SK288958B6

SK288958B6 - Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos

Info

Publication number: SK288958B6
Application number: SK500882015A
Authority: SK
Inventors: JUDr. Hubinák Emil
Original assignee: Logomotion, S.R.O.
Priority date: 2015-12-20
Filing date: 2015-12-20
Publication date: 2022-05-11
Also published as: WO2017109681A1; EP3391550B1; SK500882015A3; EP3391550A1

Abstract

Anténová sústava má solenoidovú anténu (2) s feritovým jadrom a plochú špirálovú anténu (1) so štvoruholníkovým tvarom slučky. Každá anténa (1, 2) má vlastné impedančné prispôsobenie (3). Antény (1, 2) sú umiestnené v rovnakej základnej rovine alebo v rovnobežných základných rovinách a pozdĺžne osi (4) oboch antén (1, 2) sú rovnobežné. Solenoidová anténa (2) má dĺžku, ktorá zodpovedá dĺžke plochej špirálovej antény (1). Magnetický stred plochej špirálovej antény (1) leží v zhodnej stredovej rovine s magnetickým stredom solenoidovej antény (2). Vzdialenosť medzi pozdĺžnou osou (4) solenoidovej antény (2) od pozdĺžnej osi (4) plošnej špirálovej antény (2) má hodnotou aspoň 0,75, výhodne aspoň 1,0 x dĺžky solenoidovej antény (2). Výstup z prijímacej plochej špirálovej antény (1) je pripojený k fázovému modulátoru (5) vysielacej solenoidovej antény (2) a vysielanie solenoidovej antény (2) je synchronizované so signálom súčasne prijímaným na prijímacej plochej špirálovej antény (1).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka anténovej sústavy, ktorá má vysielaciu solenoidovú anténu a spolupracujúcu prijímaciu plochú špirálovú anténu, pričom antény majú zapojenie a vzájomné usporiadanie, ktoré vytvára ich elektromagnetickú izoláciu. Anténová sústava rieši problém so synchronizáciou frekvencie a fázy medzi vysielačom a prijímačom, najmä pri NFC vysielaní a prijímaní.

Doterajší stav techniky

Pri komunikácii pomocou NFC platformy, najmä podľa ISO/IEC 14443, sa prednostne používajú ploché špirálové antény. NFC platforma funguje na globálne dostupnej a nelicencovanej rádiovej frekvencii ISM v pásme 13,56 M Hz a môže používať niektorý z troch hlavných komunikačných modov - pasívny, aktívny alebo pseudopasívny. Pri pasívnom móde inicializátor/vysielač (PCD) poskytuje nosné pole a energiu pre zariadenie transpondéra/prijímača (PICC, napríklad platobné karty), ktorý odpovedá pomocou modulovaného nosného poľa (load modulation). Anténa prijímača musí byť dostatočne veľká, aby pokryla energetické nároky prijímača, ktorý pri tomto móde nemá vlastný zdroj energie. Pri aktívnom móde obe zariadenia generujú vlastné elektromagnetické pole, rozmery ich antén môžu byť menšie ako v prípade pasívneho módu.

Pseudopasívny mod sa vyznačuje tým, že obe zariadenia majú vlastný zdroj energie, magnetické pole slúži len na prenos údajov, ale pri komunikácii sa využíva komunikačný protokol ako v pasívnom móde (card-emulation móde). Transpondér aktívne vysiela nosnú frekvenciu, ktorá je fázovo modulovaná tak, aby táto frekvencia v súčte s nosnou frekvenciou od inicializátora vytvárala amplitúdovú moduláciu. Je potrebné, aby nosná frekvencia vysielaná transpondérom bola presne vo fáze alebo v protifáze s nosnou od inicializátora. Závislosť fázovej chyby a efektivity je na obrázku 1.

Je dôležité dosiahnuť časovú presnosť lepšiu ako ±2 ns, kedy je účinnosť približne 95 %. Pri fázovej chybe ±10 ns sa účinnosť zníži na 60 %.

