CN201298234Y

CN201298234Y - 一种用于近场射频通信的读卡装置

Info

Publication number: CN201298234Y
Application number: CNU2008201454942U
Authority: CN
Inventors: 蓝先春; 王占琪; 邵威烈; 赵成武
Original assignee: Shenghua Electronic Science & Technology Co Ltd Xiamen
Current assignee: Shenghua Electronic Science & Technology Co Ltd Xiamen
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2018-09-05

Abstract

本实用新型公开了一种用于近场射频通信的读卡装置，包括天线、阻抗匹配电路、射频收发电路、MCU微处理器；MCU微处理器与射频收发电路相连接，前者对后者的工作状态进行控制，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；阻抗匹配电路连接在天线与射频收发电路之间，使射频收发电路与天线形成匹配，其中天线为功率衰减天线。该结构的读卡装置，能够有效地实现与有源射频收发的射频智能卡进行符合要求的近场通信，并具有结构简单、实现效果好、成本低的特点。

Description

一种用于近场射频通信的读卡装置

技术领域

本实用新型涉及近距离无线传输技术领域，特别是涉及一种用于近场射频通信的读卡装置。

背景技术

NFC(即Near Field Communication)是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。通过2个支持NFC技术的移动装置，可以在几厘米的距离内启动连接，并相互传递信息。NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。NFC技术应用最广泛的就是RFID领域。

与RFID(即Radio Frequency Identification)技术不同的，还有一种采用有源射频收发的射频智能卡也开始得到了应用。这种射频卡它的工作原理与RFID不同，它通过与之连接的设备(如手机)提供电源，并可以直接发射或接收无线电信号与外部的读卡器进行通信工作。

这样的射频卡在一些刷卡的场景使用，其关键的一点，就是NFC近场通信问题，必须保证刷卡的操作，移动设备与读卡器之间的距离，不能太远，一般保持在10CM以内。这就对射频卡与读卡器之间的匹配提出了新的要求，由于安装在移动设备内的射频卡(如手机SIM卡)受到尺寸的限制，在天线的尺寸和形态上有一定的限制，因此，如何通过读卡器来实现与有源射频收发的射频智能卡的通信匹配就是急待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种用于近场射频通信的读卡装置，能够有效地实现与有源射频收发的射频智能卡进行符合要求的近场通信，并具有结构简单、实现效果好、成本低的特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于近场射频通信的读卡装置，包括：

一天线；

一阻抗匹配电路；

一射频收发电路；

一MCU微处理器；

MCU微处理器与射频收发电路相连接，前者对后者的工作状态进行控制，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；阻抗匹配电路连接在天线与射频收发电路之间，使射频收发电路与天线形成匹配。

所述的天线为功率衰减天线。

进一步的，天线包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线；射频收发电路包括第一射频收发电路、第二射频收发电路、第三射频收发电路；阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路；MCU微处理器分别与第一射频收发电路、第二射频收发电路、第三射频收发电路相连接；第一射频收发电路与第一阻抗匹配电路相连接，第一阻抗匹配电路与微带天线相连接；第二射频收发电路与第二阻抗匹配电路相连接，第二阻抗匹配电路与第一功率衰减天线相连接；第三射频收发电路与第三阻抗匹配电路相连接，第三阻抗匹配电路与第二功率衰减天线相连接。

进一步的，天线包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线；阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路；还包括一射频开关；MCU微处理器分别与射频收发电路、射频开关相连接；射频收发电路与射频开关相连接，射频开关分别与第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路相连接，第一阻抗匹配电路与微带天线相连接，第二阻抗匹配电路与第一功率衰减天线相连接，第三阻抗匹配电路与第二功率衰减天线相连接。

所述的功率衰减天线为采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括一金属材料构成的天线条体、一PCB介质材料体，该天线条体被包覆于PCB介质材料体中，在PCB介质材料体的上、下端面分别覆有上金属层、下金属层，在该上金属层中对应于天线条体沿着长度方向的两侧分别设有一条形的缝隙窗口。

所述的PCB介质材料体内还设有与上、下端面相平行且以金属材料构成的上、下隔离层，在该上隔离层中设有一框形的且没有金属材料体的让位部，该让位部的相对面分别包容于所述天线条体和所述缝隙窗口。

