CN106339746B - 具有单天线的多频率应答器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种RFID应答器，例如卡，所述RFID应答器包括电连接到第一天线的第一芯片和电连接到第二天线的第二芯片。所述第一天线包括电感地连接到所述第二天线的次级天线。

Description

具有单天线的多频率应答器
相关申请的交叉引用
本申请主张2015年7月8日提交的瑞士国家申请No.CH00984/15的权益，将该国家申请的全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及能够在若干频率模式中(例如在高频率(HF)和超高频率(UHF)中)并使用在下文详细描述的耦合设备的原理进行工作的应答器。所述应答器可以例如包括在诸如智能卡或支付卡的卡中，或者可以用于形成诸如智能卡或支付卡的卡。
背景技术
在RFID的技术领域中，用于应答器(例如RFID应答器)的耦合设备一般包括被配置用于与外部RFID读取器的远程通信的主天线和串联连接的次级天线，其中次级天线配置成电感地耦合到例如芯片或芯片模块的应答器设备的天线。这样的耦合设备一般称为放大器或放大器天线。
注意，贯穿本文可以互换术语“芯片”和“芯片模块”，因为芯片模块一般包括芯片。
电感耦合也称为磁、电容或电抗耦合，是相对于通过导电材料的直接电耦合来进行定义的。本描述中提到电感、磁、电容或电抗耦合指占优势地或主要地是电感、磁、电容或电抗的耦合。应当将理解，主要地是电感的耦合还可以包括一些电容耦合。反过来，主要地是电容的耦合还可以包括一些电感(磁)耦合作为次级耦合机制。主要地使用电感的耦合的系统在本文中称为电感耦合，而主要地使用电容的耦合的系统在本文中称为电容耦合。
这种技术已经广泛地被用于制造非接触式卡。在US 5,955,723中示意了一个示例。应答器单元包括具有天线和放大器天线的芯片，包括串联连接的主天线和次级天线。所有元件都集成在卡本体中并且旨在扩展应答器单元的通信的范围和质量，特别是在非接触式卡的情况下。
在EP 0 931 295中描述了用于RFID智能卡的一种类似方案。提供在模块上具有天线的模块，并且模块被固定在容纳有电感放大器天线的卡基板的凹处中。以模块上的天线与放大器的次级天线电感耦合的方式实现安装。在EP 0 875 039和WO 07 026 077中公开了具有天线的类似模块。这种解决方案对于双(接触和非接触式)接口模块来说是尤其令人关注的。
EP 0 977 145中呈现了一种替代方案，其中，在耦合设备的主天线和次级天线形成在其上将通过芯片倒装方法安装有芯片的模块板上时，天线直接地形成在芯片的表面上。这种小应答器(芯片和天线一起)被称为芯片上线圈(coil-on-chip)并且在技术领域中已知并且在市场上大量地四处都有销售。
在上面引用的现有技术的所有文件中，提出了与应答器单元一起工作的放大器。芯片在没有物理连接的情况下电连接到较大的天线(放大器或耦合设备的主天线)。这样的单元比使用诸如焊盘、螺柱或导线的传统连接手段的单元要耐受机械应力得多。应答器的天线保持为小(约为芯片的或模块的大小)并且安装在与芯片相同的刚性结构上。其可以是芯片本身或可以在芯片封装(作为芯片模块)中/上。
上述所有配置，亦作偶极、贴片、缝隙、螺旋、导线、单环、多环和各种混合天线类型都适于这样的电感耦合系统。在磁耦合设备中用于生成磁场的机构可以基于天线类型或配置而变化。在低频率(LF：30–300kHz)下、高频率(HF：3–30MHz)下或超高频率(UHF：超过300MHz)下的所有类型的耦合都是可能的。
这种技术的一个关键问题是找到制造放大器的简单而有效的批量生产过程。麻烦在于放大器的所有元件都必须被准确调整以便获得整个系统(放大器+应答器设备)的期望的传输特性和表现。这被示意例如在EP 1 325 468中给出互感的等式中。
当今提出了许多解决方案，所有都涉及多步骤的制造过程。
一种解决方案(例如由法国Smart Packaging Solutions公司使用)是使用在电介质材料的芯板上的蚀刻的天线。天线的两个末端——在所述板的每一侧上各一个——被放大以形成电容器的相对的电极表面。通过准确地选择两个表面的比例，就可以调整元件的电容。这种方法的弊端是在所述板的每一侧上的天线路径必须通过所述板电连接。