Ak je použitá jedna anténa na príjem aj vysielanie, je úroveň rezonančného napätia na anténe počas vysielania podstatne vyššia ako úroveň prijímaného signálu (desiatky voltov oproti desiatkam minivoltov). Počas vysielania transpondéra je signál prijímaný od inicializátora natoľko rušený samotným vysielaním, že je prakticky nečitateľný. Synchronizačné obvody transpondéra si musia zapamätať frekvenciu a fázu nosnej frekvencie z inicializátora ešte predtým, ako dôjde k samotnému vysielaniu dát, pretože dodatočná synchronizácia/korekcia počas samotného vysielania už nie je prakticky možná. Na zachovanie presnosti na úrovni ±2 ns počas celého vysielania 256 B musí byť presnosť naladenia systému lepšia ako 1 ppm, čo je technicky veľmi náročná úloha.

Zverejnenie US2015256223 (Al) používa dve rôzne veľké antény s určenou vzájomnou konfiguráciou, jedna anténa slúži na príjem a druhá na vysielanie, obe antény sú však klasické ploché špirálové, čo si vyžaduje veľa dostupného priestoru. Riešenie podľa WO2011048728 (Al) používa dve ploché antény synchronizované elektromagnetickou indukciou. Tieto riešenia nie sú použiteľné v prípade, že NFC komunikačný prvok je umiestnený v tienenom zariadení, napríklad v mobilnom telefóne, a zároveň nie je dostupná dostatočná plocha na umiestnenie veľkej plochej špirálovej antény. Predložený vynález rieši problém so synchronizáciou pri súčasnom vysielaní a prijímaní, najmä ak je dostupná plocha menšia 150 mm² alebo je zariadenie elektromagneticky tienené.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, kde prvá anténa je solenoidová s feritovým jadrom, druhá anténa je plochá špirálová so štvoruholníkovým tvarom slučky, každá anténa má vlastné impedančné prispôsobenie, antény sú umiestnené v rovnakej základnej rovine alebo vo vzájomne rovnobežných základných rovinách podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že solenoidová anténa má dĺžku, ktorá zodpovedá dĺžke plochej antény, pozdĺžne osi oboch antén sú rovnobežné a magnetický stred plochej špirálovej antény leží v priečnej osovej rovine solenoidovej antény, ktorá prechádza cez jej magnetický stred alebo je magnetický stred plochej špirálovej antény od priečnej osovej roviny solenoidovej antény vzdialený najviac do desatiny dĺžky solenoidovej antény. Vzdialenosť medzi pozdĺžnou osou solenoidovej antény od pozdĺžnej osi plošnej špirálovej antény má hodnotou aspoň 0,75 x dĺžka solenoidovej antény, výhodne má hodnotu aspoň 1,0 x dĺžka solenoidovej antény.

Pojem solenoidová anténa označuje valcovú cievku s viacerými návinmi vodiča, kde dĺžka cievky je väčšia ako jej priemer, zvyčajne je dĺžka cievky väčšia ako päťnásobok jej priemeru.

Dĺžka solenoidovej antény, teda jej rozmer v pozdĺžnom smere má vzťah s ostatnými proporciami anténovej sústavy podľa tohto vynálezu. Dĺžka solenoidovej antény zodpovedá dĺžke plochej špirálovej antény s toleranciou ±10 %. Dĺžka plochej špirálovej antény predstavuje rozmer antény v smere rovnobežnom s pozdĺžnou osou solenoidovej antény. Zvyčajne pôjde o väčší z dvoch pôdorysných rozmerov plochej špirálovej antény. Ako výhodné sa ukázalo práve usporiadanie, kde šírka plochej špirálovej antény je polovicou jej dĺžky s toleranciou ±25 %. V takom prípade bude plochá špirálová anténa mať obdĺžnikový pôdorys so stranami v pomere približne 2 :1 (dĺžka : šírka).

