CN102738577A - 双频通信手机电池线贴天线 - Google Patents

Abstract

一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信手机电池贴天线，该天线线贴包括轴对称的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，两个天线长边平行，下面粘帖磁膜，分别放置在手机电池扁平的两面，6.78MHz的天线在电池的下面，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。本发明天线被手机的主板和电池包围起来，与阅读器天线隔离，避免了阅读器天线的大信号造成的信道阻塞，同时该天线靠近手机的SIM，有增大接收的性能。

Description

双频通信手机电池线贴天线

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双频通信手机电池线贴天线。

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(NearField 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。

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双频通信手机电池线贴天线，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，可确保线贴对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双频通信手机电池线贴天线，其特点在于，该线贴包括轴对称的13.56MHz天线和轴对称的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，两天线的长边平行，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，在天线的同一侧面粘帖有磁膜，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，在所述的在所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线的天线线圈的内部空间，附于所述的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性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，该双频通信天线线贴弯折贴置后，所述的13.56MHz天线和6.78MHz的天线及其所述的磁膜分别在手机电池的两面，且所述的13.56MHz的天线靠近手机的背盖。

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6.78MHz天线附着的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材向电池下弯折的部分在手机电池的长边位置；所述的6.78MHz天线附着的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材向电池下弯折的部分没有磁膜，保留足够的长度以适应不同手机的电池厚度。

所述的6.78MHz的天线尺寸小于13.56MHz的天线尺寸。

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双频通信手机电池线贴天线，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。同时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。如何降低两个天线的耦合系数，进而降低两者的互扰。本发明采用将6.78MHz的天线折叠到手机的电池下面，使其被手机主板和电池与13.56MHz的天线耦合系数大大降低，隔离起来，进而降低互扰，阅读器天线对线贴的6.78MHz的接收信道阻塞问题迎刃而解；同时该设计使得6.78MHz的天线更加靠近手机的SIM，确保了接收性能。

4、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。

6.本发明中折叠到手机电池下面的6.78MHz的天线尺寸小于13.56MHz的天线尺寸，在天线和电池的折叠位置保留足够的长度，这样确保线贴适应不同手机的电池厚度，做到很好的手机适应性。

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。实验表明本发明天线被手机的主板和电池包围起来，与阅读器天线隔离，避免了阅读器天线的大信号造成的信道阻塞，同时该天线靠近手机的SIM，有增大接收的性能。

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是本发明QSIM双频通信手机贴摆放的结构图；

图3是部分重叠降低耦合系数的天线示意图;

图4是并列两天线降低耦合系数的天线示意图；

图5是6.78MHz的8字形天线在13.56MHz天线内部的示意图；

图6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－顶层金属线圈天线；22底层金属线圈天线；23倒扣焊盘；

30－磁膜；31－13.56MHz螺旋线天线；32－6.78MHz螺旋线天线；33－倒扣焊盘；

40－磁膜；41－13.56MHz天线；42－6.78MHz天线；43－13.56MHz谐振电容；44－谐振电容线条的并联连线部分；45－6.78MHz的谐振电容；46－芯片的倒扣焊盘;

50-手机主体；51手机SIM卡；52－线贴6.78MHz的天线；53线贴磁膜；54－手机电池；55－线贴13.56MHz天线和芯片；56－手机背盖；57－天线连接线；

60－线贴13.56MHz天线；61－6.78MHz天线；62－磁膜；63－芯片的倒扣焊盘；64是磁膜；65－折叠位置连天线金属接线；66－6.78MHz芯片端口并联的平板电容；67－13.56MHz芯片端口并联的平板电容;68－无磁膜的裁剪边缘。

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。如何降低两个天线的耦合系数，进而降低两者的互扰。一般的方法是两个螺旋线线圈天线部分重叠，见图2。图2中的磁膜20垫在天线底部；顶层金属线圈天线21和底层金属线圈天线32部分重叠以降低两者的耦合系数；芯片和天线采用倒扣形式封装在倒扣焊盘33位置。由于线圈内外的磁场方向是相反的，可以仔细调整重叠和不重叠的面积，两个天线的耦合系数可以做的比较低。但是这样会降低各自天线的面积，在整体面积就有限的前提下，各自的性能都会变得比较差。

另外一种降低两个天线耦合系数的方法就是两个天线并列排放，不重合，见图3。图3中磁膜30垫在天线的底部，13.56MHz螺旋线天线31占据了大的面积；6.78MHz螺旋线天线32占据一个小面积；芯片与天线采用倒扣封装在倒扣焊盘43的位置。由于两个天线并联，对空间的利用就降低；同时线贴的芯片是无源工作，能量是最根本的，因此一般是13.56MHz的天线大，6.78MHz的天线小，这本身就会降低6.78MHz天线的接收能力。