本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，微带天线是信号传输天线，采用常规的微带天线，用于正常的信号传递。功率衰减天线采用多层PCB工艺，天线条体被顶层即上金属层、底层即下金属层和中间隔离层即上隔离层、下隔离层所包围着，根据信号的强弱，中间隔离层即上隔离层、下隔离层可以省略；顶层面留有缝隙窗口；顶层，底层和中间隔离层，分别信号接地；从天线条体的空间上看，信号电磁场集中在被顶层，底层和中间隔离层所围成的腔体之中，由于在顶层面留有2条缝隙，所以通过这2条缝隙窗口向外界发射和接收到的电磁场信号，将受到极大的衰减。由于PCB工艺的一致性的保证，信号的衰减量可以得到精确的保证。射频收发电路采用专用IC电路构成，通过阻抗匹配电路与天线连接，天线的尺寸，可以根据PCB的介电常数、PCB的厚度等相关参数，按1/4波长计算获得。射频收发电路一般由MCU微处理器控制，MCU微处理器根据程序的设定，控制射频收发的工作，其中包括，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；MCU微处理器通过SPI或GPIO接口与射频收发电路连接，并控制整个的读卡过程。

本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，可以根据设计上的方便和系统时续的要求，在不同的要求场合下选择使用单组天线即一个功率衰减天线或选择使用多组天线即包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线。

本实用新型的有益效果是，由于采用了天线、阻抗匹配电路、射频收发电路、MCU微处理器来构成用于近场射频通信的读卡装置，且天线为一个功率衰减天线或包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线，MCU微处理器与射频收发电路相连接，前者对后者的工作状态进行控制，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；阻抗匹配电路连接在天线与射频收发电路之间，使射频收发电路与天线形成匹配，该结构能够有效地实现与有源射频收发的射频智能卡进行符合要求的近场通信，并具有结构简单、实现效果好、成本低的优点。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置不局限于实施例。

附图说明

图1是实施例一本实用新型的原理框图；

图2是实施例一本实用新型的微带天线的构造示意图；

图3是沿图2中A—A线的剖视图；

图4是实施例一本实用新型的功率衰减天线的构造示意图；

图5是沿图4中B—B线的剖视图；

图6是实施例一本实用新型的另一种功率衰减天线的构造示意图；

图7是沿图6中C—C线的剖视图；

图8是有源射频收发的射频智能卡的构造示意图；

图9是实施例一本实用新型的电路原理图；

图10是实施例二本实用新型的原理框图；

图11是实施例三本实用新型的原理框图。

具体实施方式

实施例一，参见图1所示，本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，包括：

一天线；天线包括用于正常信号传递的一个微带天线11和用于系统握手的第一功率衰减天线12、第二功率衰减天线13；

一阻抗匹配电路；该阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路21、第二阻抗匹配电路22、第三阻抗匹配电路23；

一射频收发电路；该射频收发电路包括第一射频收发电路31、第二射频收发电路32、第三射频收发电路33；

一MCU微处理器4；

MCU微处理器4分别与第一射频收发电路31、第二射频收发电路32、第三射频收发电路33相连接，前者对后者的工作状态进行控制，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；第一射频收发电路31与第一阻抗匹配电路21相连接，第一阻抗匹配电路21与微带天线11相连接；第二射频收发电路32与第二阻抗匹配电路22相连接，第二阻抗匹配电路22与第一功率衰减天线12相连接；第三射频收发电路33与第三阻抗匹配电路23相连接，第三阻抗匹配电路23与第二功率衰减天线13相连接；阻抗匹配电路连接在天线与射频收发电路之间，使射频收发电路与天线形成匹配。

如图2、图3所示，微带天线11是采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括与电路部分相连接的天线条体111和PCB介质材料体112，该天线条体111设在PCB介质材料体112的顶端面。

如图4、图5所示，第一功率衰减天线12、第二功率衰减天线13均为功率衰减天线，该功率衰减天线为采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括一金属材料构成的天线条体121、一PCB介质材料体122，该天线条体121被包覆于PCB介质材料体122中，在PCB介质材料体122的上、下端面分别覆有上金属层123、下金属层124，在该上金属层123中对应于天线条体沿着长度方向的两侧分别设有一条形的缝隙窗口125。

在PCB介质材料体内还设有与上、下端面相平行且以金属材料构成的上隔离层126、下隔离层127，在该上隔离层126中设有一框形的且没有金属材料体的让位部128，该让位部128的相对面分别包容于所述天线条体121和所述缝隙窗口125。

