CN103069649A - 高频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应天线，其由几何形状对接的至少两对部分（32、34）构成，每个对包括彼此绝缘的并行的第一导体（322、342）和第二导体（324、344），每个对在每一端具有用于将其第一导体电连接至相邻对的第一导体的单一端子，其中，所述对为第一种类型的对（3），其中该导体大约在其中点被中断以限定两个部分，所述对的一个部分的第一导体与另一部分的第二导体连接，所述对的一个部分的第二导体与另一部分的第一导体连接；或者为第二种类型的对，其中所述第一导体大约在其中点被中断以限定两个部分，且所述第二导体没有被中断。

Description

高频天线

技术领域

本发明总体涉及天线，更具体地涉及高频感应天线的形成。

本发明更具体地适用于意图用于几MHz的射频传输的天线，例如用于非接触式芯片卡、RFID标签、或者电磁应答器传输系统的天线。

背景技术

图1非常示意性地示出了一种类型的感应式传输系统的示例，本发明作为一个示例适用于这种类型的感应式传输系统。

这类系统包括产生电磁场的阅读器或基站1，该电磁场能够被位于该场中的一个或多个应答器2检测到。例如，这类应答器2为出于识别目的而设置在物体上的电子标签2’、非接触式智能卡2’’、或者更一般地任何电磁应答器（用图1中的方块2表示）。

在阅读器1侧，串联谐振电路由电阻器r、电容器C1、和电感元件L1或天线构成。该电路由基站1的其他电路（未示出）所控制的（连接14）高频发生器12（HF）所激励。高频载波通常被调制（以振幅和/或相位）以将数据传输到应答器。

在应答器2侧，谐振电路，通常为并联的谐振电路，包括与电容器2和负载R并联的电感元件或天线L2，其代表了应答器2的电路22。当在阅读器的场内时，该谐振电路检测由基站发射的高频信号。在非接触式卡的情况下，由包括一个或多个芯片的方块22所表示的这种电路与天线L2连接，天线L2通常由卡片支撑件所支撑。在电子标签2’的情况下，电感元件L2由与电子芯片22连接的导电绕组构成。

尽管在基站侧以串联谐振电路的形式和在应答器侧以并联谐振电路的形式的符号表示是常见的，但是实际上，在应答器侧可以发现串联谐振电路且在基站侧可以发现并联谐振电路。

阅读器和应答器的谐振电路通常被调谐至同一谐振频率ω（L1.C1.ω²=L2.C2.ω²=1）

应答器通常不具有自备电源且将必须的电能从由基站1产生的磁场引到其操作中。

根据本申请的另一示例，基站用于对应答器的电池或另一电能存储元件进行再充电。于是，由基站辐射的高频场不必被调制以传输数据。

在感应天线中，导电电路经常为传导电流的闭合电路，其目的在于产生射频磁场。该闭合的导电电路通过射频发生器12提供电能。

当天线尺寸与波长相关地变得相当大时，意图沿着导体而产生磁场的电流的循环变得更加困难。电流的振幅和相位沿着电路具有强烈的变化，该变化不再使天线能够在感应线圈中操作。在基站侧，还经常期望的是具有与应答器天线的尺寸相比更大尺寸的天线。确实，当应答器出现在基站时应答器通常在运动（由使用者支撑）中，并且对于应答器，期望的是能够甚至在该运动期间检测到场。在其他情况下，期望的是在可能与应答器通信的区域的尺寸是显著的。另一方面，有利的是使用大型导电线圈以提供宽的通信范围。

当今，天线的导电电路越长，则电感L越高且与天线有关的电容器的值越低。因此，在大型天线中，电容值可与导电电路的不同部分之间存在的寄生电容和能够被引入系统（例如通过用户的手）中的寄生电容为相同数量级，这扰乱了运行。

感应天线的导电电路越长，则沿着电路的电流循环与所期望的电流循环的差异越多。因此，沿着电路的电流存在显著的振幅和相位变化，这改变和扰乱了所产生的磁场的空间分布。在导电电路的不同部分之间还存在电势的增加，这使天线的性能对其封闭环境中存在的介电材料敏感。

