CN107624204B - 具有交错的交互电感的射频天线电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频天线电路（4A，14A，24A），其包括：尤其是采用导轨或线（30，31，32）的形式的至少一个导电部分，其形成具有多个第一匝以及两个端部部分（A，B）的第一螺线（S1）；其特征在于，所述电路包括从端部部分（A，B）之一起几乎沿着所述第一螺线（S1）的各匝且在所述第一螺线（S1）的各匝之间延伸的第二螺线（S2）。本发明还涉及包括所述天线电路的射频设备。

Description

具有交错的交互电感的射频天线电路

本发明涉及具有天线的射频发射机应答器领域并且涉及这些射频发射机应答器的结构。

更特别地，本发明可以涉及非接触芯片载体，如非接触芯片卡、其通信被无源天线（或中继天线）放大的护照。

本发明同样可以针对于非接触电子运送文件系统，如以发射机应答器形式部署成一体的电子护照和电子签证。特别是，这些文件和签证符合ICAO（英语表述“InternationalCivil Aviation Organization（国际民间航空组织）”的首字母缩写）规范和ISO/IEC14443标准。

本发明可以涉及不同频率范围（尤其是UHF）中的射频发射机应答器。射频发射机应答器可以包括螺线状天线和/或关联于/耦合到偶极子类型天线的天线。

在图1和图2中图示的文献US 6 378 774描述了包括具有天线和接触通信接口的集成电路模块（2）的芯片卡。卡主体包括无源天线，该无源天线包括：并联安装在电容上的两个线圈（3，4）；能够被几乎部署在卡主体外周的闭合的宽线圈；以及以模块的天线为中心部署的窄线圈。宽线圈为此具有关于外部读取器进行通信的功能，并且窄环路为此具有进行电耦合并且与模块通信的功能。

因为借助于具有呈“8”形状的两个环路的无源主天线，所以这些载体具有呈现复杂构造的缺点。

在图3图示的文献US5955723描述了如下的数据载体，其包括连到第一导体环路18的集成电路16、具有近似地对应于载体表面的耦合表面的至少一个第二导电环路14、以及属于第二环路并且近似地具有第一环路的尺寸的第三环路13。第一和第三环路被几乎共心地部署并耦合在一起。在图3图示的实施方式中，第三环路是朝向外部打开的；其对应于从外部通向由天线14的内表面界定的耦合表面的内部的呈凹形或凹陷的凹入的第一环路部分。

所获得的载体具有需要其主环路在载体的整个外周上延伸的无源天线的缺点。而且所描述的构造不允许达到符合ISO/IEC 14443标准、ICAO和/或EMV的所标定的性能水平。

还知道SPS（Smart packaging Solution，智能封装方案）协会的实施方式，其使用部署在银行芯片卡主体的腔体中的具有天线的接触模块。该模块与部署在卡主体的差不多整个表面上的无源天线耦合；其包括几乎共心地呈螺线状部署在模块的腔体周围的环路；在模块的腔体的位置下方邻接于腔体的第一环路相当宽（有几毫米（甚至5毫米）），并且随后的环路也是同样以用于允许在各匝上进行锚入（embossage）而没有在锚入时切断匝的风险。而且，天线被连接到部署在天线载体的一边和另一边的金属的电容器板。最后一匝在卡的外周延伸以用于环绕读取器的最多的射频通量。

该构造具有如下缺点：在构成卡主体的塑料片不良地粘附到天线匝的金属表面和/或电容器板的情况下呈现剥离的风险。

还知道专利申请EP 2 710 523A1，其针对于解决上述缺点并且提出在ISO 7816规格（银行卡规格）下芯片卡的半表面上的天线以及呈U形状的无源天线的部分上的在无源天线和具有天线的芯片卡模块之间的耦合。在该图上的设备具有如下的缺点：使用蚀刻在基板的两个面上的天线以及使用基板的惯用于电容器板的不可忽略的表面。

还知道专利申请EP 1924959 A1，其提出包括连到基板的单个面上的线状天线的射频芯片的射频发射机应答器，其中电容是通过在天线的至少一部分上的匝间间隙上的变化获得的，以便形成匝间类型电容。