Obe antény sú výhodne umiestnené na spoločnom substráte, teda na zhodnej ploche. Je však možné tiež vyhotovenie, kde antény sú na rozdielnych plochách, prípadne na samostatných nosičoch, dôležité je však, aby pozdĺžna os solenoidovej antény bola rovnobežná s plochou, na ktorej sa rozprestiera plochá špirálová anténa. Anténová sústava podľa tohto vynálezu má vzájomne symetrické a ortogonálne usporiadanie dvoch antén.

Pozdĺžne osi oboch antén sú rovnobežné, priečne magnetické osi oboch antén sú totožné alebo vzdialené od seba najviac o desatinu dĺžky solenoidovej antény. Magnetický stred antény, ktorá má vhodnú a rovnomernú, symetrickú konštrukciu, bude zvyčajne zhodný s geometrickým stredom antény. V takom prípade budú okraje oboch antén zarovnané.

Je dôležité, aby solenoidová anténa a plochá špirálová anténa mali magneticky symetrické usporiadanie. Vďaka tomu sa dosiahne stav, kedy napätie na plochej špirálovej anténe indukované z aktivity solenoidovej antény je nulové. Polia na koncoch solenoidovej antény L2 sú rovnaké, ale vo vzájomnej protifáze (obrázok 6). Ak je plochá špirálová anténa L1 umiestnená symetricky k solenoidovej anténe, tak magnetické pole v ľavej polovici plochej špirálovej antény je presne opačné ako v jej pravej polovici, a teda výsledný integrál cez celú plochu špirálovej antény L1 je nula, a teda aj celkové indukované napätie od solenoidovej antény L2 je tiež nulové.

Vzdialenosť antén od seba, teda vzdialenosť ich pozdĺžnych osí je zvolená tak, aby elektromagnetická izolácia medzi oboma anténami bola aspoň o 15 dB väčšia, ako je pomer amplitúd signálu vysielaného transpondérom a prijímaného signálu od inicializátora. V praxi to znamená vytvoriť izoláciu medzi vysielacou a prijímacou anténou transpondéra aspoň na úrovni 80 dB v pásme 13,56 - 14,40 MHz. Pri takejto konfigurácii nie je signál z vysielacej antény prijímaný anténou na príjem.

Veľkosť indukovaného napätia na plošnej špirálovej anténe závisí od presnosti uloženia oboch antén, ako to dokumentuje obrázok 7. Offset znamená chybu v presnosti uloženia geometrického stredu A od magnetického stredu solenoidovej antény v smere osi x. Vzdialenie antén je také vzájomné posunutie geometrického stredu A plošnej špirálovej antény L1 proti geometrickému stredu solenoidovej antény L2, kedy sa dosiahne maximálna izolácia medzi prijímacou a vysielacou anténou v pásme 13,56 - 14,40 MHz. Obvykle je magnetický stred totožný s geometrickým stredom, záleží však na výslednej konštrukcii antény.

Maximálna citlivosť plošnej špirálovej antény L1 na okolité elektromagnetické polia je v smere osi z, teda v smere kolmom na jej plochu. Minimálna citlivosť je v smere osí x, y. Maximálna úroveň magnetického poľa generovaného solenoidovou anténou L2 je v smere osi x a minimálna v smere osi z.

Vďaka tomu sa dosahuje vysoká izolácia medzi anténami. Konfigurácia podľa tohto vynálezu zabezpečuje výbornú necitlivosť plošnej špirálovej antény na vysielanie solenoidovej antény, signál na plošnej špirálovej anténe nie je nutné filtrovať od vysielacieho signálu zo solenoidovej antény. Počas vysielania zo solenoidovej antény je možné prijímať nosný signál z inicializátora (PCD) a podľa jeho frekvencie a fázy sa môže priebežne synchronizovať vysielaný signál.

