CN102683841B

CN102683841B - 双频通信垂直折叠手机线贴天线

Info

Publication number: CN102683841B
Application number: CN201210191260.2A
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: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: CN102683841A

Abstract

一种用于移动支付业务手机的双频通信垂直折叠手机线贴天线，该天线线贴包括13.56MHz天线和6.78MHz的天线，所述的天线都是螺旋缠绕的长方形线圈，13.56MHz的天线于手机背盖之间有一个磁膜做金属隔离，而6.78MHz的天线垂直13.56MHz的天线，覆盖在手机侧插SIM的附近，所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线通过一个倒扣焊盘和芯片进行倒扣封装。本发明具有13.56MHz的天线和6.78MHz天线相互影响较小、6.78MHz天线接收天线受临道大信号阻塞小，与SIM之间的通信天线耦合系数高，可确保线贴对SIM发送信号的接收；6.78MHz的天线还起着SIM天线和阅读器天线之间的信号放大器，增大了SIM天线与阅读器天线之间的信号传递。

Description

双频通信垂直折叠手机线贴天线

技术领域

本发明涉及天线，特别是一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信线贴天线。

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(Near Field Communication，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芯片装在手机上，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。其从产品形态构成分为：

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足够高，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SIM13.56MHz接收，而发送6.78MHz的频率给高接收灵敏度的无源手机线贴，线贴贴在手机被盖上。线贴将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，手机上粘贴一个线贴即可，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的线贴方案同时排除了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。

屏蔽强的手机发送信号非常微弱，而阅读器的天线发送的场强是大场强，这就意味着常规的螺线形状的线贴6.78MHz的天线同样会接收很大的13.56MHz的阅读器发送信号，该信号会阻塞芯片的接收信道。这个典型的临道大信号阻塞也是需要天线来解决。

在上述金属环境条件且有限的面积下，如何设计两个影响小的高性能天线，同时接收天线受临道大信号阻塞小的天线是一个需要解决的关键问题。

针对SIM卡在手机侧面的情况，比如iphone手机，SIM卡内置天线与平面粘帖在手机背面的接收天线之间的偶合系数小，进而导致信号传递困难，也是需要解决的问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信天线线贴，该天线线贴是在金属环境条件且有限的面积下的双频通信天线，具有13.56MHz的天线和6.78MHz天线相互影响较小、6.78MHz天线接收天线受临道大信号阻塞小的高性能天线和成本低的特点，解决SIM卡在手机侧面的情况，线贴对SIM发送信号的接收。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信天线线贴，其特征在于，该线贴包括3.56MHz天线和6.78MHz的天线，所述的天线都是螺旋缠绕的长方形线圈，所述的13.56MHz的天线，粘帖在一张金属个例作用的磁膜上，磁膜粘帖在手机被盖上，该6.78MHz的天线则垂直折叠在手机的侧面，覆盖在SIM卡的插入部分上面或者附近,所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线通过一个倒扣焊盘和芯片进行倒扣封装。

所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线及其谐振电容是在聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材上两层金属板的印刷电路构成的，在所述的天线线圈的内部空间，附于基材上的多根金属细线条连接起来分别构成所述的13.56MHz天线谐振电容和6.78MHz的天线的谐振电容。

所述的13.56MHz的天线及其谐振电容的谐振频率的范围为13MHz～14.5MHz。

所述的13.56MHz的天线及其谐振电容的最佳谐振频率为13.56MHz。

所述的6.78MHz的天线及其谐振电容的谐振频率的范围为4.5MHz～9MHz。

所述的6.78MHz的天线及其谐振电容的最佳谐振频率为6.78MHz。

所述的天线线贴的6.78MHz天线和13.56MHz的天线是采用同一张柔性电路板设计后，在6.78MHz天线的某一边垂直折叠，并粘帖到侧面插入SIM卡手机的SIM卡上面或者附近。

本发明的技术效果如下：

1、一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信天线线贴，作为无源的线贴，该线贴的13.56MHz的天线接收阅读器天线的交变磁场，并将其转换成交流电，芯片的交流直流转换电路将产生自身工作所需的电压；在负载调制的时候，使用低电阻的开关短路天线，使得阅读器的天线的等效负载发生变化，进而产生电压的波动，将线贴内的信号传递给阅读器。该部分与常规的13.56MHz的标准卡芯片的工作方式相同，具有正常的功能。

