CN115004509A - 用于高频率近场通信且用于对便携式电子设备进行感应充电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设备的高频率通信和感应充电的装置（1），其包括充电表面（5）、以低频率发射磁场至少一个充电天线（6）和铁磁材料层（7）。所述装置包括至少一个通信天线（31、32）和印刷电路板（2）。所述通信天线（31、32）采用具有位于与层（7）平行的平面中的对称轴的局部地围绕所述层（7）的线圈的形式。层（7）的材料被选择为如下：在高频率处具有足够高的磁导率虚部以引发在层（7）的表面上的垂直于该层延伸的泄漏，同时在低频率处保持足够低的导磁率虚部以允许感应充电。

Description

用于高频率近场通信且用于对便携式电子设备进行感应充电 的装置

技术领域

本发明涉及一种用于例如NFC类型的高频率近场通信以及用于对便携式电子设备进行感应充电的装置。

背景技术

更特别地但是并非以排它方式，本发明适用于作为感应充电装置的便携式电子设备的感应充电器，便携式电子设备旨在板载安装在机动车辆上并且包括高频率近场（即，短距离）通信装置，以便一旦所述装备已经放置在感应充电器的搁置表面上时与便携式设备进行通信。近场通信理解为意指处于坐落于13.56MHz左右的频率的通信，但是本发明适用于处于也允许近场通信的3MHz至30MHz之间的频率的任何通信。

允许对便携式电子设备（例如，移动电话、膝上型计算机、触摸屏平板、数码相机或甚至身份徽章等）进行无线充电的利用磁耦合的充电装置当前正在经历显著增长。

通常，利用磁耦合的充电装置包括至少一个导体线圈，称为“主天线”，其连接到充电模块。在便携式设备的充电期间，充电模块形成充电信号，其允许在主天线中引导强度随时间变化的电流。因此受供电的主天线形成可变磁场。

便携式设备包括接收模块，其包括导电线圈，称为“辅天线”。当辅天线放置在由主天线形成的可变磁场内时，在辅天线中感生电流。该电流允许对连接到辅天线的电蓄能器进行充电，因此向便携式设备供应电流。

用户将其便携式电子设备放置在用于支承便携式设备的充电表面上，充电表面还服务于在短距离通信期间支承便携式设备，以使得便携式设备得以感应充电，并使其在通过近场感应或NFC（按英语的“近场通信”）充电之前以及期间与车辆的板载电子系统进行通信。

通常几毫米的数量级的这种短距离无线通信允许车辆等其它事物下载便携式设备中包含的特定用户的文件，并因此基于该文件适配车辆的元件；例如，调整车辆驾驶者的座位的位置、对喜欢的无线电台进行编程、改变仪表板的外观，或甚至激活“E-call”（按英语的Emergency call，“紧急呼叫”）功能等。

众所周知，这些通信和充电装置包括：至少一个射频天线，其专用于感应充电，称为充电天线，是WPC类型（按英语的“无线电源联盟”，即根据该联盟的标准的无线感应充电天线），允许在30至300kHz（有利地，从100至200kHz）之间的低频率处的感应充电；以及还有至少一个其它天线，其用于在3MHz至30MHz之间（有利地，13.56MHz）的频率的通信，专用于该近场通信。

其还可以涉及通过便携式设备和连接到车辆的板载电子系统的充电装置之间的短距离耦合的通信的任何其它射频天线。

众所周知，主WPC充电天线居中于充电装置的中间，以便相对于便携式设备的辅天线对齐，辅天线自身通常也位于所述装备的中心。NFC天线通常布置在WPC天线周围，一直在充电装置的外围周围。相似地，便携式设备的NFC天线自身也位于便携式设备的背面的外围周围，并且因此当便携式设备放置在充电装置上时定位为面对充电装置的NFC天线，由此允许有效NFC通信。

参照图1，其示出根据最接近的现有技术的实施例，根据现有技术的通信和充电装置1a包括：主印刷电路板2，其用于监控并且控制充电和/或通信；和至少一个电源，其用于至少一个主充电天线（在该图1中不可见）且用于至少一个通信天线3a（下文中称为NFC天线3a）。

根据该最接近的现有技术，所述至少一个NFC天线3a在处于与主印刷电路板平行的平面中的同时受蚀刻在位于感应充电装置的所述至少一个发射机天线上方的第二印刷电路板2a上。这将主发射机天线移动离开辅天线，辅天线以接收机线圈的形式存在于放置在第二板2a上的便携式电子设备中，并且这对感应充电是有害的。

