角电极
技术领域
本公开概括而言涉及角电极，更具体地涉及人体通信网络(Human BodyCommunication Network，HBCN)的角电极，人体通信网络也被称为无线身体区域网(Wireless Body Area Network，WBAN)。
背景技术
HBCN/WBAN是一种基于低功率、短程信号传播的新兴技术。与信号通过空气传播的射频(Radio Frequency，RF)网络不同，HBCN/WBAN信道是由于人类组织的高导电性而通过人体建立的。为了经由HBCN/WBAN信道发送和接收信号，电极被附着到人体，并且被定位得极为贴近人体。电极设计从而就路径损耗、信号与噪声(signal-to-noise，SNR)比、和数据速度而言在HBCN/WBAN信道表征中具有重要作用。
HBCN/WBAN在更低射频(RF)范围(例如低于100MHz)中操作，并且是基于人体组织和环境之间通过电极的近电磁场(near Electro-Magnetic Field，EMF)耦合的。用于此频率范围的电极设计是一项有挑战性的任务，因为电极与传播信号的波长相比在电气上是较小的，并且其辐射效率相对较低。
附图说明
图1图示了根据本公开的一方面的角电极的示意图。
图2图示了根据本公开的一方面在耦合到人体组织的两个电极之间建立的HBCN/WBAN链路的电磁图。
图3图示了根据本公开的一方面的L形电极的示意图。
图4图示了根据本公开的一方面的具有积分线的L形电极的示意图。
图5图示了根据本公开的一方面的手腕-脚踝HBCN/WBAN链路的示意图。
图6A图示了根据本公开的一方面的具有角电极的跑步鞋。
图6B图示了根据本公开的一方面的具有角电极的高跟时装鞋。
图7A图示了根据本公开的另一方面的具有角电极的跑步鞋。
图7B图示了根据本公开的另一方面的具有角电极的跑步鞋。
具体实施方式
本公开针对的是一种电极，该电极具有第一金属板和第二金属板，该第二金属板被布置成相对于第一金属板成大于0°且小于180°的角度。
此角电极可例如用于作为人体通信网络(HBCN)也称为无线身体区域网(WBAN)的一部分的智能鞋履无线通信中。与先前的纵向层叠电极不同，角电极改善了HBCN/WBAN链路的信号路径损耗，并且也更适合于智能鞋履设计。
图1图示了根据本公开的一方面的角电极100的示意图。
角电极100包括第一金属板110，和第二金属板120。第二金属板120可被布置成相对于第一金属板110成大于0°且小于180°的任何角度。第一和第二金属板110、120可包括铜，或者任何其他适当的金属或者金属的组合。另外，根据对于特定应用适当的，第一和第二金属板110、120的每一者可被形成为平直的或者弯曲的。弯曲可以是凸起或凹陷。第一和第二金属板110、120可按任何组合具有彼此不同的形状(例如，平直-平直、弯曲-弯曲、凹陷-凹陷、凸起-凸起、凹陷-凸起、平直-弯曲(凹陷或凸起)，等等)。在弯曲金属板的情况下，弯曲金属板相对于另一金属板的角度是基于在弯曲金属板的最大曲率处画的切线的。
当角电极100被包括在应用设置内时，介电材料(未示出)位于第一和第二金属板110、120之间。此电介质例如可以是动物组织、身体组织、空气、塑料、或者具有在适合于预期应用的范围内的介电常数的任何其他材料。
第二金属板120被示为处于相对于第一金属板110成90°或更小的三个可能角度(α1、α2和α3)。按性能而言的最佳角度是α3，即90°，或者说L形。角度α1和α2的每一者在0°和90°之间。
角电极100对于例如用于健身和保健中的智能鞋履应用是一种有吸引力的设计。金属板110、120的形状、长度a和厚度t以及角度α取决于鞋履样式和解剖结构。有了这种自由度，角电极110可被设计为与鞋履的形状共形。另外，关于角电极可被嵌入在鞋履内部何处，没有限制。角电极100的设计是基于对在充当发送器(TX)的电极和充当接收器(RX)的电极之间建立的HBCN/WBAN链路的EMF分析来优化的，这两个电极之一可被附着到人类前臂。
图2图示了根据本公开的一方面在耦合到人体组织的两个电极之间建立的HBCN/WBAN链路的EM图200。
EM图200包括接收器电极210、发送器电极220以及人体组织230或者可充当电介质的任何其他类似的组织。
