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【专利摘要】本文描述了具有导电体、磁转向器和通信装置的制品。磁转向器定位在导电体的外表面上。磁转向器覆盖导电体的大部分的外表面。通信装置定位在转向器的外表面上或者可凹入其中。通信装置能够与阅读器信号耦合。
【专利说明】智能电源
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及便携式电源，更具体地涉及电池。
【背景技术】
[0002]电池用于各种各样的消费品。一些电池是可再充电的，而其它电池是一次性的。利用可再充电电池的一些装置对使用者提供有关电池的剩余能量水平的指示，例如移动电话、MP3播放器、电动牙刷等。然而，有些利用可再充电电池的装置不对消费者提供有关剩余能量水平的指示。类似地，利用一次性电池的装置通常不对消费者提供有关一次性电池的剩余能量水平的指示。对于那些不对消费者提供剩余能量水平指示的装置来说，通常在电池(可再充电的或一次性的)中剩余能量水平低的唯一指示形式是装置性能的劣化。虽然消费者取出电池并在电池测试器中对其进行测试是可行的，但这样是不方便的，因为必须从装置中取出每个电池并进行测试，然后在装置内进行更换。
[0003]因此，需要这样的装置以及方法，其允许消费者检查一次性和/或可再充电电池的剩余电量水平，同时电池仍在运行的装置内。
【发明内容】
[0004]一种具有信号通信装置的物体，所述物体具有外表面，所述物体还包括:定位在所述物体的外表面上的RFID标签，所述RFID标签具有谐振频率和天线；和至少一个无源中继器，其具有与所述RFID标签的谐振频率相同的谐振频率，所述至少一个无源中继器定位在所述物体邻近所述RFID标签的外表面上，使得所述RFID标签与阅读器之间的信号耦合增加大于约10%。
[0005]一种包括第一物体和第二物体的系统，所述第一物体和所述第二物体中的每个具有外表面，所述系统还包括:定位在所述第一物体的外表面上的第一 RFID标签,所述第一RFID标签具有谐振频率和天线；和定位在所述第一物体的外表面上的第二 RFID标签，所述第二 RFID标签具有与所述第一 RFID标签的谐振频率类似的谐振频率，其中所述第一 RFID标签和所述第二 RFID标签向阅读器提供数据，并且其中所述第二 RFID标签邻近所述第一RFID标签定位，使得所述第一 RFID标签与阅读器之间的信号耦合增加大于约10%。
[0006]一种电子组件，包括:包括凹陷部的主体；至少一个设置在所述凹陷部内的一次性电源或可再充电电源，所述至少一个一次性电源或可再充电电源包括设置在所述至少一个一次性电源或可再充电电源的外表面上的RFID标签，所述RFID标签具有第一谐振频率；盖，其能够接合所述主体，使得当所述盖接合所述主体时，所述至少一个一次性电源或可再充电电源被覆盖；和邻近所述RFID标签设置的无源中继器，所述无源中继器具有第二谐振频率，其中所述第一和所述第二谐振频率是类似的。
[0007]—种制品,包括:导电体；定位在所述导电体的外表面上的磁转向器，所述磁转向器覆盖所述导电体的大部分的外表面；和能够与阅读器信号耦合的通信装置。【专利附图】
【附图说明】
[0008]要理解的是，前面的一般性描述和以下的【具体实施方式】描述各种实施例，并且旨在提供用于理解所要求保护的主题的实质和特征的框架概述。包括附图以提供对各实施例的进一步理解，并且将附图并入本说明书并使之构成本说明书的一部分。这些图示出了本文所述的各种实施例，并且连同本说明书一起来阐释受权利要求书保护的主题的原理和操作。
[0009]图1是显示可以在转向器中使用的各种材料的Q因子的图形表示。
[0010]图2A-2D是显示有关物体和阅读器的各种配置的示意图，其中所述物体包括磁转向器。
[0011]图3A是显示阅读器与具有通信装置的物体之间的布置的示意图。
[0012]图3B是显示包括无源中继器的图3A的物体的示意图。
[0013]图3C是显示包括多个无源中继器的图3A的物体的示意图。
[0014]图3D是显示一实施例的示意图，其中图3A的物体包括无源中继器，并且图3A的阅读器包括无源中继器。
[0015]图3E是显示另一实施例的示意图，其中图3A的阅读器包括无源中继器。
[0016]图4是显示第一物体与第一阅读器之间的信号耦合对比第二物体和第二阅读器的信号耦合的计算机模拟模型的图形表示，所述第二阅读器包括第二物体与第二阅读器之间的无源中继器。
[0017]图5是显示第一物体与第一阅读器之间的信号耦合对比第二物体和第二阅读器的信号耦合的计算机模拟模型的图形表示，所述第二阅读器包括邻近第二阅读器的无源中继器。
[0018]图6是显示一实施例的示意图，其中相对于阅读器布置多个物体。
[0019]图7A和7B是物体与阅读器之间不同的取向角的示意图。
[0020]图8是显示一实施例的示意图,其中物体包括多个天线。
[0021]图9是显示由图8的多个天线产生的辐射图的计算机模拟模型的图形表示。
[0022]图1OA和IOB是显示本发明的通信装置和/或天线的另一实施例的示意图。
[0023]图11是显示本发明的通信装置和/或天线的另一实施例的示意图。
[0024]图12A是显示本发明的通信装置和或天线的另一实施例的示意图。
[0025]图12B是显示图12A的通信装置和/或天线的第一端视图的示意图。
[0026]图12C是显示图12A的通信装置和/或天线的第二端视图的示意图。
[0027]图13A是显示对图8的天线的入射场的测量值的图形表示。
[0028]图13B是显示图13A的入射场的方向的示意图。
[0029]图14A是显示对于图8的天线的入射场的测量值的图形表示。
[0030]图14B是显示图14A的入射场的方向的示意图。
【具体实施方式】
[0031]定义:
