CN105024169B - 一种小尺寸高性能的nfc天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小尺寸高性能的NFC天线结构，包括金属板、铁氧体和天线线圈，所述金属板位于所述铁氧体的一侧；所述天线线圈呈8字形，且包括第一线圈和第二线圈两部分，所述铁氧体套设于所述第一线圈和第二线圈中，且所述第一线圈和第二线圈的连结部分位于所述铁氧体的另一侧。与村田的Z字形NFC天线相比,本发明8字形的NFC天线的两个线圈都能产生与两个线圈相应的有效涡流，因此在保持NFC天线及铁氧体外围尺寸以及天线线圈绕线总长度不变的情况下，提高了天线性能，增强了NFC天线在使用中的灵活性。

Description

一种小尺寸高性能的NFC天线结构

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种小尺寸高性能的NFC天线结构。

背景技术

近场通讯(NFC，Near Field Communication)是一种利用磁场感应收发电磁波实现电子设备之间进行近距离通信的无线通讯技术，该技术也可被称为是一种非接触式的识别和互联技术。这种技术可以为消费者提供简单直观的信息交换、内容访问与服务。由于NFC技术的这种特殊性，近期NFC得到了越来越广泛的重视，并且该技术已经被应用于移动设备、PC、以及智能控件等设备中。在传统的NFC手持设备的应用中，一般选择将NFC天线辐射体放在电池上面,同时为了减少电池(也即金属)上产生的与天线本身电流方向相反的涡流对NFC天线的负面影响，需要在NFC天线线圈和电池中间放置一层能把天线线圈与电池隔离开的铁氧体。该方案中使用的铁氧体虽然能减少电池或金属板上涡流的强度，但是并不能改变该涡流的流向，或者说不能把该涡流变成对天线本身有增强作用的有效涡流。因此，为了保证NFC天线的性能，使用该设计方案的NFC天线必须满足一定的尺寸要求。由于该传统NFC天线方案的天线尺寸较大，故而不能满足手持设备小型化的需求。

为了达到减少NFC天线尺寸的目的，近期日本株式会社村田制作所(以下简称村田)提出了一种Z字形NFC天线解决方案。如图1所示，所述Z字形NFC天线结构包括金属板1、铁氧体2和天线线圈3，其中铁氧体2套设于天线线圈3中，使得天线线圈3的一部分在铁氧体2的一侧，另一部分则在铁氧体2的另一侧，当从侧面观看时，所述天线线圈3呈Z字形。该方案与传统NFC天线方案的最大不同之处是铁氧体2没有完全被放置在天线线圈3与金属板(例如PCB板)1之间，而是穿插式地放置在天线线圈3的左右两个部分与金属板1之间。虽然村田采用了一种对该天线工作原理解释的方式(磁场通过铁氧体穿过天线线圈)，但是实际上这个天线的工作原理是基于近场耦合的原则；有关近场耦合原理的细节，将在本发明专利中的“具体实施方式”段落中进行详细的解释。村田的这个Z字形方案的最大好处是能在金属板1上能激发出对天线本身来讲有效的涡流。虽然与传统的NFC天线方案相比，该Z字形NFC天线方案在天线尺寸方面有了很大的改进，但是其天线性能还不能完全地与传统的大尺寸NFC天线相媲美。因此，需要开发出一种不仅具有小尺寸而且同时具有高性能的NFC天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种小尺寸高性能的NFC天线结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种小尺寸高性能的NFC天线结构，包括金属板、铁氧体和天线线圈，所述金属板位于所述铁氧体的一侧，所述天线线圈呈8字形，且包括第一线圈和第二线圈两部分，所述铁氧体套设于所述第一线圈和第二线圈中，且所述第一线圈和第二线圈的连结部分位于所述铁氧体的另一侧。