当作为有损导体的人体被暴露于由激励器(发送器电极220)生成的外部时变场Eext时，在身体表面上感生出表面极化电荷ρPS，并且在身体230中感生出体电流密度J。这些感生源从身体230发射散射场Escat。作为外部场和散射场的叠加的总场E可在从激励器220起的径向距离r处的任何点P处通过求解被称为矢量波等式的二阶偏微分等式来计算：
其中μr是介质的相对磁导率并且εr是介质的相对电容率，并且k0是传播波的相位系数。可利用电极来测量由电场分布生成的电势差。测量到的信号的质量很大程度上取决于电极设计。
采用可作为电场的线积分来计算的接收电压VRX来根据以下等式评估系统：
其中L是积分线。
根据以下等式基于接收电压VRX与发送电压VTX的比率来计算以dB为单位的路径损耗(PL)：
改善信号路径损耗可带来HBCN/WBAN链路中的改善的信号对噪声比(SNR)和更高的数据速度，同时最优的角设计可更好地装入智能鞋履内部，而不影响鞋履大小和时尚风格。例如，先前建议的方案，例如纵向层叠电极，可影响鞋底的厚度，将应用限制到通常具有更厚的空气鞋底的鞋履。本文公开的角电极可被包含到任何鞋履中。除了最优角设计以外，改善的信号路径损耗还具有许多无线通信系统益处。另外，由于带宽和接收器噪声是固定的，所以可实现发送信号功率的降低。这允许了在可穿戴市场中想要的更低功率方案。
图3图示了根据本公开的一方面的L形电极300的示意图。
在位于身体上或者接近身体并且其间具有电介质的两个电极300之间建立人体通信。一个电极300充当发送器并且另一电极300充当接收器。每个电极300包括两个金属板——浮在空气中的接地板310，以及附着到人体或者位于接近人体处的面向身体(body-facing，BF)板320。接地板310将信号与环境耦合(次信号路径)并且BF板320将信号耦合通过身体(主信号路径或直接信号路径)。可包括铜(σCu＝58MS/m)的发送和接收电极300可耦合到人类前臂。
L形电极300与先前的纵向层叠设计相比带来了面向身体板320和接地板310之间的更高电势差。另外，由于在电极300的角落处累积的更强表面电荷密度，存在更强的电场(E-field)。
可利用以上的等式2来衡量电极300的两个板之间的电压(测量到的信号)，等式2在实际情况中可被写作如下：
其中L是被细分成均一长度的N个微分增量Δl的积分线，并且Ek是第k区间上的电场的切向分量的强度。
与纵向层叠配置相比，L形配置在拐角处生成大约强十倍的电场，其中纵向层叠配置表现为平行板电容器，在两个板之间具有几乎均一的场。
图4图示了根据本公开的一方面的具有积分线的L形电极400的示意图。
L形电极400被示为具有四个不同的积分线L1至L4。由于缓慢变化的电场，就积分线的选择而言，输出电压不会显著变化。从测量角度和实际端口定义来看，L1是积分线的最优选择。
图5图示了根据本公开的一方面的手腕-脚踝HBCN/WBAN链路500的示意图。
发送电极510被附着到手臂/手腕或者前臂装置内，并且接收电极520被附着到对侧腿的脚踝。或者，接收电极520可被包括在鞋履内，如下文参考图6A、6B、7A和7B进一步论述。HBCN/WBAN链路(直接信号路径)被扩展到全身幻影(phantom)。
图6A图示了根据本公开的一方面的具有角电极的跑步鞋600A。
跑步鞋600A包括角电极610A、后跟支撑架620A、鞋领630A、空气鞋底640A、和鞋带650A。“帮面”被定义为跑步鞋600A的覆盖脚的整个部分。
角电极610A位于帮面的后跟区域的拐角中，并且与后跟支撑架620A共形。角电极610A包括被定位成相对于彼此成角度α的金属板1和金属板2，并且角度α朝着向上方向。当跑步鞋600A被穿着时，穿着者的后跟——穿着或没有穿着袜子——位于板1和2之间的角度中并且充当电介质。
金属板1和2可被形成为平直或弯曲的，但在此情况中更理想情况下是弯曲的以遵循后跟支撑架620A的弯曲。如上所述，该弯曲可以是凸起或凹陷。在弯曲金属板的情况下，弯曲金属板相对于另一金属板的角度是基于在弯曲金属板的最大曲率处画的切线的。另外，两个金属板1和2可按任何组合具有彼此不同的形状。电极配置在理想情况下尽可能薄以免影响鞋履样式或者引起任何不适。
图6B图示了根据本公开的一方面的具有角电极的高跟时装鞋600B。
鞋600B包括角电极610B、后跟支撑架620B、鞋领630B、鞋底640B、和鞋跟660B。同样，“帮面”被定义为跑步鞋600B的覆盖脚的整个部分。