[0032]下文阐述本发明众多不同实施例的广泛说明。本说明应被视为仅是示例性说明，并且未述及每一个可能的实施例，因为描述每一个可能的实施例即便是可能的话，也是不切实际的，并且应当理解，本文所述的任何特征、特性、组件、组成、成分、产品、步骤或方法均可被删掉、整个或部分地与本文所述的任何其它特征、特性、组件、组成、成分、产品、步骤或方法相组合或用后者取代。可使用当前技术或在本专利的提交日期之后开发的技术来实施众多可供选择的实施例，所述在本专利的提交日期之后开发的技术将仍然属于本权利要求的范围。
[0033]还应当理解的是，除非在本专利中用句子“如本文所用，术语‘_’特此被定义
为意指....”或类似的句子对术语进行明确的定义，否则并不意图以明确或暗示的方式将该术语的含义限制成超出其平常或普通的含义，并且此类术语不应被解释成局限于基于本专利的任何部分中所作出的任何陈述(除权利要求的措辞外)的范围。没有任何术语对本发明而言是必不可少的，除非这样规定。当在本专利中以符合单一意义的方式来提及本专利最后的权利要求书中叙述的任一术语时，只是为了清晰起见以便不使读者感到困惑，并非旨在隐含地或换句话讲将这种权利要求术语限制为该单一的含义。最后，除非权利要求要素是通过描述措辞“装置”和功能而没有描述任何结构来定义的，否则并不是意图基于35U.S.C.§ 112第六款的运用来解释任一权利要求要素的范围。
[0034]描述:
[0035]本发明的 装置可促进物体与阅读器之间的通信。例如，在使用RFID标签的情况下，RFID标签与阅读器之间的视线可有益于帮助RFID标签与阅读器之间进行通信。对于可以是取向中立的那些物体来说，RFID标签的位置对于确保可以在标签与阅读器之间实现通信来说可能是关键性的。例如，对于AA电池来说，取向通常仅受限于正极和负极的位置。同样地，在一些情况下可以这样定位AA电池上的RFID标签，使得其在电池的与阅读器相对的一侧上。这种定位可减小阅读器与RFID标签可彼此进行通信的可能性。
[0036]本发明的通信系统可用在许多不同的产品上。例如，本发明的通信系统可用在一次性和/或可再充电电池上。另外，可设想用在其它的消费品上。一些例子包括剃须凝胶罐、剃须泡沫罐等。另外，本发明的通信系统可用在诸如遥控玩具等的装置上。对于一次性电池或可再充电电池的情况，本发明的通信系统可允许消费者在不从电池工作的装置中取出电池的情况下接收一次性和/或可再充电电池的剩余能量水平的指示。另外，本发明的通信系统可允许消费者接收有关以下的附加信息，例如电池或电池组的任意长度的标识号，关于电池的和/或电池组的状态、历史等情况的信息，关于环境(例如温度、压力、电压、电流)的信息，关于电池正工作的装置的信息，或关于装置和/或电池或电池组的任何其它模拟信息。另外，本文描述的通信系统可用在任何圆柱形物体和/或其中期望全向传输的任何物体上。
[0037]在一些实施例中，通信系统可采用RFID (射频识别)技术。RFID技术采用按已知的频率传输RF(射频)信号的射频阅读器装置。RFID通信中使用的RFID标签通常包括天线和整流器。整流器将输入的RF频率转换为给RFID标签及其它电子电路供电的DC。电子电路包括存储器。当供电接通时，包含在存储器单元内的标识号被回转成RF信号并通过天线传输至阅读器。
[0038]RFID标签可定位在所关注的物品上和/或包含在所关注的物品内。除了回传标识号之外，标签还可以发送存储在电子电路的存储器部分中的进一步的信息。此类信息可以是相关的，以进一步将物品分类、获得更多关于物品的状态、历史情况等的信息。[0039]除了存储在存储器部分中的信息之外，电子电路可具有将关于环境的模拟信息转换成数字数据并将数字数据回传至阅读器的能力。此类数字数据可以是关于其内贴附标签的物品的温度、压力、电压、电流或任何其它模拟信息。
[0040]在一些实施例中，可采用转发器传输关于一次性电池或可再充电电池中的剩余能量水平的信息。这在一次性电池或可再充电电池处于装置内和/或附接于其上时是可以做到的。
[0041]在转发器提供一次性电池或可再充电电池的剩余能量水平的情况下，转发器可包括能够测量电池电压的传感器。转发器可以还包括模拟-数字转换器以将所测量的电池电压转换成具有足够位长的二进制数，以在电压测量中达到足够的分辨率。典型的分辨率可以为4位；然而，可以采用附加的位。例如，在要求或期望精确感测的情况下，可以使用16位长。相反，可以采用较低的分辨率。例如，在期望是/否操作或感测的情况下可采用I位。
[0042]转发器可以还包括数字存储器装置以存储转换的模拟测量值以及标签标识号及任何其它的相关数据。此外，转发器可以还包括调谐到阅读器的输入射频的天线以有效地接收输入的RF信号并将具有所需数据的输出RF信号传送至阅读器。
[0043]减少金属主体衰减
[0044]当将通信装置用在导电体上时意识到与为各种产品制作通信装置相关联的问题之一。自由空间无线电传播原理在高导电体附近不适用。另外，当在金属附近放置天线时，天线性能严重劣化。因此，简单地将RFID标签放置在电池上或者放置在带有导电体的物体上可能不会实现所需的效果，例如数据传送。值得注意的是，这一问题并不限于可再充电的/ 一次性的电池。例如，剃须凝胶、泡沫等的罐可能会因容器的导电性而遇到同样的问题。一般来说，挨着金属主体的RFID标签将阅读器与标签之间的信号耦合减小10x。
[0045]发明人已经发现，防止因金属邻近天线而产生的效果的一种方法是防止电磁场进入金属。例如，通过将具有合适的电磁特性和尺寸的材料放置在天线与金属表面之间，可以使电磁场围绕产品的金属/导电体转向。转向器材料的特性取决于所用的确切金属及RFID频率。磁转向器有效地将标签与罐隔离。
[0046]图1显示估计的品质因子(适于表征RFID标签的性能的数值)与频率的函数关系，对于磁性材料的不同电磁参数，频率在IOOkHz与20MHz之间，并且金属为软钢。高品质因子通常对应于较好的读数范围以及RFID标签的天线中较高的感应电压。
[0047]如图所示，最佳估计的转向材料是自由空间(由曲线110表示)，其在所有的材料中达到了最高的品质因子。然而，这一命题是不现实的，因为一般而言空间限制是存在的。对于曲线120、130和140，变量μ是磁导率，且变量δ (西格玛)是以西门子/米为单位表示的电导率。图1的总趋势表明，对于给定的μ，具有较低电导率的转向器材料对通信装置与阅读器之间的信号耦合干扰较少。
