CN101552614A

CN101552614A - 近场通信设备的单天线调谐电路

Info

Publication number: CN101552614A
Application number: CN 200910050407
Authority: CN
Inventors: 张晨; 王磊; 刘阳; 李蔚; 张纲; 李清
Original assignee: Shanghai Fudan Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Fudan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101552614B

Abstract

一种用于包括多个应用模块的近场通信设备的单天线调谐电路，包括将连接通信模块连接至天线，并通过所述天线输入以及输出信号的匹配单元；与所述多个应用模块中的一个相对应的第一通信单元，所述第一通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；与所述多个应用模块中的另一个相对应的第二通信单元，所述第二通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；将所述第一通信单元与所述第二通信单元隔离的隔离单元。采用隔离单元来隔离通信单元，进而隔离与通信单元电气连接的近场通信设备的各应用模块，由此可使用同一根天线，简化调谐电路结构，降低对采用天线调谐电路的近场通信设备的尺寸要求。

Description

近场通信设备的单天线调谐电路

技术领域

本发明涉及一种近场通信设备的天线调谐电路，尤其涉及一种近场通信设备的多种通信模块可共用同一天线的单天线调谐电路。

背景技术

近年来，电子支付业务已经深入了人们的生活，带来了诸多便利。这种数字化的消费方式取代了传统的货币传递，从很大程度上缓解了排队等待等一系列的社会问题。从2006年开始，随着近场通信(Near Field Communication，NFC)技术的宣传和推广，越来越多的消费者使用NFC设备来进行这一新兴的消费方式，引领着时代潮流。

在NFC设备中，芯片制造商将非接触读卡器(PCD)、非接触卡(PICC)等应用模块整合进一块NFC单芯片。相应地，NFC设备的集成度也越来越高，这就对天线制造和调谐电路的设计提出了更高的要求。

以集成了PCD和PICC的NFC设备为例，其天线系统架构如图1所示。所述天线系统构架沿袭了传统的PCD和PICC天线调谐电路的设计方法，使用两根天线分别实现PCD和PICC的通信功能。由于一般PCD使用的天线电感小于PICC天线电感，所以两根天线并非完全相同，需要分别设计。

另外由于两根天线同时集成在NFC设备中，天线之间存在较强的互感，影响了NFC设备做PCD和PICC的通信功能，因此需要调节两根天线之间的相对位置，减小互感，将这种影响降至最低。这种天线系统架构除了要求特殊设计两根天线外，每台NFC设备天线的相对位置都需要调试，产品性能的一致性较差。另外由于两根天线不能完全重合，天线系统占用的面积过大，集成度不高，对于小型NFC设备存在结构上无法实现的困难。若直接使用一根天线，势必会使NFC芯片内部的PCD电路和PICC电路通过调谐电路相互影响，从而降低整体性能，甚至使NFC设备变得极不稳定。

因此，需要一种使NFC设备各应用模块共用同一天线的调谐电路。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种使得具有多种应用模块的近场通信设备可共用同一天线的调谐电路。

为实现上述目的，本发明提供了一种近场通信设备的单天线调谐电路，所述近场通信设备包括多个应用模块。所述调谐电路包括将连接通信模块连接至天线，并通过所述天线输入以及输出信号的匹配单元；与所述多个应用模块中的一个相对应的第一通信单元，所述第一通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；与所述多个应用模块中的另一个相对应的第二通信单元，所述第二通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；将所述第一通信单元与所述第二通信单元隔离的隔离单元。

其中，所述匹配单元包括依次串联的第一天线连接端(RF1)、第一电阻(R1)、第七电容(C7)、第二电阻(R2)及第二天线连接端(RF1)；所述第七电容的两端并联有第八电容(C8)，所述第七电容的两端还分别串联有第五电容(C5)及第六电容(C6)，所述第一天线连接端与所述第二天线连接端分别与所述天线连接。

所述第一通信单元为与所述近场通信设备的PCD应用模块相对应的PCD通信单元，其包括从所述PCD应用模块输入信号的输入单元。所述输入单元包括与所述PCD应用模块连接的第一PCD信号输入端(TX1)及第二PCD信号输入端(TX2)，所述第一PCD信号输入端的另一端串联有第一电感(L1)，所述第二PCD信号输入端的另一端串联有第二电感(L2)；所述第一电感的另一端串联有第一电容(C1)，所述第二电感的另一端串联有第二电容(C2)，并且所述第一电容与所述第二电容连接；所述第一电容与所述第二电容的两端分别并联有串联的第三电容(C3)与第四电容(C4)，并且所述第三电容与所述第四电容的另一端分别连接至所述第五电容和所述第六电容；所述第三电容与第四电容之间的节点与所述第一电容与所述第二电容之间的节点连接，并且连接至所述近场通信设备的射频信号地线输出端(TVSS)。

