CN103051752B - 一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，包括一具有标准SIM卡的卡体以及集成在该标准SIM卡的尺寸空间内的感应线圈天线、谐振电容、有源负载编解码IC、MCU安全芯片和设在卡体上的SIM卡标准铜制连接触点；感应线圈天线和谐振电容相并联后组成频率为13.56MHz的谐振电路；所述谐振电路与有源负载编解码IC相连接；有源负载编解码IC与MCU安全芯片相连接；MCU安全芯片与SIM卡标准铜制连接触点相连接；所述感应线圈天线由铁氧体磁芯和包绕在铁氧体磁芯外的绕线构成，且感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面形成一个预置的角度。采用该结构后，使得该手机智能卡能够在符合ISO14443体系下实现感应耦合式无线近距离通信。

Description

一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡

技术领域

本发明涉及一种手机智能卡，特别是涉及一种内置有感应天线和有源编解码的手机智能卡。

背景技术

NFC是Near Field Communication缩写，即近距离无线通讯技术。由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。

国外NFC大多采用13.56M频率标准用于近场通信的技术领域，在这个标准体系下，形成了ISO14443的国际标准，国内以中国银联支付体系为中心的支付平台，大多采用了ISO14443的国际标准，并使用13.56MHZ频率标准用于移动支付的技术标准。

在这个系统标准下，主要产品形态是以ISO14443系统标准为基础的产品，如：13.56MHZ非接触IC卡，NFC手机，中国电信翼支付的双界面卡等。这些产品的基本特征之一，就是包含一个感应线圈，它采用的是电磁感应的原理。由于原始的ISO14443体系技术，其核心解码电路是被动的无源负载，靠卡片识别器或读卡器这端发送高频信号，通过感应线圈，以电磁耦合的形式，将能量传递到非接触IC卡的一端。

由于当时的技术条件限制，这样的产品形态，必须有一个尺寸较大的线圈天线，连接到卡片内部的IC中，它不仅从卡片识别器或读卡器获得能量来启动内部的IC电路工作，在完成信号的解码和处理后，再通过这个线圈，把调制后的信号输入到线圈，再以电磁感应的方式反馈给卡片识别器或读卡器。这个相对尺寸较大的线圈，对产品的应用造成了一定的限制。

现有技术的手机通常是由多个部件组合而成，图1为现有技术手机的构造分解示意图，图2为现有技术手机的侧视图，如图1、图2所示，现有技术的手机通常包括面板（含屏幕、按键等）10、电路主板（含电器元件等）11、SIM卡12、电池13和后盖14，在手机中还设有放置SIM卡的SIM卡座15，SIM卡座15通常设置在手机内部；面板10、电路主板11、电池13和后盖14等这些部件，大多相对于手机面板的平面呈平行方式叠置，SIM卡座15一般也是平行于手机面板的平面（如图2所示），这就使得插在SIM卡座15上的SIM卡12也是平行于手机面板的平面；手机智能卡即SIM卡12是插入在手机的SIM卡座15上的，这样，SIM卡12就完全是嵌入在手机的内部，并且被手机的各种部件，包括金属，非金属的部件所包围，这些材料对磁场信号，大多数都具有衰减和屏蔽的作用。

为了使SIM卡12具备近距离无线通讯的能力，就必须在SIM卡12上制作用来实现电磁感应的感应线圈天线，才能够用来配合于ISO14443体系下使用的13.56MHz的读卡装置，而这种ISO14443体系下使用的13.56MHz的读卡装置，通常包含一个平面线圈，这个平面线圈的功能就是用于发射或接收与其应答的RFID卡信息。众所周知，平面线圈的磁场方向与线圈平面成垂直方向，并以球形方式形成一闭合回路，远离线圈平面的位置，磁场强度衰减并逐步减弱或消失。

在标准的ISO14443体系中，普通的非接触IC是由无源的IC 芯片和感应线圈天线组成，在此原理之上发展的NFC手机和双界面SIM卡，也同样采用了被动无源的工作模式。非接触IC卡的IC芯片，依靠从外界读卡装置通过电磁感应既接收了信息也获得了能量，启动IC芯片工作，并依据ISO14443的协议，将回应信息调制成ISO14443协议格式，再激励到感应线圈天线中，产生磁场信号，从而被读卡器的感应线圈天线所接收，这就是ISO14443近距离无线通信的原理。

