CN102236780A - 一种高频无线智能卡的读卡装置 - Google Patents

Abstract

一种高频无线智能卡的读卡装置，包括有效射频收发模块和外壳，还设有射频信号屏蔽装置和射频干扰模块，射频信号屏蔽装置用于限定射频收发模块的通信区域并阻止射频干扰信号干扰该通信区域，所说的射频干扰模块能够对与其同频段和邻近频段的射频信号形成干扰，射频信号屏蔽装置开有朝向读卡装置读卡面的感应窗口，射频收发模块置于屏蔽装置内，射频干扰模块设置在屏蔽装置外。本发明具有结构简单，容易实施，工作稳定可靠，不仅能满足各种终端千变万化带来的需求，有效解决不同终端带来的刷卡距离变化问题，有效地控制距离，而且能限定刷卡方向及刷卡区域等优点。可用于电子钱包，手机门禁、手机支付等。

Description

一种高频无线智能卡的读卡装置

技术领域

本发明涉及射频通信技术领域，特别涉及一种高频无线智能卡的读卡装置，尤指用于射频通信的读卡装置。

背景技术

随着移动通信终端，比如手机的应用普及。基于移动终端的电子钱包，手机门禁、手机支付等新的应用需求也越来越引起广泛兴趣。

要满足这些应用，最好的方式是跟现有射频卡刷卡使用方式相同或者相近。这就要求移动终端能够像射频卡一样能够通过无线数据通信来跟消费终端、或者门禁控制器来交换数据。

通过手机实现移动支付等功能，需要在手机上实现近场通信功能，目前在手机上实现近场通信功能主要有以下几种模式，第一种模式是NFC手机，是在现有的手机上集成NFC通信模块(Near FieldCommunication)，采用的是13.56MHz的低频感应模式，属于被动式，需要用户更换手机；第二种模式是在手机SIM上加装13.56MHz的低频感应模块，需要改装SIM卡，并且在SIM上会带很大一个感应电路，这种模式无法大规模商业化；第三种模式是在手机上加装2.4G的有源高频感应模式，能有效的解决穿透问题，该种模式在日本得到发展，缺点是用户需要专用的手机，这一点不适合用户更换手机的使用习惯；第四种模式是在SIM卡上集成2.4G的有源高频感应模块(以下称为RF-SIM卡)，该种模式非常符合用户的使用习惯。中国移动选用了第四种模式，并作为移动支付的首要标准，但就目前的商用情况，主要存在以下缺点：第一是手机对RF-SIM卡的适应性问题，第二是RF-SIM卡和RF-SIM卡读卡装置之间的配合问题，主要表现在读卡速度慢，读卡距离不稳定，控制读卡距离难，对于同一个读卡装置，有的手机读卡距离很近，有的手机读卡距离很远，第三是读卡后手机屏幕显示结果慢。总之，现有的技术没有解决有源高频读卡装置对RF-SIM卡的定向读卡及精确控制距离的方法，从而影响了现有移动商务用户的体验及商业化进程，这也是目前中国移动推广该技术的障碍之一。

产生上述原因是由于有源射频技术本身的特点及移动终端的千变万化决定的。不同的移动通信终端对置入的智能卡射频通信会有很强的屏蔽效果。特别在低频段上工作时，很多情况下射频无法穿透移动通信终端。因此，我们需要选定很容易穿透移动通信终端的VHF频段和UHF频段以及SHF频段，同时避开移动通信所使用的频段，以防冲突。

每种移动通信终端对射频通信的屏蔽效果差别很大。导致在高频段上工作时，高频无线智能卡在射频收发功率一定的情况下，有效通信距离有些近，有些则很远。极端情况下，其射频有效通信距离甚至可以达到几米。而作为电子钱包，手机门禁、手机支付等应用，要求有效通信范围不可太远，必须限定在一定范围内。否则会出现误读卡和错读卡操作。

