CN107069185A - 用于近场通信的天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于近场通信的天线。该天线包括：铁氧体片；天线线圈，形成在该铁氧体片上并且包括第一子线圈和多个第二子线圈，其中，该第一子线圈是该天线线圈的内层子线圈；以及无源增强器，形成在该铁氧体片上；其中，该无源增强器在平面上的投影与该第一子线圈所包围的区域在该平面上的投影不重叠；其中，该无源增强器在该平面上的投影与该多个第二子线圈所占据的区域在该平面上的投影重叠，并且与该铁氧体片在该平面上的投影重叠。本发明通过无源增强器来感应出与天线线圈的线圈电流所感应的磁场进行叠加的附加磁场，增强了NFC天线的磁场并相应地改善了天线的性能。
Description
技术领域
本发明涉及近场通信(Near Field Communication，NFC)天线，尤其是涉及具有增强磁场的NFC天线。
背景技术
近场通信(Near Field Communication，NFC)是用于电子设备间彼此靠近(通常是0至5厘米)时建立互相通信的基于标准的短距离无线连接技术。可以在NFC设备之间进行NFC，也可以在NFC设备与无供电的NFC设备(也称为标签或类似于射频识别(Radio-Frequency Identification，RFID)标签)之间进行NFC。
NFC天线相当于电子设备上基于相互耦合操作在低频(长波长)的电感器。一般来说，NFC天线的更大的电感值会为其带来更多磁通量。通常情况下，绕着材料的一圈导线在线圈内提供强磁场。因此，NFC天线通常是占电子设备所允许的尽可以多表面积的多圈导线(loops of wire)或线圈(coil)。
因此，如何增强NFC天线产生的磁场已成为本行业的一个重要议题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于近场通信的天线以解决上述问题。
根据至少一个实施方式，提供了一种用于近场通信的天线，该天线包括：铁氧体片；天线线圈，形成在该铁氧体片上并且包括第一子线圈和多个第二子线圈，其中，该第一子线圈是该天线线圈的内层子线圈；以及无源增强器，形成在该铁氧体片上；其中，该无源增强器在平面上的投影与该第一子线圈所包围的区域在该平面上的投影不重叠；其中，该无源增强器在该平面上的投影与该多个第二子线圈所占据的区域在该平面上的投影重叠，并且与该铁氧体片在该平面上的投影重叠。
本发明利用了无源增强器来感应出与天线线圈的线圈电流所感应的磁场进行叠加的附加磁场，增强了NFC天线的磁场并相应地改善了天线的性能。
在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
图1例示了NFC天线和相应的天线线圈电流方向以及感应的磁场方向。
图2根据本发明的实施方式例示了NFC天线和相应的天线线圈电流方向以及感应的磁场方向。
图3和图4例示了图2所示的NFC天线的各种实现方式的侧视图。
图5至图21根据本发明的各种实施方式例示了具有无源增强器的NFC天线的透视图。
具体实施方式
本发明所附图示的实施例或例子将如以下说明。本发明的范围并非以此为限。本领域技术人员应当明白在不脱离本发明的精神和架构的前提下，当可作些许更动、替换和置换。
本发明的技术术语是基于本发明的技术领域的一般定义。如果本发明中对某些术语进行了描述或解释，则该术语的定义基于本发明的描述或解释。在本发明可以的实施方式中，元件之间的关系包括直接关系或间接关系。
本发明中每个实施方式都有一个或多个技术特征。然而并不意味着实现本发明需要任一实施方式中的所有技术特征。换言之，在可以的实现方式中，本领域技术人员可以选择性地实施任一实施方式中的部分或全部技术特征，或者选择性地组合本发明的实施方式中的部分或全部技术特征。
图1例示了NFC天线10和相应的天线线圈电流方向以及感应的磁场方向。NFC 10天线可以连接到具备NFC功能的电子设备的无线通信模块，以与具备NFC功能的另一个电子设备进行NFC通信。NFC天线10包括天线线圈12和铁氧体片14。天线线圈12包括多个子线圈、两个馈送迹线(feed trace)T_fd1和T_fd2。多个子线圈可以包括第一子线圈、多个第二子线圈和第三子线圈，第一子线圈可以是天线线圈12的内层子线圈(inner sub-coil)，第三子线圈可以是天线线圈12的外层子线圈(outer sub-coil)，第二子线圈可以是内层子线圈和外层子线圈之间的子线圈。两个馈送迹线T_fd1和T_fd2(也可称为第一迹线和第二迹线)连接到用以馈送射频信号的两个馈电点，其中射频信号可以是单端信号或差分信号。例如，两个馈送迹线其中之一连接到馈电点并且另一个馈送迹线连接到地，用于单端射频网络应用；两个馈送迹线分别连接到两个馈电点，用于差分射频网络应用。天线线圈12可以通过互耦操作为电感器进行无线通信。
