立體繞線貼片式nfc天線及天線系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及立體繞線貼片式NFC天線及天線系統(tǒng)，該天線，包括由若干層片狀芯體單元層疊而成的沿XY平面延伸的鐵氧體芯體，及沿X軸螺旋纏繞的第一線圈、沿Z軸螺旋纏繞的第二線圈和在X軸投影方向呈Z字形環(huán)繞氧體芯體的外表面的第三線圈，鐵氧體芯體的下端連接有天線絕緣層；天線絕緣層的下端面上連接有第一外部電極和第二外部電極；第三線圈的首端分別與過孔電極及第一外部電極連接，尾端與第二線圈的首端連接；第二線圈的尾端與第一線圈的首端連接；第一線圈的尾端與通孔電極與外部第二電極連接；Z字形的第三線圈、鐵氧體上表面平行的第二線圈和第一線圈的“咬合式”疊加以及由第一、第二和第三線圈產(chǎn)生的磁場分量的有機結(jié)合增強了天線的性能；第一線圈、第二線圈以及第三線圈的繞行充分利用鐵氧體芯體的空間，天線尺寸較小。
【專利說明】
立體繞線貼片式NFC天線及天線系統(tǒng)
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明涉及NFC天線的技術(shù)領域，更具體地說是指立體繞線貼片式NFC天線及包括該立體繞線貼片式NFC天線的天線系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002]工作頻率在 13.56MHz的近場通訊(Near Field Communicat1n，NFC)是一種利用磁場感應收發(fā)電磁波實現(xiàn)電子設備之間進行近距離通信的無線通訊技術(shù)，該技術(shù)也可被稱為是一種非接觸式的識別和互聯(lián)技術(shù)。這種技術(shù)可以為消費者提供簡單直觀的信息交換、 內(nèi)容訪問與服務。由于NFC技術(shù)的這種特殊性，近期NFC得到了越來越廣泛的重視，并且該技術(shù)已經(jīng)被應用于移動設備、PC、以及智能控件等設備中。在傳統(tǒng)的NFC手持設備的應用中，一般選擇將NFC天線輻射體放在電池(或其它金屬材料)上面，同時為了減少電池上產(chǎn)生的與天線本身電流方向相反的渦流對NFC天線的負面影響，需要在NFC天線線圈和電池中間放置一層能把天線線圈與電池隔離開的鐵氧體。為了保證NFC天線的性能，使用該設計方案的 NFC天線必須滿足一定的尺寸要求。由于該傳統(tǒng)NFC天線方案的天線尺寸較大，故而不能滿足手持設備小型化的需求。
[0003]為了達到減少NFC天線尺寸的目的，日本株式會社村田制作所(Murata)近期在中國發(fā)明專利公開CN103620869A中提出了一種小型的貼片式(SMD)NFC天線解決方案，并且在中國發(fā)明專利CN102959800B中展示了該方案在實際通信設備中的具體應用。與傳統(tǒng)NFC天線方案相比，該方案的最大不同之處是把傳統(tǒng)的尺寸較大的NFC天線線圈(比如典型的線圈尺寸為30mm x40mm)以螺旋的方式繞置在尺寸很小的鐵氧體芯體(鐵氧體芯體的尺寸可以小到與一般芯片的大小相同)周圍，形成螺線管型天線。通過把該小尺寸NFC天線單體放置在金屬板(或PCB板)上方并與之進行有效的耦合，在金屬板上激發(fā)出對天線單體本身來講有正面作用的渦流，進而增強整個天線系統(tǒng)(也即包括貼片NFC天線和金屬板)的性能。雖然與傳統(tǒng)的大尺寸NFC天線方案相比，村田提出的NFC天線方案在天線尺寸方面有了巨大的改進，但是該貼片天線有如下一個缺點:當該天線單體被放置在PCB或金屬板板上時，由于天線線圈在鐵氧體上的特殊繞行方式，使得天線本身產(chǎn)生磁場的主要方向與其在金屬板板上激發(fā)的有效渦流產(chǎn)生的磁場相互垂直正交。這種在磁場方向上的相互正交使得整個天線系統(tǒng)中的天線單體和金屬板不能達到最佳的匹配狀態(tài)。因此，有必要對上面所述的小尺寸貼片式NFC天線進行改進，并開發(fā)出一種不僅具有小尺寸而且同時具有能與在金屬板板上激發(fā)的渦流產(chǎn)生的磁場達到最佳匹配的高性能貼片式NFC天線。
[0004]綜上所述，目前的NFC天線無法將小尺寸與高性能結(jié)合，使用效果不佳。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供立體繞線貼片式NFC天線及天線系統(tǒng)。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:立體繞線貼片式NFC天線，包括由若干層片狀芯體單元層疊而成的沿XY平面延伸的鐵氧體芯體，及相互連接的三個環(huán)繞在所述鐵氧體芯體外表面的NFC天線線圈的第一線圈、第二線圈和第三線圈，所述第一線圈沿前后方向的X軸螺旋纏繞，所述第二線圈沿上下方向的Z軸螺旋纏繞，所述第三線圈呈Z字形環(huán)繞所述氧體芯體的外表面上;所述鐵氧體芯體的下端連接有天線絕緣層;所述天線絕緣層的下端面上連接有外部電極，所述外部電極包括第一外部電極和第二外部電極;所述天線絕緣層還設有用于連接NFC天線線圈與所述外部電極的過孔電極;所述第三線圈的首端通過連接導體分別與所述過孔電極以及第一外部電極連接，且尾端通過連接導體與所述第二線圈的首端連接;所述第二線圈的尾端通過連接導體與所述第一線圈的首端連接;所述第一線圈的尾端通過連接體分別與通孔電極和所述外部第二電極連接；