Napätie na plochej špirálovej anténe L1 sa môže indukovať nielen magnetickým poľom zo solenoidovej antény L2, ale aj vírivými prúdmi na vinutí špirálovej antény Ll. Preto je potrebné, aby bola dodržaná minimálna vzdialenosť D medzi osami antén Ll a L2. Pri vzdialenosti D > h je už vplyv vírivých prúdov zanedbateľný.

Výhodné je usporiadanie, kde vzdialenosť D osi plochej špirálovej antény Ll od osi solenoidovej antény L2 sa približne rovná dĺžke solenoidovej antény h, pričom stred A plochej špirálovej antény Ll je presne v priečnej rovine s magnetickým stredom B solenoidovej antény L2. Dĺžka plošnej antény a sa rovná dĺžke solenoidu h a jej šírka b sa rovná 1/2 a. Takto konštruovaná anténová sústava zaberá plochu približne h x 3/2h (priemer solenoidovej antény je oproti rozmerom celej sústavy zvyčajne zanedbateľný).

Rozmerová a priestorová konfigurácia podľa tohto vynálezu zabezpečuje selektívnu necitlivosť prijímacej antény, ktorá je schopná prijímať vonkajší signál z cudzieho zdroja (PCD) popri aktívnom vysielaní z blízkej antény susediacej v rámci spoločnej anténovej sústavy. Nie je potrebné komplikovane spracovávať, filtrovať prijímaný signál. Vynález umožňuje efektívne riadiť synchronizáciu pri pseudopasívnom móde komunikácie.

Pri anténovej sústave podľa tohto vynálezu je prijímaný signál od inicializátora rušený vysielaním transpondéra len nepatrne a žiadne špeciálne synchronizačné obvody nie sú potrebné. Takto prijímaný signál transpondérom je opätovne vysielaný späť ako modulačná nosná pre moduláciu dát, čím je zaručené, že oba signály sú presné vo frekvencii a modulácia dát sa uskutočňuje len zmenou fázy (0°/180°). Na to slúži prepojenie impedančných obvodov oboch antén, kde výstup z prijímacej antény s informáciou o fáze je pripojený k fázovému modulátoru vysielacej antény. Informácia o fáze prijímaného signálu slúži na synchronizáciu vysielaného modulovaného signálu zo solenoidovej antény.

Počet závitov solenoidovej antény L2 závisí od permeability jadra, ale obvykle by výsledná hodnota indukcie L2 pre NFC aplikácie mala byť v rozsahu 1 - 2 pH a kvalita Q = 18 - 22. Prijímacia plochá špirálová anténa L1 môže mať 2 až 4 závity a postačuje kvalita Q = 4 - 6.

S cieľom zvýšiť elektromagnetickú izoláciu môže byť plochá špirálová anténa prekrytá z jednej alebo z oboch strán elektricky vodivou platňou. Výhodne sa na to môže použiť vodivá vrstva hrubá aspoň 10 pm, ktorá je umiestená nad a/alebo pod plochou špirálovou anténou. Vzdialenosť vodivej vrstvy od plošnej špirálovej antény L1 v smere osi Z by mala byť v rozsahu 0,1 - 1 mm. Minimálne rozmery vodivej vrstvy sú a x b, aby vodivá vrstva prekryla celú pôdorysnú plochu špirálovej antény. Maximálne rozmery vodivej vrstvy sú a x 3/2 h, kde šírka vodivej vrstvy v osi x je totožná s dĺžkou h solenoidovej antény L2.

Výhodou vynálezu je predovšetkým jednoduché usporiadanie anténovej sústavy a jednoduché zapojenie príslušných obvodov, pričom sa vďaka fyzikálnym väzbám medzi vysielacou a prijímacou anténou dosahuje vysoká účinnosť fázovej a frekvenčnej synchronizácie.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou obrázkov 1 až 9. Konkrétne zobrazená solenoidová anténa, plochá špirálová anténa, priebeh magnetických siločiar a príklady vzájomných rozmerov majú len ilustračný charakter a nie je ich možné považovať za zužujúce rozsah ochrany.

