CN109638436B - 一种nfc点面感应式天线、电路及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NFC点面感应式天线、电路及设备。所述天线，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于同一台体或柱体的侧面；所述线圈中的每一匝处于所述台体或柱体的侧面内或者处于所述台体或柱体的截面内。所述电路包括所述点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源。所述设备具有外壳和所述NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中。本发明通过设计立体缠绕的线圈作为NFC天线，从而实现NFC设备外形突破二维，适合3D立体造型。

Description

一种NFC点面感应式天线、电路及设备
技术领域
本发明属于通信装置领域，更具体地，涉及一种NFC点面感应式天线、电路及设备。
背景技术
近场通信(near field communication)，是一种新兴的技术，使用了NFC技术的设备(比如手机)可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别(RFID)及互连互通技术整合演变而来，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。
近场通信的技术原理非常简单，它可以通过主动与被动两种模式交换数据。在被动模式下，启动近场通信的设备，也称为发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场(RF-field)。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为目标设备(从设备)，不必产生射频场，而使用负载调制(loadmodulation)技术，以相同的速度将数据传回发起设备。而在主动模式下，发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，以进行通信。
目前NFC通信装置，为了能产生稳定的磁场、以及为了与电子标签震荡回路的准确通信，NFC读写器和标签之间采用面面接触或者靠近的通信方式，例如NFC芯片、NFC卡片和读写器两者都是平面线圈，线圈平面相互靠近，保证通信准确。因此目前NFC通信装置，震荡回路都是2D平面结构，占用面积较大，不具有有3D曲面结构外观，NFC产品外观受到限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种NFC点面感应式天线、电路及设备，其目的在于通过立体设置的天线，设置于NFC设备中，实现NFC点面感应，两台通过NFC技术通信的设备一台为平面线圈产，另一台为立体线圈，使得NFC设备可以具有3D曲面的外观，由此解决现有的NFC产品外观单一为平面或卡片的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于有源NFC发起设备的点面感应式天线，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于同一台体或柱体的侧面；
所述线圈中的每一匝处于所述台体或柱体的侧面内或者处于所述台体或柱体的截面内。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述线圈处于台体侧面时，所述台体上底面周长在46mm～50mm之间，下底面周长在12mm～15mm之间，高在11mm～14mm之间。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述线圈处于柱体侧面时，所述柱体底面周长在46mm～50mm之间，高在11mm～14mm之间。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述线圈附有铁氧体层。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述线圈为铜线圈，绕线匝数5～7圈，铜线宽度0.3～0.5mm，铜线间距0.08～0.1mm，铜线厚度0.75～1.25盎司。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述点面感应式天线感值在2.34uH～3.66uH，发射功率在40mW～100mW，Q值20～30。