[0007]所述第一線圈包括若干根位于頂層片狀芯體單元下表面的頂層導線體，若干根位于底層片狀芯體單元上表面的底層導線體，及連接所述底層導線體左端端部和所述頂層導線體左端端部的若干個左導線體、連接所述底層導線體右端端部和所述頂層導線體右端端部的若干個右導線體;所述左導線體由穿透于所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和所述頂層片狀芯體單元的近于左端的左通孔內(nèi)的左導體構(gòu)成;所述右導線體由穿透于所述底層片狀芯體單元、所述中間層片狀芯體單元和所述頂層片狀芯體單元的近于右端的右通孔內(nèi)的右導體構(gòu)成;所述第一線圈的右導體的尾端與所述通孔電極再與所述外部第二電極連接；
[0008]所述第二線圈包括設于所述底層片狀芯體單元上表面和所述中間層片狀芯體單元上表面的線圈體，所述底層片狀芯體單元上表面的線圈體的首端與所述第三線圈的尾端連接，其首端通過設于所述第一層片狀芯體單元側(cè)邊的豎向連接導體與所述第二層片狀芯體單元的線圈體的首端連接，如此循環(huán)向上，直至最上面一個線圈體的尾端通過設于所述頂層片狀芯體單元側(cè)邊的豎向連接導體與所述第一線圈的首端連接；
[0009]所述第三線圈包括設于所述頂層片狀芯體單元的上表面的導體走線，所述底層片狀芯體單元的下表面的導體走線，及連接所述底層導線體前端端部和所述頂層導線體前端端部的若干個前導線體、連接所述底層導線體后端端部和所述頂層導線體后端端部的若干個后導線體;所述前導線體由穿透于底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于前端的前通孔內(nèi)的前導體、分別布置在所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于前端的第一導線構(gòu)成;所述后導線體由穿透于所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于后端的后通孔內(nèi)的后導體，分別布置在所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于后端的第二導線構(gòu)成，所述底層片狀芯體單元的下表面的導體走線的首端與所述過孔電極相連以及所述第一外部電極連接，所述底層片狀芯體單元的下表面的導體走線的尾端與所述底層片狀芯體單元上表面的線圈體的首端連接。
[0010]其進一步技術(shù)方案為:所述連接導體采用在通孔內(nèi)填入導電材料而構(gòu)成。
[0011]其進一步技術(shù)方案為:所述第一外部電極與所述第二外部電極間隔布置在所述天線絕緣層的下表面上，所述第一外部電極位于所述天線絕緣層的下表面的中部，所述第二外部電極位于所述天線絕緣層的下表面的近于左端。
[0012]其進一步技術(shù)方案為:所述第一線圈是由設于所述片狀芯體單元上、下、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的，同一表面可以設有一圈，二圈或三圈的線圈體;如果相鄰的所述表面都有線圈體時，可以采用錯開的方式來布置。
[0013]其進一步技術(shù)方案為:所述第二線圈由設于所述片狀芯體單元前、后、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的，同一表面可以設有一圈，二圈或三圈的線圈體;如果相鄰的表面都有線圈體時，可以采用錯開的方式來布置。
[0014]其進一步技術(shù)方案為:所述第一線圈和所述第二線圈在左側(cè)面、右側(cè)面會重合，需要采用錯開方式布設，所述左側(cè)面、右側(cè)面的位置，所述第一線圈可以位于外側(cè)，所述第二線圈處于內(nèi)側(cè);也可以是所述第一線圈可以位于內(nèi)側(cè)，所述第二線圈處于外側(cè)。
[0015]其進一步技術(shù)方案為:所述第三線圈與所述第一線圈和所述第二線圈分別對應在上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面會重合，需要采用錯開方式布設，所述上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面的位置，所述第三線圈位于外側(cè)。
[0016]本發(fā)明還提供了天線系統(tǒng)，包括上述的立體繞線貼片式NFC天線、基板以及金屬板，所述金屬板放置在所述基板上，所述立體繞線貼片式NFC天線位于所述金屬板上。
[0017]其進一步技術(shù)方案為:沿著長度方向，所述立體繞線貼片式NFC天線的內(nèi)端設在所述金屬板的正上方，所述立體繞線貼片式NFC天線的外端設在所述金屬板的外部。
