CN103649970B - 具有优化无源谐振电路的射频应答器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频设备(1A)，该设备包括与至少一个应答器(22、22b)频率调谐或旨在与其频率调谐的无源天线(24、34)，一所述应答器包括被连接至天线接口(28)的集成电路芯片(16)，该天线接口限定电磁耦合表面的外围(P)，一所述无源天线包括由螺旋圈所形成的主环路(24)，该主环路包括至少一个在环路内部的表面部分(B)、至少一个从主环路的内部朝向外部的主环路凹处(R、R2)，所述表面部分(B)位于所述凹处(R、R2)中，用于实现与应答器电路的电磁耦合；所述设备的区别之处在于其包括各自容纳或旨在容纳应答器(22、22b)的两个凹处(R、R2)。

Description

具有优化无源谐振电路的射频应答器设备

技术领域

本发明涉及具有无源天线的射频应答器领域和这种射频应答器的结构。

更具体地，本发明涉及无接触式芯片的载体，诸如无接触式芯片卡，其通信由无源天线放大。

本发明的目的也可以在于无接触式电子旅行文档系统，诸如以被布置在一起的应答器形式的电子护照和电子签证。特别地，这些文档和签证符合ICAO(英语表达“InternationalCivilAviationOrganization，国际民航组织”的首字母缩写)规范和ISO/IEC14443标准。

背景技术

在图1和2中所示出的文献US6378774描述一种包括集成电路模块(2)的芯片卡，所述集成电路模块(2)具有接触式和天线式通信接口。卡体包括无源天线，所述无源天线包括被并行安装在电容上的两个线圈(3、4)，封闭的宽线圈可以基本上被布置在卡体外围以及窄线圈以模块的天线为中心而被布置。所述宽线圈功能在于与外部读取器面对面通信并且所述窄线圈功能在于与所述模块耦合并且通信。

在具有以8字形状的两个环路的无源主天线情况下，这些载体有呈现复杂构造的缺点。

在图3中所示出的文献US5955723描述一种数据载体，所述数据载体包括被连接至第一导体环路18的集成电路16、近似与所述载体表面对应的耦合表面的至少一个第二导电环路14和属于所述第二环路且近似具有所述第一环路的尺寸的第三环路13。所述第一和第三环路被基本上同心地布置并且被耦合在一起。在图3中所示出的实施例中，所述第三环路向外开放；所述第三环路对应于来自耦合表面的外部朝向其内部的第一环路的呈中空或凹形的凹进部分，所述耦合表面由天线14的内表面划定界限。

所得到的载体的缺点在于需要其主环路在所述载体的整个外围上扩展的无源天线。另外，所描述的构造没有使得能够达到符合ISO/IEC 14443标准的性能所追求的水平。

也已知SPS公司(SmartCardSolutions)的一个实施例，其使用被布置在银行芯片卡体的空腔中的接触式和天线式模块。该模块与被布置在几乎整个卡体表面上的无源天线耦合；该模块包括以螺旋形被布置在模块空腔周围的基本上同心的环路；与所述空腔相邻的第一环路位于所述模块空腔的位置以下，非常宽，为几毫米、甚至5mm，并且随后的环路是同样的，用于使得能够在螺旋圈上压纹(embossage)而没有在压纹时切断螺旋圈的风险。另外，所述天线被连接至电容器的金属极板，所述极板被布置在天线载体的两侧。最后一个螺旋圈在所述卡的外围扩展以便包容来自读取器的尽可能多的射频通量。

该构造的缺点在于在构成卡体的塑料片材不良地附着于所述天线的螺旋圈和/或电容器极板的金属表面的情况下呈现分层的风险。

发明内容

本发明的目的在于解决前述缺点。

具体地，本发明的目的在于改进实施无源天线的射频设备或射频应答器的性能，同时具有实现无源天线的更简单构造。

本发明的目的也在于为无源天线和/或相关联的电容器实施较少金属表面，尤其是用于避免分层和/或节约导体表面。

为此，本发明的目的在于一种射频设备，其包括旨在与至少一个应答器频率调谐的无源天线，

－所述应答器包括被连接至天线接口的集成电路芯片，该天线接口限定电磁耦合的外围，

－所述无源天线包括：

－由螺旋圈所形成的主环路，该主环路包括至少一个在所述环路内部的表面部分，

－至少一个从主环路的内部朝向外部的主环路凹处，所述表面部分(B)位于所述凹处内，用于实现与应答器电路的电磁耦合；

所述设备的区别之处在于其包括各自容纳或旨在容纳应答器(22、22b)的两个凹处(R、R2)。

根据所述设备的其它特征：

－所述无源天线的多个螺旋圈基本上邻近于和沿应答器(或射频模块)的天线接口在多于一半的外围上扩展或旨在基本上邻近于和沿应答器(或射频模块)的天线接口在多于一半的外围上扩展；

