CN105576343A - 一种近场通讯天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种近场通讯天线装置，属于无线通信领域。该天线装置包括线圈导体、磁性材料层和中间导体层，线圈导体所属线圈的卷绕中心部为多边形结构，该多边形结构包含至少一组相对边。所述相对边一组采用宽线条设计，一组采用窄线条设计，进行宽窄设计的相对边中至少一边的长度应大于其他的边的长度。磁性材料层配置于线圈导体与中间导体层之间，并且磁性材料层覆盖线圈导体中宽线条设计边，而不覆盖窄线条设计边。该发明天线装置降减小了天线面积并降低了天线制造成本。

Description

一种近场通讯天线装置
技术领域
本发明涉及一种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天线多装配于移动设备外壳内部。
在众多通信天线中，NFC天线或近场通讯天线因为其工作频率低，所以其天线面积较大，往往为通信设备中面积最大的一种天线，所以导致该类天线制作成本较高，不利于在移动设备中推广使用。在移动设备中装配近场天线，需要解决近场天线与内部金属表面的电磁兼容问题，所以近场天线底部必须装配磁性材料层，这样进一步增加了装备于移动电子设备中近场天线的成本。如何能够缩小天线尺寸，降低天线中磁性材料层的使用面积，最终降低天线的制作成本，而且能够保证其良好的通信距离成为一个急需解决的问题。
缩小近场天线的面积的方法有两种：1、缩小环绕导体每条边的尺寸；2、使环绕导体两条相对的边互相靠近，形成长条形状。第一种缩小天线面积的方式导致天线的辐射场迅速聚缩，导致其辐射效果迅速下降，所以其天线场分布效果从原理上导致其不能达到较好的通讯效果。第二种缩小天线面积的方式导致其相对的两条边互相靠近，但其相对的两条边电流方向相反，导致其产生的空间磁场方向相反，从而使其空间磁场相互抵消，降低了通讯距离。如果可以使相互靠近的相对边的一条边磁场分布增强，另一条边磁场分布聚缩并且磁场大小下降，这样就可以使天线在面积下降的时，保证其较好的通讯距离。
发明内容
针对近场天线面积较大，制作成本较高的问题或不足，本发明提供了一种近场通讯天线装置。可减小近场天线面积，并同时减少磁性材料使用面积，进一步降低天线装置成本，并获得较远的通信距离，解决了现有NFC天线面积较大，成本较高的缺陷。
该近场通讯天线装置是在电子设备中构成的天线装置，包括：线圈、柔性基板、磁性材料层、绝缘层和中间导体层。
所述线圈设置于柔性基板和绝缘层之间构成线圈导体，线圈导体、磁性材料层和中间导体层层叠构成整个近场通讯天线装置。
绝缘层：完全覆盖于线圈导体表面，避免线圈导体与外部导体导通。
线圈：将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状的线圈；所述卷绕中心部为多边形且至少包含一组相对边，多边形中非相邻的两条边即为一组相对边；将线圈所含多边形的一组相对边，分别进行宽窄线条设计，并命名为宽线条设计边B1与窄线条设计边B2；进行宽窄线条设计的相对边中至少一边的长度大于其他边的长度。
柔性基板：支撑线圈导体的基板材料，线圈导体依附于柔性基板。
磁性材料层：配置于线圈导体与中间导体层之间，俯视磁性材料层时，其完全覆盖线圈导体中的宽线条设计边，而不覆盖窄线条设计边。
中间导体层：电子设备内部的导体层结构，由电子设备的内部电路板铺铜导体、电子元器件、金属模块及电池组成。
所述线圈导体与外部电路接触点由线圈末端自然形成或跳线形式向外引出形成。
所述线圈包围的区域即卷绕中心部为矩形，B1和B2的最大长度为L1，另外两条边的最大长度为L2，0<2L2<L1。
所述近场通讯天线装置装配于电子设备外壳内部，从外至内依次为电子设备外壳、线圈导体、磁性材料层和中间导体层。
本发明设计的技术关键点在于：1、天线的一组相对的边互相靠近，命名为相对边；2、相对边中一条边的线圈导体采用宽线条设计，另一条边采用窄线条设计；3、宽线条设计边的线圈导体底部铺设磁性材料层，窄线条设计边底部不铺设磁性材料；4、由线圈导体和磁性材料层组成的近场天线底部存在导体层。这样的设计可以使底部铺设磁性材料层的线圈导体部分产生的磁场充分辐射于空间当中，而底部未铺设磁性材料层的线圈导体部分产生的磁场迅速聚缩并在金属表面衰减，达到本发明的设计思想。
本发明通过对天线结构的压缩设计，使天线面积明显减少，同时减少磁性材料使用面积。线圈导体中当相对的两条边相互靠近，由于其电流方向相反，那么在空间当中产生的磁场将相互抵消。为了减少空间磁场的相互抵消，只在宽线条设计的一组边B1下方铺设磁性材料层，如图中区域4，使空间磁场增强；在相对的窄线条设计边下方不铺设磁性材料层，那么该边B2区域线圈导体将面对下方的中间导体层，可使该区域产生的空间磁场大幅下降。从而使空间磁场不会相互抵消，使空间磁场增强。采用宽线条设计的B1，其产生的空间磁场的范围可更均匀的辐射在空间区域中，使读写距离增加；采用窄线条设计的B2，其产生的磁场在小范围聚拢，并在下方中间导体层5的影响下快速衰减，使其不影响宽线条设计边B1在空间中产生的空间磁场。这样的设计不仅可以使天线的面积大幅降低，并且可以使天线所使用的磁性材料面积进一步减少，从而使制作成本大幅下降。
综上所述，本发明的有益效果为：在保证天线较好通讯效果的同时，使近场天线面积大幅下降，并采用新的磁性材料覆盖方式，使磁性材料的使用面积大幅下降，从而使天线的制造成本大幅下降。
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为本发明提供的天线装置结构俯视示意图；
图3为图2天线装置X-X’剖面示意图；
图4为五边形卷绕中心部的线圈导体结构示意图；
附图标记：1-线圈导体，3-磁性材料层，4-磁性材料层覆盖线圈导体的区域，5-中间导体层，6-柔性基板，7-绝缘层，B1-相对边中的宽线条设计边，B2-相对边中的窄线条设计边，B3-未经宽窄设计的相对边，L1-最外层B1的长度，L2-最外层B2的长度。
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背的俯视透视图，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中移动电子设备的近场通讯天线装配于外壳与中间导体层之间。
图2为本发明提供的一种天线装置除去设备外壳的俯视结构细节示意图，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，除去设备外壳本发明所述天线装置由外至内依次为绝缘层7，线圈导体1，柔性基板6，磁性材料层3，中间导体层5。
图4为五边形卷绕中心部的线圈导体设计结构，其五边形结构中，B1与B2、B3均为相对边，取其中的一组相对边B1与B2进行宽窄设计，B1为宽线条设计，B2为窄线条设计，相对边中的一条边B1的长度远大于其他边的长度。在B1的下方铺设磁性材料层3，如图中区域4，B2下方不铺设磁性材料层3。
实施例1
如图2所示，制作40mm×20mm面积的平行四边形结构天线，6匝设计，相对边B1的一组导体采用宽线条设计，线宽宽度1.2mm；相对边B2的一组导体采用窄线条设计，线宽宽度0.4mm，B1和B2的最外层的长度为40mm，另外两组边的最外层长度为20mm。在边B1下方铺设磁性材料，材料铺设范围完全覆盖边B1。磁性材料层厚度0.1mm，磁性材料磁导率实部15013.56MHz，磁导率虚部213.56MHz。其层间结构如图3所示，其中设备外壳省略显示。
制作40mm×20mm面积的平行四边形结构，其四边等宽设计，线宽1mm，6匝设计，其底部全部铺设磁性材料，磁性材料层厚度0.1mm，磁性材料磁导率实部15013.56MHz，磁导率虚部213.56MHz。
由测试结果可知，该发明可以实现在大幅减少天线面积并减少磁性材料使用面积的情况下，实现较远距离通讯。