还示出的是连接引脚4，其采用三个引脚的形式，分别布置在主印刷电路板2和第二印刷电路板2a的四个角处，实质上等同的形状和大小，同时为矩形。

除了感应充电领域中的这个主要缺点之外，根据现有技术的用于便携式电子设备进行感应充电和用于近场通信的这种装置在NFC通信领域中还具有若干主要缺点。

第一个缺点在于，NFC天线由于受限制于用于感应充电的区域而允许仅覆盖设备的中心区域。

第二个缺点在于，主要与NFC天线位于中心（通常在辅接收机天线周围以用于充电）的便携式电子设备建立NFC通信。

第三个缺点在于，在感应充电期间并不保证NFC通信，NFC通信天线与所述至少一个感应充电发射机天线强耦合。

第四个缺点是对金属便携式电子设备的大敏感性，这对于NFC通信引发强阻抗失配。

第五个缺点是与NFC天线位于设备的外围区域中（例如，这些设备的纵向端部部分处的相机周围）的电子设备的不稳定通信。

第六个缺点是有限的通信区域，其中覆盖区域小于或等于印刷在第二印刷电路板上的天线的大小。

最后，第七个缺点在于，归因于源于具有增加感应充电装置中的电阻率的铜层的第二印刷电路板的厚度导致的较大距离，第二印刷电路板上的天线的存在降低充电效率。

此外，感应充电装置的一个主要缺点是充电表面上的外来金属物体的潜在存在，这可能在便携式电子设备的充电期间加热。如果未检测到这些外来金属物体并且不停止充电，则它们可能引发灼伤用户。

本发明所基于的问题是，对于用于高频率近场通信和用于对便携式电子设备进行感应充电的装置，一方面，增加感应充电的效率，并且另一方面，保证在感应充电期间的无中断近场通信，并且在一个改进中也允许可靠地检测充电表面上的外来金属物体的存在。

实际上，在近场通信期间，在所述至少一个感应充电发射机天线与通信天线之间产生磁耦合，这使在通信期间电子设备处的信噪比恶化，本发明提出以避免该情况。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于例如NFC类型的高频率近场通信且用于便携式电子设备的感应充电的装置，所述装置一方面对于充电而言包括：充电表面，其用于支承所述便携式电子设备；和至少一个充电发射机天线，其被布置在所述充电表面下方并以在30至300kHz之间选择的低频率发射磁场，铁磁材料层布置在所述至少一个充电天线之下，并且另一方面对于通信而言包括至少一个近场通信天线，其以介于3MHz和30MHz之间的高频率发射磁场，所述装置包括：印刷电路板，其用于监控和控制充电和/或通信；和至少一个电源，其用于所述至少一个充电天线且用于所述至少一个通信天线，注意的是，所述至少一个通信天线采用至少一个通信线圈的形式，所述至少一个通信线圈相对于所述铁磁材料层布置，以使得由所述至少一个通信线圈创建的场的部分穿过具有包括实部和虚部的磁导率的所述铁磁材料层，所述铁磁材料层的材料被选择为具有大于10的实部，其中在选择的高通信频率处，所述虚部与所述实部之间的比率处于0.05至1之间，并且在选择的低频率处，所述虚部与所述实部之间的比率处于0至0.5之间。

这两个比率允许使磁导率的虚部相对于实部足够高，以引发至少部分地在铁磁材料层的表面上的垂直于所述表面延伸的泄漏，同时在选择的低频率处保持磁导率的虚部相对于实部足够低，以允许电子设备的感应充电。

对于便携式电子设备的感应充电，所获得的技术效果在于，使充电天线靠近充电表面，并且因此改进近场通信和充电的效率。由于承载通信天线的第二印刷电路板的消除，装置的厚度减小，并且主印刷电路板与承载通信天线的第二板之间不再存在对于连接元件的任何需求。

在现有技术中，平坦地位于第二印刷电路板上的通信天线的线圈并非允许在装置的周围获得令人满意的覆盖。这种线圈现在得以消除，印刷电路板与第二印刷电路板之间的互连亦如是，并且为形成线圈的金属环所代替。

对于近场通信，在充电期间建立近场通信的可能性的情况下，得以获得覆盖的扩展。如图5所示，在根据本发明的具有两个通信天线的装置的特定情况下，通信覆盖遍及装置周围是均匀的，并且不再包括任何磁场峰值。

现有技术规定在高频率近场通信期间停止感应无线充电，NFC通信天线与所述至少一个感应充电发射机天线是强耦合的。通过将一个或多个充电天线与一个或多个通信天线解耦合，本发明允许避免这种停止。

根据本发明的至少一个通信天线对铁磁材料的激励允许引导磁场以确保遍及装置的中心区域的覆盖并通过源于材料的磁导率导致的泄漏而生成相对于材料层垂直定向的磁场。

磁导率表征材料修改磁场（即，修改磁通线）的能力。磁导率以复数的形式加以定义，其虚部示出材料的磁场的泄漏能力。该虚部在给定频率处越高，泄漏就将是越大的，场线优选地遵循穿过强磁导率的区域的轨迹。

材料的磁导率的虚部的选择取决于装置（例如，取决于所使用的通信天线的类型），并且不能减少到某个值和值的某个范围。本领域技术人员具有获知分别对于通信和充电选择的高通信频率和低频率的值的知识所需要的技能以选择如下的铁磁材料：其在低充电频率具有相对低的虚磁导率，层本质上在该低频率服务于引导磁通量，并且在高通信频率具有相对高的虚磁导率，以使得磁场泄漏沿着铁磁材料是可能的。