[0048]如果磁性材料的磁导率远高于金属的磁导率，则其将使电磁场远离金属物体转向。并且因此，金属中的涡流和损失将会大大减少，并且天线中的感应电压将会增加。由于这种功能的原因，所述磁性材料被称为“磁转向器”。磁转向器的高磁导率增加天线的电感并减少标签前端的谐振频率。但是，通过考虑转向器的磁特性来设计天线或者通过减小前端LC电路中的并联电容值可以很容易地对此予以补偿。已经确定的是，μ >100的值可确保良好的性能。[0049]磁转向器材料的电导率必须要比金属的电导率低得多。这通常是通过使用基于铁氧体的材料实现的。对于普通的软钢，转向器的相对磁导率应在100以上。磁转向器的厚度将取决于磁导率，并且100 μ m以下的厚度是可能的。在一次性电池或可再充电电池的情况下，可限制转向器的厚度，使得包括转向器在内的电池的总体尺寸与目前采用的标准尺寸相同。
[0050]如图2A-2D所示，显示的制品210包括导电体240、磁转向器250和通信装置220，如RFID标签。有关设置在制品210上的通信装置220和磁转向器250，可能有若干不同的布置。在一些实施例中，可以将转向器250放置在通信装置220下面，其覆盖的面积等于或大于通信装置220的面积。在一些实施例中，转向器250可完全包围导电体240。如图2A中所示，可以将制品210取向成使得通信装置220邻近阅读器230定位。
[0051]如图2B中所示，据信可以将制品210定位成使得通信装置220相对着阅读器230设置并且仍可提供足够的信号耦合-当然前提条件是利用磁转向器250。
[0052]如图2C中所示，据信可以布置一系列制品210A和210B，使得在阅读器230与第一通信装置220A和/或第二通信装置220B之间可发生足够的信号耦合。如图所示，可如此前针对制品210的描述来构造制品210A和210B。即，第一制品210A可包括导电体240A、磁转向器250A和第一通信装置220A。类似地，第二制品210B可包括导电体240B、磁转向器250B和第二通信装置220B。如图所示，可将第二制品210B取向成使得第二通信装置220B紧邻弟一制品210A定位。
[0053]如图2D中所示，据信即使当将第二制品210B取向成使得第二通信装置220B远离第一制品210A定位时，在第二通信装置220B与阅读器230之间也可实现足够的信号耦合。类似地，可设想其中第一通信装置220A邻近阅读器230定位的实施例和其中第一通信装置220A远离阅读器230定位的实施例。
[0054]由于磁转向器250、250A、250B的原因，通信装置220、220A、220B中的磁通量和感应电压可足以使通信装置220、220A、220B正常操作，即使将天线定位成远离阅读器230并且在制品210、210A、210B的相对侧上。
[0055]如图2A-2D中所示，转向器250、250A、250B可覆盖制品的大部分的外表面。在一些实施例中，转向器250、250A、250B可覆盖超过约50%、超过约60%、超过约70%、超过约80%、超过约90%、小于约100%、小于约90%、小于约80%、小于约70%、小于约60%、小于约50%的外表面,或其内的任何数值或任何范围或包括这些值。
[0056]如前所述，制品或产品的总体尺寸可以是关键性的。如本文所建议的那样，在一些实施例中，转向器可具有最小的厚度。然而，包括通信装置(例如RFID标签)，对于此类应用可能是很难的。发明人已经发现，可以使RFID标签在转向器中凹陷。在一些实施例中，转向器可包括凹陷部。可以将通信装置(例如RFID标签)设置在凹陷部中。可以将通信装置的天线设置在转向器的外表面上。
[0057]可设想这样的实施例，其中对消费者提供与制品分开的转向器。例如，消费者可获得转向器，并且将转向器固定到期望获得数据的制品上。转向器可包括已经预先附接的通信装置，或者消费者也可以获得与转向器分开的通信装置并使之附接于其上。在一些实施例中，可以将转向器从制品中取出并重新用在后面的制品上。对于此类实施例，由通信装置对阅读器提供的信息可能会受到限制。例如，如果制品是一次性电池或可再充电电池，则将必须对通信装置和/或电池进行改装，使得通信装置可提供有关电池剩余电量水平的信
肩、O
[0058]增加信号耦合
[0059]如上所述，当将通信装置用在导电体上时意识到与为各种产品制作通信装置相关联的问题之一。另外，当在金属附近放置天线时，天线性能严重劣化。一般来说，挨着金属主体的RFID标签将阅读器与标签之间的信号耦合减小10x。
[0060]发明人已经发现，通过将类似经调谐的RFID标签和/或无源调谐的环放置在期望被读取的RFID标签附近，所期望的RFID标签的读出范围发生增加。这种解决方案可在期望与阅读器信号通信的多种产品中实施。
[0061]如图3A和3B所示，系统300可包括物体310 (例如电池)、通信装置320和阅读器330。在操作中，阅读器330 (例如RFID阅读器)或启用NFC (近场通信)的智能电话、启用NFC的手持式装置可从通信装置320中读取数据。可将通信装置320 (例如RFID标签或其它谐振RF电路、智能传感器等)设置在物体310的外表面350上或其中。为了增加通信装置320可以广播的距离，系统300可包括经调谐的中继器340。可将中继器340定位在物体310上，或者可将其邻近物体310定位。
[0062]在一些实施例中，通信装置320可包括RFID标签。在此类实施例中，RFID标签可具有谐振频率和天线。对于其中包括中继器340这样的实施例，可类似于RFID标签那样调谐中继器340。例如，中继器340可具有与第一谐振频率类似的第二谐振频率。
[0063]即使当通信装置320背对阅读器330时，经调谐的中继器340也能促进由通信装置320耦合到阅读器330里的能量的增加量。一般来说，耦合到阅读器里的能量的量随着与通信装置320的距离的增加而减少。然而，随着调谐到与通信装置320 (例如RFID标签)和阅读器330相同频率的中继器的加入，通信装置320与阅读器330之间耦合的能量的量增加。下文针对图4和5讨论在利用无源中继器340的情况下通信装置320与阅读器330之间信号耦合的增加。
