CN209217193U - 通信设备 - Google Patents
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Abstract
一种通信设备包括被配置为具有第一谐振频率的第一近场通信(NFC)天线和形成通信设备的外表面的部分的金属底盘。金属底盘形成辅助天线，其中辅助天线被配置为由第一NFC天线通过电磁感应供电，并且还被配置为具有基本上等于第一谐振频率的谐振频率。
Description
技术领域
本实用新型总体上涉及无线通信，并且在特定实施例中涉及金属环境中的NFC天线设备。
背景技术
近场通信或NFC是短距离高频无线通信技术，其能够在短距离(例如，10厘米)上在两个非接触式设备之间进行这种数据交换。
NFC是一种在ISO/IEC 18092和ISO/IEC 21481中标准化的开放平台技术，但是包含各种预先存在的标准，包括ISO/IEC 14443协议类型A和类型B。
NFC设备具有尤其支持可以用于读取和写入NFC应答器或标签的读取器/写入器模式的能力。
应答器可以是无源应答器，即，执行由读取器生成的磁场的负载调制。
应答器可以是有源应答器。当应答器是有源应答器时，即，使用有源负载调制(ALM)来将信息传输到读取器时，应答器生成模拟由无源应答器执行的读取设备场的负载调制的磁场。
在由无源负载调制生成的信号强度不足以被读取器检测到的情况下，需要使用ALM。当应答器的天线较小或位于具有挑战性的环境中时就是这种情况。
NFC传输基于电磁感应耦合的物理现象。读取器和标签配备有天线线圈，并且每当电子流过导线时，它们生成磁场并且在线圈中感应出电流。
如果NFC天线及其磁场对诸如金属片等导电材料闭合，则被称为涡流的圆形电子流将开始穿过金属，如在流中的旋流水。
当金属底盘位于NFC读取器与接收器天线系统之间时，在上述底盘的金属表面上流动的涡流将转动并且生成其自身的磁场，该磁场将与线圈相互作用并且通信将受到负面影响。
US2014/002313A1公开了一种用于将NFC线圈天线集成在便携式设备中的解决方案。例如，NFC天线集成在便携式设备的金属底盘下方。金属底盘和集成在整个金属底盘下面的导电涂层被设计为包括一个或多个槽，以对在导电涂层中感应出的涡流提供高阻抗。该高阻抗可以减小涡流，并且因此，线圈天线的NFC场强增加。
实用新型内容
本公开的实施例的目的在于提供一种具有改进的性能的通信设备。
在一个方面，提供了一种通信设备。该通信设备包括：第一近场通信天线，被配置为具有第一谐振频率；以及金属底盘，形成所述通信设备的外表面的部分，所述金属底盘形成辅助天线，所述辅助天线被配置为由所述第一近场通信天线通过电磁感应供电并且被配置为具有等于所述第一谐振频率的谐振频率。
所述辅助天线与所述第一近场通信天线电磁感应耦合，并且被配置为响应于通过由所述第一近场通信天线生成的电磁场在所述金属底盘中生成的涡流而操作。
所述第一近场通信天线在所述通信设备内部设置在所述金属底盘下方。
所述第一近场通信天线包括嵌入在所述金属底盘中的线圈。
所述第一近场通信天线包括直接嵌入所述金属底盘的印刷电路板或柔性印刷电路。
所述第一近场通信天线与所述金属底盘之间的距离小于1mm。
所述金属底盘包括形成所述辅助天线的槽。
所述第一近场通信天线与所述槽交叠。
所述通信设备进一步包括与所述槽并联耦合的电容器。
所述通信设备是无源应答器。
所述通信设备是有源应答器。
在另一个方面，提供了一种通信设备。该通信设备包括：第一近场通信天线，被配置为生成具有近场通信载波频率的电磁场；以及辅助天线，包括具有槽的导电结构，所述辅助天线与所述第一近场通信天线电磁感应耦合，并且被配置为具有等于所述近场通信载波频率的谐振频率并且响应于通过由所述第一近场通信天线生成的电磁场在所述导电结构中生成的涡流而操作。
所述第一近场通信天线与所述辅助天线之间的距离小于1mm。
所述导电结构是金属底盘。
所述第一近场通信天线位于所述金属底盘下方。
所述第一近场通信天线包括嵌入在所述金属底盘中的线圈。
所述第一近场通信天线位于所述槽前面。
所述辅助天线进一步包括与所述槽并联耦合的电容器。
所述通信设备是近场通信读取器。
所述通信设备是智能手机或平板电脑或便携式计算机。
根据本实用新型的实施例，一种通信设备包括被配置为具有第一谐振频率的第一近场通信(NFC)天线和形成通信设备的外表面的部分的金属底盘。金属底盘形成辅助天线，其中辅助天线被配置为由第一NFC天线通过电磁感应供电，并且还被配置为具有基本上等于第一谐振频率的谐振频率。
根据本实用新型的替代实施例，一种通信设备包括被配置为生成具有NFC载波频率的电磁场的第一近场通信(NFC)天线。该设备进一步包括辅助天线，该辅助天线包括具有槽的导电结构。辅助天线与第一NFC天线电磁感应耦合，并且被配置为具有基本上等于NFC载波频率的谐振频率，并且响应于通过由第一NFC天线生成的电磁场在导电结构中生成的涡流而操作。
