CN1223043C - 高电感耦合天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种耦合天线，是由在绝缘的介电材料的基底(14)上串接的多圈构成的。这种天线是由在平面基底上的一组或多组至少一圈(16)串接而成，其中至少有一组是由在垂直于基底平面方向上相叠的至少两圈(16、22)串联而成，且这至少两圈为电介质墨的绝缘带(20)所隔开，这便能得到一个大的电感值。本发明还涉及到这样一种天线的制造方法以及将这种天线应用于无接触智能卡。

Description

高电感耦合天线

本发明涉及的是无接触收发系统，而特别涉及的是一种高电感耦合天线，这在无接触智能卡中特别有用。

当今，无接触收发系统在许多方面都有广泛的使用。其应用之一便是无接触智能卡，这是一种在各个方面使用越来越广泛的系统，例如在运输方面，这样的卡为所有的高速公路运输公司所发展，以建议它们的用户使用这种卡并使路站的收费变得方便。这种卡还发展成付款方式，例如电子钱包的情况。多个公司还用无接触智能卡发展成对其员工的识别方法。

无接触智能卡与相应的阅读装置之间的信息交换是通过一个藏在无接触智能卡内的天线与第二个处于阅读器内的天线之间的有距离电磁耦合进行的。为了制造、存储和处理各种信息，这种卡上具有芯片，芯片中有一个存储区和一个微处理器，并与一个天线相连。这种芯片借助于插入芯片中的电容器而得到输入电容。芯片和天线一般都在一个中性的平面基板上。天线一芯片耦合的最佳运行应是非阻性的，是在当电路共振时而得到的，要遵守下式：

                 LCω²＝1(1)

此中，L表示天线的电感，C是输入电容，ω是角频率，等于2πf。f是归一化频率(例如为13.56MHz)。

必须遵守这条定律就要求芯片制造商，亦称铸造商在芯片中装入电容器，以便得到足够大的电容值，这样由于使用电容而使芯片的造价大升。

无接触电子卡的发展必须包括卡中所用芯片造价的下降。为了降低芯片的成本，导致铸造商越来越减少在芯片中集成的电容数，因而使电路的电容减小，这亦可造成更小个的智能卡。

为了满足定律LCω²＝1及得到最佳的耦合，必须增加天线的电感来补偿智能的输入电容的降低，在用对铜或铝进行化学刻蚀而制成天线的情况下，天线是在塑料介质的基板上的圈的形式，通常是用增加圈数来增加电感。这种办法往往会产生多种缺陷。事实上所有的电路都有电阻，增加圈数就在实际上增加了电路的长度，这便导致电阻值的激增，这对天线的性能，因而对卡的性能大有影响。实际上卡的读取距离则大为减少。

为了减小尺寸并保持电磁通量穿过卡的有效截面，要缩小铜轨道的宽度，这产生了增加天线电阻的作用，特别是使卡的可靠性受到损害，因为卡体在热压轧制时天线圈断裂的危险就增大了。

每个刻蚀天线的成本显著增加，这样铸造商用小输入电容得到的低价就被天线的高价所抵消。这些卡的制造和使用就不再有利可图。

本发明的目的是除去上述这些弊端，制造一种高电感天线，可以得到性能好的卡，其可靠性好，制造成本低，因而成本明显低于现在市场上的智能卡。

本发明涉及的一种在一个由绝缘的介电衬底构成的平面基底上串联的多个圈构成的耦合天线；所述的天线的特征在于这种天线包括印在所述的平面基底上的一组或串接的多组墨圈，每组墨圈含有至少一圈，所述组中的至少一组是由沿一轴线方向相叠并串接的两圈构成的，所述轴线垂直于平面基底，且这两圈间由也是印在平面基底上的电介质墨的绝缘带隔开，这样能得到一个大的电感值。

本发明的另一方面在于一种制造耦合天线的方法，其中耦合天线由在一个由绝缘的介电衬底构成的平面基底上串联的多个圈构成，其特征在于该方法包括以下步骤：通过在绝缘的介电衬底构成的平面基底的一个面上沉积导电墨，以实现印刷至少一组墨圈中的一个墨圈，沉积电介质墨，在前述至少一组墨圈的上述印刷的墨圈上印刷一条绝缘带，以将前述的圈覆盖而留下天线的连接端和与相叠圈的连接区显露出来，沉积导电墨，在前述印刷的绝缘带的上面实现至少一组的一圈的印刷，当天线具有一组或多组的圈数多于2的相叠的圈时，将该方法的第二步和第三步重复一次或多次。

