CN103219583A - 用于nfc设备的天线电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于NFC设备的天线电路，包括连接在第一（A1）和第二（A2）访问终端之间的平面有源线圈（L1）；与所述有源线圈共平面且通过第一端连接至所述第一访问终端（A1）的辅助线圈（L2）；和连接至所述辅助线圈（L2）的第二端的调谐电容器（C）。所述有源和辅助线圈的匝交织。

Description

用于NFC设备的天线电路

技术领域

本发明涉及近场或NFC通信设备，而且更特别涉及在这些设备中使用的天线电路。

背景技术

图1A至1C表示天线电路的各种已知的电气结构。这些天线电路可以使用在能建立磁场和检测它的调制（例如RFID标签读取器）的有源NFC设备中，而且可以使用在由磁场供电且配置成调制该磁场以传输数据的无源NFC设备（例如RFID标签）中。

图1A描述了最常用于NFC设备的结构。它包括与调谐电容器C并联连接的单线圈L1。例如将天线电路调谐到在NFC标准框架中有效（例如ISO14443，ISO15693）的13.56MHz。线圈的终端形成天线电路的访问终端A1，A2。

NFC设备的天线线圈的匝一般以在柔性印刷电路的单层中螺旋形蚀刻的金属轨迹形式产生。线圈是平面并且共面的。这使得最小化制造成本成为可能，但是由于匝全部尺寸不同因而不具有类似的特征，带来某些困难。

图1B描述了优化后的结构，例如描述在专利申请JP2000278172中。天线线圈包括形成天线电路访问终端（A1）中的一个的中点。可以认为天线线圈由串联连接的两个线圈L1和L2形成，访问终端A1和A2作为被称为“有源线圈”的线圈L1的终端。线圈L2被称为辅助线圈。这些终端A1，A2一般连接至NFC电路（未表示），其可以是无源电路（接收由另一个NFC设备发出的磁场）或有源电路（发送该磁场）。

如在前述文件中所指出的，该结构使得可能增加天线线圈的匝数从而增加通过由连接至终端A1，A2的NFC电路的线圈接收或发送的能量，同时减少由NFC电路所看到的匝数，使得从终端A1，A2看到的线圈的阻抗接近于NFC电路的输出阻抗，因此改进天线电路的品质因数Q。

图1C描述了图1B的替代结构。天线线圈包括形成访问终端A1和A2而且也连接到NFC电路的两个中点。可以认为天线线圈由三个串联连接的线圈L1，L2和L3形成，访问终端A1和A2作为线圈L1的终端。线圈L1是有源线圈，而线圈L2和L3是辅助的。

图2A示意性地表示图1B的天线电路的传统空间配置。整个天线线圈在单个平面上螺旋盘绕。为了简化附图，假设线圈L1包括一匝，而线圈L2包括两匝。天线线圈因而包括三匝。以实线示出的内部匝是线圈L1的匝，并且以虚线示出的两个外部匝是线圈L2的匝。

图2B示意性地表示图1C的天线电路的传统空间配置。和之前的一样，整个天线线圈在单个平面上螺旋盘绕。为了简化附图，假设每个线圈L1至L3包括单匝。天线线圈因而包括三匝。以虚线示出的内部匝是线圈L2的匝，并且以点划线示出的外部匝是线圈L3的匝。以实线示出的中间匝是有源线圈L1的匝。

已经证明根据图2A的螺旋空间配置获得的图1B依据通信距离提供比根据相同的螺旋空间配置（图2B）使用相同尺寸获得的图1C的电路的性能更低的性能。

发明内容

有必要提高这些天线电路的有效性。

该需求可通过为近场通信提供天线电路来满足，该天线电路包括在第一和第二访问终端之间连接的平面有源线圈；与有源线圈共平面且通过第一端连接至第一访问终端的辅助线圈；和连接至辅助线圈的第二端的调谐电容器。有源和辅助线圈的匝交织（interleave）。

根据一个实施例，辅助线圈的匝的第一部分位于有源线圈的内部，而辅助线圈的匝的第二部分位于有源线圈的外部。

根据一个实施例，有源线圈的匝的第一部分位于辅助线圈的内部，而有源线圈的匝的第二部分位于辅助线圈的外部。

根据一个实施例，有源线圈的每匝的位于辅助线圈的两匝的侧面，分别靠近在内部和外部上。

根据一个实施例，天线电路包括与有源线圈共平面、在电容器和第二访问终端之间连接的第二辅助线圈，有源线圈包括与第一辅助线圈的匝交织的一组匝，和与第二辅助线圈的匝交织的一组不同的匝。