－所述无源天线的多个螺旋圈与所述模块接口的螺旋圈并排直立(àl'aplombde)地被定位或旨在并排直立(àl'aplombde)地被定位；

－所述无源天线的多个螺旋圈在所述模块接口多于四分之三的外围上扩展或旨在在所述模块接口多于四分之三的外围上扩展；

－所述凹处具有向所述环路的内表面开放的“U”形或“V”形的凹形形状；

－所述设备在接触式模块中包括或旨在包括通向所述设备表面的第一应答器和不通的第二应答器；

－所述第一应答器符合A类型的ISO/IEC 14443标准并且第二应答器符合B类型的ISO/IEC 14443标准；

－所述无源天线基本上仅仅在ISO7816银行卡的标准化表面的一半上扩展；所述无源天线在压纹区外扩展；所述无源天线的耦合表面优选地在大约为ISO7816芯片卡的表面的一半、即81×25mm或更小的表面上扩展；

－“U”形的外部平行分支由被包括在5mm至15mm之间的距离间隔开；

－所述凹处旨在与订户识别模块(SIM)并排直立地被定位，所述订户识别模块(SIM)构成射频应答器或者是NFC类型的；所述设备可以包括或构成可定位于订户识别模块周围、尤其是在移动电话机身中的柔性载体，用于改进与被包含在模块中的射频或NFC应答器的耦合。

由于本发明：

－所述无源天线的图案(motif)不需要呈现两个封闭线圈，所述两个封闭线圈中之一与所述模块的天线基本上同心；

－在ISO 14443-2测试期间，由于在无源天线和所述一个或多个模块的天线之间的优化耦合，得到良好的产品功能性；

－所述呈“U”形、“V”形或“C”形的凹处(向天线内部开放的天线凹形形状)使得能够与具有单一线圈的无源天线形状耦合并且具有被减小一半的耦合表面，用于使得能够在银行卡上压纹；

－本发明确保与较少扩展的环路和表面较小的螺旋圈的良好耦合；其优点在于避免分层问题，同时释放被预留用于压纹的整个标准压纹表面；

－本发明使得能够释放由天线占用的表面；因而，卡可以容纳图形个性化元件，诸如窗口或透明部分；

－本发明使得能够合理化利用单一类型的无源天线用于多种潜在应用的生产，所述天线包括基本上呈“U”形或“C”形形状的多个凹处，其中各个凹处的表面基本上对应于各个模块的表面。

附图说明

在阅读作为非限制性示例和参考附图所做出的以下描述时，本发明的其它特征和优点将变得明显：

－图1和2说明根据现有技术的双接口芯片卡；

－图3说明现有技术的无接触式芯片卡；

－图4A说明符合本发明的实施例的设备的示意视图；

－图4B说明包括图4A的设备的芯片卡的示意视图；

－图4C说明图4A的凹处R的示意视图；

－图5说明图4A的凹处R的另一实施例的示意视图；

－图6进一步说明图4A所说明的设备；

－图7A说明根据本发明的一实施例的应答器；

－图7B说明根据本发明的另一实施例的应答器；

－图8说明根据本发明一实施例的芯片卡体。

具体实施方式

现有技术的图1-3先前已经在引言中被描述。所述无源天线分别被标记为(3、4)和(13、14)。其分别包括小环路(3、13)和大环路(4、14)。

在图3中，在环路14内部感应的电磁通量与在环路13内部感应的电磁通量相反，并且可能损害电磁耦合的效率。

在图4A中，以示意图形式表示符合本发明的射频设备1A(未示出原则上被连接至天线端子的频率调谐电容)。所述设备此处在本示例中为符合ISO 7816和ISO/IEC 14443标准的无接触式和/或接触式芯片卡。其可以构成电子护照或其它无接触式物件，所述其它无接触式物件如电子标签、徽章、交通票等等。

所述设备包括与至少一个射频应答器22或22B频率调谐或旨在与其频率调谐的无源天线24；所述应答器包括被连接至(此处用示意图表示的)天线接口28或36的射频集成电路芯片16。天线接口28的外螺旋圈29限定应答器的电磁耦合表面的外围P；所述模块也包括内螺旋圈30。所述应答器在本示例中可以是双接口模块22(在卡体表面处的接触区段和天线36)或芯片卡的无接触式模块22b(图7A)。