在图1中，馈送迹线T_fd1连接到天线线圈12的外层子线圈，馈送迹线T_fd2连接到天线线圈12的内层子线圈，并且假定天线线圈电流是顺时针。根据右手法则，天线线圈电流所感应的磁场指向图1的背面(background)，例如-Z方向。在一个实施方式中，馈送迹线T_fd2可以连接到外层子线圈，馈送迹线T_fd1连接到内层子线圈，因而天线线圈电流指向逆时针，天线线圈电流所感应的磁场由图1的背面指向外，即，+Z方向。换句话讲，馈送迹线T_fd1可以连接到外层子线圈或内层子线圈，馈送迹线T_fd2可以连接到内层子线圈或外层子线圈。
图2根据本发明的实施方式例示了NFC天线20和相应的天线线圈电流方向以及感应的磁场方向。NFC天线20包括天线线圈12、铁氧体片24和无源增强器(passive booster)21。无源增强器21包括导电片(conductive sheet)21L和21R。
假定天线线圈12的左边部分的线圈电流指向+Y方向，天线线圈12的右边部分的线圈电流指向-Y方向。根据NFC天线20的结构，可以在无源增强器21和天线线圈12之间感应出相互耦合。根据楞次定律(Lenz’s law)，导电片21L的右边部分上感应的线圈电流(例如-Y方向)与天线线圈12的左边部分上的线圈电流方向相反，因此导电片21L上感应的线圈电流为顺时针。导电片21R的左边部分上感应的线圈电流(例如+Y方向)与天线线圈12的右边部分上的线圈电流方向相反，因此导电片21R上感应的线圈电流为顺时针。因此，天线线圈12和导电片21L和21R上的线圈电流感应的磁场都指向图2的背面(即，-Z方向)。由于天线线圈12和导电片21L和21R上的线圈电流感应的磁场指向相同方向，他们可以相互叠加，使得NFC天线20的有效磁场大于NFC天线10的磁场。换句话讲，导电片21L和21R作为无源增强器，用于增加NFC天线20的磁场，提高天线的性能。
铁氧体片24的面积远远大于天线线圈12的面积。导电片21L的右边缘与天线线圈12的内层子线圈对齐，导电片21L的上边缘、下边缘和左边缘在铁氧体片24的区域内。同样地，导电片21R的左边缘与天线线圈12的内层子线圈对齐，导电片21R的上边缘、下边缘和右边缘在铁氧体片24的区域内。在其他实施方式中，图2所示的导电片21L的右边缘也可以位于天线线圈12的内层子线圈与外层子线圈之间，即与天线线圈12在X-Y平面上的投影重叠，导电片21L的上边缘、下边缘和左边缘在铁氧体片24的区域内；以及导电片21R的左边缘也可以位于天线线圈12的内层子线圈与外层子线圈之间，即与天线线圈12在X-Y平面上的投影重叠，导电片21R的上边缘、下边缘和右边缘在铁氧体片24的区域内。换句话讲，导电片21L和21R在X-Y平面上的投影与天线线圈12的内层子线圈包围的区域在X-Y平面上的投影没有重叠，导电片21L和21R在X-Y平面上的投影位于铁氧体片24在X-Y平面上的投影内。
具体地，如果导电片与天线线圈12的内层子线圈包围的区域在X-Y平面上的投影重叠，则感应的磁场从图2的背面指向外(即，+Z方向)，这将消除天线线圈12上的线圈电流12感应的部分磁场。因此，导电片21L和21R在X-Y平面上的投影不应当与天线线圈12的内层子线圈包围的区域在X-Y平面上的投影重叠。另一方面，如果导电片21L和21R在X-Y平面上的投影位于铁氧体片24在X-Y平面上的投影内，导电片21L和21R引起的磁通量(magneticflux)可以分布在铁氧体片24在X-Y平面上的投影内，这将使得导电片21L和21R感应的磁场最大化。
简言之，本发明利用无源增强器21感应出与天线线圈12的线圈电流所感应的磁场相叠加的附加磁场，增加了NFC天线20的磁场，因此提高了天线的性能。本领域技术人员可以进行相应修改和改变，并不仅仅局限于本发明的实施方式。
图3和图4例示了图2所示的NFC天线20的各种实现方式的侧视图。在图3中，铁氧体片24形成在底部，天线线圈12形成在铁氧体片24上，导电片21L和21R形成在天线线圈12上，其中介电材料30形成在天线线圈12与导电片21L和21R之间以隔离它们。在图4中，铁氧体片24形成在底部，导电片21L和21R形成在铁氧体片24上，天线线圈12形成在导电片21L和21R上，其中介电材料40形成在天线线圈12与导电片21L和21R之间用于隔离它们。另一个介电材料42形成在铁氧体片24、导电片21L和21R和天线线圈12之间。换言之，天线线圈12和导电片21L和21R形成在铁氧体片24同一侧，天线线圈12邻近铁氧体片24或者导电片21L和21R邻近铁氧体片24，并且介电材料用于隔离天线线圈12和导电片21L和21R。
图5至图15根据本发明的各种实施方式例示了具有无源增强器的NFC天线50至150的透视图。图5至图15是在图2所述实施方式的基础上对NFC天线和无源增强器的形状和样式进行的各种变形，其原理与图2中类似，此处不再赘述。在图5至图8中，NFC天线的无源增强器与天线线圈的内层子线圈的一个边缘重叠。在图9至图12中，NFC天线的无源增强器与天线线圈的内层子线圈的两个边缘重叠。在图13至图14中，NFC天线的无源增强器与天线线圈的内层子线圈的三个边缘重叠。在图15中，NFC天线的无源增强器与天线线圈的内层子线圈的四个边缘重叠。