2、本发明是在聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材上的印刷电路板制作的螺旋天线。13.56MHz和6.78MHz的天线都是感抗形式，芯片是容抗形式。13.56MHz的天线和电路谐振在13MHz～14.5MHz附近，谐振频率尽量靠近13.56MHz，以接收尽量多的能量。6.78MHz的天线和电路谐振在6.78MHz的附近，以接收足够多的SIM发送的信号。因为信号的强度与天线和电路形成的串联电路的品质因数成正比，如果谐振频率接近发送的频率，电路端口的感生电压等于天线两端的感生电压乘以串联电路的品质因数；一般谐振频率低于6.78MHz频率，这样该天线和电路形成的谐振峰，会起着对13.56MHz的信号一定的滤波作用，降低6.78MHz的天线接收的13.56MHz的信号干扰。因此，该部分的谐振频率一般设置在4.5MHz～9MHz之间。

但是6.78MHz天线的品质因数Q不能太高，太高会引起信号振铃，解调会出问题。因此6.78MHz的天线对13.56MHz的阅读器的强信号抑制不能主要依靠天线和电路的品质因数。采用滤波方式，必然需要大量的电感和电容，会引起整体厚度过厚，焊点过多必然引起可靠性降低，元器件过多，必然会降低接收信号强度等一系列问题。

6.78MHz的天线与13.56MHz的天线垂直，两者的耦合系数很低，进而降低了两个天线之间的互扰。手机与阅读器之间通信的时候要求手机基本平行于阅读器天线，这时候6.78MHz的天线与阅读器天线之间的耦合系数也是很小的；6.78MHz的天线尺寸相对于阅读器的天线面积而言其尺寸很小，再次降低了阅读器天线与6.78MHz的线贴天线之间的耦合系数，进而降低了阅读器天线对6.78MHz的信道阻塞。

3、由于6.78MHz的线贴天线尺寸略大于侧面插入的SIM卡尺寸，且两者的空间上临近，导致两者的耦合系数增大，进而线贴接收SIM的发送信号的能量大大提升，进而增加了信噪比。

4、尽管6.78MHz的天线与阅读器的天线之间的耦合系数相对比较低，但是相对SIM卡与阅读器天线之间的耦合系数其仍就是高的。6.78MHz的天线在接收SIM发送信号的同时也会接收13.56MHz的信号，由于6.78MHz的线贴天线与SIM天线之间的耦合系数高，进而6.78MHz的线贴天线除了做SIM的信号接收之外，还起着阅读器天线和SIM天线之间的信号放大作用。6.78MHz的天线耦合阅读器的天线信号，再通过其与SIM之间的大偶合系数将该信号传递给SIM，增大SIM的接收灵敏度。

5、本发明采用附于基材上两层金属板的多根金属细线条连接起来分别构成所述的13.56MHz天线谐振电容和6.78MHz的天线的谐振电容。

由于芯片的内部容抗不足，这里采用薄的基材两面的两层金属来制作平板电容。该方法也是常用的制作天线的电容方式之一，但是天线是工作在近场的磁场模式，大面积的平板电容金属会产生涡流，涡流的磁场方向与入射的电磁场的磁力线方向相反，会抵消入射的磁场，也就是会降低13.56MHz的接收场强，也会降低6.78MHz的信号强度，因此我们的平板天线采用小面积的平行的线条形式，在某一边将各个线条连接，这就等效地将小面积的平板电容并联起来，增大平板电容的数值。这样的设计，将大面积金属的涡流变成小面积的金属涡流，而小面积的涡流的电流，相对于大面积的金属涡流而言，会很小，进而并联的小线条状平板电容会降低涡流的负面影响。

5、本发明芯片和天线之间采用倒扣封装形式，除了倒扣的芯片之外没有额外的元器件，使得整体的厚度很薄，可靠性也好。如果使用芯片产生足够的电容，这样会造成两个问题：一）天线为了谐振，很难设计精准的电感；二）芯片内电容会占据芯片的面积，会增大芯片的成本；天线产生平板电容会带来两个好处：1）天线的谐振频率调整可以通过剪切平板电容的面积大小来调整，比较容易；2）天线两层金属产生的平板电容，不额外增加制作成本。如果采用芯片外焊接谐振电容会增大成本，降低可靠性。芯片采用倒扣封装形式，芯片很薄，一般是100um左右的厚度，而磁膜的厚度，一般是100um～200um，也就是说将芯片位置的磁膜镂空，既可以实现平坦且牢靠的线贴，又可以放入手机背盖和电池之间的空隙中，厚了则放不进去。总之，使用线条形状的天线平板电容以及倒扣封装，在芯片位置磁膜小面积镂空，可以实现成本低，可靠性高的薄线贴。