[0064]现在参考图3C，在一些实施例中，系统300C可包括物体310(例如电池)、通信装置320和阅读器330。在操作中，阅读器330可自通信装置320读取数据。可以将通信装置320定位在物体310的外表面350上或定位在其中。与系统300形成对比的是，系统300C为了增加通信装置320可广播的距离，系统300C可包括多个中继器340，342。可以将中继器340，342定位在物体310上，或者可以将它们邻近物体310定位。虽然仅显示了两个中继器340和342，但可设想其中可采用两个以上中继器的实施例。
[0065]对于采用多个中继器的那些实施例，例如图3D中所示的系统300D，可以将中继器中的至少一个(例如342D)邻近所述物体定位。系统300D可包括物体310 (例如电池)、通信装置320和阅读器330。在操作中，阅读器330可以从通信装置320读取数据。可以将通信装置320定位在物体310的外表面350上或定位在其中。系统300D可以还包括第一中继器340D和第二中继器342D。可以将第一中继器340D定位在物体310的外表面350上，类似于通信装置320。可以将第二中继器342D邻近物体310定位。例如，如图所示，可以将第二中继器342D定位在阅读器330上，例如在第一中继器340D与阅读器330之间。作为另外的选择，据信可以将第二中继器342D邻近阅读器330放置以提供增加通信装置320与阅读器330之间的信号耦合的类似效果。[0066]参考图3E，可设想其中系统300E包括物体310 (例如电池)、通信装置320和阅读器330的实施例。在操作中，阅读器330可以自通信装置320读取数据。可以将通信装置320定位在物体310的外表面350上或定位在其中。系统300E可以还包括中继器340E。可以将中继器340E邻近物体310定位，例如在通信装置320与阅读器330之间。作为另外的选择，据信可以将中继器340D邻近阅读器330放置以提供增加通信装置320与阅读器330之间的信号耦合的类似效果。
[0067]可设想另外的实施例，其中将多个中继器设置在所述物体上以及与其邻近设置，例如设置在阅读器上。可设想其它实施例，其中阅读器包括多个中继器，而所述物体包括通信装置320。
[0068]再参考图3B，对于利用定位在物体310的外表面350上的单个中继器或多个中继器的那些实施例，可以将中继器与通信装置320和/或其天线间隔开，使得中继器不与通信装置320和/或天线物理接触。间隙375可以在中继器与通信装置320之间。在一些实施例中，间隙375可大于约1mm、大于约5mm、大于约10mm、大于约20mm、大于约30mm、大于约40mm、大于约50mm、大于约60mm、大于约70mm、小于约75mm、小于约70mm、小于约60mm、小于约50mm、小于约40mm、小于约30mm、小于约20mm、小于约IOmm,或为包括所提供的值或在所提供的值范围内的任何值和/或任何范围。
[0069]如图3A-3E所示，中继器340，340D, 342和/或通信装置320可适形于物体310的外表面350。中继器可覆盖物体310的大部分的外表面350和/或物体的大部分的周边。中继器总共可覆盖至少约20%、至少约30%、至少约40%、至少约50%、至少约60%、至少约70 %、至少约80 %、至少约90 %和/或小于约90 %、小于约80 %、小于约70 %、小于约60 %、小于约50%、小于约40%,或包括上述值或在上述值范围内的任何值和/或任何范围。类似地，通信装置320可覆盖圆柱形物体310的大部分的外表面350和/或物体的大部分的周边，如上文针对中继器所进行的描述。
[0070]据信通过使通信装置320和/或中继器适形于物体的外表面350，可以按各种角度提供通信装置320与阅读器330之间的信号通信。例如，在通信装置其表面在远离阅读器的方向上取向的情况下，包括中继器或者通过使通信装置适形于物体的周边，仍然能够建立起阅读器与通信装置之间的信号通信。
[0071]关于物体的周边，上述的覆盖范围是大致垂直于物体的长尺寸截取的截面的周边。
[0072]如前面所提到的那样，据信包括中继器可增加通信装置320与阅读器330之间的信号耦合。图4以图形的方式示出在通信装置与阅读器之间不利用中继器的系统同利用无源中继器的系统之间的信号耦合的差异。
[0073]如图4中所示，曲线470显示彼此隔开64_定位的通信装置与阅读器之间的信号耦合的计算机模拟模型。在曲线470的峰处，信号耦合为大约2.0%。曲线480表示利用至少一个定位在通信装置与阅读器之间的中继器的那些实施例的信号耦合。与曲线470形成对比的是，在曲线480的峰处，信号耦合为约3.7%。如此，据信在通信装置与阅读器之间包括中继器可使信号耦合增加约85%。无源中继器的存在可改变附近的谐振器的谐振频率，并且需要精细的系统级调谐以保持所有的电路处于谐振。如此，曲线480的峰可以与曲线470的峰偏离。[0074]可以实现任意合适百分比的信号耦合的增加。例如，在一些实施例中，信号耦合的增加可大于约I %、大于约5%、10%、大于约20 %、大于约30 %、大于约40 %、大于约50%、大于约60%、大于约70%、大于约80%、大于约85%、大于约90%、大于约100%、小于约90%、小于约85%、小于约80%、小于约70%、小于约60%、小于约50%、小于约40%、小于约30%、小于约20%，或为包括上文所提供的值或在上文所提供的值范围内的任何数或任何范围。
[0075]图5以图形的方式示出不利用中继器的系统与利用邻近阅读器的无源中继器的那些系统之间的信号耦合的计算机模拟模型的差异。
