TW201521277A

TW201521277A - 近場通訊天線

Info

Publication number: TW201521277A
Application number: TW102142577A
Authority: TW
Inventors: Hsieh-Chih Lin; Liang-Kai Chen; Yi-Chun Wang
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-06-01
Also published as: US20150145736A1; TWI560937B; US9543651B2

Abstract

一種近場通訊天線，包括：一介質基板、一線圈，以及一耦合結構。該線圈係設置於該介質基板上。該耦合結構包括至少一耦合支路，其中該耦合支路之二末端係分別連接至該線圈上之不同二連接點。該耦合結構係用於改善該近場通訊天線之全向性。

Description

近場通訊天線

本發明係關於一種近場通訊(Near Field Communication，NFC)天線，特別係關於一種全向性(Isotropic)及高效率之近場通訊天線。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth以及WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)系統使用2.4GHz、3.5GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

以具有近場通訊(Near Field Communication，NFC)功能之行動裝置為例，由於其近場通訊天線通常須設置於一矩形卡片中並與之形狀一致，此種設計方式將導致相關之讀取器無法於各種角度皆能取得良好之接收效果。舉例來說，當讀取器與近場通訊天線之長邊之間之夾角為90度或270度時，此讀取器所接收到之電場強度將會相對較微弱，因而降低了近場通訊天線之通訊品質。

為了解決先前技術之問題，本發明提供一種近場通訊天線，包括：一介質基板；一線圈，設置於該介質基板上；以及一耦合結構，包括至少一耦合支路，其中該耦合支路之二末端係分別連接至該線圈上之不同二連接點。該耦合結構係用於改善該近場通訊天線之全向性。

100、200、300‧‧‧近場通訊天線

110‧‧‧介質基板

111‧‧‧左方區域

112‧‧‧中央區域

113‧‧‧右方區域

120、320‧‧‧線圈

121、122、321、322‧‧‧線圈之末端

130、230、235、330、410、420、430、510、520、530、540‧‧‧耦合結構

131、231、232、331、531、532、533、534‧‧‧耦合支路

241、242、243、244、340‧‧‧導電貫孔

325‧‧‧線圈之中心淨空區域

610‧‧‧量測裝置

CC0、CC1、CC2、CC3、CC4‧‧‧曲線

D1‧‧‧相鄰二耦合支路之間距

E1、E2‧‧‧介質基板之表面

H1‧‧‧介質基板之厚度

L1、L2‧‧‧長度

P1、P2、P3、P4‧‧‧連接點

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊天線之俯視圖；第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之近場通訊天線之立體圖；第2B圖係顯示根據本發明再一實施例所述之近場通訊天線之立體圖；第3圖係顯示根據本發明較佳實施例所述之近場通訊天線之立體圖；第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第5A圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第5B圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第5C圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第5D圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構之立體圖；第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊天線與量測裝置之相對方位圖；第6B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之近場通訊天線與量測裝置之相對方位圖；以及第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊天線之電場強度與測試角度之關係圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊(Near Field Communication，NFC)天線100之俯視圖。近場通訊天線100可以設置於一行動裝置中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。如第1圖所示，近場通訊天線100包括：一介質基板110、一線圈120，以及一耦合結構130。介質基板110可以是一FR4(Flame Retard 4)基板。線圈120和耦合結構130可以用導體製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。線圈120係設置於介質基板110上。在一些實施例中，線圈120係作為近場通訊天線100之一主輻射部，而線圈120之二末端121、122係分別連接至一信號源(未顯示)之一正極和一負極。該信號源可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，並用於激發近場通訊天線100。線圈120之總匝數可以是1、2、3、4，或是更多。在一些實施例中，線圈120之任一末端更可連接至一匹配電路(未顯示)，以調整其共振長度。在此設計下，線圈120可操作於13.56MHz之近場通訊頻率點。耦合結構130包括至少一耦合支路131，其中耦合支路131之二末端係分別連接至線圈120上之不同二連接點P1、P2。在一些實施例中，線圈120大致為一矩形，該矩形具有二長邊和二短邊，而該等連接點P1、P2係分別大致位於該矩形之該等長邊上。在另一些實施例中，該等連接點P1、P2亦可分別大致位於該矩形之一長邊和一短邊上。耦合結構130之耦合支路131可視為串聯之一電阻器和一電容器。當耦合支路131連接至線圈120時，其阻抗特性可增強近場通訊天線100之耦合能量，進而改善近場通訊天線100之全向性。

