CN105098324A - 一种近场通讯天线装置 - Google Patents

Abstract

一种近场通讯天线装置，属于无线通信领域。该天线装置是在电子设备中构成的天线装置，包括外壳导体层、第一绝缘层、第一线圈导体、柔性基板、第二线圈导体、第二绝缘层和磁性材料层；第一线圈导体和第二线圈导体分别位于柔性基板两侧，通过过孔连接；俯视第一线圈导体时，第一线圈导体分为：第一区域，第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全重叠或部分重叠；第二区域，第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全不重叠或部分不重叠；柔性基板两侧的线圈导体表面均进行绝缘处理；外壳导体层完全覆盖第二区域且完全不覆盖第一区域。该天线装置在不破坏电子设备外壳金属结构条件下实现远距离通讯；且在保证天线通讯距离的基础上，减小了天线装置的尺寸。

Description

一种近场通讯天线装置

技术领域

本发明涉及一种在通过电磁场信号和对方设备进行通信的RFID系统、NFC系统、短距离无线通信系统中使用的天线装置。

背景技术

近年来，随着RFID系统和NFC系统的不断推广使用，为了移动电子设备间或者移动电子设备与基础读卡设备间进行通讯，在各设备中，尤其是手持移动电子设备装载有NFC系统用的通讯天线。现有的RFID或NFC天线由于线宽的原因，多设计为3至4匝，装配于移动设备外壳内部。随着装配有金属外壳移动电子设备的出现，大幅提高了移动电子设备的使用寿命及设备外壳的耐磨性，为用户提供了更好的体验。但是，金属外壳作为一种良导体，对电磁波有屏蔽作用，会导致近场天线读写距离大幅下降。

授权公告号为CN102405556B的专利中提供了一种天线装置被较大面积导体层覆盖的情况下，解决导体层对通讯电磁波阻挡的一种方法。该天线结构采用在覆盖于天线表面的导体层开孔的方式，为通讯电磁场提供了磁路窗口，并且在导体层窗口与通讯天线覆盖区域加入开隙，减小导体层中涡流对通讯电磁场的影响，以达到提高通讯距离的效果。但该方案存在以下问题：其一，该结构需要在覆盖天线的导体层上开孔，并且需要在孔洞一侧进行开隙，这样在结构上破坏了导体层的完整性，若移动设备其外壳结构设计不允许开孔开隙以破坏其外观完整性或结构支撑特性，则该结构会受到很大的应用限制；其二，该结构中，天线所产生的电磁场需绕过导体层，电磁场在绕过导体层的过程中，导体层将对电磁场造成较大衰减，衰减程度与其绕过的导体层长度相关，因此该结构在天线装配于较宽导体层，即在金属外壳较大的移动设备终端中，其通讯效果将受到影响。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提供了一种近场通讯天线装置。该天线装置可在不破坏移动电子设备外壳的金属结构的条件下，实现远距离通讯；且在保证天线通讯距离的基础上，减小了天线装置的尺寸，以满足小型电子终端的需求。

本发明的技术方案如下：

本发明的天线装置是在电子设备中构成的天线装置，包括：外壳导体层、第一绝缘层、第一线圈导体、柔性基板、第二线圈导体、第二绝缘层和磁性材料层；

第一线圈导体和第二线圈导体分别位于柔性基板两侧，通过过孔连接；俯视所述第一线圈导体时，所述第一线圈导体根据与第二线圈导体的重叠方式分为两个区域：第一区域，所述第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全重叠或部分重叠；第二区域，所述第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全不重叠或部分不重叠；

第一绝缘层，形成于第一线圈导体与外壳导体层之间，避免第一线圈导体与外壳导体层导通；

第二绝缘层，形成于第二线圈导体与磁性材料层之间，避免第二线圈导体与磁性材料层导通；

柔性基板，支撑线圈导体的基板材料，第一线圈导体和第二线圈导体分别形成于柔性基板两侧；

磁性材料层，配置于第二绝缘层远离外壳导体层的一侧；

外壳导体层，该导体层为组成移动电子设备外壳和结构支撑部件的金属部分，或该导体层形成于组装对象的电子设备的壳体内表面或外表面；所述外壳导体层配置于比所述第一线圈导体要靠近通讯对方侧的天线的一侧；

当俯视所述天线装置时，外壳导体层完全覆盖第二区域且完全不覆盖第一区域。

进一步地，所述磁性材料层完全覆盖第一线圈导体和第二线圈导体所组成的区域。

进一步地，所述磁性材料层全部或部分覆盖第一区域，部分覆盖或完全不覆盖第二区域。

进一步地，所述第一线圈导体和第二线圈导体均为将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状线圈，分别位于柔性基板两侧，第一线圈导体和第二线圈导体通过过孔连接。

