CN102509866A

CN102509866A - 移动支付转接桥方案通信距离均衡的sim天线

Info

Publication number: CN102509866A
Application number: CN2011103439483A
Authority: CN
Inventors: 菅洪彦
Original assignee: KUNRUI ELECTRONIC SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: KUNRUI ELECTRONIC SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; Shanghai Quanray Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，由位于SIM卡的边缘的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈通过两个通孔串联构成，该天线的两个端口开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相关电路，设计屏蔽强的手机接收时候谐振在13.56MHz，屏蔽弱的手机天线电感会加大，自动失谐，接收信号会被少放大或抑制；而设计阻抗匹配网络在屏蔽强的手机内电路与天线阻抗匹配在6.78MHz的发射频率，在屏蔽弱的手机天线的电感数值会增大，自动阻抗匹配失谐，发射功率降低，可以平衡不同手机的通信距离，降低了手机通信距离的离散，实现了无需校准的手机通信距离控制。

Description

移动支付转接桥方案通信距离均衡的SIM天线

技术领域

本发明涉及天线，尤其是一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线。

背景技术

移动支付业务(Mobile money)将成为未来几年最重要的发展趋势之一，将为全球范围的用户带来新的益处，并对电信行业、科技行业和金融服务等行业带来深远影响。目前，移动支付技术现存的方案包括：双界面SIM卡方案(DI-SIM)、近场通信(Near Field Communication，简称为NFC)方案、2.45GHz的RFSIM方案。

NFC方案：

NFC由飞利浦、诺基亚、索尼等厂商联合提出。它在单一芯片上结合射频读卡器、非接触卡片和点对点的功能，是一种短距离无线通信技术。NFC采用13.56MHz作为通信频率标准，兼容ISO14443、ISO15693等射频标准，作用距离10厘米左右，数据传输速度可以选择106Kb/s、212Kb/s或424Kb/s。NFC芯片装在阅读器天线外壳上，手机就可以实现电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC芯片与SIM芯片由SWP协议连接。SWP(C6)一根信号线上基于电压和负载调制原理实现全双工通讯，可以实现SIM卡在ISO7816界面定义下同时支持7816和SWP两个接口，并预留了扩展第三个高速(USB)接口的引脚(C4、C8)。SWP系统地定义了从物理层、链路层到应用层的多层协议，并已成为ETSI标准。

NFC手机有三种工作模式：

非接触式卡模拟模式：NFC手机可以模拟成一个非接触式卡被读/写，它只在其他设备发出的射频场中被动响应。

点对点模式：NFC手机与其他设备双方都主动发出射频场来建立点对点的通信。

读写器模式：NFC手机作为一个读写器，主动发出自己的射频场去识别和读/写别的NFC设备。

DI-SIM方案：

双界面SIM卡是在传统的SIM卡中加入非接触射频接口，将提供能量耦合和数据传输的天线集成在手机或者柔性电路板上，通过接触式界面处理传统GSM命令，采用非接触式界面提供电子支付等增值服务。

