.75mm的金屬條帶寬度的I層單匝線圈，1MHz處的品質(zhì)因數(shù)近似為80。將層數(shù)從I增加至11并保持0.03mm的金屬厚度以及1.75mm的金屬條帶寬度，品質(zhì)因數(shù)增加為近似210。通常，每匝的層數(shù)的增加導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)的增加，直到達(dá)到最大值，然后，品質(zhì)因數(shù)開始降低。這種降低可能會(huì)在天線的總高度變?yōu)榕c其半徑相當(dāng)時(shí)出現(xiàn)。對(duì)于電子組件，由于寄生效應(yīng)(例如，電容和鄰近效應(yīng))極大地增加而開始劣化，而寄生效應(yīng)增加是由于多層導(dǎo)致的。在本示例中，將層增加至20、26、41和60分別導(dǎo)致近似212、220、218和188的品質(zhì)因數(shù)。
[0155]為了展示本教導(dǎo)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)方案的益處，形成本教導(dǎo)的模型，以與已知線圈進(jìn)行比較。假定使用實(shí)心引線(solid wire)來做出現(xiàn)有技術(shù)模型。對(duì)于具有半徑r、引線半徑a、匝N的圓形線圈，電感(L)和電阻由以下等式給出:
【權(quán)利要求】
1.一種用于無(wú)線通信的結(jié)構(gòu)，包括: 多個(gè)導(dǎo)體層； 將每個(gè)導(dǎo)體層分離的絕緣體層；以及 連接導(dǎo)體層中的兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)體層的至少一個(gè)連接體； 其中當(dāng)在一頻率處在所述結(jié)構(gòu)中感生電信號(hào)時(shí)，電阻是可減小的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)體層包括導(dǎo)電帶、導(dǎo)電條和沉積金屬中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其中從10kHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)選擇所述頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中所述頻率是10kHz到1GHz的范圍內(nèi)的頻帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)導(dǎo)體層中的每一個(gè)具有平行朝向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)導(dǎo)體層的數(shù)目小于或等于層的總數(shù)，并且并聯(lián)電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中并聯(lián)電連接的多個(gè)導(dǎo)體層與并聯(lián)連接的第二多個(gè)導(dǎo)電層中的一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中所述電信號(hào)包括能量信號(hào)、電流、電壓、功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)中的至少一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，具有大于100的品質(zhì)因數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，還包括從包括電阻器、電感器和電容器的組中選擇的電路元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)體層具有橫截面形狀，所述橫截面形狀是圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、三角形橫截面和橢圓形橫截面中的至少一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述連接體包括孔、焊料、接頭、引線、引腳、鉚釘?shù)戎械闹辽僖粋€(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)形狀，所述結(jié)構(gòu)形狀包括圓形螺線管形配置、方形螺線管形配置、圓形螺旋形配置、方形螺旋形配置、矩形配置、三角形配置、圓形螺旋-螺線管形配置、方形螺旋-螺線管形配置和共形螺線管形配置中的至少一個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)導(dǎo)體層具有至少一匝。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中由導(dǎo)電材料形成至少一個(gè)導(dǎo)體層，由電絕緣材料形成至少一個(gè)絕緣體層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，還能夠包括在包含諧振器、天線、RFID標(biāo)簽、RFID應(yīng)答器和醫(yī)療設(shè)備中的至少一個(gè)的器件中。
【文檔編號(hào)】H01Q1/36GK104037493SQ201310074946
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月8日
【發(fā)明者】維內(nèi)特·辛格, 克里斯廷·A·弗拉茲 申請(qǐng)人:紐卡潤(rùn)特有限公司