CN105140624B - 一种用于金属后壳的高隔离度nfc和wpc天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，包括有安装在移动终端上的金属后壳，所述金属后壳的上端开设有一通孔，所述金属后壳的边缘开设有一个连接所述通孔的缝隙，所述金属后壳上端内侧围绕所述通孔设置有一第一天线线圈；所述金属后壳的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳内侧的第二天线线圈。本发明分别将NFC天线线圈和WPC天线线圈分别设置在金属后壳的上下两端，当上方或下方的天线工作时，涡流回路的强度分布在金属后壳上不同位置，此时较强的涡流只集中在工作天线的周围，可使上下两个天线的相互耦合或干扰达到最小，从而提高隔离效果，进而达到能最大程度地简化各自天线设计难度的目的。

Description

一种用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于手机等移动终端的金属后壳上的高隔离度NFC和WPC天线。

背景技术

随着现阶段移动设备近场通信功能的发展,近场通信(Near FieldCommunication,NFC,工作频率13.56MHz)与基于电磁感应原理的无线充电技术(比如,无线充电联盟Wireless Power Consortium,WPC,的Qi标准，工作频率100-200KHz)的应用逐渐成为广大客户所青睐的对象。为了实现上述功能，必须得到与其相应的天线支持,因此对于NFC天线以及WPC天线设计的研究越来越得到重视。

现有的天线设计方案是：将NFC天线与WPC天线绕成同心圆放在电池或线路板上面,并在天线线圈和电池之间加上对磁场具有吸收作用的铁氧体和/或非晶材料以得到较好的天线性能。而随着具有金属后壳的移动设备(如手机)的流行，这给NFC天线以及WPC天线(通常应放置于金属壳体内侧)设计带来较大的难度。因为NFC天线与WPC天线若是直接放在金属壳体内侧，金属后壳上不仅会产生与天线电流完全反向的涡流，而且金属后壳会把天线完全屏蔽，因此会使天线信号无法在金属后壳的外侧被检测到。

为解决上述问题，美国专利US20150130979 A1提出了一种带有金属后壳的NFC和WPC的一体化天线设计方案，其通过在金属后壳上开一个直径很大(直径大约35mm左右)的通孔，将NFC和WPC天线线圈都包含在这个通孔内。显然，在金属后壳上开有如此大的通孔将大大减弱该设计方案的实用性。再有，上述的方案实际上是依靠所开的通孔直径大到足以把NFC和WPC天线线圈包含在上述的通孔内而变相去掉了金属后壳对天线的屏蔽作用的，因此从如何消除金属后壳的屏蔽作用角度来讲，在技术上来没有实质性的突破。

为了克服金属后壳对天线的屏蔽效果以及同时保证金属后壳的实用性，中国专利CN201410036163.5和CN200980158920.3，均公开了在金属后壳的边缘上开一个缝隙以及一个直径较小的通孔，并且所开缝隙与所开通孔相连的技术方案。其工作原理是所开的缝隙“切断了”原有在金属后壳上产生的与天线线圈本身电流完全反向的涡流，并使其变成与天线电流同向的涡流,进而消除了金属后壳对天线的屏蔽作用。与US20150130979 A1公开的大直径通孔方案相比，其减少所需要通孔的尺寸，而且还能消除金属后壳对天线的屏蔽作用。另外在金属后壳上产生与天线线圈同向的有效涡流回路可对天线的性能有增强的作用，因此对天线本身而言，这种方式的金属后壳还起到了放大器的作用，这也是可以在较小的通孔的情况下乃能保证天线性能的主要原因之一。

但是上述技术方案中所开缝隙把金属板分成了上下两个部分，完全破坏了金属板的完整性。为此，有人提出了将WPC和NFC以同心圆的方式应用到带有金属后壳的终端产品中，但是这种方式无论是WPC天线还是NFC天线都将和金属后壳产生较强的耦合，此时金属后壳将增强这两个天线之间的相互干扰，进而将增加天线设计的难度。

为此，本发明人提出了一种不仅能适合于金属后壳的NFC和WPC天线，而且两个天线之间具有较高的隔离效果的一体化天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，以克服WPC和NFC一体化天线与金属后壳产生耦合，而导致两个天线之间存在相互干扰的问题。

为实现上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

一种用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，包括有安装在移动终端上的金属后壳，所述金属后壳的上端开设有一通孔，所述金属后壳的边缘开设有一个连接所述通孔的缝隙，所述金属后壳上端内侧围绕所述通孔设置有一第一天线线圈；所述金属后壳的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳内侧的第二天线线圈。

