发射与接收环行天线 本发明一般地涉及天线，更具体地涉及环行天线，它产生电磁场并通常在相距该天线一个波长或大于一个波长的距离之处消除。
在某些已知的电子系统中，尤其是那些设计来实现电子装置监视(EAS)的系统中，公知的是要提供一种包括两个或多个相互耦合的天线的一个复合天线，从发送器发出的信号被提供到该天线，以便产生与该天线相邻的由一个感应场形成的监视区，该感应场足以强到检测到在天线附近出现的预定类型的目标。通常，EAS系统既包括发送天线，也包括接收天线，它们的合作建立一个监视区，还包括与将要被保护的装置连接地电缆终端。发送天线产生在第一预定频率的一个范围之内的电磁场。电缆终端的每一个都包括具有通常等于该第一频率的一个谐振频率的谐振电路。当电缆终端之一出现在该监视区中时，由发送天线产生的场在该电缆终端的谐振电路中感应出一个电压，使得谐振电路产生一个电磁场，引起在监视区之内的场中的干扰。接收天线检测到这种电磁场的干扰并产生指示在监视区中电缆终端(并由此保护了与该电缆终端相连接的装置)的存在的一个信号。
为了避免可能影响其它的电子装置的操作的过强的电磁场的产生，所希望的是设计的如此的EAS系统都在远距该天线的某些位置处(通常是30M)的辐射的场具有的净效应基本为0，或者是至少不足以引起任何严重的问题。
为了提供所希望的远场消除，公知的是构造多个回路的复合天线，这些回路的平面是相互实际平行且相邻但彼此相互错开，而且其中的发送器的电流随着不同的回路作相位和幅度的调节以便使得由这些回路产生的场实际上相加为零。业已发现，借助于选择合适的交叉区和在几个回路天线中的回转的数目，利用这种复合天线有可能提供在远场中的消除。
虽然这种复合天线提供了远场的消除，但是，由于分别的回路天线的作用，在接近天线的空间中的任何点处的电磁场的方向性实际是恒定不变的。例如，在等面积的两个回路的情况中，在回路的平面中彼此相互抵消，形成一个″8″字形的电流路径(即一个回路具有顺时针的电流方向，而另一个回路具有逆时针的电流方向)，且其中流入回路的安培数相等，则在垂直于回路的平面的一个第二平面上存在一个区域，穿过在场方向中的两个回路之间的中点而垂直于该第二平面。但是，在该第二平面中的任何方向上实际上不存在任何场。在EAS系统中， 这实际上减少了耦合的概率并妨碍了监视区的覆盖性。
本发明提供一个天线包括至少一个有源回路，用于产生一个场并响应该天线所处位置相邻的场，并且最好是在一个较大的无源回路之内，它实际消除了由该有源回路产生的远场或该有源回路所响应的远场。通过提供用于降低远场耦合的一个单独的回路，该有源回路可以被一个发送电路以相当高的电流驱动，同时仍然满足对于远场辐射的常规的要求。这使得天线在与该天线的周围的相邻的附近范围内在多于一个方向上具有相对较大的场。还使得将被放置在与该有源回路和无源回路相接近的一个单独的接收天线对外部发射的信号特别敏感。
本发明的天线可被使用来改进同时出现发送和接收的系统，或者使用在希望以不同的相位和/或频率来确定天线的相位差单元的场合。提供不同的相位使得该天线在一点处能以多于一个方向强耦合。
该天线可被使用在一个EAS系统中并在天线的尽可能邻近的区域内在尽可能多的方向上提供较大的场，从而使得一个电缆终端对之响应， 并同时提供一个天线的提取图案，对发射的射频(RF)信号也是均匀敏感的，以便使得电缆终端的响应能被检测到。
简言之，本发明针对一个远场消除天线，该天线包括一个电器电路单元和一个第一天线结构。该第一天线结构包括与该电路单元电耦合的一个第一回路单元，当该电路单元是一个发送器时，可被用于产生多个场，和一个环绕着第一回路单元的并联回路单元，以便使得从由第一回路单元所产生的场在该并联回路单元中感应出电压。该并联回路单元包括一个连续的感性回路，以便加大出自其中感应的电压产生的电流。在并联回路单元中的电流在远场中产生主要消除由该第一回路单元产生的电场的电场。