总之，本发明天线线贴是在金属环境条件且有限的面积下的双频通信天线，具有13.56MHz的天线和6.78MHz天线相互影响较小、13.56MHz天线接收天线受临道大信号阻塞小的高性能天线和成本低的特点，可确保线贴对SIM发送信号的接收。

附图说明

图1是本发明QSIM线贴支付方案的系统原理图；

图2是8字形的6.78MHz的天线降低耦合系数的天线示意图；

图3是本发明QSIM双频通信手机贴摆放的结构图；

图4是本发明手机贴展开平铺的天线示意图；

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的线贴芯片主要模块框图；18－QSIM的线贴芯片基带；19－QSIM的线贴芯的6.78MHz接收射频单元；110－QSIM的线贴芯的13.56MHz能量接收单元；111－QSIM的线贴芯的6.78MHz近场天线；112－QSIM的线贴芯的13.56MHz负载调制单元；113－QSIM的线贴芯的13.56MHz近场天线；114-13.56MHz阅读器读头；115－13.56MHz阅读器天线；

20－磁膜；21－13.56MHz天线；22－6.78MHz天线；23－13.56MHz谐振电容；24－谐振电容线条的并联连线部分；25－6.78MHz的谐振电容；26－芯片的倒扣焊盘;

30－手机的主体；31－在手机侧面插入的SIM卡；32手机电池；33手机背盖；34－6.78MHz的天线；35－线贴的磁膜；36线贴的13.56MHz天线和芯片。

40－基材的裁剪边缘；41－13.56MHz的天线；42－13.56MHz天线的焊盘；43－13.56MHz天线的谐振平板电容；44－6.78MHz的接收天线；45－6.78MHz的接收天线的焊盘；46－6.78MHz的接收天线谐振电容；47－13.56MHz的天线的磁膜边缘，也是6.78MHz的天线垂直折叠的边缘线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例和附图，对本发明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QSIM线贴方案的原理框图见图1。下面以QSIM线贴方案的原理图1简单描述其工作原理：

QSIM芯片10与收发近场天线16集成在手机的SIM卡内，SIM芯片10与SIM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信号和发送给线贴6.78MHz信号的功能。无源工作的线贴芯片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贴芯片17的6.78MHz的接收单元19，19解调后将信号传递给线贴芯片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，传递给线贴芯片17的13.56MHz的负载调制单元112，112调制线贴的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。这样线贴就实现了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。

由于手机背盖的尺寸有限，线贴是无源工作，其能量来自阅读器发送的电磁波，同时是金属环境，因此线贴的13.56MHz的天线面积要大以确保获得足够大的能量提供芯片工作。而不同的手机对SIM的屏蔽作用是不同的，有的大，有的小。同时SIM的功耗是有明确的限制的，不能太大，意味着接收6.78MHz的芯片的灵敏度要高，高的灵敏度往往意味着大的功耗。因此6.78MHz的天线也要具有较大的面积才能保证对SIM发送信号的接收。

6.78MHz的天线和13.56MHz的天线在同一个空间内，全部重叠或者部分重叠，这必然引起两个天线具有较大的耦合系数，意味着天线的谐振调整将非常困难，同时两个天线将产生互相干扰。一种的13.56MHz的天线和6.78MHz的天线摆放形式如图2。6.78MHz的天线在13.56MHz的天线内部，设计为轴对称形式；6.78MHz的天线采用反向缠绕中间连接的8字形天线，这样其和13.56MHz的天线耦合系数最低，同时其在阅读器天线对称的位置时候，两个8字形的线圈由于其缠绕方向相反，从而可以抵消13.56MHz阅读器的强信号对6.78MHz的信道阻塞，但是在非对称的位置，阅读器的强信号同样会阻塞6.78MHz的信道接收。因此其可以使用的区域相对狭窄。

如图3所示，本发明的线贴摆放结构图。30－手机的主体；31－在手机侧面插入的SIM卡，一般情况SIM卡的上下都会有金属，其会对磁场的进入起着屏蔽作用，阅读器天线的磁场多数是从屏蔽金属的缝隙以及手机的侧面漏入的；32手机电池；其有可能就在手机SIM卡的下方；33手机背盖，可能是金属，可能是非金属；线贴的6.78MHz的天线34折叠在手机的侧面覆盖在手机SIM卡31的上方或者附近，增大SIM卡与线贴之间的天线耦合系数，进而增大信号；线贴的13.56MHz天线和芯片36粘帖一张起着金属隔离作用的线贴磁膜35上，而磁膜粘帖在手机的背盖上。6.78MHz的天线34和13.56MHz的天线36采用一张柔性电路板设计而成，其中13.56MHz的天线36下有磁膜35，而6.78MHz的天线34下面没有磁膜。SIM卡与线贴6.78MHz的天线之间高耦合系数，6.78MHz的天线与阅读器天线之间的耦合系数远大于SIM卡与阅读器天线之间的耦合系数，这样6.78MHz的天线还起着SIM卡接收阅读器天线信号放大变压器的作用。

