CN104518283B - 用于微型化应用的多频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于微型化应用的多频天线。在不同的实施例中提供一种电路装置，该电路装置可以具有第一天线，其被设立用于与来自第一频带的电磁场耦合；和第二天线，其被设立用于与来自第二频带的电磁场耦合，其中第二频带与第一频带不同，并且其中第一天线作为用于第二天线的电引线与该第二天线串联。

Description

用于微型化应用的多频天线

技术领域

不同实施例涉及多频天线，其例如能够在微型化的应用中使用。

背景技术

迄今存在天线的多种方案和实现，这些天线既能够接收HF(high frequency-高频)射线也能够接收UHF(ultra high frequency-超高频)信号。然而它们的大小大多通过与在RFID标签(RFID应答器)处的RFID(radio-frequency identification-借助电磁波的识别)标准匹配来确定。此外既能够接收HF波也能够接收UHF波的天线总是作为用于UHF波的偶极天线和用于HF波的线圈天线的组合被提供，并且经常也称为“综合天线(comprehensive antenna)”。

图1表示典型的天线结构100，其既能够与HF场也能够与UHF场耦合。该天线结构具有用于接收HF信号的线圈天线102。此外天线结构100具有用于接收UHF信号的偶极天线106。借助输入端子104，线圈天线102可以与RFID芯片108和偶极天线106电耦合。在图1中示出的天线结构情况下，另外标出它的尺寸。长度114典型地可以为84mm，宽度112典型地可以为54mm。这些尺寸表明，这样的天线设计，如其迄今在RFID系统中典型地使用的那样，不允许微型化。

发明内容

根据不同实施例的电路装置是扩展的天线结构，其能够接收和发送HF带和UHF带内的电磁波。根据不同实施例的电路装置可以具有第一天线，其被设立用于耦合到来自第一频带的电磁场；和第二天线，其被设立用于耦合到来自第二频带的电磁场，其中第二频带与第一频带不同。在此，第一天线可以作为用于第二天线的引线与其串联。这里说明的天线结构能够被协调到多个频率范围。例如第一天线能够被协调到来自UHF带的一个频率或者一个频带，例如被协调到868MHz，或者被协调到另一个频率，其相应于来自UHF带的按照RFID标准(RFID：radio-frequency identification-借助电磁波的识别)的运行频率。第二天线能够被协调到来自HF带的一个频率或者一个频带，例如协调到13.56MHz或者被协调到另一个频率，其相应于来自HF带的按照RFID标准(RFID：radio-frequencyidentification-借助电磁波的识别)的运行频率。通过根据不同实施例的电路装置的如下描述的非常紧凑的和微型化的形状和通过其多频带功能，该电路装置例如也可以作为集成的天线结构与芯片一起布置在芯片卡模块的芯片外壳上。

根据该电路装置的另外的实施例，第一天线可以具有线圈。

根据该电路装置的另外的实施例，第二天线可以具有线圈。

第一天线和第二天线例如可以作为回路天线(Loop-Antennen(环形天线))构造。第一线圈和/或第二线圈的印制导线的布置例如可以描述方形的或者矩形的形状并且在该电路装置的使用环境内匹配于可用的位置。

根据所述电路装置的另外的实施例，第一线圈可以完全接在第二线圈之前或之后。换句话说，构成第一线圈的线匝的印制导线的一端可以与构成第二线圈的线匝的印制导线的一端电耦合。

根据所述电路装置的另外的实施例，第二线圈可以接在第一线圈的两个部分之间。换句话说，构成第二线圈的线匝的印制导线的两端中的每一端可以与第一线圈的各一个部分电耦合。再另外的表述是，第二线圈可以构造在第一线圈内部，使得流经由第一线圈和第二线圈组成的串联装置的电流首先流经第一线圈的一个部分、然后流经整个第二线圈并且然后流经第一线圈的另一部分。

根据所述电路装置的另外的实施例，第一线圈的两个部分可以作为用于第一线圈的对称的电引线来构造。该对称可以涉及构成第一线圈的印制导线的长度，其因此可以等长，但是除此之外也涉及其空间布置，使得例如第一线圈的一个部分通过对称操作、例如旋转或者点镜像，能够转变为第一线圈的另一部分。

根据所述电路装置的另外的实施例，第一天线的电感可以小于第二天线的电感。

根据另外的实施例，所述电路装置另外可以具有第一电容，其与第二天线并联。

根据所述电路装置的另外的实施例，第一电容可以借助第一天线的寄生电容实现。第一天线的寄生电容可以在第一天线的印制导线的各两个并排伸展的分段之间构成并且在需要时可以通过不同的参数如印制导线厚度、印制导线彼此的间距和天线的几何形状被调整到需要的或者希望的值。