所述第一通信单元还包括向所述PCD应用模块输出信号的输出单元。所述输出单元包括第三电阻(R3)及第四电阻(R4)，它们分别串联至所述匹配单元中的所述第五电容的两端；所述第三电阻与所述第四电阻之间还依次串联有第十一电容(C11)、第五电阻(R5)及第六电阻(R6)；所述第五电阻与第六电阻之间设有连接至所述PCD应用模块的输出端(RX)，所述输出端的信号由所述天线的电压通过所述第五电阻和第六电阻分压得到；所述第六电阻的另一端还串联有偏置电压输入端VMID，且所述偏置电压输入端与所述第六电阻之间还串联有第十二电容(C12)，所述输出端信号的直流偏置由所述偏置电压输入端通过所述第六电阻、第十二电容滤波得到；所述第十二电容的另一端连接有模拟信号地线AVSS，所述模拟信号地线AVSS连接至所述PCD应用模块，作为其信号地。

所述第二通信单元为与所述近场通信设备的PICC应用模块相对应的PICC通信单元，其包括分别与所述第八电容的两端连接的第一PICC信号输出端(IN1)与第二信号输出端(IN2)，所述第一PICC信号输出端与所述第二信号输出端(IN2)连接至所述PICC应用模块。

所述隔离单元包括串联在所述第八电容与所述第一PICC信号输出端之间的第九电容(C9)及串联在所述第八电容与所述第二PICC信号输出端之间的第十电容(C10)。

较佳地，所述第九电容与所述第十电容为60pF～260pF。

较佳地，所述第七电容及所述第八电容与所述天线的谐振大于13.56MHz。

较佳地，可短接所述第一电阻与所述第二电阻。

较佳地，所述可短接所述第三电阻或者第四电阻。

较佳地，所述天线为两端天线。

本发明的单天线调谐电路采用隔离单元来隔离通信单元，进而隔离与所述通信单元电气连接的NFC芯片中的各应用模块。通过解决近场通信设备内多种应用模块之间的相互隔离，使近场通信设备做某一种应用时，其他应用模块对其的影响降至最低，由此达成可使用同一根天线，简化调谐电路结构，降低对采用本发明调谐电路的近场通信设备的尺寸要求。

附图说明

参考下文之现时较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点。

图1为现有采用NFC芯片的NFC设备的天线系统构架的示意图；

图2为本发明天线调谐电路的示意图。

具体实施方式

现参考图2描述根据本发明的单天线调谐电路的较佳实施例。

图2示出了根据本发明的近场通信设备的单天线调谐电路，其分别与NFC芯片(未示)和单天线(未示)连接，以使所述NFC芯片可通过所述天线输入及/或输出信号，从而与其它NFC设备进行通信。所述NFC芯片包括多个应用模块，诸如PCD应用模块和PICC应用模块。所述NFC芯片为近场通信设备的一个例子，所述PCD应用模块及所述PICC应用模块为应用模块的例子。

根据本发明的调谐电路包括匹配单元、PCD通信单元及PICC通信单元。

现描述所述匹配单元。所述匹配单元与所述天线电气连接，并且与所述PCD通信单元及PICC通信单元电气连接。所述PCD通信单元及PICC通信单元通过所述匹配单元经由所述天线输入及/或输出信号。

所述匹配单元包括依次串联的第一天线连接端RF1、第一电阻R1、第七电容C7、第二电阻R2及第二天线连接端RF1。第七电容C7的两端并联有第八电容C8。第七电容C7的两端还分别串联有第五电容C5及第六电容C6。第一天线连接端RF1与所述第二天线连接端RF2分别与所述天线连接。第五电容C5及第六电容C6为匹配电容，第七电容C7及第八电容C8为调谐电容。

所述匹配单元实现PCD通信单元的输出信号到天线的阻抗匹配，提高天线的输出效率，减小无功功率。通过匹配单元的设计可以控制所述天线两端的电压，实现提高PCD操作距离与降低采用所述NFC芯片的设备的功耗之间的平衡。

