CN103262128B - 机动车辆接入系统的具有近距离无线通信方案的紧凑型id发送器 - Google Patents

机动车辆接入系统的具有近距离无线通信方案的紧凑型id发送器 Download PDF

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Abstract

一种用于机动车辆接入系统的ID发送器，具有一塑料外壳（1）；一印制电路板（2），所述印制电路板被所述外壳（1）包围、装配有若干元件（3-7，10，11）且具有若干导电通路；及一邻近所述印制电路板（2）布置且与所述印制电路板（2）连接的天线结构单元，该天线结构单元实施为承载若干导电条的载体膜（8）。所述元件包括一具有对应支承装置（7）的供电单元（6）、用于与机动车辆侧的发送及接收装置进行通信的一低频3D线圈装置（3）和若干高频发送及接收元件（10，11）、一NFC模块（4）以及至少一个控制元件（9）。所述载体膜的导电条构成一通过所述印制电路板（2）的导电通路与所述NFC模块（4）耦合的NFC天线线圈。所述载体膜（8）基本上处于一平行于所述印制电路板（2）的平面内，所述载体膜的各边突出于所述印制电路板的边缘以外，其中，构成所述NFC天线线圈（14）的导电条主要布置在所述载体膜（8）的突出于所述印制电路板（2）的边缘以外的边缘区域内。

Description

机动车辆接入系统的具有近距离无线通信方案的紧凑型ID发送器
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆接入系统的ID发送器，其具有塑料外壳及一印制电路板，该印制电路板被所述外壳包围、装配有若干元件且具有若干导电通路，其中，所述元件包括一具有对应支承装置的供电单元、用于与机动车辆侧的发送及接收装置进行通信的一低频（LF）3D线圈装置和若干高频（HF）发送及接收元件，以及至少一个控制元件。
背景技术
采用上述类型的已知ID发送器时，布置在塑料外壳内的印制电路板（“Leiterplatte”）的两面均装配有元件。一与高频发送及接收元件相耦合的高频天线例如实施为印制电路板上的导电通路，其中，该构成天线的导电通路布置在位于印制电路板边缘附近的一未装配元件的印制电路板区域内。该低频3D线圈装置例如实施为带三个接收线圈的紧凑型元件，这三个接收线圈沿三个不同的空间方向定向，其中，平行于印制电路板表面的Z线圈内部布置有两个以90°错开布置的线圈（X线圈和Y线圈），这两个线圈设有垂直于印制电路板的线圈绕组。
发明内容
以该已知ID发送器为出发点，本发明的目的是提供一种紧凑型ID发送器，其具有最小尺寸的印制电路板，本发明的另一目的是为此种ID发送器配设近距离无线通信（NFC）方案。
本发明用以达成上述目的的解决方案为具有权利要求1所述特征的ID发送器。
本发明用于机动车辆接入系统的ID发送器，具有塑料外壳及一印制电路板，该印制电路板被所述外壳包围、装配有若干元件且具有若干导电通路，其中，所述元件包括一具有对应支承装置的供电单元（如电池）、用于与机动车辆侧的发送及接收装置进行通信的一低频3D线圈装置和若干高频发送及接收元件、一NFC模块以及至少一个控制元件。所述ID发送器还具有一邻近所述印制电路板布置且与所述印制电路板连接的天线结构单元，该天线结构单元实施为承载若干导电条的载体膜，其中，所述导电条构成一通过所述印制电路板的导电通路与所述NFC模块耦合的NFC天线线圈。所述载体膜基本上处于一平行于所述印制电路板的平面内，所述载体膜的各边突出于所述印制电路板的边缘以外，其中，构成所述NFC天线线圈的导电条主要布置在所述载体膜的突出于所述印制电路板的边缘以外的边缘区域内。