在图5中，NFC天线50的导电片51L与天线线圈的左边部分重叠，导电片51L的右边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片51L的上边缘、下边缘和左边缘位于铁氧体片54的区域内。与图2类似的，或者在其他实施方式中，导电片51L的右边缘的也可以位于天线线圈的内层子线圈与外层子线圈之间，即与天线线圈在X-Y平面上的投影重叠。
在图6中，NFC天线60的导电片61R与天线线圈的右边部分重叠，导电片61R的左边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片61R的上边缘、下边缘和右边缘位于铁氧体片64的区域内。
在图7中，NFC天线70的导电片71D与天线线圈的下边部分重叠，导电片71D的上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片71D的右边缘和下边缘位于铁氧体片74的区域内。请注意，导电片71D的左边缘与天线线圈的馈送迹线之间存在间隙76。
在图8中，NFC天线80的导电片81U与天线线圈的上边部分重叠，导电片81U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片81U的左边缘、右边缘和上边缘位于铁氧体片84的区域内。
在图9中，NFC天线90的导电片91U和91L与天线线圈的上边部分和左边部分重叠。导电片91U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片91U的左边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片91U的右边缘和上边缘位于铁氧体片94的区域内。导电片91L的右边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片91L的左边缘、上边缘和下边缘位于铁氧体片94的区域内。
在图10中，NFC天线100的导电片101U和101R与天线线圈的上边部分和右边部分重叠。导电片101U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片101U的右边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片101U的左边缘和上边缘位于铁氧体片104的区域内。导电片101R的左边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片101R的右边缘、上边缘和下边缘位于铁氧体片104的区域内。
在图11中，NFC天线110的导电片111D和111R与天线线圈的下边部分和右边部分重叠。导电片111D的上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片111D的左边缘与天线线圈的第一/第二馈送迹线之间存在间隙116，导电片111D的右边缘和下边缘位于铁氧体片114的区域内。导电片111R的左边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片111R的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片111R的右边缘和上边缘位于铁氧体片114的区域内。
在图12中，NFC天线120的导电片121U和121D与天线线圈的上边部分和下边部分重叠。导电片121U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片121U的左边缘、右边缘和上边缘位于铁氧体片124的区域内。导电片121D的上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片121D的左边缘与天线线圈的第一/第二馈送迹线之间存在间隙126，导电片121D的左边缘、右边缘和下边缘位于铁氧体片124的区域内。
在图13中，NFC天线130的导电片131L、131U和131R与天线线圈的左边部分、上边部分和右边部分重叠。导电片131L的右边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片131L的左边缘、下边缘和上边缘位于铁氧体片134的区域内。导电片131U的左边缘、下边缘、右边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片131U的上边缘位于铁氧体片134的左边缘内。导电片131R的左边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片131R的上边缘、右边缘、下边缘位于铁氧体片134的区域内。