本发明还提供一个远场消除天线，包括一个电器电路单元，一个与该电路单元相电耦合的第一回路单元，环绕该第一回路单元的一个并联回路单元和置于与该第一回路单元和该并联回路单元都靠近的一个第二回路单元。当该电路单元是一个发射机时，该并联回路单元主要在远场中消除由第一回路单元产生的场。该第二回路单元可被放置成使得在该第二回路与第一回路单元、并联回路单元进行的耦合都被小型化。该并联回路单元包括一个连续的感性回路，以便加大出自其中感应的电压产生的电流。
前述的概要和下面参考附图对本发明的最佳实施例的详细的描述将被更好地理解。为了说明本发明的目的，附图示出的实施例在目前是最佳的。应该明白，本发明并不是局限于示出的特定的设计和示意性的表示。附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的远场消除天线的示意图；
图2A是根据本发明的并联回路单元的示意图；
图2B是根据本发明的第二实施例的一，″8″字形的回路单元的示意图；
图2C是根据本发明的一个O字形的回路单元的示意图；
图2D是根据本发明的第二实施例的一个远场消除天线的示意图；
图3是根据本发明的第三实施例的一个远场消除天线的示意图；
图4是根据本发明的第四实施例的一个远场消除天线的示意图。
下面描述所用的一些术语只是为了方便而不是限定。″上部″″底部″″低处″和″高处″在图中只是用作参考方向。包括上述专门提到的这些词的术语是从其派生出来的，是有相似的含义。
本发明旨在提供一种在预定的频率范围内的能够以一种或多种频率同时地发送和接收电磁波的天线，其中的天线的尺寸可以小于由天线所发送和接收的电磁能的波长。该天线可以主要被用作发送天线也可以主要被用作接收天线，以便产生一个旋转场。本发明的天线尤其适于使用于在该天线的周边邻近的范围内(即在小于半波长的范围内)同时地发送和/或接收电磁场的系统中。这种系统的一个例子是其中使用该天线建立一个监视区的电子装置监视系统(EAS)。
详细地参考附图，其中相同的参考数字总是表示相同的部件，其中图1示出根据本发明的用于产生和/或耦合电磁场的第一最佳实施例的远场消除天线10的电器结构图。天线系统10最好是工作在射频，例如是在高于1000Hz的频率尤其是在高于5000Hz的频率，甚至是在高于10000Hz的频率。但是应该懂得，天线系统10也可以工作在较低的频率而不脱离本发明的精神范围。
天线10包括至少第一有源天线回路单元12、电器电路单元14、和并联回路单元16。第一天线回路单元12包括一个通常是矩形的回路，在发送天线的情况下与一个发送电路电耦合且由其驱动，在接收天线的情况下，与一个接收电路耦合并驱动其。为了说明的目的，第一回路单元12被表示成一个矩形且以一个电流的流动箭头18顺时针地表示流经该第一回路单元12的电流。如果希望的话，也可以采用其它的回路的尺寸、形状和构形以及相反的电流的流向。
第一回路单元12包括引线或导体的构形，用于传送电流并产生电磁场，以便这些场不在远场中消除。一个天线的远场是在相距该天线一个或多个波长距离的一个区域。对于一个工作在8.2MHz的一个天线而言，联邦通信委员会(FCC)限定的远场是相距该天线30米或稍小于一个波长的区域。在本发明中，第一回路单元12在远场中产生电磁场。虽然示出的第一天线回路单元单元12包括单一的缠绕回路，但本专业的技术人员公知该第一回路单元12可以包括多个回路单元，比如说一个三回路的″8″字形(没示出)非远场消除的构形，它在功能上等效于产生远场的单一的缠绕回路。
如同本专业所公知的那样，流经第一回路单元12的电流建立一个磁场，所具有的磁力线从该第一回路单元12的至少一部分集中地向外延伸并垂直于电流18。在该最佳实施例中，第一回路单元12的尺寸通常是小于由流经该第一回路单元12的电流所产生的电磁场的波长除以2π所得的值，以便使得所产生的电场在很大程度上独立于所产生的磁场。