Na obrázku 1 je graf vyjadrujúci efektivitu pri prenose dát v závislosti od fázovej nepresnosti pre nosnú frekvenciu 13,56 MHz. Hodnota 1,0 vyjadruje maximálnu účinnosť.

Obrázok 2 znázorňuje magnetické pole vysielacej solenoidovej antény L2.

Na obrázku 3 je geometrické usporiadanie ortogonálneho anténového systému pre NFC platformu pri pohľade na spoločnú plochu nosiča oboch antén.

Obrázok 4 je bočný pohľad na usporiadanie z obrázka 3, kde je solenoidová anténa umiestnená na plochu, v ktorej je rozprestretá plochá špirálová anténa. Na obrázku 5 je bočný pohľad na anténovú sústavu, kde solenoidová anténa je predsadená a jej pozdĺžna os leží v rovine plochej špirálovej antény.

Na obrázku 6 je zobrazený priebeh magnetického poľa pozdĺž osi x so stredom v bode A pri dĺžke solenoidovej antény 9 mm. Obrázok 7 vyobrazuje priebeh indukovaného napätia na plochej špirálovej anténe v závislosti od posunutia stredu antény proti bodu A pri dĺžke solenoidovej antény 9 mm.

Na obrázku 8 je bloková schéma zapojenia ortogonálnej anténovej sústavy so spätnou väzbou na prenos amplitúdovo modulovaných dát. Solenoidová anténa a plocha špirálová anténa sú symbolicky nakreslené v 90° pootočení, čo predstavuje, že antény sú vzájomne magneticky ortogonálne.

Obrázok 9 vyobrazuje umiestnenie dvoch vodivých vrstiev po oboch stranách plochej špirálovej antény. Vľavo je pohľad na plochu s anténami, vpravo je bočný pohľad.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

V tomto príklade podľa obrázkov 1 až 8 má anténová sústava solenoidovú anténu 2 L2 s feritovým jadrom a plochú špirálovú anténu 1 Ll. Solenoidová anténa 2 má dĺžku 9 mm. Obe antény 1, 2 sú umiestnené na zhodnej ploche spoločného nosiča, ktorý má približný rozmer 9 mm x 13,5 mm.

Pozdĺžne osi 4 oboch antén 1, 2 sú rovnobežné. Plochá špirálová anténa má pôdorysný tvar obdĺžnika, jej dĺžka je 9 mm a šírka je 4,5 mm. Vzdialenosť pozdĺžnych osí 4 je 9 mm, čo zodpovedá dĺžke solenoidovej antény 2.

Výsledná hodnota indukcie solenoidovej antény 2 v tomto príklade je 1,5 pH, jej kvalita Q = 20. Prijímacia plochá špirálová anténa 1 má 3 závity a kvalitu Q = 5.

Magnetický stred plochej špirálovej antény 1 a magnetický stred solenoidovej antény 2 sa nachádzajú v stredovej rovine, sú teda umiestnené vo vzájomne symetrickej magnetickej polohe. Každá anténa 1, 2 má vlastný impedančný obvod, impedančné prispôsobenie 3. Impedačné prispôsobenie 3 plochej špirálovej antény 1 je prepojené s nízkošumovým zosilňovačom, jeho výstup vchádza do fázového modulátora 5, do ktorého prichádzajú dáta určené na prenos vysielacou solenoidovou anténou 2. Fázový modulátor 5 je prepojený s vysielacím prvkom, impedančným prispôsobením 3 a solenoidovou anténou 2 s feritovým jadrom.

Príklad 2

V tomto príklade má anténová sústava z predchádzajúceho príkladu dve vodivé vrstvy 6 podľa obrázka 9. Vodivá vrstva 6 je vytvorená na fólii, ktorou je následne prekrytá plochá špirálová anténa 1 aj opačná strana nosiča antén 1, 2. Vodivé vrstvy 6 usmerňujú priebeh magnetických polí a zvyšujú izoláciu plochej špirálovej antény 1.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné priemyselne a opakovane zostavovať a používať anténovú sústavu s dvoma anténami na vysielanie a prijímanie signálu, kde prijímacia anténa je elektromagneticky izolovaná od vysielacej antény.