进一步地，所述第一天线线圈为NFC天线线圈，所述第二天线线圈为WPC天线线圈。

进一步地，所述第一天线线圈为WPC天线线圈，所述第二天线线圈为NFC天线线圈。

进一步地，所述第二天线线圈一部分位于所述金属后壳的下端内侧，另一部分位于所述金属后壳的下端外侧。

进一步地，所述金属后壳的下端还设置有第一金属片，所述第二天线线圈一部分位于所述金属后壳的下端内侧，另一部分位于所述第一金属片的内侧。

进一步地，所述第一天线线圈上设置有一凸起，所述缝隙位于该凸起内。

进一步地，所述第一天线线圈与所述缝隙相交。

进一步地，所述金属后壳的上端设置有第二金属片，所述第一天线线圈上的凸起上端位于该第二金属片内侧。

进一步地，所述第一天线线圈上设置有一凸起，所述缝隙位于该凸起内。

进一步地，所述金属后壳的上端还设置有第二金属片，所述凸起的上端位于该第二金属片内侧。

本发明提供的用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，分别将NFC天线线圈和WPC天线线圈分别设置在金属后壳的上下两端，且其中一个天线线圈内设置有一个贯穿金属后壳的通孔，另一个天线线圈一部分设置在金属后壳内侧，而另一部分设置在金属后壳外侧。采用上述方式，当上方或下方的天线工作时，涡流回路的强度分布在金属后壳上不同位置，此时较强的涡流只集中在工作天线的周围，而根据涡流回路在金属后壳上分布特点，可以使得上下两个天线的相互耦合或干扰达到最小，从而提高隔离效果。

本发明在金属后壳上开设一个较小的通孔，其有效保证了金属后壳的完整性，而同时还解决了金属后壳对天线的屏蔽，以及实现了对天线的增强或放大。另外，本发明利用金属后壳具有散热的特点，实现了WPC天线在一定程度上解决了在充电能量传输过程中需要的散热问题。

附图说明

图1为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线结构示意图；

图2为图1中上方天线工作时的天线电流分布及金属后壳上的涡流分布图；

图3为图1中下方天线工作时的天线电流分布及金属后壳上的涡流分布图；

图4为上方是WPC天线时在金属后壳外侧5mm处的磁场分布图；

图5为下方是NFC天线在金属后壳外侧25mm处的磁场分布图；

图6为上方是NFC天线在金属后壳外侧25mm处的磁场分布图；

图7为下方是WPC天线在金属后壳外侧5mm处的磁场分布图；

图8为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线的一种结构；

图9为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线的另一种结构。

图中标识说明：金属后壳100、通孔101、缝隙102、第一天线线圈200、凸起201、第二天线线圈300、内线圈301、外线圈302、第一金属片400、第二金属片500。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的核心思想在于：提供一种用于移动终端金属后壳上的高隔离度NFC和WPC天线，其在金属后壳的上端开设有一个通孔，金属后壳的上端边缘开设一个连接所述通孔的缝隙，在金属后壳的上端内侧部分围绕通孔设置有一个第一天线线圈；所述金属后壳的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳内侧的第二天线线圈。

当第一天线线圈是NFC天线线圈时，第二天线线圈则为WPC天线线圈；反之，当第一天线线圈是WPC天线线圈时，第二天线线圈则为NFC天线线圈。

本发明通过将两个天线线圈分别设置在金属后壳的上下两端，使天线工作时，产生的涡流回路的强度分布在金属后壳上不同位置，使上下两个天线的相互耦合或干扰达到最小，从而提高隔离效果。

实施例一

请参阅图1所示，图1为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线结构示意图。本实施例提供的是一种用于移动终端金属后壳上的高隔离度NFC和WPC天线，其包括有金属后壳100，安装在手机等移动终端上，在金属后壳100的上方开设有一个通孔101，该通孔101可以用来安装摄像头或其它传感器等，通孔101的形状可以是方形，矩形，圆形，或椭圆形等。

金属后壳100的上端从边缘到通孔101开设有一个缝隙102，金属后壳100的上端内侧围绕所述通孔101设置有一个第一天线线圈200；所述金属后壳100的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳100内侧的第二天线线圈300。

其中第一天线线圈200上设置有一个凸起201，该凸起201部分位于金属后壳100的外部，且所述的通孔101位于该凸起201内，该结构中，第一天线线圈200不与所述缝隙102相交。由于本实施例中第一天线线圈200与所开缝隙102不相交，因此本实施例中的天线性能与传统技术相比可提升8-15％。