在第1圖之實施例中，線圈120和耦合結構130可以皆設置於介質基板110之同一表面E1上。然而，本發明並不僅限於此。第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之近場通訊天線200之立體圖。在第2A圖之實施例中，近場通訊天線200之線圈120和一耦合結構230係分別設置於介質基板110之相對二表面E1、E2上。近場通訊天線200更包括形成於介質基板110中之二導電貫孔241、242，其中耦合結構230之至少一耦合支路231之二末端係分別經由該等導電貫孔241、242連接至線圈120上之二連接點P1、P2。

第2B圖係顯示根據本發明再一實施例所述之近場通訊天線250之立體圖。第2B圖係與第2A圖相似。在第2B圖之實施例中，近場通訊天線250之線圈120和一耦合結構235亦分別設置於介質基板110之相對二表面E1、E2上。近場通訊天線250更包括形成於介質基板110中之四導電貫孔241、242、243、244。耦合結構235之一耦合支路231之二末端係分別經由該等導電貫孔241、242連接至線圈120上之二連接點P1、P2，而耦合結構235之另一耦合支路232之二末端係分別經由該等導電貫孔243、244連接至線圈120上之另外二連接點P3、P4。與第2A圖相比，第2B圖所示之近場通訊天線250呈現較佳之對稱性，因此其可提供更高之全向性。必須注意的是，前述之耦合支路之形狀在本發明中並不特別作限制。舉例來說，前述之每一耦合支路可以大致為一直條形、一中括弧形、一折線形、一半圓弧形，或是一平滑曲形。

第3圖係顯示根據本發明較佳實施例所述之近場通訊天線300之立體圖。如第3圖所示，近場通訊天線300包括：一介質基板110、一線圈320，以及一耦合結構330。線圈320和耦合結構330係分別設置於介質基板110之相對二表面E1、E2上。與前述之實施例相比，近場通訊天線300之耦合結構330包括更多耦合支路331，而近場通訊天線300之線圈320之總匝數亦較多。在一些實施例中，該等耦合支路331之總數量可以恰為線圈320之總匝數之二倍，以利於其互相對稱地連接。舉例來說，該等耦合支路331之總數量可為8，而線圈320之總匝數可為4，但不僅限於此。近場通訊天線300更可包括形成於介質基板110中之複數導電貫孔340(例如：彼此分離之十六個導電貫孔340)，其中每一耦合支路331之二末端可分別經由個別之二導電貫孔340連接至線圈320上個別之二連接點。更詳細地說，線圈320可以包括不同尺寸之複數迴圈，而耦合結構330可以包括不同長度之複數耦合支路331，其中較長之耦合支路331係連接至較大之迴圈，而較短之耦合支路331係連接至較小之迴圈，依此類推。在此設計下，線圈320之每一迴圈恰可連接至長度相等之個別二耦合支路331。