本发明的有益效果在于：8字形的天线线圈的两个圈都能产生有效涡流，在保持NFC天线及铁氧体尺寸、以及天线线圈绕线总长度(换言之，如果Z字形的线圈数是2圈，那么8字形线圈数将是1圈)不变的情况下，提高了天线性能，增强了NFC天线在使用中的灵活性。

附图说明

图1为现有技术中村田制作所提出NFC天线结构示意图；

图2为本发明实施例一的NFC天线结构示意图；

图3为本发明实施例一中第一分支产生的涡流示意图；

图4为本发明实施例一中第二分支产生的涡流示意图；

图5为本发明实施例一NFC天线结构的磁场分量在金属板上方25mm处的磁场强度分布图；

图6为图1所示NFC天线结构的磁场分量在金属板上方25mm处的磁场强度分布图；

图7为本发明实施例二的NFC天线结构示意图。

标号说明：

1、金属板；2、铁氧体；3、天线线圈；4、第一分支；5、第二分支；6、第三分支。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:

请参照图2，一种小尺寸高性能的NFC天线结构，包括金属板、铁氧体和天线线圈，所述金属板位于所述铁氧体的一侧，所述天线线圈呈8字形，且包括第一线圈和第二线圈两部分，所述铁氧体套设于所述第一线圈和第二线圈中，且所述第一线圈和第二线圈的连结部分位于所述铁氧体的另一侧。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：8字形的天线线圈的两个圈都能产生有效涡流，在保持NFC天线及铁氧体尺寸以及天线线圈绕线总长度不变的情况下，提高了天线性能，增强了NFC天线在使用中的灵活性。

进一步的，所述第一线圈和第二线圈中的电流流向相反。

进一步的，所述第一线圈靠近金属板的中心，第二线圈则靠近金属板的边缘。

由上述描述可知，在整个金属板上方会有一个区域的信号最强，尤其适用于近场通讯设备。

进一步的，所述金属板为PCB板、位于PCB板上的屏蔽罩或电池。

进一步的，所述天线线圈位于所述金属板的中心。

由上述描述可知，在整个金属板上方探测到的天线信号将是均匀的，使用时无需调整角度等，非常便捷。

实施例一

如图2所示，本发明的实施例一为一种小尺寸高性能的NFC天线结构，图2中上面为正视图，下面为侧视图。所述天线结构适用于手机、iPAD、掌上电脑等移动设备，包括一金属板1、铁氧体2和天线线圈3，所述铁氧体2和天线线圈3在金属板1的一侧，通常是在移动设备的背面一侧，所述金属板1可以是PCB板、位于PCB板上的屏蔽罩或电池等。所述天线线圈3呈8字形，与铁氧体2有机嵌合，铁氧体2穿插在8字形天线线圈3的第一线圈、第二线圈以及金属板1之间。8字形天线线圈3被铁氧体分成如下两个主要部分：与金属板1紧密接触的第一分支4和第二分支5，即8字形的两个圈部分，位于铁氧体2和金属板1之间；以及被铁氧体2隔离的第三分支6，即8字形的两个圈连结部分，位于铁氧体2的上方，即与金属板相反的一侧。如图2所示，第一分支4和第三分支6构成靠近金属板1中心的第一线圈，该线圈的电流方向为顺时针方向；第二分支5和第三分支6构成靠近金属板1左侧边缘的第二线圈，该线圈的电流方向为逆时针方向，可选的，第二线圈也可位于金属板的右侧边缘。