在那些屏蔽效果差的移动终端上，可以通过调低高频无线智能卡的射频收发功率一定程度上降低射频有效通信距离。但仍然有部分移动通信终端使用高频无线智能卡时，有效通信距离超出可容忍范围。也不能因为这些屏蔽效果差的移动通信终端，就去随意调低射频终端的射频收发功率。因为同时还存在一些屏蔽效果很强的移动通信终端。

因此，有效控制有源射频收发终端的刷卡距离一直是一个技术难点，有很多专利对相关技术进行了研究。专利20041036263.4描述了一种射频收发装置，但并未描述或公布(实现)使用该装置有效的控制刷卡方向及距离，专利20082145494.2描述了一种利用阻抗和衰减电路以及微带天线，来调节射频收发的强度从而实现对刷卡距离的远近控制，由于实际应用中阻抗电路的部署有限，并且不同手机的屏蔽强度不一样，同一的控制电路对于不同手机表现结果就完全不一样，表现在刷卡效果上，对于用户只能按统计规律实现高、中、低等感应模式，不能对读卡进行准确控制，比如当RF-SIM卡端的发射功率特别大时，即使用最高的衰减电路，也能实现远距离刷卡，这给用户使用带来不便甚至是刷卡风险。另外，该种方法还有更重要的一点是不能从刷卡方向和区域上进行准确控制。专利200810067445.6是通过建立各种不同手机对应的射频参数列表来实现控制，但由于现实生活中手机千变万化，手机对应的射频参数也只是相对值，而且实际应用环境中，驻波、信号反射等多种因素的影响使得射频参数列表常常很不可靠，因此该方法对于提升射频刷卡使用效果有一定帮助，但效果有限。专利20081142624.1是通过多个探测点检测接收到的RF-SIM卡端射频信号源的磁场特性和电场特性，进而推算出RF-SIM卡端与各个探测点的相对距离。为了能够得到准确的相对距离，必须要能精确的检测射频信号源的磁场特性和电场特性。而且每一类型的移动射频终端场强分布规律都不相同，需要为其一一建立近场图谱以备使用中匹配。当移动射频终端放置的角度和方位有变化时，近场图谱也会发生变化，这些变化很难分析出可使用的规律。实施代价过于高昂，却无法保证方法的可靠性。

由于手机的千变万化及有源高频射频技术的特征，虽然以上列举了许多种方法，但实际使用的效果并不理想，而且这些方法都不能在刷卡方向和区域上实现准确控制。不利于移动电子商务的快速发展。

发明内容

本发明的目的在于给出一种高频无线智能卡的读卡装置，该装置结构简单，容易实施，工作稳定可靠，不仅能满足各种终端千变万化带来的需求，有效解决不同终端带来的刷卡距离变化问题，有效地控制距离，而且能限定刷卡方向及刷卡区域。

本发明通过使用屏蔽装置和射频干扰模块相结合的方案，设计一种新的射频终端来将高频无线智能卡的感应方向和距离限定在设计范围。本发明的技术方案如下：

一种高频无线智能卡的读卡装置，包括与移动终端内的高频无线智能卡作数据交换的有效射频收发模块1和带有读卡面7的读卡装置外壳4，其特征在于所说的读卡装置还设有射频信号屏蔽装置2和至少一个射频干扰模块3，所说的射频信号屏蔽装置为用于限定有效射频收发模块通信区域6并阻止射频干扰模块的信号干扰该通信区域的射频信号屏蔽装置2，所说的射频干扰模块3为能够对与其同频段和邻近频段的射频信号形成干扰的射频干扰模块3，所说的射频信号屏蔽装置开有感应窗口5，感应窗口朝向读卡装置的读卡面，所说的有效射频收发模块置于射频信号屏蔽装置内，所说的射频干扰模块设置在射频信号屏蔽装置外。

在上述技术方案的基础上，所说的射频信号屏蔽装置为局部开有感应窗口5的容器形状的壳体，所说的容器形壳体为金字塔锥台形壳体，或圆柱形壳体，或长方体形壳体，或正方形壳体，或倒金字塔锥台形壳体，所说的壳体采用电磁屏蔽材料制作而成，所说的电磁屏蔽材料为导电泡棉、导电布、铍铜弹片、铜箔、铝箔、导电布胶带、导电膜、导电漆、导电双面胶或屏蔽网罩。

