CN102799928B - 一种sim卡及其射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种SIM卡及其射频识别系统，包括信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，还包括超材料射频天线；所述超材料射频天线包括馈线、金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片；所述金属片上至少镂刻有非对称的第一微槽结构和第二微槽结构，使得所述天线具有至少两个不同的谐振频段。本发明将超材料射频天线应用于射频SIM卡中，由于超材料射频天线尺寸不受限于电磁波波长且不需要额外配置阻抗匹配网络，使得SIM卡上更易集成该天线，且该天线在SIM卡工作频段依然保持优良的性能和小型的尺寸；且本发明超材料射频天线很容易产生多个谐振点，且谐振点不易抵消，使得SIM卡能工作于多个谐振频段。

Description

一种SIM卡及其射频识别系统

技术领域

本发明涉及移动支付领域，尤其涉及一种SIM卡及其射频识别系统。

背景技术

随着经济的发展和信息技术的日新月异变化，我国拥有手机等可通信的设备的人数以达到7亿。在可通信设备中加入支付功能能够减少人们随身携带钱包的不便并使得人们享受随时随地支付的便捷，因此，移动支付受到越来越多的重视，并在可预见的未来具有广阔的商业发展空间。

目前已有的在SIM卡上集成射频识别功能以实现移动支付的SIM卡均存在一个问题：用于接收和发射信号的天线较大，不能适应SIM卡小型化的要求。根据传统的天线理论，天线的尺寸为所需响应电磁波波长的四分之一，因此根据传统理论设计的天线，其尺寸被电磁波波长限制，不可自由调节。现有技术中存在一个解决方案，即将天线设置于SIM卡模块之外，例如设置于手机外壳上，但此种做法无疑增加了手机设计时的成本且设置于SIM卡模块外的天线也容易损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种集成有尺寸不受电磁波波长限制、更加小型化且易于实现多模的超材料射频天线的SIM卡及具有该SIM卡的射频识别系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种SIM卡，其包括：信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，还包括超材料射频天线，所述SIM卡主控模块处理所述信号感应和接收模块接收到的信号，所述SIM卡主控模块的指令和数据通过所述射频收发模块转换后通过所述超材料射频天线发送出去，所述射频收发模块还通过所述超材料射频天线接收外部设备的指令和数据并交由所述SIM卡主控模块处理；所述超材料射频天线包括馈线与金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上至少镂刻有非对称的第一微槽结构和第二微槽结构，使得所述天线具有至少两个不同的谐振频段。

进一步地，所述SIM卡还包括卡基板，所述信号感应和接收模块、所述SIM卡主控模块、所述射频收发模块和所述超材料射频天线均一体封装于所述卡基板内。

进一步地，所述SIM卡还包括卡基板，所述超材料射频天线设置于所述卡基板表面上。

进一步地，所述第一微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的微槽结构。

5、如权利要求1或2或3所述的SIM卡，其特征在于：所述第二微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的微槽结构。

进一步地，所述馈线与所述金属片之间设置有可短接点，所述可短接点电连接所述馈线与所述金属片使得所述馈线以感性耦合方式馈入所述金属片。

进一步地，所述第一微槽结构和所述第二微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻形成于所述金属片上。

进一步地，所述SIM卡还包括接口模块，所述接口模块与所述SIM卡主控模块电连接使得所述SIM卡通过所述接口模块与移动终端交换数据。

进一步地，所述移动终端使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的手机。

本发明还提供一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，所述应答器为上述任意一项所述的SIM卡。

本发明将超材料射频天线应用于射频SIM卡中，由于超材料射频天线尺寸不受限于电磁波波长且不需要额外配置阻抗匹配网络，使得SIM卡上更易集成该天线，且该天线在SIM卡工作频段依然保持优良的性能和小型的尺寸。同时，本发明SIM卡上的超材料射频天线的金属片上至少镂刻有非对称的第一微槽结构和第二微槽结构，使得所述超材料射频天线具有至少两个不同的谐振频段，且谐振频段不易抵消，使得SIM卡能工作于多个谐振频段。。

附图说明

图1为本发明SIM卡上超材料射频天线结构示意图；

图2为本发明SIM卡上超材料射频天线第一较佳实施方式正视图；

图3为本发明SIM卡上超材料射频天线第二较佳实施方式正视图；

图4为本发明SIM卡上超材料射频天线第三较佳实施方式正视图；

图5a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图5b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图5c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图5d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图5e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图6a为图5a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图6b为图5a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图7a为三个图5a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图7b为两个图5a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图8为四个图5a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图；