该选择在于充电效率与近场通信效率之间的折衷。可以通过给出作为包括低频率和高频率的扩展频率场的函数的磁导率虚部的预先建立的曲线进行选择。

近场通信区域因此尤其是对于布置有近场通信天线的便携式电子设备朝向纵向端部扩展。此外，在利用某些电子设备（如金属移动电话）进行充电期间，近场通信变得更稳定。

关于便携式电子设备的充电，根据本发明的装置具有一个或多个充电天线与便携式电子设备之间的减小的距离，这允许减少能量损耗并增加充电效率。

为了说明，在根据现有技术的装置中，便携式设备与充电天线之间的距离可以是7mm，包括用于包含平坦蚀刻在第二印刷电路板上的通信天线的该第二板的1.2mm。根据本发明的装置所允许的第二板的消除因此将充电天线与设备之间的距离从7mm减小到5.8mm，并且充电效率从65％变为70％。

优选地，但是以完全非限制性的方式，通信线圈局部地围绕铁磁材料层。

优选地，通信线圈具有位于平行于铁磁材料层的平面中的对称轴。

有利地，所述至少一个通信天线围绕铁磁材料层的端部部分。实际上，磁场适合于穿过铁磁材料层的大部分。

有利地，所述至少一个通信天线包括围绕印刷电路板的部分或者在印刷电路板的面对所述至少一个充电天线的面上蚀刻在印刷电路板上的部分，并且所述至少一个充电天线搁置在铁磁材料层的与印刷电路板相对的面上。

本质上，铁磁材料层服务于在低频率下充电时引导磁场并且在高频率下通信时沿着材料通过泄漏来分布磁场。

有利地，铁磁材料层的磁导率的虚部与实部之间的比率对于选择的低频率处于0至0.2之间，并且对于选择的高通信频率处于0.10至0.7之间，实部大于100。

有利地，装置具有在所述至少一个通信天线的被定向为与印刷电路板相对的部分与铁磁材料层的面对所述至少一个充电天线的面之间的第一间隙和在印刷电路板的两个分别面对的面与铁磁材料层之间的第二间隙，第二间隙与第一间隙的比率大于6。

来自铁磁材料层的所有磁场泄漏被定向为朝向充电表面而非朝向印刷电路板是非常有利的。所建议的这些间隙的选择有助于将磁场泄漏的大部分定向为朝向充电表面。

有利地，装置包括至少两个通信天线，其中第一通信天线被布置为朝向铁磁材料层的端部部分，并且第二通信天线被布置为朝向与承载第一通信天线的端部部分相对的另一端部部分。

这表示根据本发明的装置的优选实施例。磁场处于被更好地分布。具有两个通信天线的装置还通过让一个天线处于谐振而另一天线被激活来允许功能的变化。

有利地，第一通信天线或第二通信天线中的至少一个采用通信线圈的形式，其一方面连接到闭合或打开相应的供电电路的开关——供电电路连接到主电路，主电路包括用于通信的电源——并且另一方面包括在所选择的高频率下的谐振实施用部件，其被连接到谐振实施用控制电路。

为了根据操作数据优化通信，可以存在用于通信天线的激活和/或谐振的多个变型。

有利地，装置包括由第一通信天线的线圈和第二通信天线的线圈共享的谐振实施用控制电路，谐振实施用控制电路包括反相逻辑门，其交替地对用于第一通信天线的线圈或用于第二通信天线的线圈的谐振实施用部件进行供电，用于每个通信天线的谐振实施用部件包括至少一个电容器。

根据本发明，在供电电路中使用两个主开关，而不是在根据现有技术的装置中使用的三个开关。将反相逻辑门插入到谐振实施用控制电路中允许具有用于两个通信天线的单个控制电路并且实现装置构造的简化。

有利地，控制电路被连接到主电路的每个开关，并且或者将其置于使线圈之一的供电电路闭合同时使另一线圈的供电电路打开的第一位置中，或者将其置于使线圈之一的供电电路闭合同时使另一线圈置于谐振的第二位置中，第三位置与置于打开位置的两个开关对应。

两个通信天线可以同时有效、同时无效、一个有效而另一个处于谐振、一个有效而另一个无效。稍后将描述变型中的每个的具体优点。

巧妙的是，装置还包括

a.用于测量两个通信天线中的至少一个的端子处的电流、电压或电压与电流之间的相移的值的部件，

b.用于将因此所测量的所述值与预定值进行比较的部件，

c.用于根据所述比较的结果确定外来金属物体的存在的部件。

因此，仅通过添加以上描述的所述部件，当通信装置包括两个通信天线时，其也可以被使用于检测充电表面上的外来金属物体的存在。

有利地，装置包括第三辅助通信天线，其采用线圈形式，垂直于所述至少一个通信天线的线圈延伸。

在一个或多个通信天线处的覆盖中可能存在一个或多个孔。第三通信天线的存在服务于填充覆盖内的这个或这些孔。该第三辅助通信天线可以具有垂直于天线或每个通信天线的轴而定向的中轴。

有利地，装置包括三个充电天线，其均采用充电线圈的形式，两个充电线圈在彼此隔开的同时抵接铁磁材料层，第三充电线圈横跨两个充电线圈，三个充电线圈形成相对于垂直于铁磁材料层延伸的间隔的中轴对称的组件。