在图14中，NFC天线140的导电片141U、141R和141D与天线线圈的上边部分、右边部分、下边部分重叠。导电片141U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片141U的左边缘、右边缘和上边缘位于铁氧体片144的区域内。导电片141D的上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，在导电片141D的左边缘与天线线圈的第一/第二馈送迹线之间存在间隙146，导电片141D的右边缘和下边缘位于铁氧体片144的区域内。导电片141R的左边缘、上边缘和下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片141R的右边缘位于铁氧体片144的右边缘内。
在图15中，NFC天线150的导电片151L、151U、151R和151D与天线线圈的左边部分、上边部分、右边部分、下边部分重叠。导电片151L的右边缘和上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片151L的下边缘与天线线圈的外层子线圈对齐，导电片151L的左边缘位于铁氧体片154的左边缘内。导电片151U的下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片151U的左边缘、右边缘和上边缘位于铁氧体片154的区域内。导电片151R的左边缘、上边缘和下边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片151R的右边缘位于铁氧体片154的区域内。导电片151D的上边缘与天线线圈的内层子线圈对齐，导电片151D的左边缘与天线线圈的第一/第二馈送迹线之间存在间隙156，导电片151D的右边缘和下边缘位于铁氧体片144的区域内。
图16至图21根据本发明的各种实施方式例示了具有无源增强器的NFC天线160至210的透视图。图16至图21分别来源于图9至图11和图13至图15，是他们的变形。在图16至图21中，导电片的至少一个边缘在X-Y平面上的投影与外层子线圈在X-Y平面上的投影对齐。具体地，以图16为例，导电片161L的两个边缘在X-Y平面上的投影与外层子线圈在X-Y平面上的投影对齐或靠近，导电片161U的一个边缘在X-Y平面上的投影与外层子线圈在X-Y平面上的投影对齐或靠近。
在图2至图15的实施方式，天线线圈是长方形的，但本发明并不限于此。在其他实施方式，天线线圈可以是环形、椭圆形或者由任何可行的形状(例如正方形、梯形、菱形或者其他各种规则或不规则多边形)形成。本发明不对铁氧体片的形状进行限制，它取决于NFC设备的壳体结构。在一个实施方式中，导电片的总面积扣除与该该天线线圈重叠的部分后的面积应大于天线线圈的面积的三分之一。在一个实施方式，天线线圈可以由印刷电路板(printed circuit board,PCB)、柔性印刷电路板(flexible printed circuit board,FPCB)、或金属导线工艺等制造。在一个实施方式，导电片可以是如铜箔、铝箔的金属箔、PCB金属、FPC金属等。在一个实施方式，导电片可以通过PCB或FPCB制造工艺与天线线圈集成。
具有无源增强器的NFC天线可以应用于便携式设备、可穿戴设备(如手表、项链、鞋子、手镯、衣服、帽子等)、数字家庭产品或物联网(Internet of Things,IOT)设备，例如手机、平板电脑、笔记本电脑、调制解调器、有线/无线电子狗、电视机、个人电脑、扬声器、耳机、头戴式收话器等。
具有无源增强器的NFC天线可以放置在设备的显示器或屏幕(例如各种类型的LCD设备)附近。例如，设备的显示器或屏幕的类型可以是薄膜晶体管(thin-Film Transistor,TFT)、共模切换模式(In-plane Switching,IPS)、超扭曲向列(Super-Twisted Nematic,STN)、扭曲向列(Twisted Nematic,TN)、垂直对齐(Vertical alignment,VA)、多域垂直对齐(Multi-domain vertical alignment,MVA)、图案式垂直对齐(Patterned VerticalAlignment PVA)、硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)、数字光处理(DigitalLight Processing,DLP)、铟镓氧化锌(Indium gallium zinc oxide,IGZO)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)(例如有源矩阵矩阵LED(缩写为AMOLED)、超级AMOLED，超级AMOLED+、先进的超级AMOLED)、等离子体显示板(Plasma Display Panel,PDP)、表面传导电子发射显示器(Surface-conduction