CN106537687A - 机动车辆中车载的用于与便携式元件的近场射频通信的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种与便携式元件的近场射频通信设备（D’），所述设备包括：·至少一个近场通信主天线（A0），其具有预定的通信频率（Fc），·电连接到所述主天线的微控制器（30’），其包括所述主天线的电流供电源以及通过所述主天线所接收的数据的接收单元（20’）。根据本发明，所述通信设备还包括：·至少一个无源中继天线（A1…A8）：‑与所述主天线并置，‑具有的中继频率（F1…F8）被包括在预定通信频率（Fc）周围且不同于通信频率（Fc）的值的范围中，‑电连接到数据接收单元，以及·中继频率调节装置（C4）。根据本发明的通信设备使得能够扩大通信设备的近场通信表面。

Description

机动车辆中车载的用于与便携式元件的近场射频通信的设备

技术领域

本发明涉及机动车辆中车载的用于与便携式元件的近场射频通信的设备。近场射频通信（或NFC“Near Field Communication（近场通信）”）是指其频率位于13.56MHz周围的通信。

背景技术

现今，越来越多的机动车辆配备有NFC技术。该NFC技术使得能够在短距离上并且因此以安全的方式、例如与免提访问标记或与便携式电话通信。当所述NFC技术被集成到免提访问系统时，所述技术使得能够标识所述标记或所述电话，作为与所述车辆相配对的。一旦实现了该认证，车辆的门窗被自动解锁，而无需用户在车门上的手动动作。所述技术还可以被集成到车辆中车载的感应充电设备。在该情况下，当便携式电话被置于感应充电设备的充电表面上并且被充电时，在所述电话和车辆电子系统之间可以实现通信。该通信除了别的之外尤其使得能够实现音频文件的下载，例如下载向车辆的多媒体系统。

NFC通信设备以与发射接收电子电路相关联的NFC平面天线的形式呈现。

在该NFC天线（称为主天线）和集成在便携式元件中的NFC天线（称为副天线）之间的数据通信的质量和效率主要取决于：

·两个天线相对于彼此的定位，对于有效通信的最优定位是这样的定位：其中这两个天线（主和副）在彼此之间定中心，并且平行，这允许最大的耦合，

·天线相对于彼此的大小，在这两个天线（主和副）具有基本上相同大小的时候获得最有效的NFC通信。

然而，副天线的大小根据便携式元件的类型（免提访问标记、便携式电话等等）而变化。

此外，对于相同类型的便携式元件，例如便携式电话，副天线的大小同样可能从一个便携式电话到另一个而显著变化。因此难以获得对于混同的所有类型的便携式元件（即混同的所有类型的副天线）的最大NFC通信质量和效率。

现有技术的NFC通信设备D在图1中被图示。主天线A0被布置在支承件10中，例如在感应充电设备中，或在对车辆的免提访问NFC读取器中。

主天线A0以设备的中心O为中心，其电气连接到NFC数据发射/接收电子电路20，所述NFC数据发射/接收电子电路20本身电连接到车辆上车载的电子管理单元O（其例如为BCM（或英语为“Body Control Module（主体控制模块）”）类型的）或电连接到微控制器30。

在图2上图示了从所述主天线A0发出的、沿着支承件10的Z轴（垂直于支承件10的轴）以及沿着支承件10的纵轴X（或横轴Y）并且在所述支承件10的一半长度1/2 L_S上的近场通信电磁场B。

清楚得出电磁场B的最大强度可在主天线的中心O处得到，并且电磁场B的强度在远离主天线A0的中心O时较小。

因此当便携式元件（在图1上未表示）被置于支承件10上时，它只在便携式元件中存在的所述副天线以主天线A0（即磁场B具有最大强度处）为中心的情况下接收到最优的近场通信。如果副天线相对于主天线A0（也就是说相对于中心O）处于偏心；或如果例如所述副天线具有比所述主天线A0更大的大小，则NFC通信的质量和效率降级。近场通信区因此受约束。

为了补救该问题，现有技术中已知的是在通信设备D中布置多个可调主天线，其各自连到一个或多个开关。当便携式元件被置于支承件10的充电表面上时，于是仅仅处于与副天线最对准的主天线A0经由与其相关联的开关而被激活。这些可调主天线A0还包括其大小的调节装置，例如用于选择构成它们的线圈的铜线的精确绕组数目的装置。这些调节装置使得能够根据副天线的大小而适配主天线的大小。因此，通过利用开关和大小调节装置（其可以是其它开关），主天线的定位和大小可以被适配以便确保与便携式元件的副天线的最优的通信质量和效率，并且近场通信区得以扩大。

