CN105609936A - 用于移动设备的近场通信天线的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于操作近场通信(NFC)天线的系统和方法，所述天线包括具有初级电流以产生磁场的初级回路和具有一个或多个次级电流的次级回路；其中通过调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，所述磁场被修改，以确保天线能够在限定的操作范围内工作。

Description

用于移动设备的近场通信天线的系统和方法

技术领域

本公开涉及移动设备的近场通信(NFC)天线。

背景技术

近场通信(NFC)天线可以用于很多移动设备中，例如在智能电话、平板电脑、笔记本电脑和佩戴式设备中使用。这些设备通过磁场的接近耦合来操作。这些包括例如欧陆卡(Europay)、MasterCard和Visa(EMV)无接触通信、在电子设备之间共享文件、读取“标签”、以及游戏。各种管制和标准化机构已公布了对使用这些NFC天线的设备的性能要求。

通常，这些性能要求中的很多要求规定这些天线在特定的操作空间(operatingvolume)上、在包括最小磁场强度和最大磁场强度的磁场强度范围内工作。于是，典型的设计挑战是确保NFC天线能够在这个范围内工作。由于下面的因素，这是一项困难的挑战。由于空间约束，NFC天线被限制于某些形状和高宽比。这使得难以产生特定的三维(3D)工作形状。例如在一些智能电话中，NFC天线一般是平面回路。磁场样式被接近NFC天线的材料修改。例如，具有高磁导率的材料将增强磁场强度。此外，阻碍电磁场的某些材料将减小在某个区域中的磁场强度。

虽然现有技术描述了波束转向方案和波束形成方案以面对这样的挑战，大多数这类现有技术的通常目的在于远场应用而不是近场设计。这意味着这些解决方案中的很多方案不适用于NFC天线。

此外，很多NFC天线具有比工作波长小几个数量级的尺寸。例如，NFC天线的一般工作频率是13.56MHz，暗示了波长是大约22m。然而，矩形回路天线的一般尺寸是大约2～3英寸×1～2英寸(大约5～8cm×2.5～5cm)。这意味着波长比天线大几个数量级。本领域中的技术人员众所周知，这样的天线具有非常差的辐射效率。这与为远场应用设计的一般具有非常高的辐射效率的天线相反。

因此，需要有一种解决方案，其能确保接近耦合式NFC天线在某个范围内工作并产生某个操作空间。下文在本说明书的其余部分中描述了能提供这样的解决方案的系统和方法。

发明内容

一种用于操作近场通信(NFC)天线的系统，所述天线包括具有初级电流以产生磁场的初级回路和具有一个或多个次级电流的次级回路；所述系统通过调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，所述磁场被修改，以确保天线能够在限定的操作范围内工作；以及所述一个或多个变量包括次级回路的数量，在所述一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流的一个或多个振幅，在所述一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流与在所述初级回路中的初级电流之间的一个或多个相位差，所述一个或多个次级回路的一个或多个形状，所述一个或多个次级回路的一个或多个尺寸，和所述一个或多个次级回路的一个或多个布置。

一种用于操作近场通信(NFC)天线的方法，所述天线包括具有初级电流以产生磁场的初级回路和具有一个或多个次级电流的次级回路；其中所述方法包括修改所述磁场，以确保天线能够在限定的操作范围内工作；所述修改包括调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，其中所述一个或多个变量包括次级回路的数量、在所述一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流的一个或多个振幅、在所述一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流与在所述初级回路中的初级电流之间的一个或多个相位差，所述一个或多个次级回路的一个或多个形状，所述一个或多个次级回路的一个或多个尺寸，和所述一个或多个次级回路的一个或多个布置。

鉴于参考附图(简要的附图说明将在下文中提供)而进行的各种实施例和/或方面的详细描述，本公开的前述内容和其他方面及实施例对于本领域中的普通技术人员将是明显的。

附图说明

当阅读下面的详细描述且参考附图时，本公开的前述优点和其它优点将变得明显。

图1示出NFC天线100，其具有初级回路101、初级电流102和磁场103；

图2示出NFC天线100，其具有由元件201增强的磁场103；

图3示出NFC天线100，其具有次级回路211和次级电流212，以减小在初级回路101的中心的磁场强度；

图4示出NFC天线100，其具有次级回路211和221、流动的次级电流212和222，以减小由元件201引起的磁场增强、并使磁场平衡；以及

图5示出调节模块501。

本公开容许各种修改和可替代的形式，特定的实施例或实施方式作为例子在附图中示出且将在本文被详细描述。然而应理解，本公开并不意图限制到所公开的特定形式。更确切地，本公开涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效和可替代形式。

