TWI647877B - 主要用於近場通訊傳輸之具有兩天線之天線系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種天線系統，其具有一具有鐵氧體磁心之螺線管天線(2)，及具有環圈之四邊形形狀之平面螺旋天線(1)。各天線(1、2)具有其自身之阻抗匹配(3)。天線(1、2)經安放於相同基本平面或於相互平行之基本平面中，且兩個天線(1、2)之縱軸(4)係平行的。該螺線管天線(2)具有對應於該平面螺旋天線(1)之長度之一長度；該平面螺旋天線(1)之磁性中心位於與該螺線管天線(2)之磁性中心相同的中心平面中。該螺線管天線(2)之縱軸(4)與該平面螺旋天線(1)之縱軸(4)之間的距離至少係該螺線管天線(2)之該長度的0.75倍，該距離宜具有該螺線管天線(2)之該長度值。來自該接收平面螺旋天線(1)的輸出經連接至該傳輸螺線管天線(2)的相位調變器(5)，且該螺線管天線(2)的傳輸係與同時藉由該接收平面螺旋天線(1)接收的信號同步。

Description

主要用於近場通訊傳輸之具有兩天線之天線系統

本發明涉及一天線系統，其具有一螺線管傳輸天線及配合平面螺旋接收天線，其中該等天線具有一連接及相互配置，其產生其等之電磁隔離。該天線系統藉由主要在近場通訊(NFC)傳輸及接收期間傳輸器與接收器之間之頻率及一相位同步來解決問題。

主要根據ISO/IEC 14443標準，平面螺旋天線主要用於藉由NFC平台之通訊期間。該NFC平台依頻寬13.56MHz中之全球可用且未經授權之無線電ISM頻率操作，且其可使用三種主要通訊模式之一者：被動、主動或偽被動。在被動模式之情況中，起始器/傳輸器(PCD)為轉頻器/接收器(PICC，例如付款卡)之裝置提供載送場及能量，該裝置藉由經調變載送場(負載調變)來回應。該接收器之天線必須足夠大使其能滿足該接收器之所有能量需求，在此情況中，該接收器缺少其等自身之能量來源。在主動模式中，兩個裝置均產生其等自身之電磁場；其等之天線之尺寸可小於被動模式中之情況。

偽被動模式之特徵為兩個裝置均具有其等自身之能量來源；該電磁場僅用於傳送資料，但在通訊期間，如在該被動模式(卡仿真模式)中般使 用該通訊協定。該轉頻器主動地傳輸以使得此頻率與來自該起始器之載波頻率一起(加總)創造振幅調變之一方式經相位調變之載波頻率。必須藉由該轉頻器在與來自該起始器之載波頻率正好同相位或正好相反相位中傳輸該載波頻率。該相位誤差與效能之間的相關性如圖1。當該效能近似95%時，必須實現±2ns以上之時間精確度。當該相位誤差係±10ns，該效能落至60%。

若使用一單一天線用於接收及傳輸，則在該傳輸期間，該天線上之諧振電壓之位準明顯高於該接收信號之位準(十分之幾伏特對十分之幾毫伏特)。在該轉頻器之傳輸期間，自該起始器所接收之信號被該傳輸本身扭曲使得其基本上不可讀取。該轉頻器之同步電路必須在該資料本身之傳輸發生之前記住來自該起始器之載波頻率之頻率及相位，這是因為在該傳輸本身期間，額外同步/校正實際上係不可能的。在整個256B傳輸期間，為將該精確度保持在±2ns，該系統之調諧精確度必須大於1ppm，此在技術上係一非常困難之任務。

公開案US2015256223(A1)使用兩個具有相互組態之不同大小之天線--一天線用於接收，且另一天線用於傳輸；然而，兩個天線均係典型的平面螺旋天線，且其等需要大的可用空間。根據WO2011048728(A1)的解決方案，使用藉由電磁感應同步之兩個平面天線。此等解決方案無法用於該NFC通訊元件被安放於經屏蔽(經遮蔽)之裝置中的情況中(例如在行動電話中)，且其等亦無法被用於該可用表面不足以用於安放大平面螺旋天線的情況中。本發明藉由在同時傳輸與接收期間(尤其當該可用表面小於150mm²時或該裝置經電磁屏蔽時)同步來解決該問題。