根据一个实施例，辅助线圈位于一个并且是同一个平面的两个不相交的各个区域中。

无源近场通信设备可包括上述类型的天线电路和用于调制在天线电路的访问终端之间的阻抗的电路。

有源近场通信设备可包括上述类型的天线电路和连接至天线电路的访问终端的激励回路。

附图说明

在下面的非限定描述中，结合所附的附图详细描述实施例，在其中：

先前描述的图1A至1C表示传统天线电路的电气结构；

先前描述的图2A表示图1B的天线电路的空间配置；

先前描述的图2B表示图1C的天线电路的空间配置；

图3表示替代结构的天线电路的示例性空间配置；

图4表示用于具有偶数匝的天线线圈的示例性空间配置；

图5表示用于具有奇数匝的天线线圈的示例性空间配置；

图6A至6C用符号表示匝交织的多种可能性；和

图7表示能够应用于图1C的类型的天线的示例性交织的空间配置。

具体实施方式

如先前所指出的，已经证实依据用于相等天线尺寸的通信距离，通过使用实现图1C的电路的图2B的天线电路的空间配置比使用实现图1B的电路的图2A的天线电路的空间配置更有效。

从纯粹的电气观点，图1B和1C的天线结构是等效的，假定有效性的区别与在传统用于生产这些类型的天线的空间配置中的区别相关联。在此研究能够改进有效性的空间配置。

图3描述图2A的天线的电气结构的修改，其保留了图2B的空间配置。图2B的电容器C由电导体10替代，而电容器C插入到匝L3至终端A2的连接中。

结果是因此获得的电气结构是图1B，具有包括比有源线圈L1更多匝的辅助线圈L2。进一步，线圈L2（图3中的一个匝）的匝的一部分L2a位于线圈L1的内部，线圈L2（图3中的一个匝）的匝的剩余部分L2b位于线圈L1的外部。

换句话说，线圈L1和L2的匝交织，而不是在普通螺旋中盘绕。

图4表示基于和图3相同的原则的空间配置，具有两匝线圈L1和四匝线圈L2。线圈L2分成两个部分L2a和L2b，部分L2a包括有源线圈L1内部的两个相邻匝，线圈L2b包括线圈L1外部的两个相邻匝。部分线圈L2a和线圈L1一个接着一个顺时针从内向外盘绕在普通螺旋中。在内部，线圈L2a的端部通过导体10连接至线圈L2b的端部。从该端部开始，线圈L2b从外向内逆时针盘绕。线圈L2b终止于连接至终端A2的电容器C。

通过这种线圈方向的选择，天线线圈的串联电流在所有匝中在相同方向上流动。根据保留电流的方向的图4的可选配置，部分线圈L2b从连接至导体10的端部，能从内向外顺时针盘绕。

实际上，优选地，所有的匝都产生于基板15的同一层中，例如柔性印刷电路，而且放射状穿过匝的导体10产生在基板的不同层中并通过通孔（via）连接至匝的相应端部。对于用于朝向结构的外围偏离访问终端A1和A2的导体和用于电容器C的连接也是相同的。

终端A1和A2连接至用于管理集成天线电路的NFC设备的电路20。它可以是无源设备，例如RFID标签，在这种情况下电路20设计成从由天线感测的磁场中产生其电源而且调制在终端A1和A2之间的阻抗以用于传送信息。在NFC设备是有源的情况下，电路20设计成激发穿过终端A1和A2的天线，从而建立磁场，而且检测由场的范围内的其它NFC设备所引起的磁场的调制。

依照匝的尺寸和总数，在类似特征的两个天线上已经进行试验，一个根据图4的空间配置产生，而另一个根据图2B（具有两个匝的三个线圈）的空间配置产生。对于相同的尺寸，根据与各种传统类型的RFID标签的通信距离，这两个天线的结果是等效的。

通过以线圈L1和L2的匝交织这样的方式修改空间结构，因而成功改进图1B类型的天线的有效性。

图1B，3或4的类型的天线，比图1C的类型的天线更易于生产和实现。事实上，它禁止至线圈的三点连接代替四点连接，计算至访问终端A1，A2的两个连接和辅助线圈L2至电容器的第一终端的连接。电容器的第二终端和终端A2接地而代替悬浮。

至目前为止描述的天线线圈具有比率1:3（在有源线圈L1的匝数和天线线圈的匝的总数之间）。可需要产生其它的比率。在图4的结构中，可独立于线圈L1的匝数，反之亦然，而不影响天线电路的普通配置来相应改变部分线圈L2a和L2b的匝数。

图5描述适于奇数总数匝的替代配置，尤其是在线圈L1比线圈L2少一匝的情况下。所示出的例子对应于两匝的线圈L1和三匝的线圈L2。在这种情况下，相比于分割线圈L2至两个不等同的部分（然而在图4的结构中仍然可想象），线圈L1的每匝由线圈L2的匝在空间上间隔。线圈L1的每匝在线圈L2的两匝两侧，在内部和外部分别邻近。

图6A至6C概述了根据线圈L1和L2的匝数所提供的匝交织的各种基本可能性。垂直线表示匝的空间布置。从左至右，匝表示为从外部朝向天线线圈的中心。实线对应于有源线圈L1的匝，虚线对应于辅助线圈L2的匝。在线下面的数目指定线圈的顺序。