优选地，所述的点面感应式天线，其所述点面感应式天线，为柔性电路板，所述柔性电路板为所述台体或柱体的侧面，通过立体构象或焊接使得所述柔性电路板上布设的平面导线形成立体缠绕的线圈。
按照本发明的另一个方面提供了一种NFC发起设备电路，包括本发明提供的点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源；
所述电源与所述控制电路的电源管脚相连，所述控制电路通过串口与天线匹配电路相连，所述天线匹配电路与本发明提供的点面感应式天线相连。
优选地，所述NFC发起设备电路，其所述匹配电路，用于通过控制走线阻抗、调整天线并联电容；使输出阻抗与输入阻抗匹配、天线谐振频率与载波频率匹配；所述匹配电路的输出载波频率13.56MHz的，阻抗为50Ω±10％，其谐振频率点的频偏范围在12.543～14.577MHz。
按照本发明的另一个方面，提供了一种NFC发起设备，包括具有外壳和本发明提供的NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中；
所述外壳具有与所述NFC发起设备电路的点面感应式天线形状匹配的部分，所述部分为台体、柱体或带有包含台体或柱体凸出部分；所述发起设备电路的点面感应式天线内嵌于所述外壳中与其形状匹配的部分。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过设计立体缠绕的线圈作为NFC天线，从而实现NFC设备外形突破二维，适合3D立体造型。优选技术方案，通过柔性电路板，解决线圈生产的一致性问题，采用铁氧体层解决缩短识别距离，从而提高识别率。在保证识别率的前提下，实现NFC设备在外形上的突破。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的有源NFC发起设备的点面感应式天线外表示意图；
图2是本发明实施例1提供的有源NFC发起设备的点面感应式天线实物照片；
图3是本发明实施例1提供的有源NFC发起设备外壳照片；
图4是本发明实施例2提供的有源NFC发起设备的点面感应式天线外表示意图；
图5是本发明实施例2提供的有源NFC发起设备的点面感应式天线结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为线圈，2为柔性电路板，3为焊点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的用于有源NFC发起设备的点面感应式天线，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于同一台体或柱体的侧面；
所述线圈处于台体侧面时，所述台体上底面周长在46mm～50mm之间，下底面周长在12mm～15mm之间，高在11mm～14mm之间；
所述线圈处于柱体侧面时，所述柱体底面周长在46mm～50mm之间，高在11mm～14mm之间；
所述线圈中的每一匝处于所述台体或柱体的侧面内或者处于所述台体或柱体的截面内。
优选地，所述线圈附有铁氧体层，采用双面背胶处理，贴附与台体或柱体侧面与天线之间，使得用于防止涡流的产生从而减少天线的通信距离。所述铁氧体层为铁氧体镀膜或铁氧体磁布，所述铁氧体磁布为由柔性软磁胶、树脂、稀有金属聚合物混合形成富有柔性的抗冲击片状软磁性材料。当所述线圈中的每一匝处于所述圆台体或圆柱体的侧面内时，由于磁场方向和目标设备的磁场方向匹配度弱，为了提高识别率，一般需要采用铁氧体层。铁氧体层降低金属材料对信号磁场的吸收,同时铁氧体膜本身是一种高温烧结的铁氧体材料,通过增加磁场强度,有效增加感应距离，有增加磁场强度、保证场形不变形的作用。
所述线圈为铜线圈，绕线匝数5～7圈，铜线宽度0.3～0.5mm，铜线间距0.08～0.1mm，铜线厚度0.75～1.25盎司。
所述点面感应式天线感值在2.34uH～3.66uH，发射功率在40mW～100mW，Q值20～30。
优选地，所述点面感应式天线，为柔性电路板，所述柔性电路板为所述台体或柱体的侧面，通过立体构象或焊接使得所述柔性电路板上布设的平面导线形成立体缠绕的线圈。
立体线圈可以实现点面感应的NFC通信技术，然而由于点面感应不如面面感应稳定，因此线圈与阻抗电路、控制电路要经过良好的调试控制频偏范围，识别率才能得到保证。因此线圈的一致性至关重要，否则每一线圈都要单独调试阻抗电路和控制电路，难以大批量生产。因此，本发明优选采用柔性电路板，进行高度一致性的平面电路印刷，然后通过立体构象例如折叠、弯曲、封装、贴合、甚至是焊接技术，获得高度一致的立体线圈，从而解决批量生产的一致性问题。
