CN102509904A - 移动支付转接桥阻隔滤波天线 - Google Patents

Abstract

一种移动支付转接桥阻隔滤波天线，其构成包括在线桥芯片上的13.56MHz线桥天线、6.78MHz线桥天线和阻隔滤波电路，所述的6.78MHz的线桥天线和所述的6.78MHz线桥天线之间连接所述的阻隔滤波电路，所述的13.56MHz的线桥天线的面积在保障获得足够能量的前提下尽量小，该13.56MHz的线桥天线的顶部靠手机的方向粘贴大于该天线面积的磁膜；所述的线桥芯片放置在13.56MHz阅读器天线的外壳顶部或者内部。本发明解决了线桥天线对阅读器天线的影响以及阅读器天线发送信号对电路的阻塞问题，使QSIM移动支付的线桥方案切实可行。

Description

移动支付转接桥阻隔滤波天线

技术领域

本发明涉及双频通信天线，特别是一种移动支付转接桥阻隔滤波天线。

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：双界面SIM卡方案(DI-SIM)、近场通信方案(Near Field Communication，简称NFC)和45GHz的RFSIM方案。

NFC：

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。

双界面SIM卡：

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。从产品结构有下列结构：

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机器和公交等频率多数是13.56MHz，因此我们的支付方案要兼容目前的阅读器。支付方案是采用13.56MHz收发的形式。但是放置在手机内，由于手机内的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，难以使用13.56MHz直接与阅读器进行双向通信。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。这样只需要使用QSIM的SIM，阅读器天线外壳上粘贴一个线桥即可，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。但是如何设计QSIM的线桥呢？目前尚未解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动支付转接桥阻隔滤波天线，降低密耦，解决线桥天线对阅读器天线的影响以及阅读器天线发送信号对电路的阻塞问题，使得QSIM移动支付的线桥方案切实可行。

本发明的技术解决方案如下：

一种移动支付转接桥阻隔滤波天线，特点在于其构成包括在线桥芯片上的13.56MHz线桥天线、6.78MHz线桥天线和阻隔滤波电路，所述的6.78MHz的线桥天线和所述的6.78MHz线桥天线之间连接所述的阻隔滤波电路，所述的13.56MHz的线桥天线放置在13.56MHz阅读器天线线圈的内部，所述的13.56MHz的线桥天线的面积在保障获得足够能量的前提下尽量小，该13.56MHz的线桥天线的顶部靠手机的方向粘贴大于该天线面积的磁膜；所述的6.78MHz线桥天线与所述的13.56MHz阅读器天线形成密耦，所述的线桥芯片放置在13.56MHz阅读器天线的外壳顶部或者内部。

所述的13.56MHz线桥天线和6.78MHz的线桥天线都是螺旋缠绕的天线。

所述的阻隔滤波电路是一个四端网络，其构成包括P1端口、P2端口、P3端口和P4端口，在P1端口和P3端口之间有依次连接的第一阻隔电路、第二阻隔电路和第三阻隔电路，在所述的P2端口和P4端口之间是依次连接的第四阻隔电路、第五阻隔电路和第六阻隔电路，所述的第一阻隔电路由第1电感、第3电容和第4电容并联构成；第二阻隔电路由第3电感、第9电容和第10电容并联构成；第三阻隔电路由第5电感、第15电容和第16电容并联构成；第四阻隔电路由第2电感、第5电容和第6电容并联构成；第五阻隔电路由第4电感、第11电容和第12电容并联构成；第六阻隔电路由第6电感、第19电容和第20电容并联构成；所述的P1端口和P2端口之间与并联的第1电容和第2电容相连，在所述的第一阻隔电路和第四阻隔电路的出口处连接一个电路，该电路由第23电容和第24电容并联后连接第1电阻后与并联的第7电容和第8电容相连构成，所述的第二阻隔电路和第五阻隔电路之后之间连接有并联的第13电容和第14电容、所述的第三阻隔电路和第六阻隔电路的输出端构成本阻隔滤波电路两个P3端口和P4端口，该P3端口和P4端口与并联的第21电容和第22电容相连，所述的P1和P2端口与所述的13.56MHz线桥天线相连，所述的P3和P4端口与所述的6.78MHz线桥天线信号入射端口相连。

