非靜態(tài)磁場發(fā)射器、其在系統(tǒng)中的連接及數(shù)據(jù)調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種非靜態(tài)磁場發(fā)射器，其在具有較小可用構(gòu)建高度的扁平載體、特 別是可移除存儲卡（例如，microSD卡或SIM卡）的表面上形成小型天線替代物。該天線 特別地用于在移動電話或也在不同電子裝置的PCB板上產(chǎn)生附加的非接觸式NFC/RFID通 信信道。該方案主要針對通過移動通信裝置實施的支付應(yīng)用。然而，原則上，根據(jù)本發(fā)明的 新類型的發(fā)射器、其布置和調(diào)制方法也可用于其他應(yīng)用和裝置，特別地，在沒有足夠的空間 來擴展天線的情況下，W及在天線被應(yīng)用于各種環(huán)境時被在不同環(huán)境特性方面具有不同結(jié) 構(gòu)及屬性的相鄰元件屏蔽的情況下。
【背景技術(shù)】
[0002] 直接放置于旨在插入到移動通信裝置的插槽中的可移除卡上的天線被下述公開 專利文件公開；例如，DE10252348A1，W0 03/043101A3。該些公開文件描述了在卡上使 用天線的一般可能性，但是，在可移除卡被移動通信裝置（特別是，移動電話）的相鄰件屏 蔽的情況下，該些公開文件并沒有包含足夠的天線詳細說明。
[0003] 特定描述的NFC天線在表面上呈導(dǎo)線環(huán)狀，而在小尺寸的情況下，利用全部可用 空間。當將該NFC天線放置在相對較小的區(qū)域時，將天線構(gòu)形為具有圓角的內(nèi)接矩形的螺 旋線圈，圓角通常沿著可用區(qū)域的外輪廓。該種配置已產(chǎn)生了非常典型的NFC天線形狀。
[0004] 因此，用于NFC和RFID傳輸?shù)奶炀€基本上是扁平的，其中，環(huán)形繞組圍繞可用區(qū)域 的邊緣，如根據(jù)下述專利的；DE102008005795、CN102074788、US2009314842、CN101577740、 CN201590480、CN201215827、CN201515004、CN201830251、JP2010102531、JP2011193349、 KR20100056159、KR100693204、W02010143849、JP2004005494、JP2006304184、 JP200503346UJP2010051012。當在可移除存儲卡上實施該天線時，W自然方式利用扁平卡 特性并且天線通過最大區(qū)域的可用部分上的環(huán)形繞組發(fā)展，舉例來說，例如W02012019694、 DE102010052127、DE102004029984、CN101964073。然而，可用表面上的框形天線方案并沒 有產(chǎn)生期望的結(jié)果，并且，不同申請人從而使用其他元件（例如，肋、層及類似物）來補償天 線。該些方案增加了結(jié)構(gòu)難度并且不會導(dǎo)致可靠通信信道的產(chǎn)生。目前，已知的是小型天 線方案（例如，US2007/0194913A1)，其解決了減小天線尺寸W及減小其與基板之間的連 接的問題，但是該類申請并未解決不同天線屏蔽的問題。在具有很少可用空間的區(qū)域中應(yīng) 用現(xiàn)有的NFC天線的知識沒有產(chǎn)生期望的結(jié)果，而低于一定水平的小型化不會線性地改變 得到的天線屬性。
[0005] 公開的Logomotion的專利申請描述了天線配置和特定的可移除存儲卡層，其目 的是為了預(yù)設(shè)發(fā)射和接收天線特性W允許即使在不同屏蔽卡插槽處也產(chǎn)生可靠的通信頻 道。該定義的技術(shù)任務(wù)導(dǎo)致多個技術(shù)方案的產(chǎn)生，其僅對某些移動電話產(chǎn)生滿意結(jié)果，然后 進一步的研發(fā)朝著屏蔽區(qū)域之外的移動電話的機身上的較大的、附加天線的產(chǎn)生進行。例 如標簽形式的該些附加天線（CN201590480U)可W與卡上的基本天線非接觸式鏈接，但是， 其仍保持該配置的小通用性，并且該應(yīng)用的復(fù)雜性對一般使用者來說也是不利的。