本发明的NFC天线工作原理如下：根据近场耦合的原理，与金属板1紧密接触的NFC分支将在金属板1上产生有助于增强NFC天线本身性能的有效涡流，这个有效涡流的贡献使得整体NFC天线的性能有显著的增强，故而能设计出一种具有高性能但小尺寸的NFC天线。进一步的，本案NFC天线的工作原理还可以用图3和图4来进行更形象的阐述，其中图3为与金属板1紧密接触的分支为第一分支4的情况，图4为与金属板1紧密接触的分支为第二分支5的情况。根据近场耦合的原理，在金属板1上与第一分支4相邻的左右两个区域将产生与第一分支4本身的电流相悖的涡流，同时这两个涡流将在金属板1上构成两个电流流向相反的涡流回路。再有，从图2和图3中可以看出，第一分支4在金属板1右侧产生涡流的磁通方向与包含第一分支4的第一线圈的固有磁通方向相同，因此右侧的涡流将对第一线圈有增强的作用；金属板1左侧产生涡流的磁通方向与包含第二分支5的第二线圈的固有磁通方向相同，因此左侧的涡流将对第二线圈有增强的作用。同理，由图2和图4可以看出，第二分支5在金属板1右侧产生涡流的方向也与第一分支4在金属板1右侧产生的涡流的方向相同，因此该部分涡流也将对第一线圈有增强的作用；第二分支5在金属板1左侧产生的涡流的方向与第一分支4在金属板1左侧产生的涡流的方向相同，因此该部分涡流也将对第二线圈有增强的作用。综上所述，可以看出：第一分支4和第二分支5在金属板1上产生的涡流的叠加效果进一步增强了本发明提出的NFC天线的性能。

当涡流的磁通方向与NFC天线的线圈固有磁通方向相同时，涡流对天线性能贡献的大小还取决于产生涡流在金属板1上所占的面积，并且金属板上产生涡流所占的面积越大对天线性能的贡献越大。也就是说，分支4(5)在金属板1的左(右)侧产生的涡流强度比分支5(4)在金属板1的左(右)侧产生的涡流强度更强。因此，当NFC天线线圈被放置在金属板1的左端时，因为金属板1右侧涡流所占的面积大于其左侧的面积，故而在此种情况下NFC第一线圈的性能将比第二线圈的性能好很多。

事实上，上述也是可以用来解释为什么本发明中8字形天线比村田Z字形性能更好的原因：当天线线圈绕线总长度(以及天线线圈外围尺寸和铁氧体大小)不变的情况下，如果村田的天线是线圈匝数是两圈时，那么本案的8字形天线的线圈匝数将为一圈；因为本案的包含于第二线圈中的第二分支5在金属板1的右侧产生的涡流强度比包含于第一线圈中的第一分支4更强，因此这两个涡流在金属板1右侧的叠加的效果将比当两个分支在紧密相邻的位置时(比如村田的两圈)产生涡流叠加的效果更强，故而本发明的8字形天线比村田Z字形天线性能更好。

图5所示为本发明NFC天线结构的磁场分量在金属板1上方距离金属板25mm处的强度分布图，以金属板1的尺寸为100mm(length，长)x 70mm(width，宽)为例，金属板1的中心被设置在长与宽方向的中心点，也即从长度方向而言对于100mm长的金属板将在+50mm(左侧边缘)到-50mm(右侧边缘)之间。图5给出的是磁场分量沿着金属板长度方向的变化，可以看出本发明NFC天线结构具有两个峰值或模式，一个是可以在金属板的正上方(因为该模式的峰值在金属板内)被探测到的由第一线圈以及与其相应的金属板上的有效涡流产生的模式；一个是可以在金属板的左前方(因为该模式的峰值在金属板的外部，即左上部)被探测到的由第二线圈以及与其相应的金属板上的有效涡流产生的模式。另外，从这两个模式的峰值大小可以看出，能在金属板正上方被接收到(即由第一线圈产生)的模式的性能将比能在金属板左上方被接收到(即由第二线圈产生)的模式的性能好，性能好的意思是具有更大或更远的NFC读写距离。需要强调的是，传统的NFC天线(比如在背景技术中阐述的NFC天线放置在电池上的形式)一般只有一个峰值或模式，而且该模式(或NFC天线)只能在金属板的正上方被探测到。而本发明中提出的NFC天线有两个峰值或模式同时存在，这样的好处是当天线线圈被放置在金属板的左侧或右侧时，NFC天线不仅能在PCB板的正上方被探测到，而且还可以在金属板的左上方或右上方被探测到，故而增强了NFC天线在使用方面的灵活性。