所述的第一阻隔电路和第四阻隔电路的谐振频率低于13.56MHz，所述的第二阻隔电路和第五阻隔电路的谐振频率接近13.56MHz，所述的第三阻隔电路和第六阻隔电路的谐振频率高于13.56MHz，而且三者的谐振频率相接近，以在13.56MHz附近形成带阻。

所述的13.56MHz的线桥天线和阻隔滤波电路的谐振频率范围为13MHz～14MHz。

我们知道，本发明QSIM线桥的芯片是无源的，其能量来自线桥的13.56MHz天线，同时该天线以负载调制的方式将线桥接收到的SIM发送的6.78MHz携带的信息传递给13.56MHz的阅读器天线。由于线桥是粘贴在阅读器天线的外壳上的，阅读器天线和线桥的天线之间为密耦，线桥13.56MHz的天线可以做的比较小既可以获得足够能量和又可以顺畅通信。由于手机的电池和主板等都是金属，手机压在线桥13.56MHz的天线上会使其失去谐振，进而拿去能量，使线桥芯片工作的能量不足，为此线桥的13.56MHz天线在与手机的方向上添加了略大于天线尺寸的磁膜，磁膜起着抗金属的作用，这样金属压在该天线上，其谐振频率升高很小。一般谐振频率略低于13.56MHz，以保证手机压在13.56MHz的线桥上时，线桥13.56MHz天线的谐振频率偏高后更加接近13.56MHz。线桥的13.56MHz天线与电路谐振在13.56MHz的时候，拿到的能量最大。小尺寸的13.56MHz的线桥天线，可保证线桥的13.56MHz的天线对阅读器的天线影响小，金属磁膜的使用可以保证金属手机或非金属手机压在天线上的时候，13.56MHz线桥天线仍旧可以获得足够的能量，使线桥芯片正常工作。

6.78MHz线桥天线，也是螺旋缠绕的线圈形式的近场天线，其尺寸一般远大于线桥的13.56MHz线桥天线，在阅读器天线的外壳允许的情况下，其面积一般大于常规手机的面积。有时阅读器的天线面积大于线桥的6.78MHz的面积，比如地铁匝机阅读器天线和公交车的阅读器天线；有时线桥的6.78MHz天线小于阅读器的天线，比如小尺寸的pos机器。无论是哪种情况，线桥的13.56MHz线桥天线都是摆放在阅读器的天线的线圈内部。

线桥的6.78MHz线桥天线与阅读器天线是密耦形式，降低线桥的6.78MHz的天线对阅读器天线的影响的理论依据如下：

将阅读器的天线看成变压器的原线圈，线桥的6.78MHz天线看成是变压器耦合的副线圈。当线桥的6.78MHz线桥天线和电路谐振在13.56MHz的时候，副线圈及其连接的电路在原线圈中的折合阻抗没有虚部，只有实部。折合阻抗的虚部会使得阅读器的天线失谐，而实部只不过是一点能量损耗。由于6.78MHz线桥天线的电路只接收信号，不接收能量，其损耗较小。这样的设计使得线桥的6.78MHz线桥天线对阅读器的天线影响可以忽略。进而当线桥放置在阅读器的天线上的时候，阅读器还能正常的执行之前的非移动支付的工作，比如读取标准卡。

线桥的6.78MHz线桥天线与阅读器天线是密耦形式，降低阅读器天线发送的强信号进入线桥芯片也是至关重要的。通过天线端口设计13.56MHz串联谐振的陷波电路吸收阅读器的大信号方法会降低太多的阅读器功耗，影响原有阅读器的正常工作；如果采用常规低通滤波的方式，难以保证该电路不影响阅读器天线谐振，不能保证线桥的6.78MHz的天线和电路在13.56MHz谐振。