电器电路单元14可以包括一个与第一回路单元12电耦合的一个电流源，用于对第一回路单元12提供电流且能够提供足够的电流到第一回路单元12以便产生出上面提到的电磁能的场。电器电路单元14可以是一个传统的发射机，包括一个信号振荡器(没示出)和能够驱动象第一回路单元12所表示的负载阻抗的一个合适的放大器/滤波器网络(没示出)。如将要看到的那样，第一回路单元12所辐射电磁场的频率实际取决于发射机的振荡的频率。所以，可以用公知的方式适当地调节发射机而设置和调节该频率。此外，电器电路单元14可以包括与第一回路单元12电耦合的一个接收电路，用于接收来自一个电缆终端(没示出)的发射天线和/或谐振电路的电磁能，以便产生一个指示是否有一个电缆终端出现在该第一回路单元12附近的信号。
使用在本发明中的用于发送和/或接收的这种类型的电器电路单元是通常公知的。这种电路单元在授予Checkpoint System公司的美国专利5373301中有所描述。此专利在此引作参考。为了理解本发明不要求对于电器电路单元14的更详细的描述。
并联回路单元16包括一个连续的通常是矩形的回路。该并联回路单元16虽然是被表示成通常的矩形，但是也可以用其它的尺寸和形状，例如圆形构成。该并联回路单元16并不与发射电路或接收电路有电连接，而是一个″无源″回路。在本实施例中，第一回路单元12和并联回路单元16通常是在同一平面的，该第一回路单元12最好是在其中，即由并联回路单元16所环绕。第一回路单元12与并联回路单元16的互作用主要是通过该单元12和16之间的相互的磁耦合实现的。流经第一回路单元12的电流的方向是由箭头18所示，该电流在并联回路单元16中在相反于第一回路单元的由箭头19所示的方向流经并联回路单元16。如将要理解的那样，由一个天线回路辐射的磁力线的幅度对应于流经天线回路的电流和天线回路的面积的乘积。并联回路单元16是一个连续的导电回路(即一个短路)以便加大从第一回路单元12感应出的在并联回路单元16中的反向电流。所以，如本专业的技术人员所理解的那样，并联回路单元16的尺寸(面积)是根据所要求的在并联回路单元16中所感应的电流的幅度所决定的，以便使得由并联回路单元16产生的电磁场实际上在远场中消除由第一回路单元12产生的电磁场。注意到，其中并联回路单元16的面积大于该第一回路单元12的面积的并联回路单元12被提供，以便实现良好的远场消除。
第一回路单元12和并联回路单元16共同构成第一天线结构，其中在并联回路单元16中的电流产生的电场在远场中主要地消除由第一回路单元12产生的场。已经发现，这样的结构，即该第一回路单元12实际是在较大的无源回路或并联回路单元16之内的结构包括一个远场消除天线。还发现，其它的远场消除天线，例如″8″字形天线可被结合使用在这种结构中，以便使得这种结构和″8″字形天线之间的相互耦合被减小或基本为零。
第一回路单元12和并联回路单元16的每一个最好是由一个电感即任何适当形式的线圈构成。但是如果希望，也可以采用其它的导体材料，比如说多股导线，这些都不背离本发明的范围。例如，可以采用机械结构的构件来构成第一回路单元12和并联回路单元16。另外，也可以采用电导体的装饰元件。
现参考图2A-2D。远场消除天线20的第二个实施例在图2D中示出，而图2A-2C是天线20的构成部件。图2A是使用在天线20中的并联回路单元16的示意图。图2C是使用在天线20中的第一有源回路单元12的示意图。图2B是使用在天线20中的第二回路单元22的示意图。如图1所示，第一回路单元12和并联回路单元16共同构成第一天线结构，其中由在并联回路单元16中的感应电压产生的场在远场中消除了由第一回路单元12产生的场。同样，虽然示出的第一回路单元12是导体的单一的线圈或回路，但本专业的人士将理解，该第一回路单元12可以有更多的圈数。