根据另外的实施例，所述电路装置另外可以具有集成电路，其与由第一天线和第二天线组成的串联装置电耦合。所述集成电路可以是芯片，该芯片(与整个电路装置一起)布置在芯片卡模块的芯片外壳内。该芯片例如可以作为应答器来设立并且借助第一天线和第二天线无线地由读取单元读出。在需要时，当芯片卡是双接口(Dual-Interface)芯片卡时，芯片卡的芯片卡模块另外可以具有接触区。

根据另外的实施例，所述电路装置可以具有第二电容，其可以与集成电路并联。

根据所述电路装置的另外的实施例，第二电容可以借助集成电路的电容实现。

根据所述电路装置的另外的实施例，第一天线可以被设立用于接收来自UHF带的电磁波。

根据所述电路装置的另外的实施例，第二天线可以被设立用于接收来自HF带的电磁波。

在另外的实施例中提供芯片卡，其可以具有根据不同实施例的电路装置。借助具有两个天线的电路装置，可以给相应的芯片卡赋予多频带功能，也就是说它可以借助电磁波通过两个不同的频率或者频带被读出。

附图说明

不同的实施例在图中示出并在下面更详细地予以阐述。

图1示出常见的天线，其既能够在UHF频带上也能够在HF频带上接收；

图2示出根据不同实施例的电路装置；

图3A和3B示出根据不同实施例的另外的电路装置；

图4A到4F示出根据不同实施例的电路装置的空间立体的构型；和

图5示出图表，其示出根据不同实施例的电路装置的反射参数。

在下面详尽的描述中参照附图，它们构成该描述的一部分并且其中为阐明而示出特定的实施方式，本发明能够以这些实施方式来执行。在这一方面关于所描述的(多个)图的取向而使用方向术语诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“前面的”、“后面的”等。因为实施方式的部件能够以多个不同的取向来定位，所以所述方向术语用于阐明而丝毫不是限制性的。可以理解，可以使用其他的实施方式并且进行结构上的或者逻辑上的改变，而不偏离本发明的保护范围。可以理解，这里描述的不同的示例性实施方式的特征可以互相组合，只要无另外特别说明。因此下面详尽的描述不能在限制的意义上来理解，并且本发明的保护范围通过所附权利要求书限定。

在该描述的范围内使用术语“连接”、“连上”以及“耦合”用于不仅描述直接的连接而且描述间接的连接、直接的或者间接的连上以及直接的或者间接的耦合。在图中相同的或者相似的元件配备有相同的附图标记，只要这是适宜的。

具体实施方式

图2表示电路装置200的实施例。根据不同实施例的电路装置200具有第一天线202，其被设立用于与来自第一频带的电磁场耦合。此外根据不同实施例的电路装置200具有第二天线204，其被设立用于与来自第二频带的电磁场耦合，其中第二频带与第一频带不同。第一天线202作为用于第二天线204的电引线与其串联。

图2中所示的电路装置基本上基于两个不同的天线的组合，也就是说例如两个不同的线圈或者回路天线的组合。在此情况下，第一天线例如用作高频天线并且附加地为低频天线用作电引线。两个天线串联并且这样构成根据不同实施例的电路装置。低频信号通过所属的电磁场和第二天线210之间的感应耦合被接收。第一天线204不被协调到低频信号，也就是说，其谐振电路具有另外的(也即相对于低频信号的频率远远地偏移的)谐振频率。第一天线204的电感例如可以处于约5nH到约50nH的范围内，例如处于大约30nH处，并且由此更确切地说是小的(gering ausfallen)。由此第一天线204在所属的电路内在由第二天线210接收低频信号的情况下几乎不发生作用。在由第一天线204接收高频信号的情况下第二天线210又几乎没有作用(除了作为用于第一天线204的电引线外)。第二天线210可以具有与第一天线204相比高的电容，其可以处于约10pF到约100pF的范围内，例如在约19pF处。由于第二天线的高电容高频信号通过它几乎被短路，使得第二天线210在接收高频信号时对所属的电路没有干扰性的影响。换句话说，第一天线204处的高频信号通过相应激励所属的谐振电路被探测。

