CN106374209A - 一种贴片式nfc天线及天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式NFC天线，包括磁芯、第一电介质层、第一线圈和第二线圈，所述第一电介质层与所述磁芯层叠设置，所述第一线圈缠绕在所述磁芯的外表面上，所述第一电介质层远离所述磁芯的一面为第一表面，所述第二线圈设置在所述第一表面上，所述第一线圈和第二线圈分别包括首端和尾端，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的首端电连接。本发明提供的一种贴片式NFC天线，将第二线圈设置在介质层上，使第一线圈与第二线圈被隔离开，可防止第一线圈产生的磁场减弱第二线圈产生的磁场大小，使得第二线圈产生的磁场较大，从而使NFC天线不仅具有较小的尺寸，而且具有较好的天线性能。

Description

一种贴片式NFC天线及天线系统

技术领域

本发明涉及NFC天线技术领域，尤其涉及一种贴片式NFC天线及天线系统。

背景技术

近场通讯(Near Field Communication，NFC)是一种利用磁场感应收发电磁波实现电子设备之间进行近距离通信的无线通讯技术。这种技术可以为消费者提供简单直观的信息交换、内容访问与服务。由于NFC技术的这种特殊性，近期NFC得到了越来越广泛的重视，并且该技术已经被应用于移动设备、PC、以及智能控件等设备中。

在传统的NFC手持设备的应用中，一般选择将NFC天线辐射体放在电池上面，同时为了减少电池上产生的与天线本身电流方向相反的涡流对NFC天线的负面影响，需要在NFC天线线圈和电池中间放置一层能把天线线圈与电池隔离开的铁氧体。为了保证NFC天线的性能，使用该设计方案的NFC天线必须满足一定的尺寸要求。由于该传统NFC天线方案的天线尺寸较大，故而不能满足手持设备小型化的需求。

为了达到减少NFC天线尺寸的目的，日本株式会社村田制作所在公开号为CN103620869A的中国发明专利中提出了一种小型的贴片式NFC天线解决方案。并且在公开号为CN102959800B的中国发明专利中展示了该方案在实际通信设备中的具体应用。与传统NFC天线方案相比，该方案的最大不同之处是把传统的尺寸较大的NFC天线线圈以螺旋的方式绕置在尺寸很小的铁氧体芯体周围，形成螺线管型天线。通过把该小尺寸NFC天线单体放置在金属板(或PCB板)上方并与之进行有效的耦合，在金属板上激发出有正面作用的涡流，进而增强整个天线系统(也即包括贴片NFC天线和金属板)的性能。虽然与传统的大尺寸NFC天线方案相比，村田提出的NFC天线方案在天线尺寸方面有了巨大的改进。但是该贴片天线有一个缺点：当该天线单体被放置在PCB或金属板上时，由于天线线圈在铁氧体上的特殊绕行方式，使得天线本身产生磁场的主要方案与其在金属板上激发的有效涡流产生的磁场相互垂直正交。这种在磁场方向上的相互垂直正交使得整个天线系统的性能不是很好。

为了提高NFC天线的性能，申请号为201610076899.4的中国发明专利公开了一种正交绕线型贴片式NFC天线及天线系统，包括由若干层片状铁氧体单元层叠而成的沿XY平面延伸的铁氧体芯体，及正交环绕于铁氧体芯体的NFC天线的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈沿-X或+X轴方向螺旋缠绕，所述第二线圈沿上下方向的+Z或-Z轴螺旋缠绕，所述第二线圈的尾端与所述第一线圈的首端连接。该专利公开的正交绕线型贴片式NFC天线，通过B1和B2的叠加可使NFC天线的性能具有一定的提高。但是，由于第二线圈的每一圈都与第一线圈交叉设置，第一线圈产生的水平方向磁场与第二线圈产生的竖直方向的磁场会发生较强的反向耦合，使得第二线圈的磁场减弱，该种设置方式并不能使天线与金属板达到最佳的匹配状态。

