CN110350311A - 移动设备中的nfc天线 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备，包括后盖、显示器、夹在显示器与后盖之间的中间框架、以及被并入在中间框架内的近场通信(NFC)天线。电子板位于中间框架内，并且包括NFC控制器和耦合到NFC控制器的匹配网络。匹配网络被配置为匹配NFC天线与NFC控制器之间的阻抗。

Description

移动设备中的NFC天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月3日提交的欧洲专利申请No.18165496.3的优先权，其内容在法律允许的最大程度上在此通过引用整体并入。
技术领域
实施例涉及元件之间的无线通信，例如在读取器与应答器之间，特别是在近场通信(NFC)非接触式标签读取器(例如位于诸如移动电话等无线装置内)与标签之间，通常使用以13.56MHz进行操作的高频通信。
背景技术
本文中的实施例更具体地涉及位于这样的元件内、特别是在移动电话或平板手机中的NFC天线。
除了常规的电话功能之外，移动电话还可以用于通过使用非接触式通信协议与非接触式设备交换信息。
这允许在非接触式设备与位于移动电话内的元件之间交换信息。因此可以进行大量应用，诸如公共交通中的移动票务(例如，移动电话能够读取登机牌的内容)或移动支付(例如，移动电话能够读取借记卡上的实际的负载值)。
在其他应用中，移动电话可以以卡模式执行仿真。在这种情况下，它作为卡或应答器(被动或主动)进行操作并且可以由非接触式读取器读取。
近场通信或NFC是短距离高频无线通信技术，其能够在两个非接触式设备之间在短距离(例如，10厘米)上进行这种数据交换。
NFC是一种在ISO/IEC 18092和ISO/IEC 21481中标准化的开放平台技术，但并入各种先前存在的标准，包括ISO/IEC 14443协议类型A和类型B。
NFC设备尤其能够支持读取器/写入器模式，其中它们可以用于对NFC应答器或标签进行读取和写入。
常规的用于移动电话的NFC天线包括堆叠在铁氧体片上的导电材料(Cu或Al)的印刷线圈，其电感在1μH到2μH之间。天线位于手机背面，并且放置在电池上。
不仅天线难以实现，而且在该配置中，NFC事务仅可以在电话的背面执行，因此限制了NFC用于用户的可用性。
因此，需要扩展NFC可用性。
还需要简化诸如移动电话或平板手机等移动设备内的NFC天线的实现。
发明内容
NFC天线是一种被配置为允许根据近场通信进行信息传输的天线。
根据一个实施例，提出了将NFC天线被并入在移动设备的中间框架中，特别是在其端部处，例如在顶端。
事实上，在具有中间框架的大多数移动设备中，该中间框架由导电材料(例如，铝)和绝缘材料(即非导电的)(诸如塑料)制成。
中间框架的导电部分(例如，其顶部)特别适合于容易地形成NFC天线。
将NFC天线放置在中间框架中(例如但不强制地放置在其端部)允许扩展空间，从而允许NFC事务的执行和最终的非接触式充电。
换言之，通过这样的天线，NFC事务和非接触式充电(电力传输)可以在移动设备的背面、正面和侧面上执行。
根据一个方面，提出了一种并入NFC天线的移动设备、特别是移动通信设备的中间框架。
NFC天线例如是被并入在中间框架的导电部分中的环形天线，环的内部部分包括中间框架的绝缘部分的一部分。
根据一个实施例，NFC天线位于中间框架的端部处。
根据一个实施例，中间框架包括板，板包括至少一个导电部分和至少一个绝缘部分，NFC天线具有形成到至少一个导电部分中并且包括两个馈电点的环，环的内部部分由至少一个绝缘部分的第一部分形成，两个馈电点通过由至少一个绝缘部分的第二部分形成的间隙分开。
根据一个实施例，NFC天线旨在耦合到具有差分架构的匹配电路，并且天线的电感值在200nH到600nH之间。
根据另一可能的实施例，NFC天线旨在耦合到具有单端架构的匹配电路，并且天线的电感值在100nH到350nH之间。
移动设备可以是移动电话，诸如智能手机或平板手机。
根据另一方面，提出了一种移动设备、特别是移动通信设备，诸如移动电话或平板手机，该移动设备包括显示器、后盖和中间框架，中间框架在一侧耦合到显示器并且在另一侧耦合到后盖。中间框架有利地并入NFC天线，例如被并入在中间框架的导电部分中的环形天线，环的内部部分包括中间框架的绝缘部分的一部分。