具体实施方式

现在参考附图，其中相同的参考数字在本文始终用于表示相同的元件，对用于移动设备的近场通信天线的系统和方法的各种视图和实施方式进行了示出和描述，且描述了其它可能的实施例。附图不一定按比例绘制，且在一些实例中，仅为了示例性目的，附图被适当地放大和/或简化。本领域中的普通技术人员将认识到基于可能的实施例的下面的例子的很多可能的应用和变化。

在一个实施例中，NFC天线包括初级回路。参考图1，NFC天线100包括初级回路101。通过经由该初级回路以特定的工作频率发送正弦地变化的初级电流102，在如图1所示的特定操作空间内产生磁场103。在一个实施例中，工作频率被设置到13.56MHz。这样的NFC天线的工作原理是本领域中的技术人员众所周知的，且将不在这里做进一步讨论。

一般，使用这样的结构，可能产生问题。例如，在回路中心的磁场强度可能太高。

当具有增强或抑制磁场的材料的元件被放置为接近初级回路时，可潜在地产生另一问题。在图2中示出了一个例子，其中增强磁场的元件201被放置为接近初级回路。这具有使磁场103失衡的效应。于是，磁场103的强度不在操作空间中的操作范围内，或操作空间被修改。也就是说，磁场强度太高或太低，或操作空间变成不对称的，导致系统的性能不一致。

可潜在地产生的另一问题是只使用初级回路很难满足特定操作空间的形状要求。例如，使用矩形初级回路来实现圆柱形操作空间并不容易。

可通过在天线中使用一个或多个次级回路来克服如上面概述的这些问题，其中所述一个或多个次级回路具有一个或多个正弦地变化的次级电流。这些次级电流将具有与在初级回路中的初级电流相同的工作频率。通过调节一个或多个变量，例如：次级回路的数量、在一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流的振幅、在一个或多个次级回路中的一个或多个次级电流与在初级回路中的初级电流之间的相位差、一个或多个次级回路的形状、一个或多个次级回路的尺寸和一个或多个次级回路的布置。于是有可能修改磁场，以确保天线能够在操作空间内的限定的操作范围内工作。

例如，关于磁场强度在中心过高的问题，通过放置具有与在初级回路中的初级电流异相的次级电流的次级回路，如图3所示，有可能减小在中心的磁场强度，使得天线能够在操作范围内工作。虽然在图3中只示出一个次级回路，本领域中的技术人员可知，可使用一个或多个次级回路。

可使用各种技术来获得上述的变量的设置。在一个实施例中，使用数字模拟来获得变量的设置。在另一个实施例中，使用分析技术和本领域中的技术人员已知的近似方法(approximations)来获得变量的设置。在又一个实施例中，经由测试和连续调节来获得变量的设置。在其它实施例中，使用所述技术的组合来获得所述设置。

类似地，如图4所示，可通过使用被放置为接近增强或抑制磁场的材料的一个或多个次级回路来处理图2所示的问题。在图4中，放置携带次级电流212的次级回路211，以抑制由于元件201而产生的增加的磁场强度。如前面所解释的，多个变量例如一个或多个次级电流的振幅和相位差以及一个或多个次级回路的高宽比和布置被调节，以得到所需的场强。在另一个实施例中，为了提高在整个操作空间中的场分布的对称性，一个或多个次级回路例如携带次级电流222的次级回路221被放置成远离该材料。于是，前面讨论的变量被调节。

最后，通过使用具有一个或多个电流的一个或多个次级回路，例如具有次级电流222的次级回路221和具有次级电流212的次级回路211，操作空间可被适当地成形和扩展。例如，如前面所解释的，由于初级回路103而产生的磁场倾向于在中心更强。与如上面所讨论和在图3中所示出的抑制中心磁场的手段相结合，与携带具有变化的振幅和相位差的次级电流的次级回路221类似的一个或多个回路可用于通过例如改变对称性或延伸操作空间来使操作空间成形。这些回路也可根据对操作空间的要求而被成形为不同的形状。