另外，在过去已经尝试将HF和UHF传输模式组合在相同的应答器(例如卡)上并且在技术领域中已经开发了技术方案。
例如，图1示意了具有并排放置的两个天线和模块的第一解决方案。在应答器的上半部分上，应答器的HF部分被示意出芯片或芯片模块4电连接到天线2。
在应答器的下半部分上，UHF部分被示意出其放大器天线3以如上面讨论的电感方式耦合到芯片模块5。
可以容易看到，图1的这种配置是存在问题的，因为其覆盖了卡的整个表面并且不能将其他技术集成在卡中。
图2示出了一种提出的解决方案，其中UHF天线和应答器被放置在由HF天线覆盖的区域内部。由于现在卡的约一半是空闲的所以这种配置是令人关注的但是其具有显著的缺点：当电路闭路时HF天线形成法拉第罩并且这剧烈地减弱UHF部分的表现。读取距离于是只有几厘米(最多达3cm)，这既不实用也是不可接受的。
发明内容
本发明的目的是改进已知的设备和应答器。
本发明进一步的目的是提出能够在若干模式中(例如在HF和UHF模式中)发挥功能的应答器。
本发明进一步的目的是提出对每个单独模式的表现具有最小影响的多模式应答器。
根据本发明的一个方面，提供了处理上述挑战的RFID应答器。
所述RFID应答器优选包括电连接到第一天线的第一芯片和电连接到第二天线的第二芯片，其中第一天线包括电感地连接到第二天线的次级天线。
根据本发明，一种思想和解决方案是在多频率通信模式中使用应答器的天线，例如，使用HF天线而不是使用专用的UHF天线作为用于UHF模式的耦合设备(如上文所述)并将UHF芯片或芯片模块耦合到HF天线。
根据本发明的一个方面，电感地连接到第二天线的次级天线和第一天线配置成作为用于第二芯片的放大器天线进行操作。
根据本发明的另一个方面，次级天线形成与第一天线的其余部分分离的环状天线并且与第一天线的其余部分串联连接。
根据本发明的再另一个方面，第一和第二芯片都用于HF通信。
根据本发明的再另一个方面，所述芯片中的一个用于UHF通信。
根据本发明的再另一个方面，电感耦合的芯片用于UHF通信。
根据本发明的进一步的方面，第一芯片和第一天线形成配置为与外部读取器进行通信的第一操作性标签。
根据本发明的另一个方面，第二芯片和第二天线形成配置为通过与第一标签耦合的电感耦合而与外部读取器进行通信的第二操作性标签。
根据本发明的另一个方面，第一和第二标签配置为在相同谐振频率下与外部读取器进行通信。
根据本发明的另一个方面，第一和第二标签配置为在不同谐振频率下与外部读取器进行通信。
根据对参考了示出本发明一些优选实施方式的附图的以下描述的研究，本发明的上述和其他目标、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明了并且将最佳地理解发明本身。
附图说明
根据以下描述并根据附图将更佳地理解本发明，附图示出：
图1示意了现有技术设备的第一示例；
图2示意了现有技术设备的第二示例；
图3示意了根据本发明一个方面的实施方式的概要顶视图；
图4示意了图3的实施方式的概要分解侧视图；以及
图5示意了根据本发明另一个方面的另一实施方式的概要顶视图。
具体实施方式
在图1中，示意了现有技术设备的示例。其示出RFID应答器1，例如卡，包括两个天线2、3，每个天线具有芯片或芯片模块4、5。具有芯片4的上部天线2形成HF通信部分，而具有芯片模块5的下部放大器天线3形成UHF通信部分。
HF芯片或芯片模块4例如通过焊盘或螺柱直接连接到天线2。
UHF芯片或芯片模块5经由如上所述的电感耦合而连接到天线3。更精确地，芯片模块5包括电连接到主天线8的芯片7，主天线8集成在芯片模块中/与芯片模块一起提供。放大器天线3包括示出两个对称部分的主偶极UHF天线9和次级天线10，在次级天线10被设计为其定位在芯片5的天线8附近时与芯片5的天线8电感地连接。
如上面讨论的，图2示意了第二已知配置，其中UHF通信部分(放大器天线3和芯片模块5)已经被移动，并且现在在由HF天线2限制的区域内部，以至于卡1的一半是空闲的。如在上面提及的，尽管在空间优化的层次上是令人关注的，但是这种配置是存在问题的，原因是在芯片/芯片模块4连接到天线2时天线2形成法拉第罩。于是，这种配置的UHF读取范围特性不佳并且不能满足公共使用。
图3示意了根据本发明一个方面的应答器11(例如卡或智能卡)的实施方式。