参考图2B，第二回路单元22主要包括一个″8″字形回路，具有上回路24和下回路26。第二回路单元22本身包括一个远场消除天线，其描述可见前述的美国专利US5373301。如图所示，第二回路单元22的形状已被修改，以便使得上回路24的面积和下回路26的面积小于传统的″8″字形回路和二回路24、26彼此分离或有位移。这种构形只是为了方便，如将要理解的那样，第二回路单元22也可以包括传统的″8″字形回路或不同的修改的″8″字形回路。比如说，第二回路单元22可以具有比两个回路24和26更多的回路，并且该第二回路单元22可以是对称的或非对称的。就是说，上和下回路24和26没有必要是等面积，也不必一定是串接的。另外，上和下回路24和26可以是并联的，或者是经过一个电网络在这两个回路之间引入相位移。但是，总体而言，第二回路单元22的重要方面在于，在构成一个发射机的场合，减小在远场中产生的场。
第二回路单元22还包括连接点28a和28b，用于将第二回路单元22连接到电器电路单元(没示出)。例如，第二回路单元22可被连接到发射机电路和/或接收机电路。连接点28a和28b被示出是靠近第二回路单元22的几何中心，因为这一位置通常是最佳的位置。但是，应该懂得，连接可以在沿第二回路单元22的其它点。
参考图2D，示出了根据本发明的第二实施例的远场消除天线20，它包括图2A-2C的每一个示出的部件。示出的第一回路单元12连接到一个发射机30， 该发射机产生流经该第一回路单元12的电流。该第一回路单元12放置在并联回路单元16之内且二者被变换大小和定位以便使得第一回路单元12和并联回路单元16之间的耦合是足以获得前述的远场消除效应。第二回路单元22相对于第一回路单元12和并联回路单元16定位，以便减小第二回路单元22和回路单元12、16之间的磁耦合。在效果上，第一回路单元12产生与并联回路单元16相耦合的场，但其操作与第二回路单元22无关。
在本最佳实施例中，第一回路单元12是靠近并联回路单元16的中心放置，并且通常是与并联回路单元16共平面。第二回路单元22是靠近第一回路单元12和并联回路单元16的平面且与之平行放置但与这两个单元相分离，以便使得回路单元12、16、22的任何一个都没有直接的电接触。
而且，第一回路单元12和并联回路单元16实际上是与第二回路单元22磁脱偶的。具体的空间关系是，这些回路单元是部分地相重叠或覆盖到这样的程度，即从这些回路的线圈之一产生的纯剩的磁力线在另一回路的线圈中实际是零，反之亦然。脱耦合出现在当第二回路单元22重叠于第一回路单元12且与并联回路单元16相分离之时。相重叠并不意味着这些回路是相接触，而只是这些回路彼此相互处在一定的空间关系。就是说，这些回路处在相互平行的平面中，并有共同的面积，以便使得在该共同的平面处垂直于这些回路的一个平面与这些回路的每一个相交叉，而形成这样的一种″重叠″关系。如本专业的技术人员将会理解到的那样，在第一回路单元12和第二回路单元22之间存在耦合系数。在本最佳实施例中，该耦合系数是小于0.5，而最好是小于0.1。
已经发现，使得第一回路单元12和并联回路单元16实际上是独立于第二回路单元22而操作是十分有利的。例如，与绝缘的″O″字形回路相比，第一回路单元12可以由发射电路30以相当大的电流驱动，同时满足FCC或其它规划机构对于远场辐射的要求。同时，第二回路单元22可在连接点28a，28b与接收电路32连接。这使得天线20提供了在一个单室或单一结构的同时的发送和接收。