对本领域中的技术人员将明显的是，虽然上面解释了矩形回路，在这里概述的技术可扩展到非矩形形状，包括例如圆、椭圆或其它形状。

虽然在设计阶段设计者控制所有变量，一旦在工作着的移动设备中内置并使用了NFC天线，则在次级回路内仅仅可调节一些变量，例如次级电流的振幅和相位差。所以例如当移动设备的工作特性随着时间的推移而改变时，这可能要求振幅和相位差也被改变，以确保NFC天线继续在性能要求内工作。

此外，很可能不同的移动设备具有不同的设计，且因此以不同的方式修改由NFC天线中的初级回路产生的磁场。因此，不同的移动设备所需的调节可能彼此不同。给定对移动设备制造商的一般供应链的要求，通过优化每个移动设备的所有变量来找到变量组合，将是成本无效的。

为了满足这些进一步的挑战，在一个实施例中，初级和次级回路的物理配置，即，次级回路的形状、尺寸、数量和次级回路的布置对每个移动设备保持相同。然而，针对每个不同的设备来调节次级电流的振幅和相位差，以便确保NFC天线在标准的性能要求内工作。例如，参考图4，次级回路电流212和222被调节，以便满足NFC天线100的要求。

在另一个实施例中，对于给定的移动设备，振幅和相位差随着时间的推移被动态地调节，以便确保NFC天线继续在性能要求内工作。这使得允许根据移动设备的工作特性随时间改变而进行补偿。

在一个实施例中，使用各种技术来执行对次级电流的振幅和相位差的这个调节。在一个实施例中，调节基于磁场分布的测量。例如，基于使用已知的测量解决方案(例如由卖方例如提供的解决方案)所获得的结果，次级电流例如电流212和222的振幅和相位差被调节，以确保符合性能要求。在另一个实施例中，调节是基于计算机模拟。在又一个实施例中，调节是基于模拟和测量的组合。

各种算法也用于调节次级电流。在一个实施例中，这涉及使用诸如学习算法、人工神经网络、演变算法和调谐算法等技术。在另一个实施例中，历史数据被用于执行调节。在又一个实施例中，使用“离线-在线”双阶段方法来执行调节和调谐。在在线阶段中，实时连续地获取测量，同时进行调节，以确保一致性。在离线阶段中，该获取的测量数据被处理并用作例如机器学习算法的输入，以便对将在在线阶段中使用的调节进行完善。因此，经过一段时间，调节过程可能变得更有效。

在另一个实施例中，使用调节模块(例如如图5所示的调节模块501)来执行调节。在图5中，调节模块501控制次级电流212和222，同时读取初级电流102。然后调节模块501使用如上概述的各种技术来对次级电流212和222执行调节。在又一个实施例中，在软件中实现调节模块。在又一个实施例中，在硬件中实现调节模块。仍然在另一个实施例中，在硬件和软件两者中实现调节模块。在调节模块在软件中实现的实施例中，在一个实施例中，使用在包含NFC天线的移动设备上运行的应用软件来执行调节。

虽然单独地描述了上面所述的算法，应理解，本文公开的两个或多个算法可以按任何组合方式进行组合。本文所述的任何方法、算法、实现方式或过程可包括机器可读指令，所述机器可读指令用于由以下设备来执行：(a)处理器、(b)控制器、和/或(c)任何其它适当的处理设备。本文公开的任何算法、软件或方法可在存储于非临时有形介质的软件中实现，所述非临时有形介质例如是闪存、CD-ROM、软盘、硬盘、数字通用盘(DVD)或其它存储设备，但本领域中的普通技术人员将容易认识到，整个算法和/或其部分可以可替代地由除了控制器以外的设备执行和/或以公知的方式在固件或专用软件中实现(例如，它可由专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程逻辑设备(FPLD)、分立逻辑等实现)。此外，本文描绘的一些或所有机器可读指令可被手动地实现，与由控制器、处理器或类似的计算设备或机器自动实现相反。此外，虽然描述了特定的算法，本领域中的技术人员将容易认识到，可以可替代地使用能执行示例的机器可读指令的很多其它方法。例如，可改变程序块(blocks)的执行的顺序，和/或可以对一些所述的块进行改变、删除或组合。

应注意到在本文被示出和讨论的算法为具有执行特定的功能并与彼此交互的各种模块。应注意，出于描述的目的，这些模块仅基于其功能而分开，并代表计算机硬件和/或存储在机器可读介质上的用于在适当的计算硬件中执行的可执行软件代码。不同模块和单元的各种功能可被组合或分开，以作为如上所述以任何方式作为模块的硬件和/或存储在非临时计算机可读介质上的软件，并可单独地或组合地使用。