在上述技术方案的基础上，所说的射频干扰模块有两个或两个以上，所说的射频干扰模块相对设置在射频信号屏蔽装置的外侧下部，或外侧中部，或外侧上部。

在上述技术方案的基础上，所说的有效射频收发模块1设置在射频信号屏蔽装置2内的下部，或中部，或上部。

所述的有效射频收发模块，可以与置入移动终端内的高频无线智能卡做数据交换；所述的射频信号屏蔽装置，能使得信号只能向指定的方向发射，同时将其他方向的电磁波屏蔽，包括屏蔽射频干扰模块发射的干扰信号穿透进入有效射频收发模块1的有效通信区域6。

所述的射频干扰模块，可以是一个也可以是多个，能发射连续的射频信号，并对同频段和邻近频段的有效射频信号形成干扰和压制，使接收方无法收到正确的有效数据。

当带高频无线智能卡的移动终端不在指定的方向时，由于有效射频信号被射频信号屏蔽装置所屏蔽，只能收到射频干扰模块发送的无效信号，表明刷卡不成功。

即使带高频无线智能卡的移动终端处于指定方向上，但是超出一定的距离时，有效信号也会被连续的无效信号压制住，无法作有效通信。

因此，只有在一定的方向、一定的距离及区域内(如图1中虚线部分)，带高频无线智能卡的移动终端才能接收到有效射频收发模块发出的射频信号，实现成功刷卡操作。通过调整有效射频收发模块设在射频信号屏蔽装置内的位置高低，或调整射频信号屏蔽装置的形状，或调整射频干扰模块的数量、强度、部署角度等，可以实现射频接收区域及方向的改变，对有效刷卡进行准确控制。

本发明具有结构简单，容易实施，工作稳定可靠，不仅能满足各种终端千变万化带来的需求，有效解决不同终端带来的刷卡距离变化问题，有效地控制距离，而且能限定刷卡方向及刷卡区域等优点。

附图说明

图1高频无线智能卡的读卡装置结构示意图

附图标号说明：1是有效射频收发模块，2是射频信号屏蔽装置，3是射频干扰模块，4是射频终端外壳(读卡装置外壳)，5是感应窗口，6是有效通信区域(有效射频收发模块通信区域)，7是读卡装置的读卡面。

具体实施方式

以下结合图中的实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明给出的高频无线智能卡的读卡装置，包括与移动终端内的高频无线智能卡作数据交换的有效射频收发模块1和带有读卡面7的读卡装置外壳4，所说的读卡装置还设有射频信号屏蔽装置2和至少一个射频干扰模块3，所说的射频信号屏蔽装置为用于限定有效射频收发模块通信区域6并阻止射频干扰模块的信号干扰该通信区域的射频信号屏蔽装置2，所说的射频干扰模块3为能够对与其同频段和邻近频段的射频信号形成干扰的射频干扰模块3，所说的射频信号屏蔽装置开有感应窗口5，感应窗口朝向读卡装置的读卡面，所说的有效射频收发模块置于射频信号屏蔽装置内，所说的射频干扰模块设置在射频信号屏蔽装置外。

有效射频收发模块1可以是一个工作于2.4G频段的无线数字通信模块，它可与置入移动通信终端内同样频率和通信协议的高频无线智能卡(RF-SIM卡)作数据交换；每当有效射频收发模块向RF-SIM卡发送数据时，同时附带着很严格的数据完整性检测。

射频信号屏蔽装置2是用金属材料或者其他屏蔽装置来制作的，高频无线信号无法直接穿透它，它可以使有效射频收发模块的信号只能朝指定的方向(感应窗口5的方向)发射，而将其它方向的电磁波屏蔽。同时也可屏蔽射频干扰模块3的干扰信号穿透进入到有效射频收发模块1的有效通信区域6。射频信号屏蔽装置2可以使公知的电磁屏蔽装置，材料可以选择为导电泡棉、导电布、铍铜弹片、铜箔铝箔、导电布胶带、导电膜、导电漆、导电双面胶等。屏蔽体的形状可以是椎体壳体、柱体壳体、花瓶状壳体等等，总而言之是在某个区域让移动终端与干扰源之间形成一堵墙，无法连成一条直线，却能与正常通信模块形成一条直线。感应窗口5的大小可按具体需要设计。