本发明线桥的6.78MHz线桥天线和芯片端口之间设有13.56MHz的并联谐振阻隔电路。该并联谐振电路在谐振点频率的阻抗可以看成是无穷大，因此阅读器的13.56MHz天线会阻隔13.56MHz的信号进入线桥的芯片，但是在线桥接收6.78MHz信号时，该阻隔电路显示为通路。这样既保证了电路不吸收太多的阅读器能量，同时又避免了强的阅读器场强对线桥电路的影响。

附图说明

图1是本发明的QSIM线桥支付系统原理图；

图2是本发明线桥的结构示意图；

图3是本发明线桥的阻隔滤波电路图；

图4是本发明的阻隔滤波电路的芯片端口和天线接收信号之间的传递函数；

图5是本发明阻隔滤波电路连接天线和电路之后，在天线端口S参数的史密斯图；

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；

20-阅读器的13.56MHz天线；21-线桥的6.78MHz天线；22-线桥的13.56MHz天线；23-线桥的13.56MHz天线的磁膜；24-线桥的阻隔滤波电路；

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，下面将结合实施例和附图，对本发明技术方案进行清楚、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。

QSIM的线桥方案不需要更换手机，SIM线桥之间是无线连接。

QSIM线桥方案的原理框图见图1。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卡自带的微控制器11通信，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112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，该6.78MHz的接收单元19解调后将信号传递给线桥芯片17的基带18，该线桥芯片的基带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，经线桥芯片的13.56MHz的负载调制单元112、线桥的13.56MHz的近场天线113后被所述的阅读器天线115接收，阅读器读头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。

线桥的天线面积一般要大于手机的尺寸，这样使用者可以方便的将手机放置在线桥之内，不需要移动手机，将手机的SIM卡对准线桥的天线才能工作。因此在阅读器的天线外壳允许的情况下，线桥的接收天线越大越好。同时由于线桥的6.78MHz的天线与阅读器的13.56MHz的天线之间的距离非常近，这就意味着的两个天线的耦合系数非常大，天线之间的互感会使阅读器的天线失去谐振，阅读器的天线发送磁场的强度降低，信号畸变等，造成阅读器性能下降，甚至不能正常工作。

表1是不同等效面积的6.78MHz线桥天线在不同的阅读器场强下的天线感生13.56MHz电压。实际的线桥6.78MHz线桥芯片端口的入射电压还要在感生电压基础上，乘以天线和电路串联之后的等效品质因数，一般这个数值非常高。这就意味着6.78MHz的芯片端口的入射电压有几十伏特，甚至上百伏特，这不是电路能够承受的，电路会损坏；同时如此强的13.56MHz临道信号，也会阻塞电路接收SIM发送的6.78MHz的信号。

表1不同等效面积和磁场强度下的天线感生13.56MHz电压

图2是本发明线桥的结构示意图。由图可见，本发明移动支付转接桥阻隔滤波天线，其构成包括在线桥芯片上的13.56MHz线桥天线22、6.78MHz线桥天线21和阻隔滤波电路24，所述的6.78MHz的线桥天线21和所述的6.78MHz线桥天线21之间连接所述的阻隔滤波电路24，所述的13.56MHz的线桥天线22放置在13.56MHz阅读器天线20线圈的内部，所述的13.56MHz的线桥天线22的面积在保障获得足够能量的前提下尽量小，该13.56MHz的线桥天线22的顶部靠手机的方向粘贴大于该天线面积的磁膜23；所述的6.78MHz线桥天线21与所述的13.56MHz阅读器天线20形成密耦，所述的线桥芯片放置在13.56MHz阅读器天线20的外壳顶部或者内部。