如已经提及的，第一天线204的接收和发送范围可以与第二天线210不同。例如第一天线204能够被协调到来自UHF带的主频率或者频率范围，而第二天线210能够被协调到来自HF带的主频率或者频率范围。属于天线的谐振电路的理论上的或者通过测量确定的谐振频率与主频率有这种关联。天线到所属的接收和发送频率的协调可以借助电容进行。作为电容可以使用各线圈或者其他电子构件的寄生电容。如果不从而得出足够大的电容，则可以使用单独的电容。该方面根据还有下面的图更详细地来阐述。

根据不同实施例的电路装置200可以通过紧凑的结构方式来表征并且由此该电路装置例如可以作为片上(On-Chip)天线被使用，也就是说作为以下天线被使用，即所述天线与芯片卡的芯片耦合并且与该芯片一起布置在芯片外壳内，该芯片外壳又能够被层压在芯片卡内。以这种方式能够用不同的频率运行所属的芯片，例如RFID芯片，所述频率可以通过这两个天线预先给定。

根据不同实施例的电路装置300的另一构型在图3A中示出。该电路装置具有第一线圈304和第二线圈306，它们分别体现第一天线或者第二天线。此外根据不同实施例的电路装置300具有集成电路302，其与由第一线圈304和第二线圈306组成的串联电路电耦合。另外根据不同实施例的电路装置300具有电容308，其与第二线圈306并联。矩形310是用于设备的占位器，其中第一线圈304和第二线圈306能够与所述设备磁耦合。从而，矩形310可以代表读取设备，其发送信号(也就是说发送电磁场)，这些信号可以借助第一线圈304或者第二线圈306探测。在此，第一箭头312表示第一线圈304和询问式设备、也就是说例如读取单元之间的感应耦合。第二箭头314表示第二线圈306和询问式设备之间的感应耦合。由于两个线圈响应于的不同频率和由于根据不同实施例的示例性电路装置300的架构，可以认为，借助第一线圈304和借助第二线圈306的同时的感应耦合在电路装置302的运行中不发生。

但是矩形310也可以代表芯片卡中的增益天线(Booster-Antenne)(放大器天线)。增益天线可以视为布置在芯片卡模块上的芯片外壳的微型化天线和读取单元之间的中间天线(Mittler-Antenne)。可以使用增益天线来放大根据不同实施例的电路装置300的通信作用距离，其可以布置在芯片卡中的芯片卡模块的芯片外壳内。增益天线的线匝可以接近芯片外壳并且从而接近第一线圈304和第二线圈306地伸展，以便获得电路装置300的线圈之一和增益天线之间足够强的耦合。

但是增益天线相对于芯片外壳的位置也可以如此，使得芯片外壳可以布置在增益天线的角部(Ecke)内，使得增益天线的线匝接近并且沿芯片外壳的两条棱边伸展。以下配置也是可能的，其中增益天线的线匝构成耦合线圈，所述耦合线圈围绕芯片外壳伸展，也就是说包围该芯片外壳。在制造中于是例如芯片外壳可以被粘接在其上布置有所属的增益天线的载体上，所述芯片外壳可以具有包括集成电路在内的根据不同实施例的电路装置300，所述集成电路可以作为RFID应答器起作用。由此能够以简单和成本低的方式谋求非常灵活的和模块化的制造策略。

第二线圈306作为常规的接收线圈起作用。第二线圈306的接收频率的调整可以借助第一电容308进行，其执行微调电容的功能。必要时在此可以考虑第二线圈304的寄生电容的贡献。第二线圈306不直接、而是通过第一线圈304连接在集成电路上。第一线圈304可以具有较小的电感，在任何情况下比第二线圈306的电感小的电感。第一电容308用于调整由第一电容308和第二线圈306组成的谐振电路的谐振频率。因为在交变电流情况下电容随所述交变电流的频率上升变得导电能力增加，所以可以利用该特性。因此在接收高频信号时，第一电容308几乎短接所述高频信号。由此在由第一线圈304接收高频信号时可以说第二线圈几乎没有作用。根据不同实施例的电路装置300就其感应耦合而言能够被优化/调整到两个主频率或者两个频率范围上——被优化/调整到相应于第一线圈304的接收范围的频率范围上和被优化/调整到相应于第二线圈306的接收范围的频率范围上。