介質基板110之表面E2可以再劃分為一左方區域111、一中央區域112，以及一右方區域113，其中中央區域112可以將左方區域111與右方區域113完全地分離。在一些實施例中，耦合結構330之該等耦合支路331係對稱地設置於左方區域111和右方區域113內。舉例來說，若有四支耦合支路331係設置於左方區域111內，則將會有另外四支耦合支路331係鏡像地設置於右方區域113內。線圈320可具有一中心淨空區域325。在一些實施例中，該等耦合支路331於線圈320上之垂直投影皆可大致位於中心淨空區域325內，但該等垂直投影不可與線圈320之正中央點重疊。在一些實施例中，該等耦合支路331係大致互相平行地排列。舉例來說，線圈320可以大致為一矩形，該矩形具有二長邊和二短邊，而該等耦合支路331可以大致皆平行於該矩形之該等短邊而排列。為了增加耦合能量，耦合結構330之總長度L2通常小於矩形線圈320之長邊之長度L1。舉例來說，耦合結構330之總長度L2可以大致為該矩形線圈320之長邊之長度L1之50%至80%。

在第3圖之實施例中，耦合結構330之該等耦合支路331之總數量為8，而每一耦合支路331大致為一中括弧形。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，耦合結構330可包括更多或更少之耦合支路331，而每一耦合支路331亦可具有不同形狀。在其他實施例中，該等耦合支路331更可不對稱地設置於介質基板110之表面E2上。舉例來說，可有一支耦合支路331設置於介質基板110之左方區域111內，但有三支耦合支路331設置於介質基板110之右方區域113內。本發明之近場通訊天線之一些變化組態可如下列實施例所述。

第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構410之立體圖。在第4A圖之實施例中，耦合結構410包括二支耦合支路331，其係對稱地設置於介質基板110之表面E2上。第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構420之立體圖。在第4B圖之實施例中，耦合結構420包括四支耦合支路331，其係對稱地設置於介質基板110之表面E2上。第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構430之立體圖。在第4C圖之實施例中，耦合結構430包括六支耦合支路331，其係對稱地設置於介質基板110之表面E2上。必須理解的是，前述之每一耦合支路之二末端皆可各自連接至一線圈之個別一迴圈上。舉例來說，較長之耦合支路係連接至較大之迴圈，而較短之耦合支路係連接至較小之迴圈，依此類推。第4A、4B、4C圖所示之耦合結構410、420、430皆可用於取代第3圖中之耦合結構330。

第5A圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構510之立體圖。在第5A圖之實施例中，耦合結構510包括二支耦合支路531，而每一耦合支路531大致為一直條形。第5B圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構520之立體圖。在第5B圖之實施例中，耦合結構520包括二支耦合支路532，而每一耦合支路532大致為一折線形。第5C圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構530之立體圖。在第5C圖之實施例中，耦合結構530包括二支耦合支路533，而每一耦合支路533大致為一半圓弧形。第5D圖係顯示根據本發明一實施例所述之耦合結構540之立體圖。在第5D圖之實施例中，耦合結構540包括二支耦合支路534，而每一耦合支路534大致為一平滑曲形。必須理解的是，前述之每一耦合結構可包括更多耦合支路，而每一耦合支路之二末端皆可各自連接至一線圈之個別一迴圈上。舉例來說，較長之耦合支路係連接至較大之迴圈，而較短之耦合支路係連接至較小之迴圈，依此類推。第5A、5B、5C、5D圖所示之耦合結構510、520、530、540皆可用於取代第3圖中之耦合結構330。

