CN109950684A - 一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及其应用方法，包括：至少四个框型天线，其中，将至少四个框型天线平均分为两组，分为一组的框型天线中，相邻两个框型天线部分重叠设置，两组框型天线形成过道形读卡感应区；各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路。本发明能够通过多个框型天线中相邻两个框型天线部分重叠，并通过控制各框型天线的射频开关实现大范围远距离读取非接触智能卡的功能。

Description

一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及 其应用方法

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及其应用方法。

背景技术

通常，读卡机具读取非接触智能卡的标准工作距离在5厘米左右，最远不会超过10厘米。

然而，在特殊情况下，要求读卡机具读取非接触智能卡的工作距离在20厘米以上且具有较大的工作范围。

目前，为了增大读卡机具读取非接触智能卡的工作距离和工作范围，可以加大读卡机具的天线尺寸，但过大的尺寸需要很大的驱动功率，这是不可取的。

各个框形线圈之间的距离相对框形线圈本身的尺度而言较近时，相互之间有较强的耦合。这种耦合容易造成以下问题：第一，在调整各天线时很困难，需要逐个反复调整多个天线；第二，由于多个天线相互耦合，使得各个天线几乎无法单独工作。

如图1所示，4个框形线圈相互之间距离较近(相对于框形线圈本身的尺度)，且在相同频率下工作，所以各框形线圈之间存在很强的耦合，导致在建立天线系统之初，各框形线圈无法单独调整，必须逐个反复调整才可以。当系统投入使用后，各个单元单独工作时，因为工作场区内其他天线的耦合，使得整个系统不能正常工作。

因此，提供一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及其应用方法。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列及其应用方法，能够在较大范围内远距离读取智能卡的数据，能够解决大尺寸天线需要大驱动功率的问题，以及框形线圈相互之间距离较近且在相同频率下工作时，各框形线圈之间存在很强耦合的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，包括：至少四个框型天线，其中，将至少四个框型天线平均分为两组，分为一组的框型天线中，相邻两个框型天线部分重叠设置，两组框型天线形成过道形读卡感应区；各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路。

进一步地，两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。

进一步地，框形线圈由单圈线圈或多圈线圈形成。

进一步地，天线调谐电路由多个电容和射频开关组成。

根据本发明的另一方面，提供一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，包括：至少两个框型天线，其中，该两个框型天线部分重叠设置；各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路和射频开关。

进一步地，两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。

进一步地，框形线圈由单圈线圈或多圈线圈形成。

进一步地，天线调谐电路由多个电容和射频开关组成。

根据本发明的又一方面，提供一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，包括以下步骤：

通过控制射频开关的工作状态改变框形线圈的调谐频率。

进一步地，上述用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，还包括：

选取天线阵列中一个天线为工作天线，断开该工作天线的射频开关，使工作天线工作在谐振状态，射频功率放大器向正常工作的天线输出带有读卡命令的射频信号；

接通天线阵列中除工作天线之外每个天线的射频开关，除工作天线之外每个天线的天线调谐电路上加并电容，改变天线的谐振频率，使得除工作天线之外每个天线均工作在失谐状态。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明能够通过多个框型天线中相邻两个框型天线部分重叠，使得多个框型天线组合为大尺寸天线，并且相邻两个框型天线部分重叠使得多个框型天线之间耦合最小，并通过控制各框型天线的射频开关使得在读卡过程中的任意时刻，多个框型天线中仅有一个天线正常工作，而其他天线均失谐，因此，能够实现大范围远距离读取非接触智能卡的功能。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是现有技术中四个框型天线组成的天线阵列示意图；