另一种的13.56MHz的天线和6.78MHz的天线摆放形式如图4。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0 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。

如果将线贴的6.78MHz天线折叠到磁膜的背面，让磁膜来隔离阅读器的大信号，这样会造成6.78MHz的天线一面是磁膜，将这样的天线整体厚度过厚，难以放置在手机背盖内。

如图5所示，本发明的线贴摆放结构图。手机主体50包括手机主板，显示屏，天线等结构，手机的电池54一般尺寸约33mm×51mm左右，SIM卡51有时在手机电池54下面，有时在手机电池54外面。线贴的天线采用折叠的形式，其中6.78MHz的天线52和13.56MHz的天线55分别在电池54的两面，而13.56MHz的天线55靠近手机的背盖56。在电池的两面的天线部位都有磁膜53，用来抗金属，确保13.56MHz的天线品质因数，使其拿到足够的阅读器的电磁波，进而转换成芯片工作所需的能量。在电池54下面的线贴6.78MHz的天线52沿着手机电池54的长边绕过，使用同一个柔性电路板的连接线57连接到芯片的焊盘。由于手机的电池54是金属，线贴的两个天线被金属分开，对于近场的天线而言，可以认为两个天线的互相耦合是非常微弱的，可以忽略，进而两个天线可以各自设计各自的，不影响；同时由于6.78MHz的天线52的两侧各自是手机电池54和手机主板51，其被金属屏蔽起来，阅读器的天线与该天线的耦合系数非常低，可以忽略，因此线贴的6.78MHz的信道不再受阅读器天线发送的发信号阻塞。同时由于6.78MHz的天线更加靠近手机的SIM，其接收能力会提升，因此达到较好的接收性能，

图6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双频通信手机电池贴天线，包括轴对称的13.56MHz天线61和6.78MHz的天线60，两个天线都是螺旋缠绕的长方形线圈，两个天线的长边平行。在天线展开后的同一面6.78MHz的天线设计了磁膜62，13.56MHz的天线设计了磁膜64，磁膜的裁剪边缘距离天线的金属外边缘约1～3mm。但是在电池的折叠位置68没有粘帖磁膜，便于电池摆放入手机。

所述的13.56MHz天线61和6.78MHz的天线60通过一个倒扣焊盘63和芯片进行倒扣封装。所述的13.56MHz天线61和6.78MHz的天线60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66和6.78MHz的天线的谐振电容67。

6.78MHz的天线60通过相对粗的金属连接线65与芯片的封装焊盘63连接。在折叠的区域裁剪边缘65向内凹陷，折叠区域保留了约6mm空间，以适应不同厚度的手机电池。

6.78MHz的天线60比13.56MHz的天线61相比，其长边略小2mm～4mm，但是在短边方向短了4mm以上，以适应不同手机的电池厚度不同。

这样6.78MHz的天线就可以折叠到手机的电池下面，隔离了阅读器天线发送的大信号，同时增大了其与SIM天线之间的耦合，进而提升了接收的性能。

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 (6)

1.一种用于移动支付业务手机的QSIM双频通信手机电池线贴天线，其特征在于，该线贴包括轴对称的13.56MHz天线（60）和轴对称的6.78MHz的天线（61），所述的13.56MHz天线（60）和6.78MHz的天线（61）都是螺旋缠绕的长方形线圈，两天线的长边平行，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，在所述的在所述的13.56MHz天线（60）和6.78MHz的天线（61）的天线线圈的内部空间，附于所述的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性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，在两个天线的同一侧面粘帖有磁膜（62、64），所述的13.56MHz天线（60）和6.78MHz的天线（61）通过一个倒扣焊盘（63）和芯片进行倒扣封装，该双频通信天线线贴弯折贴置后，所述的13.56MHz天线（60）和6.78MHz的天线（61）及其所述的磁膜（62、64）分别在手机电池（54）的两面，且所述的13.56MHz的天线（60）靠近手机的背盖（56）。

2.根据权利要求1所述的QSIM双频通信手机电池线贴天线，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QSIM双频通信手机电池线贴天线，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QSIM双频通信手机电池线贴天线，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QSIM双频通信手机电池线贴天线，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。

6.根据权利要求1所述的QSIM双频通信手机电池线贴天线，其特征在于，所述的6.78MHz天线附着的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材向电池下弯折的部分在手机电池的长边位置；所述的6.78MHz天线附着的聚酯薄膜或聚酰亚胺柔性基材向电池下弯折的部分没有磁膜，保留足够的长度以适应不同手机的电池厚度。

Images