CN202217304U - 一种sim卡及其射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种SIM卡及其射频识别系统，包括信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，还包括超材料射频天线；所述超材料射频天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。本实用新型将超材料射频天线应用于射频SIM卡中，由于超材料射频天线尺寸不受限于电磁波波长且不需要额外配置阻抗匹配网络，使得SIM卡上更易集成该天线，且该天线在SIM卡工作频段依然保持优良的性能和小型的尺寸。

Description

一种SIM卡及其射频识别系统

技术领域

本实用新型涉及移动支付领域，尤其涉及一种SIM卡及其射频识别系统。 

背景技术

随着经济的发展和信息技术的日新月异变化，我国拥有手机等可通信的设备的人数以达到7亿。在可通信设备中加入支付功能能够减少人们随身携带钱包的不便并使得人们享受随时随地支付的便捷，因此，移动支付受到越来越多的重视，并在可预见的未来具有广阔的商业发展空间。 

目前已有的在SIM卡上集成射频识别功能以实现移动支付的SIM卡均存在一个问题：用于接收和发射信号的天线较大，不能适应SIM卡小型化的要求。根据传统的天线理论，天线的尺寸为所需响应电磁波波长的四分之一，因此根据传统理论设计的天线，其尺寸被电磁波波长限制，不可自由调节。现有技术中存在一个解决方案，即将天线设置于SIM卡模块之外，例如设置于手机外壳上，但此种做法无疑增加了手机设计时的成本且设置于SIM卡模块外的天线也容易损坏。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种集成有尺寸不受电磁波波长限制且更加小型化的超材料射频天线的SIM卡及具有该SIM卡的射频识别系统。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种SIM卡，其包括：信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，还包括超材料射频天线，所述SIM卡主控模块处理所述信号感应和接收模块接收到的信号，所述 SIM卡主控模块的指令和数据通过所述射频收发模块转换后通过所述超材料射频天线发送出去，所述射频收发模块还通过所述超材料射频天线接收外部设备的指令和数据并交由所述SIM卡主控模块处理；所述超材料射频天线包括第一介质基板以及覆盖于所述第一介质基板上的第二介质基板；所述第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕所述金属片设置的馈线，所述馈线以耦合方式馈入所述金属片，且所述金属片上镂空有微槽结构。 

进一步地，所述SIM卡还包括卡基板，所述信号感应和接收模块、所述SIM卡主控模块、所述射频收发模块和所述超材料射频天线均一体封装于所述卡基板内。 

进一步地，所述微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构或互补式弯折线结构。 

进一步地，所述第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成；或者所述第一介质基板材质与所述卡基板材质相同。 

进一步地，所述第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。 

进一步地，所述馈线与所述金属片之间设置有可短接点，所述可短接点电连接所述馈线与所述金属片使得所述馈线以感性耦合方式馈入所述金属片。 

进一步地，所述微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻形成于所述金属片上。 

进一步地，所述SIM卡还包括接口模块，所述接口模块与所述SIM卡主控模块电连接使得所述SIM卡通过所述接口模块与移动终端交换数据。 

进一步地，所述移动终端使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的手机。 

本实用新型还提供一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，所述应答器为上述任意一项所述的SIM卡。 

本实用新型将超材料射频天线应用于射频SIM卡中，由于超材料射频天线尺寸不受限于电磁波波长且不需要额外配置阻抗匹配网络，使得SIM卡上更易 集成该天线，且该天线在SIM卡工作频段依然保持优良的性能和小型的尺寸。并且本实用新型SIM卡上的超材料射频天线还在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得超材料射频天线工作在低频时无需增长馈线长度，进一步减小了超材料射频天线的体积。 