通常，在本描述的范围内，“应答器”指的是借助于电磁场来通信并且包括被连接至电容器和/或集成电路的线圈的任何射频电子电路。

所述应答器被用于不同经济领域，诸如银行(电子钱包)、通信、运输、身份识别(电子护照、ID卡)。尤其是在身份识别领域中，已知通过与RFID类型的无接触式便携电子物件的射频通信来实行人员的身份识别。

所述模块可以包括或不包括承载天线和/或接触区段(plage)的绝缘衬底。所述无源天线可以通过本领域技术人员已知的任何技术而被实现在绝缘衬底上，尤其是通过天线导线的镶嵌、通过蚀刻、通过丝网印刷。在本示例中，天线是被蚀刻的。

无源天线24包括由至少一个或多个螺旋圈所形成的唯一主环路；所述无源天线24包括至少一个在所述环路内部的表面部分(A)，用于实现与至少一个应答器电路的电磁耦合。

优选地，为了更好的耦合结果和满足尤其是ISO/IEC 14443标准的测试的性能，无源天线24的多个螺旋圈基本上邻近于和沿模块的接口28在多于一半的其外围(P)上扩展或旨在基本上邻近于和沿模块的接口28在多于一半的其外围(P)上扩展。也就是说，限定了隐蔽角落(recoin)的无源天线24的螺旋圈路径的一部分在至少与外围P螺旋圈(29)长度的一半对应的距离上非常接近地伴随和/或基本上平行于应答器的天线接口28的螺旋圈路径。

在关于芯片卡模块的本示例中，天线24和28被彼此紧邻地布置，例如被分离小于一毫米。在例如USB闪存驱动器、电话的其它设备中，邻近可以更大，例如为几毫米甚至为一或几厘米的数量级。

在图4B(或4A)中，注意到天线24在ISO7816尺寸的芯片卡体10的半表面上扩展。所述无源天线的隐蔽角落部分呈横放的字母“U”或字母“C”的形状；所述部分在此处形成从无源天线24脱离的、向模块的位置37扩展的部分，用来并入或绕过该位置。

由于以上布置，在只是ISO 7816标准芯片卡表面的一半的情况下，所述卡与读取器的射频通信被改善并且可以符合ISO/IEC 14443标准。

在表面(A)中感应的电磁通量与在所述凹处的表面B中感应的电磁通量具有相同方向。

所述无源天线可以基本上在所述卡的整个长度上、甚至超过模块扩展(在图左侧)。

在与从图4A所提取的隐蔽角落的放大部分对应的图4C中，所述隐蔽角落R呈字母“C”形状。在主天线24和天线接口28之间的重叠分别在其垂直邻边中的三个Cp、Dp、Ep和Cm、Dm、Em上实现。

在该实施例中，所述无源天线的多个螺旋圈在所述模块的天线接口28的外围的四分之三或更多上扩展或旨在在所述模块的天线接口28的外围的四分之三或更多上扩展。

可替换地，所述无源天线可以通过补充部分包围所述应答器或位置37更多一些，然而不完全封闭表面B并将其与表面A隔离。

所述无源天线可以被连接至两个电容器极板C1、C2，所述两个电容器极板例如被实现在所述天线衬底的两侧(可替换地，所述电容可以由集成电路芯片实现)。被固定在所述衬底两侧的接点40通过其钻孔和变形使得能够连接所述两个极板，所述两个极板本身被连接至所述无源天线的端部。

所述无源天线可以在凹处R中包括向凹处R或R2的中垂线或向模块22、22b的位置37、37B内部变宽的内螺旋圈33。优点是在需要时可以以大制造公差加工模块空腔，而没有在隐蔽角落处切割天线24或34的内螺旋圈的风险；因而，可能提供具有相同无源天线剖面(profil)的多个空腔尺寸。螺旋圈的变宽此处仅仅在由应答器天线所覆盖的该凹处中。

根据其它实施变型，本发明规定通过倍增叠合极板来实现串联电容。这些极板或栅格可以利用导线的连续路径而形成。

此外，本发明规定在天线螺旋圈的路径上实现叠合极板或栅格。

因而，要么通过叠合至少三个栅格，要么通过在相同螺旋圈(或如果没有天线则为相同导电轨道)的路径上实现至少两个电容器而得到电容器的串联组装。

例如在实现螺旋圈的过程中，在衬底上导向导线的工具实现“之”字形或任意栅格形式的极板，然后螺旋圈第二匝或后继匝的导线实现第二极板和/或其它后继极板用于使电容器彼此串联。