[0076]如图5中所示，曲线570显示彼此隔开定位的通信装置与阅读器之间的信号耦合。在曲线570的峰处，信号耦合为大约4.00%。曲线580表示利用至少一个邻近阅读器定位的中继器的那些实施例的信号耦合。与曲线570形成对比的是，在曲线580的峰处，信号耦合为约4.40%。如此，据信在通信装置与阅读器之间包括中继器可使信号耦合增加约10%。在一些实施例中，这种配置可产生较低的信号耦合增加或较高的，例如大于1%、大于2%、大于3%、大于5%、大于约7%、大于10%、大于约12%、大于15%、小于约12%、小于约10 %、小于约9 %、小于约8 %、小于约7 %、小于约5 %、小于约3 %、小于约2 %，或包括这些值或在这些值范围内的任何数或任何范围。与图4中所示的曲线类似的是，包括无源中继器可使曲线580的峰相对于曲线570的峰偏移。
[0077]参考图6，已发现使用彼此邻近的多个通信装置(例如RFID标签)可类似地增加所需通信装置与阅读器之间的信号耦合。例如，系统600可包括多个物体(例如610A、610B、610C、610D、610E和610F)和阅读器630。在一些实施例中，所述物体(例如610A、610B、610C、610D、610E和610F)中的每个可分别包括通信装置，例如620A、620B、620C、620D、620E和620F。可以将通信装置中的每个定位在其相应物体的外表面上。在操作中，阅读器630将把信号传输到通信装置(例如620A、620B、620C、620D、620E和620F)中的至少一个或者传输来自所述通信装置中的至少一个的信号。
[0078]通信装置(例如620A、620B、620C、620D、620E和620F)中的每个可具有彼此类似
的谐振频率。
[0079]因为可通过采用通信装置来实现信号耦合的增加，所以在前面包括中继器的实施例中可采用通信装置。由于成本原因，为通信装置更换每个中继器实现起来可能是昂贵的。然而，可设想其中系统包括多个通信装置和至少一个中继器的实施例。可以使多个通信装置单独地适形于相应物体的外表面，其中各物体彼此相邻定位。另外，可以将至少一个通信装置定位在多个物体中的物体的至少一个与阅读器之间。
[0080]可设想其中物体为一次性电池或可再充电电池的实施例。对于此类实施例及本文描述的所有实施例，所建议的通信装置可包括能够测量电池电压的电子传感器、可将所测量的电池电压转换成二进制数的模拟-数字转换器、存储器装置、前端电路和天线。
[0081]模拟-数字转换器应具有足够的位长以将所测量的电池电压转换成具有相同位长的二进制数，以在电压测量中实现足够的分辨率。可利用存储器装置来存储转换的模拟测量值以及标签标识号及任何其它的相关数据，例如物体的历史情况、使用物体的历史情况等。
[0082]可利用前端电路将来自阅读器的输入信号转换成DC电流以对通信装置供电。对于此类实施例，通信装置可以是无源的。具体来说，在通信装置从来自阅读器的RF信号或者从另外的来源间接地获得功率的情况下，通信装置是无源的。相反，在通信装置与电源电连通的情况下，电源不是数据信号，通信装置是有源的。在本文描述的任何实施例中的通信装置可以是无源的或有源的或混杂的(被辅助的电池，以连续地“听”而不为了操作范围的改进而由阅读器供电)。在一次性电池或可再充电电池的情况下，无源通信装置是弓I人注目的，因为它们不需要来自一次性电池或可再充电电池的功率。前端电路可进一步地按预先确定的协议将存储器的内容回传到阅读器。
[0083]可以将天线调谐到输入射频，以有效地将输入信号(例如射频)传送到前端电路当中，并且重新发射用数字数据的内容调制的相同信号返回到阅读器。
[0084]对于其中物体是一次性电池或可再充电电池的那些实施例，确定电池的剩余电量水平对于消费者来说变得更为容易。例如，通过采用此前描述的中继器和/或通信装置，阅读器与物体之间的信号耦合得以增加。
[0085]作为信号耦合增加的例子，在一些实施例中，系统可包括电子装置。电子装置可包括凹陷部，至少一个物体(例如一次性电池或可再充电电池)定位在其中。通过采用此前描述的中继器或通信装置，消费者可以在一次性电池或可再充电电池仍处于电子装置内时能够获得有关一次性电池或可再充电电池中的剩余能量的信息。例如，遥控玩具中的电池可以利用本文所描述的发明。可以将电池定位在凹陷部中并配备通信装置。用于密封凹陷部和电池的门可包括单独的通信装置和/或中继器。这可允许使用者在电池仍被定位在电子装置内时确定电池的剩余使用寿命。
[0086]可以将附加信息提供给消费者。例如，关于电池的历史情况的数据，例如最后测量的电池电压，测量电压的日期和时间。这可有利于提供可再充电或一次性电池的预计剩余寿命。
[0087]电子装置可包括与电子装置的一部分接合的盖以至少部分地覆盖物体(例如一次性/可再充电电池)。根据此前描述的实施例，所述盖可包括中继器或通信装置，以便增加一次性电池或可再充电电池与接收器之间的信号耦合。对于其中盖包括通信装置的那些实施例，通信装置可对消费者提供有关电子装置的附加信息。阅读器可以被编程以基于装置负载信息计算并显示剩余工作时间。可设想这样的实施例，其中盖所包括的中继器或通信装置为标贴，由消费者后来将其附接于盖。类似地，可设想这样的实施例，其中中继器或通信装置为标贴并且被施加到接收器上。
[0088]如前面所描述的那样，中继器可包括类似于通信装置的经调谐的无源环。在一些实施例中，中继器可包括多个通信装置，例如RFID标签。
[0089]旋转多样性
[0090]可能发生的另一问题是由于物体/制品的旋转取向。一般来说，通信装置的配置用于以在与天线平行的位置上的接收器进行读出。自物体端部的读出是不可能的。类似地，当阅读器平行于物体但垂直于标签天线时，读出是不可能的。
[0091]通常在物体的两侧之间信号幅度不平衡。如图7A所示，辐射图的峰是当阅读器730面对通信装置720时。相反，如图7B所示，辐射图在当阅读器730垂直于通信装置720旋转时减至零。另外，与当天线相互面对时的情况相比，当通信装置720刚好在相对侧上时，读出范围显著地较低。[0092]如图8所示，系统800可包括接收器830和通信装置820。通信装置820可包括第一天线82IA和第二天线82IB。来自第二天线82IB的信号可通过相移电路(RC电路)以将第二环的电压偏移90度，以将同相电压带到模拟加法器电路的输入端。所得到的电压被施加到RFID收发器815的输入端。在此类实施例中，来自第一天线821A的信号可不通过相移电路。