[0018]本發(fā)明立體繞線貼片式NFC天線的加工方法是:所有鐵氧體芯體的XY平面上的導體走線都是通過把金屬(如金漿，銀漿或銅漿)漿料以絲網(wǎng)印刷的形式制成的，所述沿著Z方向的走線(即通孔)都是通過在相關的各個分層上打通孔并把漿料注入通孔，最后經(jīng)過高溫燒結(jié)而成。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:本發(fā)明的立體繞線貼片式NFC天線，采用了沿X軸方向延伸的鐵氧體芯體，及在X軸投影方向上呈Z字形環(huán)繞于鐵氧體芯體的NFC天線的第三線圈、正交環(huán)繞于鐵氧體芯體的NFC天線的沿上下方向的Z軸螺旋纏繞的第二線圈以及正交環(huán)繞于鐵氧體芯體的NFC天線的沿前后方向的Z軸螺旋纏繞的第一線圈；這三個線圈的按照一定規(guī)律的首尾相連增強了天線的性能，使得NFC天線單體除了沿著線圈繞行的鐵氧體芯體長軸方向的磁場分量外，同時還產(chǎn)生具有與長軸方向垂直的兩個磁場分量;Z字形的第三線圈、鐵氧體上表面平行的第二線圈和第一線圈的“咬合式”疊加以及第二線圈和第三線圈產(chǎn)生的與PCB板垂直的磁場分量進一步增強了天線的性能，達到高性能的效果；另夕卜，第一線圈、第二線圈以及第三線圈都是繞行在鐵氧體芯體的外表面上，充分利用鐵氧體芯體的空間，使得整個NFC天線尺寸較小。
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述?！靖綀D說明】
[0021]圖1為本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線單體的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖； [〇〇22]圖2是本發(fā)明實施例提供的只有第一繞線線圈的NFC天線單體的立體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇23]圖3是本發(fā)明實施例提供的只有第二繞線線圈的NFC天線單體的立體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇24]圖4是本發(fā)明實施例提供的只有第三繞線線圈的NFC天線單體的立體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線單體的簡易繞線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線單體的工作原理示意圖，其中A1、A3、B2以及B3為磁場的分量方向；[〇〇27]圖7是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線系統(tǒng)工作原理示意圖；[〇〇28]圖8是本發(fā)明實施例提供的天線系統(tǒng)在金屬板上方Z = 20mm處的磁場Hz分量分布圖；[〇〇29]圖9是本發(fā)明實施例提供的天線系統(tǒng)只有第一天線線圈時在金屬板上方Z = 20mm 處的磁場Hz分量分布圖；
[0030]圖10是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線的第一擴展繞線天線單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖11是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線的第二擴展繞線天線單體的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇32]圖12是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線的第三擴展繞線天線單體的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇33]圖13是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線的第四擴展繞線天線單體的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇34]圖14是本發(fā)明具體實施例提供立體繞線貼片式NFC天線的第五擴展繞線天線單體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]附圖標記[〇〇36]1鐵氧體芯體2第一線圈
[0037]3第二線圈4第三線圈[0〇38]5天線絕緣層6a和6b過孔電極[〇〇39]7a第一外部電極7b第二外部電極
[0040] 8?11連接導體la頂層片狀芯體單元
[0041]lc、lb中間層片狀芯體單元Id底層片狀芯體單元
[0042]21a?25頂層導線體22左導線體
[0043]23右導線體21Va?24Va左導體
[0044]21Vb?25Vb 右導體33、32、31 線圈體
[0045]41a、42a、41c、42c 導體走線
[0046]41d、42d 第一導線41b、42b 第二導線
[0047]50金屬板60基板【具體實施方式】[〇〇48]為了更充分理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步介紹和說明，但不局限于此。[〇〇49]如圖1-圖14所示的具體實施例，本實施例提供的立體繞線貼片式NFC天線，可以運用在天線系統(tǒng)中，實現(xiàn)為移動設備客戶提供高性能小尺寸的貼片式NFC天線。