采用本发明设计方案的ID发送器一方面能-通过所述元件的相应布置方案-将印制电路板的尺寸降至最小，另一方面将密集装配了元件和导电通路并具有遮蔽效应的印制电路板对所述NFC天线线圈的NFC通信性能的不良影响降至最低。本发明将所述NFC天线线圈布置到一与所述印制电路板间隔一定距离的分离式构件内，即布置到一与所述印制电路板连接且实施为承载若干导电条的载体膜的天线结构单元内，且将构成所述NFC天线线圈的导电条基本上定位在所述印制电路板的边缘以外，能够朝所述印制电路板的两面实现良好的NFC通信距离，因为密集装配了元件和导电通路的印制电路板充其量仅会对所述NFC天线线圈起轻微的遮蔽作用。此外，将元件尽量密集地布置在印制电路板上还能将印制电路板和载体膜的尺寸降至最小。所述载体膜“基本上”处于一平行于所述印制电路板的平面内，亦即，该载体膜也可以（例如视安装状况）（以一锐角）略有倾斜或者稍有弯曲。实质之处在于，所述载体膜和所述印制电路板以平面并列的方式布置在一扁平塑料外壳内。因此，所述塑料外壳的厚度主要取决于双面装配式印制电路板的结构高度；载体膜本身的厚度可忽略不计。所述塑料外壳的横向尺寸主要取决于印制电路板的尺寸或者突出于印制电路板边缘以外的载体膜的尺寸。所述载体膜的各边突出于所述印制电路板的边缘以外，使得NFC天线线圈的多个绕组能够完全处于所述载体膜的这个突出式区域内。所述天线线圈通常具有数个天线绕组，例如四个绕组。构成所述NFC天线线圈的这些导电条“主要”布置在该突出式边缘表面区域内，亦即，绝大部分（例如，四个绕组中的至少三个）布置在这个边缘表面区域内。
根据本发明ID发送器的一种优选实施方式，结构高度较大的元件，包括所述具有对应支承装置的供电单元、所述低频3D线圈装置和所述NFC模块并排布置在所述印制电路板的一面，所述天线结构单元布置在另一面。结构高度较小的元件，例如用于有源元件（控制器或收发器）或者用于无源元件（电阻器、电容器）的表面安装芯片可以布置在所述印制电路板的设有所述天线结构单元的一面。这里的结构高度“较大”的元件指无法作为表面安装式扁平芯片实施安装的元件。举例而言，具有对应支承装置的供电单元（或“电池”）的通常高度至少为2mm。所述低频3D线圈装置包含三个沿三个空间方向定向的线圈组，其中，该元件的高度取决于以一平行于印制电路板表面的轴线定向的线圈组。为在绕组内部获得足够的截面面积，低频3D线圈装置元件就必须具有数毫米的最小结构高度。最后，所述NFC模块的结构高度通常为数毫米。该NFC模块优选包含一用于一可取出NFC芯片卡的NFC芯片卡槽，这个NFC芯片卡例如采用微软SD卡格式。为实现足够的机械稳定性，所述NFC芯片卡槽的厚度必须超过可插入其中的该NFC芯片卡。
上述实施方式的一种优选改良方案，其特征在于，所述低频3D线圈装置和所述NFC模块均具有大体呈矩形的基面，位于所述印制电路板的所述一面上的所述低频3D线圈装置、所述NFC模块和所述具有对应支承装置的供电单元沿某个方向无间距地或者以很小的间距一个接一个排列，所述印制电路板的面积约等于这些元件所占面积的总和。这三个结构高度较大的元件沿所述印制电路板的纵向一个接一个排列，其中，所述印制电路板的矩形面积约等于这些元件所占三个矩形面积的总和。所述元件无间距地或者充其量以很小的技术相关间距一个挨一个排列。这个很小的技术相关间距从尺寸公差中得出。优选采用某种供电单元，其圆面积的直径约为20mm，所述印刷电路板的宽度约为20mm，长度为40mm至48mm，优选约44mm。
所述天线结构单元的载体膜可以采用相对刚性的设计方案，但优选具有一定柔性，这一点有利于实施插接并能承受相应技术公差。
但是，所述载体膜的柔性不应达到导致NFC天线线圈在安装过程中出现弯折或起皱现象的程度。