Claims (4)

1.一种近场通讯天线装置，包括绝缘层、线圈、柔性基板、磁性材料层和中间导体层，其特征在于：
所述线圈设置于柔性基板和绝缘层之间构成线圈导体；线圈导体、磁性材料层和中间导体层层叠构成整个近场通讯天线装置；
绝缘层：完全覆盖于线圈表面，避免线圈与外部导体导通；
线圈：将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状的线圈；所述卷绕中心部为多边形且至少包含一组相对边，多边形中非相邻的两条边即为一组相对边；将线圈所含多边形的一组相对边，分别进行宽窄线条设计，并命名为宽线条设计边B1与窄线条设计边B2；进行宽窄线条设计的相对边中至少一边的长度大于其他边的长度；
柔性基板：支撑线圈的基板材料，线圈依附于柔性基板；
磁性材料层：配置于线圈导体与中间导体层之间，俯视磁性材料层时，其完全覆盖线圈导体中的宽线条设计边，而不覆盖窄线条设计边；
中间导体层：电子设备内部的导体层结构，由电子设备的内部电路板铺铜导体、电子元器件、金属模块及电池组成。
2.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述线圈导体与外部电路接触点由线圈末端自然形成或跳线形式向外引出形成。
3.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述线圈包围的区域即卷绕中心部为矩形，B1和B2的最大长度为L1，另外两条边的最大长度为L2，0<2L2<L1。
4.如权利要求1-3任一所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述近场通讯天线装置装配于电子设备外壳内部，从外至内依次为电子设备外壳、线圈导体、磁性材料层和中间导体层。
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