目前的主流双界面SIM卡移动支付解决方案能实现各种非接触移动应用，比如非接触移动支付、电子钱包、PBOC借记/贷记以及其他各种非电信应用。从产品形态上来讲有：

一)将SIM天线和电路都集成在SIM卡上；

二)将电路集成在SIM卡内，天线引出放置在制定手机或者手机电池背面；

三)电路和天线都在SIM卡之外，比如摩托罗拉的I-SIM方案。

QSIM方案：

目前pos机器以及公交等的阅读器的频率多数是13.56MHz，因此我们的支付方案要兼容目前的阅读器。支付方案采用13.56MHz收发的形式。但是放置在手机内的SIM卡或者SD卡的屏蔽作用，以及目前阅读器的接收灵敏度不够高，使得难以单存使用13.56MHz直接与阅读器进行双向的通信。因此，我们采用了SIM卡13.56MHz接收，而发送6.78MHz的频率给高接收灵敏度的无源阅读器线桥，线桥贴在阅读器天线的外壳上。线桥将6.78MHz的信号转成常规无源卡片的负载调制形式，将信息传递给阅读器，完成整个链路的通信。这样的设计只需要使用QSIM的SIM，阅读器天线外壳上粘帖一个线桥即可，不需要动手机和阅读器就可以与现有的各种13.56MHz的pos机器和公交卡等阅读器兼容使用。QSIM的线桥方案同时排除了NFC需要更换手机，双界面卡有一个SIM外置天线与SIM连接的使用不便和经常损坏的事宜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，该SIM天线能自适应地平衡不同手机收接收和发送信号。

本发明的技术解决方案如下：

一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特点在于该天线是由位于SIM卡的边缘的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈通过两个通孔串联构成，该天线的两个端口开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相关电路。

所述的相关电路包括功率放大器、阻抗匹配电路、串联谐振的接收电路和收发切换开关，所述的功率放大器和阻抗匹配电路组成发送单元电路，所述的天线的两端通过所述的收发切换开关控制与所述的发送单元电路或所述的接收电路的两端的连接，通过阻抗匹配电路将天线和功率放大电路的寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频率在屏蔽强的手机时为天线的发送频率6.78MHz。

。

本发明的技术效果：

本发明利用一层基板的两层金属，在SIM开的外边缘，设计了串联的天线。上下两层天线的线圈交错开，降低了天线的寄生电容，提升了天线的性能。实现了大电感，高性能的天线。

本发明通过使用天线和电路的配合设计，使得屏蔽强的手机内的收发性能最佳，而在屏蔽弱的手机收发性能降低的方法，自适应地平衡不同手机的通信局距离，可以将手机的通信距离压缩5cm以内，不同的手机通信局差异在3倍左右。

附图说明

图1是本发明的QSIM线桥支付方案的系统原理图；

图2是不同尺寸阅读器不同距离的磁场强度图；

图3是本发明天线结构示意图

图4是本发明收发电路和天线的等效电路示意图；

图5是本发明相同条件下不同手机接收电路端口电压与频率的关系图；

图6是本发明不同手机的天线内的发送电流。

图中：

10-QSIM的SIM芯片主要模块框图；11-SIM微控制器；12-QSIM的SIM芯片的数字基带；13-QSIM的SIM芯片的13.56MHz接收单元；14-QSIM的SIM芯片的6.78MHz发射单元；15-QSIM的SIM芯片的收发切换开关；16-QSIM的SIM芯片的近场收发天线；17-QSIM的线桥芯片主要模块框图；18-QSIM的线桥芯片基带；19-QSIM的线桥芯的6.78MHz接收射频单元；110-QSIM的线桥芯的13.56MHz能量接收单元；111- QSIM的线桥芯的6.78MHz近场天线；112-QSIM的线桥芯的13.56MHz负载调制单元；113-QSIM的线桥芯的13.56MHz近场天线；114-13.56MHz阅读器读头；115-13.56MHz阅读器天线；

