CN103078973B - 一种异型感应偶合手机智能卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异型感应偶合手机智能卡，包括托架、柔性双面PCB电路板和SIM模块，电路板的一端设有感应线圈天线，电路板的一面设有SIM卡标准铜制连接触点；SIM模块安装在电路板的另一面上，并使SIM模块的有源负载调制解调器与感应线圈天线相连接，SIM模块的NFC编解码安全处理器与SIM卡标准铜制连接触点相连接；电路板卡装在托架上，PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后贴靠在档板的内侧面。该结构的手机智能卡在插入iphone手机的智能卡卡槽中后，感应线圈天线的有效部位，大部分不被手机的金属机壳所屏蔽，电磁感应信号接收和发射效率大大增强，从而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

一种异型感应偶合手机智能卡

技术领域

本发明涉及一种手机智能卡，特别是涉及一种适配于iphone4/iphone5（苹果手机）使用的异型感应偶合手机智能卡。

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。

智能手机，特别是iphone4/iphone5（苹果手机）受到了广大用户的青睐，市场的占有率很高。高端手机工艺先进，机械精度高，密封严密，这些因素对手机本身固然是好事情，但原本在手机环境下按标准方式设计的内置射频感应模块的手机智能卡，往往会导致信号衰减加大，数据通信误码率加大，使内置射频感应模块的手机智能卡不能正常工作。图1即为现有iphone4/iphone5（苹果手机）所使用的手机智能卡100及其托架200，这种手机智能卡100采用MicroSIM卡，它比标准SIM卡尺寸更小，使用时，是把MicroSIM格式的手机智能卡100放入托架200中，再连同托架200一起插入iphone4/iphone5（苹果手机）的智能卡卡槽中，iphone4/iphone5（苹果手机）的智能卡卡槽一般都设计成标准样式。这种手机智能卡100及其托架200的配合，致使iphone4/5很难用现有技术改造成与NFC或ISO14443体系兼容的手机终端。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种异型感应偶合手机智能卡，通过对MicroSIM卡的卡体结构的改进以及对托架配合结构的改进，使之与原有MicroSIM卡在功能上完全兼容，并能很好的实现感应偶合，完成无线近距离通信功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种异型感应偶合手机智能卡，包括：

一能够适配于苹果手机的智能卡卡槽的托架，该托架包括能够插入所述卡槽的插板和封闭在所述卡槽槽沿的档板；

一柔性双面PCB电路板，该电路板的一端设有采用PCB制作而成的感应线圈天线，电路板的一面设有与苹果手机的内部电路相连接的SIM卡标准铜制连接触点；

一SIM模块，SIM模块包含有源负载调制解调器和NFC编解码安全处理器，且有源负载调制解调器与NFC编解码安全处理器相连接，SIM模块采用SMT工艺安装在电路板的另一面上，并使有源负载调制解调器与感应线圈天线相连接，NFC编解码安全处理器与SIM卡标准铜制连接触点相连接；

在托架的插板的一面设有凹槽，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后贴靠在档板的内侧面，柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分配合在托架的插板的凹槽中，凹槽中还设有用来容纳SIM模块的透孔。

所述柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分还设有卡孔，在插板的凹槽中设有一卡凸，柔性双面PCB电路板的卡孔卡置在插板的凹槽的卡凸中。

所述柔性双面PCB电路板的卡孔设在靠近感应线圈天线的一端，所述插板的卡凸设在靠近档板的一侧，柔性双面PCB电路板的卡孔与插板的卡凸相配合。

所述感应线圈天线设置在柔性双面PCB电路板的另一面，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后，设置感应线圈天线的另一面贴靠在档板的内侧面。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，是采用改进的iphone4/5SIM卡托架和异型结构的SIM卡相配合来组成，可以认为柔性双面PCB电路板和SIM模块组成异型SIM卡，异型SIM卡的基板采用FPC柔性电路板，使用FPC的工艺，在PCB上制作感应线圈天线，SIM模块则包含有源负载调制解调器和NFC编解码安全处理器，SIM模块通过SMT工艺安装在FPC基板上，FPC基板的背面设有SIM卡标准铜制连接触点，用来与手机卡座即苹果手机的智能卡卡槽内的SIM卡标准铜制连接触点相连接，实现手机智能卡与手机内电路的连接；FPC上制作出的感应线圈天线则与SIM模块的有源负载调制解调器相连接，SIM模块内有源负载调制解调器与NFC编解码安全处理器相连接；SIM模块的NFC编解码安全处理器则与柔性电路板的SIM卡标准铜制连接触点相连接。