根据本公开的实施例的通信设备具有改进的性能。
附图说明
本实用新型的其他优点和特征将出现在下面的详细描述和附图中，这些描述和附图是非限制性的，在附图中：
图1示出了根据本实用新型的实施例的通信装置的示意电路；
图2是根据本实用新型的实施例的通信装置的从下面看的局部视图；
图3示意性地示出了根据本实用新型的实施例的与通信装置的外壁相关的线圈；
图4示出了根据本实用新型的实施例的形成辅助天线的谐振槽结构的示意性等效电路；以及
图5示出了根据本实用新型的实施例的操作通信装置的方法的实施例。
具体实施方式
本实用新型的实施例涉及在通常使用以13.56MHz操作的高频通信的元件之间的无线通信，例如在读取器与应答器之间，特别是在例如位于诸如移动电话等无线装置内的近场通信(NFC)非接触式标签读取器与标签之间。
本实用新型的实施例更具体地涉及位于这样的元件内的NFC天线，NFC天线设置有金属结构，诸如金属底盘，金属结构通常用于保持上述元件的机械强度，尤其是当这些元件具有薄的设计时。
本实用新型的实施例可以与无源或有源应答器一起使用。
在图1中，附图标记APP表示通信装置，例如设置有用于允许电话通信的天线ANT3的智能电话或平板电脑。
可替代地，该装置可以是便携式计算机。
在当前情况下，装置APP还包括NFC系统，该NFC系统包括NFC类型的无线部件CMP，例如NFC微控制器。
在本示例中，微控制器CMP包括在读取器模式中可用的端子TX1、TX2以及在读取器模式和卡模式中可用的两个其他端子RX1、RX2。
最后，CMP部件可以包括用于使端子TX1和TX2短路以用于以卡模式的操作或者不使端子TX1和TX2短路以允许以读取器模式的操作的内部开关。
在本示例中，现在假定装置APP作为NFC读取器操作。
读取器APP设置有包括线圈CLO的第一NFC天线ANT1，线圈CLO的电感值等于Lp_ant，电阻值等于Rp_ant并且电容值等于Cp_ant。
线圈CLO具有分别通过包括电磁干扰(EMI)滤波器的传统匹配电路MC连接到端子RX1、TX1和端子RX2、TX2的两个端子B1和B2。
第一天线ANT1和匹配电路MC的不同部件的电阻、电容和电感值被选择，使得第一天线ANT1形成第一谐振电路，第一谐振电路具有等于NFC载波频率(通常为13.56MHz)的谐振频率。
因此，当天线ANT1被具有的频率等于上述NFC载波频率的电流激励时，它在谐振天线ANT1处感应出电磁场。
现在转到图2，图2是从下面看的局部视图，可以看出，阅读器APP包括金属底盘，例如属于装置的壁，金属底盘可以用于保持装置的机械强度，特别是当装置根据薄设计被配置时。
对于具有完整金属底盘的设备，金属是由NFC天线ANT1生成的磁场的屏障，因为NFC天线需要非金属表面以便辐射通过。
然而，在当前情况下，如现在将更详细地解释，金属底盘MPL(包括例如金属板或由导电材料覆盖的载体)将用作与第一NFC读取器天线ANT1紧密谐振的辅助天线ANT2，从而增加包括天线ANT1、ANT2两者的全球天线设备的有效面积。
更确切地，最终与电容器结合的金属底盘中的槽状结构可以用作二次谐振系统，二次谐振系统被允许使用由NFC天线ANT1生成的电磁场在金属板上感应出的涡流，以增加NFC阅读器的性能。
如图2所示，金属板MPL设置有具有长度L和宽度W的槽SL。第一天线ANT1的线圈CLO在此处紧密邻近槽SL的一端。
例如，线圈CLO可以直接嵌入金属板MPL上或如图3所示紧密位于金属板下方附近，例如在小于1mm的距离处。
在该示例中，线圈CLO位于属于或形成装置的壁的金属底盘下方(以嵌入方式或以紧密接近的方式)的位置对应于所述线圈在装置内部的位置。
尽管不是强制性的，但是槽SL在这里在其另一端设置有与槽SL并联连接的电容器C1。
图4中描绘了形成辅助天线ANT2的谐振槽结构的等效电路，其中Lp_slot表示槽SL的电感值(以及因此天线ANT2的电感值)，Rp_slot表示槽SL的电阻值(以及因此天线ANT2的电阻值)，Cp_slot表示槽SL的电容值，并且C_res表示电容器C1的电容值。
在没有谐振槽的情况下，金属板将用作针对NFC天线ANT1的短路，并且由该天线ANT1生成的电磁场将仅产生涡流。
然而，金属板与槽一起在射频域中是RLC谐振电路，该RLC谐振电路根据以下公式谐振到特定频率fr：
Lp_slot与槽的物理尺寸成正比，并且Cp_slot与槽的宽度成反比。
通常，槽系统的谐振频率fr非常高，并且为了使谐振频率接近NFC(13.56MHz)，优选地使用电容器C1并且给出天线ANT2的谐振频率fr的公式因此变为：
槽的长度和宽度可以基于金属板上的尺寸和期望的应用规格来被定义。因此，电容值C_res将因此被确定尺寸。
用于确定槽的长度和宽度以及电容值C_res的可能的解决方案是基于在具有给定宽度和不同长度的槽上的电感值和电容值测量。