另外，所述匹配单元的器件值的选取决定了所述NFC芯片做PICC应用时的谐振频率，从而影响PICC应用模块的性能。本实施例中，第七电容C7和第八电容C8与所述天线的谐振频率大于13.56MHz，以保证所述NFC芯片做PICC通信使用时的射频性能，例如通信距离等。

通过第一电阻R1及第二电阻R2可以调节天线的Q值，实现PCD操作距离与提高PCD兼容性之间的平衡。一般情况下，必须先准确测量天线的电感，估算天线的电阻和Q值。由于采用所述NFC芯片的设备千差万别，尺寸不一，因此天线的形状和尺寸也各不相同，天线的电感也差别很大，尤其是采用NFC芯片的设备中的电池、铁氧体靠近天线或使用金属外壳，都对天线的电感影响很大，这对天线的准确测量带来了困难。本实施例中，大致估算天线电感的变化范围，如果电感变化较大，则应在第一电阻R1及第二电阻R2焊接一定阻抗的电阻，以配合Q值较低的匹配网络。相反地，如果电感变化较小，则可短接第一电阻R1及第二电阻R2以适当提高匹配网络的Q值。

再者，所述NFC芯片做PCD使用时天线两端的电压不宜过高，应在PCD操作距离和NFC设备功耗之间做出权衡，另外还要考虑PICC电路的耐压限制。

现描述所述PCD通信单元。所述PCD通信单元包括从所述PCD应用模块接收信号的输入单元以及向所述PCD应用模块输出信号的输出单元。

所述PCD信号输入单元包括与所述PCD应用模块的输出端电气连接的第一PCD信号输入端TX1及第二PCD信号输入端TX2。第一PCD信号输入端TX1的另一端串联有第一电感L1。第二PCD信号输入端TX2的另一端串联有第二电感L2。第一电感L1的另一端串联有第一电容C1，第二电感L2的另一端串联有第二电容C2，并且第一电容C1与第二电容C2连接。第一电容C1与第二电容C2的两端分别并联有串联的第三电容C3与第四电容C4。第三电容C3与第四电容C4的另一端分别连接至所述匹配单元中的第五电容C5和第六电容C6。第三电容C3与第四电容C4之间的节点与第一电容C1与第二电容C2之间的节点连接，并且连接至NFC芯片射频信号地线输出端TVSS。所述射频信号地线输出端TVSS电气连接至所述NFC芯片的PCD应用模块，作为其地信号。第一电感L1、第二电感L2以及第一电容C1～第四电容C4组成EMC电路。NFC芯片的PCD模块通过第一PCD信号输入端TX1及第二PCD信号输入端TX2为EMC电路提供13.56MHz的载波信号。通过第一PCD信号输入端TX1及第二PCD信号输入端TX2输入信号的相位差为180度。第一PCD信号输入端TX1及第二PCD信号输入端TX2通过EMC电路和匹配电路推动单天线，使单天线发射13.56MHz的射频电磁场。

所述EMC电路中，电感、电容组成低通滤波器，滤除来自所述NFC芯片的PCD输出信号的高频分量，防止对其他设备以及所述NFC设备中的其它电路造成干扰。

本实施例中，第一电感L1、第二电感L2取500nH～2uH。第一电容C1、第三电容C3与第一电感L1组成的并联电路谐振频率略大于13.56MHz，具体取值由后级匹配电路的输入阻抗决定。第二电容C2、第四电容C4的计算方法与第一电容C1、第三电容C3相同。

所述PCD信号输出单元包括第三电阻R3及第四电阻R4，它们分别串联至所述匹配单元中的第五电容C5的两端。第三电阻R3与第四电阻R4为采样电阻。第三电阻R3与第四电阻R4之间还依次串联有第十一电容C11、第五电阻R5及第六电阻R6。第十一电容C11为隔直电容，本实施例中，其取10pF～100pF。第五电阻R5与第六电阻R6之间连接有输出端RX，其连接至所述PCD应用模块。第五电阻和第六电阻作为分压电阻，这两个电阻的取值由所使用的天线的电感决定。由此，所述输出端的信号由所述天线的电压通过所述第五电阻和第六电阻分压得到。

第六电阻R6的另一端还串联有偏置电压输入端VMID，且偏置电压输入端VMID与第六电阻R6之间还串联有第十二电容C12。第六电阻R6、第十二电容C12组成RC滤波电路。本实施例中，第十二电容C12取10nF～30nF。由此，输出端RX信号的直流偏置由偏置电压输入端VMID通过所述RC滤波电路得到。第十二电容C12的另一端连接有模拟信号地线AVSS，所述模拟信号地线AVSS连接至所述PCD应用模块，作为其信号地。