异型SIM卡是由一片柔性电路板（也称FPC）和射频SIM卡模块组成，柔性电路板实际上是一种柔性双面PCB电路板，电路板的一边，以PCB布线，环绕成一定阻抗要求的感应线圈天线，电路板的另一边，是一个SIM模块的SMD焊盘，为承接SIM模块预留空间和完成生产工艺要求所用。柔性电路板的反面，是标准SIM卡的铜制触点，用于和手机SIM卡座的连接。由于采用的是FPC电路板，具有可挠性，因此，柔性电路板一边的感应线圈天线部分可以折起。为了实现将柔性电路板卡在托架上，在柔性电路板的的中间部位，设有一个卡孔即定位方孔，用于插入托架时将卡片锁定。SIM模块则采用SIP一种集成电路芯片的制造工艺，制造成一种类似于IC芯片一样的模块，背面设计有SMD焊盘，在产品制造中可以采用普通的SMT工艺，完成SIM模块的安装。SIM模块中包含与感应线圈天线形成阻抗匹配的电容C、有源负载编解码IC（即有源负载调制解调器）和MCU安全芯片（即NFC编解码安全处理器），感应线圈天线和阻抗匹配电容C组成的谐振回路，其谐振频率为13.56Mz。

托架是采用ABS工程塑料（或其他非金属材料）注塑而成，托架的插板的一面有一个凹槽用来适配于柔性电路板卡入，插板的凹槽的中间部位设有透孔，柔性电路板所连接的SIM模块恰好处在透孔中，托架的插板的凹槽的一边有一个垂直的短边臂，短边臂的底部有一个凸起的台阶形成插板的凹槽的卡凸，用于对准异型卡的中间部位的定位方孔（即卡孔）。异型卡安放在托架中形成一个整体，这个整体可以适配地插入iphone手机中，异型卡的感应线圈天线部分，除被托架的边壁（档板）保护以外，有效感应区域大部分不会被手机的金属外壳覆盖，其电磁感应强度，较以标准MicroSIM方式设计的感应耦合的智能卡大大加强，这样就可以有效实现近距离感应通信功能。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，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用FPC柔性电路制成，另一方面将感应线圈天线从深入在手机金属机壳的内部转移到手机机壳的外部，脱离金属机壳对电磁信号的屏蔽，从而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；再一方面，是将含有感应线圈天线的柔性电路板部分弯折起来，使感应线圈天线的平面与SIM卡的卡体的平面相互垂直，从而使得感应线圈天线获得的磁感应强度信号将更大；再另一方面，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，由于采用了能够适配于苹果手机的智能卡卡槽的托架、柔性双面PCB电路板和包含有源负载调制解调器、NFC编解码安全处理器的SIM模块来构成异型感应偶合手机智能卡，且柔性双面PCB电路板的一端设有采用PCB制作而成的感应线圈天线，电路板的一面设有与苹果手机的内部电路相连接的SIM卡标准铜制连接触点；SIM模块采用SMT工艺安装在电路板的另一面上，并使有源负载调制解调器与感应线圈天线相连接，NFC编解码安全处理器与SIM卡标准铜制连接触点相连接；在托架的插板的一面设有凹槽，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后贴靠在档板的内侧面，柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分配合在托架的插板的凹槽中，凹槽中还设有用来容纳SIM模块的透孔。该结构的手机智能卡在插入iphone手机的智能卡卡槽中后，感应线圈天线的有效部位，大部分不被手机的金属机壳所屏蔽，电磁感应信号接收和发射效率大大增强，从而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；但本发明的一种异型感应偶合手机智能卡不局限于实施例。