附图说明

还根据阅读随后的描述，本发明的其它特征和优点将变得更加显而易见。该描述纯粹是说明性的，并且应当参照随附附图加以阅读，在附图中：

- [图1]：图1是根据现有技术的用于NFC类型高频率近场通信且用于便携式电子设备的感应充电的装置的透视图的示意性表示，

-[图2]：图2是根据本发明的实施例的用于NFC类型的高频率近场通信且用于便携式电子设备的低频率感应充电的装置的纵向截面视图的示意性表示，通信天线输送磁场，其穿过铁磁材料层并垂直于与印刷电路板相对的该层而泄漏，

-[图3]：图3示出用于分别不适合于和适配于根据本发明的装置中的实施的铁磁材料层的沿着长度的磁场强度的比较，

-[图4]：图4示出用于适合于根据本发明的装置中的实施的铁磁材料层的磁导率的按频率演变的虚部和实部的曲线，

-[图5]：图5示出在装置的长度上的分别用于现有技术和根据本发明的分别示出通信和充电装置的通信周围的覆盖的两条曲线，

-[图6]：图6示出分别根据现有技术和本发明的相对于用于通信和充电的装置的装置中心在装置的长度上的按照位置获得的磁场水平，根据本发明的装置仅具有一个通信天线，

-[图7]：图7示出具有两个近场通信天线的根据本发明的通信和充电装置的四个实施例，其中通信天线分别为有效、无效或谐振，四条磁场曲线分别与四个实施例之一关联，

-[图8]：图8示出根据本发明的用于具有两个通信天线的通信和充电装置的供电和谐振控制电路的一个实施例，第一通信天线可以是有效的、无效的或处于谐振，其中在第一种情况下，第二通信天线处于谐振，而在其它情况下是有效的或无效的，

-[图9]：图9是包括两个平面通信天线的通信装置的第一变型的顶视图，

-[图10]：图10是通信装置的第二变型的顶视图，其中通信天线不具有位于平行于铁磁材料层的平面中的对称轴，

-[图11]：图11是根据本发明的装置的改进的示意性视图，其中通信装置能够检测充电表面上的外来金属物体的存在。

具体实施方式

参照按组合得到的图2至图8并且特别是图2和图7，本发明涉及一种用于高频率近场通信（在该示例中，NFC类型）并且用于便携式电子设备的感应充电的装置。

装置一方面对于充电包括：充电表面5，其用于支承便携式电子设备（图中不可见）；和至少一个充电发射机天线6，其被布置在充电表面5下方并以在30至300kHz之间（有利地，从100到200kHz）的所选择的低频率发射磁场。

在图2和图7中示出三个充电线圈6，其均实现为充电天线6，这并非限制性的。铁磁材料层7（有利地，铁氧体棒）被布置在一个或多个充电天线6之下。

装置1另一方面对于通信包括：至少一个近场通信天线31、32，其以介于3MHz和30MHz之间（有利地，13.56MHz）的频率发射磁场。在图2和图7中示出两个通信天线31、32，其有利地采用线圈的形式，被布置在铁磁材料层7的相应地相对的端部处，但这并非限制性的，一个通信天线31、32可以是足够的，或者辅助通信天线33（尤其是在图8中可见）可以被使用在一个或多个通信天线31、32之间，其中通信天线31、32的数量可以大于两个。

装置1包括：印刷电路板2，其用于监控并且控制充电和/或通信；和至少一个电源8，其用于一个或多个充电天线6且用于一个或多个通信天线31、32。用于一个或多个通信天线31、32的电源8在图8中是可见的。

可以存在用于充电和通信的共享电源，在此情况下，电源能够按照是期望通信还是充电而输送高频率或低频率电流。在此情况下，不可以在通信的同时执行充电，除非电源是双套式的。也可以存在两个特定电源以用于通信和充电。

根据本发明，一个或多个通信天线31、32采用局部地围绕铁磁材料层7的至少一个通信线圈的形式。在图8中示出用于第一通信天线31和第二通信天线32的通信线圈L1、L2。

在装置1的优选实施例中，天线31、32缠绕在层7周围并且具有位于平行于所述铁磁材料层7的平面中的对称轴，该情况被示出在图2和图7中。

然而，图2和图7中示出的装置1的优选实施例绝不是限制性的。两个天线31、32可以采取其它形式，例如，天线31、32沿着位于平行于所述层7的平面中的轴可以是对称的或可以不是对称的，并且它们沿着该轴可以是彼此间对称的或不对称的。例如，天线31、32可以不具有位于平行于层7的平面中的对称轴，该情况在图10中示出，其中天线31、32以偏移方式缠绕在层7周围。天线31、32也可以是平面的，位于平行于铁磁材料层7的平面中。

然而，对于本发明关键的是，天线31、32被布置为使得它们发射的部分或全部的磁场穿过铁磁材料层7。

于是由所述至少一个通信线圈创建的场的部分（有利地，大部分的或主要的磁场）通过由该层7引导而穿过铁磁材料层7。由于该铁磁材料层7具有包括实部Par r和虚部Pari的磁导率，因此在本发明的上下文中提供的是：选择铁磁材料层7，以使得层7具有大于10的实部，其中在所选择的高频率处，虚部与实部之间的比率处于0.05和1之间，并且在所选择的低频率处，虚部与实部之间的比率处于0和0.5之间。