30-D类功率放大器；31-阻抗匹配网络；32-接收电路等效并联电路；33-天线等效模型；34-开关。

60-底层金属；61-顶层金属；62-通孔；63-SIM卡边缘；64-天线端口

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

先请参阅图1，图1是本发明的QSIM线桥支付方案的系统原理图。下面以QSIM线桥方案的原理图1简单描述一下其工作原理：

QSIM的SIM芯片10与收发近场天线16集成在手机的SIM卡内，芯片10与SIM自带的微控制器通信11，而微控制器11与手机通信，实现SIM中的QSIM芯片的与手机的信号连接。QSIM的芯片10部分主要由数字基带12，6.78MHz的发射单元13，13.56MHz的接收单元14，和天线切换开关单元15组成。SIM的天线16是近场天线，实现接收阅读器的13.56MHz和发送给线桥6.78MHz信号的功能。无源工作的线桥芯片17的主要功能是使用13.56MHz的天线122接收阅读器天线114发送的电磁波，由13.56MHz的能量接收单元110将交流的电能转换成直流提供芯片17工作。6.78MHz的近场天线111接收QSIM的天线16发送的近场 6.78MHz的电磁波，将其转换成交流信号传递给线桥芯片17的6.78MHz的接收单元19，19解调后将信号传递给线桥芯片17的基带部分18，18对接收的信号进行解码，处理后转换成13.56MHz的负载调制信号，传递给线桥芯片17的13.56MHz的负载调制单元112，112调制线桥的13.56MHz的天线113。该负载调制信息会被阅读器114的天线115接收，114将其解调解码。这样线桥就实现了SIM卡6.78MHz发射信号转换成阅读器可以接收处理的常规13.56MHz标准卡片实现的13.56MHz的负载调制信号。

不同手机的SIM卡摆放位置是不同的，有的在手机的电池下面，SIM卡的卡槽还是金属的，尤其是大部分金属覆盖的，同时手机的背盖也是金属的，手机的主板是金属的，此时SIM卡被各种金属包围着，这些金属起着磁场屏蔽的作用，可以衰减大部分阅读器的发送信号。信道对收发的衰减是一致的，反过来手机周边的金属也会衰减大部分SIM天线的发送信号。但是某些手机的SIM卡在手机的电池外面，SIM卡的卡槽不是金属的，同时，手机的背盖也不是金属的，这样的手机对SIM卡收发信号的屏蔽会非常微弱。屏蔽强弱的手机，在SIM卡的天线空间的磁场强度差异达到几十倍，这就意味着不同手机的通信距离差异会非常大。图2是测试两种尺寸天线的不同距离磁场强度图，尽管随着距离的增大，天线的磁场衰减是比较大的，但是屏蔽强弱的手机之间的通信距离，可以从1cm到大于20cm。显然，屏蔽强的手机通信距离太近，但是屏蔽弱的手机通信距离太远。SIM卡不能区别手机屏蔽强弱的差异，无法根据手机对SIM天线的屏蔽强弱来改变发射功率，进而控制距离。如果将手机的类型建立数据库，通过手机发送短信给数据中心，数据中心将手机的发送功率数值发送给手机，配置庞大的数据库，手机不断更新，对于不在数据库中的手机可能将有通信问题。同时SIM卡更换手机也就意味着需要更新配置SIM的发送功率。

由于手机的SIM供电限制，其不可能发送很大的功率，因此线桥的接收灵敏度设计是很高的，可以达到-80dBm～-90dBm，甚至更高。线桥的芯片也不能智能地识别是哪种手机，以改变自身的接收灵敏度来调整不同手机通信距离的巨大差异。

不同手机对SIM的屏蔽强弱的巨大差异会造成不同手机通信距离的巨大差异，屏蔽弱的手机与阅读器天线近距离时候，会阻塞接收电路；屏蔽强的手机发送信号会很微弱。强弱手机之间的通信距离差距，从2cm左右到20cm左右，比较大，且通信距离离散较大。而安全的通信距离一般是5cm左右，且近距离不能有盲区。

本发明就是利用SIM的天线设计自适应实现屏蔽强的手机内衰减接收信号，发送功率低；屏蔽弱的手机内，放大接收信号，发送信号功率大，无需校准的天线设计方案来平衡不同手机之间的通信距离。

图3是本发明天线的结构示意图，由图可见，本发明移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，是由位于SIM卡的边缘63的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈60和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈61通过两个通孔62串联构成，该天线的两个端口64开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相关电路。

图4是本发明收发电路和天线的等效电路示意图，所述的相关电路包括功率放大器30、阻抗匹配电路31、串联谐振的接收电路32和收发切换开关34，所述的功率放大器30和阻抗匹配电路31组成的发送单元电路，所述的天线33的两端通过所述的收发切换开关34的控制与所述的发送单元电路的两端或所述的接收电路32的两端连接，通过阻抗匹配电路(31)将天线(33)和功率放大电路(30)的寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频率在屏蔽强的手机内为天线(33)的发送频率6.78MHz。