角电极610B位于帮面的后跟区域的拐角中并且与后跟支撑架620B共形。角电极610B包括被定位成相对于彼此成角度α的金属板1和金属板2，并且角度α朝着向上方向。当鞋600B被穿着时，穿着者的后跟——穿着或没有穿着袜子——位于板1和2之间的角度中并且充当电介质。
金属板1和2可被形成为平直或弯曲的，但在此情况中更理想情况下是弯曲的以遵循后跟支撑架620B的弯曲。该弯曲可以是凸起或凹陷，并且两个金属板1和2可按任何组合具有彼此不同的形状。电极配置在理想情况下尽可能薄以免影响鞋履样式或者引起任何不适。
图7A图示了根据本公开的另一方面的具有角电极的跑步鞋700A。
跑步鞋700A包括角电极710A、后跟支撑架720A、鞋领730A、空气鞋底740A、和鞋带750A。同样，“帮面”被定义为跑步鞋700A的覆盖脚的整个部分。
角电极710A被包含在空气鞋底740A中拐角处，在该拐角处空气鞋底740A与帮面的后跟支撑架720A接合。角电极710A包括被定位成相对于彼此成角度α的金属板1和金属板2，并且角度α朝着向下方向。在金属板1和2之间可以是空气或者具有适当的介电属性的材料。金属板1和2可被形成为平直或弯曲的。该弯曲可以是凸起或凹陷，并且两个金属板1和2可按任何组合具有彼此不同的形状。
图7B图示了根据本公开的另一方面的具有角电极的跑步鞋700B。
跑步鞋700B包括角电极710B、后跟支撑架720B、鞋领730B、空气鞋底740B、和鞋带750B。同样，“帮面”被定义为跑步鞋700B的覆盖脚的整个部分。
角电极710B被包含在空气鞋底740B中的底部拐角处，空气鞋底740B被设计为在穿着期间在该底部拐角处接触地面。角电极710B包括被定位成相对于彼此成角度α的金属板1和金属板2，并且在此情况中角度α朝着向上方向。在金属板1和2之间可以是空气或者具有适当的介电属性的材料。金属板1和2可被形成为平直或弯曲的。该弯曲可以是凸起或凹陷，并且两个金属板1和2可按任何组合具有彼此不同的形状。
本公开不限于适用于人体。角电极适用于可传输电流的任何材料，例如人体组织、动物组织、或者甚至是织物。在织物的情况下，角电极例如可位于衣服的袖子或裤腿内。
另外，本公开不限于发送电极和接收电极两者都是角电极的情况。一个电极可以是角电极，并且另一电极可以是不同的电极，例如纵向层叠电极。
本文公开的角电极相对于先前的纵向层叠电极配置是有优势的。对于可比较的电极大小，角电极由于更强耦合的电场改善了信号路径损耗，并且提高了数据的可靠性。这意味着，在与先前建议的电极相比具有相似或者更高的性能的情况下，角电极的大小可被减小。
先前的纵向层叠配置需要是较大的以提供可检测的信号。另外，一旦与射频电路集成，纵向层叠电极配置由于其可影响鞋履大小和样式的笨重设计而对于智能鞋履应用不是最优的。角电极设计更适合被嵌入在鞋履内部，因为电极几何结构使其适宜于鞋履设计。本文公开的电极提高了穿戴者的舒适性，并且最小化了对鞋履设计的整体影响。
本公开还包括以下示例。
示例1是一种电极，包括：第一金属板；以及第二金属板，该第二金属板被布置成相对于所述第一金属板成大于0°且小于180°的角度。
示例2包括如示例1所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板的每一者被形成为平直的。
示例3包括如示例1所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板中至少一者被形成为弯曲的。
示例4包括如示例3所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板的每一者被形成为弯曲的。
示例5包括如示例3所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板中另一者被形成为平直的。
示例6包括如示例3所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板中至少一者被形成为相对于所述第一金属板和第二金属板中另一者是凸起的。
示例7包括如示例3所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板中至少一者被形成为相对于所述第一金属板和第二金属板中另一者是凹陷的。