附图说明

图1是现有iphone（苹果手机）所使用的手机智能卡及其托架的构造示意图；

图2是本发明的构造示意图；

图3是本发明的电路原理框图；

图4是本发明的异型SIM卡的构造示意图；

图5是本发明的异型SIM卡（含有感应线圈天线的柔性电路板弯折）的构造示意图；

图6是本发明的柔性电路板的示意图；

图7是本发明的柔性电路板（翻转一面）的示意图；

图8是本发明的托架的构造示意图；

图9是本发明的托架的主视图；

图10是本发明的托架的俯视图；

图11是本发明的托架的右视图；

图12是本发明的SIM模块的示意图；

图13是本发明的SIM模块（翻转一面）的示意图；

图14是本发明的电路原理图。

具体实施方式

实施例，参见图2至图14所示，本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，包括：

一能够适配于苹果手机的智能卡卡槽的托架1，该托架1包括能够插入所述卡槽的插板11和封闭在所述卡槽槽沿的档板12；

一柔性双面PCB电路板2，该电路板2的一端设有采用PCB制作而成的感应线圈天线21，电路板2的一面设有与苹果手机的内部电路相连接的SIM卡标准铜制连接触点22；

一SIM模块3，SIM模块3包含有源负载调制解调器31和NFC编解码安全处理器32，且有源负载调制解调器31与NFC编解码安全处理器32相连接，SIM模块3采用SMT工艺安装在电路板2的另一面上，并使有源负载调制解调器31与感应线圈天线21相连接，NFC编解码安全处理器32与SIM卡标准铜制连接触点22相连接；

在托架1的插板的一面设有凹槽13，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分23弯折后贴靠在档板12的内侧面，柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分24配合在托架的插板的凹槽13中，凹槽13中还设有用来容纳SIM模块3的透孔131。

所述柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分24还设有卡孔25，在插板的凹槽13中设有一卡凸132，柔性双面PCB电路板的卡孔25卡置在插板的凹槽的卡凸132中。

所述柔性双面PCB电路板的卡孔25设在靠近感应线圈天线21的一端，所述插板的卡凸132设在靠近档板12的一侧，柔性双面PCB电路板的卡孔25与插板的卡凸132相配合。

所述感应线圈天线设置在柔性双面PCB电路板的另一面，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分23弯折后，设置感应线圈天线的另一面贴靠在档板12的内侧面。

其中，所述有源负载调制解调器采用型号为BOOSTER DIE的芯片，所述NFC编解码安全处理器采用型号为AT90SC352208RCV的芯片。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，是采用改进的iphone4/5SIM卡托架和异型结构的SIM卡相配合来组成，可以认为柔性双面PCB电路板2和SIM模块3组成异型SIM卡，异型SIM卡的基板采用FPC柔性电路板2，使用FPC的工艺，在PCB上制作感应线圈天线21，SIM模块3则包含有源负载调制解调器31和NFC编解码安全处理器32，SIM模块3通过SMT工艺安装在FPC基板2上，FPC基板2的背面设有SIM卡标准铜制连接触点22（如图7所示），用来与手机卡座即苹果手机的智能卡卡槽内的SIM卡标准铜制连接触点相连接，实现手机智能卡与手机内电路的连接；FPC上制作出的感应线圈天线21则与SIM模块的有源负载调制解调器31相连接，SIM模块内有源负载调制解调器31与NFC编解码安全处理器32相连接；SIM模块的NFC编解码安全处理器32则与柔性电路板的SIM卡标准铜制连接触点22相连接。

异型SIM卡是由一片柔性电路板（也称FPC）和射频SIM卡模块组成，柔性电路板实际上是一种柔性双面PCB电路板，电路板的一边，以PCB布线，环绕成一定阻抗要求的感应线圈天线21，电路板的另一边，是一个SIM模块的SMD焊盘（如图6所示），为承接SIM模块3预留空间和完成生产工艺要求所用。柔性电路板2的反面，是标准SIM卡的铜制触点22，用于和手机SIM卡座的连接。由于采用的是FPC电路板，具有可挠性，因此，柔性电路板一边的感应线圈天线部分可以折起。为了实现将柔性电路板2卡在托架1上，在柔性电路板2的的中间部位，设有一个卡孔25即定位方孔，用于插入托架1时将卡片锁定。SIM模块3则采用SIP一种集成电路芯片的制造工艺，制造成一种类似于IC芯片一样的模块，背面设计有SMD焊盘（如图13所示），在产品制造中可以采用普通的SMT工艺，完成SIM模块3的安装。SIM模块3中包含与感应线圈天线形成阻抗匹配的电容C、有源负载编解码IC（即有源负载调制解调器）和MCU安全芯片（即NFC编解码安全处理器），感应线圈天线和阻抗匹配电容C组成的谐振回路，其谐振频率为13.56Mz。