Electron-emitter Display,SED)、场致发射显示器(Field Emission Display,FED)、铁电液晶显示器(FerroelectricLiquid-crystal Display,FLD)、干涉调制器显示器(Interferometric ModulatorDisplay,IMOD)、厚膜介质电致发光显示器(Thick-film Dielectric ElectroLuminescent,TDEL)、量子点(quantum dot,QD)LED、时间多路复用光快门(Timemultiplexed optical shutter,TMOS)、伸缩像素显示器(Telescopic Pixel Display,TPD)、有机发光晶体管(Organic Light-Emitting Transistor,OLET)、激光荧光显示器(Laser Phosphor Display,LPD)。在一个实施方式，具有无源增强器的NFC天线可以放置在印刷电路板装配或柔性印制电路板装配附近。在一个实施方式，具有无源增强器的NFC天线可以放置在NFC设备的背面、前面、侧面的至少一个面附近或者NFC设备的后盖附近。
总之，本发明利用了无源增强器来感应出与天线线圈的线圈电流所感应的磁场进行叠加的附加磁场，增强了NFC天线的磁场并相应地改善了天线的性能。
本领域技术人员将可以明白，在不背离本发明的教导的情况下，可以对本发明的实施方式进行各种修改和变形。说明书和示例仅仅被视为示例性的，本发明的范围由所附权利要求和其等同物限定。
Claims (11)
1.一种用于近场通信的天线，该天线包括：
铁氧体片；
天线线圈，形成在该铁氧体片上并且包括第一子线圈和多个第二子线圈，其中，该第一子线圈是该天线线圈的内层子线圈；以及
无源增强器，形成在该铁氧体片上；
其中，该无源增强器在平面上的投影与该第一子线圈所包围的区域在该平面上的投影不重叠；
其中，该无源增强器在该平面上的投影与该多个第二子线圈所占据的区域在该平面上的投影重叠，并且与该铁氧体片在该平面上的投影重叠。
2.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该天线线圈包括：
第三子线圈，包围该多个第二子线圈，其中该第三子线圈是该天线线圈的外层子线圈；
第一迹线，连接到该第一子线圈；以及
第二迹线，连接到该第三子线圈；
其中该第一迹线或者该第二迹线连接到馈电点并且该第二迹线或者该第一迹线连接到地，用于单端射频网络应用；或者
其中该第一迹线和该第二迹线分别连接到两个馈电点，用于差分射频网络应用。
3.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该无源增强器包括至少一个导电片，该至少一个导电片中每个导电片包括：
第一边缘，其中该第一边缘在该平面上的投影与该内层子线圈在该平面上的投影对齐，或者与该天线线圈在该平面上的投影重叠；以及
多个第二边缘，其中该多个第二边缘在该平面上的投影位于该铁氧体片在该平面上的投影内。
4.根据权利要求3所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该第一迹线或该第二迹线与该至少一个导电片中的一个导电片相邻，并且该第一迹线或该第二迹线与该多个第二边缘中的一个边缘之间存在间隙。
5.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该天线线圈的形状是圆形、椭圆形、正方形、长方形、梯形、菱形或者多边形。
6.根据权利要求3所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该至少一个导电片的总面积扣除与该该天线线圈重叠的部分后的面积大于该天线线圈的面积的三分之一。
7.根据权利要求3所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该多个第二边缘中至少一个边缘在该平面上的投影与该外层子线圈在该平面上的投影对齐或靠近。
8.根据权利要求3所述的用于近场通信的天线，其特征在于，至少该第一边缘在该平面上的投影与该内层子线圈在该平面上的投影对齐或者与该天线线圈在该平面上的投影重叠。
9.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该天线进一步包括在该天线线圈与该无源增强器之间形成介电材料，以隔离该天线线圈和该无源增强器。
10.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该天线线圈形成在该铁氧体片和该无源增强器之间。
11.根据权利要求1所述的用于近场通信的天线，其特征在于，该无源增强器形成在该铁氧体片和该天线线圈之间。
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