第二天线线圈300包括内线圈301和外线圈302两部分，其中内线圈301设置于金属后壳100的下端内侧，而外线圈302设置于金属后壳100的下端外侧。由于本实施例把第二天线线圈300的一部分(至少一半)放置在金属后壳100的外部(放置在金属后壳外部的天线线圈为实线的“外线圈”)，一部分放置在金属后壳100的内部(虚线的“内线圈”)。由于在金属后壳100外部天线线圈的存在使得此天线能在金属后壳的外侧被探测到，也即此时金属后壳100对第二天线300没有屏蔽的作用。再有，根据近场耦合原理，靠近金属后壳100内侧的天线线圈(即内线圈)将在金属后壳100上产生与天线本身同向的有效涡流回路。同上，该同向涡流也将对天线的性能有增强的作用，而且增强的效果和参与了与金属后壳耦合的线圈匝数成正比。因此，从获得天线最佳性能的角度而言，天线线圈放置的位置是在保证天线的内线圈都能完全被放置在金属后壳的内侧的情况下，尽可能地把天线的整体向金属后壳的外部移动。但是为了减少天线线圈在金属后壳外部所占的空间，天线的线圈也可以采取双层走线的结构形式。

如图2所示，图2为图1中上方天线工作时的天线电流分布及金属后壳上的涡流分布图；图3为图1中下方天线工作时的天线电流分布及金属后壳上的涡流分布图。

本实施例中第一天线线圈是NFC天线线圈时，第二天线线圈则为WPC天线线圈；第一天线线圈是WPC天线线圈时，第二天线线圈则为NFC天线线圈。其中图1图2中天线线圈的电流方向都是逆时针方向，因此在金属后壳上产生的有效涡流回路方向也都是逆时针的。与天线电流方向同向的涡流回路恰好说明金属后壳对天线的性能有增强的作用，也即对天线而言金属后壳可以被视为天线的增强器或放大器。

另外，从图2或3中可以看出，当上方或下方的天线工作时，涡流回路的强度分布在金属后壳上不同位置有所不同。比如当上方的天线工作时，较强的涡流主要集中在金属后壳的上方；反之当下方的天线工作时，较强的涡流主要集中在金属后壳的下方。也就是说，较强的涡流只集中在工作天线的周围，而由于涡流回路在金属后壳上分布的这个特点，可以使得上下两个天线的相互干扰达到最小，进而简化各自天线的设计难度。相反，如果不采取本案中把两个天线分别放置在金属后壳的上下两个不同的位置，而是采用NFC天线和WPC天线为同心圆方式的话，由于两个天线都在金属后壳上的同一个位置或区域内产生较强的涡流回路，故而在此种情况下两个天线之间的相互耦合或干扰将达到最强。天线之间较强的耦合将导致每个天线性能的下降，同时也增加了天线设计的难度。从上面的描述可以清晰地看出本案把两个天线分别放置在金属后壳上下两端的优越性。需要说明的是，如果在没有金属后壳的情况下，比如传统的WPC天线和NFC天线放置在电池或线路板上时，把WPC和NFC天线做成同心圆是没有问题的，因为此时没有金属后壳所以两个天线之间的耦合本身就是较小的。

如图4～图7所示，图4为上方是WPC天线时在金属后壳外侧5mm处的磁场分布图；图5为下方是NFC天线在金属后壳外侧25mm处的磁场分布图；图6为上方是NFC天线在金属后壳外侧25mm处的磁场分布图；图7为下方是WPC天线在金属后壳外侧5mm处的磁场分布图。本实施例中根据位于金属后壳上端和下端不同的天线情况进行分析。

当WPC天线在金属后壳的上端，而NFC天线在金属后壳的下端时，为本实施例中天线系统的一个工作状态；此时金属后壳上端的WPC天线工作在频率为100KHz时，距离金属后壳外侧Z＝5mm处的WPC天线的磁场分布图如图4所示。

当NFC天线在金属后壳的上端，而WPC天线在金属后壳的下端时，为本实施例中天线系统的另外一个工作状态。此时金属后壳下端的NFC天线工作在频率为13.56MHz时，距离金属后壳外侧Z＝25mm处的NFC天线的磁场分布图如图5所示。

另外，当金属后壳上端的NFC天线工作在频率为13.56MHz时，距离金属后壳外侧Z＝25mm处的NFC天线的磁场分布图如图6所示。而金属后壳下端的WPC天线工作在频率为100KHz时，距离金属后壳外侧Z＝5mm处的WPC天线的磁场分布图如图7所示。

因此，从图4-7可以看出，即使是在金属后壳存在的情况下，磁场主要还是集中分布在所工作天线线圈的周围。这种分布也恰好说明无论在哪种工作状态下，WPC和NFC天线之间的相互干扰或耦合都很小，也就是说可以对每个天线进行独立的设计进而使得每个天线的性能都达到最佳。

实施例二

请参阅图8所示，图8为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线的一种结构。本实施例提供的是一种用于移动终端金属后壳上的高隔离度NFC和WPC天线，其包括有金属后壳100，安装在手机等移动终端上，在金属后壳100的上方开设有一个通孔101，该通孔101可以用来安装摄像头或其它传感器等，通孔101的形状可以是方形，矩形，圆形，或椭圆形等。