[0050]如圖1所示，立體繞線貼片式NFC天線，包括由四層(可為若干層，本例中為四層，具體的最少層數(shù)由第二線圈的匝數(shù)決定)片狀芯體單元1&、113、1(3、1(1層疊而成的沿乂￥平面延伸的鐵氧體芯體1，及相互連接的三個環(huán)繞鐵氧體芯體外表面的NFC天線線圈的第一線圈2、 第二線圈3和第三線圈4,第一線圈2沿前后方向的X軸螺旋纏繞，第二線圈3沿上下方向的Z 軸螺旋纏繞，第三線圈4呈Z字形環(huán)繞鐵氧體芯體1的外表面上;鐵氧體芯體1的下端連接有天線絕緣層5;天線絕緣層5的下端面上連接有外部電極，包括天線絕緣層5還設有用于連接 NFC天線線圈與外部電極的過孔電極6a和6b，第一外部電極7a和第二外部電極7b。第三線圈 4的首端通過連接導體10(即起到過渡聯(lián)接作用的導體)分別與過孔電極6a以及第一外部電極7a連接，且尾端通過連接導體9(即起到過渡聯(lián)接作用的導體)與第二線圈3的首端連接； 第二線圈3的尾端通過連接導體8(即起到過渡聯(lián)接作用的導體)與第一線圈2的首端連接； 第一線圈2的尾端通過連接導體11(即起到過渡聯(lián)接作用的導體)與通孔電極6b再與外部第二電極7b連接。[〇〇51]其中，如圖2所示，第一線圈2包括若干根位于頂層片狀芯體單元la下表面的頂層導線體21a?25a，若干根位于底層片狀芯體單元Id上表面的底層導線體21b?25b，及連接底層導線體左端端部和頂層導線體左端端部的若干個左導線體22、連接底層導線體右端端部和頂層導線體右端端部的若干個右導線體23;左導線體22由穿透于底層片狀芯體單元 ld、中間層片狀芯體單元lc以及l(fā)b和頂層片狀芯體單元la的近于左端的左通孔內(nèi)的左導體 21Va?24Va構(gòu)成;右導線體24由穿透于底層片狀芯體單元Id、中間層片狀芯體單元lc、lb和頂層片狀芯體單元la的近于右端的右通孔內(nèi)的右導體21Vb?25Vb構(gòu)成;第一線圈2的右導體的尾端與通孔電極6b再與外部第二電極7b連接。[〇〇52]另外，如圖3所示，第二線圈3包括設于底層片狀芯體單元Id上表面和中間層片狀芯體單元lc以及l(fā)b上表面的線圈體33、32、31，底層片狀芯體單元Id上表面的線圈體33的首端與第三線圈4的尾端連接，其首端通過設于第一層片狀芯體單元lc側(cè)邊的豎向連接導體 3Vc與第二層片狀芯體單元lb的線圈體32的首端連接，如此循環(huán)向上，直至最上面一個線圈體31的尾端通過設于頂層片狀芯體單元la側(cè)邊的連接導體8與第一線圈2的首端連接。 [〇〇53]再有，如圖4所示，第三線圈4包括設于頂層片狀芯體單元la的上表面的導體走線 41c和42c，在底層片狀芯體單元Id的下表面的導體走線41a和42a，及連接底層導線體前端端部和頂層導線體前端端部的若干個前導線體、連接底層導線體后端端部和頂層導線體后端端部的若干個后導線體;前導線體由穿透于底層片狀芯體單元ld、中間層片狀芯體單元 lc以及l(fā)b和頂層片狀芯體單元la的近于前端的前通孔內(nèi)的前導體(圖中未示出)、分別布置在底層片狀芯體單元ld、中間層片狀芯體單元lc以及l(fā)b和頂層片狀芯體單元la的近于前端的第一導線41d以及42d構(gòu)成；后導線體44由穿透于底層片狀芯體單元ld、中間層片狀芯體單元lc、lb和頂層片狀芯體單元la的近于后端的后通孔內(nèi)的后導體(圖中未示出)，分別布置在底層片狀芯體單元ld、中間層片狀芯體單元lc以及l(fā)b和頂層片狀芯體單元la的近于后端的第二導線41b以及42b構(gòu)成，底層片狀芯體單元Id的下表面的導體走線41a的首端與過孔電極6a相連以及第一外部電極7a連接，底層片狀芯體單元Id的下表面的導體走線42a 的尾端與底層片狀芯體單元Id上表面的線圈體33的首端連接。[〇〇54]這樣，所述第三線圈4的頂層片狀芯體單元la的導體走線41c和42c、底層片狀芯體單元Id的導體走線41a和42a分別與Z軸垂直;第三線圈4的前側(cè)部的導線體與后側(cè)部的導線體分別與Y軸呈一定的傾斜夾角0，以構(gòu)成第三線圈3在X軸方向上的投影呈Z字形。[〇〇55]第二線圈3只產(chǎn)生與長軸方向垂直(或與Z軸方向平行)的磁場分量，第三線圈4產(chǎn)生包含與長軸方向垂直的磁場分量;這些與長軸垂直的磁場分量恰好可以有效地與天線線圈在金屬板60上耦合出來的渦流回路產(chǎn)生的磁場相疊加，從而增強整體天線系統(tǒng)的性能。 [〇〇56] 并且，天線線圈是通過在絕緣層5上連接天線線圈的兩個端點的通孔6a和6b以及絕緣層的下表面上的電極7a和7b與外部進行連接的。天線的導電體從電極7a開始，通過第一線圈2、第二線圈3到第三線圈4的連接，以及最終到7b的完整相連構(gòu)成具有立體繞線的貼片式NFC天線單體。[〇〇57]另外，電極7a和7b有兩個作用:一個作用是用于在線路板(PCB)上連接天線激發(fā)源的兩個饋電點，另外一個作用是用于天線與PCB之間的焊接;這也是該天線被稱為貼片式 NFC天線的原因。[〇〇58]上述的立體繞線貼片式NFC天線，采用了沿X軸方向延伸的鐵氧體芯體1，及在X軸投影方向上呈Z字形環(huán)繞于鐵氧體芯體1的NFC天線的第三線圈4、正交環(huán)繞于鐵氧體芯體的NFC天線的沿上下方向的Z軸螺旋纏繞的第二線圈3以及正交環(huán)繞于鐵氧體芯體的NFC天線的沿前后方向的X軸螺旋纏繞的第一線圈2;這三個線圈的按照一定規(guī)律的首尾相連增強了天線的性能，使得NFC天線單體除了沿著線圈繞行的鐵氧體芯體長軸方向的磁場分量外， 同時還產(chǎn)生具有與長軸方向垂直的兩個磁場分量;Z字形的第三線圈4、鐵氧體上表面平行的第二線圈3和第一線圈2的“咬合式”疊加以及第二線圈3和第三線圈4產(chǎn)生的與PCB板垂直的磁場分量進一步增強了天線的性能，達到高性能的效果；另外，第一線圈、第二線圈以及第三線圈都是繞行在鐵氧體芯體的外表面上，充分利用鐵氧體芯體1的空間，使得整個NFC 天線尺寸較小。