此外，第一回路单元12可以和一个电网络34相连接，以便提供在第一回路单元12和第二回路单元22间的电流的相位移。最好是二者的电流相位相差90°。通过在流经第一和第二回路单元12和22的电流之间引入相位移，在天线20的附近产生旋转场。单一的线圈回路，例如第一回路单元12产生一个垂直场，而一个″8″字形回路，例如第二回路单元22产生在远距天线之处的与天线20平行的场。如果流经第一回路单元12和第二回路单元22的电流之间的相移是90°的话，则由回路12和22产生的场的方向是水平到垂直，并因此在接近于与天线20的所在地相垂直的一个平面中，在邻近天线20的中心的区域中产生一个旋转场。旋转场的产生增加了在使用天线20的监视系统中的检测(即增加了能够有良好的耦合的取向的数目)。所以，希望在一个EAS系统中使用如图2D的天线20，因为天线20的敏感性提供了改进的电缆终端的检测。
在一个EAS系统中，第一回路单元12可以和发射电路30和电网络34电耦合，用于产生出制成监视区的场。与此同时，并联回路单元16产生的场在远场中消除由该第一回路单元12产生的场。第二回路单元22可以与接收电路32电耦合。当一个电缆终端(没示出)或一个与该电缆终端连接的装置进入该监视区时，该电缆终端则由第一回路单元12产生的场所辐射。然后，该电缆终端以预定的频率谐振，而这种谐振由第二回路单元22检测。接收电路32则产生指示在监视区中有电缆终端存在的信号。
通常，根据具体的EAS系统和所采用该系统的具体的应用场合，在EAS系统中的从发射天线到接收天线之间的跨度是在从两英尺到六英尺。在本发明中，第一天线结构(即第一回路单元12和并联回路单元16)和第二回路单元22通常是共同放置的，即放置在一个单一的结构中，并建立一个监视区，即一个与之邻近的监视区域。通常，该监视区域是被置于一个设施(没示出)的出口或入口，或与该出口或入口靠近，但是它可被放置在其它的任何位置，例如在某一侧或在付款过道之内。本专业的技术人员将会明白，尽管在所示出的实施例中的天线20包括连接到第一回路单元12的发射电路30和连接到第二回路单元22的接收电路32(通常是共同放置的，即在监视区域的同一侧)，但也有对于本专业技术人员属于公知的其它EAS系统，其中的发射机和接收机被相距一个预定的距离，以便建立一个监视区域。因此，图2D中所示的具体的天线20和/或构形可被相应地修改。例如一个第一接收天线(包括第一回路单元12，并联回路单元16和第二回路单元22)和第二个通常与接收天线完全一样但与之分开的发射天线可被用在一个EAS系统中建立一个监视区域。
图3是远场消除天线系统50的第三实施例的示意图。该天线50包括一个与一个发射机电路30电连接的第一回路单元12。该发射机电路30产生流经该第一回路单元12的电流，以便产生电磁场。一个在面积上比第一回路单元12大的并联回路单元16邻近于第一回路单元12放置，最好是环绕该第一回路单元12，以便在远距第一回路单元12(即远场)之处消除由该第一回路单元12产生的场。如前所说，以相反于第一回路单元12中的电流的方向流动的电流感应在并联回路单元16中，并联回路单元16被改变大小且被定位，以便使得在并联回路单元16中感应的电流产生的场在远场中实际上消除由第一回路单元12产生的场。在第一回路单元12和并联回路单元16的邻近由第一回路单元12和并联回路单元16产生一个监视区域。
天线系统50还包括一个与接收电路32电耦合的″8″字形回路单元52。该″8″字形回路单元52包括一个顶部回路54，连接到一个底部回路单元56。在本最佳实施例中，顶部回路单元54和底部回路单元56通常是有相等的面积并彼此相距或错开。如台对图2D进行的讨论那样，该″8″字形回路单元检测进入该监视区域的电缆终端(没示出)的出现。该电缆终端响应由第一回路单元12产生的近磁场。″8″字形回路单元52接收该电缆终端的响应并由此产生一个指示在监视区域中出现电缆终端的报警信号。当流经顶部回路单元54的电流在幅度上等于流经底部回路单元56的电流但流向相反时，″8″字形回路单元52本身是一个远场消除天线。