根据一个实施例，NFC天线位于中间框架的端部处。
根据一个实施例，中间框架包括具有至少一个导电部分和至少一个绝缘部分的板，NFC天线具有形成到至少一个导电部分中并且包括两个馈电点的环，环的内部部分由至少一个绝缘部分的第一部分形成，两个馈电点通过由至少一个绝缘部分的第二部分形成的间隙分开。
根据一个实施例，移动设备还包括电子板，电子板被放在中间框架内并且包括通过匹配电路耦合到NFC天线的NFC控制器。
根据一个实施例，移动设备包括耦合到匹配电路和馈电点并且位于电子板与中间框架之间的导电弹簧销。
根据一个实施例，匹配电路具有差分架构，并且天线的电感值在200nH到600nH之间。
根据一个实施例，匹配电路具有单端架构，并且天线的电感值在100nH到350nH之间。
根据一个实施例，移动设备还包括耦合在匹配电路与天线之间的附加电感电路。
附图说明
其他优点和特征将出现在下面的详细描述和附图中，这些附图不是限制性的，在附图中：
图1是根据本公开的包括NFC天线的移动设备的分解图；
图2是图1的移动设备的NFC相关部件的框图；
图3示意性地示出了并入NFC天线的图1的移动设备的中间框架的实施例；
图4示出了诸如可以在图2的移动设备中使用的匹配网络的第一实施例；
图5示出了诸如可以在图2的移动设备中使用的匹配网络的第二实施例；
图6示出了图5和6的接触点与馈电点之间的电耦合的可能实施例；
图7示出了图1的NFC天线的等效电路模型；
图8示出了对图2的框图的潜在修改，其中在匹配网络与天线之间增加了附加电感电路；
图9是图1的移动设备的透视图，示出了这种设计所具有的优点，其中NFC天线位于中间框架内；
图10示意性地示出了并入NFC天线的图1的移动设备的中间框架的另一实施例；以及
图11示意性地示出了移动设备的中间框架的又一实施例。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示移动设备，例如移动电话或平板手机。
移动设备包括若干元件，诸如显示器10、中间框架11、包括电子部件的电子板12、以及后盖13。
一些其他元件也可以并入在移动电话中，但是如果有的话，出于简化的原因，它们在图1中未示出。
在该示例中，中间框架包括由边缘111围绕的板110。
中间框架通常是移动设备的主框架，因为它旨在将电子板放在一侧并且在另一侧支撑显示器。
如后面将更详细地解释的，这里的中间框架并入NFC天线1100。
在该示例中，NFC天线位于中间框架的顶端。
由于该NFC天线1100的存在，电子板112包括通过匹配网络120耦合到天线1100的NFC控制器121，如图2中示意性地所示。
之后将更详细地解释匹配网络120与天线之间的电连接。
图3更详细地但仍示意性地示出了并入NFC天线的中间框架的实施例。
如在该图中可以看到的，NFC天线被并入在中间框架11的板110内。
在该示例中，板110的中央部分和底部是例如在铝上制成的导电部分110a。
当然，在一些其他可能的示例中，板的那些中央部分和底部部分也可以包含诸如塑料等绝缘材料的区域。
这里，板的顶端TPE包括也由导电材料制成的第一分支1111以及也是导电的第二分支1112。
在这两个分支的端部处设置有用于NFC天线1100的两个馈电点FP1和FP2。
两个馈电点FP1和FP2通过由板11的绝缘材料(例如，塑料)制成的绝缘间隙GP隔开。
如图3所示，该结构相应地形成导电环路LOP，导电环路LOP形成NFC环形天线1100。
环的内部部分110b也利用中间框架11的板110的绝缘材料110b制成。
如上所述，NFC控制器121通过匹配网络120连接到天线1100。
图4和图5示出了匹配网络的两种不同架构。
匹配网络是一种将天线阻抗调节到芯片驱动器输出的期望值的电路。匹配网络通常还包括称为EMI滤波器的滤波器，该滤波器旨在过滤电磁干扰。
该滤波器通常是电感电容滤波器。
匹配网络连接到NFC控制器的两个接收输入RX1和RX2以及NFC控制器的两个发射输出TX1、TX2。
图4示出了匹配电路的差分架构的示例。
在NFC控制器的输出被差分驱动时使用这种差分架构。两个输出TX1和TX2的相位相反以允许加倍来自单个电源电压的电压摆动。