然而，现有技术的该解决方案非常昂贵，因为其需要多个有源（即通过电流供电）主天线和多个开关。

发明内容

本发明提出了一种与便携式元件的近场通信设备，其不太昂贵，使得能够确保与副天线的最优的NFC通信效率和质量，而无论所述副天线的大小如何并且无论其与主天线相对的定位如何。

本发明提出了一种与便携式元件的近场射频通信设备，所述设备包括：

·至少一个近场通信主天线，其具有预定的通信频率，

·电连接到所述主天线的微控制器，其包括所述主天线的电流供电源以及由所述主天线接收的数据的接收单元，

本发明提出了所述通信设备还包括：

·至少一个无源中继天线：

-其与所述主天线并置，

-具有的中继频率被包括在预定通信频率周围且不同于通信频率的值的范围中，

-电连接到数据接收单元，以及

·中继频率调节装置。

因此，所述无源中继天线使得能够回收由所述主天线发射的电磁场的一部分并且进而在便携式元件的方向上生成电磁场。

所述无源中继天线具有较小的成本，因为其不通过电流被供电，不需要开关，也不需要所述开关的控制装置。其在此处涉及铜线的绕组线圈。

在优选的实施例中，所述至少一个无源中继天线具有与所述主天线的尺寸基本上相同的尺寸。

在第二实施例中，所述通信设备包括在主天线周围并置的多个无源中继天线。并且无源中继天线的中继频率彼此不同。

合理地，所述至少一个无源中继天线经由主天线而电连接到数据接收单元。

有利地，所述通信设备包括偶数数目的无源中继天线，并且

·所述主天线定义中心，并且被在所述中心处相交的纵轴和横轴穿过，并且

·所述无源中继天线关于所述两个轴对称地分布在主天线周围，并且

·中继频率关于所述两个轴对称地被赋予所述中继天线。

优选地，中继频率的值被包括在通信频率的-10%到+10%之间。

所述设备包括通信表面，主天线和所述至少一个无源中继天线的总表面至少基本上等于所述通信表面。

本发明还涉及包括根据以上阐明的特征中任一个的通信设备的机动车辆的任何门把手，并且还涉及被车载在机动车辆中的、包括根据以上阐明的特征中任一个的通信设备的任何感应充电设备。

最后，本发明适用于包括根据以上阐明的特征中任一个的通信设备的任何机动车辆。

附图说明

在阅读随后的描述并且在参阅附图时，本发明的其它特征和优点将显现，在所述附图中：

-图1示意性地表示了根据现有技术的近场通信设备D的俯视图，

-图2根据现有技术而表示了在图1的设备的半表面上、沿着Z轴的近场通信场，

-图3示意性地表示了根据本发明的近场通信设备D’的第一实施例的俯视图，

-图4根据本发明表示了在图3的设备的半表面上、沿着Z轴的近场通信场，

-图5示意性地表示了根据图3的通信设备的侧视图，

-图6示意性地表示了根据本发明的通信设备D”的第二实施例，

-图7示意性地表示了根据本发明的通信设备D’的无源中继天线A4。

具体实施方式

本发明提出了一种诸如在图3中所图示的近场射频通信设备D’。所述通信设备D’具有矩形的通信表面S。

通信设备D’包括主天线A0，所述主天线A0为中心为O的近场射频通信天线类型，被在中心O处相交的纵轴X和横轴Y穿过。所述主天线A0具有沿着纵轴的长度L和沿着横轴Y的宽度I。

与主天线A0并置的是至少一个无源中继天线。以纯解释性的目的，在图3上，多个无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8与主天线A0并置。

每个无源中继天线A1…A8被连接到NFC数据发射/接收电子电路20’，所述NFC数据发射/接收电子电路20’本身电连接到车载在车辆上的电子管理单元（例如为BCM（或英语为“Body Control Module（主体控制模块）”）类型的）或者电连接到微控制器30’。无源中继天线A1…A8可以要么直接连接到NFC数据发射/接收电子电路20’（如图3中所图示的），要么经由主天线A0间接连接到NFC数据发射/接收电子电路20’，所述主天线A0本身电连接到NFC数据发射/接收电子电路20’，在该后一情况中，无源中继天线A1…A8连接到主天线A0，所述主天线A0本身连接到NFC数据发射/接收电子电路20’。

所述主天线A0可以与现有技术中所使用的相同。所述主天线A0通过NFC数据发射/接收电子电路20’经由电流供电并且以大约13.56MHz的通信频率Fc发射电磁场B0。

在所述主天线A0的每一侧（参见图3）并置了无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8。“并置”意指以下事实：即主天线A0被无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8围绕，所述无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8全部彼此并置并且还与所述主天线A0并置。