因此，感应线圈的长度通常受到限制。

已经提供了将导电线圈分成各个具有相同长度的元件，且将这些元件与电容器再连接以能够使用大型线圈。例如，这样的解决方案在专利US5258766中进行了描述。

还已经提供了使用具有屏蔽中断和导体反相的屏蔽式感应线圈。这种线圈通常称为“Moebius线圈”。例如，这种结构在P.H.Duncan编著的论文“Analysisof the Moebius Loop Magnetic Field Sensor”（IEEE Transaction on ElectromagneticCompatibility，1974年5月出版）中进行描述。但是这种结构仍然具有限制的长度。

因此，需要形成一种大型感应天线。

发明内容

本发明的实施方式的目的在于提供一种感应天线，其克服了传统天线的所有缺点或部分缺点。

本发明的实施方式的另一目的在于提供一种天线，其特别适于在1MHz到几百MHz的频率范围内的传输。

本发明的实施方式的另一目的在于与其准备相协作的应答器的天线相比，提供一种大型感应天线（在至少十倍大的表面积内刻制）。

本发明的实施方式的另一目的在于提供了一种与各种布局兼容的天线结构。

为了实现这些目的以及其他目的全部或者一部分，本发明提供了一种由几何形状对接的至少两对部分构成的感应天线，每对包括彼此绝缘的并行的第一导电元件和第二导电元件，每对在每一端包括用于使第一导电元件与相邻的对的第一导电元件电连接的单一端子，其中，所述对为：

第一种类型的对，其中导电元件大约在其中部被中断以限定两个部分，所述对的一个部分的第一导电元件与另一部分的第二导电元件连接，所述对的一个部分的第二导电元件与另一部分的第一导电元件连接；或者

第二种类型的对，其中所述第一导电元件大约在其中部被中断，以限定两个部分，且所述第二导电元件没有被中断。

根据本发明的实施方式，导电部分为细长的，天线形成了在空间上具有任何类型的几何形状的线圈。

根据本发明的实施方式，根据天线的谐振频率选择导电元件的各自长度。

根据本发明的实施方式，根据第一导电元件和第二导电元件之间的线路电容而选择导电元件的各自长度。

根据本发明的实施方式，至少一个电容元件与相邻对的第二导电元件互相连接，或者与同一对的第一导电元件和第二导电元件互相连接。

根据本发明的实施方式，至少一个电阻元件与相邻对的第二导电元件互相连接，或者与同一对的第一导电元件和第二导电元件互相连接。

根据本发明的实施方式，每个部分为同轴电缆部分。

根据本发明的实施方式，所述部分由绞合的导电元件构成。

本发明还提供了一种用于产生高频场的系统，包括：

感应天线；和

电路，其用于利用高频信号激励天线。

根据本发明的实施方式，所述激励电路包括高频变压器，其具有夹置于所述天线的两个相邻对的第一导电元件之间的次级绕组。

附图说明

结合附图，在下面的具体实施方式的非限定性描述中，将详细讨论本发明的上述的和其他的目的、特征和优点，其中：

图1已经在前进行了描述，以方块形式概要地示出本发明应用到的射频传输系统的一个示例；

图2为根据本发明的感应天线的实施方式的简化图示；

图3示出一对第一种类型的图2的天线的部分的实施方式；

图4为根据本发明的感应天线的另一实施方式的简化图示；

图5示出第一种类型的一对天线部分的实施方式的电子布局；

图5A示出图5中的对的等效电子示意图；

图6示出第二种类型的一对天线部分的实施方式的电子布局；

图6A示出图6中的对的等效电子示意图；

图7示出感应天线、激励电路和置位电路的实施方式；

图8A和图8B示出第一种类型的一对部分的两个其他实施方式；和

图9示出第二种类型的一对部分的另一实施方式。

具体实施方式

在不同的图中相同的元件用相同的附图标记指示，该图不按比例进行绘制。为了清楚起见，仅示出且描述对理解本发明有用的那些元件。尤其，感应天线的激励电路没有被详述，本发明与目前用于这种类型天线的激励信号相兼容。另外，将要进行描述的场发生天线所针对的应答器也没有被详述，本发明与各种当前的应答器、非接触式卡片、RFID标签等相兼容。