藉由主要用於NFC傳送之具有兩個天線的天線系統來有效補救上文提及的差異，其中第一天線係具有一鐵氧體磁心的螺線管，且第二天線係具有環圈之四邊形形狀的螺旋，其中各天線具有其自身之阻抗匹配，且該等天線經安放於一共同基本平面或相互平行的平面中，根據本發明(其本質在於以下事實：該螺線管天線具有對應於該平面天線之長度之一長度)，兩個天線之縱軸係平行的，且該平面螺旋天線之磁性中心位於伸展穿過該螺線管天線之磁性中心之螺線管天線的橫向軸平面中，或該平面螺旋天線之磁性中心與該螺線管天線之橫向軸平面的距離至多係該螺線管天線長度的十分之一。該螺線管天線之縱軸與該螺旋天線之縱軸之間的距離至少係該螺線管天線之長度的0.75倍，該距離宜係該螺線管天線的長度值。

術語「螺線管天線」主要指示具有導體之多個螺紋之一圓柱形線圈，其中該線圈之長度大於其之直徑；通常該線圈之長度係其直徑的五倍。

根據本發明，該螺線管天線之長度(即，其在縱向方向上之尺寸)係與該天線系統之其他比例有關。此螺線管天線之長度對應於該螺旋天線之長度(在±10%之餘量內)。該螺旋天線之表面的長度係該天線在平行於該螺線管天線之縱軸之方向上之一尺寸。通常，將計算該平面螺旋天線之兩個底面尺寸之較大者。經精確地證明，其中該平面螺旋天線之寬度係其長度之一半(在±25%之餘量內)之一配置係有利的。在此情況中，該平面螺旋天線將具有一矩形底面，其中邊長呈2：1(長：寬)之比率。

較佳地，兩個天線均係安放於共同基板(即，相同表面)上。但是，其中該等天線處於不同表面上(或最終處於獨立載體上)之一配置亦係可能的；重要的係該螺線管天線之縱軸係平行於平面螺旋天線所處於之表面。 根據本發明之天線系統具有兩個天線之相互對稱且正交配置。

該等縱軸係平行的；兩個天線的橫向磁性軸相同或其等之間的距離至多係該螺線管天線之長度的十分之一。該天線的磁性中心(其具有一適合且均勻、對稱構造)通常將與該天線的幾何中心相同。在此情況中，兩個天線的邊緣將係對準的。

該螺線管天線及該平面螺旋天線具有磁性對稱配置亦很重要。此實現其中自該螺線管天線之活動所感應之該平面螺旋天線上之電壓為零之一狀態。螺線管天線L2之末端處之場係相同的--但處於相互相反相位中(圖6)。若平面螺旋天線L1與該螺線管天線對稱安放，則該平面螺旋天線之左半部分之磁場正好與該右半部分之磁場相反，且因此，通過平面螺旋天線L1之整個表面之所得積分係零，且螺線管天線L2上之整體感應電壓也係零。

以使得兩個天線之間的電磁隔離至少比該轉頻器所傳輸之信號對自該起始器接收之信號的振幅比率大15dB之一方式選擇該等天線之間的距離(即，其等之縱軸之間的距離)。實際上，此意謂在該轉頻器之傳輸天線與接收天線之間創造至少處於13.56MHz至14.40MHz頻寬中之80dB之位準的隔離。在此組態中，來自該傳輸天線之信號並非由用於接收之天線接收。

該平面螺旋天線上之感應電壓大小取決於兩個天線之位置之精確度，如圖7中所描繪。「偏移」意謂在x軸之方向上幾何中心A之位置與該螺線管天線之中心之精確度誤差餘量。該等天線之間的距離意謂平面螺旋天線L1之幾何中心A對螺線管天線L2之幾何中心之此相互放置(滑動)，其中在頻寬13.56MHz至14.40MHz中實現該傳輸及接收天線之間的最大隔 離。通常，該磁性中心與該幾何中心相同，但此完全取決於該天線之所得構造。

平面螺旋天線L1對周圍電磁場之最大靈敏性位於z軸之方向(即垂直於其表面之方向)上。最小靈敏性位於x、y軸之方向上。螺線管天線L2所產生之磁場之最大位準位於x軸之方向及z軸之方向上。

此在該等天線之間實現一高隔離。根據本發明的組態確保該平面螺旋天線對該螺線管天線的傳輸十分不靈敏；該平面螺旋天線上的信號未必係過濾自該螺線管天線的傳輸信號。在自該螺線管天線傳輸期間，可自該起始器(PCD)接收載波信號，且依據其頻率及相位，可持續同步該傳輸信號。

平面螺旋天線L1上的電壓不僅可係由來自螺線管天線L2的磁場所感應，亦可係由螺旋天線L1之繞組上的旋渦流所感應。因此，有必要維持天線L1與天線L2之軸之間的最小距離D。在Dh之距離處，旋渦流的效應可忽略不計。