图2是本发明中四个框型天线组成的天线阵列示意图；

图3是本发明中六个框型天线组成的天线阵列示意图；

图4是本发明中两个框型天线组成的天线阵列示意图；

图5是本发明中三个框型天线组成的天线阵列示意图；

图6是本发明中各框型天线模块连接示意图；

图7是本发明中各框型天线电路连接示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

参见图2，本发明提供的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，包括：至少四个框型天线，其中，将至少四个框型天线平均分为两组，分为一组的框型天线中，相邻两个框型天线部分重叠设置，两组框型天线形成过道形读卡感应区，具体地，天线J和天线K部分重叠，天线L和天线M部分重叠。这样的结构使得天线J与天线K以及天线L与天线M之间的耦合减弱。处于相邻位置的两个天线的单圈电感，有部分面积(例如1/10)相互重叠，由于相邻天线的不同部分相互之间的耦合相位相反，从而能够尽可能多地消除两个线圈之间的互感。调整相邻两个天线重叠部分的大小可使两个框形线圈之间耦合最小。如图6所示，各框型天线包括各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路，框形线圈和天线调谐电路依次电连接。

当前天线为工作状态时，主控单元控制射频芯片将通过射频功率放大器放大后的射频功率信号(如13.56MHz)，经过第一连接器加到当前天线上，并且主控单元控制开关控制单元通过第二连接器控制射频开关断开，使得当前天线谐振在工作频率上(如13.56MHz)。

当前天线为非工作状态时，主控单元控制射频芯片和射频功率放大器不通过第一连接器向天线输出射频功率信号(如13.56MHz)，并且主控单元控制开关控制单元通过第二连接器控制射频开关接通，电容C5与电容C2并联，从而改变了天线谐振电路的状态，使得当前天线工作在失谐状态。

本发明中的射频读卡单元可以是专利申请号为CN100454328C中的中频射频识别卡的远距离读卡头，第一连接器和第二连接器的结构和功能均是现有技术，此处不再赘述。

进一步地，两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。例如，本实施例的框形线圈尺寸为500×500mm²，重叠部分宽度为60mm。

参见图7，框形线圈由单圈线圈L形成。在这里，框形线圈也可以由多圈线圈形成。

参见图7，天线调谐电路由多个电容和射频开关组成。具体地，天线调谐电路用于框型天线在工作频率下与射频功率放大器的输出阻抗相匹配，包括电容C1～C5，C1～C4依次串联，而C5连接在C1和C2的公共连接点与开关D1之间。天线调谐电路通过连接器J1与射频功率放大器电连接。

参见图7，开关D1与开关控制单元W1电连接。

本发明通过多个尺寸较小的天线组成天线阵列，在工作时间内的任意时刻，仅有一个天线工作，而其他天线均处于休眠状态。为了在本发明的天线阵列读卡过程中的任意时刻，多个框型天线中仅有一个天线正常工作，而其他天线均失谐，本发明的天线阵列的工作原理如下：当天线阵列读取非接触智能卡时，射频功率放大器向正常工作的天线输出带有读卡命令的射频信号，同时接通所有非工作天线的射频开关，此开关在天线调谐电路上加并电容，改变非工作天线的谐振频率，从而使非工作天线工作在失谐状态。

具体地，图7中框形线圈与天线调谐电路元件C1～C4组成在工作频率(如13.56MHz)上为设定阻抗值的标准天线。

当开关控制单元W1控制开关D1呈断路状态时，标准天线不受影响。当开关控制单元W1控制开关D1呈接通状态时，将一个大电容C5与天线调谐电路中的C2相并联，从而使天线失谐。因此，各天线能够分时独立工作，互不干扰。另外，由于相邻两天线耦合最小，方便调整。因此，还可以在制备调试天线阵列时，通过控制开关将非工作天线失谐。逐个分别调试，直至所有天线调试完毕。

进一步地，框形天线可以根据实际需要做成三角形、矩形、菱形、梯形和圆形等中任一种。

框型天线的个数包括但不限于四个，例如六个框型天线部分重叠示意图如图3所示，三个框型天线中两个相邻框型天线部分重叠。

本发明能够通过多个框型天线中相邻两个框型天线部分重叠，使得多个框型天线组合为大尺寸天线，并且相邻两个框型天线部分重叠使得多个框型天线之间耦合最小，并通过控制各框型天线的射频开关使得在读卡过程中的任意时刻，多个框型天线中仅有一个天线正常工作，而其他天线均失谐，因此，能够实现大范围远距离读取非接触智能卡的功能。