这产生垂直于铁磁材料层7的表面延伸的高频率泄漏。本发明还提供：选择铁磁材料层7，以使得层7在前面提到的选择的低频率处保持虚部与实部之间的比率处于0和0.5之间，其足够低以允许电子设备的感应充电，而没有过多损耗。

处于本领域技术人员的能力之内的是，从多个铁磁材料层7中选取最适合的铁磁材料层，以并入到根据本发明的通信和充电装置1中。可以按照常规实验或已经绘制的具有实部和虚部的磁导率曲线进行这种选取，以便选择最合适的铁磁材料。

在图2中，装置1的总长度标记为l，并遵循由装置1上方延伸的箭头表述的纵轴Y。正是该总长度将取作图3中的曲线的横坐标上的长度l。通信天线31在纵轴Y上的位置标记为A。

参照图3，该图示出作为沿着作为铁磁材料层的铁氧体的长度变化的频率的函数由铁氧体发射的以安培/米为单位的磁场强度的两条曲线CO1和CO2。

合期望的是铁氧体（例如，6至8cm之间）的中心区域中的磁场强度的增加。

曲线CO1示出磁场强度，其对于小于5cm的长度与曲线CO2相比是更高的，但是对于大于5cm的长度与曲线CO2相比不高。对应于曲线CO1的铁氧体并未被针对本发明的实施而优化，在高频率处具有大的实部和小的虚部。

于是对应于曲线CO1的这种铁氧体在介于6和8cm之间的中心区域中仅允许获得小的场强度，而在高频率（例如，13.56MHz）处具有大的实部和虚部的对应于曲线CO2的所谓优化的铁氧体在该中心区域生成更大的磁场强度。

并非限制于此，为了实施本发明而优化的铁氧体在低频率处具有相对低的磁导率，并且在高频率处具有相对高的磁导率。

在图4中示出作为以赫兹为单位的操作频率F（Hz）的函数的复数磁导率Perm comp的实部Par r和虚部Par i的曲线。最左方的垂直线指示感应充电的低频率F WPC（有利地，100kHz），并且最右方的垂直线指示近场通信的高频率F NFC（有利地，13.56MHz）。

可以看到，对于高频率，虚部Par i增加，并且对于这些高频率，实部Par r减小，由此损耗更高。在本发明的上下文中，将是适合的是，选取具有在高频率处高的虚部Par i但是具有足够高的实部的磁导率的铁氧体。

更特别地仍参照图4，铁磁材料层7的磁导率的虚部Par i与实部Par r的比率对于所选择的低频率而言可以处于0和0.2之间并且对于所选择的高频率而言可以处于0.10和0.7之间，对于该高频率而言实部Par r可以大于100。

图5虽然仍然参照图1和图2，但是示出根据现有技术的通信装置1的覆盖Zcouv Et与由根据本发明的通信装置1获得的覆盖Zcouv Inv之间的比较。在如图2中示出的本发明的情况下，通信装置1包括两个通信天线，其间隔开小于装置1的总长度的长度，两个通信天线31、32的位置由垂直虚线在长度y的刻度上的截断处示出。

在现有技术的情况下，两个峰值的每个对应于蚀刻在第二印刷电路板2a上的NFC通信天线3a的在装置1a中横向延伸的相应支路，如图1中示出那样。

假设根据本发明的两个通信天线31和32具有与横向支路之一相同的在装置中的相应纵向位置（并非强制为这种情况），与通信天线3a的横向支路彼此之间相比通信天线31和32可以具有在它们之间的更大的间隔且沿着装置1的长度更偏心。

水平线分别指示为，对于较低的水平线，其指示最小近场通信阈值Smin NFC，并且对于较高的水平线，其指示最大近场通信阈值Smax NFC。与对于根据现有技术的覆盖区域Zcouv Et而言相比，由根据本发明的装置1获得的覆盖区域Zcouv Inv中的以安培/米为单位的磁场强度的幅度Champ（A/m）沿着Y轴在装置1的长度上的变化更小。尤其是，在本发明的情况下，与穿过通信天线3a的横向支路时相比，穿过通信天线31或2时的磁场的峰值并不高。覆盖的磁场的分布沿着装置的长度更均匀。

图6示出根据装置1的尺寸（有利地，根据本发明的近场通信和充电装置的长度l）以安培/米或A/m为单位创建的磁场强度Champ的分布，同时将其与来自现有技术的分布进行比较。根据本发明的装置的实施例在该非限制性情况下是具有两个通信天线的装置，但是装置在该图6中是以部分的方式示出的，并且源自第二通信天线的磁场并未被示出。

被分级为-10到+6的刻度上的点0对应于图2中的第一通信天线31的标记A的位置。如果长度x和图2中示出的辅助无源天线33未被纳入考虑，则点0和-10之间的磁场因此处于装置外部，而点0和+6之间的磁场处于装置的部分的内部。

在每对条中，最左方的条是与由根据本发明的装置创建的磁场Inv有关的条，而最右方的条是由根据现有技术的装置创建的Et。标号Inv和Et仅是针对相应的单个条给出的，但是或者用于由根据本发明的装置获得的所有磁场条In，或者用于由根据现有技术的装置获得的所有磁场条Et。