[0093]天线821可设有用于以另外的角度增强信号耦合的附加部分。对于包括附加部分的那些实施例，也可以包括相移网络，用于组合来自所有同相天线的信号。可以通过任意合适的装置来完成相移。例如，可通过无源RLC网络来完成相移。
[0094]作为阅读器天线的平面与通信装置天线821之一的平面之间的角度 的函数，2天线配置中的感应信号为V = A^sine+cose)并且从来不会降至零。图9中给出了与单天线的所计算的辐射图相比计算的所得到的辐射图以及单位圆。
[0095]如图9所示，弓形线940显示采用如上所述的第一天线821A和第二天线821B的辐射图的计算机模拟模型。弓形线950显示对于单天线所计算的辐射图。
[0096]可设想其中阅读器包括类似于天线821构造的天线的实施例。即，阅读器的天线可包括互相偏离特定角度(例如90度)的第一部分和第二部分。另外，可设想这样的实施例，其中物体包括如此前描述的天线821，并且阅读器包括类似于天线821配置的天线。对于其中阅读器包括类似于天线821配置的天线的那些实施例，可在天线821和/或阅读器的天线中采用附加部 分。
[0097]针对图8和9描述的实施例可以在此前成问题的阅读器的取向角度下提供阅读器与物体之间增加的信号耦合。
[0098]针对图13A和13B以及图14A和14B提供基于使用如图8和9中所描述的多个天线的原型的测量结果。关于图13A和13B，入射场的测量结果是相对于具有关于物体1310的方向1380的场取得的。曲线1360显示相对于物体1310在不同的角度下测量的值。相比之下，曲线1340显示所计算的值。如曲线1340和1360两者所示，在180度与270度之间的区域中，测量值与所计算的值相差的差额比图13A中任何地方都大。然而，辐射图关于物体1310在方向1380上是相当均匀的。所以，针对图8和9所描述的实施例可关于物体1310在方向1380上产生旋转多样性。
[0099]关于图14A和14B,入射场的测量结果是相对于具有关于物体1310的方向1480的场取得的。曲线1460显示相对于物体1310在不同的角度下测量的值。相比之下，曲线1440显示所计算的值。如曲线1440和1460两者所示，在270度与O度之间的区域中，测量值与所计算的值相差的差额比图14A中任何地方都大。然而，类似于图13A中所示的曲线，辐射图关于物体1310在方向1480上是相当均匀的。所以，针对图8和9所描述的实施例可关于物体1310在方向1480上产生旋转多样性。
[0100]物体的旋转取向:
[0101]可采取另外的措施以确保减小空角的范围。一般来说，任意两个环天线之间的读出范围对于两个天线相对于彼此的所有角位置来说是不统一的。在有一些角度时，由于缺少磁耦合，读出是不可能的。此类角度被称为“空值”。
[0102]如前所述，可以使矩形环天线弯曲以适形于物体的外周边；然而，在这种配置中，当阅读器平行于圆柱体定位并绕圆柱体轴线旋转(相当于阅读器被固定并且圆柱体绕其自身的轴线旋转)时，适形的矩形天线内在地倾向于物体的一侧而非另一侧。如此，当矩形天线面对接收器时，信号耦合良好。然而，当矩形天线背离接收器时，矩形天线与接收器之间的信号耦合减少。如此，物体的旋转可导致出现空值。
[0103]如前面所讨论的那样，采用中继器可弱化这个问题。针对图3A-6对中继器有详细的讨论。
[0104]另外，为了试图提高两侧之间信号幅度的对称性，发明人已经为通信装置设计了独特的配置。所述配置可包括通信装置或者可仅包括通信装置的部分。例如，在一些实施例中，独特的配置可包括通信装置的天线。为清楚起见，将参考所述通信装置，并且涵盖整个通信装置的配置或其部分，例如天线。
[0105]所提出的通信装置可提高物体的两侧之间及其周围360度的信号幅度的对称性。如图1OA和IOB所示，在物体1010具有圆柱形状的情况下可以设置通信装置1020。通信装置1020可包括邻近物体1010的第一端1080设置的第一部分1020A和邻近第二端1090设置的第二部分1020B。第一部分1020A和第二部分1020B可纵向偏尚。第一部分1020A可在物体1010的圆周(外周边)周围延伸约180度。相比之下，第二部分1020B可在物体1010的圆周(外周边)周围延伸约180度。第一部分1020A所涵盖的180度可对应于零度到180度，而第二部分1020B所涵盖的180度可对应于180度到360度。如此由第一部分1020A进行的物体1010的180度扫描可与由第二部分1020B进行的物体1010的180度扫描相反。
[0106]图1OA和IOB的通信装置1020的配置可偏移空角，这有助于从在90度的那侧进行读取，例如当阅读器垂直于天线时。可以将空值偏移到约45-60度，这是不便的角度，并且消费者不期望使用它。
[0107]虽然图1OA和IOB显示物体1010为圆柱体，但上述通信装置1020可应用于任意尺寸和/或形状的任何物体。例如，9伏电池通常是非圆柱形的，而是更多地具有矩形截面。可以按类似的方式将类似于上述通信装置1020的通信装置应用于9伏电池。如图11所示，物体1110可以是非圆柱形的，并且仍利用通信装置1120。再次地，为了清楚起见，可类似于通信装置1020那样配置通信装置1120，或者可如此前针对通信装置1020的天线所描述的那样配置通信装置1120的天线。
[0108]天线1120可包括第一部分1120A和第二部分1120B。可以将第一部分1120A设置在第一面1150和侧面1152的一部分上。可以将第二部分1120B设置在第二面1160和侧面1152的一部分上。
[0109]对于非圆柱形的那些物体，可采用物体的外圆周来近似由天线或其部分所涵盖的扫描度数。例如，回过来参考图11，物体1110的面1175可以被包围，并从而用来近似由天线或其若干部分所涵盖的扫描角度。
[0110]据信采用本文描述的天线1020和1120可提供更平衡的信号辐射图。另外，采用天线1020和1120可允许使阅读器邻近物体(例如1010，1110)的端部，并且仍然可读取来
自通信装置的数据。