输出端RX利用PCD接收电路通过单天线接收外界卡片的回发信号。由此，第三电阻R3、第四电阻R4形成为0欧姆跳线，以选择回发采样通路。具体的，短接第三电阻R3或第四电阻R4由匹配电路器件的值决定，但第三电阻R3和第四电阻R4不可同时短接。当第三电阻R3短接时，输出端RX通过第五电阻R5、第六电阻R6、第十一电容C11及第四电阻R4经由第五电容C5从第一天线连接端RF1与所述第二天线连接端RF2接收信号。当R4短接时，输出端RX通过第五电阻R5、第六电阻R6、第十一电容C11及第三电阻R3直接从第一天线连接端RF1与所述第二天线连接端RF2接收信号。

现描述所述PICC通信单元。所述PICC通信单元包括分别与所述匹配单元中的第八电容C8的两端连接的第一PICC信号输出端IN1与第二信号输出端IN2。第一PICC信号输出端IN1与第二信号输出端IN2电气连接至所述PICC应用模块的输入端。

根据本发明的调谐电路中，所述PCD通信单元及PICC通信单元之间还连接有隔离单元。由于本实施例中的所述PCD通信单元及PICC通信单元之间连接有所述匹配单元，因此，所述隔离单元实际连接在所述PICC通信单元与所述匹配单元之间。具体的，所述隔离单元包括串联在所述匹配单元的第八电容C8与所述第一PICC信号输出端之间的第九电容C9及串联在所述第八电容C8与所述第二PICC信号输出端之间的第十电容C10。本实施例中，第九电容C9、第十电容C10一般取60pF～260pF。

由于所述PCD通信单元与所述PICC通信单元通过所述匹配单元连接，因此，将所述PICC通信单元与所述匹配单元隔离，实际上就是将所述PCD通信单元与所述PICC通信单元隔离，进而隔离所述NFC芯片中的所述PCD应用模块和所述PICC应用模块。

由于所述PICC应用模块中有全波整流电路，所述整流电路的地线又通过所述NFC芯片内部与射频信号地线输出端TVSS连接在一起，因此若没有PCD通信单元和PICC通信单元之间的所述隔离单元，所述天线将通过所述整流电路接地，极大地破坏作PCD应用时所述天线的谐振，严重影响所述PCD应用模块的性能，通过串接第九电容C9、第十电容C10电容隔离所述PCD通信单元和所述PICC通信单元可有效地解决这个问题。

此外，典型的采用NFC芯片的设备使用的天线都是三端的，分别是天线的两端以及天线线圈的中点，将天线的两端连接匹配单元，将中点连接射频信号地线输出端TVSS。这样使得匹配单元上下对称，简化设计。使用本发明的单天线调谐电路后，由于PICC通信单元的引入，特别是所述PICC应用模块中全波整流电路地线的接入会对天线造成较大的影响。虽然可以通过第九电容C9、第十电容C10起到隔离作用，但是如果天线线圈的中点仍然接地，仍会降低作PCD、PICC应用时天线的利用率。因此，将天线的中点与射频信号地线输出端TVSS间的连接断开，使用两端天线，可以显著提高所述NFC设备作PCD、PICC时的通信性能。实际上天线的中点连接射频信号地线输出端TVSS只是引入一个参考电平，断开后对单天线调谐电路的结构和可靠性并无影响。

本发明的实施例具有如下优点。

(1)本发明的单天线调谐电路采用隔离单元来隔离通信单元，进而隔离与所述通信单元电气连接的NFC芯片中的各应用模块。通过解决近场通信设备内多种应用模块之间的相互隔离，使近场通信设备做某一种应用时，其他应用模块对其的影响降至最低，由此达成可使用同一根天线，简化调谐电路结构，降低对采用本发明调谐电路的近场通信设备的尺寸要求。