根据本发明的ID发送器的一种优选改良方案，所述天线结构单元的导电条包括一高频天线的一导电条，该导电条通过所述印制电路板的导电通路与所述高频发送及接收元件耦合。将高频天线移出印制电路板并将其作为外部元件布置到天线结构单元的载体膜的一导电条内，此举改善了高频天线的发送及接收性能，因为这种高频天线能够减轻干扰因素以及密集装配型印制电路板所造成的遮蔽效应。所述高频天线的导电条优选同样布置在所述载体膜的所述突出式边缘表面区域内。
根据一种优选改良方案，所述高频天线的导电条布置在所述载体膜的位于所述NFC天线线圈的导电条内部的内区。举例而言，所述高频天线的导电条以平行于所述NFC天线线圈的内绕组的方式逐个地延伸。
根据一种替代实施方式，所述高频天线和所述NFC天线线圈由单独一个螺旋式导电条形成，其中，所述导电条具有两个端子和一个布置在所述导电条的内绕组上的分接点，使得所述导电条区段在所述分接点与所述内端子之间构成所述高频天线，其余区段构成所述NFC天线线圈。所述导电条的端子以及所述分接点均与所述印制电路板上的导电通路直接连接。
本发明的有利/优选改良方案参阅从属权利要求。
附图说明
图1为本发明的ID发送器的纵向剖面图；
图2A和2B为该ID发送器的印制电路板的安装有相应元件的两个表面的示意图；
图3为平行于图2A和2B所示印制电路板布置的天线结构单元的示意图；以及
图4A和4B为用于本发明ID发送器的天线结构单元的两个替代性实施方式，其印制电路板的长宽比与图3有所不同。
具体实施方式
下面通过附图所示的优选实施方式对本发明进行详细说明。
图1为本发明的ID发送器的纵向剖面图。塑料外壳1内设有印制电路板2（也称“Leiterplatte”）。印制电路板2例如呈矩形，其中，图1为沿较长维度的剖面图。外壳1由两个薄壳-下薄壳与上薄壳焊接而成。所述外壳的内部通常包含用于将所插入的印制电路板2形状匹配地固定的凸起和凹槽。印制电路板2包含若干导电通路（未绘示于图1中）且例如实施为双平面式印制电路板，其中，印制电路板2的底面和顶面上均设有导电通路。所述印制电路板的顶面上（沿图1所示方向）安装有多个元件：一低频3D线圈装置3、一用于容纳NFC芯片卡5的NFC芯片卡槽4和一用于供电单元6（或电池）的支承装置7。低频3D线圈装置3包含三个插入塑料外壳的线圈，这三个线圈朝三个相互垂直的空间方向定向，其中，垂直于安装面、即印制电路板表面的空间方向称作Z向。图2A为装配后的印制电路板2的俯视图，如图2A所示，一个被称作Z线圈的线圈的相应绕组与印制电路板表面平行且布置在元件3的边缘。这个外部Z线圈的内部设有两个以90°错开布置的线圈（X线圈和Y线圈），这两个线圈设有垂直于印制电路板2的线圈绕组。如图2A所示，这两个线圈中的一个线圈布置在另一线圈内部。这三个线圈的六个端子与印制电路板2的相应导电通路的触点连接。该低频3D线圈装置3用于接收低频范围内（如频率为125kHz）的唤醒信号。低频3D线圈装置3的绕组端子通过导电通路与一实施为集成电路的低频接收电路的输入端子耦合且同样安装在印制电路板2上。
印制电路板2的顶面上还安装有用于供电单元6的支承装置7。该供电单元6例如可实施为CR2032型3V电池。这个安装在印制电路板表面上的支承装置7同时也构成该电池的接触件。
本发明的ID发送器还配设有NFC通信方案（NFC=“近距离通信”）。为此，印制电路板2的顶面上安装有一芯片卡槽4。该芯片卡槽4可用于插接一也称作“NFC安全元件”的NFC芯片卡并将其重新取出。这个NFC芯片卡例如采用微软SD卡格式。该NFC芯片卡包含用于高频通信（如载频为13.56MHz）的发送及接收电路。该NFC芯片卡还包含用于对所传输的信号进行加密和解密的电路以及控制器电路和端口电路。例如，该NFC芯片卡在较窄一面的附近设有若干触点，这些触点用于一供电装置（电源电压和接地）、用于数据传输（数据信号和时钟）以及用于与一天线装置相耦合。尽管该NFC芯片卡本身通常设有天线，与一外部NFC天线线圈相耦合同样起到延长通信距离的作用。根据一种优选实施方式，所述NFC芯片卡还包含一用于USB总线的端口，该端口优选布置在芯片卡的与前述触点相对布置的较窄一面上。所述NFC芯片卡优选采用可取出设计方案，因此，所述ID发送器的外壳1优选设有一盖子或闭锁件，利用该盖子或闭锁件可打开和关闭NFC芯片卡槽4的插入通道以便插入和取出NFC芯片卡5。