应答器11包括第一天线12和第一芯片14。第一芯片14电连接到第一天线12。第一芯片14电连接到第一天线12，第一天线12通过导电材料将会直接电连接到第一芯片14。如图3所示，连续的第一天线12的松散末端13a、13b连接到第一芯片14。
第一天线12直接和/或物理连接到和/或接触第一芯片14。电连接经过实体介质例如通过与第一天线12的材料接触的焊盘或螺柱来建立。也就是说，电连接是非电感的连接或耦合(如在与背景技术相关的部分中讨论的)。
应答器11进一步包括电连接到第二天线17的第二芯片15。第一天线12进一步包括电感地连接到第二天线17的次级天线18。
第一天线12包括主区部19和次级天线18。次级天线18从主区部19连续地延伸到电感连接或耦合地带ZO，在电感连接或耦合地带ZO处，次级天线18电感地连接到第二天线17。
第一天线12从而包括被配置用于与外部RFID读取器进行远程通信的主天线19和串联连接到主天线19的次级天线18，其中次级天线18被配置为电感地耦合到连接到芯片15的第二天线17。第一天线12从而被配置为充当放大器或放大器天线。主天线19和电感地连接到第二天线17的次级天线18作为用于第二芯片15的放大器天线(或耦合设备)进行操作。
电感连接地带ZO优选位于第二天线17上面或下面，并且在应答器的基本上平面的方向Y上对齐(见图3和4)，以与第二天线17重合或叠置。
电感连接地带ZO和第二天线17例如对齐成具有共同的基本上垂直的轴线VA(见图4)，轴线VA在基本垂直于应答器的延展的平面的Z方向上延伸。共同的基本上垂直的轴线VA穿过电感连接地带ZO和由天线17限定的表面区域。
次级天线18可以限定例如第一区域A1(见图3)，并且第二天线17可以限定第二区域A2。区域A1、A2包括由天线材料自身划界的区域。天线被布置成使得第一区域A1和第二区域A2一个在另一个上面地在Y方向上对齐，但是它们被分离材料SM彼此分离(在Z方向上)(见图4)，分离材料SM例如由塑料制成。对齐是这样的：当在Z方向上进行观察时，区域A2的至少一部分与区域1重叠(或反之亦然)。
区域A2的与区域A1重叠的部分是例如总的区域A2的至少25％或至少50％或至少75％。
优选地，由天线17限定的结构(几何形状和/或尺寸)尽可能地与由次级天线18限定的耦合部分CP的结构相似。当天线17定位在次级天线18的耦合部分CP上面时，天线17和次级天线18的天线材料优选地以彼此相距最小的可能的间隔差延伸，以便优化在它们之间的电感耦合。
然而，这并不意味着天线17和次级天线18的设计应当绝对相同。次级天线18的设计受到与天线17不同的约束，并且取决于例如基板上可利用的空间、间距大小和使用的导线的直径等等。次级天线18的平行并且接近于天线17的部分的那些部分越多，将取得的电感耦合越好。然而，用于两个天线的相同的设计或结构不是必需的。两个天线可具有不同之处，比如例如，物理性质(导线、印制、沉积……)、材料、匝的数量、间距、几何形状等等。
因此，表示在图3中的应答器11是示例性的，并且天线的具体的示意出的设计不应当被理解为限制本发明的范围。
次级天线18可例如形成于与第一天线12的主区部19和其余部分分离的环状天线，其中所述环状天线与第一天线12的其余部分串联电连接。
第一芯片14和第一天线12形成配置为与外部读取器(未示意出)进行通信的第一操作性标签或设备。第二芯片15和第二天线17形成配置为经过与第一标签的电感耦合而与相同或不同的外部读取器进行通信的第二操作性标签。
根据本发明的一个方面，第一芯片14可以被配置用于与外部读取器通信的HF通信，而第二芯片15可以被配置用于与外部读取器通信的UHF通信。这是图3的示例性实施方式的情况。
然而，本发明不限于这样的通信频率范围组合。例如，芯片14、15两者都可被配置用于HF通信。
在图3示意的示例性实施方式中，先前描述的图1和图2的设备的HF部分被保持有天线12和芯片或芯片模块14。
除了关于图1和图2的设备之外，天线12还经修改以包括适合用于根据上面描述的原理与UHF芯片或芯片模块15电感耦合的次级天线18。整个HF标签现在以与上面描述的放大器3相似的方式作为UHF模块15的放大器进行工作。UHF模块15的集成天线17电感地连接到次级天线18。天线12的其余部分形成所述放大器以与远程读取器进行通信，其中HF芯片14的内部容量被用于调整整个系统的谐振频率。