图2为根据本发明的实施方式的天线的简化视图。

在该实施方式中，提供多个同轴电缆部分32和34对接。这些部分聚集在对3中，在每一对3中，两个部分32和34以Moebius型连接方式进行连接，即，在该对中，第一部分的芯324与第二部分的编织层（braid）342连接，而第一部分的编织层322与该第二部分的芯344连接。

在图2的优选的示例中，四对3的部分进行对接。两个相邻对之间的电子连接4仅通过导电元件中的一个提供。在图2的示例中，两个相邻对之间的连接4通过该两对的相对的部分的各个编织层而提供。另一导电元件是不连接的，即，在图2的示例中，两个相邻对的芯不连接。

对于所有的部分似乎更易于作出一致的选择，以便所有的第一导体对应于所有部分的编织层，或者对应于所有部分的芯。在该上下文中，相同类型的导电元件，编织层或芯，将被用于连接成对的整个天线。由于选择编织层提供更好的电子屏蔽，因此编织层为优选地。作为一个变型，可设置成连接4通过相对的对的各个芯而提供。然而，可能对同一对的第一部分和第二部分之间的第一导体和第二导体的分配作出不同的选择，例如，对于第一部分选择编织层作为第一导体且对于第二部分选择芯作为第一导体。因此，根据另一变型，可设置成两个相邻的对之间的连接4可从芯到编织层进行，或者相反。

图3为图2的天线的两个部分32和34形成的对3的简化图示，其对应于第一种类型的部分的对。在中心连接36的层次中，部分32的导电芯324与部分34的编织层（或屏蔽层）342连接，且部分32的编织层322与部分34的芯344连接。

图4为天线的另一实施方式的简化图示。

第一种类型的部分32和部分34的两个对3（具有交叉中心连接-图3）交替地与同轴电缆部分52和同轴电缆部分54的两个对5连接，在该同轴电缆部分中，该部分的中心连接56是不同的。在第二种类型的这些对5中，部分52和部分54通过其各自的芯524和芯544连接，而部分52的编织层522和部分54的编织层542不连接。该对的电子对接连接仍然通过编织层的互相连接4而实现，而芯不连接。

这两种类型的对的分布和数目可不同。然而，第一种类型的对是更加有利的。

确实，第一种类型的一对在交叉点上提供了暴露区域，这减小了电路对于寄生干扰的敏感性。此外，对于相同的谐振频率，部分的对的长度可比第二种类型的对的长度小两倍。长度的减少使天线的形成更加容易。与第一种类型的对关联的电感L0的值也可比与第二种类型的对关联的电感的值小两倍。对于相同的循环电流，第一种类型的对的两部分的连接区36的第一导体之间存在的电压比第二种类型的对的连接区56中的电压小两倍。在一对内的连接区为暴露区，在该暴露区中更加影响了电路对寄生干扰的敏感性，因为在该区域中电压较高。在该区域中由第一种类型的对所引入的电压的降低能够减少对干扰的敏感性。

图5示出部分的第一种类型的对3的电子布局。

图5A示出图5的对的等效电子示意图。

部分32和部分34的对3包括与相邻对连接的两个端子42和44。端子42与部分32的第一导电元件322连接，该第一导电元件322在其另一端通过交叉的互相连接36连接至部分34的第二导电元件344，该第二导电元件344具有未连接的自由端3441（在端子44的侧）。部分32的第二导电元件324具有自由端3241（在端子42的侧），且其另一端通过连接36连接至部分34的第一导电部分342，该第一导电部分342具有连接至端子44的另一端。