这种测量可以由传统的矢量网络分析仪执行，例如，Keysight技术的5Hz-3GHz的矢量网络分析仪E5061B。
更确切地，提供了一种导电结构，其包括例如厚度为0.5mm并且由所谓的FR-4材料制成的矩形载体，该材料是由编织玻璃纤维布与环氧树脂粘合剂组成的复合材料，所述载体覆盖有厚度为0.035mm的导电材料，诸如铜。
矩形导电结构的长度等于168mm，并且宽度等于64mm。
在导电结构中实现了具有所选择的长度L和1mm的固定宽度的槽，并且该槽类似于图2所示的槽。
长度L可以选择为在10mm-120mm的范围内。
对于给定长度L，分析仪连接到槽的开口端，并且以13.56MHz测量槽的电感值。
还测量槽的电容值。
然后，根据上面的公式(II)计算电容器C1的电容值C_res。
最后，将具有该计算出的电容值的相应电容器C1物理地连接到槽的开口端，并且通过测量来检查实际谐振频率fr。
对于长度L的在上述范围内的若干值重复该过程，直到具有的谐振频率fr非常接近13.56MHz(13.56MHz与所述非常接近的实际检查的谐振频率fr之间的偏差是由于部件公差引起的)。
例如，对于上述导电结构的值，长度L为100mm、宽度为1mm并且连接到3.393nF的电容器C1的槽产生13.66MHz的谐振频率。
当然这个示例是非限制性的。
因此，NFC天线ANT1可以被认为是驱动器，并且具有其自己的谐振频率的金属底盘MPL成为装置的发射/接收链的部分，并且由天线ANT1生成的电磁场不会从金属被夯实，但是通过金属。
另外的优点与线圈天线ANT1的尺寸有关。实际上，靠近驱动器天线ANT1的金属底盘具有增加有效读取面积的有益效果。
可以减小天线线圈ANT1的尺寸，以变得更具成本效益，同时保持可接受的性能。
在电池供电的装置中，每个单个部件的电流消耗表示功率预算中的关键方面。在大多数情况下，为了在金属环境中保持可接受的NFC性能，必须在系统中驱动更多的电流以克服由于低阻抗不友好的环境造成的损耗，并且这些电阻性损耗导致装置的过热。
本实用新型的不同方面使得设计更灵活，并且有助于优化电流消耗而不影响性能。
现在转到图5，现在公开根据本实用新型的操作天线设备的方法的实施例。
在第一步骤40中，利用具有NFC载波频率的电流来激励第一NFC天线ANT1，并且该激励产生生成的电磁场，该电磁场在金属底盘MPL中感应出涡流(步骤41)。
这些涡流激励以NFC载波频率谐振的谐振槽结构(步骤42)。
因此，在各种实施例中，提出了完全不同的解决方案，用于改善紧邻金属底盘的NFC读取器的性能。
根据一个方面，提出了一种NFC天线设备，其包括被配置为生成具有NFC载波频率的电磁场的第一NFC天线以及包括具有至少槽的导电结构的辅助天线。
所述辅助天线与所述第一NFC天线处于电磁感应耦合，并且被配置为具有等于所述NFC载波频率的谐振频率。
此外，所述辅助天线被配置为响应于通过由所述第一NFC天线生成的所述电磁场在所述导电结构中感应出的涡流而操作。
因此，根据该方面，NFC天线设备包括两个天线，即，第一NFC天线和辅助天线。辅助天线的导电结构(例如，金属底盘的金属板)用作与第一NFC天线紧密谐振的次级天线。并且，作为辅助谐振系统的该辅助天线使用在金属上感应出的涡流来增加整个NFC天线设备的性能。
换言之，由具有NFC载波频率(例如，13.56MHz)的电流激励的第一NFC天线生成在辅助天线的导电结构中感应出涡流的电磁场，辅助天线因此相应地由第一NFC天线驱动。
因此，该方面不是像现有技术那样试图使涡流最小化，而是使用涡流来激励辅助天线，该辅助天线与第一NFC天线组合而形成具有增强的性能的全球NFC天线设备。
例如，在标准NFC应用中，用于提供可接受的用户性能的线圈天线(第一NFC天线)的典型尺寸是大约30mm×50mm。并且，由于辅助天线的导电结构变为读取器的发射/接收链的有源部分，因此第一NFC天线线圈的尺寸与标准尺寸相比可以减小例如大约10倍(4mm×4mm)。
一般而言，当两个天线紧密接近时，辅助天线被认为与所述第一NFC天线处于电磁感应耦合。本领域技术人员可以根据应用来调节所述第一NFC天线与所述辅助天线之间的距离，以便以有效的方式获得该电磁感应耦合。
然而，作为示例，所述第一NFC天线与所述辅助天线之间的距离小于1mm。
根据一个实施例，辅助天线的导电结构可以是金属底盘，例如用于增加读取器的机械强度的金属底盘，并且更具体地是所述金属底盘的金属板。
尽管可以以在载波频率处或附近(例如，13.56MHz)自谐振的方式来对槽进行整形，但是优选的是，辅助天线进一步包括与所述槽并联耦合的至少一个电容器。因此，槽上的这种电容器有利地用于在13.56MHz附近更容易地调谐金属板谐振频率。
如果金属底盘例如是读取器的壁，则第一NFC天线可以位于金属底盘下方，即，位于读取器内部。