由椭圆形或Zcouv包围的区域仅与第一通信天线31处的根据本发明的装置有关，现有技术中的该区域并未被位于叠置于如图1中示出的主印刷电路板2的第二印刷电路板2a上的天线3a覆盖，给定的是天线3a的横向支路被布置在距装置1a的相应的纵向端部的一定距离处。标号l与在横坐标上具有以厘米为单位的长度Y（cm）的刻度的装置的长度有关。

可识别的是，由根据本发明的装置获得的磁场总是比由根据现有技术的装置获得的磁场高（在-1cm处有一个例外）。

在并非限制性而是纯粹说明性的情况下，在300mA的电流的情况下，根据现有技术，利用ISO-14443 3类参考卡测量的覆盖为2至3cm，并且根据本发明为4至9cm，因此具有所获得的2至3倍大的近场通信覆盖。

尤其是在图2和图7中可看到那样，一个或多个通信天线31、32围绕铁磁材料层7的端部部分。

尤其是在图2中可看到的，天线或每个通信天线31、32包括在印刷电路板2的面对所述至少一个充电天线6的面上蚀刻在印刷电路板2上的部分。替换地，天线或每个天线31、32可以包括围绕印刷电路板2的部分。

关于一个或多个感应充电天线6，一个或多个充电天线6可以被搁置在铁磁材料层7的与印刷电路板2相对的面上。

在图2和图7中示出搁置在铁磁材料层7上的两个充电天线6，其中第三充电天线6被搁置在前述充电天线6上。在图2中，水平箭头示出铁磁材料层7中的源自第一通信天线31的磁场的路径，并且垂直箭头示出铁磁材料层7的沿着层7的尺寸朝向充电表面5均匀分布的磁场泄漏，该尺寸是装置1的长度l。

更特别地参照图2，适合的是避免磁场泄漏指向为与充电表面5相反（即朝向印刷电路板2）。

为此，通信和充电装置1可以具有：第一间隙Il，其处在天线或每个通信天线31、32的被定向为与印刷电路板2相对的部分与铁磁材料层7的面对所述至少一个充电天线6的面之间；和第二间隙I2，其处在印刷电路板2的两个分别面对的面与铁磁材料层7之间。第二间隙I2与第一间隙I1的比率可以大于6，这实际上不是图2中的情况，然而但是这是优选的。

参照图2和图7，装置1可以包括三个充电天线6，其均采用充电线圈的形式。两个充电线圈6可以在被彼此隔开的同时抵接铁磁材料层7，第三充电线圈横跨两个充电线圈6。

三个充电线圈6可以因此形成相对于垂直于铁磁材料层7延伸的间隔的中轴对称的组件。

如在图2和图7中可看到那样，在其优选实施例中，装置1可以包括至少两个通信天线31、32。第一通信天线31可以被布置为朝向铁磁材料层7的一个端部部分，并且第二通信天线32可以被布置为朝向与承载第一通信天线31的端部部分相对的另一端部部分（有利地，在通信和充电装置1的相对的纵向端部处）。

在图2中示出印刷电路板2内的接地平面9，其中印刷电路板2的端部部分不包括接地平面。辅助无源天线33可以被容纳在印刷电路板2的不包括接地平面9的端部部分中。印刷电路板2的不包括接地平面9的端部部分的长度x在尺寸（其有利地为装置的长度l）上可以小于印刷电路板2在该尺寸上的总尺寸的十分之一。

印刷电路板2可以是由位于距彼此一定距离的支承件11支承的，其形成对装置1的不连续支承。

尤其是参照图2、图7和图8，第一通信天线31和第二通信天线32可以采用相应的通信线圈L1、L2的形式，线圈的匝垂直于铁磁材料层7的平面延伸。在图2和图7中示出三行匝，但是这当然并非是限制性的。

参照图7，当近场通信和充电装置1包括两个通信天线31、32时，可以给予这些通信天线31、32不同的状态，例如：状态有效Act，对其而言通信天线31、32被供电；无效状态Ou，对其而言通信天线31、32的供电电路打开；和谐振状态Res，对其而言通信天线31、32被置于谐振。

图7示出对于通信天线31、32具有不同状态的四个近场通信和充电装置1，其中由这些装置1中的每个在它们的相应的状态下分别获得覆盖曲线couv1至couv4。为了简单，参考标号仅针对第一装置1进行指示，但是也适用于其它三个。