阅读器的13.56MHz天线20的尺寸大于线桥的6.78MHz线桥天线21的尺寸，线桥芯片放置在阅读器的天线20的中间。线桥的13.56MHz线桥天线22在线桥的6.78MHz线桥天线21内部，这样13.56MHz线桥天线22也就在阅读器天线20的内部；线桥的芯片是无源工作的，其能量来自线桥的13.56MHz的线桥天线。13.56MHz线桥天线22的尺寸在满足线桥芯片工作的能量基础上，应具有尽量小的面积。以降低线桥的天线对阅读器天线的影响。线桥的13.56MHz线桥天线22，靠近手机的一侧粘贴磁膜。没有手机的时候谐振频率约13.4MHz。有手机压上的时候谐振频率约为13.56MHz，这样确保手机压上的时候，线桥能够获得足够的能量。所述的阻隔滤波电路24也在线桥的6.78MHz的天线21的内部，该阻隔滤波电路确保线桥的6.78MHz的天线21和阅读器的天线20相互影响比较小。线桥可以粘贴在阅读器的外壳外面，也可以粘贴在阅读器外壳的内部。

图3是本发明阻隔滤波电路结构图。其中凡是有电容的部分都是采用了两个电容并联，目的是可以使用常用的电容得到电路实际需要的电容值。由图可见：

所述的阻隔滤波电路24是一个四端网络，其构成包括P1端口、P2端口、P3端口和P4端口，在P1端口和P3端口之间有依次连接的第一阻隔电路、第二阻隔电路和第三阻隔电路，在所述的P2端口和P4端口之间是依次连接的第四阻隔电路、第五阻隔电路和第六阻隔电路，所述的第一阻隔电路由第1电感L1、第3电容C3和第4电容C4并联构成；第二阻隔电路由第3电感L3、第9电容C9和第10电容C10并联构成；第三阻隔电路由第5电感L5、第15电容C15和第16电容C16并联构成；第四阻隔电路由第2电感L2、第5电容C5和第6电容C6并联构成；第五阻隔电路由第4电感L4、第11电容C11和第12电容C12并联构成；第六阻隔电路由第6电感L6、第19电容C19和第20电容C20并联构成；所述的P1端口和P2端口之间与并联的第1电容C1和第2电容C2相连，在所述的第一阻隔电路和第四阻隔电路的出口处连接一个电路，该电路由第23电容C23和第24电容C24并联后连接第1电阻R1后与并联的第7电容C7和第8电容C8相连构成，所述的第二阻隔电路和第五阻隔电路之后之间连接有并联的第13电容C13和第14电容C14、所述的第三阻隔电路和第六阻隔电路的输出端构成本阻隔滤波电路24两个P3端口和P4端口，该P3端口和P4端口与并联的第21电容C21和第22电容C22相连，所述的P1和P2端口与所述的13.56MHz线桥天线22相连，所述的P3和P4端口与所述的6.78MHz线桥天线(21)信号入射端口25相连。

三级阻隔电路的谐振频率分别是低于13.56MHz，接近13.56MHz和高于13.56MHz，但是频率比较接近，在13.56MHz附近形成带阻。这样，既提升了电路对13.56MHz信号的阻隔度，又可以避免元器件精度造成的谐振频率偏离。

图4是本发明阻隔滤波电路的芯片端口和天线接收信号之间的传递函数。图4可见，阻隔滤波电路24对13.56MHz的信号阻隔达到60dB以上。这意味着即便天线端口的13.56MHz的信号有100V，到达线桥芯片端口也只有0.1V。这个数值不会阻塞电路的正常接收。

在满足谐振的前提下，阻隔电路中的电感尽量小，而电容尽量大，这样可以降低阻隔电路对6.78MHz信号的衰减。

6.78MHz接收信号要有一定的平坦度，避免造成振铃，电路解调不行。单存的阻隔电路会使得整个通信的频带不平坦，因此图3的阻隔滤波电路中，每一级的阻隔电路后面都并联了电容，使得通信频带平坦。其中电容C7和C23之间串联了一个电阻R1，用来降低阻隔滤波电路的品质因数，平坦整个通信频带。图4中的5MHz～8MHz的传递函数都比较平坦。