[0006] 直接放置于可移除卡上的天線具有非常有限的尺寸選項。移動電話具有用于微型 SD格式的卡的插槽，該顯著地限制了可W直接放置在卡上的天線的尺寸。當將可移除卡放 置在屏蔽非常大的插槽中（例如，移動電話的電池下方）時，卡上的天線的傳輸狀況變得 非常糟糕。使用整流層、巧具有有限的特定效應(yīng)，并且當設(shè)定移動電話的各種結(jié)構(gòu)時通用 性較差?；A(chǔ)理論和技術(shù)公開認為；在小的厚度和可用空間的情況下，RFID或NFC天線應(yīng) 形成為片狀天線，例如，2010年KlausFinkenzeller的RFID手冊中的圖2. 11、圖2. 15、圖 12. 7、圖 12. 9、圖 12. 11、圖 12. 13。根據(jù)相同參考文獻（第 4. 1.1. 2 章，OptimalAntenna Diameter/PhysicalPrinciplesofRFIDSystems),如果傳輸天線的半徑對應(yīng)于所需的天 線范圍的平方根，則最佳。
[0007] 非接觸式通信標準ISO14443表征了利用頻率為13. 56MHz的載波信號進行A或B 調(diào)制的條件。在發(fā)射器中將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到副載波頻率，并且將該副載波頻率與基本載 波信號組合。結(jié)果是頻率與在接收器中通過從接收到的頻譜分離出載波信號而檢測到的傳 輸數(shù)據(jù)疊加。
[0008] 因為在移動電話中更常使用金屬組件和外殼，所W，即使在移動電話的設(shè)計中已 經(jīng)預(yù)見到NFC元件或類似的通信元件的情況下，也可W出現(xiàn)構(gòu)造及NFC天線放置的問題。期 望該樣一種方案；其確保來自可通過圍繞移動電話金屬元件（例如，電池或金屬外殼）而屏 蔽的移動電話的PCB板、SIM卡或可移除存儲卡上的元件的傳輸信號的高吞吐量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 作為天線使用的非靜態(tài)磁場發(fā)射器顯著消除了提到的缺點，特別地，天線在電子 裝置（例如，移動電話）的扁平基板上，其中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射器的本質(zhì)在于下述事實：發(fā) 射器具有長方形的至少部分的鐵素體磁巧，磁巧由至少具有兩個螺紋的導(dǎo)線纏繞，螺紋一 個接一個地緊密放置，并且一個螺紋的有效寬度W對應(yīng)于具有+-75%的偏差的磁巧橫截面 的半徑。在其他有效磁巧橫截面中，一個螺紋的寬度對應(yīng)于具有+-75%的偏差的等效半徑。
[0010] 一個螺紋的有效寬度W與磁巧半徑或等效磁巧半徑的比率為0. 25至1. 75、優(yōu)選 地為0. 5至1. 5、特別優(yōu)選地為0. 85至1. 15,該比率不僅代表尺寸比率。如在本發(fā)明的發(fā) 射器中所呈現(xiàn)出的，僅與緊密的導(dǎo)線繞組相關(guān)的尺寸關(guān)系觀測示出數(shù)個物理模式的協(xié)同相 互作用。在提出的間隔的范圍中，從導(dǎo)線的不同部分和單個線圈產(chǎn)生磁場的交互作用，而不 形成旋禍場，由此磁巧中的磁場得W放大并且其不會沿著線圈泄露到磁巧的終端端部的外 面。提出的一個螺紋的有效寬度與磁巧半徑的比率還沒有成為發(fā)射器或天線中的觀測參 數(shù)。在現(xiàn)有的具有磁巧的天線中，一個螺紋的有效寬度W是磁巧的半徑的不超過0. 001至 0. 1倍。根據(jù)本發(fā)明，對發(fā)射器有利的是接近1的比率，即，W=D/2,其中，D是磁巧直徑或 者等效磁巧直徑。