在本发明的优选实施例中，每个无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8具有与主天线A0的尺寸基本上相同的尺寸，即长度L且宽度I。然而，根据本发明，无源中继天线A1…A8还可以具有与主天线A0的尺寸不同的尺寸。

在图3中所图示的实施例中，主天线A0具有方形形状，但是其还可以具有另一形状，例如圆形、矩形或六边形。

以纯解释性的目的，在图7上表示了单个无源中继天线A4，为矩形形状，其尺寸、宽度I4和长度L4分别与主天线A0的宽度I和长度L相同。无源中继天线A4由线圈构成，所述线圈包括与主天线A0的铜线绕组的数目N0相等的铜线绕组数目N4。

在图6上图示的第二实施例中，主天线A0”是矩形的。无源中继天线A1”、A2”和A3”也是矩形的（并具有相等尺寸）并且并置在所述主天线A0的仅一侧上。

优选地，由主天线A0（相应地A0”）和无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8（相应地A1”、A2”、A3”）占据的总表面至少基本上等于通信设备D’（D”）的通信表面S（相应地S”）。

所述中继天线A1…A8被称为“无源”的，因为它们不经由NFC数据发射/接收电子电路20’经由电流供电。它们由包括铜线绕组的线圈构成，并且不连接到电流供电源，这与主天线A0相反，所述主天线A0经由NFC数据发射/接收电子电路20’连接到电流供电源。

所述通信设备D’对于每个无源中继天线A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8还包括频率调节装置，以便将每个无源中继天线的频率、称为中继频率F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8（参见图3）调节到被包括于在13.56MHz的通信频率Fc周围但是不同于所述通信频率Fc的值的范围中的值。例如，无源中继天线的中继频率F1…F8可以等于13.9MHz、14.5MHz、14.7MHz。优选地，中继频率F1…F8的值位于值等于通信频率Fc加或减10%的值范围中，也就是说在12MHz和15MHz之间。在一个实施例中，中继频率F1…F8彼此完全不同。

这些频率调节装置可以例如包括电连接到无源中继天线A1…A8的每个线圈的电容（参见图7中连接到无源中继天线A4的电容C4）。这些对中继频率F1…F8的调节装置由本领域技术人员已知并且将不在此详述。

在优选的实施例中，所述通信设备D’包括偶数数目的无源中继天线A1…A8，并且无源中继天线A1…A8关于纵轴X和横轴Y对称地分布在主天线A0周围（参见图3）并且中继频率F1…F8关于所述两个轴X、Y对称地被赋予所述无源中继天线A1…A8，更准确地如图3上所图示的，F1=F3=F6=F8并且F2=F7并且F4=F5。

当然，通信设备D’可以包括奇数数目的无源中继天线A1…Ai，其分布在主天线A0周围。在该情况下，难以确保中继频率F1…Fi的值关于所述两个轴X、Y的对称性，并且因此在通信设备D’的通信表面S上的磁场将也不关于所述两个轴X、Y对称，也不在通信表面S之上均质。

因此优选利用偶数数目的无源中继天线A1..A8。

本发明在于以下事实：即由主天线A0发射的电磁场B0通量的一部分、大约20%从所述天线的每一侧消散，并且因此不可用于便携式元件（未表示出）的感应充电。本发明合理地提出通过在主天线A0的每一侧布置无源中继天线A1…A8来再循环该部分的电磁场B0通量F（参见图5）。在图5上，以解释性目的而只表示了两个无源中继天线：A4和A5，其位于主天线A0的沿着纵轴X的每一侧。

无源中继天线A4、A5各自接收该部分的电磁场B0通量F（即：例如大约20%）。如此接收的通量F在无源中继天线A4、A5的每个线圈中生成电流，所述电流进而在所述无源中继天线A4、A5的每一个中生成电磁场B4、B5。这些电磁场B4、B5以与主天线A0的电磁场B0相同的方向而取向，也就是说，指向便携式元件，并且具有的值在强度上小于或等于主天线A0的电磁场B0。

因此，如果：

F=0.2×B0，

那么：

B4=B5≤B0。

其中：

F：起自主天线A0所产生的电磁场B0的损耗的通量部分，

B4：由无源中继天线A4产生的电磁场，

B5：由无源中继天线A5产生的电磁场。

事实上，由于中继天线A1…A8的中继频率F1…F8基本上等于主天线A0的通信频率Fc，所述无源中继天线A1..A8谐振以用于NFC通信。通过适配它们以用于获得最优的质量因子（例如通过添加电阻或通过修改构成它们的线圈的铜线的厚度），无源中继天线A1…A8于是起到电磁场放大器的作用。所述无源中继天线A1…A8接收主天线A0的电磁场B0的损耗的通量F的部分，并且对其进行放大，它们进而发射放大的电磁场B4、B5，具有的值等于或略小于主天线A0的电磁场B0的值（例如80%×B0）。