在图5A中示出这种对的等效电路图，其相当于具有值L0的电感和具有值C0的电容器串联布置的电路图，其中L0代表对应于为了计算该值而视为一个导体的导体部分322和导体部分342的结合后的电感，且其中C0代表了在同轴电缆情况下在芯和编织层之间的所有内部电容，在其他实施方式的情况下在两个导体（在导体322和导体324之间以及在导体342和导体344之间）之间的所有内部电容。在上文中，在部分322和部分342的结合（为了计算视为一个导体）与其他对的部分322和部分342等效的部分的结合（也为了计算视为一个导体）之间的互感被忽略。由于形成在线圈中，则不同对彼此之间距离足够远以能够相对于诸如上文所述的值L0而忽略互感。

在该实施方式中，忽略导体中的欧姆损耗和导体之间的介电损耗，一对部分的阻抗可被写成Z=jL0ω+1jC0ω。

图6示出部分的第二种类型的对5的电子布局。

图6A示出图6的对的等效电路图。

在部分52和部分54的对5中，第一部分52的第一导体522与第一接入端子42连接且其另一端5222处于浮接状态（未连接）。第二部分54的第一导电元件542在部分52侧处于浮接状态（端5422），且在其另一端，连接至接入对5的端子44。第一部分52的第二导体524通过互相连接56连接至第二部分54的第二导体544。部分524的端部5241和部分544的端部5441处于浮接状态。

从电力观点和如在图6A中所示的，假定对3和对5的导体具有相同的长度，则对5相当于值为L0的电感元件与值为C0/4的电容元件的串联连接，其中L0代表对应于导体部分522和导体部分542结合后的电感，且C0代表所有的内部电容（在导体522和导体524之间以及在导体542和导体544之间）。

在该实施方式中一对部分的阻抗为Z=jL0ω+1j(C04)ω。

从电力观点看，串联的两个对3的部分等同于两倍长度的一个对5的部分。

该长度适配于天线的工作频率，从而每一对的部分不妨碍调谐，即LCω²=1。可以看出，根据对3和对5之间的对的类型的分布，导电元件的长度和两部分导体之间的线路电容值可以被改变。目前电容元件的值不再是可忽略的，且天线对于其环境的干扰不太敏感。

利用图5和图6中类型的若干对的部分形成天线能够使电路分离且避免了太长的电感元件，在电感元件中沿着电感线圈电路流动的电流将不能够沿着电路始终具有均匀的振幅和相位。确实，对的互连相当于串联连接若干个相同谐振频率的谐振电路。于是感应天线的长度不再受限。

假设对于不妨碍谐振关系的每一对，其可能具有连接在对之间的接点处的两个导体之间的内置电容器，则不同对的部分不必具有相同的长度。

图7示出感应天线和激励电路和置位电路的实施方式。此处天线包括三个第一种类型的对3。

激励电路18为具有初级线圈182和次级线圈184的高频变压器，该初级线圈182接收高频发生器12（图1）的激励信号，且该次级线圈184的两个端子连接至两个相邻对的端子42和44，而不是两个相邻对的互相连接4。因此，次级绕组在两对之间形成该连接。优选地，选择该变压器以使得电感回到次级线圈侧，该电感在该操作频率下相对于值L0是可忽略的，例如这在耦合接近于1时发生。

此外，置位电路16连接该两对的导体324和344的自由端3241和3441，从而使自由端3241和自由端3441连接。在图7的示例中，电路16为阻（电阻器R4）容（电容器C4）电路。电容器C4的作用是调整天线的谐振频率。例如，电阻器R4的作用是将天线的品质因数Q设定至选定的值以调整带宽。

电容器可被夹置于不同对之间，连接在同一部分的导电元件之间、在自由的导电元件（此处，同轴部分芯）和连接点42或44（此处，同轴部分的编织层）之间、或者在独立于每一对的互联的部分的导体之间，以减少谐振频率。