图5示出了例如在NFC控制器的输出TX1和TX2被同相驱动并且电压摆动与电源电压相同时使用的匹配网络120的单端架构。
单端架构导致匹配部件更少，但输出功率低于差分架构。
在这两种架构中，EMI滤波器允许减少与将集成在移动电话中的其他天线(例如，GPS天线等)的潜在干扰。
如图4和5所示，NFC控制器121和匹配网络120与移动设备的其他电子部件一起放置在电子板12上。
匹配电路的两个输出端子BS1和BS2连接到电子板12的接触点FO1和FO2。
那些电子点FO1和FO2也电耦合到位于中间框架11上的天线1100的两个馈电点FP1和FP2。
如图6所示，接触点FOi与馈电点FPi之间的电耦合可以包括导电弹簧销PPi(也称为“弹簧针(pogo pin)”)。
因此，当电子板12被放在中间框架中并且电话被组装时，在匹配网络120的输出与NFC天线1100的馈电点之间存在实际的电耦合。
NFC天线结构可以如图7所示建模。
La是天线的电感值。
天线的电感值与结构的长度成比例。
Ra是天线的电阻值。该值与所长度和使用的材料成比例。
Ca是寄生电容，并且主要取决于天线是单环天线还是具有更多匝数。实际上，单环天线具有非常低的寄生电容，而多匝线圈由于匝之间的距离而具有更高的值。
在本示例中，被并入在中间框架的板中的NFC环形天线是单环天线。
NFC天线(其在这里假定为单环天线)的电感值La可以通过下面的公式(1)来计算：
La＝μo[x1+x2-x3+x4]/π (1)。
在公式(1)中，μo是NFC天线的导电材料的磁介电常数。
公式(1)中的x1、x2、x3和x4在公式(2)、(3)、(4)和(5)中定义：
x1＝aavg.ln[(2.aavg.bavg)/(d.(aavg+(aavg 2+bavg 2)1/2))] (2)
x2＝bavg.ln[(2.aavg.bavg)/(d.(bavg+(aavg 2+bavg 2)1/2))] (3)
x3＝2.[aavg+bavg-(aavg 2+bavg 2)1/2] (4)
x4＝(aavg+bavg)/4 (5)。
aavg和bavg在公式(6)和(7)中给出，其中a0是环的总宽度，而b0是环的总高度(例如，参见图3)：
aavg＝a0-w/2 (6)
bavg＝b0-w/2 (7)。
d由公式(8)给出，其中t是分支1111的厚度，而w是分支1111的宽度(例如，参见图3)：
为了具有与NFC要求兼容的操作，匹配电路和天线具有等于载波频率的谐振频率，例如13.56Mhz。
一般而言，本领域技术人员知道如何配置匹配电路。例如，截断频率为20Mhz的EMI滤波器非常适合于13.56MHz的载波频率。
一般而言，单独得到的NFC天线的谐振频率高于13.56Mhz，并且可以是例如1Ghz量级。
本领域技术人员可以计算NFC天线环的尺寸，以便与匹配电路一起具有等于或接近13.56Mhz的全局谐振频率。
例如，当使用具有差分架构的匹配电路时，NFC天线的电感值可以在200nH到600nH之间。
当匹配电路具有单端架构时，NFC天线的电感值可以在100nH到350nH之间。
作为非限制性示例，可以获得129nH的电感值La，其中a0在70mm量级，b0在15mm量级并且t在1mm量级，其与智能手机的中间框架的尺寸兼容。
用于调节天线环的尺寸的可能解决方案可以基于使用具有不同尺寸的天线环进行的电感值、电阻值和电容值测量结果。
这种测量结果可以由常规的矢量网络分析仪执行，例如Keysight公司的矢量网络分析仪E5061B 5Hz-3Ghz。
然而，电感值可以根据周围环境而变化，例如在完全组装移动电话时。更确切地，显示器或电子板的存在正在加载结构，并且电感的值可以相应地减小。
在这种情况下，如图8所示，可以添加附加电感电路，该附加电感电路包括连接在输出端子BS1、BS2与接触点FO1和FO2之间的两个附加电感器LH1、LH2。
如图9所示，在移动设备的中间框架内(特别是在中间框架的端部、例如在中间框架的顶端TPE)提供NFC天线允许在移动设备的背面、正面或侧面上执行NFC事务和非接触式电力传输。
如图10和图11所示，其他实施例也是可能的。
事实上，当中间框架由铝和塑料材料构成时，可以在设计阶段容易地创建NFC天线的专用布局。
通过使用附件中的公式可以很容易地计算出迹线的尺寸。