金属后壳100的上端从边缘到通孔101开设有一个缝隙102，金属后壳100的上端内侧围绕所述通孔101设置有一个第一天线线圈200；所述金属后壳100的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳100内侧的第二天线线圈300。

其中在金属后壳100的下端设置有第一金属片400，第一金属片400与金属后壳100之间形成间距，第二天线线圈300包括内线圈301和外线圈302两部分，其中内线圈301设置于金属后壳100的下端内侧，而外线圈302设置于第一金属片400的内侧。

在金属后壳100的上端设置有第二金属片500，第二金属片500与金属后壳100之间形成间距，而第一天线线圈200上设置有一凸起201，所述缝隙102位于该凸起201内，凸起201位于第一金属片400的内侧。

本实施例中位于上方的第一天线线圈，其性能由于所附加的第二金属片的存在而有所增强，因为第二金属片上产生的涡流与第一天线线圈的电流方向同向。然而，下方的第二天线性能由于额外的第一金属片将有所减弱，但是此时位于金属后壳下端的第二天线乃能在金属后壳的外侧被检测到，也即下端额外的金属片没有破坏原有金属后壳对天线的非屏蔽性。

本实施例中，金属后壳上下端的金属片为同时存在。而在其他一些实施例中，设置在金属后壳上下端的金属片，也可以择一存在。

实施例三

请参阅图9所示，图9为本发明安装在金属后壳上的NFC和WPC天线的另一种结构。本实施例提供的是一种用于移动终端金属后壳上的高隔离度NFC和WPC天线，其包括有金属后壳100，安装在手机等移动终端上，在金属后壳100的上方开设有一个通孔101，该通孔101可以用来安装摄像头或其它传感器等，通孔101的形状可以是方形，矩形，圆形，或椭圆形等。

金属后壳100的上端从边缘到通孔101开设有一个缝隙102，金属后壳100的上端内侧围绕所述通孔101设置有一个第一天线线圈200；所述金属后壳100的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳100内侧的第二天线线圈300。

本实施例中第一天线线圈200围绕设置在所述通孔101的外围，且第一天线线圈200与缝隙102相交。

第二天线线圈300设置在所述金属后壳100的下端内侧，其包括有内线圈301和外线圈302两部分，其中内线圈301设置于金属后壳100的下端内侧，而外线圈302设置于金属后壳100的下端外侧。

本实施例中位于金属后壳100的上端内侧的第一天线线圈200是非凸字形的，所以天线线圈将和所开缝隙有交集。

对于本实施例所述的情况，也可以在金属后壳100的上端和下端各增加一个金属片或者在金属后壳100的上端或者下端增加一个金属片。这种额外附加的金属片，由于线圈完全没有渗透到附加金属片的区域内。因此对于非凸字形天线性能而言额外附加的金属片对天线性能的影响可以忽略不计。

综上所述，当本发明金属后壳上方或下方的天线工作时，涡流回路的强度分布在金属后壳上不同位置，此时较强的涡流只集中在工作天线的周围，而根据涡流回路在金属后壳上分布特点，可以使得上下两个天线的相互耦合或干扰达到最小，从而提高隔离效果。本发明在金属后壳上开设一个较小的通孔，其有效保证了金属后壳的完整性，而同时还解决了金属后壳对天线的屏蔽问题，以及实现了对天线的增强或放大。而且本发明利用金属后壳具有散热的特点，实现了WPC天线在一定程度上解决了在充电能量传输过程中需要的散热问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，包括有安装在移动终端上的金属后壳，其特征在于，所述金属后壳的上端开设有一用于安装摄像头或其它传感器的通孔，所述金属后壳的边缘开设有一个连接所述通孔的缝隙，所述金属后壳上端内侧围绕所述通孔设置有一将所述通孔包围的第一天线线圈；所述金属后壳的下端内侧设置有一个部分位于金属后壳内侧的第二天线线圈；

其中第一天线线圈上设置有一个凸起，该凸起部分位于金属后壳的外部，且第一天线线圈与所述缝隙不相交；第二天线线圈包括内线圈和外线圈两部分，所述内线圈设置于金属后壳的下端内侧，外线圈设置于金属后壳的下端外侧。

2.如权利要求1所述的用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，其特征在于，所述第一天线线圈为NFC天线线圈，所述第二天线线圈为WPC天线线圈。

3.如权利要求1所述的用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，其特征在于，所述第一天线线圈为WPC天线线圈，所述第二天线线圈为NFC天线线圈。

4.如权利要求2或3所述的用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，其特征在于，所述金属后壳的下端还设置有第一金属片，所述第二天线线圈一部分位于所述金属后壳的下端内侧，另一部分位于所述第一金属片的内侧。

5.如权利要求4所述的用于金属后壳的高隔离度NFC和WPC天线，其特征在于，所述金属后壳的上端设置有第二金属片，所述第一天线线圈上的凸起上端位于该第二金属片内侧。