进一步地，所述第一线圈导体和第二线圈导体通过多个过孔形成一个完整的螺旋状线圈。

进一步地，所述外壳导体层上可设置孔洞，所述孔洞设置于第一线圈导体和第二线圈导体包围的区域内，且其边缘完整不被打断开隙。

进一步地，所述第一线圈导体和第二线圈导体与外部电路接触点由其末端自然形成或跳线形式向外引出形成。

进一步地，在外壳导体层确定的情况下，天线装置谐振频率高于使用频段的中心频率。

本发明在线圈导体重叠区域(第一区域)中采用上下两层线圈重叠布线的方式，可实现增强天线辐射效果的目的；并且同时可使天线在较小的区域内实现多匝绕制，进一步提高天线的辐射能力，提升天线的通讯效果。

本发明在线圈导体重叠区域(第一区域)采用了上下两层线圈导体(第一线圈导体和第二线圈导体)重叠布线的设计，在有限空间内可实现天线5至8匝绕线设计，且采用上下两层线圈导体重叠布线的设计，可在大幅降低天线使用面积的情况下提高天线发射与接收电磁场的强度，提高天线的通讯距离；同时，在外壳导体层完全覆盖的导体非重叠区域(第二区域)采用上下两层线圈完全不重叠或大部分不重叠的布线设计，使该区域产生的寄生电容大幅降低，提高了天线的稳定性，降低了外壳导体层覆盖区域内的磁场密度，同时降低了因外壳导体层覆盖所产生的涡流损耗。

本发明的有益效果为：

1、本发明在外壳导体层不覆盖的第一区域采用上下两层线圈导体重叠布线的设计，可实现在较小天线体积的基础上提高天线发射与接收电磁场的强度的目的，以便保证近场通讯距离不会被缩短；同时，在外壳导体层完全覆盖的第二区域采用上下两层线圈完全不重叠或大部分不重叠的布线设计，使该区域产生的寄生电容大幅降低，提高了天线的稳定性，降低了外壳导体层覆盖区域内的磁场密度，同时降低了因外壳导体层覆盖所产生的涡流损耗。

2、本发明所述天线装置不会破坏移动设备外壳金属部分结构的完整性，这样可大幅提升结构工程师的设计空间，方便移动设备的外观设计；本发明天线装置只占用较小的空间，因为在外壳导体层覆盖的区域线圈导体不向外辐射电磁波，所以并不需要很大的空间，可设计出较小面积的天线结构；本发明天线装置实现了金属外壳设备的近场通讯，且其通讯距离基本可达到非金属外壳设备近场通讯距离；本发明采用新的天线结构，充分利用天线结构的空间特性，得到了高性能的近场通讯天线。

附图说明

图1为本发明提供的一种电子设备的后视图。

图2为本发明提供的一种天线装置俯视结构示意图，其中外壳导体层、第一和第二线圈导体及磁性材料进行透视处理，即通过外壳导体层可看到第一和第二线圈导体及磁性材料。

图3为图2的天线装置沿X-X’面的剖面示意图。

图4为本发明实施例1天线装置中第一线圈导体(B)、第二线圈导体(C)和第一线圈导体与第二线圈导体重叠方式(A)的示意图。

图5为实施例2中第一线圈导体(B)、第二线圈导体(C)和第一线圈导体与第二线圈导体重叠方式(A)的示意图。

其中，L3为电子设备的外壳导体层上边缘与中间层上边缘的距离，SA为电子设备中间层结构上边缘，1为第二绝缘层，2为磁性材料，3为线圈导体非外壳导体层覆盖部分即第一区域，4为线圈导体被外壳导体层覆盖部分即第二区域，5为中间层，电子设备的中间层结构，主要为导体模块组成，6为外壳导体层，即电子设备外壳中导体部分，7为电子设备摄像头部分，8为柔性基板，9为第一线圈导体，10为第二线圈导体，11为第一线圈导体与第二线圈导体连接的过孔，12为第一绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

图1是包括实施例1所涉及的天线装置的移动电子设备的后视图，例如手机。电子设备的背面是朝向通信对方侧即读写器侧天线的一面。如图1所示，图1中移动电子设备后壳的导体部分形成外壳导体层6，外壳导体层6可由铝加工成型或金属电镀形成，以保护电子设备。外壳导体层6占据了整个电子设备外壳的大部分面积；并且因为支撑结构或美观等原因，不易在其中进行开孔设计。