[0059]連接導體采用在通孔內(nèi)填入導電材料而構(gòu)成。
[0060]另外，第一外部電極7a與第二外部電極7b間隔布置在天線絕緣層5的下表面上，第一外部電極7a位于天線絕緣層5的下表面的中部，第二外部電極7b位于天線絕緣層5的下表面的近于左端。
[0061]更近一步的，第一線圈2由設于片狀芯體單元上、下、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的。同一表面可以設有一圈，二圈或三圈的線圈體;如果相鄰的表面都有線圈體時，可以米用錯開的方式來布置。
[0062]第二線圈3由設于片狀芯體單元前、后、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的。同一表面可以設有一圈，二圈或三圈的線圈體;如果相鄰的表面都有線圈體時，可以采用錯開的方式來布置。
[0063]第一線圈2和第二線圈3在左側(cè)面、右側(cè)面會重合，需要采用錯開方式布設，在左側(cè)面、右側(cè)面的位置，第一線圈2可以位于外側(cè)，第二線圈3處于內(nèi)側(cè);也可以是第一線圈2可以位于內(nèi)側(cè)，第二線圈3處于外側(cè)。[〇〇64]在本實施例中，第三線圈4與第一線圈2和第二線圈3分別對應在上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面會重合，需要采用錯開方式布設，在上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面的位置，第三線圈4位于外側(cè)。[〇〇65]于其他實施例，雖然三個線圈在鐵氧體芯體1的不同表面上的繞線形式是按照一定的內(nèi)外繞行方式實現(xiàn)的(比如在鐵氧體芯體1的上表面上第一線圈2落在第三線圈4的內(nèi)部)，但是這種內(nèi)外繞行方式不是唯一的。只要在保證三個線圈中的電流方向不變時，線圈之間在鐵氧體芯體1各個表面上的相對位置關系可以互換；比如說，在鐵氧體芯體1的上表面上，第一線圈2可以落在第三線圈4的外側(cè)也可以落在第三線圈4的內(nèi)側(cè)。
[0066]在本實施例中，鐵氧體芯體1是由具有磁導率為y>100的低損耗磁性材料制成。這種材質(zhì)的鐵氧體芯體1可以減少磁性的損耗，最大程度的提高環(huán)繞在該鐵氧體芯體1上的 NFC天線線圈與該鐵氧體芯體1之間產(chǎn)生的磁場的強度。[〇〇67]本發(fā)明NFC天線線圈的加工方法與基于LTCC技術(shù)的陶瓷天線的加工過程類似，所有XY平面上的導體走線都是通過把金屬(如金漿，銀漿或銅漿)漿料以絲網(wǎng)印刷的形式制成的，所有沿著Z方向的走線(即通孔)都是通過在相關的各個分層上打通孔并把漿料注入通孔，最后經(jīng)過高溫燒結(jié)而成。
[0068] 使用該加工工藝，絲網(wǎng)印刷走線的線寬和通孔直徑的精度很高，可以控制在0.1mm 的范圍內(nèi)，因此各個線圈在鐵氧體芯體表面上相對位置不會對貼片式NFC天線的外圍整體尺寸以及天線的性能造成影響。[〇〇69]為了能更簡潔地描述三個線圈在鐵氧體芯體上的繞線形式，圖5給出了本案的立體繞線貼片式NFC天線單體的簡易繞線結(jié)構(gòu)示意圖。其中第一線圈2用具有電流方向為a的線圈表示，第二線圈3用具有電流方向為b的線圈表示，第三線圈4用具有電流方向為c的線圈表不。
[0070]為了闡述本發(fā)明NFC天線的工作原理，我們先把該三個線圈分離成只具有第一線圈2的天線結(jié)構(gòu)(此時的天線結(jié)構(gòu)與村田在中國發(fā)明專利公開CN103620869 A中提出的方案相類似，下文中將簡稱其為“村田方案”)，只具有第二線圈3的單體天線結(jié)構(gòu)和只具有第三線圈4的單體天線結(jié)構(gòu)，如圖6中的第一行從左到右的三個天線結(jié)構(gòu)所示。如圖6所示，這三個天線線圈最終形成了圖6中第一行最右邊的那個天線結(jié)構(gòu)，也即本發(fā)明所提出的天線方案。根據(jù)每個線圈的電流方向的定義，我們可以得知第一線圈2具有一個沿著-X方向的磁場分量A1，第二個線圈3只具有一個沿著+Z方向的磁場分量B2，第三個線圈4具有一個沿著+Z 方向的磁場分量B3以及一個沿著+Y方向的磁場分量A3。由上面三個天線產(chǎn)生的磁場分量在空間的疊加形成了具有一個具有如下磁場分量的天線:沿著-X方向的磁場分量A1，沿著+Z 方向的磁場分量B2+B3，沿著+Y方向的磁場分量A3。