专用NFC结构的形状和外部尺寸可以根据电话中的区域约束而变化。
然而，基本结构仍然是环路并且将允许电流生成磁场，场强度与环形天线的内部部分的自由区域110b成正比。
例如，在图10中，中间框架11的板可以包括在分支1111与导电部分110a之间延伸的两个附加分支1113和1114。
这两个附加分支1113和1114在它们的端部支撑仍然被绝缘间隙GP分开的馈电点FP1和FP2。
NFC天线1110的环路LOP穿过附加分支1113和1114。
图11与图10的不同之处在于，中间框架11的板的外部分支1111支撑两个其他馈电点FP3和FP4。
因此，该分支1111可以形成用于移动电话的另一天线，例如与天线1110并置的GPS天线。
作为变型，可以将相同的天线环结构(例如，图3所示的天线环结构)用于NFC天线和另一天线，例如GPS天线或WiFi天线。
事实上，由于NFC匹配网络中的EMI滤波器，由于二阶低通滤波器，20MHz以上的频率得到抑制。这允许NFC技术与以其他频率进行操作的其他技术之间的共存，特别是以在1.2GHz以上的频率进行操作的GPS和WiFi。

Claims (23)

1.一种移动设备的中间框架，包括：
中间框架部分；以及
近场通信(NFC)天线，被并入所述中间框架部分并且位于所述中间框架部分的端部处。
2.根据权利要求1所述的中间框架，还包括板，所述板包括至少一个导电部分和至少一个绝缘部分，所述NFC天线包括形成到所述至少一个导电部分中并且包括两个馈电点的环，所述环的内部部分由所述至少一个绝缘部分的第一部分形成，所述两个馈电点通过由所述至少一个绝缘部分的第二部分形成的间隙分开。
3.根据权利要求1所述的中间框架，其中所述NFC天线被耦合到具有差分架构的匹配电路，所述NFC天线具有在200nH与600nH之间的电感值。
4.根据权利要求1所述的中间框架，其中所述NFC天线耦合到具有单端架构的匹配电路，并且其中所述天线的电感值在100nH到350nH之间。
5.根据权利要求1所述的中间框架，其中所述移动设备是移动电话或平板手机。
6.一种移动设备，包括：
显示器；
后盖；以及
中间框架，在一侧被耦合到所述显示器并且在另一侧被耦合到所述后盖，其中所述中间框架在其端部处并入近场通信(NFC)天线。
7.根据权利要求6所述的移动设备，其中所述中间框架包括板，所述板包括至少一个导电部分和至少一个绝缘部分，所述NFC天线包括形成到所述至少一个导电部分中并且包括两个馈电点的环，所述环的内部部分由所述至少一个绝缘部分的第一部分形成，所述两个馈电点通过由所述至少一个绝缘部分的第二部分形成的间隙分开。
8.根据权利要求7所述的移动设备，还包括电子板，所述电子板在所述中间框架内并且包括通过匹配电路被耦合到所述NFC天线的NFC控制器。
9.根据权利要求8所述的移动设备，还包括导电弹簧销，所述导电弹簧销被耦合到所述匹配电路和所述两个馈电点并且位于所述电子板与所述中间框架之间。
10.根据权利要求8所述的移动设备，其中所述匹配电路具有差分架构，并且所述NFC天线的电感值在200nH与600nH之间。
11.根据权利要求8所述的移动设备，其中所述匹配电路具有单端架构，并且所述NFC天线的电感值在100nH与350nH之间。
12.根据权利要求8所述的移动设备，还包括被耦合在所述匹配电路与所述NFC天线之间的附加电感电路。
13.根据权利要求6所述的移动设备，其中所述移动设备是移动电话。
14.一种电子设备，包括：
后盖；
显示器；
中间框架，夹在所述显示器与所述后盖之间；
近场通信(NFC)天线，被并入在所述中间框架内；以及
电子板，位于所述中间框架内，所述电子板包括NFC控制器和被耦合到所述NFC控制器的匹配网络，所述匹配网络被配置为匹配所述NFC天线与所述NFC控制器之间的阻抗。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述中间框架包括基本上围绕非导电部分的导电部分，所述导电部分形成第一分支和第二分支，所述第一分支在顺时针方向上围绕所述非导电部分的周界延伸并且终止于第一馈电点，所述第二分支在逆时针方向上围绕所述非导电部分的周界延伸并且终止于第二馈电点，其中所述第一馈电点和所述第二馈电点被分开以限定由所述非导电部分填充的间隙。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中所述NFC控制器具有第一NFC控制器接收输入和第二NFC控制器接收输入以及第一NFC控制器发射输出和第二NFC控制器发射输出；并且其中所述匹配网络包括：