对于第一装置1（图7中的最上方），第一通信天线31被供电而处于有效Act，而第二通信天线32处于谐振Res。

获得第一覆盖曲线Couv 1。保持第二天线32处于谐振，该第二天线在图7中在最右方，允许增加电磁材料层7中的场强度以便覆盖中心区域。

对于图7中从顶部起的第二装置1，第一通信天线31被供电而处于有效Act，而第二通信天线32处于无效Ou，其供电电路是打开的。

获得第二覆盖曲线Couv 2。将最右方的第二通信天线32置于开路允许消除天线处的阴影区域。

对于图7中从顶部起的第三装置1，第一通信天线31处于谐振Res，而第二通信天线32被供电而处于有效Act。

获得第三覆盖曲线Couv 3。保持在最左方的第一通信天线31处于谐振允许增加电磁材料层7中的场强度以便覆盖中心区域。

对于图7中从顶部起的第四装置1，第一通信天线31处于无效Ou，其供电电路是打开的，而第二通信天线32被供电而处于有效Act。获得第四覆盖曲线Couv 4。

在对根据本发明的装置1的一种改进中，并且在图11中示出，装置1还包括：

a. 部件M1，其用于测量两个通信天线31、32中至少一个的端子处的电流值、电压值或电压与电流之间的相移值，

b. 部件M2，其用于将如此测量的所述值与预定值进行比较，

c. 部件M3，其用于基于所述比较的结果确定外来金属物体的存在。

此前记述的部件可以采取集成到印刷电路中且连接到微处理器的软件或电子组件的形式。

因此，通过如图7中示出那样使通信天线31、32的配置变化，并通过测量天线的端子处的相应参数，可以通过与预先实现的预定测量的比较确定外来金属物体的存在。实际上，在充电表面上的外来金属物体的存在修改两个天线之间的电磁场，并修改通信天线31、32的端子处的以下参数：

a. 在并非有效或打开的或谐振的通信天线的端子处的电压，

b. 在有效的通信天线的端子处的电流和/或相移。

预先实现的测量可以源自校准阶段，在校准阶段期间，针对放置在装置1的表面上的不同类型的金属物体实现测量，或者有利地，预先实现的测量是在之前的时刻进行的。因此动态地实现测量，并且可以检测测量随时间的任何变化，并且如果所述变化超过预定阈值，则这指明搁置表面上存在外来金属物体。

更特别地参照图8，一方面，通信天线31、32的每个的相应的通信线圈L1、L2可以被连接到闭合或打开相应的供电电路的开关Q3、Q4。通信线圈的相应的供电电路可以与包括用于通信的电源8的主电路12并联连接。

另一方面，通信天线31、32的每个通信线圈L1、L2可以包括用于每个相应的线圈L1、L2在所选择的高频率下的谐振实施用的部件Q1、C3；Q2、C4，其与谐振实施用控制电路14并联连接。

主电路12包括射频适配电路，射频适配电路包括第一电容器C1和电阻器R1，具有通过包括第二电容器C2的支路接地的分路部，支路插在第一电容器C1与电阻器R1之间。主电路12通过第一主开关Q3向第一通信天线31供电，并且作为分路部通过第二主开关Q4向第二通信天线32供电。

谐振控制电路14分别通过第一谐振开关Q1和第二谐振开关Q2控制第一通信天线31或第二通信天线32的选择性谐振。

开关Q1至Q4附近的标号F和O指示开关的相应的状态，其中闭合电路F或打开电路O。

谐振实施用控制电路14包括第一支路，其作为分路部一方面向第二通信天线32的线圈的第二谐振开关Q2供电，并且另一方面向第一通信天线31的线圈的第一主开关Q3供电，以用于其在打开O或闭合位置的控制。

谐振实施用控制电路14包括从第一支路分路的第二支路，其作为分路部，一方面向第一通信天线31的线圈的第一谐振开关Q1供电，并且另一方面向第二通信天线32的线圈的第二主开关Q4供电，以用于其在打开O或闭合位置的控制。

谐振实施用控制电路14可以通过其第一支路和第二支路而由第一通信天线31和第二通信天线32的线圈共享。谐振实施用控制电路14可以在其第二支路中包括反相逻辑门13。

该反相逻辑门13可以交替地向用于第一天线31的线圈或第二通信天线32的线圈的谐振实施用部件Q1、C3；Q2、C4供电，用于每个通信天线31、32的谐振实施用部件Q1、C3；Q2、C4包括从第一通信天线31和第二通信天线32的相应的线圈的电感器L1、L2分路的至少一个电容器C3、C4。

控制电路14可以连接到主电路12的每个主开关Q3、Q4，并且或者将其置于使线圈之一的供电电路闭合同时使另一线圈的供电电路打开的第一位置中，或者将其置于使线圈之一的供电电路闭合同时使另一线圈置于谐振的第二位置中。

然而，可以提供对应于被置于打开位置中的两个主开关Q3、Q4的第三位置和对应于被置于闭合位置中的两个主开关Q3、Q4的第四位置。

如图8中示出那样，近场通信和充电装置可以包括第三辅助通信天线33，其采用垂直于所述至少一个通信天线31、32的线圈延伸的线圈的形式。该辅助通信天线33覆盖第一通信天线31和第二通信天线32处的覆盖的孔。辅助通信天线33包括电容器C5和线圈L3，类似于第一通信天线31和第二通信天线32。

本发明因此通过通信天线的位置并且通过铁氧体层的铁磁材料的技术选取而明智地允许克服来自现有技术的众多问题。

Claims (12)