因此，有必要对上面所述的贴片式NFC天线进行改进，开发出一种不仅具有小尺寸而且同时具有能与在金属板上激发的涡流产生的磁场达到最佳匹配的高性能贴片式NFC天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种同时具有小尺寸和高性能的贴片式NFC天线，进一步地提供一种天线系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种贴片式NFC天线，包括磁芯、第一电介质层、第一线圈和第二线圈，所述第一电介质层与所述磁芯层叠设置，所述第一线圈缠绕在所述磁芯的外表面上，所述第一电介质层远离所述磁芯的一面为第一表面，所述第二线圈设置在所述第一表面上，所述第一线圈和第二线圈分别包括首端和尾端，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的首端电连接。

一种天线系统，包括基板、金属板和贴片式NFC天线，所述金属板设置在所述基板上，所述贴片式NFC天线设置在所述金属板上。

本发明的有益效果在于：

(1)第一线圈绕设在磁芯的外表面上，第二线圈设置在第一电介质层上，第一电介质层将第一线圈与第二线圈完全隔离开，使得第一线圈产生的磁场与第二线圈产生的磁场之间的反向耦合作用减小，第一线圈产生的磁场对第二线圈产生的磁场的作用较小，进而使第二线圈产生的磁场不会减弱，使天线达到高性能的效果。

(2)将贴片式NFC天线设置在金属板上后，第一线圈的存在，使金属板上产生涡流回路，金属板上的涡流回路产生的磁场与第二线圈产生的磁场产生正向叠加，从而可增强整体天线系统的性能。

附图说明

图1为本发明实施例的贴片式NFC天线的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的贴片式NFC天线的分解结构示意图；

图3为本发明实施例的贴片式NFC天线只有第一线圈时的结构示意图；

图4为本发明实施例的贴片式NFC天线只有第二线圈时的结构示意图；

图5为图3中贴片式NFC天线只有第一线圈时在金属板上方Z＝20mm处的磁场Hz分量分布图；

图6为图4中贴片式NFC天线只有第二线圈时在金属板上方Z＝20mm处的磁场Hz分量分布图；

图7为本发明实施例的贴片式NFC天线在金属板上方Z＝20mm处的磁场Hz分量分布图；

图8为本发明实施例的天线系统的工作原理图；

图9为本发明实施例的天线系统在金属板上方Z＝20mm处的磁场Hz分量分布图；

图10为本发明实施例的天线系统只有第一线圈时在金属板上方Z＝20mm处的磁场Hz分量分布图。

标号说明：

1、磁芯；2、第一电介质层；21、第一表面；3、第一线圈；4、第二线圈；5、第二电介质层；51、第一过孔电极；52、第二过孔电极；61、第一电极；62、第二电极；7、基板；8、金属板。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：第二线圈设置在磁芯外的第一电介质层上，使第一线圈与第二线圈的反向耦合作用较小，从而可提高天线的性能。

请参阅图1至图7，一种贴片式NFC天线，包括磁芯1、第一电介质层2、第一线圈3和第二线圈4，所述第一电介质层2与所述磁芯1层叠设置，所述第一线圈3缠绕在所述磁芯1的外表面上，所述第一电介质层2远离所述磁芯1的一面为第一表面21，所述第二线圈4设置在所述第一表面21上，所述第一线圈3和第二线圈4分别包括首端和尾端，所述第一线圈3的尾端与所述第二线圈4的首端电连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：第一线圈绕设在磁芯的外表面上，第二线圈设置在第一电介质层上，第一电介质层将第一线圈与第二线圈完全隔离开，使得第一线圈产生的磁场与第二线圈产生的磁场之间的反向耦合作用减小，第一线圈产生的磁场对第二线圈产生的磁场的作用较小，进而使第二线圈产生的磁场不会减弱，使天线达到更高性能的效果。