本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，微带天线11是信号传输天线，采用常规的微带天线，用于正常的信号传递。功率衰减天线即第一功率衰减天线12、第二功率衰减天线13是采用多层PCB工艺，天线条体121被顶层123即上金属层、底层124即下金属层和中间隔离层即上隔离层126、下隔离层127所包围着，根据信号的强弱，中间隔离层即上隔离层、下隔离层可以省略(如图6、图7所示)；顶层面留有缝隙窗口125；顶层123，底层124和中间隔离层即上隔离层126、下隔离层127，分别信号接地；从天线条体121的空间上看，信号电磁场集中在被顶层123，底层124和中间隔离层126、127所围成的腔体之中，由于在顶层面留有2条缝隙窗口125，所以通过这2条缝隙窗口125向外界发射和接收到的电磁场信号，将受到极大的衰减。由于PCB工艺的一致性的保证，信号的衰减量可以得到精确的保证。射频收发电路31、32、33采用专用IC电路构成，通过阻抗匹配电路21、22、23与天线连接，天线的尺寸，可以根据PCB的介电常数、PCB的厚度等相关参数，按1/4波长计算获得。射频收发电路31、32、33一般由MCU微处理器4控制，MCU微处理器4根据程序的设定，控制射频收发的工作，其中包括，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；MCU微处理器4通过SPI或GPIO接口与射频收发电路31、32、33连接，并控制整个的读卡过程。

本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，能够有效地实现与有源射频收发的射频智能卡5进行符合要求的近场通信，该射频智能卡5(如图8所示)可以是安装在移动设备如手机内的射频卡，即制作在手机的SIM卡中，该射频智能卡5通常包括卡内电路51和卡内天线52，该射频智能卡5通常也是采用PCB制造工艺实现，天线的工艺和原理类似于微带天线。这样的射频卡它的正常射频覆盖范围在1米左右。

使用过程中：

本实用新型的微带天线11，用于正常的信号传递；第一功率衰减天线12、第二功率衰减天线13，用于系统握手。

使用者可以利用移动通信设备的终端(如手机)在本读卡装置(即POS)上进行刷卡动作，对于移动设备来说，它的信号发射功率与接收灵敏度是相对不变的，但可以预先设定。

本实用新型的读卡装置开机工作后，会进入等待刷卡状态，这时系统不断的通过第一功率衰减天线12发射询问信号，这个信号的功率通过第一功率衰减天线12的衰减功能得到了很大的衰减，不会扩散很远，同时，MCU微处理器4还可以通过指令，进一步精确的控制第二射频收发电路32的信号功率，信号功率可以多级可调。由于移动设备的灵敏度有限，必须靠近读卡装置，这样就能保证移动设备在限定的距离范围内才能被有效接收。

当移动设备收到读卡装置的询问信号后，开始发一个应答信号，但这个信号的功率，相对来说，也是很强的。读卡装置的第二功率衰减天线13负责接收应答信号，由于第二功率衰减天线13也具有功率衰减功能，尽管移动设备所发射的信号功率很强，但通过这样的强制衰减，真正接收到的信号，依然很弱，移动设备为了保持读卡装置的正确接收，不得不靠近读卡装置。这样的“靠近”通过MCU微处理器4的指令，接收灵敏度可以多级可调，调整第三射频收发电路33的灵敏度可以精确的调整两者之间的距离在10CM以内，以达到理想的近场空间。

通过第一功率衰减天线12、第二功率衰减天线13的信号握手，使得了移动终端和读卡装置的距离空间得到了控制，这时，读卡装置的第一射频收发电路31通过微带天线11开始和移动终端传递有效的数据，过程简单，不多赘述。

参见图9所示，芯片N1、N2、N3分别为第一射频收发电路31、第二射频收发电路32、第三射频收发电路33的IC芯片(型号为RFDEV01)，以芯片N1为例，ANT1、ANT2为射频信号连接脚，通过电容C1、C2、C3和电感L1、L2、L3组成的第一阻抗匹配电路，连接到天线A1上，芯片N1采用16MHz的晶体为本振频率，经过内部倍频后，射频载波频率为2.4GHz，在ISM频段内。信号工作频点，由程序设定。第一射频收发电路31采用SPI接口与MCU通信，采用同步串行方式，时钟信号SPI_CLK，数据同步信号SPI_CS，芯片使能信号SPI_CE，SPI_MOSI、SPI_SIMO为数据信号，分别是输入和输出。

第一射频收发电路31的IC芯片还有2个信号，RF_IRQ和RF_EF分别为数据发送中断请求和芯片功能使能，用于在和MCU数据通信时的控制，和对芯片的管理。

芯片N2、N3与芯片N1电路结构相同，只是连接的天线不同。

天线A1为普通微带天线，用于数据传递。

天线A2、天线A3为功率衰减天线，用于近场信号握手。

MCU微处理器4包括芯片N4及其外围电路，芯片N4为普通8位或16位的MCU，内部含有Flash存储器。如果需要通过安全认证或运行加密算法，也可以采用智能卡芯片，符合智能卡规范，一种安全加密的芯片。

MCU采用SPI接口与射频收发电路传递数据，SPI为双向同步工作方式。将GPIO信号实现对射频收发电路采集数据的中断响应和芯片的控制，根据上位机的需求，芯片采用内部的USB接口或UART接口与其通信，实现数据交换和上位POS对读卡装置的控制。