目前现有的所谓的双界面手机智能卡，NFC手机，都是基于这样一个现实来设计并工作的，它们的感应线圈天线，要保持足够的尺寸和面积，用于吸收足够的磁力线，以获得感应能量，感应线圈天线还很容易被金属屏蔽，使得接受和发射信号的能力大大降低。鉴于这样的工作机理，要想把线圈天线集成在微小的智能卡（标准SIM卡的尺寸为25×15×0.8mm）内，几乎是不可能的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，通过对感应线圈天线的结构改进，以及对手机智能卡的卡体内电路结构的改进，使得该手机智能卡能够在符合ISO14443体系下实现感应耦合式无线近距离通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，包括一具有体积尺寸为25×15×0.8mm的标准SIM卡的卡体以及集成在该标准SIM卡的尺寸空间内的感应线圈天线、谐振电容、有源负载编解码IC、MCU安全芯片和设在卡体上的SIM卡标准铜制连接触点；感应线圈天线和谐振电容相并联后组成频率为13.56MHz的谐振电路；所述谐振电路与有源负载编解码IC相连接；有源负载编解码IC与MCU安全芯片相连接；MCU安全芯片与SIM卡标准铜制连接触点相连接；所述感应线圈天线由铁氧体磁芯和包绕在铁氧体磁芯外的绕线构成，且感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面形成一个预置的角度。

所述预置的角度为90度。

所述铁氧体磁芯的截面形状为矩形。

本发明的一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，一方面，是对感应线圈天线的结构进行改进，改进之一是将感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面设置成一个角度，最好的方式是90度，即相互垂直，从而使得感应线圈天线获得的磁感应强度信号将更大；改进之二是增添了铁氧体磁芯，使得感应线圈天线大大提高了磁感应信号强度，接收和发射灵敏度大大增强；另一方面，是对手机智能卡的卡体内电路结构进行改进，通过设置有源负载编解码IC，使得本发明的手机智能卡在与外界的读卡装置交换信息时，从读卡装置感应线圈通过电磁感应获得的磁场能量，仅仅只用来转换其中有效的数据信息，而并不靠这个磁场信号，来维持电路所需要的能量供给，系统能量由通过SIM卡的其他电路，通过卡体的SIM卡连接铜触点，由手机插座和手机的电源获得电源。本发明通过将感应线圈天线的设置与有源负载编解码IC的设置相结合，尽管卡体尺寸非常之小，使得感应线圈天线也不能够做大，但是，仍然能够使得该手机智能卡能够在符合ISO14443体系下实现感应耦合式无线近距离通信。

本发明的有益效果是，由于采用了一具有体积尺寸为25×15×0.8mm的标准SIM卡的卡体以及集成在该标准SIM卡的尺寸空间内的感应线圈天线、谐振电容、有源负载编解码IC、MCU安全芯片和设在卡体上的SIM卡标准铜制连接触点来构成手机智能卡；且感应线圈天线和谐振电容相并联后组成频率为13.56MHz的谐振电路；所述谐振电路与有源负载编解码IC相连接；有源负载编解码IC与MCU安全芯片相连接；MCU安全芯片与SIM卡标准铜制连接触点相连接；所述感应线圈天线由铁氧体磁芯和包绕在铁氧体磁芯外的绕线构成，且感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面形成一个预置的角度。通过对感应线圈天线的结构改进，以及对手机智能卡的卡体内电路结构的改进，使得该手机智能卡能够在符合ISO14443体系下实现感应耦合式无线近距离通信。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡不局限于实施例。

附图说明

图1是现有技术手机的构造分解示意图；

图2是现有技术手机的侧视图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明的电路原理框图；

图5是本发明的感应线圈天线的结构示意图；

图6是电磁感应原理示意图；

图7是感应线圈天线设计示意图；

图8是感应线圈天线的电磁原理示意图；

图9是感应线圈天线的等效电路图。

具体实施方式

实施例，参见图3、图4、图5所示，

本发明的一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，包括一具有体积尺寸为25×15×0.8mm的标准SIM卡的卡体20以及集成在该标准SIM卡的尺寸空间内的感应线圈天线21即电感L、谐振电容C、有源负载编解码IC22、MCU安全芯片23和设在卡体上的SIM卡标准铜制连接触点24；电感L和谐振电容C相并联后组成频率为13.56MHz的谐振电路；所述谐振电路与有源负载编解码IC22相连接；有源负载编解码IC22与MCU安全芯片23相连接；MCU安全芯片23与SIM卡标准铜制连接触点24相连接；所述感应线圈天线21由铁氧体磁芯211和包绕在铁氧体磁芯外的绕线212构成，且感应线圈天线21的平面与标准SIM卡20的卡体的平面形成一个预置的角度。