图4是本发明中两个框型天线组成的天线阵列示意图，参见图4，本发明提供的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，包括：至少两个框型天线，其中，该两个框型天线部分重叠设置，具体地，天线E和天线F部分重叠，这样的结构使得天线E和天线F之间的耦合减弱。处于相邻位置的两个天线的单圈电感，有部分面积(例如1/10)相互重叠，由于相邻天线的不同部分相互之间的耦合相位相反，从而尽可能多地消除两个线圈之间的互感。如图6所示，各框型天线包括各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路，框形线圈和天线调谐电路依次电连接。

如图6所示，各框型天线包括框形线圈、天线调谐电路和射频开关，框形线圈、天线调谐电路和射频开关依次电连接。

本发明能够通过多个框型天线中相邻两个框型天线部分重叠，使得多个框型天线组合为大尺寸天线，并且相邻两个框型天线部分重叠使得多个框型天线之间耦合最小，并通过控制各框型天线的射频开关使得在读卡过程中的任意时刻，多个框型天线中仅有一个天线正常工作，而其他天线均失谐，因此，能够实现大范围远距离读取非接触智能卡的功能。

进一步地，相邻两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。

框型天线的个数包括但不限于两个，例如三个框型天线部分重叠示意图如图5所示，三个框型天线中两个相邻框型天线部分重叠。

对于至少两个框型天线的实施例而言，由于其与至少四个框型天线的实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见至少四个框型天线的实施例的部分说明即可。

本发明还提供一种本发明的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，包括以下步骤：

通过控制射频开关的工作状态改变框形线圈的调谐频率。

上述用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，还包括：

选取天线阵列中一个天线为工作天线，断开该工作天线的射频开关，使工作天线工作在谐振状态(如13.56MHz)，射频功率放大器向正常工作的天线输出带有读卡命令的射频信号；

接通天线阵列中除工作天线之外每个天线的射频开关，除工作天线之外每个天线的天线调谐电路上加并电容，改变天线的谐振频率，使得除工作天线之外每个天线均工作在失谐状态。

本发明能够利用多个框型天线组合为大尺寸天线，并且相邻两个框型天线部分重叠使得相邻框型天线之间耦合最小，并通过控制各框型天线的射频开关使得在读卡过程中的任意时刻，多个框型天线中仅有一个天线正常工作，而其他天线均失谐，因此，能够实现大范围远距离读取非接触智能卡的功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，包括：至少四个框型天线，其中，将至少四个框型天线平均分为两组，分为一组的框型天线中，相邻两个框型天线部分重叠设置，两组框型天线形成过道形读卡感应区；各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路。

2.根据权利要求1所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。

3.根据权利要求2所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，框形线圈由单圈线圈或多圈线圈形成。

4.根据权利要求3所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，天线调谐电路由多个电容和射频开关组成。

5.一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，包括：至少两个框型天线，其中，该两个框型天线部分重叠设置；各框型天线包括框形线圈和天线调谐电路和射频开关。

6.根据权利要求5所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，两个框型天线部分重叠面积为单个框型天线面积的5％～20％。

7.根据权利要求6所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，框形线圈由单圈线圈或多圈线圈形成。

8.根据权利要求7所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列，其特征在于，天线调谐电路由多个电容和射频开关组成。

9.一种用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制射频开关的工作状态改变框形线圈的调谐频率。

10.根据权利要求9所述的用于较大范围内远距离读取非接触智能卡的天线阵列应用方法，其特征在于，还包括：

选取天线阵列中一个天线为工作天线，断开该工作天线的射频开关，使工作天线工作在谐振状态，射频功率放大器向正常工作的天线输出带有读卡命令的射频信号；

接通天线阵列中除工作天线之外每个天线的射频开关，除工作天线之外每个天线的天线调谐电路上加并电容，改变天线的谐振频率，使得除工作天线之外每个天线均工作在失谐状态。