附图说明

图1为本实用新型SIM卡上超材料射频天线结构示意图； 

图2a为互补式开口谐振环结构的示意图； 

图2b所示为互补式螺旋线结构的示意图； 

图2c所示为开口螺旋环结构的示意图； 

图2d所示为双开口螺旋环结构的示意图； 

图2e所示为互补式弯折线结构的示意图； 

图3a为图2a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图； 

图3b为图2a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图； 

图4a为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图； 

图4b为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图； 

图5为四个图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图； 

图6为本实用新型SIM卡的结构框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型技术方案作进一步描述。 

如图6所示，图6为本实用新型SIM卡的结构框图。图6中，SIM卡包括信号感应和接收模块101、SIM卡主控模块102、射频收发模块103、超材料射频天线104以及接口模块105。本实施例中，上述各模块均一体封装于SIM卡卡基板100内。可以想象地，为使得空间更加紧凑，亦可以将部分模块设置于SIM 卡卡基板100的相对表面上，其他模块设置于卡基板100内部。 

信号感应和接收模块101感应和接收外部的信号，通常为磁信号，并将该信号传输给SIM卡主控模块102，SIM卡主控模块102根据接收到的信号判断，当需要与外部设备通信时，SIM卡主控模块102发出指令和数据给射频收发模块103，射频收发模块103接收到SIM卡主控模块102发出的指令和数据后将指令和数据转化后通过超材料射频天线104发送出去。同时，超材料射频天线104还可接收外部的电磁信号并传输给射频收发模块103，由射频收发模块103转换后传输给SIM卡主控模块102。本实施例中，SIM卡还包括接口模块105，SIM卡主控模块102通过接口模块105与移动终端交换数据。本实用新型的移动终端可为使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的各种手机设备。 

本实施例中，信号感应和接收模块101、SIM卡主控模块102、射频收发模块103以及接口模块105均可使用常规的现有技术，其内部结构和工作方式为本领域技术人员所公知，且不是本实用新型主要实用新型技术要点，因此在此不做详细描述。 

应用于移动支付领域的射频标准一般为低频频率，例如13.56MHZ或2.4GHZ，为了使SIM卡能工作于低频率，天线的作用尤为重要。然而根据传统天线设计方案，天线的长短是与波长成正比的，频率越低，波长越长从而导致天线体积越大。按照传统天线设计方案，工作频率仍以13.56MHZ或2.4GHZ为例，天线的厚度和长度均较大，很难实现在SIM卡上的应用。且为了保证天线的高性能，传统天线设计方案中一般还需要增加阻抗匹配网络。 

超材料是由具有一定图案形状的人造微结构排布于基材上而构成，人造微结构不同的图案形状和尺寸结构使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造微结构处于谐振频段时，该人造微结构将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。 

本实用新型利用超材料的上述原理，设计一种超材料射频天线，其将微槽 结构形成于金属片上，该金属片和馈线的耦合作用使得天线具有丰富的辐射特性从而省去阻抗匹配网络的设计并使得天线的尺寸不受限于所需响应电磁波的波长以实现天线的小型化。另外，本实用新型还在天线结构中加入第二介质基板，第二介质基板覆盖于第一介质基板上使得天线的分布电容增大。 

本实用新型的核心在于超材料射频天线，以下详细描述本实用新型的超材料射频天线。 

如图1所示，图1为本实用新型SIM卡上超材料射频天线的结构示意图。为更清楚的表示本实用新型的结构，图1采用透视图画法。图1中，超材料射频天线包括第一介质基板1以及覆盖于该第一介质基板1上的第二介质基板2；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片10以及围绕该金属片10设置的馈线11，该馈线11以耦合方式馈入该金属片10，且该金属片上10镂空有微槽结构12。 