[〇〇71]另外，如圖6所示，第二行為為四個不同天線結(jié)構(gòu)的磁場Hz分量在天線上方Z = 20mm處的三維分布圖，第三行為與上述磁場分量相對應的等高線分布圖；特別上述磁場分布圖是在下述條件下得到的:鐵氧體芯體尺寸為6mm(長)x 3mm(寬)x 0.9mm(高)；第一天線線圈匝數(shù)為9;第二天線線圈匝數(shù)為3;第三天線線圈匝數(shù)為3;絕緣層的厚度均為0.1mm。從這些磁場Hz分量的自左到右的演化可以看出天線由具有在YZ平面兩側(cè)絕對值相等的對稱模式(也即只具有第一線圈2的情況)演化成具有在YZ平面兩側(cè)絕對值不等的非對稱模式 (也即本發(fā)明的具有三個線圈的情況)。這里需要提出的是，上述非對稱模式除了具有在YZ 平面兩側(cè)的不對稱性外，在XZ平面兩側(cè)也存在不對稱性。在XZ平面兩側(cè)的不對稱性是由于第三線圈在XZ平面兩側(cè)的不對稱性所致;如果第三線圈在XZ平面兩側(cè)是對稱(如圖11所示第一擴展情況)的話，那么上述模式在XZ平面兩側(cè)的不對稱性也將隨之消失。此外，在上述的非對稱模式中，它在-X方向的那個模式的磁場Hz分量的絕對值遠大于其在+X方向的那個模式；因為磁場Hz分量的絕對值越大該模式的性能越優(yōu)，所以我們這里把具有絕對值大的那個模式稱為該天線的主模式。而且，尤為重要的是因為主模式是由具有單一(第一，第二， 或第三)線圈所產(chǎn)生的具有相同(即+Z)方向的磁場分量相加而成，因此該主模式的性能比三個線圈分別獨立存在時產(chǎn)生的任何一個模式的性能都有明顯的增強。因此我們可以說， 就天線的性能方面而言，本發(fā)明所提出的立體繞線NFC天線方案比“村田方案”有明顯的優(yōu)勢;或者說與“村田方案”相比，本發(fā)明所提出的方案在天線性能方面有顯著的改進。[〇〇72]本實施例還提供了天線系統(tǒng)(如圖7所示)，包括上述的立體繞線貼片式NFC天線單體、基板60以及金屬板50,其中，金屬板50放置在基板60上，上述的立體繞線貼片式NFC天線位于金屬板50上;立體繞線貼片式NFC天線可以完全放置在金屬板50的上方。天線系統(tǒng)與金屬板50耦合，在金屬板50上也將產(chǎn)生渦流回路，金屬板50上的渦流不僅是由在鐵氧體芯體1 與金屬板50相鄰的下端面上的第一線圈2的部分耦合產(chǎn)生，而且還由落在鐵氧體芯體10的前端面上的第二線圈3耦合產(chǎn)生以及由設在鐵氧體芯體1上的第三線圈4耦合產(chǎn)生。因為這兩部分的線圈的電流流向方向相同，因此渦流的強度也得到了增強，進而增強了整個天線系統(tǒng)的性能。圖7中的第一線圈2,第二線圈3和第三線圈4的電流方向分別用a，b和c表示;金屬板50上的渦流用d表示。金屬板50上的渦流d將產(chǎn)生沿+Z方向的磁場分量B1。[〇〇73]具體地，在本實施例中，沿著長度方向(S卩X方向)，立體繞線貼片式NFC天線的內(nèi)端設在金屬板50正上方，立體繞線貼片式NFC天線的外端設在金屬板50外部;此時與長軸方向垂直的磁場分量恰好可以有效地與天線線圈在金屬板50上耦合出來的渦流回路d所產(chǎn)生的磁場形成正向的疊加，從而增強整體天線系統(tǒng)的性能。[〇〇74]并且，本發(fā)明與“村田方案”主要不同之處是，本發(fā)明的NFC天線單體本身除了具有第一線圈產(chǎn)生的磁場分量A1夕卜，還具有由第二線圈產(chǎn)生的方向朝+Z方向的磁場分量B2以及第三線圈產(chǎn)生的磁場分量B3，以及金屬板上渦流回路d產(chǎn)生的磁場B1。價，B2，B3，和A1及A2 的有機結(jié)合增強了整體天線系統(tǒng)的性能。[〇〇75]圖7為本案NFC天線單體在和具有平面金屬板50和其襯底60組合成一個NFC天線系統(tǒng)時的工作原理示意圖，其中金屬板50的尺寸為30mm x 30mm。特別，雖然天線單體可以被放置在金屬板50上方的任何位置上，但是為了優(yōu)化整個天線系統(tǒng)的性能，天線單體應該被放置在金屬板50的邊緣上，因為只有被放置在金屬板50的邊緣時，在金屬板上被激發(fā)的渦流強度最大。所以，圖7中的NFC天線單體是放置在金屬板50在+X的邊緣上的，而且天線單體的一部分放置在金屬板50的上方，一部分放置在金屬板50的外部(注:也可以完全放置在金屬板邊緣內(nèi)側(cè)的上方)。[〇〇76]為了證明村田的方案和本方案天線系統(tǒng)在+Z方向上產(chǎn)生的磁場強度的不同，圖8 為圖7所示NFC天線系統(tǒng)(即NFC天線單體同時具有第一、第二和第三線圈的情況，也即本發(fā)明的方案)的磁場分量Hz在Z = 20mm處的場強分布圖；圖9為圖7所示NFC天線系統(tǒng)只具有第一線圈的情況(也即“村田方案”)的磁場分量Hz在Z = 20mm處的場強分布圖。對比圖8和圖9 可以看出，基于本發(fā)明NFC天線單體的天線系統(tǒng)的性能將比基于村田NFC天線單體的天線系統(tǒng)的性能有很大的提升;通過對Hz峰值的比較得知提升的幅度大約在30%左右。[〇〇77]如果當NFC天線單體的長、寬、高的比例以及第一線圈的匝數(shù)不變時，天線性能的將隨著第二和第三線圈的匝數(shù)的增加而增強，因為此時第二線圈所產(chǎn)生的磁場強度B2和B3 將增加。如果當NFC天線單體的長、寬、高的比例有所變化但每個線圈的匝數(shù)不變時，天線性能的提升將隨著這個比例的變化而變化；比如當長和寬的比例較小或者高度有所增加時， 相對而言第二線圈3或第三線圈4所產(chǎn)生的磁場B2或B3將有所增加，因此天線系統(tǒng)性能的提升比例將會更高。