手机中的SIM天线接收13.56MHz的阅读器信号。接收电路32可以等效为一个电阻和一个电容并联；天线33的等效模型为一个电感和一个电阻串联后，并联一个寄生电容。该天线的等效模型在不同的手机内的数值是不同的，尤其是天线电感的数值不同。由于涡流的磁场抵消天线的磁场，屏蔽强的手机的涡流大，而屏蔽弱的手机涡流小，导致屏蔽强的手机内的天线电感数值低，屏蔽弱的手机内的天线电感数值大。天线设计的时候，如果使得天线在屏蔽强的手机内时天线与电路在13.56MHz或者附近谐振，天线和电路对天线的13.56MHz的感生电压起着放大作用；在屏蔽弱的手机内，天线的自谐振频率略高于13.56MHz，这样在屏蔽弱的手机内的天线与电路之间的谐振频率会低于13.56MHz，天线起着滤波作用，对天线的13.56MHz感生电压起着一定的衰减作用。这样的天线设计会自动平衡不同手机的接收强度。

QSIM的SIM中的功率放大器30是D类功率放大器，他在信号的上半周期时，电流是从左上的PMOS流向右下的NMOS管，而在信号的下半周期，电流则从右上的PMOS管流向左下的NMOS管。所有的MOS管都是工作在开关状态，所述的功率放大器的效率取决于MOS管的工作内阻以及开关损耗和驱动损耗。阻抗匹配网络31连接天线到该功率放大器的两个开关，功率放大器的功率取决于阻抗匹配网络看进入的阻抗数值。在电源电压一定的前提下，阻抗大，发送功率大；阻抗小则发射功率小。在理想情况的时候，天线33和阻抗匹配网络31(包括了功率放大器的寄生电容)在发送频率谐振，天线内的电流与电路的品质因数成正比。天线接收电路32放大天线的感生电压。一旦失谐，则阻抗变大，功放的电流降低，同时工作频率的品质因数也会变低，进而导致天线内的电流降低，发送的磁场变弱。在设计发送的阻抗匹配电路的时候，屏蔽强的手机阻抗是匹配的，屏蔽弱的手机，由于涡流降低，天线的电感数值将变大，天线与阻抗匹配网络失谐，天线内的发送电流自然降低。这样的设计自然不能平衡不同手机的发送功率。

相同的电流下，线圈的圈数越多，磁通量就越大。因此在满足电路谐振和阻抗匹配的条件下，设计尽量大的电感，或者说更多的圈数，天线的收发性能就会更好。

图4是本发明收发电路和天线的等效电路图。其中功率放大器30是采用D类开关功率放大器。接收回路32等效为一个电阻Rr和电容Cr并联。线圈类型的近场天线的电路33等效为一个电感Ls串联一个电阻Rs后两者并联一个寄生电容Cap。射频开关34控制近场天线33是连接功率放大器30和阻抗匹配电路31组成的发送单元电路，还是连接接收电路32。这样就避免了在同一个小面积的SIM卡内，设计两个互感低的天线，使得天线的面积可以达到最大，大面积的天线意味着，相同的电流下有更大的磁通量，收发信号的强度会更大。

当电路处在接收状态的时候，天线33和接收电路32谐振在13.56MHz，电路端口的入射电压与天线33和接收电路33构成的串联等效电路的品质因数成正比，在谐振的时候品质因数最大，一旦失去谐振，意味着在接收频率的品质因数会降低，电路端口的入射信号也就会降低。