[0111]本文描述的天线和/或通信装置的设计可极大地影响由阅读器接收信号困难的区域。虽然最大读出范围部分地取决于发射功率，但空值的位置完全依赖于天线的几何形状和物理布置，并且完全不依赖诸如功率、电感、谐振频率等的其它电参数。[0112]在圆柱体的相对侧闭合的标签天线的弯曲侧可提供在物体的端部上的读出，与常规的天线相反。然而，根据天线的设计情况，通过改变所谓的天线的“长宽比”可以改变空值的角位置。长宽比由圆柱体直径D与天线的长度I的比例限定，即D/1。圆柱体的直径是根据物体的尺寸而给定的参数，但可以通过在物体长度的限制范围内改变天线的长度而改变所述比例。对于其中D/1接近零的情况(无限长的天线)，标签天线将近似平面的环天线，并且空值的角位置将接近物体的端部。相比之下，可以迫使I接近零，从而使D/1接近无穷大。对于此类情况，天线可近似卷绕物体的环天线。在这种情况下，空值将被旋转90度到圆柱体侧壁。通过改变天线的长度，有可能将空值的位置移动到在这两个极限之间中的任意位置，这取决于其中在本申请中被认为是“自然”或“直观”读出范围的情况。
[0113]通过调节天线几何形状来将天线辐射图的空值偏移到任何期望的角位置的原理将适用于任意数目的天线和装置类型，并不限于圆柱形物体。
[0114]可设想其中物体配置有针对最终用途而量身定制的天线的实施例。例如，在期望阅读器读取物体的端部的情况下，可以提供配置成允许读取物体的端部的第一天线。在期望阅读器读取物体的侧部的情况下，可以提供配置成允许读取物体的侧部的第二天线。所以，在物体是AA电池的情况下，第一 AA电池可包括允许读取AA电池的端部的第一天线。另夕卜，第二 AA电池可包括允许读取第二 AA电池的侧部的第二天线。
[0115]可以将多个第一 AA电池封装在一起。可以将多个第二 AA电池封装在一起。另外，在一些实施例中，可以将第一 AA电池和第二 AA电池封装在一起,或者将其一或两者的多个
封装在一起。
[0116]可设想其中物体包括结合了本文描述的若干方面的通信装置的实施例。例如，物体可包括具有如图12A中所示配置的通信装置。可类似于图10和11中所示的通信装置1020和1120来配置图12A中所示的通信装置1220和/或天线。如此，通信装置1220可包括具有第一部分1221A和第二部分1221B的天线1221。第一部分1221A和第二部分1221B可彼此相对定位-都在物体的相对端上，而且也在相对面上。
[0117]通信装置1220可以还包括具有第一部分2420A和第二部分2420B的第二天线2420。第一部分2420A和第二部分2420B可彼此相对定位-都在物体的相对端上，而且也在相对面上。
[0118]图12B和12C显示第一天线1221与第二天线2420之间的重叠。图12B显示当从第一端1280向第二端1290看时观察到的通信装置1220。第一天线1221的第一部分1221A可覆盖圆柱形物体的约180度。该180度可以在第一象限I和第四象限IV。类似地，第二天线的第一部分2420A可覆盖圆柱形物体的约180度。该180度可以在第三象限III和第四象限IV。第一天线1221的第一部分1221A和第二天线2420的第一部分2420A可以在第四象限IV(例如区段2021)彼此重叠。
[0119]第一天线1221的第二部分1221B可覆盖圆柱形物体的约180度。由第一天线的第二部分1221B覆盖的180度可以与由第一部分1221A所覆盖的相对。例如，由第二部分1221B覆盖的180度可以在第二象限II和第三象限III。类似地，第二天线2420的第二部分2420B可覆盖圆柱形物体的约180度。由第二部分2420B覆盖的180度可以与由第一部分2420A所覆盖的相对。例如，由第二部分2420B覆盖的180度可以在第一象限I和第二象限II中。第一天线1221的第二部分1221B和第二天线2420的第二部分2420B可以在第二象限II中(例如区段2022)彼此重叠。
[0120]对于大多数物体，可将第一天线1221和第二天线2420定位成使第一天线1221定位在第二天线2420内或者反过来。在空间限制成问题的情况下，可顺序地定位第一天线1221和第二天线2420，使得第一天线1221的第一部分1221A直接定位在第二天线2420的第一部分2420A后面。在一些实施例中，可以将图12A-12C中描述的天线印刷在柔性基板的两侧上。这可有助于使增加到物体上的总尺寸最小化。
[0121]对于图12A-12C中描述的实施例，通信装置1220可包括相移器以使电压在第一天线1221与第二天线2420之间同相。
[0122]此前已提供了若干实施例，其可提供通信装置与阅读器之间增加的信号耦合。可设想其中制品包括如图8-9中描述的那样配置的通信装置的实施例。在此类实施例中，制品可由包括阅读器的系统构成。此外，在此类实施例中，制品和/或阅读器可包括中继器。作为另外的选择，系统可包括定位在制品与阅读器之间的中继器。另外，在制品包括导电体的情况下，制品可以还包括转向器。在此类实施例中，可以将通信装置设置在转向器的外表面上或邻近其设置。
[0123]可设想其中制品包括如针对图1OA和IOB描述的那样配置的通信装置的实施例。在此类实施例中，制品可由包括阅读器的系统构成。此外，在此类实施例中，制品和/或阅读器可包括中继器。作为另外的选择，系统可包括定位在制品与阅读器之间的中继器。另夕卜，在制品包括导电体的情况下，制品可以还包括转向器。在此类实施例中，可以将通信装置设置在转向器的外表面上或邻近其设置。
[0124]可设想其中制品包括如针对图12A-12C描述的那样配置的通信装置的实施例。在此类实施例中，制品可由包括阅读器的系统构成。此外，在此类实施例中，制品和/或阅读器可包括中继器。作为另外的选择，系统可包括定位在制品与阅读器之间的中继器。另外，在制品包括导电体的情况下，制品可以还包括转向器。在此类实施例中，可以将通信装置设置在转向器的外表面上或邻近其设置。
[0125]可设想其中制品包括具有制品和阅读器的系统的实施例。制品可包括如本文中任何实施例描述的那样配置的通信装置。在此类实施例中，制品和/或阅读器可包括中继器。作为另外的选择，系统可包括定位在制品与阅读器之间的中继器。另外，在制品包括导电体的情况下，制品可以还包括转向器。在此类实施例中，可以将通信装置设置在转向器的外表面上或邻近其设置。