自由的导电元件324或344（此处，为芯）的长度还可被减少以降低对应部分的全部电容，从而增加谐振频率。

相似地，电阻元件可连接在两对之间的导电元件的自由端之间，以调整和减少因此形成的天线的品质因数Q。取代互相连接4，电阻元件还可被插入在两对之间以减少和调整品质因数。

对于不同的部分给定的形状不必是直线形的。如在图7中所示，该部分可进行各种布局。因此，本发明的闭合天线可采取框架模式、形成线圈、具有环形的形状、采用在三维空间上的形状等。

在上文的实施方式中，调整电路示出为具有对之间的连接。应当注意，作为变型和在第二种类型的对（5）的情况下，这种电路可被插入在部分的对内。在这种情况下，将要被引入的电容器连接元件522和元件542的两个非互相连接的自由端。

代替在接点35和56处（第一种类型和第二种类型的）相同对的两个部分的导体之间的连接，还可插入电阻元件，以减少品质因数。

图8A、图8B和图9示出根据本发明的另一实施方式的成对的导电部分。该实施方式示出成对的导电部分可通过绞合的导电体而不是通过同轴部分而形成。

图8A和图8B示出第一种类型的部分的对3的两个实施方式。

在图8A中，两个绞合的线部分以与同轴电缆部分的描述相似的方式互相连接。

图8B示出部分的交叉互连对的另一实施方式，其中，该交叉通过相对于具有连接至其的输入端（例如42）的一导体翻转具有连接至其的输出端（例如44）的另一导体而实际获得，且导电部分在对内不中断。

图9示出第二种类型的部分52和部分54形成的对5的实施方式，其由绞合的导体形成。

根据未示出的另一实施方式，多个部分形成的多个对通过非绞合的导体而形成，导体被屏蔽或不屏蔽。

根据未示出的另一实施方式，多个部分形成的多个对通过沉积在绝缘基板上的轨迹而形成。

例如上文所限定的天线还可限定为包括至少两个几何学上对接的细长的子组件（3、5、3’），每一个子组件根据其长度包括彼此绝缘的且并行的第一导电元件和第二导电元件，以及，在每一端与相邻的子组件电连接的单个终端与第一导电元件连接；并且第二导体没有进行电连接，其中所有或部分的子组件为：

-第一种类型，其中，第一导体和第二导体中的每一个大约在其中部被中断且再连接至该子组件的另一导体；

-第二种类型，其中，第一导体大约在其中部被中断，且第二个导体没有被中断。

利用这样一个定义，在由两部分形成的交叉连接（图3、图5和图8A）的情况下，尤其在串联的情况下，导电元件为不同于所使用的电缆的导线（芯或编织层），从而每一连接端子连接至与该子组件具有相同性质（编织层或芯）的导体，而不是其与其他端子进行电连接。

作为一个具体的实施方式，通过切割普通的同轴线路而形成部分。目前存在一些部分具有50欧姆、75欧姆和93欧姆的特性阻抗，其具有相应的线路电容值100pF/m、60pF/m和45pF/m。例如，利用50欧姆的同轴电缆，可在交叉连接的情况下获得大约为1μH的电感L0。

根据使用有护套的导体（绞合或不绞合的）的另一具体实施方式，电缆具有在导体之间的介于大约在30pF/m至40pF/m范围内的线路电容。利用这样的电缆，例如，可获得具有在大约2μH至3μH之间的值的电感L0。

图10为根据另一实施方式的天线的简化图示。如在其他实施方式中，天线包括至少两对（图5的第一种类型的对3或者图6的第二种类型的对5）的部分，每一对由彼此绝缘的并行的导电元件构成。在图10的示例中，假定同轴电缆部分成对。利用附加的半对而实现该结构，该半对由第一种类型的两个导电元件32、34或者第二种类型的两个导电元件52、54构成。该半对可被插入在两个对之间，而不是在天线的端部。该附加半对的存在可用于调整天线的长度。

