CN102810176B - 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、馈线、附着在介质基板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在金属片上形成金属走线，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。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，且本发明的天线通过改变嵌入天线的电子元件的性能以对天线的性能进行微调，能设计出满足SIM卡适应性及通用性要求的天线。

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、更加小型化且具有较强的适应性和通用性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，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、馈线、附着在所述介质基板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在所述金属片上形成金属走线，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

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，所述空间设置在所述馈线、所述馈线与所述金属片之间及所述金属片这三个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在所述金属片上的金属走线上。

进一步地，所述空间设置在所述金属片上的微槽结构上，且连接所述微槽结构相邻槽边的金属走线。

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

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。且本发明SIM上的超材料射频天线通过在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上设置供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的性能进行微调，设计出满足适应性及通用性的要求的天线。

附图说明

图1是本发明SIM卡上超材料射频天线结构示意图；

图2是本发明SIM卡上超材料射频天线第一实施例的结构示意图；

图3是本发明SIM卡上超材料射频天线第二实施例的结构示意图；

图4是本发明SIM卡上超材料射频天线第三实施例的结构示意图；

图5是本发明SIM卡上超材料射频天线第四实施例的结构示意图；

图6是本发明SIM卡上超材料射频天线第五实施例的结构示意图；

图7a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图7b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图7c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图7d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图7e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图8a为图7a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图8b为图7a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图9a为三个图7a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图9b为两个图7a所示的互补式开口谐振环结构与图7b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图10为四个图7a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图；

图11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100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104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104的相对表面上，其他模块设置于卡基板104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100发送出去。同时，超材料射频天线100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。

为了更好的描述本发明的天线的结构，图1采用透视图画法，如图1所示，本发明的所述超材料射频天线100包括介质基板1、馈线2、附着在介质基板1一表面的金属片4，所述馈线2通过耦合方式馈入所述金属片4，所述金属片上镂空有微槽结构41以在金属片上形成金属走线42，所述天线100预设有供电子元件嵌入的空间6。图1至图6中，金属片4上的画剖面线的部分为金属走线42，金属片4上的空白部分(镂空的部分)表示微槽结构41。另外，馈线2也用剖面线表示。

馈线2围绕金属片4设置以实现信号耦合。另外金属片4与馈线2可以接触，也可以不接触。当金属片4与馈线2接触时，馈线2与金属片4之间感性耦合；当金属片4与馈线2不接触时，馈线2与金属片4之间容性耦合。

本发明中的所述微槽结构41可以是图7a所示的互补式开口谐振环结构、图7b所示的互补式螺旋线结构、图7c所示的开口螺旋环结构、图7d所示的双开口螺旋环结构、图7e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7a至图7e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图7a所示的互补式开口谐振环结构为例，图8a为其几何形状衍生示意图，图8b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图7a至图7e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图9a所示，为三个图7a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图9b所示，为两个图7a所示的互补式开口谐振环结构与图7b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7a至图7e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10所示，为多个如图7a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7c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明。

下面分五个实施例来详细介绍本发明。

第一实施例

如图2所示，在本实施例中，在馈线2上预设有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间51，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是馈线2上的任意位置，并且可以有多个。可在空间51中嵌入感性电子元件，以改变馈线2上的电感值。运用公式：可知电感值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电感或感性电子元件实现。本实施例中，加入的感性电子元件的电感值范围在0-5uH之间，若太大交变信号将会被感性元件消耗从而影响到天线的辐射效率。本实施例的所述天线具有多个频段的良好辐射特性，五个主要辐射频率从900MHz一直分布到5.5GHz，几乎涵盖了GSM、CDMA、蓝牙、W-Lan(IEEE802.11协议)、GPS、TD-LTE等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度且可通过对馈线上的电感值进行调节达到改变天线工作频率的目的。当然，也可以在空间51中嵌入电阻，以改善天线的辐射电阻。当然，馈线上的空间也可以是多个，其中分别嵌入电阻以及感性电子元件，既实现了工作频率的调节，又能改善天线的辐射电阻。未加入电子元件的空间可用导线短接。

实施例二

如图3所示，在本实施例中，在馈线2与金属片4之间预设有嵌入容性电子元件的空间53，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是馈线2与金属片4之间的任意位置。图3中空间53为本实施例中嵌入容性电子元件的空间，馈线2与金属片4之间本身具有一定的电容，这里通过嵌入容性电子元件调节馈线与金属片4之间的信号耦合，运用公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电容或感性电子元件实现。本实施例中，加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在馈线2与金属片4之间预设多个空间。同样，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。

实施例三

如图4所示，在本实施例中，在金属片的金属走线42上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的空间55和空间56，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加金属片内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；与实施例一相同，此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。

实施例四

如图5所示，在本实施例中，在微槽结构41上预留有嵌入容性电子元件的空间57，并且所述空间57连接微槽结构41相邻槽边的金属走线42。嵌入电子元件的空间不仅仅局限与图5中给出的空间57，其他位置只要满足条件均可。嵌入容性电子元件可以改变金属片的谐振性能，最终改善天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。

实施例五

如图6所示，在本实施例中，在馈线2、馈线2与金属片4之间及金属片4这三个位置上都设置供电子元件嵌入的空间。其中，金属片4上的空间包括设置在金属走线42上的空间以及设置在微槽结构41上且连接两侧的金属走线42的空间。具体地，本实施例中的空间包括馈线2上的空间61，馈线2与金属片4之间的空间63，金属走线42上的空间65、66，微槽结构41上的空间67，当然，本实施例中给出的位置并不是唯一性的，本实施例中，在上述的空间中加入电子元件以调节天线的性能，其原理与实施例一至四的原理类似，本实施例不再描述。

本发明的天线100上空间的预留位置并不限于上述五种形式，空间只要设置在天线上即可。例如，空间还可以设置在介质基板上。

本发明的所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的可调。因此，本发明的天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

本发明的所述空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，本发明中，介质基板由陶瓷材料、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。优选地，本发明SIM卡上的超材料射频天线100的介质基板的材质与卡基板100的材质相同，或者部分卡基板104即构成了超材料射频天线100的介质基板。

本发明中，金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本发明中，馈线选用与金属片同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，关于天线的加工制造，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，金属化的通孔，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RadioFrequencyIdentification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。

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 (6)

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、馈线、附着在所述介质基板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在所述金属片上形成金属走线，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间，所述空间设置在所述馈线、所述馈线与所述金属片之间及所述金属片这三个位置的至少一个上，其中，所述空间设置在所述金属片上的金属走线上和/或设置在所述金属片上的微槽结构上，且连接所述微槽结构相邻槽边的金属走线，以及，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻，其中，所述感性电子元件的电感值范围在0-5uH之间。

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或2所述的SIM卡，其特征在于：所述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。

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

6.一种射频识别系统，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5任意一项所述的SIM卡。