实施例二，参见图10所示，本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，与实施例一的不同之处在于，射频收发电路只有一个，同时还包括一射频开关6，MCU微处理器4分别与射频收发电路30、射频开关6相连接；射频收发电路30与射频开关6相连接，射频开关6分别与第一阻抗匹配电路21、第二阻抗匹配电路22、第三阻抗匹配电路23相连接，第一阻抗匹配电路21与微带天线11相连接，第二阻抗匹配电路22与第一功率衰减天线12相连接，第三阻抗匹配电路23与第二功率衰减天线13相连接。

以射频收发电路30组成的读卡装置，它由MCU微处理器4驱动，输出的射频信号，通过射频开关6，分别接3种不同特性或作用的天线。

实施例三，参见图11所示，本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，与实施例一的不同之处在于，射频收发电路只有一个，阻抗匹配电路也只有一个，天线也只有一个，MCU微处理器4与射频收发电路30相连接，前者对后者的工作状态进行控制，控制发射信号的功率强度和信号接收的灵敏度；阻抗匹配电路20连接在天线10与射频收发电路30之间，使射频收发电路30与天线10形成匹配，该天线10为功率衰减天线，比如采用实施例一、二中的第一功率衰减天线12或第二功率衰减天线13皆可，此时的天线10既用来实现系统握手，也用来实现信号传递。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种用于近场射频通信的读卡装置，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：包括：

一天线；

一阻抗匹配电路；

一射频收发电路；

一MCU微处理器；

2.根据权利要求1所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的天线为功率衰减天线。

3.根据权利要求2所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的功率衰减天线为采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括一金属材料构成的天线条体、一PCB介质材料体，该天线条体被包覆于PCB介质材料体中，在PCB介质材料体的上、下端面分别覆有上金属层、下金属层，在该上金属层中对应于天线条体沿着长度方向的两侧分别设有一条形的缝隙窗口。

4.根据权利要求3所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的PCB介质材料体内还设有与上、下端面相平行且以金属材料构成的上、下隔离层，在该上隔离层中设有一框形的且没有金属材料体的让位部，该让位部的相对面分别包容于所述天线条体和所述缝隙窗口。

5.根据权利要求1所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：进一步的，天线包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线；射频收发电路包括第一射频收发电路、第二射频收发电路、第三射频收发电路；阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路；MCU微处理器分别与第一射频收发电路、第二射频收发电路、第三射频收发电路相连接；第一射频收发电路与第一阻抗匹配电路相连接，第一阻抗匹配电路与微带天线相连接；第二射频收发电路与第二阻抗匹配电路相连接，第二阻抗匹配电路与第一功率衰减天线相连接；第三射频收发电路与第三阻抗匹配电路相连接，第三阻抗匹配电路与第二功率衰减天线相连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线为采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括一金属材料构成的天线条体、一PCB介质材料体，该天线条体被包覆于PCB介质材料体中，在PCB介质材料体的上、下端面分别覆有上金属层、下金属层，在该上金属层中对应于天线条体沿着长度方向的两侧分别设有一条形的缝隙窗口。

7.根据权利要求6所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的PCB介质材料体内还设有与上、下端面相平行且以金属材料构成的上、下隔离层，在该上隔离层中设有一框形的且没有金属材料体的让位部，该让位部的相对面分别包容于所述天线条体和所述缝隙窗口。

8.根据权利要求1所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：进一步的，天线包括用于正常信号传递的一个微带天线和用于系统握手的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线；阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路；还包括一射频开关；MCU微处理器分别与射频收发电路、射频开关相连接；射频收发电路与射频开关相连接，射频开关分别与第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路、第三阻抗匹配电路相连接，第一阻抗匹配电路与微带天线相连接，第二阻抗匹配电路与第一功率衰减天线相连接，第三阻抗匹配电路与第二功率衰减天线相连接。

9.根据权利要求8所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的第一功率衰减天线、第二功率衰减天线为采用PCB工艺制作而成的天线结构，该天线结构包括一金属材料构成的天线条体、一PCB介质材料体，该天线条体被包覆于PCB介质材料体中，在PCB介质材料体的上、下端面分别覆有上金属层、下金属层，在该上金属层中对应于天线条体沿着长度方向的两侧分别设有一条形的缝隙窗口。

10.根据权利要求9所述的一种用于近场射频通信的读卡装置，其特征在于：所述的PCB介质材料体内还设有与上、下端面相平行且以金属材料构成的上、下隔离层，在该上隔离层中设有一框形的且没有金属材料体的让位部，该让位部的相对面分别包容于所述天线条体和所述缝隙窗口。