本发明提供的NFC发起设备电路，包括本发明提供的点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源；
所述电源与所述控制电路的电源管脚相连，所述控制电路通过天线驱动管脚与天线匹配电路相连，所述天线匹配电路与所述点面感应式天线相连。
所述控制电路，用于通过通信接口控制前端调制解调集成电路实现NFC系统功能；优选地，主控系统通过IIC接口控制前端调制解调集成电路配置与通信实现NFC系统功能。
所述匹配电路，用于通过控制走线阻抗、调整天线并联电容；使输出阻抗与输入阻抗匹配、天线谐振频率与载波频率匹配；所述匹配电路的输出载波频率13.56MHz的，阻抗在50Ω±10％，其谐振频率点的频偏范围在12.543～14.577MHz，优选12.882～14.238MHz。
标准规定载波频率为135KHz到30MHz，调制带宽频率要求低于载波功率15DB处为其边带。本发明提供的NFC发起设备电路，由于天线设置因此对于谐振频率点的频偏范围要求更窄，经多次实验正是，在12.882～14.238MHz的频偏范围内，NFC识别率较高，使用体检较好。
本发明提供的NFC发起设备，包括具有外壳和本发明提供的NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中；
所述外壳具有与所述NFC发起设备电路的点面感应式天线形状匹配的部分，所述部分为台体、柱体或带有包含台体或柱体凸出部分；例如，笔形外壳、棒状外壳、金字塔型外壳；又如带圆锥型突出部分的形状，其圆锥型突出部分包含圆台体；所述发起设备电路的点面感应式天线内嵌于所述外壳中与其形状匹配的部分，例如笔形外壳的尖端、棒状外壳的一端、金字塔外壳的上部、带圆锥形突出部分外壳的突出部分。
优选地，所述外壳突出部分和所述发起设备电路的点面感应式天线之间附有铁氧体层，使得用于防止涡流的产生从而减少天线的通信距离。所述铁氧体层为铁氧体镀膜或铁氧体磁布，所述铁氧体磁布为由柔性软磁胶、树脂、稀有金属聚合物混合形成富有柔性的抗冲击片状软磁性材料。当所述线圈中的每一匝处于所述圆台体或圆柱体的侧面内时，由于磁场方向和目标设备的磁场方向匹配度弱，为了提高识别率，一般需要采用铁氧体层。
以下为实施例：
实施例1异形点读笔型NFC发起设备
一种用于有源NFC发起设备的点面感应式天线，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于圆台体的侧面；所述台体上底面周长50mm，下底面周长15mm，高14mm；
所述线圈中的每一匝处于所述台体侧面内，如图1所示。
所述线圈为铜线圈，如图2所示，绕线匝数6圈，铜线宽度0.45mm，铜线间距0.1mm，铜线厚度1盎司。
所述点面感应式天线感值为2.86uH，发射功率在40mW，Q值20～30。
所述点面感应式NFC天线，为柔性电路板，如图2所示，所述柔性电路板为所述台体的侧面，通过焊接使得所述柔性电路板上布设的平面导线形成立体缠绕的线圈。
一种NFC发起设备电路，包括本实施例提供的点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源；
所述电源与所述控制电路的电源管脚相连，所述控制电路通过串口与天线匹配电路相连，所述天线匹配电路与本发明提供的点面感应式天线相连。
所述控制电路，用于通过通信接口控制前端调制解调集成电路实现NFC系统功能，主控系统通过IIC接口控制前端调制解调集成电路配置与通信实现NFC系统功能。使用MCU(乐鑫ESP32)作为主控,通过IIC通信接口控制前端调制解调集成电路(复旦微电子FM17522读写集成芯片)实现NFC系统功能。
所述匹配电路，用于通过控制走线阻抗、调整天线并联电容；使输出阻抗与输入阻抗匹配、天线谐振频率与载波频率匹配；所述匹配电路的输出载波频率13.56MHz的，阻抗在50Ω±10％，其谐振频率点的频偏范围在12.882～14.238MHz。
一种NFC发起设备，包括具有外壳和本发明提供的NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中；
所述外壳为点读笔外壳，如图3所示，带有圆锥型突出部分的形状，其圆锥型突出部分包含圆台体，与本实施例提供的点面感应式天线相匹配；所述发起设备电路的点面感应式天线内嵌于所述外壳中与其形状匹配的部分，即笔形外壳的尖端圆锥形突出部分。
实施例2具有粉笔外形的NFC发起设备