图6A对应于图5的实例，也就是说匝的奇数总数。线圈L1的两匝在空间位置2和4连续缠绕，而线圈L2的三匝线圈在空间位置5，3和1连续。

图6B对应于图4的实例，也就是说匝的偶数总数。线圈L1的两匝在空间位置3和4连续缠绕，而线圈L2的四匝线圈在空间位置5，6，1和2连续。

图6C是图6B的替代。线圈L1的两匝通过线圈L2的两匝在空间上分离。更具体地，线圈L1的匝在空间位置2和5盘绕，然后线圈L2的匝在空间位置6，4，3和1盘绕。

通过图6A至6C描述了交织空间配置，趋于减少在辅助线圈L2的匝和有源线圈L1的匝之间的平均径向距离，其结果是在有源和辅助线圈之间的耦合系数的改进。为了相同的原因，图6A和6C的方案比图6B的方案提供更好的有效性，因为有源线圈L1的匝更好地分布在辅助线圈L2的匝中。

图6A至6C中指示的线圈的顺序通过示例的方式给定。有关的是匝的空间位置，使得线圈L1和L2的匝交织。优选地将选择线圈的顺序，以用来减少线圈相交的数目，其需要在第二基板层和通孔中的导体。

取决于要保留的比率和线圈的匝数，可能复制图6A至6C的图案或将它们结合在同一个天线线圈内。图中示出的每条线可进一步表示同一个线圈的多个匝并且每条线的匝数可能对于两个线圈是不同的。

图7表示交织于图1C的类型的天线线圈的示例性应用，其包括三个线圈L1，L2和L3，每个两匝。线圈L1是有源线圈，而线圈L2和L3是辅助的。该结构类似于图6C的结构，其两半分别对应于辅助线圈L2和L3。匝从内部顺时针开始。从内部朝向外部走可相继发现线圈L2的第一匝，线圈L1的第一匝，线圈L2的第二匝，线圈L3的第一匝，线圈L1的第二匝，然后和线圈L3的第二匝。

线圈L2（在中心处）的第一匝和线圈L3（在外部）的第二匝的自由端通过电容器C链接。线圈L1的两匝通过第二层的径向导体连接。线圈L1的两端连接至访问终端A1和A2。

因此，线圈L1的匝的第一组与线圈L2的匝交织，而形成线圈L1的剩余匝的第二组与线圈L3的匝交织。空间配置关于图2B的传统空间配置改进了天线的有效性。相反，辅助线圈不包括任何交织的匝–它们位于天线线圈平面的不相交区域。

可以理解的是关联于指定到它的线圈L1的匝的组的每个线圈L2和L3，在两线圈配置中作为一个整体与线圈L1相关联的单独的线圈L2起相同的作用。因此，可应用图6A至6C的配置至每个线圈L2和L3，和线圈L1的相关联的一半的结合。

在此描述的实施例的多种变型和改进对本领域技术人员来说是明显的。在此示例描述了作为一个整体连接至天线线圈的终端的调谐电容器。电容器也能连接至辅助线圈的终端。此外在描述的不同实施例中，辅助线圈比有源线圈具有更多的匝，因而对应于更常用的情况。尽管可以想到有源线圈具有比辅助线圈更多的匝，在该情况下，这两个线圈的空间作用在在所描述的例子中相反。

Claims (8)

1.一种天线电路，用于近场通信，包括：

平面有源线圈（L1），连接在第一（A1）和第二（A2）访问终端之间；

辅助线圈（L2），与所述有源线圈共平面且通过第一端连接至所述第一访问终端（A1）；以及

调谐电容器（C），连接至所述辅助线圈（L2）的第二端；

其特征在于所述有源和辅助线圈的匝交织。

2.根据权利要求1所述的天线电路，在其中所述辅助线圈（L2）的匝的第一部分（L2a）位于所述有源线圈（L1）的内部，而所述辅助线圈（L2）的匝的第二部分（L2b）位于所述有源线圈的外部。

3.根据权利要求1所述的天线电路，在其中所述有源线圈（L1）的匝的第一部分位于所述辅助线圈（L2）的内部，而所述有源线圈（L1）的匝的第二部分位于所述辅助线圈的外部。

4.根据权利要求1所述的天线电路，在其中所述有源线圈（L1）的每匝位于所述辅助线圈（L2）的两匝的侧面，分别在内部和外部上靠近。

5.根据权利要求1所述的天线电路，包括与所述有源线圈（L1）共平面而且连接在所述电容器（C）和所述第二访问终端（A2）之间的第二辅助线圈（L3），所述有源线圈包括与所述第一辅助线圈的匝交织的一组匝，和与所述第二辅助线圈的匝交织的一组不同的匝。

6.根据权利要求5所述的天线电路，在其中所述辅助线圈位于同一个平面的两个不相交的各个区域中。

7.无源近场通信设备，包括根据权利要求1所述的天线电路和用于调制在所述天线电路的所述访问终端（A1，A2）之间的阻抗的电路（20）。

8.有源近场通信设备，包括根据权利要求1所述的天线电路和连接至所述天线电路的所述访问终端（A1，A2）的激励电路（20）。

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