图9为本发明SIM卡的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。

如图9所示，图9为本发明SIM卡的结构框图。图9中，SIM卡包括信号感应和接收模块101、SIM卡主控模块102、射频收发模块103、超材料射频天线104以及接口模块105。本实施例中，上述各模块均一体封装于SIM卡卡基板100内。可以想象地，为使得空间更加紧凑，亦可以将部分模块设置于SIM卡卡基板100的相对表面上，其他模块设置于卡基板100内部。

信号感应和接收模块101感应和接收外部的信号，通常为磁信号，并将该信号传输给SIM卡主控模块102，SIM卡主控模块102根据接收到的信号判断，当需要与外部设备通信时，SIM卡主控模块102发出指令和数据给射频收发模块103，射频收发模块103接收到SIM卡主控模块102发出的指令和数据后将指令和数据转化后通过超材料射频天线104发送出去。同时，超材料射频天线104还可接收外部的电磁信号并传输给射频收发模块103，由射频收发模块103转换后传输给SIM卡主控模块102。本实施例中，SIM卡还包括接口模块105，SIM卡主控模块102通过接口模块105与移动终端交换数据。本发明的移动终端可为使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的各种手机设备。

本实施例中，信号感应和接收模块101、SIM卡主控模块102、射频收发模块103以及接口模块105均可使用常规的现有技术，其内部结构和工作方式为本领域技术人员所公知，且不是本发明主要发明技术要点，因此在此不做详细描述。

应用于移动支付领域的射频标准一般为低频频率，例如13.56MHZ或2.4GHZ，为了使SIM卡能工作于低频率，天线的作用尤为重要。然而根据传统天线设计方案，天线的长短是与波长成正比的，频率越低，波长越长从而导致天线体积越大。按照传统天线设计方案，工作频率仍以13.56MHZ或2.4GHZ为例，天线的厚度和长度均较大，很难实现在SIM卡上的应用。且为了保证天线的高性能，传统天线设计方案中一般还需要增加阻抗匹配网络。同时，由于现有移动支付领域频率标准并不统一，因此使得天线能够在多频段工作也是需要解决的问题。

超材料是由具有一定图案形状的人造微结构排布于基材上而构成，人造微结构不同的图案形状和尺寸结构使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造微结构处于谐振频段时，该人造微结构将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。

本发明利用超材料的上述原理，设计一种超材料射频天线，其将两个非对称的微槽结构形成于金属片上，该金属片和馈线的耦合作用使得天线具有丰富的辐射特性从而省去阻抗匹配网络的设计并使得天线的尺寸不受限于所需响应电磁波的波长以实现天线的小型化，并由于两个非对称微槽结构的设计使得天线易于多频点谐振以实现天线的多频段工作的功能。

本发明的核心在于超材料射频天线，以下详细描述本发明的超材料射频天线。

如图1所示，本发明的所述超材料射频天线包括馈线1、金属片2。金属片2上至少镂刻有非对称的第一微槽结构100以及第二微槽结构200，使得非对称天线具有至少两个不同的谐振频率。此处的非对称是指第一微槽结构100与第二微槽结构200的图案、尺寸和/或空间位置不同，该些不同导致第一微槽结构100与第二微槽结构200的谐振频段不同。

馈线1部分围绕金属片2设置以对金属片2耦合馈电。馈线1对金属片2耦合馈电的方式可通过设置一可短接点连接馈线1与金属片2而形成的感性耦合馈电方式，也为馈线1不与金属片2连接而是二者相对的部分构成容性耦合而形成的容性耦合馈电方式。

本发明的第一微槽结构100与第二微槽结构200可以是图5a所示的互补式开口谐振环结构、图5b所示的互补式螺旋线结构、图5c所示的开口螺旋环结构、图5d所示的双开口螺旋环结构、图5e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图5a至图5e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图5a所示的互补式开口谐振环结构为例，图6a为其几何形状衍生示意图，图6b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图5a至图5e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图7a所示，为三个图5a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图7b所示，为两个图5a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图5a至图5e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图8所示，为多个如图5a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。但是本发明第一微槽结构100与第二微槽结构200是非对称的，具体非对称方式在下面实施方式中详细说明。