各匝之间的间隔上的变化可能要求载体的为天线保留的可用表面，该表面至少在某些情形下是非常重要的。

专利申请EP 2 490 291描述了射频读取器的天线，用于对非接触芯片卡或RFID标签提供能量。天线包括两个交错线圈，一个用于激发并且另一个用于数据的传输/接收。这两个线圈是独立的并且一个相对于另一个不连续。

本发明针对于解决前述的缺点。

特别是，其目的在于一种在工业上实现起来更简单同时保持出色的射频特性的射频发射机应答器的无源或标准天线的构造。

本发明的目的还在于针对无源天线和/或相关联的电容器利用更少的金属表面以用于节约蚀刻导电表面。

为此，本发明目的在于一种射频天线电路，其包括：尤其是采用导轨或线的形式的至少一个导电部分，其形成具有多个第一匝以及两个端部部分的第一螺线；电路区别之处在于其包括从所述端部部分之一沿着所述第一螺线的各匝并且在所述第一螺线的各匝之间延伸的第二螺线。

凭借这些部署，可以在发射机应答器天线电路或无源天线电路的导轨或各匝之间并且优选地在绝缘基板的同一面上形成与该同一天线电路相关联的电容（电容器）。而且，为了达到标准通信性能（尤其是ISO/IEC 14443和EMV）而要求的表面被以最优方式缩小。

根据另外的特征或实施方式：

—第一螺线（S1）呈现通常的第一电感（或者正电感，—例如2μH）并且第二螺线呈现更大的第二电感；其可以在绝对值上更大至少10倍（例如等于-38μH）；

—射频天线电路包括一个交错置于另一个中的至少两个螺线部分S1和S2，

—射频天线电路包括形成交互或相互电感的交错的螺线；

—第二螺线（S2）等同于或赋予电容/电容器值C（例如，（-38μH）的螺线S2几乎赋予33pF电容的等同量）；

—第一电感螺线（S1）是由通过呈现匝间间隙而在第一方向（E）上几乎卷绕于平面中的各匝形成的，并且第二螺线（S2）包括部署在该匝间间隙内部的匝，其被在与第一方向相反的第二方向上卷绕；

—替换地，第一螺线（S1）是由通过呈现匝间间隙而在第一方向（E）上几乎卷绕于平面中的各匝形成的，并且第二螺线（S2）包括在该匝间间隙内部的匝，其被在与第一方向相同的第二方向（E）上卷绕；

—电路包括从第一螺线或至少一个第一匝的端部部分起从第一螺线（S1）的内部朝向外部（或者出口）——或者相反地，朝向螺线S1内部——的在第一和第二螺线之间的至少一个跳转部；

—在具有通常电感的第一螺线（S1）的至少一个到十个匝上实现跳转部；

—电路包括从内侧匝直到具有通常电感的第一螺线（S1）的最外侧匝或最外侧匝之前一匝的跳转部；

—电路呈现等于33pF的等效电容（或者（-33μH）的第二螺线的电感，具有在几乎等于ISO 7816规格下的芯片卡的半个表面的表面上的总共大约3.5匝的第二（大）电感螺线和4匝的通常电感螺线。通常电感等于2μH。

本发明为此目的还在于一种包括射频芯片和上述的射频天线电路的射频设备。

根据另外的特征：

—设备包括无源天线电路和与所述无源天线电路电磁耦合的至少一个射频芯片发射机应答器，并且特征在于所述无源天线电路包括上述的射频天线电路；

—无源天线（A）的耦合表面优选地在大约等于81×25mm或者小于ISO 7816规格下的芯片卡的表面的一半的表面上延伸。

通过阅读对照随附附图且以非限制性示例方式作出的描述，本发明的其它特性和优点将显而易见，在附图中：

—图1和图2图示根据现有技术的具有双界面的芯片卡；

—图3图示现有技术的非接触芯片卡；

—图4图示现有技术中的解决图1到图3的现有技术的问题的非接触芯片卡；

—图5图示符合本发明的电路的第一实施方式的天线电路的示意图；

—图5A和图5B图示第一螺线和第二螺线的电感的测量台；

—图5C图示等效于图5、图5A、图5C的天线的电路，其中螺线S2被如下的电容替代：该电容的值是通过摸索测试的以便获得与图5、图5A、图5C的S1和S2整体的组合效果相同的效果；