射频干扰模块3作为干扰源可以是选用和正常通信模块同样的模块。将其设置成射频连续不断发送无效数据的模式，或者射频发射测试模式。例如可以采用Nordic公司的nRF24L01、nRF24LE1等芯片加上外围电路可以构成这样的模块。

射频干扰模块3是与有效射频收发模块1同样频率的射频信号发射模块，工作时可以连续不断的发射2.4G的射频信号。可以采用多个射频干扰模块协同工作，工作时发射连续的射频信号，能够对同频段和邻近频段的有效射频信号形成干扰和压制，使接收方无法收到正确的有效数据。射频干扰模块3根据安装位置及使用环境等的变化，亦可选择频率高于或低于有效射频收发模块工作频率的射频信号发射模块，其选取原则是尽可能确保所需的有效通信区域6能达到预设目标。

当被读取的RF-SIM卡不在是有效射频收发模块的正上方时，它所能接收到的有效射频收发模块的信号只能是通过反射方式得到的微弱信号，这个信号基本会被射频干扰模块所发射的信号压制住。此时RF-SIM卡即使能收到有效射频收发模块的数据，也会因为无法通过数据完整性检测而丢弃。

当被读取的RF-SIM卡在有效射频收发模块的正上方，并且在虚线的区域时，即位于有效通信区域6内时，它所能接收到的有效射频收发模块的信号很强，而射频干扰模块的射频信号因为无法穿透射频信号屏蔽装置却变得非常微弱。此时，RF-SIM卡可以与有效射频收发模块作数据交换。

当被读取的RF-SIM卡在是有效射频收发模块的正上方，并且在虚线的上方时。它所能接收到的是有效射频收发模块的信号很强，而射频干扰模块的射频信号也会很强。此时，RF-SIM卡即使能收到有效射频收发模块的数据，也会因为无法通过数据完整性检测而丢弃。

这样，只有指定的区域——有效通信区域6内才能使得有效射频收发模块与RF-SIM卡可以正常通信。有效射频收发模块的发射功率强度与射频干扰模块的发射强度同步提升时，RF-SIM卡有效通信区域不会有明显变化。这样，就可以通过调整有效射频收发模块的收发功率强度来适应那些屏蔽性相差很大的手机了。

本发明可以用于电子钱包，手机门禁、手机支付等

以下是本发明的一个具体实施例。

读卡器射频有效收发模块(有效射频收发模块)、射频干扰模块、以及屏蔽壳体的试验细节与结论

1个有效射频收发模块和1个射频干扰模块，均采用2.4G射频芯片NRF24LE1加简单电路和天线完成，没有使用信号放大电路。

其无线发射功率为-1db，频率中心点为2440Mhz，采用GFSK调制模式。

此芯片内带处理器，通过编写程序，有效射频收发模块设置成1Mhz的速率作通信用；而射频干扰模块则被设置成连续载波发送模式(Enables continuous carrier transmit)。

1个屏蔽壳体是一个高度15厘米，直径10厘米的内部空心的金属圆柱体。除向上的一个圆面外，其余面都是金属。

做了如下试验：

1、试验一。在只开启有效射频收发模块，不带屏蔽壳体的情况下，手机里的高频无线智能卡在任何角度都可收到信号。而且信号距离可以做到2.3米以上。此时开启射频干扰模块，无论手机距离读卡器的距离多远或者多近，都无法收到读卡器的有效数据，并给予回应。

2、试验二。关闭射频干扰模块。将有效射频收发模块放入屏蔽壳体，将手机放到屏蔽壳体的外面。此时手机里的高频无线智能卡在任何角度也可收到信号，但最远距离已经缩减到1.7米以内。