图11为一个变型的简化图示，根据该变型，两个同轴电缆分段61和62并排、并行地机械布置且其编织层至少在两个端部彼此电连接，以形成单个的第一导电元件（连接67）。芯进行电连接以形成单个的第二导电元件（在一个端部的连接65）。在图11中所示的类型的每一元件形成天线结构的部分32、34、52、或54。通过图11的分段的组合件而形成的部分的优点在于增加在第一导电元件和第二导电元件之间的部分的线路电容。这能够减少对于同一谐振频率的对的必要长度，从而关于天线几何形状具有更多的灵活性。

在形成具有同轴部分的天线中，利用在屏蔽件和导电芯之间的电容以形成电感部分和电容部分，电容部分具有比线元件更大的电容（因此对于相同频率，电容部分可更短）。

所描述的实施方式的优点在于该实施方式能够形成大尺寸的天线以应用至大于1MHz的谐振频率（通常在10MHz至100MHz之间）。因此，可在入口或柜台等处设置天线，同时沿着线圈具有均匀的电流循环以产生所期望的场。

作为具体实施方式，适于在13.56MHz频率下操作的天线可制成大约87cm×75cm的矩形线圈的形式，该线圈由三对第一种类型的导体（两个部分的三倍）以50欧姆且100pF/m的同轴电缆（3.5mm编织层直径）构成，该线圈以如下形式的两个对和如下形式的一个对分布，所述两个对形成1.07m的展开长度的L型布局（具有大约1.22μH或1.21μH的电感L0，考虑互感），且所述一个对形成1.08m的展开长度的U型布局（具有大约1.20μH或1.19μH的电感L0，考虑互感）。可通过可变电容器调整谐振频率。

尽管已经描述了各种实施方式，但本领域技术人员可进行各种替换和修改。尤其是，导电部分和电容元件的尺寸取决于应用，且基于上文给定的功能描述以及基于所需的谐振频率和天线尺寸，尺寸的计算在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (12)

1.一种感应天线，其包括几何形状对接的至少两对部分（32、34；52、54），每对包括彼此绝缘的并行的第一导电元件（322、342；522、542）和第二导电元件（324、344；524、544），每对在每一端包括用于将其第一导电元件电连接至相邻对的第一导电元件的单一端子（42、44），其中，所述对为：

第一种类型的对（3），其中所述导电元件大约在其中部被中断以限定两个部分，所述对的一个部分的第一导电元件与所述对的另一部分的第二导电元件连接，所述对的一个部分的第二导电元件与所述对的另一部分的第一导电元件连接；或者

第二种类型的对（5），其中所述第一导电元件（522、542）大约在其中部被中断，以限定两个部分，且所述第二导电元件（524、544）没有被中断。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述导电部分为细长的，所述天线在空间上形成具有任何类型的几何形状的线圈。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述导电元件（322、324、342、344；522、524、542、544；322'、324'、342'、344'）的各自长度根据所述天线的谐振频率而选择。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述导电元件（322、324、342、344；522、524、542、544；322'、324'、342'、344'）的各自长度根据所述第一导电元件和所述第二导电元件之间的线路电容而选择。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，至少一个电容元件（C4）与相邻对的第二导电元件互连，或者与同一对的第一导电元件和第二导电元件互连。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，至少一个电阻元件（R4）与相邻对的第二导电元件互连，或者与同一对的第一导电元件和第二导电元件互连。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，每个部分（32、34、52、54）为同轴电缆部分。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的天线，其中，每个部分由两个同轴电缆分段（61、63）构成。

9.根据权利要求1至6中的任一项所述的天线，其中，所述部分（32、34、52、54、32'、34'）由绞合的导电元件构成。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的天线，还包括半对，该半对由具有两个导电元件的部分构成，该半对与至少一个对联接。

11.一种用于产生高频场的系统，包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的感应天线；和

电路，该电路用于利用高频信号激励天线。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述激励电路包括高频变压器（18），该高频变压器（18）具有次级绕组，该次级绕组夹置于所述天线的两个相邻的对的第一导电元件之间。

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