在金属片2上形成第一微槽结构100和第二微槽结构200的方式可为蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等工艺，其中蚀刻为优选工艺，其主要步骤是在设计好合适的微槽结构后，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉预设微槽结构的箔片部分即可得到形成有上述第一微槽结构100和第二微槽结构200的金属片2。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。

本发明若在金属片2上采用对称的第一微槽结构和第二微槽结构，即第一微槽结构和第二微槽结构的谐振频率相同，在二者相互耦合之后将会导致天线Q值增大，相应的带宽BW变小，不利于多模谐振的实现。而若采用至少非对称的第一微槽结构和第二微槽结构，由于二者响应电磁波所产生的电容值和电感值会有所不同，从而产生多个不同的谐振点，且该多个不同的谐振点不易抵消，有利于实现天线丰富的多模化。

本发明的第一微槽结构100与第二微槽结构200的结构形式可以一样，也可以不一样。并且第一微槽结构100与第二微槽结构200的不对称程度可以根据需要调节。从而实现丰富的可调节的多模谐振。并且根据需要，本发明亦可在同一金属片上设置个数多于两个的微槽结构以使得天线具有三个以上的不同的谐振频段。

下面详细论述三种本发明金属片2上形成的非对称微槽结构。

如图2所示，图2为本发明的第一较佳实施方式的正视图，图2中，第一微槽结构100及第二微槽结构200为非对称结构，其中，第一微槽结构100与第二微槽结构200连接在一起，由于图案的不同导致其结构的不对称，使得第一微槽结构100与第二微槽结构200各自区域的谐振频率不同。本实施方式中以图5b所示的互补式螺旋线结构与互补式螺旋线结构的衍生结构为例说明，二者相互连接。

如图3所示，图3为本发明的第二较佳实施方式的正视图，图3中，第一微槽结构100及第二微槽结构200为图案不同的非对称结构，其中，第一微槽结构100与第二微槽结构200是各自独立的，由于图案的不同导致其结构的不对称，使得第一微槽结构100与第二微槽结构200各自区域的谐振频率不同。本实施方式中第一微槽结构100以图5c所示开口螺旋环结构为例说明，第二微槽结构200以图5b所示互补式螺旋线结构为例说明。

如图4所示，为本发明的第三较佳实施方式的正视图，图4中，第一微槽结构100及第二微槽结构200为非对称结构，其中，第一微槽结构100与第二微槽结构200是各自独立的，其图案相同，但是其尺寸的不同导致其结构的不对称，使得第一微槽结构100与第二微槽结构200各自区域的谐振频率不同。本实施方式中，第一微槽结构100与第二微槽结构200均以图5c所示的互补式螺旋线结构为例说明。

另外本发明还提供一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，所述应答器为上述的SIM卡。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种SIM卡，包括信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，其特征在于：还包括超材料射频天线，所述SIM卡主控模块处理所述信号感应和接收模块接收到的信号，所述SIM卡主控模块的指令和数据通过所述射频收发模块转换后通过所述超材料射频天线发送出去，所述射频收发模块还通过所述超材料射频天线接收外部设备的指令和数据并交由所述SIM卡主控模块处理；所述超材料射频天线包括馈线与金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上至少镂刻有非对称的第一微槽结构和第二微槽结构，所述第一微槽结构和所述第二微槽结构具有不同的图案和/或尺寸，使得所述超材料射频天线具有至少两个不同的谐振频段；

所述第一微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的微槽结构；

所述第二微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的微槽结构。

2.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述SIM卡还包括卡基板，所述信号感应和接收模块、所述SIM卡主控模块、所述射频收发模块和所述超材料射频天线均一体封装于所述卡基板内。

3.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述SIM卡还包括卡基板，所述超材料射频天线设置于所述卡基板表面上。

4.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述馈线与所述金属片之间设置有可短接点，所述可短接点电连接所述馈线与所述金属片使得所述馈线以感性耦合方式馈入所述金属片。

5.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述第一微槽结构和所述第二微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻形成于所述金属片上。

6.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述SIM卡还包括接口模块，所述接口模块与所述SIM卡主控模块电连接使得所述SIM卡通过所述接口模块与移动终端交换数据。

7.如权利要求6所述的SIM卡，其特征在于：所述移动终端是使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的手机。

8.一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，其特征在于：所述应答器为权利要求1至7任意一项所述的SIM卡。