本实施例中，所述预置的角度为90度；当然，也可以是0～90度中的一个角度，优选的方案是采用90度，即，感应线圈天线21的平面与标准SIM卡20的卡体的平面相垂直。

所述铁氧体磁芯211的截面形状为矩形。

本发明的一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，一方面，是对感应线圈天线的结构进行改进，改进之一是将感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面设置成一个角度，最好的方式是90度，即相互垂直，从而使得感应线圈天线获得的磁感应强度信号将更大；改进之二是增添了铁氧体磁芯，使得感应线圈天线大大提高了磁感应信号强度，接收和发射灵敏度大大增强；另一方面，是对手机智能卡的卡体内电路结构进行改进，通过设置有源负载编解码IC，使得本发明的手机智能卡在与外界的读卡装置交换信息时，从读卡装置感应线圈通过电磁感应获得的磁场能量，仅仅只用来转换其中有效的数据信息，而并不靠这个磁场信号，来维持电路所需要的能量供给，系统能量由通过SIM卡的其他电路，通过卡体的SIM卡连接铜触点，由手机插座和手机的电源获得电源。本发明通过将感应线圈天线的设置与有源负载编解码IC的设置相结合，尽管卡体尺寸非常之小，使得感应线圈天线也不能够做大，但是，仍然能够使得该手机智能卡能够在符合ISO14443体系下实现感应耦合式无线近距离通信。

以下从原理上来进一步说明本发明的设计过程：

ISO14443体系下使用的13.56MHz的读卡装置，包含一个平面线圈，这个平面线圈的功能就是用于发射或接收与其应答的RFID卡信息。众所周知，平面线圈的磁场方向与线圈平面成垂直方向，并以球形方式形成一闭合回路，远离线圈平面的位置，磁场强度衰减并逐步减弱或消失。

根据物理学原理，导磁率--又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个系数,是描述磁性材料导磁能力的物理量，以字母μ表示，单位是亨/米。它的表达式为μ=B/H式中：μ--磁导率；B--磁感应强度；H--磁场强度，我们认定空气的磁导率为1，相对磁导率μr的基本表示为：μ=以金属为芯所产生的磁线密度/以空气为芯所产生的磁力线密度。

手机中的大多数材料，包括金属、非金属材料，其对磁场信号的衰减总大于1，而唯有手机的工艺间隙或部件的空隙，这些部位我们可以认为它是充满了空气，它的导磁率近似为1，也就是对磁场信号的衰减最小，换句话说，这些地方的磁信号强度最强。

ISO14443体系的读卡装置，其感应发射和接收天线线圈，都是以平面线圈的方式设计并工作的，根据物理学原理，平面线圈的磁力线分布大致如图6所示，磁力线大致成球形分布，远离读卡装置的地方，磁力线方向，并非垂直，而是发生了弯曲。

根据物理学电磁感应原理，感应线圈产生的感应电动势，取决于感应线圈面积和穿过线圈的感应线（磁通）成正比。公式：Φ=BS，适用条件是B与S平面垂直，当S与B的垂面存在夹角θ时，Φ=B X S X cos θ，也就是穿过单位面积的磁感线条数越多的地方，磁感应强度B越大。因此，B越大，S越大，穿过这个面的磁感线条数就越多，磁通量就越大。当θ=90度时，Φ=BS，磁通量最大。

根据以上原理分析，我们可以得出这样的结论：相对手机的其他部件，在的手机结构的空隙处，磁感应信号强度较强，将内置感应线圈天线的平面，与手机面板（也相当于标准SIM卡20的卡体的平面，因为，标准SIM卡20的卡体的平面通常与手机面板平行）成一定的夹角或垂直方向放置，其磁感应强度信号将更大。