示例8包括如示例3所述的主题，其中所述第一金属板和第二金属板中至少一者被形成为相对于所述第一金属板和第二金属板中另一者是凹陷的，并且所述第一金属板和第二金属板中另一者被形成为相对于所述第一金属板和第二金属板中至少一者是凸起的。
示例9包括如示例1所述的主题，其中所述第二金属板被布置成相对于所述第一金属板成90°的角度。
示例10包括如示例1所述的主题，其中所述第二金属板被布置成相对于所述第一金属板成小于90°的角度。
示例11包括如示例1所述的主题，其中在操作期间：所述第一金属板是相对于人体组织浮动的接地板；并且所述第二金属板是与人体组织直接或间接接触的面向身体的板。
示例12是一种鞋履，包括：帮面；以及如示例1所述的电极，所述点击被布置在所述帮面的后跟区域的拐角中。
示例13包括如示例12所述的主题，其中所述电极被布置在所述帮面内使得所述第一金属板和第二金属板之间的角度朝着向上方向，并且所述电极被形成为与所述帮面的后跟支撑架共形。
示例14是一种鞋履，包括：帮面；附着到所述帮面的鞋底；以及如示例1所述的电极，所述电极被布置在所述鞋底内并且在所述鞋底的后跟区域处。
示例15包括如示例14所述的主题，其中所述电极被布置在所述鞋底内，使得所述第一金属板和第二金属板之间的角度朝着向下方向。
示例16包括如示例14所述的主题，其中所述电极被布置在所述鞋底内，使得所述第一金属板和第二金属板之间的角度朝着向上方向。
示例17是一种无线身体区域网(WBAN)的电极对，所述电极对包括：接收器电极，包括：如示例1所述的电极；以及发送器电极，包括：第三金属板；以及第四金属板，其中在所述WBAN的操作期间，所述发送器电极和接收器电极之间的信号路径经过人体组织。
示例18包括如示例17所述的主题，其中所述第三金属板被布置成相对于所述第四金属板成大于0°且小于180°的角度。
示例19包括如示例17所述的主题，其中所述第三金属板被布置成相对于所述第四金属板成90°的角度。
示例20包括如示例17所述的主题，其中所述第三金属板被布置成在纵向层叠配置中相对于所述第四金属板平行。
示例21包括如示例17所述的主题，其中所述信号路径是基于电场生成的，该电场由在所述人体组织的表面上感生的电荷和所述人体组织内的感生体电流构成。
示例22包括如示例17所述的主题，其中所述发送器电极被包括在前臂装置内，并且所述接收器电极被包括在鞋履内。
示例23包括如示例17所述的主题，其中所述接收器电极和所述发送电极中至少一者被包括在织物内。
示例24包括如示例17所述的主题，其中所述织物是衬衫的袖子。
示例25包括如示例17所述的主题，其中所述织物是一条裤子的裤腿。
示例26是一种无线身体区域网(WBAN)的电极对，所述电极对包括：接收器电极，其包括：如示例1-13中任一项所述的电极；以及发送器电极，其包括：第三金属板；以及第四金属板，其中在所述WBAN的操作期间，所述发送器电极和接收器电极之间的信号路径经过人体组织。
示例27包括如示例26所述的主题，其中所述第三金属板被布置成相对于所述第四金属板成大于0°且小于180°的角度。
示例28包括如示例26所述的主题，其中所述第三金属板被布置成相对于所述第四金属板成90°的角度。
示例29包括如示例26所述的主题，其中所述第三金属板被布置成在纵向层叠配置中相对于所述第四金属板平行。
示例30包括如示例26所述的主题，其中所述信号路径是基于电场生成的，该电场由在所述人体组织的表面上感生的电荷和所述人体组织内的感生体电流构成。
示例31包括如示例26所述的主题，其中所述发送器电极被包括在前臂装置内，并且所述接收器电极被包括在鞋履内。
示例32包括如示例26所述的主题，其中所述接收器电极和所述发送电极的至少一者被包括在织物内。
示例33包括如示例26所述的主题，其中所述织物是衬衫的袖子。
示例34包括如示例26所述的主题，其中所述织物是一条裤子的裤腿。
虽然已结合示范性方面描述了前述内容，但要理解术语“示范性”只是意味着示例，而不是最佳或最优的。因此，本公开打算覆盖可包括在本公开的范围内的替换、修改和等同。
虽然本文已图示和描述了具体方面，但本领域普通技术人员将会明白，在不脱离本申请的范围的情况下，各种替换和/或等同实现方式可替代示出和描述的具体方面。本申请打算覆盖本文论述的具体方面的任何适应性修改或变化。