LC网络，被耦合在所述第一NFC控制器发射输出以及所述第二NFC控制器发射输出与第一输出端子以及第二输出端子之间；
第一电阻，被耦合在所述第一NFC控制器接收输入与所述LC网络之间；以及
第二电阻，被耦合在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述匹配网络还包括被耦合在所述第二NFC控制器接收输入与所述LC网络之间的第三电阻；并且其中所述LC网络包括：
第一电感器，被耦合在所述第一NFC控制器发射输出与第一节点之间；
第二电感器，被耦合在所述第二NFC控制器发射输出与第二节点之间；
第一电容器和第二电容器，被串联耦合在所述第一节点与所述第二节点之间，其中所述第一电容器和所述第二电容器的中心抽头被耦合到地；
第三电容器，被耦合在所述第一节点与所述第一输出端子之间；
第四电容器，被耦合在所述第二节点与所述第二输出端子之间；以及
第五电容器，与所述第二电阻被并联耦合在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间。
18.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：
第一弹簧针，在所述第一输出端子与所述NFC天线的第一馈电点之间进行物理和电接触；以及
第二弹簧针，在所述第二输出端子与所述NFC天线的第二馈电点之间进行物理和电接触。
19.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：
第一输出电感器，被耦合在所述第一输出端子与所述NFC天线的第一馈电点之间；以及
第二输出电感器，被耦合在所述第二输出端子与所述NFC天线的第二馈电点之间。
20.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述LC网络包括：
第一电感器，具有被耦合到所述第一NFC控制器发射输出和所述第二NFC控制器发射输出的第一端子以及被耦合到第一节点的第二端子；
第一电容器，具有被耦合到所述第一节点的第一板以及被耦合到所述第二NFC控制器接收输入和地的第二板；
第二电容器，被耦合在所述第一节点与所述第一输出端子之间；以及
第三电容器，与所述第一电阻被并联耦合在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间。
21.根据权利要求15所述的电子器件，还包括基本上围绕附加非导电部分的附加导电部分，所述附加导电部分形成第三分支，所述第三分支在顺时针方向上在所述非导电部分的周界与所述附加非导电部分的周界之间延伸并且终止于第三馈电点，所述附加导电部分还形成第四分支，所述第四分支在逆时针方向上在所述非导电部分的周界与所述附加非导电部分的周界之间延伸并且终止于第四馈电点，其中所述第三馈电点和所述第四馈电点被分开以限定附加间隙，所述附加间隙由所述非导电部分和所述附加非导电部分的相应部分填充。
22.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述间隙和所述附加间隙未对准。
23.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述中间框架包括：
基本上围绕非导电部分的导电部分，所述导电部分形成围绕所述非导电部分的周界延伸的外部分支；以及
基本上围绕附加非导电部分的附加导电部分，所述附加导电部分形成第三分支，所述第三分支在顺时针方向上在所述非导电部分的周界与所述附加非导电部分的周界之间延伸并且终止于第三馈电点，所述附加导电部分还形成第四分支，所述第四分支在逆时针方向上在所述非导电部分的周界与所述附加非导电部分的周界之间延伸并且终止于第四馈电点，其中所述第三馈电点和所述第四馈电点被分开以限定由所述非导电部分和所述附加非导电部分的相应部分填充的间隙。
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