3、试验三。将有效射频收发模块放入屏蔽壳体，将射频干扰模块开启并放到屏蔽壳体的侧面，紧挨着柱体。1)将手机放到屏蔽壳体的外面，此时手机里的高频无线智能卡无法收到读卡器的有效数据。2)将手机放到屏蔽壳体的开口面附近，此时手机里的高频无线智能卡无法收到读卡器的有效数据。3)将手机放置高频无线智能卡的那一端放到屏蔽壳体的里面，此时手机里的高频无线智能卡无法收到读卡器的有效数据。4)将手机整体放到屏蔽壳体的里面，此时手机里的高频无线智能卡可以收到读卡器的有效数据。

4、试验四。将有效射频收发模块放入屏蔽壳体，将射频干扰模块开启并放到屏蔽壳体的下面，紧挨着有金属的圆面。1)将手机放到屏蔽壳体的外面，此时手机里的高频无线智能卡无法收到读卡器的有效数据。2)将手机放到屏蔽壳体的开口面附近距离开口面大约13厘米以内的地方，此时手机里的高频无线智能卡可以收到读卡器的有效数据。超出13厘米的地方无法收到读卡器的有效数据。

总结。根据以上的试验结合理论分析我们得出如下结论：

1.屏蔽壳体对有效射频收发模块在设定方向上有足够屏蔽作用，但因为使用环境中其它物体对射频信号的反射。使得手机里的高频无线智能卡在任何角度仍然能收到读卡器的信号，但是信号强度已经大大降低。

2.对于GFSK调制模式，在同频率点上，很弱的射频干扰信号也可使得有效射频信号无法被正确接收到。

3.因为2.4G的射频信号是波长为125毫米的正弦波，能够以相应角度的拐弯传递信号。为了能够保证按照我们的期望值在某些区域屏蔽干扰信号，而在其他区域屏蔽有效信号，需要我们保证屏蔽壳体的尺寸足够拦截这个波长的正弦波传递。

Claims (5)

1.一种高频无线智能卡的读卡装置，包括与移动终端内的高频无线智能卡作数据交换的有效射频收发模块(1)和带有读卡面(7)的读卡装置外壳(4)，其特征在于所说的读卡装置还设有射频信号屏蔽装置(2)和至少一个射频干扰模块(3)，所说的射频信号屏蔽装置为用于限定有效射频收发模块通信区域(6)并阻止射频干扰模块的信号干扰该通信区域的射频信号屏蔽装置(2)，所说的射频干扰模块(3)为能够对与其同频段和邻近频段的射频信号形成干扰的射频干扰模块(3)，所说的射频信号屏蔽装置开有感应窗口(5)，感应窗口朝向读卡装置的读卡面，所说的有效射频收发模块置于射频信号屏蔽装置内，所说的射频干扰模块设置在射频信号屏蔽装置外。

2.如权利要求1所述的高频无线智能卡的读卡装置，其特征在于所说的射频信号屏蔽装置为局部开有感应窗口(5)的容器形状的壳体，所说的容器形壳体为金字塔锥台形壳体，或圆柱形壳体，或长方体形壳体，或正方形壳体，或倒金字塔锥台形壳体，所说的壳体采用电磁屏蔽材料制作而成，所说的电磁屏蔽材料为导电泡棉、导电布、铍铜弹片、铜箔、铝箔、导电布胶带、导电膜、导电漆、导电双面胶或屏蔽网罩。

3.如权利要求1或2的高频无线智能卡的读卡装置，其特征在于所说的射频干扰模块有两个或两个以上，所说的射频干扰模块相对设置在射频信号屏蔽装置的外侧下部，或外侧中部，或外侧上部。

4.如权利要求1或2所述的高频无线智能卡的读卡装置，其特征在于所说的有效射频收发模块(1)设置在射频信号屏蔽装置(2)内的下部，或中部，或上部。

5.如权利要求3所述的高频无线智能卡的读卡装置，其特征在于所说的有效射频收发模块(1)设置在射频信号屏蔽装置(2)内的下部，或中部，或上部。