(2)可通过调节本发明的匹配单元和隔离单元以使多种应用模块所需的天线电感达成一致或基本一致，进一步增强使用单天线的通信效果。

(3)由于本发明的调谐电路只使用一根天线，因此天线形状等无需特别设计，电路结构简单，调试方便，易于集成，可满足不同NFC应用的需要。

(4)本发明的调谐电路使用两端天线，可以显著提高NFC芯片的通信性能。

本技术领域的技术人员应清楚，本发明可以以许多其他具体的形式实现而不脱离发明的精神或范围。具体的，应理解本发明可以以下列形式实现。

当通信双方俱为NFC时，即为P2P模式时，本实施例的天线调谐电路也可使用。

此外，本发明以适用于PCD和PICC模块共存的RFID应用场合为例，本技术领域的技术人员应理解，只要是共用两种天线都可能采用本发明的主旨。

再者，通信载波频率为13.56MHz，但可支持106kps、212kps、424kps以及848kps等不同的通信速率。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神与范围。本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims

1.一种近场通信设备的单天线调谐电路，所述近场通信设备包括多个应用模块，其特征在于，所述调谐电路包括：

将连接通信模块连接至天线，并通过所述天线输入以及输出信号的匹配单元；

与所述多个应用模块中的一个相对应的第一通信单元，所述第一通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；

与所述多个应用模块中的另一个相对应的第二通信单元，所述第二通信单元与所述匹配单元连接，以通过所述天线输入或输出信号；

将所述第一通信单元与所述第二通信单元隔离的隔离单元。

2.如权利要求1所述的调谐电路，其特征在于，

所述匹配单元包括：

依次串联的第一天线连接端(RF1)、第一电阻(R1)、第七电容(C7)、第二电阻(R2)及第二天线连接端(RF1)；所述第七电容的两端并联有第八电容(C8)，所述第七电容的两端还分别串联有第五电容(C5)及第六电容(C6)，所述第一天线连接端与所述第二天线连接端分别与所述天线连接；

所述第一通信单元为与所述近场通信设备的PCD应用模块相对应的PCD通信单元，其包括：

从所述PCD应用模块输入信号的输入单元，其包括：

与所述PCD应用模块连接的第一PCD信号输入端(TX1)及第二PCD信号输入端(TX2)，所述第一PCD信号输入端的另一端串联有第一电感(L1)，所述第二PCD信号输入端的另一端串联有第二电感(L2)；所述第一电感的另一端串联有第一电容(C1)，所述第二电感的另一端串联有第二电容(C2)，并且所述第一电容与所述第二电容连接；所述第一电容与所述第二电容的两端分别并联有串联的第三电容(C3)与第四电容(C4)，并且所述第三电容与所述第四电容的另一端分别连接至所述第五电容和所述第六电容；所述第三电容与第四电容之间的节点与所述第一电容与所述第二电容之间的节点连接，并且连接至所述近场通信设备的射频信号地线输出端(TVSS)；向所述PCD应用模块输出信号的输出单元，包括：

第三电阻(R3)及第四电阻(R4)，它们分别串联至所述匹配单元中的所述第五电容的两端；所述第三电阻与所述第四电阻之间还依次串联有第十一电容(C11)、第五电阻(R5)及第六电阻(R6)；所述第五电阻与第六电阻之间设有连接至所述PCD应用模块的输出端(RX)，所述输出端的信号由所述天线的电压通过所述第五电阻和第六电阻分压得到；所述第六电阻的另一端还串联有偏置电压输入端VMID，且所述偏置电压输入端与所述第六电阻之间还串联有第十二电容(C12)，所述输出端信号的直流偏置由所述偏置电压输入端通过所述第六电阻、第十二电容滤波得到；所述第十二电容的另一端连接有模拟信号地线AVSS，所述模拟信号地线AVSS连接至所述PCD应用模块，作为其信号地。

所述第二通信单元为与所述近场通信设备的PICC应用模块相对应的PICC通信单元，其包括：

分别与所述第八电容的两端连接的第一PICC信号输出端(IN1)与第二信号输出端(IN2)，所述第一PICC信号输出端与所述第二信号输出端(IN2)连接至所述PICC应用模块；

所述隔离单元包括：

串联在所述第八电容与所述第一PICC信号输出端之间的第九电容(C9)及串联在所述第八电容与所述第二PICC信号输出端之间的第十电容(C10)。

3.如权利要求2所述的调谐电路，其特征在于，所述第九电容与所述第十电容为60pF～260pF。

4.如权利要求2所述的调谐电路，其特征在于，所述第七电容及所述第八电容与所述天线的谐振大于13.56MHz。

5.如权利要求2所述的调谐电路，其特征在于，可短接所述第一电阻与所述第二电阻。

6.如权利要求2所述的调谐电路，其特征在于，所述可短接所述第三电阻或者第四电阻。

7.如权利要求2所述的调谐电路，其特征在于，所述天线为两端天线。