第一NFC天线可以例如包括嵌入在金属底盘中的线圈，或者也可以由直接嵌入金属底盘的印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)制成。
根据另一方面，提出了一种NFC读取器，例如智能电话或平板电脑或便携式计算机，其包括如以上限定的金属底盘和NFC天线设备，所述金属底盘包括所述辅助天线。
根据另一方面，提出了一种操作NFC天线设备的方法。该方法包括提供具有的谐振频率等于NFC载波频率的第一NFC天线；提供包括具有至少槽的导电结构的辅助天线，其中辅助天线与所述第一NFC天线电磁感应耦合并且具有的谐振频率等于所述NFC载波频率。该方法还包括利用具有所述NFC载波频率的电流来激励所述第一NFC天线，以便生成电磁场；以及利用通过所述电磁场感应到所述导电结构中的涡流来驱动所述辅助天线。
Claims (20)
1.一种通信设备，其特征在于，包括：
第一近场通信天线，被配置为具有第一谐振频率；以及
金属底盘，形成所述通信设备的外表面的部分，所述金属底盘形成辅助天线，所述辅助天线被配置为由所述第一近场通信天线通过电磁感应供电并且被配置为具有等于所述第一谐振频率的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述辅助天线与所述第一近场通信天线电磁感应耦合，并且被配置为响应于通过由所述第一近场通信天线生成的电磁场在所述金属底盘中生成的涡流而操作。
3.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线在所述通信设备内部设置在所述金属底盘下方。
4.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线包括嵌入在所述金属底盘中的线圈。
5.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线包括直接嵌入所述金属底盘的印刷电路板或柔性印刷电路。
6.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线与所述金属底盘之间的距离小于1mm。
7.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述金属底盘包括形成所述辅助天线的槽。
8.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线与所述槽交叠。
9.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，进一步包括与所述槽并联耦合的电容器。
10.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是无源应答器。
11.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是有源应答器。
12.一种通信设备，其特征在于，包括：
第一近场通信天线，被配置为生成具有近场通信载波频率的电磁场；以及
辅助天线，包括具有槽的导电结构，所述辅助天线与所述第一近场通信天线电磁感应耦合，并且被配置为具有等于所述近场通信载波频率的谐振频率并且响应于通过由所述第一近场通信天线生成的电磁场在所述导电结构中生成的涡流而操作。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线与所述辅助天线之间的距离小于1mm。
14.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述导电结构是金属底盘。
15.根据权利要求14所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线位于所述金属底盘下方。
16.根据权利要求14所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线包括嵌入在所述金属底盘中的线圈。
17.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述第一近场通信天线位于所述槽前面。
18.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述辅助天线进一步包括与所述槽并联耦合的电容器。
19.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是近场通信读取器。
20.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是智能手机或平板电脑或便携式计算机。
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