参考图4，示出根据本发明的远场消除天线36的第四实施例的示意图。 在该第四实施例中，传统的″8″字形天线回路单元38具有一个横杆(crossbar)40，将该回路单元38分成两个回路，一个单一绕组的顶部回路42和一个单一绕组的底部回路44。横杆40包括连接部分46a和46b用于连接电器电路单元。如前所说每一个发射机电路和接收机电路都可以被连接在连接点46a和46b之间。在本最佳实施例中，横杆40与回路单元38的边构成一个角度。将横杆40相对于回路单元38的边构成一个角度放置有助于以直角产生耦合。本专业的普通技术人员应该懂得，横杆40的实际的角度可以根据天线36的使用的所需的性能的要求而被调节成任何角度。
如图所示，″8″字形回路单元38的顶部回路42和底部回路44通常是面积相等的。如公知的那样，提供相等面积的回路有助于消除远场耦合。但是，顶部和底部回路42和44没有必要是相等的面积，也可以采用其它的几何结构以便在远场中提供所希望的消除特性。回路单元38的周边包括可以被用作并联回路的一个矩形回路，用于与有源回路电感耦合象第一回路单元12那样。
第一回路单元12连接到一个电器电路单元，例如用于在该第一回路单元12中产生电流的先前描述的发射机电路30。在本最佳实施例中，第一回路单元12是重叠在该″8″字形回路单元38之上，但没有电的和物理的接触。就是说，第一回路单元12被改变大小和被固定，以便使得由一个电压源或电流源驱动时流经该第一回路单元12的电流在″8″字形回路单元38的周边中感应出电压，并由此有相应的电流在该″8″字形回路单元38的周边中流动，因为其目标是由第一回路单元12产生的场与″8″字形回路38的周边产生的场之和是在方向上即相位上相反并在远场中基本上是互相抵消。如可以理解的那样，根据第一回路单元12和″8″字形回路38的相对的尺寸和位置，可以提供更大或更小的消除。
虽然已经描述了本发明的特定的实施例，但很明显，本发明可以被改变成修正而仍然提供所希望的远场消除。例如，虽然第一回路单元12被描述成一个单一的回路，但该第一回路单元12可以包括一个三回路构形，由于电流的相位或非对称的原因，这种三回路构形具有劣质的远场消除性能。但是，当靠近并联回路单元16放置或放置在其中时，使得有源回路12的近场部件和并联回路16之间有了良好的耦合，因此实现实际的远场消除。
虽然本发明的天线是以EAS系统为参考加以描述的，但是应该明白，这种对于EAS系统的参考只是为了说明的目的而不是限制。本发明的天线将同样适于使用在许多其它的应用场合，尤其是应用在利用天线辐射的电磁能而执行通信或识别功能的任何方面。例如，本发明的天线可以和一个传感器(由天线发送的电磁波供能)结合，使用在难于供电或难于经过对传感器的有线的连接进行通信的场合。在这种环境下，天线可被用于远距供电或从传感器接收信息。比如说，本发明的天线可被应用于与传感器结合测量病人的血糖水平，其中的血糖传感器是被植入病人的皮下肌肉组织。可以理解到，尤其不希望用一根导线穿透病人的皮肤与传感器连接。还尤其希望避免使用与传感器连接的电池。利用本发明，有可能使用由天线产生的电磁能为在病人皮下的传感器供电，并同时使用天线来接收传感器发出的电磁波，而由传感器发出的电磁能是关于病人的血糖水平的。另一个应用是与一根无源应答器的通信，该应答器指示其持有者进行存取控制。对于本专业的技术人员而言，其它的有益的应用是显见的。
因此，可以理解到，对于上述的实施例可进行改变和修正而不背离本发明的精神范围。所以，应该懂得，本发明并不限于在此公开的具体的实施例而是将这些公开的实施例和在本发明的精神范围之内的全部的修改和变型由所附的权利要求所限定。