如图1所示，电子设备的中间层5，该层包括了电子设备的中部支撑结构，及其结构中的装配模块，其中装配模块包括电子线路板、电池、各通信及信号处理模块等模块，该部分不乏各金属导体类元件。中间层5由大面积的导体元件拼接而成，并由各种支撑结构连接而成。在中间层5顶部边缘SA位置，往往装配有电子设备的主通讯天线，由于主通讯天线需装配至SA位置，所以外壳导体层6不能够完全覆盖中间层5，其间距在图1中由L3表示，L3长度不大于20mm。在中间层5的顶角边缘设置有安装摄像头的位置，如图1中孔7。这样，无需在外壳导体层6中开孔以放置相机镜头，保证了外壳金属部分的结构完整性。

图2为本发明提供的一种天线装置的俯视结构示意图，图3为图2的天线装置沿X-X’面的剖面示意图。由图2和图3可知，本发明所述天线装置由外至内依次为外壳导体层6，第一绝缘层12，第一线圈导体9，柔性基板8，第二线圈导体10，第二绝缘层1，磁性材料2，中间层5。

图4为本发明实施例1天线装置中第一线圈导体(B)、第二线圈导体(C)和第一线圈导体与第二线圈导体重叠方式(A)俯视图；图4(A)、(B)、(C)中柔性基板8均进行透视处理，即通过柔性基板可看到其下方的第二线圈导体。所述第一线圈导体和第二线圈导体均为由多匝螺旋环绕的导线组成的多边形结构，第一线圈导体9和第二线圈导体10通过1个过孔11连接而成。如图4(A)所示，区域3(第一区域)中第一线圈导体9和第二线圈导体10在顶部区域的一条边中2圈导线，区域3包括重叠线圈和重叠线圈与非重叠线圈之间的过渡区域；区域4(第二区域)中第一线圈导体9和第二线圈导体10在其余三条边中的导线完全不重叠。图4(B)和图4(C)分别为第一线圈导体9和第二线圈导体10的俯视图。

图3为整体天线装置结构的剖面图，图3与图2结合来看。图3中第一线圈导体9和第二线圈导体10组成的区域由于外壳导体层6的部分遮挡，将其分为了两个部分：其中，区域4为完全被外壳导体层6覆盖的区域，区域3为非外壳导体层6覆盖区域。由于区域4被外壳导体层6所覆盖，该区域无法向外部发出或接收电磁波，区域4内部的电磁波完全束缚在外壳导体层6与中间层5内部的金属环境中，所以该区域即为线圈导体非重叠区域(第二区域)，这样可减小天线装置的寄生电容，并且降低天线装置的高频损耗。区域3中的天线装置线圈导体为实际向外发出或接收电磁波的部分，该区域即为线圈导体部分重叠区域(第一区域)，这样可大幅提高天线的辐射能量和天线的耦合系数，同时可减少天线的使用面积。

进一步地，在图3中，磁性材料2为磁性薄片，该磁性薄片为铁氧体陶瓷薄片或树脂型合金粉体填充薄片。磁性材料薄片2完全覆盖第一线圈导体9和第二线圈导体10组成的区域，其磁导率实部≥130，磁导率虚部≤5。

本发明所述天线装置中，磁性材料2粘合于中间层5上，两侧带线圈导体的柔性基板粘合于外壳导体层内表面，所述柔性基板两侧的线圈导体表面均进行了绝缘处理，将外壳导体层装配于电子设备表面时，磁性材料2与柔性基板另一侧绝缘处理后的第二线圈导体贴合在一起，即得到本发明电子设备中的天线装置。

本发明所述天线装置中，在中间层5上依次粘合磁性材料2、两侧带线圈导体的柔性基板和外壳导体层，所述柔性基板两侧的线圈导体表面均进行了绝缘处理，即得到本发明电子设备中的天线装置。

本发明所述天线装置中，在外壳导体层6上依次粘合两侧带线圈导体的柔性基板和磁性材料2，并与中间层5相对，所述柔性基板两侧的线圈导体表面均进行了绝缘处理，即得到本发明电子设备中的天线装置。