元件3、4和6的高度通常为数毫米，这些元件紧挨布置且沿印制电路板2的纵向一个接一个排列。图2A为印制电路板2的俯视图，如图2A所示，印制电路板2的面积约等于低频3D线圈装置3、NFC芯片卡槽4和带对应支承装置7的电池6所占面积的总和。
图2B为印制电路板2背面的示意图，如图1及图2B所示，印制电路板2所装配的其他元件优选布置在印制电路板2的背面。这些元件包括至少一个控制器9、一个振荡石英10和一个收发器11。收发器11用于在高频范围内（如315MHz或433MHz）与机动车辆侧的发送及接收装置进行通信。印制电路板2的背面还设有四个按键开关13，使用者可通过布置在外壳1的凹槽中的相应按键操纵这些按键开关。按键13的作用是触发ID发送器的规定功能，例如，触发机动车辆车门的开锁和闭锁。印制电路板2的背面还装配有多种无源和有源的元件19。
一天线结构单元邻接印制电路板2的背面且与其平行，该天线结构单元实施为承载若干导电条的载体膜8。图3为这个带导电条的载体膜8的示意图。这些导电条包括一个例如具有四个绕组的NFC天线线圈14，其中，NFC天线线圈14的端子16与印制电路板2的导电通路连接。所述印制电路板的导电通路将NFC天线线圈与NFC芯片卡槽4的相应端子连接在一起。图1示出载体膜8的一个包含端子16的区段12，该区段用于将天线结构单元固定在印制电路板2的背面上。如图3所示，载体膜8上还设有一个具有端子17的导电条15，该导电条用于与机动车辆侧的发送及接收电路进行通信。高频天线15的端子17同样与印制电路板2的导电通路上的相应触点连接。载体膜8优选为柔性膜，但其具有足以确保该NFC天线线圈的绕组的形状稳定性的刚度。与印制电路板2相比，固定在印制电路板2的背面上的载体膜8更大，也就是更宽且更长，因此，如果将载体膜8居中地安装到印制电路板2的背面上，则在载体膜上会形成突出于印制电路板2的边缘以外的边缘区域。在此情况下，天线导电条14和15以基本上完全处于该突出式边缘区域的方式布置于载体膜8上。通过这种方式就能防止密集装配了元件和导电通路的印制电路板2妨碍天线导电条14和15进行通信。
图4A和4B为装有导电条14和15的天线结构单元的载体膜8的替代性实施方式。图4A和4B所示薄膜的长宽比与图3所示薄膜8有所不同，因此，相应印制电路板2具有对应的长宽比。在图3和图4A所示的关于载体膜8的实施例中，为NFC天线线圈以及为高频天线设置分离的导电条（导电条14）以及（导电条15）。
NFC天线线圈14通过端子16与印制电路板2连接，而高频天线通过触点17与印制电路板2连接。根据一种替代性实施方式，高频天线也可以仅以单独一个触点与印制电路板2耦合。在图4B所示实施方式中，高频天线和NFC天线线圈由单独一个螺旋式导电条形成。导电条14、15具有一分接点18。高频天线15设置在该分接点与螺旋导电条的内端子之间，而其余导电条则构成NFC天线线圈。
根据一种优选实施方式，印制电路板2的长度例如为44mm，宽度例如为20mm，印制电路板2的宽度约等于CR2032型电池的直径。低频3D线圈装置的尺寸例如为11mm*11mm或者15mm*15mm。载体膜8的重叠区域的宽度例如为2mm至5mm。