[0126]可设想其中制品包括如本文中任何实施例描述的那样配置的通信装置的实施例。制品可由包括阅读器的系统构成。在制品包括导电体的情况下，制品可以还包括转向器。在此类实施例中，可以将通信装置设置在转向器的外表面上或邻近其设置。
[0127]无线充电
[0128]RFID链路本质上是无线共振能量传输链路，利用传输的能量来对含有特定标识号的标签提供功率。标签可任选包括各种传感器，并且能够通过使用相同的媒体将其标识及任何传感器信息回传到阅读器装置。本文中所列出的所有发明均适用于无线共振能量传输。因此，本文描述的实施例允许全向无线充电系统用于电池充电以及用于RFID通信。具体地，本文描述的实施例提高充电的效率。例如，据信采用转向器将通信装置与阅读器和/或充电装置之间的信号耦合增加到高于不采用转向器系统情况的约10倍。类似地，据信在系统中采用中继器将通信装置与阅读器和/或充电装置之间的信号耦合增加约20%至约30%。另外,基于本文描述的实施例,有可能实现在不将电池从其所在的外壳/壳体中取出的情况下对其进行无线充电。
[0129]本文所公开的尺寸和数值不应被理解为严格限于所述确切数值。相反，除非另外指明，每个上述尺寸旨在表示所述值以及该值附近的函数等效范围。例如，所公开的尺寸“40_”旨在表示“约40_”。
[0130]除非明确地不包括在内或换句话讲限制，本文所引用的每篇文献，包括任何交叉引用的或相关的专利或专利申请，均特此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或者其单独地或者与任何其它参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。
[0131]尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，但是对那些本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出许多其它的更改和修改。因此，随附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有这些改变和变型。
【权利要求】
1.一种具有信号通信装置的物体，所述物体具有外表面，所述物体还包括: 定位在所述物体的外表面上的至少第一 RFID标签，所述至少一个RFID标签具有谐振频率和天线；和 至少第一无源中继器，所述至少第一无源中继器具有与所述RFID标签的谐振频率相同的谐振频率，所述第一无源中继器被定位在邻近所述第一 RFID标签的所述物体的外表面上，使得所述第一 RFID标签与阅读器之间的信号耦合增加大于约10%。
2.根据权利要求1所述的物体，其中所述至少第一无源中继器不与所述天线物理接触。
3.根据权利要求1所述的物体，其中所述第一RFID标签和所述第一无源中继器中的至少一个适形于所述物体的外表面。
4.根据权利要求1所述的物体，其中所述物体的外表面为圆柱形的。
5.根据权利要求1所述的物体，其中所述第一无源中继器是不同于所述第一RFID标签的RFID标签。
6.根据权利要求1所述的物体，包括多个RFID标签和多个无源中继器。
7.根据权利要求1所述的物体，其中所述至少第一无源中继器与所述至少第一RFID标签之间存在间隙，所述间隙选自Imm至75mm的间隙、IOmm至50mm的间隙和30mm至50mm的间隙。
8.根据权利要求1所述的物体，其中所述至少第一无源中继器以选自下列的增加因子增加信号耦合:20%至100%的增加因子、30%至90%的增加因子、40%至80%的增加因子和大于约80%的增加因子。
9.根据权利要求1所述的物体，其中当在垂直于所述物体的纵向轴线的截面中观察时，所述RFID标签在所述物体的周边之上以一延伸因子延伸,所述延伸因子选自大于10%的延伸因子、10%至80%的延伸因子和20%至60%的延伸因子，并且其中当在垂直于所述物体的纵向轴线的截面中观察时，所述至少第一无源中继器在所述物体的周边之上延伸所述物体在截面中的所述周边的10%至80%。
10.根据权利要求1所述的物体，其中所述物体是一次性电池或可再充电电池。
11.根据权利要求10所述的物体，其中所述RFID标签提供有关电池状态的至少一个方面的信息，其中电池状态的所述至少一个方面选自所述电池的历史和所述电池中的剩余电量水平。
12.包括至少第一物体和第二物体的系统，所述第一物体具有第一外表面，并且所述第二物体具有第二外表面，所述系统包括: 定位在所述第一外表面上的第一 RFID标签,所述第一 RFID标签具有第一谐振频率和第一天线；和 定位在所述第二外表面上的第二 RFID标签，所述第二 RFID标签具有与所述第一谐振频率类似的第二谐振频率，其中所述第一 RFID标签和所述第二 RFID标签向阅读器提供数据，并且其中所述第二 RFID标签邻近所述第一 RFID标签定位，使得所述第一 RFID标签与阅读器之间的信号耦合增加大于约10%。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一物体和所述第二物体是一次性电池或可再充电电池，并且其中所述第一 RFID标签提供有关所述第一物体中的剩余电量水平的数据，并且所述第二 RFID标签提供有关第二物体中的剩余电量水平的数据。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括具有无源中继器的盖，优选地包括提供有关所述系统的数据的 第三RFID标签。
【文档编号】G06K7/10GK104025113SQ201280064609
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月27日
【发明者】J·T·伯里科夫, S·J·斯佩希特, S·科罗纳多霍特尔, K·D·斯蒂凡诺维奇, S·阿唷兹 申请人:吉列公司