—图6图示使用在前的图的天线电路的无源天线射频设备的第一实施方式；

—图7图示使用图5的天线电路的无源天线射频设备的第二实施方式；

—图8图示使用根据本发明的天线电路的简单的射频发射机应答器设备的第一实施方式。

—图9图示使用两种类型的螺线的无源天线射频设备的第三实施方式，螺线S2包括朝向第一螺线S1的内部的多个跳转。

前面已经在序言中描述了现有技术的图1—图4。

无源天线分别被提及为（3，4）和（13，14）。它们分别包括小环路（3，13）和大环路（4，14）。

在图3中，在环路14内部引发的电磁通量与在环路13中引发的电磁通量相反并且可能损害电磁耦合的效率。

在图5中示意性地表示了射频设备1A，其包括符合本发明第一实施方式的射频天线电路4A。

根据本发明，天线电路包括尤其采用导轨、线、绕组、匝、线圈的形式的至少一个导电部分，其形成具有通常电感的第一螺线。第一螺线（S1）包括多个第一匝以及两个端部部分。

在示例中，螺线S1（呈实线）包括匝30、31、33并且被实现为具有通过超声技术镶制的绝缘罩（釉质部）的电导线。

该螺线S1在此呈现具有大约等于2μH的值的通常（或正的）电感值，其是通过已经预先切断螺线S1和S2之间的连接35（匝跳转）从而在13.56MHz频率情况下并且在100mV电压情况下凭借阻抗桥在点A和B之间测量的。

其它的天线实现技术（如导线绣制（broderie）、蚀刻、导电材料印刷）可以是适合的。在必要的情况下，可以要求绝缘桥以用于如后面指示那样使跨越各匝。

根据构造的第一优选方式的特征，电路包括从端部部分B、C之一（或者从桥35）沿着所述第一螺线S1的各匝并且在所述第一螺线S1的各匝之间延伸的第二螺线（S2）。通过后面描述的不同实施方式来说明该限定。

根据本发明的射频天线电路包括一个交错置于另一个中的至少两个螺线部分S1和S2。

本发明形成具有交错的交互电感的射频天线电路。射频天线电路包括形成交互或相互电感的交错的线圈。

后面将在所描述的不同方式中看到本发明的天线电路为如下：通常的天线路径在螺线的相同的朝向内部的方向上重建线匝S2，并且螺线的路径在螺线S1的内部结束。

螺线S2的路径还可以被布置以便在为了（朝向外部并且朝向靠近S1外部定位或朝S1的出口定向的路径点而）从螺线S1离开（或者趋向于离开）而定向的方向上重建一个或多个线匝。

构造的该第一优选方式可以不依赖于作为示例而独特地给出的第一螺线相对于第二螺线的不同构造或不同布置。构造的该第一方式同样不依赖于第二螺线的（大的）第二电感的特性。

根据本发明的第三优选方式的特征，天线电路4A包括尤其采用导轨或线、绕组、匝、线圈的形式的、被布置以便构成具有（大的或负的）第二电感的第二螺线S2的至少一个导电部分。第二螺线包括呈虚线33和34的各匝并且从匝跳转35起沿着螺线S1延伸。

具有（大的或负的）第二电感的螺线是通过已经预先切断螺线S1和S2之间的连接部35从而在13.56MHz的频率下并且在100mV的电压下借助于阻抗桥（如在图5A示出）而测量的。于是在螺线S2的点C和D之间测量到-33μH（微亨）的值。

由此，凭借具有（高的或负的）第二电感的该螺线S2，总的电路4A（S1+S2）呈现在天线上的15.2MHz的谐振频率。

为了确定利用第二天线S2创建的等效电容，于是在点A和B之间在螺线S1上接合物理电容以便获得利用完整电路4A获得的相同的15.2MHz的谐振频率。在此，应当接合33pF（皮法）的值的电容。