进一步地，所述第二线圈4围绕所述第一表面21的中心设置在所述第一表面21上。

由上述描述可知，第二线圈是贴设在第一表面上，并从第一表面的外侧向第一表面的内侧绕设。

进一步地，所述第一线圈3和第二线圈4的匝数分别为两圈以上。

由上述描述可知，第一线圈与第二线圈的匝数大于两圈时，天线的性能更好，实际设计时，可根据天线的具体尺寸进行设计。

进一步地，所述第二线圈4与第一线圈3的匝数比为0.2-0.4。

由上述描述可知，天线的整体性能与第二线圈的窗口面积大小有关，理论上，第二线圈的匝数越多，天线的性能越好，但是当第二线圈的匝数较多，窗口面积较小时，会减弱天线的性能，因此，当第二线圈与第一线圈的匝数比为0.2-0.4时，可使天线具有较优的性能。

进一步地，所述第一线圈3沿磁芯1的长度方向或宽度方向螺旋缠绕在所述磁芯1上。

进一步地，还包括第二电介质层5和电极，所述第一电介质层2、磁芯1和第二电介质5层依次层叠设置，所述电极设置在所述第二电介质层5远离所述磁芯1的一面，所述电极包括第一电极61和第二电极62，所述第二线圈4的尾端与所述第一电极61电连接，所述第一线圈3的首端与所述第二电极62电连接。

由上述描述可知，设置第一电极和第二电极，第一线圈和第二线圈通过第一电极和第二电极与外部进行电连接。

进一步地，所述第二电介质层5上设有第一过孔电极51和第二过孔电极52，第二线圈4的尾端通过所述第一过孔电极51与所述第一电极61电连接，所述第一线圈3的首端通过所述第二过孔电极52与所述第二电极62电连接。

请参阅图8至图10，一种天线系统，包括基板7和金属板8，所述金属板8设置在所述基板7上，还包括上述的贴片式NFC天线，所述贴片式NFC天线设置在所述金属板8上。

由上述描述可知，将贴片式NFC天线设置在金属板上后，第一线圈的存在，使金属板上产生涡流回路，金属板上的涡流回路产生的磁场与第二线圈产生的磁场产生正向叠加，从而可增强整体天线系统的性能。

进一步地，所述贴片式NFC天线全部设置于所述金属板8上。

由上述描述可知，贴片式NFC天线全部设置于金属板上，位于金属板上的第一线圈与金属板耦合，使金属板上产生涡流回路，涡流回路产生的磁场与第二线圈产生的磁场进行叠加，以增强天线的整体性能。

进一步地，所述贴片式NFC天线部分设置于所述金属板8上。

由上述描述可知，天线系统的性能好坏取决于第一线圈产生的磁场B1和第二线圈产生的磁场B2之和的大小。虽然第一线圈完全位于金属板上(或内侧)时，第一线圈与金属板的耦合最强，使涡流回路产生的磁场B1最大。但是，此时第二线圈产生的磁场B2较弱，因为磁场B2的一部分将被金属板隔离掉。因此为了保证天线系统的整体性能，应该考虑如何使得B1和B2之和达到最大，也即应将第一线圈的50-80％的部分放置在金属板的内侧上。

请参照图1至图10，本发明的实施例一为：

一种天线系统，包括基板7、金属板8和上述的贴片式NFC天线，金属板8设置在基板7上，贴片式NFC天线设置在金属板8上。

贴片式NFC天线包括磁芯1、第一电介质层2、第一线圈3、第二线圈4和第二电介质层5，第一电介质层2、磁芯1和第二电介质层5依次层叠设置。

第一线圈3沿磁芯1的周向螺旋缠绕在磁芯1的外表面上，同时第一线圈3沿磁芯1的长度方向或宽度方向螺旋设置。第一电介质层2远离所述磁芯1的一面为第一表面21，第二线圈4围绕第一表面21的中心沿第一表面21的外侧至内侧的方向螺旋绕设在在第一表面21上。第一线圈3与第二线圈4垂直设置。第一线圈3和第二线圈4的匝数分别为一圈或多圈。第二线圈4与第一线圈3的匝数比为0.2-0.4。