与以往的NFC手机，或双界面卡，其线圈天线总是与手机面板平行放置并工作的情况相比，在本发明中，提出了与手机面板成夹角的放置方法，通常以垂直方向放置。

根据前面的分析，基于ISO14443体系的读卡装置，通过在读卡器的线圈天线内，激励13.56MHz高频电流信号，在其线圈天线周围产生交变磁场，接收端也就是非接触IC卡内的感应线圈天线感应到这个交变磁场信号，就会在其自身的线圈天线内产生同样的高频电流信号，这就是ISO14443的体系的信号传输原理。根据这个原理，和前面对信号强度和感应线圈天线的方向性设计原则的分析，采用本发明提出的一种铁氧体磁芯的强化线圈天线的设计方法，将会获得更大的信号感应强度。

采用铁氧体磁芯的强化线圈天线的设计如图7所示。

采用以铁氧体材料制成穿芯电感作为感应线圈天线，其电磁原理如图8所示。

铁氧体材料又称氧化物磁性材料，它是由铁和其它金属组成的复合氧化物，磁铁氧体材料主要有MnZn系、NiZn系、MgZn系三大类；NiZn系铁氧体使用频率100kHz～100MHz，最高可使用到300MHz。这类材料磁导率较低，电阻率很高，一般为105～107Ωcm。因此，高频涡流损耗小，是1MHz以上高频段磁性能最优良材料。本发明采用NiZn系材料的磁铁氧体材料，其磁导率μi=5-1500，饱和磁感应强度Bs=250-400mT。正如前面所说，相对于空气的磁导率，提高了几倍甚至上千倍。采用磁铁氧体材料的感应线圈天线大大提高了磁感应信号强度，接收和发射灵敏度大大增强。

感应线圈天线的等效电路如图9所示。

图9中L为感应线圈天线，等效为一电感元件，和系统匹配的电容C，组成一个并联LC谐振回路，其谐振频率等于13.56MHz，电路负载采用有源负载IC。

在标准的ISO14443体系中，普通的非接触IC是由无源的IC芯片和感应线圈天线组成，在此原理之上发展的NFC手机和双界面SIM卡，也同样采用了被动无源的工作模式。非接触IC是的IC芯片，依靠从外界读卡装置通过电磁感应既接收了信息也获得了能量，启动IC芯片工作，并依据ISO14443的协议，将回应信息调制成ISO14443协议格式，再激励到感应线圈天线中，产生磁场信号，从而被读卡器的感应线圈天线所接收，这就是ISO14443近距离无线通信的原理。

由于标准的ISO14443体系，非接触IC卡，以及在此原理之上发展的NFC手机和双界面SIM卡是采用被动无源的工作模式，正如前面所讨论的那样，其感应线圈天线要保持足够的尺寸和面积，用于吸收足够的磁力线，以获得感应能量，感应线圈天线还很容易被金属屏蔽，使得接受和发射信号的能力大大降低。鉴于这样的工作机理，要想把线圈天线集成在微小的智能卡内，几乎是不可能的。

本发明提出，在我们前面讨论的感应线圈天线的磁感应方向性设计和感应线圈天线的设计的基础上，依据ISO14443的工作原理和协议，将负载模式进一步设计为有源负载，在这个装置中，还包括编解码的功能，故可以把有源负载和编解码设计为一体，而成为有源负载编解码部件，这样就可以实现在单张手机智能卡25×15×0.8mm的空间内，基于ISO14443近距离无线感应的数据通信功能。

由于受空间的限制，无法加大感应线圈天线的几何尺寸，要进一步提高系统的响应灵敏度，本发明提出了采用有源负载的设计方法。

第一：基于ISO14443的原理，在于外界的读卡装置交换信息时，从读卡装置感应线圈通过电磁感应获得的磁场能量，仅仅转换其中有效的数据信息，而并不靠这个磁场信号，来维持电路所需要的能量供给，系统能量由通过SIM卡的其他电路，通过卡体的SIM卡连接铜触点，由手机插座和手机的电源获得电源。同时，由于可以从手机端获得电源的供给，就有可能对感应到的微弱的信号，实施放大、滤波、消除噪声等信号处理技术，在这样可以大大降低读卡装置感应线圈信号强度的门槛限度，即把它设计成有源激励的负载模式，有源负载电路完成对读卡装置通过感应线圈天线传送磁场信号的解码。