因此，本发明的一个主要优点是使用有源标签(其中芯片14可以经由天线12通信到读取器)作为模块15(具有天线17)的放大器，并且仅需要一个远程天线(天线12)与芯片14和15二者的读取器通信。
尽管在该配置中，UHF部分的读取范围特性与图1中的UHF部分的读取范围特性一样长，但是所述读取范围特性仍然是令人关注和有用的。发明人已经实现了与图3示出的HF/UHF配置相似的HF/UHF配置，其中操作15.3MHz的INFINEON SLE77 56pF芯片被用于第一芯片14并且操作在870到900MHz的频率范围中的Monza R6芯片被用于第二芯片15。这样的配置产生了对于操作15.3MHz的INFINEON SLE77 56pF芯片的测量的约50mm的检测的距离范围，而测量到对于操作在870到900MHz的频率范围中的Monza R6芯片的测量的约6到7m的检测的距离范围。
图4示出了植入在例如卡结构中的作为应答器的根据本发明的原理的应答器的分解侧视图。所述卡一般包括若干层20到24，这在技术领域中的RFID设备是常见的。天线12安置(例如通过嵌线)在层21上，并且芯片或模块15经由次级天线18电感地耦合到天线12。另外的芯片或模块14例如经由焊接或在RFID的技术邻域中通常使用的另一技术电连接到天线12。
如上面提及的，电连接的芯片或模块14被用于HF通信，而电感地耦合的芯片或模块15被用于UHF通信。替换地，其他频率组合是可能的，例如HF-HF，即，每个芯片或芯片模块都用于HF通信。
图5部分地示意了根据本发明的另一方面的应答器26，其中第一和第二芯片114、115都被配置用于与外部读取器(未示出)进行HF通信。没有示意出第二芯片115以允许次级天线118能够在图5中清楚地可见。
如同图3的实施方式，第一天线112包括主区部119和次级天线118。次级天线118从主区部119连续地延伸到电感连接或耦合地带ZO，在电感连接或耦合地带ZO处，次级天线118电感地连接到与第二芯片115(未示意出)关联的第二天线117。
图5和图3的配置之间的差别在于这样的事实：次级天线118限定允许HF芯片15的集成天线和次级天线118之间更优化的电感连接或耦合的天线结构或布局。次级天线118限定回旋结构(例如，基本上矩形)，所述回旋结构限定的区域比由主区部119限定的区域要小。示例性示意出的次级天线118的回旋也使用比主区部119的间距短的间距来形成。
如上面提及的，优选地，由第二芯片115的天线117限定的结构(几何形状和/或尺寸)尽可能地与由次级天线118限定的耦合部分的结构相似。当天线117定位在次级天线118的耦合部分上面时，天线117的天线材料和次级天线118优选地以彼此相距最小的可能的间隔差延伸，以便优化在它们之间的电感耦合。
如同也在上面提及的，然而，这并不意味着天线117和次级天线118的设计应当绝对相同。
如同在图3中的，第一天线112从而包括被配置用于通过第一芯片114与外部RFID读取器进行通信的主天线119。次级天线118串联连接到主天线119，其中次级天线118配置为电感地耦合到连接到芯片115的第二天线117，芯片115从而也被配置用于与外部RFID读取器进行通信。
发明人已经实现了与图5中示出的HF/HF配置相似的HF/HF配置，其中操作13MHz的Inside secure iClass 32k芯片被用于第一芯片114，而操作在16MHz的频率范围中的INFINEON SLJ52GDL080CL芯片被用于第二芯片115。这样的配置产生了对于操作13MHz的Inside secure iClass 32k芯片的测量的约50mm的检测的距离范围，而测量到对于操作在16MHz的频率范围中的HF INFINEON SLJ52GDL080CL芯片的测量的约40mm的检测的距离范围。
本发明具有许多优点，具体地，像在图2的配置中，其允许优化应答器上的空间管理，而且在同时其避免了在图2的配置中造成的法拉第罩的干扰。归因于本发明而可以利用的这样的空间允许进一步的信息或组件可以被包括在应答器或设备上或中。例如，磁带可以被添加到该现在可以利用的空间，或者额外地或替换地，该可利用的空间可以被用于将用户信息压印到应答器上。这在应答器形成诸如银行卡或支付卡的卡时是特别有用的。
本发明还具有简单的优点，因为仅需要一个天线，这简化了构造。