所述第一线圈3和第二线圈4分别包括首端和尾端，所述第一线圈3的尾端与所述第二线圈4的首端电连接。

第二电介质层5远离磁芯1的一面设有电极，电极包括第一电极61和第二电极62，第二线圈4的尾端与第一电极61电连接，第一线圈3的首端与第二电极62电连接。

第二电介质层5上还设有第一过孔电极51和第二过孔电极52，第二线圈4的尾端通过第一过孔电极51与第一电极61电连接，第一线圈3的首端通过第二过孔电极52与第二电极62电连接。第一过孔电极51对应第一电极61设置，第二过孔电极52对应第二电极62设置。

磁芯1为长方体结构的铁氧体，也可为现有的其他结构，如正方体等，且磁芯1的磁导率大于100。

如图1所示，长方体结构的磁芯1包括上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面，第一线圈3沿上表面、左表面、下表面、右表面的方向螺旋缠绕在磁芯1上，磁芯1的长度方向为X轴，磁芯1的宽度方向为Y轴，磁芯1的高度方向为Z轴。第二线圈4在第一电介质层2的第一表面21上绕行。图1和图2中第一线圈3和第二线圈4上的箭头分别为第一线圈3和第二线圈4的电流方向。当第一线圈3和第二线圈4按照上述的方式绕行和连接时，第一线圈3产生水平方向的磁场分量，第二线圈4产生竖直方向的磁场分量。

本实施例中，磁芯1的尺寸为6mm(长)x3mm(宽)x0.8mm(高)，第一线圈3的匝数为13；第二线圈4的匝数为3，第一电介质层2和第二电介质层5的厚度分别为0.1mm。

如图5所示，对于图3中只具有第一线圈3的NFC天线而言，第一线圈3在磁芯1上方的平面上的磁场分量构成振幅绝对值相等(绝对值相等是因为天线结构是对称的)的正负数两个模式。如图6所示，对于图4中只具有第二线圈4的NFC天线而言，第二线圈4的磁场分量构成振幅为正的一个模式。如图7所示，对于同时具有第一线圈3和第二线圈4的NFC天线，磁场分量构成振幅绝对值不等的正负两个模式，而且振幅为正值的模式的性能比振幅为负值的模式的性能强。事实上，形成图7所示的特殊模式的原因是由于图5中的具有正负振幅的两个模式和图6中的只具有正振幅的一个模式在空间中相互有效叠加的结果。这种磁场在空间中的有效叠加恰好正是本案所提出的双环绕线的贴片式NFC天线的工作原理。

并且，由于第一线圈3与第二线圈4被第一电介质层2完全隔开，磁芯1的磁导率远大于第一电介质层2，使得第一线圈3产生的磁通大部分会经过磁芯1，只有很少的部分会经过第一电介质层2，第一线圈3产生的磁场与第二线圈4产生的磁场的反向耦合作用较小，第一线圈3不会减弱第二线圈4的磁场分量大小，使得第二线圈4的磁场分量较大，贴片式NFC天线在近场通信过程中，当竖直方向的磁场分量较大时，NFC天线的性能较好，因此可增大天线的性能。

第二线圈4直接设置在第一电介质层2上，还可使第二线圈4的加工制作更方便，从而可简化整个NFC天线的制作工艺。

将贴片式NFC天线按图8所示的方式放置在金属板8上后，在金属板8上将产生对贴片式NFC天线而言有效的涡流，使得金属板8成为贴片式NFC天线的放大器，进而增大贴片式NFC天线的性能。虽然贴片式NFC天线可以被放置在金属板8上方的任何位置上，但是为了优化天线系统的性能，应当使贴片式NFC天线的50-80％设置于金属板8上，从而使金属板8上被激发的涡流强度最大。如图8所示，第一线圈3产生磁场分量A1，第二线圈4产生磁场分量B1，金属板8上的涡流回路产生磁场分量B2，如图9所示，磁场分量B1、B2和A1的有效结合增强了整体天线系统的性能。对比图9和图10可知，同时具有第一线圈3和第二线圈4的天线系统比只具有第一线圈3的天线系统的性能有很大的提升。