Zoznam vzťahových značiek

- plochá špirálová anténa L1

- solenoidová anténa L2

- impedačné prispôsobenie

4 - pozdĺžna os

-fázový modulátor

- vodivá vrstva

H - dĺžka solenoidovej antény

D - vzdialenosť pozdĺžnych osí antén

A - stred plochej špirálovej antény a - dĺžka plošnej špirálovej antény b - šírka plošnej špirálovej antény x, y, z - osi ortogonálnej sústavy súradníc

NFC - Near field communication

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, kde prvá anténa (2) je solenoidová s feritovým jadrom, druhá anténa (1) je plochá špirálová, každá anténa (1, 2) má vlastné impedančné prispôsobenie (3), antény (1, 2) sú umiestnené v rovnakej základnej rovine alebo vo vzájomne rovnobežných základných rovinách, solenoidová anténa (2) má dĺžku, ktorá zodpovedá dĺžke plochej špirálovej antény (1) s toleranciou ±10 %, pozdĺžne osi (4) oboch antén (1, 2) sú rovnobežné, a kde magnetický stred plochej špirálovej antény (1) leží v priečnej osovej rovine solenoidovej antény (2), ktorá prechádza cez jej magnetický stred alebo je magnetický stred plochej špirálovej antény (2) od priečnej osovej roviny solenoidovej antény (2) s jej magnetickým stredom vzdialený najviac do desatiny dĺžky solenoidovej antény (2), vyznačujúca sa tým, že vzdialenosť medzi pozdĺžnou osou (4) solenoidovej antény (2) od pozdĺžnej osi (4) plošnej špirálovej antény (2) má hodnotou aspoň 0,75 x dĺžka solenoidovej antény (2).
2. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že solenoidová anténa (2) má od plošnej špirálovej antény (2) elektromagnetickú izoláciu aspoň na úrovni 80 dB v pásme 13,56 - 14,40 MHz.
3. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že vzdialenosť medzi pozdĺžnou osou (4) solenoidovej antény (2) od pozdĺžnej osi (4) plošnej špirálovej antény (2) má hodnotou aspoň dĺžky solenoidovej antény (2).
4. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že dĺžka (a) plošnej špirálovej antény (1) sa rovná dĺžke (h) solenoidovej antény (2), šírka (b) plošnej špirálovej antény (1) sa rovná polovici jej dĺžky.
5. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúca sa tým, že výsledná hodnota indukcie solenoidovej antény (2) je v rozsahu 1 až 2 pH a kvalita Q = 18 až 22.
6. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúca sa tým, že plošná špirálová anténa (1) má 2 až 4 závity a kvalitu Q = 4 až 6.
7. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúca sa tým, že plochá špirálová anténa (1) je prekrytá z jednej alebo z oboch strán elektricky vodivou vrstvou (6).
8. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa nároku 7, vyznačujúca sa tým, že vodivá vrstva (6) je hrubá aspoň 10 pm a jej vzdialenosť od plošnej špirálovej antény (1) v smere osi z je v rozsahu 0,1 až 1 mm.
9. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8, vyznačujúca sa tým, že výstup z prijímacej plochej špirálovej antény (1) je pripojený k fázovému modulátoru (5) vysielacej solenoidovej antény (2).
10. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa nároku 9, vyznačujúca sa tým, že plochá špirálová anténa (1) je pripojená k impedančného prispôsobeniu (3), ku ktorému je pripojený nízkošumový zosilňovač.
11. Anténová sústava s dvoma anténami, najmä na NFC prenos, podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 10, vyznačujúca sa tým, že vstup solenoidovej antény (2) je prepojený na synchronizáciu so vstupom plochej špirálovej antény (1).

4 výkresy