第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊天線300與量測裝置610之相對方位圖。第6B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之近場通訊天線300與量測裝置610之相對方位圖。量測裝置610可用於偵測近場通訊天線300所傳送之電磁波，並可分析該電磁波之電場強度。量測裝置610可以大致為一矩形。當量測裝置610之長邊與近場通訊天線300之長邊平行時，可視為量測裝置610與近場通訊天線300之間之測試角度為0度或180度(如第6A圖所示)；而當量測裝置610之長邊與近場通訊天線300之長邊垂直時，可視為量測裝置610與近場通訊天線300之間之測試角度為90度或270度(如第6B圖所示)。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之近場通訊天線300之電場強度與測試角度之關係圖。如前所述，量測裝置610可於不同測試角度偵測近場通訊天線300之電場強度，而其量測結果係顯示於第7圖。曲線CC0代表當耦合結構330被移除時所偵測到之電場強度；曲線CC1代表當耦合結構330包括二支耦合支路331時(如第4A圖所示)所偵測到之電場強度；曲線CC2代表當耦合結構330包括四支耦合支路331時(如第4B圖所示)所偵測到之電場強度；曲線CC3代表當耦合結構330包括六支耦合支路331時(如第4C圖所示)所偵測到之電場強度；而曲線CC4代表當耦合結構330包括八支耦合支路331時(如第3圖所示)所偵測到之電場強度。根據第7圖之量測結果可知，若耦合結構330包括越多連接至線圈320之耦合支路331，則近場通訊天線300將可於各個測試角度提供強度越平均之電場。本發明之耦合結構可更平均地近場通訊天線之耦合電流，進而有效地提升近場通訊天線之整體全向性。

請再次參考第3圖。在一些實施例中，本發明之元件尺寸和元件參數可如下列所述。介質基板110之厚度H1係小於2mm。線圈320係操作於13.56MHz頻率點。線圈320之總面積約為60x40mm²。該等耦合支路331之相鄰二者之間距D1係小於 1mm。該等耦合支路331於線圈320上之垂直投影係大致位於中心淨空區域325內，而中心淨空區域325中未與該等垂直投影重疊之中央部份之面積約為20x20mm²。

值得注意的是，以上所述之元件參數、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之近場通訊天線並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之近場通訊天線當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧近場通訊天線

110‧‧‧介質基板

120‧‧‧線圈

121、122‧‧‧線圈之末端

130‧‧‧耦合結構

131‧‧‧耦合支路

E1‧‧‧介質基板之表面

P1、P2‧‧‧連接點

Claims

一種近場通訊天線，包括：一介質基板；一線圈，設置於該介質基板上；以及一耦合結構，包括至少一耦合支路，其中該耦合支路之二末端係分別連接至該線圈上之不同二連接點。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該線圈係作為該近場通訊天線之一主輻射部，而該線圈之二末端係分別連接至一信號源之一正極和一負極。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該線圈大致為一矩形，該矩形具有二長邊和二短邊，而該等連接點係分別大致位於該等長邊上。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該線圈和該耦合結構皆設置於該介質基板之同一表面上。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該線圈和該耦合結構係分別設置於該介質基板之相對二表面上。
如申請專利範圍第5項所述之近場通訊天線，其中至少二導電貫孔係形成於該介質基板中，而該耦合支路之該等末端係分別經由該等導電貫孔連接至該線圈上之該等連接點。
如申請專利範圍第5項所述之近場通訊天線，其中該耦合結構包括複數耦合支路，該介質基板包括一左方區域、一中央區域，以及一右方區域，該等耦合支路係對稱地設置於該左方區域和該右方區域內，而該中央區域係將該左方區域與該右方區域完全地分離。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中該線圈具有一中心淨空區域，而該等耦合支路於該線圈上之垂直投影皆大致位於該中心淨空區域內。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中該等耦合支路之總數量為該線圈之總匝數之二倍。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中該等耦合支路之總數量為2、4、6，或是8。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中每一該等耦合支路分別大致為一直條形、一中括弧形、一折線形、一半圓弧形，或是一平滑曲形。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中該等耦合支路係大致互相平行地排列。
如申請專利範圍第12項所述之近場通訊天線，其中該線圈大致為一矩形，該矩形具有二長邊和二短邊，而該等耦合支路皆大致平行於該等短邊。
如申請專利範圍第7項所述之近場通訊天線，其中該等耦合支路之相鄰二者之間距係小於1mm。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該介質基板為一FR4(Flame Retard 4)基板。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該介質基板之厚度係小於2mm。
如申請專利範圍第1項所述之近場通訊天線，其中該線圈係操作於13.56MHz頻率點。