虽然示出和描述了本公开的特定实现方式和应用，应理解，本公开并不限于本文公开的精确构造和组成，根据前述描述，可以获知在不偏离由所附权利要求中限定的本发明的精神和范围内的各种修改、变化和变更。

应理解，本文的附图和详细描述应以例证性方式而不是限制性方式被看待，且并不意图于将其限于所公开的特定形式和例子。相反，对本领域中的普通技术人员明显的任何进一步的修改、变化、重新布置、替换、可替代方式、设计选择和实施例，都被包括在本发明的范围内，而不偏离本发明的精神和范围，如下面的权利要求所限定。因此，意图是下面的权利要求被解释为涵盖所有这样的进一步的修改、变化、重新布置、替代、可选形式、设计选择和实施例。

Claims (18)

1.一种用于操作近场通信NFC天线的系统，所述天线包括：

具有初级电流以产生磁场的初级回路；

具有一个或多个次级电流的次级回路；

所述系统通过调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，所述磁场被修改，以确保天线能够在限定的操作范围内工作；以及

所述一个或多个变量包括：

(1)次级回路的数量，

(2)在所述一个或多个次级回路中的所述一个或多个次级电流的一个或多个振幅，

(3)在所述一个或多个次级回路中的所述一个或多个次级电流与在所述初级回路中的所述初级电流之间的一个或多个相位差，

(4)所述一个或多个次级回路的一个或多个形状，

(5)所述一个或多个次级回路的一个或多个尺寸，以及

(6)所述一个或多个次级回路的一个或多个布置。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述磁场通过调节下列项而被增强或抑制：

所述一个或多个次级回路中的至少一个的至少一个布置，以及

所述一个或多个次级电流中的至少一个的至少一个相位差。

3.如权利要求1所述的系统，其中通过调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，所述磁场被修改，以确保天线能够在操作空间内的限定的操作范围内工作。

4.如权利要求3所述的系统，其中通过调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，所述操作空间被修改。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述磁场通过调节下列项而被增强或抑制：

所述一个或多个次级电流中的至少一个次级电流的至少一个振幅，以及

所述一个或多个次级电流中的至少一个次级电流的至少一个相位差。

6.如权利要求5所述的系统，其中使用调节模块来执行所述调节。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述调节基于下列项中的至少一项来执行：

数字模拟；

分析技术；以及

测试。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述初级回路的形状是矩形。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个次级回路的形状是矩形。

10.一种用于操作近场通信NFC天线的方法，所述天线包括：

具有初级电流以产生磁场的初级回路；

具有一个或多个次级电流的次级回路；

其中所述方法包括：

修改所述磁场，以确保天线能够在限定的操作范围内工作；

所述修改基于调节与所述一个或多个次级回路相关的一个或多个变量，其中所述一个或多个变量包括：

(1)次级回路的数量，

(2)在所述一个或多个次级回路中的所述一个或多个次级电流的一个或多个振幅，

(3)在所述一个或多个次级回路中的所述一个或多个次级电流与在所述初级回路中的所述初级电流之间的一个或多个相位差，

(4)所述一个或多个次级回路的一个或多个形状，

(5)所述一个或多个次级回路的一个或多个尺寸，以及

(6)所述一个或多个次级回路的一个或多个布置。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述修改包括通过调节下列项来增强或抑制所述磁场：

所述一个或多个次级回路中的至少一个次级回路的至少一个布置，以及

所述一个或多个次级电流中的至少一个次级回路的至少一个相位差。

12.如权利要求10所述的方法，其中通过调节与所述一个或多个次级回路相关的所述一个或多个变量，所述磁场被修改，以确保在操作空间内的所述限定的操作范围内的天线操作。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述修改包括使所述操作空间成形。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述磁场的所述修改包括通过调节下列项来增强或抑制所述磁场：

所述一个或多个次级电流中的至少一个次级电流的至少一个振幅，以及

所述一个或多个次级电流中的至少一个次级电流的至少一个相位差。

15.如权利要求10所述的方法，其中使用调节模块来执行所述调节。

16.如权利要求10所述的方法，其中所述调节基于下列项中的至少一个来执行：

数字模拟；

分析技术；以及

测试。

17.如权利要求10所述的方法，其中所述初级回路的形状是矩形。

18.如权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个次级回路的形状是矩形。