金属片10以及在金属片10上形成的微槽结构12使得金属片10构成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料从而实现改变天线辐射特性的目的。图2a到图5给出了一系列可实现本实用新型目的的微槽结构拓扑图案。当应知微槽结构的设计种类有无穷多种，并不局限于图2a到图5的举例，但基本都是谐振结构，这里微槽结构的设计可以根据金属片的拓扑特性，如衍生与复合进行修改。图2a为互补式开口谐振环结构；图2b为互补式螺旋线结构；图2c为开口螺旋结构；图2d为双开口螺旋环结构；图2e为互补式弯折结构。微槽结构还可以是上述图2a至图2e结构的衍生、复合或者组阵。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图2a至图2e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图2a所示的互补式开口谐振环结构为例，图3a为其几何形状衍生示意图，图3b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图2a至图2e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图4a 所示，为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图2b所示，为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图2b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图2a至图2e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图5所示，为多个如图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。本实施例中以图2c所示的开口螺旋环结构举例说明。 

馈线11通过可短接点50与金属片10电连接从而与金属片10形成感性耦合以对其进行馈电。可短接点50的位置可以是任意位置。另外馈线10对金属片10馈电的方式还可以是容性耦合馈电方式，即馈线10围绕金属片10设置而不与金属片10接触。第二介质基板2覆盖于第一介质基板1的方式为多样的，可采用贴附、吸附或者压制等方式。 

由天线射频原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。本实用新型在第一介质基板1上覆盖设置有第二介质基板2，当天线在接收或者发射电磁波时，电磁波均需要通过第二介质基板2才能被发射或者被接收从而使得天线整体的分布电容增大。根据公式 

可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。并且通过改变第二介质基板2与第一介质基板1的材质即可改变天线整体的分布电容从而针对不同的频率均可达到在不改变物理长度的前提下改变电长度的目的，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。 

本实用新型的第一介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。更加优选地，本实用新型第一介质基板即由SIM卡本身的卡基板100构成。本实用新型的第二介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。 

在本实用新型中，关于天线的加工制造，只要满足本实用新型的设计原理， 可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本实用新型的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。 

另外本实用新型还提供一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，所述应答器为上述的SIM卡。 

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。 

Claims (10)

1.一种SIM卡，包括信号感应和接收模块、SIM卡主控模块、射频收发模块，其特征在于：还包括超材料射频天线，所述SIM卡主控模块处理所述信号感应和接收模块接收到的信号，所述SIM卡主控模块的指令和数据通过所述射频收发模块转换后通过所述超材料射频天线发送出去，所述射频收发模块还通过所述超材料射频天线接收外部设备的指令和数据并交由所述SIM卡主控模块处理；所述超材料射频天线包括第一介质基板以及覆盖于所述第一介质基板上的第二介质基板；所述第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕所述金属片设置的馈线，所述馈线以耦合方式馈入所述金属片，且所述金属片上镂空有微槽结构。

2.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述SIM卡还包括卡基板，所述信号感应和接收模块、所述SIM卡主控模块、所述射频收发模块和所述超材料射频天线均一体封装于所述卡基板内。

3.如权利要求1或2所述的SIM卡，其特征在于：所述微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构或互补式弯折线结构。

4.如权利要求2所述的SIM卡，其特征在于：所述第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成；或者所述第一介质基板材质与所述卡基板材质相同。

5.如权利要去1所述的SIM卡，其特征在于：所述第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

6.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述馈线与所述金属片之间设置有可短接点，所述可短接点电连接所述馈线与所述金属片使得所述馈线以感性耦合方式馈入所述金属片。

7.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述微槽结构通过蚀刻、钻 刻、光刻、电子刻或离子刻形成于所述金属片上。

8.如权利要求1所述的SIM卡，其特征在于：所述SIM卡还包括接口模块，所述接口模块与所述SIM卡主控模块电连接使得所述SIM卡通过所述接口模块与移动终端交换数据。

9.如权利要去8所述的SIM卡，其特征在于：所述移动终端使用GSM、CDMA、3G或4G通信网络的手机。

10.一种射频识别系统，包括阅读器以及应答器，其特征在于：所述应答器为权利要求1至9任意一项所述的SIM卡。 

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