这种天线及这种制造方法的好处是多方面的：

a)为了补偿可印刷的导电聚合物墨的大的本征电阻率，必须增加天线圈的横截面，这可以通过加宽圈和/或加大墨的沉积厚度来实现。在和要求相适上的基础上，在各种机械和老化(热、湿)检验后含有至少三圈的一个印刷天线的各种瞬态性能至少可以和一个蚀刻天线的性能相比较。在必须加大天线的电感以和小的内电容的芯片相适应时，增加圈数对印刷天线是有害的，因为在这三层中的电学性质退变很快。(电导率和电感减小)。本发明的方法可以克服这个技术死路，同时推荐一种可以与小电容智能相兼容的印刷天线。

b)通过修改根据本发明的耦合天线的几何参数(电介质绝缘层的厚度、圈的宽度和厚度、相叠的各圈间的覆盖面)，可以调节印刷天线的电感值以得到完美的匹配，因此可以实现一种天线结构，使铸造商极大地缩小芯片的输入电容。电容的这种“客观化”为铸造商提供了非常有兴趣的廉价前景。

c)一个印刷天线的造价在实际上比一个蚀刻天线的造价低十倍还多。印刷天线的实施是按照对于在平板上印刷天线的标准方法进行的(三个涂膜、三个丝网(screen)，相同的墨)。卡的总价钱因而明显的很低，因为芯片的内电容极大地减小。

阅读后面的描述将更好地弄清本发明的目的、目标和优越性。后面的描述将参照下列附图。

图1示出一个带有存储器的无接触卡的电路示意图，

图2示出的是根据一个特殊的实施方式在这种实施的第一步结束时的耦合天线。

图3示出在上述实施的第二步结束时的根据本发明的耦合天线，

图4示出在上述实施的最后一步结束时的根据本发明的耦合天线。

根据图1，卡1的电路分成两部分：天线和芯片。芯片2有一内部电容Cs4，由置于芯片的电容器来得到。芯片中还有一个电子部分6，对应于存储区和处理器。这个芯片2通过电路1和天线8连接。天线8中有一电阻Rs10，电路中功率损耗是由它造成的。天线中还有它本身的电感Ls12。

图2、3、4示出在制造方法的三个主要步骤之后的天线。这所涉及的是由相叠的两个圈构成一组的天线。同样的方法可以用来实现的天线中有至少一圈的多个组，且这多组中至少有一组是由至少相叠的两圈构成的。

在制造方法的第一步中，将导电墨构成圈16印在平板基底14上，基底14是由绝缘的电介质构成的，见图2所示。此述的电介质可以是塑料、纸，或是用热固性或紫外线网化的树脂浸渍的玻璃布。使用的塑料例如是聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET、PETG)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)。所用的导电墨中有聚合物并加有导电成分，导电成分可以是金属，最好所用的墨中掺的是银，有时是加铜或碳。墨中含有50％到70％的粒状或片状的银。使用的聚合物是聚酯或是丙烯树脂，墨中还有溶剂，起到媒介物的作用。根据一种特殊的实施方式，溶剂为乙二醇醚。圈16沿着基底的外沿，圈的一个端头接触某一个连接头18，以将天线和某一个电学部分或电子部分相连接，例如芯片。这圈的另一端是空的，以能和第二圈相连。

图3示出在本方法的第二步之后的天线。实施第二步印刷。这第二步印刷对应于至少二层介电墨的沉积，以在两圈之间构成绝缘带20。根据一种理想的实施方式，每层有25微米厚。这种墨中有聚合物和紫外线照射时会网化(réticule)。根据一种实施方式，所说的聚合物可以是丙烯树脂和未饱和聚酯纤维。和导电墨不同，这种墨中没有溶剂。在将墨放在紫外线下作用时，含在墨中的聚合物就网化，网化使墨变硬。这样天线的几何形状就非常稳定，特别是绝缘带的厚度就非常稳定，于是两圈之间的距离就不变，这就使得天线保持其最佳的运行质量。为使这种墨的绝缘性能足够好，也要具有相对高的介电常数，一般其介电常数值要大于3。在一种好的实施方式中，用来印刷绝缘带的墨的介电常数为3.9。为保证绝缘带有好的绝缘性能，至少需要两层墨。事实上，在网化以后，墨层有相当大的多孔性，防碍墨具有良好的绝缘能力。为解决这个问题，连续且重叠印刷二层，构成的一条带具有很强的绝缘能力。这条带是叠在圈16上，且将这个圈全部覆盖，特别是和连接端头相接触的那个端头18，但留着空头的第二个端头17除外，以能和第二圈相连接。

图4示出在天线制造方法的第三步后的天线，亦即最后一步后的天线。第三步印刷对应于制成的圈22，这一圈是重叠在第一组的圈16之上，和两圈之间的绝缘带20之上。所说重叠是沿重直于基底平面的垂线轴的方向上的重叠。圈22的端头之一和第一圈16的一个空端17相连，而其第二个端头则和天线的第二个连接端24相连。