而且，根据射频天线电路4A的特征，具有（大的或负的）第二电感的第二螺线S2赋予意想不到的相当大的电容/电容器值。由螺线S2（或S2的第二/高电感）构成的33pF的该等效电容器允许以出乎意料的方式利用最小化的占据在基板21上的表面来在频率上调谐无源天线电路S1。

然后从试验得出，至少就谐振频率而言，-38μH的（大的和/或负的）第二电感产生等同于如下效果的效果：接通在天线（或螺线）S1的端部接线端A、B处的大约等于33pF的电容。

根据该优选方式的特征，天线电路4A的第一电感螺线S1是由通过呈现匝间间隙（e）而在第一方向上几乎卷绕于平面中的各匝形成的，并且具有（大的和/或负的）第二电感的第二螺线S2被部署在该匝间间隙（e）内部，其被在与第一方向相同的第二方向上卷绕。

在示例中，电路被形成或沉积在由塑料，PET，PVC，聚碳酸酯，标记为“Teslin”的塑料，纸张等制成的基板21的同一面上。天线的线被至少部分地掩埋在基板表面处的下方。

螺线S1被从定位于天线电路4A或螺线4A的外部的起始点“D1”起在逆时针方向（E）上卷绕直到螺线S1的内部点“F1”。

匝30、31、32的匝间间隙（e）在此为600μm。

随后，天线电路4A通过跨越螺线S1的两个匝30、31来从点F1朝向螺线4A的外部延伸。

随后，路径利用如下的天线匝通过呈虚线的第二螺线S2继续，所述天线匝在第一天线S1的该匝间间隙（e）中延伸。路径在与螺线S1相同的逆时针方向（E）上实现。

替换地，根据第二实施方式，具有（大的和/或负的）第二电感的第二螺线S2被部署在该匝间间隙（e）内部，但是被在与第一螺线S1的第一方向（E）相反的第二方向上卷绕（不过，参见该第二实施方式的在图9中的优选的变形）。

虽然是可能的，但是该第二方式不那么优选，因为就射频通信而言其可能不那么高性能，这或许因为被相对于由第一或主要螺线S1生成的通量换向的由第二或辅助螺线S2生成的电磁通量。

根据优选方式的特征，射频天线电路包括从内部32朝向第一螺线S1的外部跳转35至少一匝，然后形成平行于第一螺线S1并且朝第一螺线S1内部的第二螺线S2。

在示例中，匝跳转是通过在两个螺线S1、S2之间的部分35实现的。该部分从内部朝向天线4A的外部跨越匝30、31以定位在天线4A最外周的两匝之间。替换地，跳转可以行进得更远而超过最外周的一匝33。

跳转可以从内侧匝32行进直到具有通常电感的第一螺线的最外侧匝或最外侧匝前一匝。

匝34从在桥35之后的起始点D2起朝向天线4A的内部直到终点F2为止重建环路。在此匝34在位于螺线S1的两个匝之间处停止其路径。

然而，该匝可以继续直到桥35并且甚至超过桥35，同时形成至少一个内侧匝或多个内侧匝。这允许增大所创建的等效电容，如果后者并非足够的话。

根据一个特征，可以在具有通常电感的第一螺线的至少一个到十个匝上朝向外部实现跳转。

在示例中，为了达到随后所指示的电容值和电感值，跳转四又二分之一匝。

根据该优选方式的特征，在几乎等于ISO 7816规格下的芯片卡主体121的半个表面的表面上的具有（大的和/或负的）第二电感的总共3.5匝的螺线和具有通常电感的4匝的螺线的情况下，射频天线电路呈现等于33pF的等效电容。

铜线具有大约112μm的直径。

射频天线的外侧尺寸为81×25mm。这些尺寸可以在由ISO 14443-1标准定义的类别1的限制内更小甚至更大。

在图9中，螺线布置的第三实施方式预备在起始点D3处（如图5A中的S1的位置A）从第一螺线S1的外侧端部部分起形成第二螺线S2。

通过跳转一匝来执行朝向第一螺线S1的内部的跳转（或桥接）135，然后S2的外侧第一匝在S1的各匝之间延伸以便在螺线S1中朝向螺线S1的外部旋转直至桥135或者在重新遇到桥135之前进行旋转。