根据一种实施方式，电池6的卡槽可采用能够更换电池的设计方案。根据另一实施方式，可在电池完全放电后将ID发送器丢弃并用新的ID发送器取而代之。根据又一实施方式，ID发送器可包含一用于为电池6充电的电路装置，其中，由所述低频3D线圈装置来储存充电用电能。

Claims (10)

1.一种用于机动车辆接入系统的ID发送器，具有：
一塑料外壳(1)，
一印制电路板(2)，所述印制电路板被所述外壳(1)包围、装配有元件(3-7，10，11，13，19)且具有导电通路，其中，所述元件包括一具有对应支承装置(7)的供电单元(6)、用于与机动车辆侧的发送及接收装置进行通信的一低频3D线圈装置(3)和高频发送及接收元件(10，11)、一NFC模块(4)以及至少一个控制元件(9)，
一邻近所述印制电路板(2)布置且与所述印制电路板(2)连接的天线结构单元，所述天线结构单元实施为承载导电条的载体膜(8)，其中，所述导电条构成一通过所述印制电路板(2)的导电通路与所述NFC模块(4)耦合的NFC天线线圈(14)，
其中，所述载体膜(8)处于一平行于所述印制电路板(2)的平面内，所述载体膜的各边突出于所述印制电路板(2)的边缘以外，其中，构成所述NFC天线线圈(14)的导电条主要布置在所述载体膜(8)的突出于所述印制电路板(2)的边缘以外的边缘区域内。
2.根据权利要求1所述的ID发送器，其特征在于，
结构高度较大的所述元件，包括所述具有对应支承装置(7)的供电单元(6)、所述低频3D线圈装置(3)和所述NFC模块(4)并排布置在所述印制电路板(2)的一面，所述天线结构单元布置在另一面。
3.根据权利要求2所述的ID发送器，其特征在于，
所述低频3D线圈装置(3)和所述NFC模块(4)均具有大体呈矩形的基面，位于所述印制电路板(2)的所述一面上的所述低频3D线圈装置(3)、所述NFC模块(4)和所述具有对应支承装置(7)的供电单元(6)沿一方向无间距地或者以很小的间距一个接一个排列，所述印制电路板(2)的面积约等于这些元件(3，4，7)所占面积的总和。
4.根据权利要求3所述的ID发送器，其特征在于，
所述供电单元(6)所占圆面积的直径约为20mm，所述印制电路板(2)的宽度约为20mm，长度为40mm至48mm。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的ID发送器，其特征在于，
所述载体膜(8)为柔性载体膜。
6.根据权利要求1所述的ID发送器，其特征在于，
所述天线结构单元的导电条包括一高频天线的一导电条(15)，所述导电条(15)通过所述印制电路板(2)的导电通路与所述高频发送及接收元件(11)耦合。
7.根据权利要求6所述的ID发送器，其特征在于，
所述高频天线的所述导电条(15)同样布置在所述载体膜(8)的突出于所述印制电路板(2)的边缘以外的边缘区域内。
8.根据权利要求7所述的ID发送器，其特征在于，
所述高频天线的所述导电条(15)布置在所述载体膜(8)的位于所述NFC天线线圈(14)的导电条内部的内区。
9.根据权利要求6所述的ID发送器，其特征在于，
所述高频天线和所述NFC天线线圈由单独一个螺旋式导电条(图4B；14，15)形成，其中，所述导电条具有两个端子和一个布置在所述导电条的内绕组上的分接点(18)，其中一个端子为内端子，另一个端子为外端子，使得所述导电条区段(15)在所述分接点(18)与所述内端子(17)之间构成所述高频天线，其余区段(14)构成所述NFC天线线圈。
10.根据权利要求1所述的ID发送器，其特征在于，
所述NFC模块包括一用于NFC芯片卡(5)的NFC芯片卡槽(4)。
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