第二：由自身振荡电路产生13.56MHz的基波信号，通过从外界读卡装置发送的信号中提取同步信号，将解码的信号，依据ISO14443协议给出的响应编码，再反馈到感应线圈天线中，以磁场信号的方式再发送出去。由于系统的电能来源于手机供电，所以信号的强度可以根据需要设计，以满足实际的需要，相对于原ISO14443体系的非接触IC卡的电气性能，采用本发明的设计方法，尽管卡体尺寸非常之小，但采用自身有源的电路设计，同样可以实现感应耦合式无线近距离通信。

L为感应线圈天线，在实际中，根据工艺和SIM卡的尺寸要求，可以设计成扁平方式，实际尺寸大约10×5×0.5mm或5×5×0.3mm，中心为铁氧体磁性材料，采用工业方式，在表面制成铜线条，这些铜线条环绕在铁氧体磁性材料制成的柱体上，形成一个线圈环路，具体的圈数根据L的电感量设计。线圈环路的两端，通常采用SMD元件的设计方式，在元件的两端设计成焊盘，以满足SMT工艺的安装要求。

电容C，是谐振电路的并联电容，LC的谐振频率为13.56MHz。有源负载编解码IC，通过I/O接口连接到MCU手机智能卡安全芯片，MCU安全芯片通过ISO7816接口、时钟信号以及电源和地线，连接到SIM卡铜触点上。整个SIM的元件，安装在BT材料或其它材料制成的PCB基板上，采用SIP工艺压铸而成标准的SIM卡。

按本方法设计的内置感应天线有源负载编解码的手机智能卡在外观、技术标准、电气性能、使用环境等方面与普通的手机智能卡完全相同，用户可以替代原来的手机智能卡，正如在“带无线射频通信功能的手机智能卡及配套的外围处理装置”的发明专利，专利号：ZL200410036263.4，所公开的那样，这样的手机智能卡将具备近距离无线通信功能，可以实现进场通信，完成手机移动、RFID、电子门禁、个人身份识别和信息存储等功能。

当本发明所设计的手机智能卡，插入手机SIM卡座中，在手机开机或手机通电的情况下，并进入工作状态，MCU安全芯片，通过ISO7816接口，与手机终端交互信息，完成手机开机，用户入网认证等电信服务，卡体软件同时监控对外界读卡器装置响应。当插有本发明所设计的智能卡的手机，进入读卡装置的13.56MHZ磁场内时，卡体内的感应线圈天线感应到的信号，经有源负载把磁信号放大后解调出数据，即完成ISO14443协议的解码，解码后的数据通过接口电路连接到MCU安全芯片装置，MUC的软件依据ISO14443协议的定义，解析数据，并给出响应信息，比如，回响RFID信息或完成支付操作，从电子钱包中扣款等等。响应的数据，再通过接口传送到有源负载编解码装置中，其装置对数据进行编码，将电流信号施加到谐振回路中，即通过感应线圈天线以磁场的方式发送给读卡装置，从而完成与读卡装置的信息交换，这就是ISO14443体系中常说的交易过程。交易的结果可以暂存在MCU安全芯片的存储器中，也可以通过ISO7816接口发送给手机终端。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种内置感应天线有源编解码的手机智能卡，其特征在于：包括一具有体积尺寸为25×15×0.8mm的标准SIM卡的卡体以及集成在该标准SIM卡的尺寸空间内的感应线圈天线、谐振电容、有源负载编解码IC、MCU安全芯片和设在卡体上的SIM卡标准铜制连接触点；感应线圈天线和谐振电容相并联后组成频率为13.56MHz的谐振电路；所述谐振电路与有源负载编解码IC相连接；有源负载编解码IC与MCU安全芯片相连接；MCU安全芯片与SIM卡标准铜制连接触点相连接；感应线圈天线为扁平形状，中心为铁氧体磁性材料，外面包绕铜线条，这些铜线条环绕在铁氧体磁性材料制成的柱体上，形成线圈，其中，铁氧体磁芯的截面形状为矩形，感应线圈天线的平面与标准SIM卡的卡体的平面形成一个90度的角度。