图6所示为图1所示村田的Z型天线的磁场分量在金属板上方距离金属板25mm处的强度分布图，其中天线线圈大小以及铁氧体大小以及线圈绕线总长度均与本发明一致，可以看出村田的Z型天线也有与本发明NFC天线类似的两个模式，其中一个模式是由天线线圈本身以及与其相应的在金属板右侧的涡流产生的；另一个是主要由在金属板左侧的涡流产生的。比较图5和图6不同模式峰值绝对值的大小以及不同模式分布的宽度可以看出，本发明的NFC天线结构的性能明显比村田制作所Z型NFC天线结构更佳，而且是两个模式均更佳，分析原因如下：对于金属板右侧的模式而言，除了线圈本身的贡献,村田Z型天线在金属板右侧的涡流强度小于本发明的天线在金属板右侧的涡流强度；对于金属板左侧的模式而言，与村田Z型天线相比，本发明的天线在金属板左侧上的涡流不仅来源于天线的两个分支，而且该模式还有来自于天线第二线圈的贡献。对本发明的NFC天线与村田Z型NFC天线进行了实验比较，结果表明，本发明的天线的读写距离比村田Z型天线有显著的提高，金属板右侧模式提高大约20％；金属板左侧模式提高大约40％。

实施例二

如图7所示，本发明实施例二与实施例一的区别在于NFC天线线圈3被设置在金属板1的中央。和村田的Z型NFC天线一样，无论本发明的NFC天线线圈被放置在何处都会有左右两个模式的存在。由于本案的8字形NFC天线具有左右对称性，因此天线线圈被放置在金属板左侧或右侧将有同样的天线性能。但是当天线线圈被放置在金属板的中央时，则与被放置在左或右侧时有所不同，在此种情况下在金属板上产生对第一线圈和第二线圈而言的有效涡流所占的金属板面积是相同的，在整个金属板上方探测到的天线信号将是均匀的，使用时无需调整角度，非常便捷。

综上所述，本发明与传统的NFC天线相比，由于NFC天线本身有增强作用的涡流(也即与NFC天线本身磁通方向相同的涡流)被有效地在金属板上被激发出来，因此可以在小尺寸的基础上保持高性能；与村田Z型NFC天线相比，由于本发明8字形的天线线圈的两个圈都能产生有效涡流，在保持NFC天线及铁氧体尺寸以及天线线圈绕线总长度不变的情况下，本发明的NFC天线方案也具有20％-40％左右的提升，增强了NFC天线在使用中的灵活性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种小尺寸高性能的NFC天线结构，包括金属板、铁氧体和天线线圈，所述金属板位于所述铁氧体的一侧，其特征在于：所述天线线圈呈8字形，且包括第一线圈和第二线圈两部分，所述铁氧体套设于所述第一线圈和第二线圈中，且所述第一线圈和第二线圈的连结部分位于所述铁氧体的另一侧；

8字形的天线线圈包括依次连接的第一分支、第三分支和第二分支，所述第三分支为所述第一线圈和第二线圈的连结部分，所述第一分支和第二分支分别位于铁氧体和金属板之间；

所述8字形的天线线圈在所述金属板上的投影呈8字形。

2.根据权利要求1所述的小尺寸高性能的NFC天线结构，其特征在于：所述第一线圈和第二线圈中的电流流向相反。

3.根据权利要求1或2所述的小尺寸高性能的NFC天线结构，其特征在于：所述第一线圈靠近金属板的中心，第二线圈则靠近金属板的边缘。

4.根据权利要求1或2所述的小尺寸高性能的NFC天线结构，其特征在于：所述金属板为PCB板、位于PCB板上的屏蔽罩或电池。

5.根据权利要求1或2所述的小尺寸高性能的NFC天线结构，其特征在于：所述天线线圈位于所述金属板的中心。