因此，从这个例子可以看出，所述的天线是由相串的二个圈构成的，这两个圈处在不同的两个平面内，相互平行，每圈都和基底14平行。于是这种天线称为“Z”形天线。

可以将构成天线的两圈之间的连接看成是通过沿着整个天线的分布电容来连接的。这种结构等效成两个线圈(对应于每一个圈)通过一个电容串接，所述的电容是由处在两圈之间的构成绝缘带的电介质形成的。如果每圈的电感是L，而这个电容的值为C，则其整体的复阻抗为

$Z=i\·2\·L\·\mathrm{\ω}-\frac{i}{C\·\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

从上面的方程看出，电容C的值越大，则电感Z也越大，或者相叠两圈之间的电容随绝缘带的厚度而变化，于是可以计及芯片的输入电容，改变天线的表观电感(实际上是阻抗Z)，以得到共振条件。事实上如果智能卡的输入电容太小，则可用减小两圈间绝缘层的厚度来增加两圈之间的电容。天线的表观电感也同样增加了；如果相反，芯片的输入电容大，则可通过增大绝缘带的厚度来得到小电感天线，并由此和芯片更好地适应。这样可以根据分开相叠两圈的绝缘带的厚度来使表观电感的值可调节。

已测出两圈之间的电容的值，记录到的最大值为2000皮法拉(pF)这个电容值允许获得的电感值约为1900纳亨(nH)。

上面描述的耦合天线仅仅是一个实施例。事实上，根据本发明，天线中可以有一个或多个仅有一圈的组，以及一个或多个由串接的多圈所构成的组。每一个多圈组是由相叠的圈串联组成的，这组和那组的相叠圈数和直径可不同。

根据本发明的耦合天线特别可以用于无接触的智能卡。这些智能卡是一个平面基底上带有与至少一个芯片相连的至少一个高电感耦合天线构成的。在这个平面基底上还有一个小的内部电容。根据一种特殊的无接触智能卡，平面基底是夹在两个卡体之间，在基底的每个边沿将这两个卡体固结起来以增加硬度。这些卡体可以是塑料的。在这种情况下，所用的塑料可以是聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PETPETG)、聚合碳酸酯(PC)，或者为丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS)。当这些卡体是塑料的，则带有一个或多个根据本发明的天线的基底的边缘的固结是用构成卡的三个部件的热压或冷压来实现的，这亦称为热轧或冷轧，一且实现压轧，则芯片就安装进去并和一个或多个卡的天线连接起来。

Claims (12)

1.在一个由绝缘的介电衬底构成的平面基底(14)上串联的多个圈构成的耦合天线；

所述的天线的特征在于这种天线包括印在所述的平面基底上的一组或串接的多组墨圈，每组墨圈含有至少一圈，所述组中的至少一组是由沿一轴线方向相叠并串接的两圈(16、22)构成的，所述轴线垂直于平面基底，且这两圈间由也是印在平面基底上的电介质墨的绝缘带(20)隔开，这样能得到一个大的电感值。

2.根据权利要求1的耦合天线，其中形成平面基底的介电衬底由塑料、纸、或热固性的或可被紫外线网化的树脂浸渍的玻璃布构成。

3.根据权利要求2的耦合天线，其中用作形成平面基底的介电衬底的塑料为聚氯乙烯、聚酯、聚合碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。

4.根据权利要求1至3中任一项的耦合天线，其中所述的印刷圈的墨是掺加有导电成分的导电聚合物墨。

5.根据权利要求4的耦合天线，其中导电聚合物墨中掺有银、铜或碳。

6.根据权利要求5的耦合天线，其中所述的绝缘带是由至少两层电介质墨构成的。

7.根据权利要求6的耦合天线，其中构成两层绝缘带的电介质墨是一种经紫外线可网状化的聚合物墨。

8.一种制造耦合天线的方法，其中耦合天线由在一个由绝缘的介电衬底构成的平面基底(14)上串联的多个圈构成，其特征在于该方法包括以下步骤：

——通过在绝缘的介电衬底构成的平面基底的一个面上沉积导电墨，以实现印刷至少一组墨圈中的一个墨圈，

——沉积电介质墨，在前述至少一组墨圈的上述印刷的墨圈上印刷一条绝缘带，以将前述的圈覆盖而留下天线的连接端和与相叠圈的连接区显露出来，

——沉积导电墨，在前述印刷的绝缘带的上面实现至少一组的一圈的印刷，

当天线具有一组或多组的圈数多于2的相叠的圈时，将该方法的第二步和第三步重复一次或多次。

9.一种无接触智能卡，由带有与至少一个芯片连接的、根据权利要求1至7所述的高电感耦合天线的平面基底构成。

10.根据权利要求9的无接触智能卡，其中的平面基底是夹在两个卡体的中间，所述的两层卡体在平面基底的每个边缘都固结，由此而使卡变硬。

11.根据权利要求10的智能卡，其中的卡体由塑料材料制成，所述塑料材料为聚氯乙烯、聚酯、聚合碳酸酯或丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯。

12.根据权利要求11的智能卡，其中的卡体与天线的平面基底的固结是用热轧或冷轧。

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