在本说明书中描述的实施方式作为非限制示例给出，并且在保护范围内的变型是可能的。例如，可以使用等效的装置。
另外，本原理不限于诸如智能卡的卡，而是也可以应用到任何合适的RFID应答器。
描述的应答器有利地形成两个操作性标签，其中第一芯片14和第一天线12形成能够与外部读取器进行通信的第一操作性标签，而第二芯片15和第二天线17形成能够经过与第一标签的电感耦合而与外部读取器进行通信的第二操作性标签。
两个操作性标签可以组合不同的通信模式，例如HF和UHF通信模式，但是借助本发明的描述的特征，其他模式也是可能的，例如HF-HF通信模式。
在上面提及的通信模式中的任一个中，第一和第二标签可在相同谐振频率下与外部读取器进行通信，或者它们可在不同谐振频率下与外部读取器进行通信。
尽管已经参考某些优选实施方式公开了本发明，但是在不脱离本发明的领域和范围的前提下多种修改、变化和对描述的实施方式的改变以及其等效实施方式都是可能。因此，不打算将本发明限制到描述的实施方式，打算给予本发明以根据随附的权利要求的语句的最宽广的合理解释。

Claims (13)

1.一种RFID应答器（11），所述RFID应答器（11）包括：
直接电连接到第一天线（12）的第一芯片（14）；
电连接到第二天线（17）的第二芯片（15）；
其中所述第一天线（12）包括主天线（19），所述主天线与次级天线（18）直接串联电连接；
其中，所述次级天线（18）限定第一区域（A1），所述第二天线（17）限定第二区域（A2），并且所述第一天线（12）和所述第二天线（17）被布置成使得所述第一区域（A1）和所述第二区域（A2）至少部分重叠，但在基本垂直于所述应答器的延展的平面的方向上被分离材料（SM）分离；以及
其中，所述次级天线（18）电感地连接到所述第二天线（17）。
2.根据权利要求1所述的RFID应答器，其中，所述次级天线（18）电感地连接到所述第二天线（17），并且所述主天线（19）被配置为作为用于所述第二芯片（15）的放大器天线进行操作。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的RFID应答器，其中，所述次级天线（18）形成与所述主天线（19）分离的环状天线。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的RFID应答器，其中，两个芯片都用于HF通信。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的RFID应答器，其中，芯片中的一个用于UHF通信。
6.根据权利要求5所述的RFID应答器，其中，所述第二芯片用于UHF通信。
7.根据权利要求1-2以及6中任一项所述的RFID应答器，其中，所述第一芯片（14）和所述主天线（19）形成能够与外部读取器进行通信的第一操作性标签。
8.根据权利要求7所述的RFID应答器，其中，所述第二芯片（15）和所述第二天线（17）形成能够经过与第一标签的电感耦合而与外部读取器进行通信的第二操作性标签。
9.根据权利要求8所述的RFID应答器，其中，第一标签和第二标签在相同谐振频率下与外部读取器进行通信。
10.根据权利要求8所述的RFID应答器，其中，第一标签和第二标签在不同谐振频率下与外部读取器进行通信。
11.一种RFID应答器，包括：
具有多个层的载体；
固定到所述载体的层的第一芯片；
第一天线，所述第一天线固定到所述载体的层并且直接电连接到所述第一芯片，所述第一天线包括主天线，所述主天线与次级天线直接串联电连接，所述次级天线限定第一区域；
固定到所述载体的层的第二芯片；以及
第二天线，所述第二天线固定到所述载体的层并且电连接到所述第二芯片，所述第二天线限定第二区域；
其中，所述第一区域和所述第二区域至少部分重叠，并且所述次级天线和所述第二天线被分离材料分离；以及
其中，所述第一天线和所述第二天线彼此固定到不同的层。
12.根据权利要求11所述的RFID应答器，其中，所述第一区域和所述第二区域具有不同的几何形状。
13.根据权利要求11所述的RFID应答器，其中，所述主天线和所述次级天线是具有不同间距的环状天线。
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