托架1是采用ABS工程塑料（或其他非金属材料）注塑而成，托架1的插板11的一面有一个凹槽13用来适配于柔性电路板2卡入，插板的凹槽的中间部位设有透孔131，柔性电路板所连接的SIM模块3恰好处在透孔131中，托架的插板的凹槽的一边有一个垂直的短边臂，短边臂的底部有一个凸起的台阶形成插板的凹槽的卡凸132，用于对准异型卡的中间部位的定位方孔（即卡孔25）。异型卡安放在托架1中形成一个整体，这个整体可以适配地插入iphone手机中，异型卡的感应线圈天线21部分，除被托架的边壁即档板12保护以外，有效感应区域大部分不会被手机的金属外壳覆盖，其电磁感应强度，较以标准MicroSIM方式设计的感应耦合的智能卡大大加强，这样就可以有效实现近距离感应通信功能。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，一方面，是对感应线圈天线21的结构进行改进，改进之一是将感应线圈天线21用FPC柔性电路制成，另一方面将感应线圈天线从深入在手机金属机壳的内部转移到手机机壳的外部，脱离金属机壳对电磁信号的屏蔽，从而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；再一方面，是将含有感应线圈天线的柔性电路板部分弯折起来，使感应线圈天线21的平面与SIM卡的卡体的平面相互垂直，从而使得感应线圈天线21获得的磁感应强度信号将更大；再另一方面，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。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，基于ISO14443的原理，手机智能卡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。

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。

FPC柔性PCB感应线圈天线可以等效为电感元件L，与SIM卡模块的电容C组成谐振回路，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。

本发明一种异型感应偶合手机智能卡的SIM模块，是使用芯片型号为BOOSTER DIE的有源负载调制解调器和芯片型号为AT90SC352208RCV的NFC编解码安全处理器来实现ISO14443A/B近距离感应耦合，所述的异型感应偶合手机智能卡，与普通SIM卡电气性能完全兼容，可以替代或更新原MicroSIM卡，在iphone4/5可以实现在现有13.56M即ISO14443体系环境下的NFC近场通信功能或移动电子支付。

在系统设计上除模拟前端（即有源负载调制解调器）外，采用了单安全芯片设计，NFC编解码与安全处理器二合一，既完成NFC编解码，也完成ISO14443A/B协议处理，以及通过芯片内的ISO7816接口，连接SIM触点，完成与移动终端手机的通信。利用NFC编解码安全处理器内的MCU部分包含的一定容量的存储单元，用于存储用户数据和对ISO14443A/B协议处理在数据处理上的需求，与NFC编解码单元共同完成13.56Mhz非接数据流及与非接相关的一些关键应用，比如移动电子支付等等。MCU部分还负责处理系统与手机相关的各类数据流处理，也可协同NFC编解码与安全处理器处理一些非接数据。

系统上电后，NFC编解码安全处理器置复位，启动片内程序开始工作，NFC编解码安全处理器的芯片AT90SC352208RCV再通过连接信号，对有源负载调制解调器设置初始化，完成整个卡片的启动过程。

本发明的一种异型感应偶合手机智能卡，在技术标准、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，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iphone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21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异型感应偶合手机智能卡，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 (4)

1.一种异型感应偶合手机智能卡，其特征在于：包括：

一能够适配于苹果手机的智能卡卡槽的托架，该托架包括能够插入所述卡槽的插板和封闭在所述卡槽槽沿的档板；

一柔性双面PCB电路板，该电路板的一端设有采用PCB制作而成的感应线圈天线，电路板的一面设有与苹果手机的内部电路相连接的SIM卡标准铜制连接触点；

一SIM模块，SIM模块包含有源负载调制解调器和NFC编解码安全处理器，且有源负载调制解调器与NFC编解码安全处理器相连接，SIM模块采用SMT工艺安装在电路板的相对于具有连接触点的一面的另一面上，并使有源负载调制解调器与感应线圈天线相连接，NFC编解码安全处理器与SIM卡标准铜制连接触点相连接；

在托架的插板的一面设有凹槽，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后贴靠在档板的内侧面，柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分配合在托架的插板的凹槽中，凹槽中还设有用来容纳SIM模块的透孔。

2.根据权利要求1所述的异型感应偶合手机智能卡，其特征在于：所述柔性双面PCB电路板中不含有感应线圈天线的部分还设有卡孔，在插板的凹槽中设有一卡凸，柔性双面PCB电路板的卡孔卡置在插板的凹槽的卡凸中。

3.根据权利要求2所述的异型感应偶合手机智能卡，其特征在于：所述柔性双面PCB电路板的卡孔设在靠近感应线圈天线的一端，所述插板的卡凸设在靠近档板的一侧，柔性双面PCB电路板的卡孔与插板的卡凸相配合。

4.根据权利要求1或2或3所述的异型感应偶合手机智能卡，其特征在于：所述感应线圈天线设置在柔性双面PCB电路板的相对于具有连接触点的一面的另一面，柔性双面PCB电路板中含有感应线圈天线的部分弯折后，所述电路板的设置感应线圈天线的一面贴靠在档板的内侧面。