CN102799929B - 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介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线及第二馈线通过耦合方式分别馈入所述第一金属片及第二金属片，所述第一金属片及第二金属片上分别形成有第一微槽结构及第二微槽结构，所述第一馈线与第二馈线电连接。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。

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且更加小型化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介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线及第二馈线通过耦合方式分别馈入所述第一金属片及第二金属片，所述第一金属片及第二金属片上分别形成有第一微槽结构及第二微槽结构，所述第一馈线与第二馈线电连接。

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。

进一步地，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，所述第一金属片与第一馈线之间通过容性耦合方式馈电，所述第二金属片与第二馈线之间通过容性耦合方式馈电。

进一步地，所述第一微槽结构及第二微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻分别形成于所述第一金属片及所述第二金属片上。

进一步地，所述第一馈线与所述第二馈线通过金属化通孔电连接。

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。外超材料射频天线的介质基板两面均设置有金属片，充分利用了天线的空间面积，在此环境下天线能在较低工作频率下工作，同时满足天线小型化、低工作频率、宽带多模的要求。

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是图1的另一视角图；

图3a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图3b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图3c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图3d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图3e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图4a为图3a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图4b为图3a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图5a为三个图3a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图5b为两个图3a所示的互补式开口谐振环结构与图3b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图6为四个图3a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图；

图7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6所示，图6为本发明SIM卡的结构框图。图6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。

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，其将微槽结构形成于第一金属片上，该第一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。

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及图2所示，本发明的所述超材料射频天线包括介质基板1、附着在介质基板1相对两表面的第一金属片4及第二金属片7，围绕第一金属片4设置有第一馈线2，围绕第二金属片7设置有第二馈线8，所述第一馈线2通过耦合方式馈入所述第一金属片4，所述第二馈线8通过耦合方式馈入所述第二金属片7，所述第一金属片4及第二金属片7上分别镂空有第一微槽结构41及第二微槽结构71，所述第一馈线2与第二馈线8电连接。在同一介质基板的两面都设置金属片，等效于增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

如图1及2所示，所述第一馈线2与第二馈线8通过在介质基板1上开的金属化通孔10电连接。当然也可以采用导线连接。

图1至图2中，第一金属片4画剖面线的部分为第一金属走线42，第一金属片4上的空白部分(镂空的部分)表示第一微槽结构41。另外，第一馈线2也用剖面线表示。同样的，第二金属片7画剖面线的部分为第二金属走线72，第二金属片7上的空白部分(镂空的部分)表示第二微槽结构71。另外，第二馈线7也用剖面线表示。

图1所示为本发明的超材料射频天线的立体图，图2为其另一视角图。综合两个图可以看出，介质基板的a表面及b表面上附着的结构相同。即第一馈线、第一金属片在b表面的投影分别与第二馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，a表面与b表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线2围绕第一金属片4设置以实现信号耦合。另外第一金属片4与第一馈线2可以接触，也可以不接触。当第一金属片4与第一馈线2接触时，第一馈线2与第一金属片4之间感性耦合；当第一金属片4与第一馈线2不接触时，第一馈线2与金属片4之间容性耦合。

第二馈线8围绕第二金属片7设置以实现信号耦合。另外第二金属片7与第二馈线8可以接触，也可以不接触。当第二金属片7与第二馈线8接触时，第二馈线8与第二金属片7之间感性耦合；当第二金属片7与第二馈线8不接触时，第二馈线8与金属片7之间容性耦合。

本发明中，所述介质基板1两相对表面的第一金属片4与第二金属片7可以连接，也可以不连接。在第一金属片与第二金属片不连接的情况下，所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片与第二金属片的谐振。在第一金属片与第二金属片电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述第一金属片与第二金属片之间通过感性耦合的方式馈电。

本发明中的所述第一微槽结构41、第二微槽结构71可以是图3a所示的互补式开口谐振环结构、图3b所示的互补式螺旋线结构、图3c所示的开口螺旋环结构、图3d所示的双开口螺旋环结构、图3e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3a至图3e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图3a所示的互补式开口谐振环结构为例，图4a为其几何形状衍生示意图，图4b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图3a至图3e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图5a所示，为三个图3a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图5b所示，为两个图3a所示的互补式开口谐振环结构与图3b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3a至图3e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6所示，为多个如图3a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图3c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明。

另外，本发明中，介质基板1可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，第一金属片4及第二金属片7为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本发明中，第一馈线2、第二馈线3选用与第一金属片4及第二金属片7同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，超材料射频天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio FrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成超材料射频天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的微槽结构的拓扑图案后，通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉辐射金属片上预设微槽结构图案的金属部分。

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介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线及第二馈线通过耦合方式分别馈入所述第一金属片及第二金属片，所述第一金属片及第二金属片上分别形成有第一微槽结构及第二微槽结构，所述第一馈线与第二馈线电连接；

所述第一金属片和所述第二金属片不连接，所述第一馈线和所述第二馈线通过电容耦合方式分别向所述第一金属片及所述第二金属片馈电；

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。

2.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：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。

3.如权利要求1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。

4.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述第一微槽结构及第二微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻分别形成于所述第一金属片及所述第二金属片上。

5.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述第一馈线与所 述第二馈线通过金属化通孔电连接。

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。