随后，就在达到第一跳转部或桥135之前，如先前那样通过跳转螺线S1的另一匝，从而螺线S2执行从第二起始点起朝向螺线S1内部的另一跳转136（或者回折D4）；随后，螺线S2朝螺线外部（或出口）方向如先前那样旋转直至达到桥136或者在桥136之前进行旋转。

以与先前同样的方式进行处理以进行分别从新的起始点D5、D6起的跳转137和138，直到位于螺线S1的内部的终点F2为止。

该实施方式具有如下的不可忽略的优点：允许消除在第二螺线S2的路径上的双重线跳转。

替换地，朝向螺线S1内部的每一单匝跳转可以由S1的两匝或n匝跳转替代。

设备1A，10A，20A（图5到图7）在此在示例中为符合ISO 7816和ISO/IEC 14443标准的非接触和/或接触芯片卡的嵌入部（或镶嵌部）。其可以构成电子护照或如电子标签、标记、交通票据等的其它非接触物品的子组件。

天线电路4A在此为利用至少一个射频发射机应答器22或22b来在频率上被调谐或用来被调谐的无源天线（图7）；发射机应答器22包括连到天线界面28的射频集成电路芯片（在此被示意化）。在示例中发射机应答器可以是双界面（天线和在卡主体的表面上的接触面）模块22或芯片卡的非接触模块22b（图7B）。

以一般的方式，在本描述的框架中，发射机应答器是指借助于电磁场通信并且包括连接到电容器和/或集成电路的线圈的任何射频电子电路。

发射机应答器已经被使用在不同的经济领域（如银行（电子钱包），通信，交通，身份认证（电子护照，ID卡））中。尤其是在身份认证中，已知的是利用RFID类型的便携式非接触电子物品通过射频通信来执行对人员的标识。

模块22可以包括或不包括支承天线和/或接触面的绝缘基板。

无源天线4A包括由多个匝形成的单个主环路；其包括在环路内部的至少一个表面部分（A）以用于执行与至少一个发射机应答器电路的电磁耦合。

优选地，为了更好的耦合结果和尤其满足ISO/IEC 14443和EMVCo标准的测试的性能，无源天线24的多个匝在模块22的外周（P）的至少一半上几乎接近于模块22且沿着模块22的界面28地延伸（或者被用于在模块22的外周（P）的至少一半上几乎接近于模块22且沿着模块22的界面28地延伸）。

在图6中，设备20A几乎与图7的设备相同或者类似于图7的设备（同样的参考标号表示相同或类似的元件）。该天线电路不同于图5或图7的天线电路之处在于，其包括两个加强部或突出部P1、P2，所述两个加强部或突出部P1、P2允许有选择地与两个天线模块或者在两个位置处进行电磁耦合。

在实施方式中，天线4A可以位于银行类型芯片卡的标准化锚入区之外以及之上。

卡的整个下部表面Z（其几乎对应于卡的下半表面）尤其可用于其它组件（如键盘，CVV动态类型的显示窗口，印痕传感器，开关等）的地方。

在图8中，本发明预备包括射频芯片的射频设备并且射频天线电路24A几乎符合本发明以及先前描述的方式。然而该天线电路24A不同之处在于其被预备用于直接连接射频芯片或包括它的模块32，如在示例中那样。天线24A直接是发射机应答器天线30A。

模块32包括两个导电互连面36，37以用于连接天线24A的端部部分38，39。这些端部部分在此呈折线形状。

设备1A，10A，20A，30A可以在基板21的一个或两个面上包括一个或多个覆盖、装饰、厚度补偿片或膜以便构成能够充当后续嵌入部的最终或中间产品。所述片或膜可以是任何已知的材料。