实施例1

制作40mm×40mm面积，0.8mm等线宽单层导体5匝天线，底部装配磁性材料，并且线圈导体表面无导体层覆盖，记做普通天线装置；制作天线装置面积为40mm×40mm，0.8mm等线宽5匝天线，区域3采用上下层重叠布线设计，其中两条平行导线在下方三条平行导线在上方，其线圈导体结构如图4所示，天线线圈底部装配磁性材料，天线装置区域4的线圈导体表面覆盖导体层，区域3的线圈导体表面无导体层，区域3部分宽度为4mm，记做本发明天线装置；制作天线装置面积为40mm×40mm，普通0.8mm等线宽单层天线5匝设计，底部装配磁性材料，并在与本发明天线装置同样的位置处覆盖导体层，同样露出宽度4mm，记做导体层覆盖普通天线装置。三种不同天线装置的通讯效果如下所示：

由测试对比结果可知，本发明的天线装置可达到无导体层覆盖普通天线读写能力的80％，具有良好的通讯效果。但如果采用普通天线设计，也装配于大面积导体层外壳的设备中的天线装置，其读写距离将大幅下降，因此本发明的天线装置能起到较强的提升读写距离的效果。

实施例2

本实施例与实施例1区别在于第一线圈导体和第二线圈导体的重叠方式。

图5为实施例2中第一线圈导体(B)、第二线圈导体(C)和第一线圈导体与第二线圈导体重叠方式(A)俯视图，其中图5(A)、(B)、(C)中柔性基板8均进行透视处理，即通过柔性基板可看到其下方的第二线圈导体。第一线圈导体9和第二线圈导体10通过4个过孔11连接形成一个完整的5匝的螺旋状线圈。如图5(A)所示，区域3(第一区域)中第一线圈导体9和第二线圈导体10在顶部区域的一条边中两条导线完全重叠，区域4(第二区域)中第一线圈导体9和第二线圈导体10在其余三条边中的导线完全不重叠。图5(B)和图5(C)分别为第一线圈导体9和第二线圈导体10的俯视图。

本实施例中第一区域采用线圈导线上下层叠的方式，大幅提高天线实际辐射部分的天线互感，使天线辐射部分的电感值大幅提升，从而提高天线的电磁场辐射能力，提高通讯距离。本实施例的天线装置结构与实施例1的天线装置结构相比，增加了3个过孔11，会使天线的过孔的电阻略微增加，但该结构可减少第一区域与第二区域的过渡区域，这样可以使天线装置的寄生电容降低，并降低天线装置的损耗，提高天线性能。

Claims (8)

1.一种近场通讯天线装置，该天线装置是在电子设备中构成的天线装置，其特征在于，包括外壳导体层、第一绝缘层、第一线圈导体、柔性基板、第二线圈导体、第二绝缘层和磁性材料层；

第一线圈导体和第二线圈导体分别位于柔性基板两侧，通过过孔连接；俯视所述第一线圈导体时，所述第一线圈导体根据与第二线圈导体的重叠方式分为两个区域：第一区域，所述第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全重叠或部分重叠；第二区域，所述第一线圈导体与第二线圈导体的导线完全不重叠或部分不重叠；

第一绝缘层，形成于第一线圈导体与外壳导体层之间，避免第一线圈导体与外壳导体层导通；

第二绝缘层，形成于第二线圈导体与磁性材料层之间，避免第二线圈导体与磁性材料层导通；

柔性基板，支撑线圈导体的基板材料，第一线圈导体和第二线圈导体分别形成于柔性基板两侧；

磁性材料层，配置于第二绝缘层远离外壳导体层的一侧；

外壳导体层，该导体层为组成移动电子设备外壳和结构支撑部件的金属部分，或该导体层形成于组装对象的电子设备的壳体内表面或外表面；所述外壳导体层配置于比所述第一线圈导体要靠近通讯对方侧的天线的一侧；

当俯视所述天线装置时，外壳导体层完全覆盖第二区域且完全不覆盖第一区域。

2.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述磁性材料层完全覆盖第一线圈导体和第二线圈导体所组成的区域。

3.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述磁性材料层全部或部分覆盖第一区域，部分覆盖或完全不覆盖第二区域。

4.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述第一线圈导体和第二线圈导体均为将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状线圈，分别位于柔性基板两侧，第一线圈导体和第二线圈导体通过过孔连接。

5.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述第一线圈导体和第二线圈导体通过多个过孔形成一个完整的螺旋状线圈。

6.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述外壳导体层上设置孔洞，所述孔洞设置于第一线圈导体和第二线圈导体包围的区域内，且其边缘完整。

7.根据权利要求1所述的近场通讯天线装置，其特征在于，所述第一线圈导体和第二线圈导体与外部电路接触点由其末端自然形成或跳线形式向外引出形成。

8.一种电子设备，该电子设备在壳体的内表面或外表面设置有近场通讯天线装置，该近场通讯天线装置为权利要求1至7中任一权利要求所述的近场通讯天线装置。