图4是本发明QSIM双频通信线贴天线平面展开结构图，由图可见，本发明QSIM双频通信天线线贴，包括螺旋缠绕的13.56MHz天线41和6.78MHz的天线44，所述的13.56MHz天线41尺寸较大，用来接收足够多的阅读器的磁场，并将其转化成电能提供芯片使用；而13.56MHz天线41与手机之间使用磁膜做金属隔离，降低手机金属涡流的负面影响；13.56MHz的天线通过焊盘42与倒扣的芯片连接；43是该天线的平板电容，调整其数值可以控制其谐振频率。6.78MHz的天线44设计成宽度略小于手机厚度的长方形螺旋线形式，使用的时候其在13.56MHz的天线41的某一边侧面做垂直折叠，这样两个天线的耦合系数会非常低，降低互扰。6.78MHz的天线44垂直折叠后覆盖在手机的SIM卡上面或者附近。6.78MHz的天线44与芯片连接是通过焊盘45倒扣焊接而成，6.78MHz的天线的谐振电容66是调整可以实现不同的谐振频率。

所述的13.56MHz天线40和6.78MHz的天线46及其谐振电容是在聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材上两层金属板的印刷电路构成的，在所述的天线线圈的内部空间，附于基材上的多根金属细线条连接起来分别构成所述的13.56MHz天线谐振电容43和6.78MHz的天线的谐振电容46。

图4中的天线中间位置采用柔性电路板的两层金属制作13.56MHz天线谐振电容43和6.78MHz的天线谐振电容46，这样不额外增加成本；天线采用众多的狭长线条电容，在某一侧面使用线条连接的并联结构，这样避免了大面积的金属在天线的环内，大面积的金属会产生大的涡流降低天线的性能，而狭长线条的并联电容结构，涡流大大降低，进而大大降低了涡流的负面影响。实际的13.56MHz的天线谐振约靠近13.56MHz越好，而6.78MHz的天线谐振在6.78MHz附近。这样既实现了低成本，又确保了高性能。

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

1.一种用于移动支付业务手机的双频通信垂直折叠手机线贴天线，其特征在于，该线贴天线包括13.56MHz天线和6.78MHz的天线，所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线都是螺旋缠绕的长方形线圈，所述的13.56MHz的天线，粘帖在一张金属隔离作用的磁膜上，该磁膜粘帖在手机的背盖上，所述的6.78MHz的天线则垂直折叠在手机的侧面，覆盖在SIM卡的插入部分的上面或者附近,所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线通过一个倒扣焊盘和芯片进行倒扣封装，所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线及其谐振电容是在聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材上两层金属板的印刷电路构成的，在所述的13.56MHz的天线的线圈的内部空间，附于基材上的多根金属细线条连接起来分别构成所述的13.56MHz天线谐振电容和6.78MHz的天线的谐振电容，6.78MHz的近场天线接收QSIM的天线发送的近场6.78MHz的电磁波，将其转换成交流信号传递给线贴芯片的6.78MHz的接收单元，接收单元解调后将信号传递给线贴芯片的基带部分，基带部分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，并传递给线贴芯片的13.56MHz的负载调制单元，负载调制单元调制线贴的13.56MHz的天线。

2.根据权利要求1所述的双频通信垂直折叠手机线贴天线，其特征在于，所述的13.56MHz的天线及其谐振电容的谐振频率的范围为13MHz～14.5MHz。

3.根据权利要求1所述的双频通信垂直折叠手机线贴天线，其特征在于，所述的13.56MHz的天线及其谐振电容的最佳谐振频率为13.56MHz。

4.根据权利要求1所述的双频通信垂直折叠手机线贴天线，其特征在于，所述的6.78MHz的天线及其谐振电容的谐振频率的范围为4.5MHz～9MHz。

5.根据权利要求1所述的双频通信垂直折叠手机线贴天线，其特征在于，所述的6.78MHz的天线及其谐振电容的最佳谐振频率为6.78MHz。