[0078]此外，圖8和圖9為圖7中的天線單體被放置在金屬板+X方向的邊緣上的情況。但是如前所述，因為本發(fā)明的天線單體對其每個線圈電流的方向有一定的條件約束，也就是說立體繞線型貼片NFC天線具有方向性，因此如果天線單體是被放置在其它金屬板的邊緣上時，比如-X方向的邊緣上，那么天線單體需要旋轉(zhuǎn)180度，因為只有這樣才能保證金屬板渦流產(chǎn)生的磁場方向與第二以及第三線圈產(chǎn)生的磁場方向同向進而達到正向疊加的目的?？傊?，一定要保證金屬板50渦流所產(chǎn)生磁場B1的方向與第二線圈3和第三線圈所4產(chǎn)生磁場B2 和B3的方向相同。為了避免在實際應用中出錯，可以像大部分芯片一樣，在天線單體的上表面(比如沿著X方向)的一個角上打印一個標記點。[〇〇79]作為本發(fā)明NFC天線的擴展，圖10-圖14給出了五種典型的擴展方案。這里，第一線圈2、第二線圈3和第三線圈4仍然分別由具有電流方向為a，b，和c的線圈所描述。圖10-圖 12中的三個方案都具有與“村田方案”相同的第一線圈。與本發(fā)明的方案不同的上，圖10-圖 12的方案所產(chǎn)生的主模將只具有在YZ平面兩側(cè)的非對稱性，這是因為在這些方案中第二和第三線圈都是沿著XZ平面對稱排布的。在圖10-圖12的三個方案中，圖12的天線性能將較差，因為圖12中的第三線圈3是不能產(chǎn)生沿+Z方向的磁場分量B3的。再有，相對而言圖13-圖 14中的方案天線性能將比其他的方案差一些，因為在這兩個方案中主要用于在金屬板上產(chǎn)生有效渦流的第一線圈沒有沿著X軸進行螺旋纏繞，因此不能最大程度地激發(fā)出磁場分量 B1。最后，對于所有的設計方案而言，在其被放置在PCB板上時都要把鐵氧體芯體底部的線圈導體更加靠近金屬板來形成與PCB板的最佳耦合，并產(chǎn)生較強的有效渦流以達到增強整個天線系統(tǒng)性能之目的。
[0080]在其他實施例中，天線系統(tǒng)也可以建立在基于多個相互串聯(lián)的立體繞線貼片式 NFC天線的情況，若干個相互串聯(lián)的立體繞線貼片式NFC天線分別放置在金屬板50上，通過這種相互串聯(lián)的連接方式，可以保證由每個立體繞線貼片式NFC天線在金屬板50上產(chǎn)生的渦流回路的方向一致，因此在金屬板50上產(chǎn)生的渦流回路的強度將隨著串聯(lián)立體繞線貼片式NFC天線個數(shù)的增加而增加。因此天線系統(tǒng)的性能將隨著天線所包含的相互串聯(lián)的立體繞線貼片式NFC天線的個數(shù)而增強。
[0081]所有的上述描述中，NFC天線單體的尺寸是很小以至于小到芯片量級的，比如3mm x 6mm x 0.9mm。事實上，天線的性能是和鐵氧體芯體的體積成正比的，因此在本案提出的立體繞線式不變(也即保持設計原理不變)的情況下，通過增大鐵氧體芯體1的體積，還可以擴展到具有較大體積的NFC天線設計與應用上，比如具有鐵氧體芯體1比如為(5-10)mm x (10-20)mm x(l-5)mm的情況。此時，可以采用FPC或者漆包線對這個較大的鐵氧體芯體1進行繞行。[〇〇82]上述僅以實施例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以便于讀者更容易理解，但不代表本發(fā)明的實施方式僅限于此，任何依本發(fā)明所做的技術(shù)延伸或再創(chuàng)造，均受本發(fā)明的保護。本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。
【主權(quán)項】
1.立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，包括由若干層片狀芯體單元層疊而成的沿XY 平面延伸的鐵氧體芯體，及相互連接的三個環(huán)繞在所述鐵氧體芯體外表面的NFC天線線圈 的第一線圈、第二線圈和第三線圈，所述第一線圈沿前后方向的X軸螺旋纏繞，所述第二線 圈沿上下方向的Z軸螺旋纏繞，所述第三線圈呈Z字形環(huán)繞所述氧體芯體的外表面上;所述 鐵氧體芯體的下端連接有天線絕緣層;所述天線絕緣層的下端面上連接有外部電極，所述 外部電極包括第一外部電極和第二外部電極;所述天線絕緣層還設有用于連接NFC天線線 圈與所述外部電極的過孔電極;所述第三線圈的首端通過連接導體分別與所述過孔電極以 及第一外部電極連接，且尾端通過連接導體與所述第二線圈的首端連接;所述第二線圈的 尾端通過連接導體與所述第一線圈的首端連接;所述第一線圈的尾端通過連接體分別與通 孔電極和所述外部第二電極連接；所述第一線圈包括若干根位于頂層片狀芯體單元下表面的頂層導線體，若干根位于底 層片狀芯體單元上表面的底層導線體，及連接所述底層導線體左端端部和所述頂層導線體 左端端部的若干個左導線體、連接所述底層導線體右端端部和所述頂層導線體右端端部的 若干個右導線體;所述左導線體由穿透于所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和 所述頂層片狀芯體單元的近于左端的左通孔內(nèi)的左導體構(gòu)成;所述右導線體由穿透于所述 