图5是相同条件下不同手机接收电路端口电压与谐振频率的关系图。其纵坐标是电路端口的感生电压，横坐标是天线和接收电路构成的等效串联电路的谐振频率。我们设计天线的时候，让天线在屏蔽强的手机内的谐振频率最接近13.56MHz。这样在屏蔽强的手机内，天线电路会对磁场在天线内的感生电压起着放大作用。接收电路32中的并联Rr和 Cr数值不会随着手机的不同而不同，由于涡流降低，屏蔽弱的手机的电感数值大，意味着SIM接收天线在屏蔽弱的手机内的谐振频率会偏低。我们设计的时候，在屏蔽弱的手机内，SIM的接收天线的自谐振频率略高13.56MHz。这样使得屏蔽弱内的手机接收天线和接收电路谐振偏低，天线和电路会对如何的磁场在天线感生的电压有一定的衰减作用。这样的天线降低了手机屏蔽强弱导致的手机接收芯片端口入射电压的巨大差异。进而平衡了不同手机接收信号的距离的巨大差异。

我们的关键是：在屏蔽强的手机内，天线33和功率放大器30之间采用串联电容Cis和并联电容Cip构成的阻抗匹配电路31，将天线33和功率放大电路30寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频率设计在发送频率6.78MHz。手机对SIM的天线屏蔽作用主要体现在金属对交变的磁场产生的涡流，抵消了入射的磁场。由于天线的收发是对等的，意味着涡流大造成的屏蔽强会直接降低天线的电感数值。换句话说屏蔽弱的手机的电感数值大，而电路的寄生阻抗和阻抗匹配部分不会随着手机的不同而不同，这就意味着功率放大器30的阻抗匹配失去谐振，进而天线发送的功率在屏蔽弱的手机会自动降低。

图6是本发明相同的SIM卡发送天线在不同手机内的发送电流。天线在不同手机内的阻抗数值是使用矢量网络分析仪测试的，代入发送电路的仿真结果。仿真数据显示，阻抗匹配好但屏蔽强的手机的峰值电流达到32.29mA，而屏蔽弱的手机SIM天线电流是6.448mA。屏蔽强的手机发送电流大，屏蔽弱的手机发送电流小。这样可以均衡不同手机的天线的发送磁场强度。

从上面的分析可见，无论是接收还是发射都希望是大的天线线圈，也就是大的电感，这样相同的电流下，天线的收发性能会提升。

相同的电流下，线圈的圈数越多，磁通量就越大。因此在满足电路谐振和阻抗匹配的条件下，设计尽量大的电感，或者说更多的圈数，天线的收发性能就会更好。作为一个磁场工作模式的天线33，本身的寄生电容越小，其电能转换为磁能的效率就越高。要实现大的电感，一般采用上下叠层的螺旋结构，两层金属线圈重叠，但是这样的设计会增大天线之间的寄生电容，进而进一步降低线圈的圈数，也就是电感的数值。图3是本发明天线的结构示意图。本发明的天线由底层金属构成的螺旋缠绕线圈60和顶层金属构成的螺旋天线线圈61串联构成。两个线圈上下重叠，但是上下线圈是交错的，大大降低天线两层线圈之间的平板电容。图3中的62是两层天线的连接通孔。这样的串联结构，既增大了天线的电感，降低了天线的寄生电容，节省了线圈内外连接的过桥金属层，使用两层金属就可以实现叠层天线。天线与电路的接口64可以方便的开口在电路需要的位置。天线线圈的四周紧靠着SIM卡的边缘63，天线中间用来封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片以及外围电路。本发明既增大了天线的电感数值，降低了所需金属的层数，又节省了成本，提升了天线的性能。

实验表明本发明可以平衡不同手机的通信距离，降低了手机通信距离的离散，实现了无需校准的手机通信距离控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特征在于该天线是由位于SIM卡的边缘(63)的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈(60)和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈(61)通过两个通孔(62)串联构成，该天线的两个端口(64)开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相关电路。

2.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特征在于所述的相关电路包括功率放大器(30)、阻抗匹配电路(31)、串联谐振的接收电路(32)和收发切换开关(34)，所述的功率放大器(30)和阻抗匹配电路(31)组成的发送单元电路，所述的天线(33)的两端通过所述的收发切换开关(34)的控制与所述的发送单元电路或所述的接收电路(32)的两端的连接，通过阻抗匹配电路(31)将天线(33)和功率放大电路(30)的寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频率为天线(33)的发送频率6.78MHz。