1.一种用于高频率近场通信且用于便携式电子设备的感应充电的装置，所述装置（1）一方面对于充电包括：充电表面（5），其用于支承所述便携式电子设备；和至少一个充电发射机天线（6），其被布置在所述充电表面（5）下方并以在30至300kHz之间选择的低频率发射磁场，铁磁材料层（7）被布置在所述至少一个充电天线（6）之下，并且另一方面对于通信包括：至少一个近场通信天线（31、32），其以介于3MHz和30MHz之间的高频率发射磁场，所述装置（1）包括：印刷电路板（2），其用于监控和控制充电和/或通信；和至少一个电源（8），其用于所述至少一个充电天线（6）且用于所述至少一个通信天线（31、32），所述至少一个通信天线（31、32）采用至少一个通信线圈（L1、L2）的形式，所述至少一个通信线圈（L1、L2）被布置为使得由所述至少一个通信线圈创建的场的部分穿过具有包括实部（Par r）和虚部（Pari）的磁导率的所述铁磁材料层（7），所述铁磁材料层（7）的材料被选择为具有大于10的实部（Par r），其中在所选择的高频率处，所述虚部（Par i）与所述实部（Par r）之间的比率处于0.05和1之间，并且在所选择的低频率处，所述虚部（Par i）与所述实部（Par r）之间的比率处于0和0.5之间，所述装置特征在于其包括：

a）至少两个通信天线（31、32），其中第一通信天线（31）被布置为朝向所述铁磁材料层（7）的一个端部部分，并且第二通信天线（31、32）被布置为朝向与承载所述第一通信天线（31）的与所述端部部分相对的另一端部部分，

b）用于测量所述两个通信天线（31、32）中的至少一个的端子处的电流、电压或所述电压与所述电流之间的相移的值的部件（M1），

c）用于将如此所测量的所述值与预定值进行比较的部件（M2），

d）用于基于所述比较的结果确定所述充电表面上的外来金属物体的存在的部件（M3）。

2.如前项权利要求所述的装置（1），其特征在于，所述通信线圈局部地围绕所述铁磁材料层（7）。

3.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，所述通信线圈具有位于平行于所述铁磁材料层（7）的平面中的对称轴。

4.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，所述至少一个通信天线（31、32）围绕所述铁磁材料层（7）的端部部分。

5.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，所述至少一个通信天线（31、32）包括围绕所述印刷电路板（2）或在所述印刷电路板（2）的面对所述至少一个充电天线（6）的面上蚀刻在所述印刷电路板（2）上的部分，并且所述至少一个充电天线（6）搁置在所述铁磁材料层（7）的与所述电路板相对的面上。

6.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，所述铁磁材料层（7）的所述磁导率的所述虚部（Par i）与所述实部（Par r）的比率对于所选择的低频率而言处于0和0.2之间并且对于所选择的高频率而言处于0.10和0.7之间，所述实部（Par r）大于100。

7.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，其具有：第一间隙（I1），其处在所述至少一个通信天线（31、32）的被定向为与所述印刷电路板（2）相对的部分与所述铁磁材料层（7）的面对所述至少一个充电天线（6）的面之间；和第二间隙（I2），其处在所述印刷电路板（2）的两个分别面对的面与所述铁磁材料层（7）之间，所述第二间隙（I2）与所述第一间隙（I1）的比率大于6。

8.如前项权利要求所述的装置（1），其特征在于，所述第一和/或第二通信天线（31、32）中的至少一个采用通信线圈（L1、L2）的相应的形式，一方面连接到闭合或打开相应的供电电路的开关（Q3，Q4），所述通信线圈（L1，L2）的相应的供电电路与主电路（12）并联连接，所述主电路（12）包括用于通信的电源（8），并且另一方面包括所述相应的线圈（L1，L2）在所选择的高频率下的谐振实施用的部件（Q1，C3；Q2，C4），其与谐振实施用控制电路（14）并联连接。

9.如前项权利要求所述的装置（1），其特征在于，所述装置（1）包括由所述第一通信天线（31）和第二通信天线（32）的所述线圈（L1、L2)共享的谐振实施用控制电路（14），所述谐振实施用控制电路（14）包括：反相逻辑门（13），其交替地对用于所述第一通信天线（31）的所述线圈（L1）或所述第二通信天线（32）的所述线圈（L2）的谐振实施用部件（Q1，C3；Q2，C4）进行供电，用于每个通信天线（31、32）的谐振实施用部件（Q1、C3；Q2、C4）包括至少一个电容器（C3、C4）。

10.如前述两项权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，所述控制电路（14）连接到所述主电路（12）的每个开关（Q3、Q4），并且或者将其置于使所述线圈（L1，L2）之一的所述供电电路闭合同时使另一线圈的所述供电电路打开的第一位置中，或者将其置于使所述线圈（L1，L2）之一的所述供电电路闭合同时使另一线圈置于谐振的第二位置中，第三位置与被置于打开位置中的所述两个开关（Q3、Q4）对应。

11.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，其包括第三辅助通信天线（33），其采用线圈（L3）的形式，垂直于所述至少一个通信天线（31、32）的所述线圈延伸。

12.如前述权利要求中的任何一项所述的装置（1），其特征在于，其包括三个充电天线（6），其均采用充电线圈的形式，两个充电线圈在彼此隔开的同时抵接所述铁磁材料层（7），第三充电线圈横跨所述两个充电线圈，所述三个充电线圈（6）形成相对于垂直于所述铁磁材料层（7）延伸的间隔的中轴对称的组件。

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