为了使通过无源中继天线A4、A5产生的电磁场B4、B5基本上具有与主天线A0的电磁场B0相同的值，无源中继天线A4、A4的尺寸优选地基本上等于主天线A0的尺寸。这使得能够确保在通信表面S之上均质的电磁场。

同样重要的是，无源中继天线A1…A8的中继频率F1…F8不严格等于主天线A0的通信频率Fc（13.56MHz）。事实上，如果中继频率F1…F8具有与主天线A0的通信频率Fc相等的值，那么无源中继天线A1…A8电磁地耦合到主天线A0，这结果使主天线A0失配，也就是说使其通信频率Fc岔开得远离值13.56MHz，并且影响其运转。所述主天线A0的通信效率和质量于是被降级。通过使中继频率F1…F8在主天线A0的通信频率Fc周围略微岔开，无源中继天线A1…A8总是在近场通信的频带中（在13.56MHz周围）发射，但是不干扰主天线A0的运转，所述主天线A0依然是通信设备D’的主要通信天线。

无源中继天线A1…A8的存在因此使得能够再循环主天线A0的电磁场B0的通量F的部分（其在现有技术中被损耗），以便在通信设备D’的通信表面S上生成其它电磁场。这些电磁场使得能够与置于通信设备D’上的便携式元件通信，尽管它没有与主天线A0对准。

通信设备D’的与便携式元件的通信表面因此根据本发明相对于现有技术的通信表面被扩大。

便携式元件根据本发明可以被置于通信设备D’上，独立于主天线A0的定位，而同时确保在通信设备D’和便携式元件之间的最优通信，也就是说有效且有品质。

当然，本发明不限于所述实施例。可以使用不同几何结构的主天线（并且因此不同几何结构的无源中继天线）。无源中继天线例如可以构成仅仅位于主天线的单侧上的一排（参见图6）。本发明不限于以13.56MHz的近场通信，而是扩展到任何高频无线电通信，其同样适用于例如具有等于6MHz的充电频率的A 4WP（“Alliance for Wireless Power（用于无线电力的联盟）”或alliance pour le chargement inductif sans fil（用于无线感应充电的联盟）的缩写）类型的感应充电天线。

Claims (10)

1.一种与便携式元件的近场射频通信设备（D’），所述设备包括：

·至少一个近场通信主天线（A0），其具有预定的通信频率（Fc），

·电连接到所述主天线（A0）的微控制器（30’），其包括所述主天线（A0）的电流供电源以及通过所述主天线（A0）所接收的数据的接收单元（20’），

所述通信设备（D’）的特征在于其此外包括：

·至少两个无源中继天线（A1…A8），其各自具有与主天线（A0）的尺寸基本上相同的尺寸：

-位于主天线（A0）的每一侧并且与所述主天线（A0）并置，

-具有的中继频率（F1…F8）各自被包括在预定通信频率（Fc）周围且不同于预定通信频率（Fc）的值的范围中，

-电连接到数据接收单元（20’），以及

·中继频率调节装置（C4）。

2.根据前项权利要求所述的通信设备（D’），其特征在于所述通信设备包括并置在主天线（A0）周围的多个无源中继天线（A1…A8）。

3.根据前项权利要求所述的通信设备（D’），其特征在于无源中继天线（A1…A8）的中继频率（F1…F8）彼此不同。

4.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备（D’），其特征在于所述至少一个无源中继天线（A1…A8）经由主天线（A0）电连接到数据接收单元（20’）。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的通信设备（D’），其特征在于：

·所述通信设备（D’）包括偶数数目的无源中继天线（A1…A8），并且

·所述主天线（A0）具有中心（O），并且被在所述中心（O）处相交的纵轴（X）和横轴（Y）穿过，并且

·所述无源中继天线（A1…A8）关于所述两个轴（X,Y）对称地分布在主天线（A0）周围，并且

·中继频率（F1…F8）关于所述两个轴（X,Y）对称地被赋予所述中继天线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备（D’），其特征在于中继频率的值被包括在通信频率（Fc）的-10%和+10%之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备（D’），其特征在于所述通信设备包括通信表面（S）并且在于主天线（A0）和所述至少一个无源中继天线（A1…A8）的总表面至少基本上等于通信表面（S）。

8.一种机动车辆门把手，其包括根据前述权利要求中任一项所述的通信设备。

9.一种被车载在机动车辆中的感应充电设备，其包括根据前述权利要求中任一项所述的通信设备。

10.一种机动车辆，其包括根据前述权利要求中任一项所述的通信设备。