其中平面螺旋天線L1之軸與螺線管天線L2之距離D基本上等於該螺線管天線之長度h之一配置係較佳的，其中平面螺旋天線L1之中心A正好位於螺線管天線L2之磁性中心B的橫向平面上。該平面天線的長度等於該螺線管的長度h，且其寬度b等於½ a。這樣的天線系統佔據近似h x 3/2h之表面(與整個系統之尺寸比較，該螺線管天線之直徑通常係可忽略不計)。

根據本發明的尺寸及空間組態確保該接收天線之一選擇性不靈敏性，該接收天線可在來自該共同天線系統內鄰近之緊密接近天線之主動傳輸的同時，自該外源(PCD)接收外部信號。不必要複雜地處理及過濾所接 收信號。本發明允許在偽被動通訊模式中有效控制該同步。

在根據本發明之天線系統的情況中，來自該起始器之接收信號僅可忽略地被該轉頻器之傳輸所扭曲，且不必要特定同步電路。重複地以此一方式將由該轉頻器接收的信號傳輸回來作為用於資料調變之一調變載波頻率，此確保兩個信號在頻率上均係精確的，且僅在相位(0°/180°)之變化中實現該資料調變。兩個天線之阻抗電路的連接能滿足這點，其中來自該接收天線之具有關於相位之資訊的輸出被連接至該傳輸天線的相位調變器。關於所接收信號之相位之資訊的用途為同步來自該螺線管天線之所傳輸調變信號。

螺線管天線L2的螺紋數目取決於該磁心的磁導率，但用於NFC應用之L2之所得感應值通常應在自1μH至2μH的範圍內，且質量Q=18至22。接收平面螺旋天線L1可具有2個至4個螺紋，且滿足質量Q=4至6。

為增加該電磁隔離，可藉由導電板，自一側或兩側覆蓋該平面螺旋天線。較佳地，所使用之導電層可至少係10μm厚，且被安放在該螺旋天線的表面上方及/或下方。在z軸之方向上，該導電層與平面螺旋天線L1之距離應在自0.1mm至1mm之範圍內。該導電層之最小尺寸係a x b，使得該導電層覆蓋該螺旋天線之整個底面表面。該導電層之最大尺寸係a x 3/2h，其中該導電層在x軸上的寬度等於螺線管天線L2的長度h。

本發明之優點主要在於該天線系統之簡單配置及各自電路之簡單連接，其中歸因於該傳輸天線與接收天線之間的實體接合及關聯，實現相位及頻率同步之一高效能。

1‧‧‧平面螺旋天線L1

2‧‧‧螺線管天線L2

3‧‧‧阻抗匹配

4‧‧‧縱軸

5‧‧‧相位調變器

6‧‧‧導電層

A‧‧‧平面螺旋天線之中心

D‧‧‧天線之縱軸之間的距離

NFC‧‧‧近場通信

a‧‧‧平面螺旋天線之長度

b‧‧‧平面螺旋天線之寬度

h‧‧‧螺線管天線之長度

x,y,z‧‧‧正交座標系統之軸

藉由圖式1至圖式9進一步揭示本發明。特定而言，所描繪之螺線管 天線、平面螺旋天線、磁場線之過程及相互尺寸之實例僅出於繪示性目的，且不能被解譯為限制該保護範疇。

圖1係描繪針對載波頻率13.56MHz取決於相位不精確性之資料傳送之效能之一圖。數值1.0意謂最大效能。

圖2描繪傳輸螺線管天線L2之磁場。

圖3係在兩個天線之載體之共同表面之視野中之NFC平台之正交天線系統之一幾何配置。

圖4係來自圖3之配置之一側視圖，其中螺線管天線經安放於平面螺旋天線擴展於其中之表面上。圖5係天線系統之一側視圖，其中螺線管天線在前面且其縱軸位於平面螺旋天線之平面中。

圖6描繪當螺線管天線之長度係9mm時，磁場沿x軸之過程(中心在A點)。圖7描繪當螺線管天線之長度係9mm時，取決於天線之中心相對於A點之滑動之平面螺旋天線上之感應電壓之過程。