底層片狀芯體單元、所述中間層片狀芯體單元和所述頂層片狀芯體單元的近于右端的右通 孔內(nèi)的右導體構(gòu)成;所述第一線圈的右導體的尾端與所述通孔電極再與所述外部第二電極 連接；所述第二線圈包括設于所述底層片狀芯體單元上表面和所述中間層片狀芯體單元上 表面的線圈體，所述底層片狀芯體單元上表面的線圈體的首端與所述第三線圈的尾端連 接，其首端通過設于所述第一層片狀芯體單元側(cè)邊的豎向連接導體與所述第二層片狀芯體 單元的線圈體的首端連接，如此循環(huán)向上，直至最上面一個線圈體的尾端通過設于所述頂 層片狀芯體單元側(cè)邊的豎向連接導體與所述第一線圈的首端連接；所述第三線圈包括設于所述頂層片狀芯體單元的上表面的導體走線，所述底層片狀芯 體單元的下表面的導體走線，及連接所述底層導線體前端端部和所述頂層導線體前端端 部的若干個前導線體、連接所述底層導線體后端端部和所述頂層導線體后端端部的若干個 后導線體;所述前導線體由穿透于底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯 體單元的近于前端的前通孔內(nèi)的前導體、分別布置在所述底層片狀芯體單元、中間層片狀 芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于前端的第一導線構(gòu)成;所述后導線體由穿透于所述底 層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于后端的后通孔內(nèi)的后導 體，分別布置在所述底層片狀芯體單元、中間層片狀芯體單元和頂層片狀芯體單元的近于 后端的第二導線構(gòu)成，所述底層片狀芯體單元的下表面的導體走線的首端與所述過孔電極 相連以及所述第一外部電極連接，所述底層片狀芯體單元的下表面的導體走線的尾端與所 述底層片狀芯體單元上表面的線圈體的首端連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述連接導體采用在 通孔內(nèi)填入導電材料而構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述第一外部電極與 所述第二外部電極間隔布置在所述天線絕緣層的下表面上，所述第一外部電極位于所述天 線絕緣層的下表面的中部，所述第二外部電極位于所述天線絕緣層的下表面的近于左端。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述第一線 圈是由設于所述片狀芯體單元上、下、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的，同一表面可以設有一 圈，二圈或三圈的線圈體；如果相鄰的所述表面都有線圈體時，可以采用錯開的方式來布置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述第二線圈由設于 所述片狀芯體單元前、后、左、右四個面的線圈體構(gòu)成的，同一表面可以設有一圈，二圈或三 圈的線圈體;如果相鄰的表面都有線圈體時，可以采用錯開的方式來布置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述第一線圈和所述 第二線圈在左側(cè)面、右側(cè)面會重合，需要采用錯開方式布設，所述左側(cè)面、右側(cè)面的位置，所 述第一線圈可以位于外側(cè)，所述第二線圈處于內(nèi)側(cè);也可以是所述第一線圈可以位于內(nèi)側(cè)， 所述第二線圈處于外側(cè)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的立體繞線貼片式NFC天線，其特征在于，所述第三線圈與所述 第一線圈和所述第二線圈分別對應在上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面會重合，需要采 用錯開方式布設，所述上表面、下表面以及前側(cè)面、后側(cè)面的位置，所述第三線圈位于外側(cè)。8.天線系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1至7任一項所述的立體繞線型貼片式NFC天 線、基板以及金屬板，所述金屬板放置在所述基板上，所述立體繞線型貼片式NFC天線位于 所述金屬板上。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，沿著長度方向，所述立體繞線型貼片 式NFC天線的內(nèi)端設在所述金屬板的正上方，所述立體繞線型貼片式NFC天線的外端設在所 述金屬板的外部。10.權(quán)利要求1所述的立體繞線貼片式NFC天線的加工方法，其特征在于，所有鐵氧體芯 體的XY平面上的導體走線都是通過把金屬漿料以絲網(wǎng)印刷的形式制成的；所述沿著Z方向 的走線都是通過在相關的各個分層上打通孔并把漿料注入通孔，最后經(jīng)過高溫燒結(jié)而成； 所述的金屬漿料為金漿漿料、銀漿漿料或銅漿漿料。
【文檔編號】H01Q1/38GK105977644SQ201610167661
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】趙安平, 陳浩
【申請人】深圳市信維通信股份有限公司