串联电容器的优点在于增加用于极板的面积。

可替换地，在实现第一极板后，本发明规定紧跟着具有连续导线的第一极板之后、例如让导线在继续天线的路径之前重新经过刚形成的栅格而实现第二极板或第n极板。

根据所期望的电容值，可以通过切割导线来调整形成电容器的叠合栅格。例如，如果端子栅格的一部分通过在栅格的或通往栅格的位置处切断导线而与电路断开，同样多的电容被去活。其它示例，如在图3中，如果栅格的端子部分包含N条线路，与N条其它线路相交，本发明规定可以优选地在位于栅格边缘的或远离栅格的线路处切断导线。本发明提供在被删去的“N”条线路和对应被取消的电容值之间的对应性表格。

以下表格指示利用根据图8的无源天线和基本上符合图7B的模块所得到的结果。用于测试的模块可以符合SPS公司的标准模块。与用于一种无源天线产品的现有技术相反，这些值在只有天线半表面的情况下充分满足ISO 14443标准。

本发明使得能够具有用于三种可能用途的通用天线：两模块型式、具有双接口的单一模块型式以及无接触式模块型式。因而，可以减少库存，并且合理化利用单一类型天线用于多种用途的生产。

所述表格指示为高边带(USB)和低边带(LSB)所得到的值。所述无源天线可以是以传统方式蚀刻的天线；所述无源天线具有以下特征：

－匝数：4

－电感：3.2μH

－阻抗：3.1Ohm

－C：大约53pF

Claims (13)

1.一种无源天线，包括：

螺旋圈的主环路，

用于容纳RF应答器的从内部朝向外部开放的主环路凹处R，

其特征在于，所述天线在所述凹处中包括朝着所述凹处的中垂线或朝着所述RF应答器（22，22b）的位置（37，37B）变宽的内部螺旋圈。

2.根据权利要求1所述的无源天线，其特征在于，所述无源天线被包括在射频设备中并且与至少一个应答器（22、22b）频率调谐或旨在与至少一个应答器（22、22b）频率调谐，

－所述应答器包括被连接至天线接口（28）的集成电路芯片（16），该天线接口（28）限定电磁耦合表面的外围（P），

－所述无源天线包括：

－由螺旋圈所形成的主环路（24），该主环路包括至少一个在所述环路内部的表面部分（B），

－至少一个从主环路的内部向外部开放的主环路凹处（R、R2），所述表面部分（B）位于所述凹处（R、R2）中，用于实现与应答器电路的电磁耦合，

其中所述射频设备包括各自容纳或旨在容纳应答器（22、22b）的两个凹处（R、R2）。

3.根据权利要求2所述的无源天线，其特征在于，所述无源天线的多个螺旋圈基本上邻近于和沿天线接口（28）（Dm、Cm、Em）在多于一半的所述外围（P）上扩展或旨在基本上邻近于和沿天线接口（28）（Dm、Cm、Em）在多于一半的所述外围（P）上扩展。

4.根据权利要求2所述的无源天线，其特征在于，所述无源天线（24）的多个螺旋圈与所述天线接口（28）的螺旋圈并排直立地被定位或旨在与所述天线接口（28）的螺旋圈并排直立地被定位。

5.根据权利要求2所述的无源天线，其特征在于，所述无源天线（24）的多个螺旋圈在天线接口（28）多于四分之三的外围（P）上扩展或旨在在天线接口（28）多于四分之三的外围（P）上扩展。

6.根据权利要求2所述的无源天线，其特征在于，所述凹处（R、R2）具有向无源天线（24）的内表面开放的“U”或“V”或“C”的凹形形状。

7.根据权利要求6所述的无源天线，其特征在于，所述射频设备在接触式模块（36）中包括或旨在包括通向所述设备表面的第一应答器和不通的第二应答器。

8.根据权利要求7所述的无源天线，其特征在于，所述第一应答器（22）符合A类型的ISO/IEC 14443标准并且所述第二应答器（22b）符合B类型的ISO/IEC 14443标准，或者反之亦然。

9.根据权利要求1或2所述的无源天线，其特征在于，所述无源天线的耦合表面（A）优选地在大约为ISO 7816智能卡的表面的一半、即81×25 mm或更小的表面上扩展。

10.根据权利要求9所述的无源天线，其特征在于，无源天线（24）在压纹区（EMB）外扩展。

11.根据权利要求6所述的无源天线，其特征在于，“U”的外部平行分支（Cp、Ep）具有被包括在5 mm和15 mm之间的间隔。

12.根据权利要求1或2所述的无源天线，其特征在于，所述凹处（R、R2）旨在与订户识别模块（SIM）并排直立地被定位，所述订户识别模块（SIM）构成射频或NFC类型应答器。

13.根据权利要求2所述的无源天线，其特征在于，所述射频设备包括与所述凹处中之一并排直立地被定位的单一应答器。