一种用于有源NFC发起设备的点面感应式天线，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于圆柱体的侧面；所述柱体底面周长在46mm，高11mm。；
所述线圈中的每一匝处于所述柱体截面内，如图4所示。
所述线圈为铜线圈，如图5所示，绕线匝数6圈，铜线宽度0.45mm，铜线间距0.1mm，铜线厚度1盎司。
所述点面感应式天线感值为2.34uH，发射功率在80mW，Q值20～30。
所述点面感应式NFC天线，为柔性电路板，如图5所示，所述柔性电路板为所述柱体的侧面，通过对应焊点焊接使得所述柔性电路板上布设的平面导线形成立体缠绕的线圈，图中同一字母大小写所示的焊点相互焊接，形成立体缠绕的6匝铜线圈。
一种NFC发起设备电路，包括本发明提供的点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源；
所述电源与所述控制电路的电源管脚相连，所述控制电路通过串口与天线匹配电路相连，所述天线匹配电路与本发明提供的点面感应式天线相连。
所述控制电路，用于通过通信接口控制前端调制解调集成电路实现NFC系统功能，主控系统通过IIC接口控制前端调制解调集成电路配置与通信实现NFC系统功能。使用MCU(乐鑫ESP32)作为主控,通过IIC通信接口控制前端调制解调集成电路(复旦微电子FM17522读写集成芯片)实现NFC系统功能
所述匹配电路，用于通过控制走线阻抗、调整天线并联电容；使输出阻抗与输入阻抗匹配、天线谐振频率与载波频率匹配；所述匹配电路的输出载波频率13.56MHz的，阻抗在50Ω±10％，其谐振频率点的频偏范围在12.543～14.577MHz。
一种NFC发起设备，包括具有外壳和本发明提供的NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中；
所述外壳为点读笔外壳，如图3所示，带有圆锥型笔尖突出前部分的柱体形状，与本实施例提供的点面感应式天线相匹配；所述发起设备电路的点面感应式天线内嵌于所述外壳中与其形状匹配的部分，即笔形外壳的柱体部分。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于有源NFC发起设备的点面感应式天线，其特征在于，为立体缠绕的线圈，所述线圈处于同一台体或柱体的侧面；
所述线圈中的每一匝处于所述台体或柱体的截面内；
所述点面感应式天线，为柔性电路板，所述柔性电路板为所述台体或柱体的侧面，通过立体构象或焊接使得所述柔性电路板上布设的平面导线形成立体缠绕的线圈；
其谐振频率点的频偏范围在12.882～14.238MHz之间。
2.如权利要求1所述的点面感应式天线，其特征在于，所述线圈处于台体侧面时，所述台体上底面周长在46mm～50mm之间，下底面周长在12mm～15mm之间，高在11mm～14mm之间。
3.如权利要求1所述的点面感应式天线，其特征在于，所述线圈处于柱体侧面时，所述柱体底面周长在46mm～50mm之间，高在11mm～14mm之间。
4.如权利要求1至3任意一项所述的点面感应式天线，其特征在于，所述线圈附有铁氧体层。
5.如权利要求1所述的点面感应式天线，其特征在于，所述线圈为铜线圈，绕线匝数5～7圈，铜线宽度0.3～0.5mm，铜线间距0.08～0.1mm，铜线厚度0.75～1.25盎司。
6.如权利要求1所述的点面感应式天线，其特征在于，所述点面感应式天线感值在2.34uH～3.66uH，发射功率在40mW～100mW，Q值20～30。
7.一种NFC发起设备电路，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的点面感应式天线、天线匹配电路、控制电路，以及电源；
所述电源与所述控制电路的电源管脚相连，所述控制电路通过天线驱动管脚与天线匹配电路相连，所述天线匹配电路与所述点面感应式天线相连；所述匹配电路，用于通过控制走线阻抗、调整天线并联电容；使输出阻抗与输入阻抗匹配、天线谐振频率与载波频率匹配；所述匹配电路的输出载波频率13.56MHz的，阻抗为50Ω±10％，其谐振频率点的频偏范围在12.543～14.577MHz。
8.一种NFC发起设备，其特征在于，包括具有外壳和如权利要求7所述的NFC发起设备电路，所述NFC发起设备电路内嵌于所述外壳中；
所述外壳具有与所述NFC发起设备电路的点面感应式天线形状匹配的部分，所述部分为台体、柱体或带有包含台体或柱体凸出部分；所述发起设备电路的点面感应式天线内嵌于所述外壳中与其形状匹配的部分。
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