图3中的天线端口的并联电容C1和C2主要用来调整天线和阻隔滤波电路在13.56MHz谐振，以确保线桥对阅读器的天线影响很小。图5是本发明的阻隔滤波电路连接天线和电路之后，在天线端口S参数的史密斯图，在13.56MHz的时候，S参数的虚部接近0，可见天线和线桥的阻隔滤波电路以及芯片是谐振在13.56MHz的。

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 (5)

1.一种移动支付转接桥阻隔滤波天线，特征在于其构成包括在线桥芯片上的13.56MHz线桥天线(22)、6.78MHz线桥天线(21)和阻隔滤波电路(24)，所述的6.78MHz的线桥天线(21)和所述的6.78MHz线桥天线(21)之间连接所述的阻隔滤波电路(24)，所述的13.56MHz的线桥天线(22)放置在13.56MHz阅读器天线(20)线圈的内部，所述的13.56MHz的线桥天线(22)的面积在保障获得足够能量的前提下尽量小，该13.56MHz的线桥天线(22)的顶部靠手机的方向粘贴大于该天线面积的磁膜(23)；所述的6.78MHz线桥天线(21)与所述的13.56MHz阅读器天线(20)形成密耦，所述的线桥芯片放置在13.56MHz阅读器天线(20)的外壳顶部或者内部。

2.根据权利要求1所述的移动支付转接桥阻隔滤波天线，其特征在于所述的13.56MHz线桥天线(22)和6.78MHz的线桥天线(21)都是螺旋缠绕的天线。

3.根据权利要求1所述的移动支付转接桥阻隔滤波天线，其特征在于所述的阻隔滤波电路(24)是一个四端网络，其构成包括P1端口、P2端口、P3端口和P4端口，在P1端口和P3端口之间有依次连接的第一阻隔电路、第二阻隔电路和第三阻隔电路，在所述的P2端口和P4端口之间是依次连接的第四阻隔电路、第五阻隔电路和第六阻隔电路，所述的第一阻隔电路由第1电感(L1)、第3电容(C3)和第4电容(C4)并联构成；第二阻隔电路由第3电感(L3)、第9电容(C9)和第10电容(C10)并联构成；第三阻隔电路由第5电感(L5)、第15电容(C15)和第16电容C16并联构成；第四阻隔电路由第2电感(L2)、第5电容(C5)和第6电容(C6)并联构成；第五阻隔电路由第4电感(L4)、第11电容(C11)和第12电容(C12)并联构成；第六阻隔电路由第6电感(L6)、第19电容(C19)和第20电容(C20)并联构成；所述的P1端口和P2端口之间与并联的第1电容(C1)和第2电容(C2)相连，在所述的第一阻隔电路和第四阻隔电路的出口处连接一个电路，该电路由第23电容(C23)和第24电容(C24)并联后连接第1电阻(R1)后与并联的第7电容(C7)和第8电容(C8)相连构成，所述的第二阻隔电路和第五阻隔电路之后之间连接有并联的第13电容(C13)和第14电容(C14)、所述的第三阻隔电路和第六阻隔电路的输出端构成本阻隔滤波电路(24)两个P3端口和P4端口，该P3端口和P4端口与并联的第21电容(C21)和第22电容(C22)相连，所述的P1和P2端口与所述的13.56MHz线桥天线(22)相连，所述的P3和P4端口与所述的6.78MHz线桥天线(21)信号入射端口(25)相连。

4.根据权利要求3所述的移动支付转接桥阻隔滤波天线，其特征在于，所述的第一阻隔电路和第四阻隔电路的谐振频率低于13.56MHz，所述的第二阻隔电路和第五阻隔电路的谐振频率接近13.56MHz，所述的第三阻隔电路和第六阻隔电路的谐振频率高于13.56MHz，而且三者的谐振频率相接近，以在13.56MHz附近形成带阻。

5.根据权利要求4所述的移动支付转接桥阻隔滤波天线，其特征在于，所述的13.56MHz的线桥天线(22)和阻隔滤波电路(24)的谐振频率范围为13MHz～14MHz。

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