需要指出的是，当NFC天线单体的长、宽、高的比例以及第一线圈3的匝数固定时，NFC天线的性能将随着第二线圈4的匝数的增加而增强，因为此时第二线圈4所产生的磁场B2将增加，在增大第二线圈4的匝数时，还需考虑第二线圈4的窗口面积，第二线圈4的窗口面积较小时会导致NFC天线的性能降低，因此第二线圈4的匝数并不能无限增大。当NFC天线单体的长、宽、高的比例有所变化但第一线圈3和第二线圈4的匝数不变时，天线性能的提升将随着这个比例的变化而变化；比如当长和宽的比例较小或者高度有所增加时，相对而言第二线圈4所产生的磁场B2的将有所增加，因此天线系统性能的提升比例将会更高。此外，图9和图10为图8中的贴片式NFC天线被放置在金属板8+X方向边缘上的情况。但是如前所述，本案的贴片式NFC天线具有方向性，因此如果贴片式NFC天线是被放置在金属板8的其它边缘上时，比如-X方向的边缘上，那么贴片式NFC天线需要旋转180度，因为只有这样才能保证金属板8上涡流产生的磁场方向与第二线圈4产生的磁场方向是同向的，进而达到同向叠加的目的。总之，一定要保证金属板8涡流所产生磁场B1的方向与第二线圈4所产生磁场B2的方向相同。为了避免在实际应用中出错，可以像大部分芯片一样，在贴片式NFC天线的上表面的一个角上打印一个标记点。

综上所述，本发明提供的一种贴片式NFC天线，将第二线圈设置在介质层上，使第一线圈与第二线圈被隔离开，可防止第一线圈产生的磁场减弱第二线圈产生的磁场大小，使得第二线圈产生的磁场较大，从而使NFC天线不仅具有较小的尺寸，而且具有较好的天线性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种贴片式NFC天线，其特征在于，包括磁芯、第一电介质层、第一线圈和第二线圈，所述第一电介质层与所述磁芯层叠设置，所述第一线圈缠绕在所述磁芯的外表面上，所述第一电介质层远离所述磁芯的一面为第一表面，所述第二线圈设置在所述第一表面上，所述第一线圈和第二线圈分别包括首端和尾端，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的首端电连接。

2.根据权利要求1所述的贴片式NFC天线，其特征在于，所述第二线圈围绕所述第一表面的中心设置在所述第一表面上。

3.根据权利要求1所述的贴片式NFC天线，其特征在于，所述第一线圈和第二线圈的匝数分别为两圈以上。

4.根据权利要求1所述的贴片式NFC天线，其特征在于，所述第二线圈与第一线圈的匝数比为0.2-0.4。

5.根据权利要求1所述的贴片式NFC天线，其特征在于，所述第一线圈沿磁芯的长度方向或宽度方向螺旋缠绕在所述磁芯上。

6.根据权利要求1所述的贴片式NFC天线，其特征在于，还包括第二电介质层和电极，所述第一电介质层、磁芯和第二电介质层依次层叠设置，所述电极设置在所述第二电介质层远离所述磁芯的一面，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第二线圈的尾端与所述第一电极电连接，所述第一线圈的首端与所述第二电极电连接。

7.根据权利要求6所述的贴片式NFC天线，其特征在于，所述第二电介质层上设有第一过孔电极和第二过孔电极，第二线圈的尾端通过所述第一过孔电极与所述第一电极电连接，所述第一线圈的首端通过所述第二过孔电极与所述第二电极电连接。

8.一种天线系统，包括基板和金属板，所述金属板设置在所述基板上，其特征在于，还包括权利要求1-7任意一项所述的贴片式NFC天线，所述贴片式NFC天线设置在所述金属板上。

9.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述贴片式NFC天线全部设置于所述金属板上。

10.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述贴片式NFC天线部分设置于所述金属板上。