[0011] 發(fā)射器用作傳統(tǒng)電磁天線的替代物，而在非接觸式NFC或RFID禪合的另一側(cè)，由 標準NFC或RFID接收裝置接收和發(fā)射信號。發(fā)射器具有產(chǎn)生強烈并均勻的磁場的任務(wù)。在 microSD卡或SIM卡（用戶識別模塊）上使用發(fā)射器的情況下，磁巧的橫截面將較小（例 如，磁巧高度的參數(shù)），小于1mm。在microSD卡上使用發(fā)射器的情況下，磁巧長度比磁巧橫 截面是小參數(shù)的超過7倍。磁巧長度通常不超過15mm。在namoSIM卡上使用發(fā)射器的情況 下，發(fā)射器的厚度小于0. 65mm且其長度不超過12mm。發(fā)射器將特別地用于產(chǎn)生附加的非接 觸式通信信道。本發(fā)明的發(fā)射器還產(chǎn)生電場，然而，在接收裝置側(cè)，該不是信號載體；其僅是 沒有對穿過主機裝置的屏蔽作出很大貢獻的次場組件。對于磁巧厚度小于1mm的小型化天 線，出現(xiàn)的問題不能僅通過按比例的設(shè)置已知的常規(guī)較大天線結(jié)構(gòu)的尺寸來解決。首先，與 根據(jù)2010年的KlausFinkenzeller的RFID手冊中的增加天線范圍的一般要求相反，螺紋 的直徑將會顯著的減小，基于該事實，根據(jù)本發(fā)明，平行于載體表面的軸的螺紋的使用變得 顯而易見。
[0012] 磁巧在縱向方向上為長方形，W便磁巧端部在表面的可用空間內(nèi)放置的彼此相距 最遠。磁巧可彎曲，但是直椿磁巧可獲得最好的結(jié)果，該樣當磁場線在發(fā)射器的外部的密閉 時，路徑最長，從而具有從屏蔽空間中泄露出作用。磁巧的鐵素體應(yīng)具有預(yù)設(shè)的相對磁導(dǎo) 率，使得發(fā)射器的電感為從600址至1200址，優(yōu)選地接近75化H?？紤]到原則，鐵素體磁巧 可具有從30至300的范圍的磁導(dǎo)率。將根據(jù)最大允許的磁飽和W及磁巧截面尺寸選項的 技術(shù)可能性來設(shè)置磁巧的磁導(dǎo)率。鐵素體應(yīng)表示放大磁場特性和屬性的任何材料。
[0013] 重要的是，螺紋應(yīng)該一個接一個的緊密纏繞W防止磁場從磁巧發(fā)射到磁巧端部的 外面。螺紋導(dǎo)線形成磁巧的屏蔽。相鄰螺紋的導(dǎo)線防止產(chǎn)生相鄰導(dǎo)線之間的導(dǎo)線的禍旋磁 場。實質(zhì)上，相鄰螺紋之間僅存在導(dǎo)線絕緣厚度形式的間隙。一組金屬線圈產(chǎn)生引導(dǎo)磁場 流的磁巧屏蔽罩蓋。
[0014] 為了達到條件，當磁場甚至透過主機裝置的屏蔽元件之間的微小間隙從發(fā)射器泄 露時，磁巧中的磁場需要盡可能均勻并且同時在小的磁巧橫截面處具有最大強度。均勻性 的要求設(shè)及到我們發(fā)現(xiàn)；在小尺寸的發(fā)射器，磁巧中不均勻的磁場強度顯示出很大的損耗。 我們要求高磁場強度是為了實現(xiàn)磁場在整個環(huán)境中的高穿透性。
[0015] 當一個螺紋的有效寬度W對應(yīng)于磁巧的圓形橫截面的磁巧半徑時，該種配置可W 最好的滿足上述兩個要求。一個螺紋的有效寬度W是螺紋導(dǎo)線反映磁巧長度的參數(shù)。導(dǎo) 線可W具有不同的橫截面，從而一個螺紋的有效寬度W可W與實際導(dǎo)線寬度不同。在大多 數(shù)普通的情況下，當螺紋導(dǎo)線為環(huán)形或者為簡單的扁平形狀但不交錯時，螺紋的有效寬度 W實際上將等于導(dǎo)線寬度。當使用扁平導(dǎo)線W使一個螺紋的部分導(dǎo)線由相鄰導(dǎo)線的邊緣覆 蓋，將認為有效導(dǎo)線寬度為不具有邊緣的寬度，所述邊緣已經(jīng)覆蓋相鄰導(dǎo)線?；旧?，其將 是導(dǎo)線寬度的一部分，扁平導(dǎo)線中的該部分將與磁巧接觸。在密集、緊密的線圈中，一個螺 紋導(dǎo)線的有效寬度W將與螺距相同。
[0016] 將有效寬度W與磁巧的半徑或磁巧的等效半徑相匹配的要求應(yīng)理解為，有效寬度 W實質(zhì)上等于磁巧半徑。在磁巧的全部橫截面參數(shù)都較小時，即使小的技術(shù)偏差也可導(dǎo)致背 離規(guī)則，而此時仍然要達到有益的效果，或者至少實現(xiàn)原理的充分有用的效應(yīng)。當螺紋的有 效寬度W為磁巧的半徑或者磁巧的有效半徑的0. 6至1. 4倍的范圍中時，滿足尺寸關(guān)系條 件從而是需要考慮的情形。當半徑處于0. 6至1. 4的范圍時，磁功率的最大損耗為10%。 即使相對大的比率范圍化25至1.75)實現(xiàn)了足夠強大和有利的結(jié)果，而現(xiàn)有技術(shù)包括有 效寬度和磁巧半徑的不同級別的比率（小于0. 001至0. 1)。
[0017] 關(guān)于尺寸關(guān)系，當磁場從小型磁