圖8係具有針對振幅調變資料之傳送之反饋之正交天線系統之連接的一方塊圖。用符號依90°角度旋轉描繪螺線管天線及平面螺旋天線，此意謂該等天線相互磁性正交。

圖9描繪兩個導電層在平面螺旋天線之兩側上之位置。左邊存在天線之表面之一視圖；右邊存在一側視圖。

實例1

在根據圖1至圖8之此實例中，該天線系統具有一具有鐵氧體磁心之螺線管天線2 L2及平面螺旋天線1 L1。螺線管天線2長9mm。兩個天線1、2均安放於該共同載體之相同表面上，其具有近似9mm x 13.5mm之 尺寸。

兩個天線1、2之縱軸4平行。平面螺旋天線1具有矩形底面；其長9mm且寬4.5mm。縱軸4之間的距離係9mm，其對應於螺線管天線2之長度。

實例中之螺線管天線2之所得感應值係1.5μH；其質量Q=20。接收平面螺旋天線1具有3個螺紋且質量Q=5。

平面螺旋天線1之磁性中心及螺線管天線2之磁性中心兩者處於中心平面中；因此，其等經安放於一相互對稱之磁性位置。各天線1、2具有其自身之阻抗電路、阻抗匹配3。平面螺旋天線1之阻抗匹配3與低雜訊放大器連接；其輸出引導至相位調變器5，其中藉由傳輸螺線管天線2之傳送之資料進入至相位調變器5。相位調變器5藉由該鐵氧體磁心與傳輸元件、阻抗匹配3及螺線管天線2連接。

實例2

根據圖9，在此實例中，來自先前實例之天線系統具有兩個導電層6。導電層6產生在箔片上，隨後該箔片覆蓋平面螺旋天線1及天線1、2之載體之相對側。導電層6導引該等磁場之過程且增加螺旋天線1之表面之隔離。

工業適用性

工業適用性係明顯的。根據本發明，可工業上重複地產生並使用具有兩個天線之天線系統用於信號之傳輸及接收，其中該接收天線與該傳輸天線經電磁隔離。

Claims (11)

1. 一種主要用於一NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中一第一天線(2)係具有一鐵氧體磁心(ferrite core)之螺線管(solenoid)天線，一第二天線(1)係具有四邊形形狀之平面螺旋(flat spiral)天線；各天線(1、2)具有其自身之阻抗匹配(impedance matching)(3)；且該等天線(1、2)係安放於一相同基本平面或於該相互平行之基本平面中，其特徵為該螺線管天線(2)具有對應於該平面螺旋天線(1)之一長度在±10%之餘量(margin)內之一長度；兩個天線(1、2)之縱軸(longitudinal axes)(4)係平行的，該平面螺旋天線(1)之一磁性中心(middle)位於該螺線管天線(2)之一橫向軸平面中，該橫向軸平面伸展穿過該螺線管天線(2)之磁性中心，或該平面螺旋天線(1)之該磁性中心與該螺線管天線(2)之該橫向軸平面之間之一距離至多係該螺線管天線(2)之該長度的十分之一，且該螺線管天線(2)之該縱軸(4)與該平面螺旋天線之該縱軸(4)之間之該距離至少係該螺線管天線(2)之該長度的0.75倍。
2. 如請求項1之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該螺線管天線(2)與該平面螺旋天線(1)之間的該距離使得其允許實現至少處於一頻寬13.56MHz至14.40MHz中之80dB位準之一電磁隔離。
3. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線 系統，其中該螺線管天線(2)之該縱軸(4)與該平面螺旋天線(1)之該縱軸(4)之間之該距離等於該螺線管天線(2)之該長度。
4. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該平面螺旋天線(1)之一長度(a)等於該螺線管天線之該長度(h)；該平面螺旋天線(1)之一寬度(b)等於其長度(a)之一半。
5. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該螺線管天線(2)之一感應之一所得值在自1μH至2μH之範圍內，且一質量Q=18至22。
6. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該平面螺旋天線(1)具有2個至4個螺紋，且一質量Q=4至6。
7. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中藉由一導電層(6)來覆蓋該平面螺旋天線(1)之一側或兩側。
8. 如請求項7之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該導電層(6)至少厚10μm，且其在該軸之一方向上自該平面螺旋天線(1)之距離在自0.1mm至1mm之範圍內。
9. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中來自該接收平面螺旋天線(1)之一輸出經連接至該傳輸螺線管 天線(2)之一相位調變器(5)。
10. 如請求項9之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中該平面螺旋天線(1)經連接至該阻抗匹配(3)，其中一低雜訊放大器經連接至此阻抗匹配(3)。
11. 如請求項1或請求項2之主要用於該NFC傳送之具有兩個天線之天線系統，其中來自該螺線管天線(2)之一傳輸係與同時藉由該接收平面螺旋天線(1)接收之一信號同步。