关于图6和图7，覆盖片可以包括容纳天线模块的腔体。

因此，本发明可以创建如下的（大的和/或负的）第二电感：其尤其是在通信或以固定频率运转的操作模式下被考虑为电容C（或者等效电容）。

研究或试验已经表明-38μH近似等效于或等同于33pF。

凭借本发明，可能的是显著地增加或增大（大的和/或负的）第二电感并且获得大的输入电容而不要求太多的线圈或匝的线匝。

已经考虑的是，桥（35，135-138）的长度与第二螺线S2的长度相比可忽略或者被考虑为在线圈S1和S2之间的缓冲部分。在必要的情况下，可以将所述的桥考虑为被集成于第二螺线S2。

与现有技术中相比，基板21上被天线24A占据的表面相同或更大。

在上述的示例中，螺线S2的第二电感可以具有相当高的值（与S1的电感相比），（至少在绝对值上）更大至少5倍或10倍，甚至优选地多于螺线S1的电感的值的15倍或20倍。

在先验确证中，观察到图5或图8的螺线S2具有在S2中生成在流经S1的电流的相反方向上流动的电流的倾向。

观察到图9的螺线S2具有要流经有在与流经S1的电流的相同方向上流动、但是具有在S2的每一匝中的相对于在邻接于S1的每一匝的各匝中流动的电流的延迟的电流的倾向。

观察到第二螺线S2可以以不同的方式交错在螺线S1中。优选地，第二螺线S2的每一匝交错置于（或被引入在）第一螺线S1的相继的两匝之间。因此观察到天线电路中的属于两个不同的螺线的匝的交替。

本发明有别于生成匝间寄生电容的天线构造，因为该类型的寄生电容相对于由本发明在S2中生成的电容的值一般而言是可忽略的。

Claims (10)

1.一种用于非接触芯片载体的射频天线电路，包括采用导轨或线的形式的至少一个导电部分，其形成具有多个第一匝以及两个端部部分的第一螺线，

其特征在于，所述电路包括从端部部分之一起沿着所述第一螺线的各匝且在所述第一螺线的各匝之间延伸的第二螺线，

其中所述第一螺线呈现正的通常的第一电感并且所述第二螺线呈现比所述第一电感在绝对值上大至少10倍的第二电感，

其中所述第二螺线（S2）等同于或赋予电容/电容器值C。

2.根据权利要求1所述的射频天线电路，其特征在于，具有正电感的所述第一螺线是由通过呈现匝间间隙而在第一方向上卷绕于平面中的各匝形成的，并且所述第二螺线包括部署在该匝间间隙内部的匝，其被在与第一方向相反的第二方向上卷绕。

3.根据权利要求1所述的射频天线电路，其特征在于，所述第一螺线是由通过呈现匝间间隙而在第一方向上卷绕于平面中的各匝形成的，并且所述第二螺线包括在该匝间间隙内部的匝，其被在与第一方向相同的第二方向上卷绕。

4.根据权利要求1所述的射频天线电路，其特征在于，所述电路包括从所述第一螺线或至少一个第一匝的端部部分起从所述第一螺线的内部朝向外部—或者相反地，朝向内部—的在所述第一螺线和所述第二螺线之间的至少一个跳转部。

5.根据权利要求4所述的射频天线电路，其特征在于，在具有通常电感的所述第一螺线的至少一个到十个匝上实现所述跳转部。

6.根据权利要求2所述的射频天线电路，其特征在于，所述电路包括从内侧匝直到具有通常电感的所述第一螺线的最外侧匝或最外侧匝之前一匝的跳转部。

7.根据权利要求2所述的射频天线电路，其特征在于，所述电路呈现等于33pF的等效电容，具有在ISO 7816规格下的芯片卡的半个表面上的总共3.5匝的第二电感螺线以及4匝的等于2μH的第一通常电感螺线。

8.一种射频设备，包括射频芯片和根据权利要求1所述的射频天线电路。

9.一种射频设备，包括无源天线电路和与所述无源天线电路电磁耦合的至少一个射频芯片发射机应答器，

其特征在于所述无源天线电路包括根据权利要求1所述的射频天线电路。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，无源天线或发射机应答器天线的耦合表面在等于81×25mm的表面上或者在小于ISO 7816规格下的芯片卡的主体的表面的一半上延伸。

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