在图3B中示出图3A的具有电子器件的明确示出的寄生贡献的根据不同实施例的电路装置300。相同的构件带有相同的附图标记并且不再重新描述。从而根据不同实施例的电路装置350具有第一电阻352，其布置在集成电路302和第一线圈304之间。第一电阻352表示集成电路302的欧姆损耗以及至第一线圈304和至第二线圈306的所属的连接线路的欧姆损耗。将第一线圈304的线匝内的欧姆损耗进行模型化的第二电阻356布置在第一线圈304和第二线圈306之间。将第二线圈306的线匝内的欧姆损耗进行模型化的第三电阻358布置在第二线圈306和集成电路302之间。第二电容354与集成电路302并联。第二电容354模型化该电路装置的寄生并联电容。第三电容360与由第二线圈306和第三电阻358组成的串联装置并联。第三电容360模型化能够在第二线圈306的线匝之间构成的寄生电容。

在接收高频信号情况下通过第二线圈306的电路径借助第一电容308几乎被短接。第一电容308还用于调整谐振电路的谐振频率用以接收低频信号。在作为第一电容308选择适当的电容器、尤其是选择其电容值时，可以考虑寄生电容(也就是说第三电容360)的贡献(Beitrag)。必要时也可以完全取消第一电容308，只要由寄生电容提供足够高的贡献。该贡献可以通过第二线圈306的线匝的几何形状和通过其材料选择来调整。第一线圈306的与第二线圈308的电感相比相对小的电感可以借助集成电路302的电容实现。因此能够构成谐振电路，其谐振频率确定第一线圈304的接收范围。

在图4A到4F中示出根据不同实施例的电路装置的不同的空间立体构型。这些示例性构型仅表示根据不同实施例的电路装置的非常多的可能的按构件的实现的少数几种，并且尤其是在不同构件的几何形状和空间布置方面不应该评价为限制性的。

如图4A中所示，电路装置400的在那里示出的示例性实施方式具有第一线圈404，其布置在外部并且被设立用于接收UHF信号。第一线圈404的电感可以处于毫微亨范围内。与第一线圈404串联地电耦合第二线圈402，其被设立用于接收HF信号并且其电感可以处于微亨范围内。在这种情况下第二线圈402布置在第一线圈404的内部中，也就是说第一线圈404的线匝包围第二线圈402。第二线圈402具有比第一线圈404明显多的线匝，因为与第一线圈404相比，该第二线圈一方面占据较小的面积并且另一方面具有较大的电感。此外根据不同实施例的电路装置400具有电容406，其与第二线圈402并联耦合。在第一线圈404的一端处提供第一端子408，第一线圈404的另一端与第二线圈402电耦合，其中在第二线圈402的另一端处又提供第二端子410。借助第一端子408和第二端子410，电路装置400例如能够与集成电路、例如RFID芯片耦合，如例如在图3A和图3B中所示那样。然而显然，其间也可以电耦合另外的构件，例如电容、线圈或者电阻。

在电路装置400的另外的实施例中第一线圈404可以布置在第二线圈402的内部区域中。换句话说这两个线圈的空间布置可以互相交换，如它们在图4A中所示那样。需要的电感于是可以借助各线圈的几何构型调整。

在图4B中示出电路装置400的另一种实施方式。其中所示的电路装置400基本上相似于在图4A中所示的电路装置400，使得相同的构件配备有相同的附图标记(这此外也适用于图4C到4F中的根据不同示例的电路装置的其他的实施例)。主要区别在于，在图4B中电容406作为按构件的构型示出。在这种情况下电容406具有两个矩形的板，所述板具有导电材料。这两个电容器板彼此借助介电层电绝缘。电容406的两个电容器板能够布置在载体的表面上，在该载体上可以布置根据不同实施例的整个电路装置410。然而电容406的两个电容器板也可以布置在该载体的不同的侧上，其中载体层于是可以用作电介质。借助通过载体层的相应导电的馈通(Durchführung)能够相互电耦合在载体的两侧上的电路构件。

一般，电容406能够以四种不同的方式实现。其位置和几何形状也可以是任意的并且基本上能够匹配于相应的应用。根据希望的电容和使用的材料，图4B中所示的矩形的电容器板例如也可以被构成为L形或者U形的。因此，电容406的两个电容器板在图4C中所示的根据不同实施例的另外的电路装置420的情况下被构成为方形的并且布置在第二线圈402的内部区域中。图4C中所示的电路装置420此外相应于前面在图4A和图4B中所示的电路装置。

在电路装置的另外的实施例中，电容406可以与根据不同实施例的整个电路装置410一起集成在芯片外壳中。电容406可以以MIMCAP(metall-insulator-metallcapacitance：金属-绝缘体-金属-电容)、MOMCAP(metal-oxide-metal capacitance：金属-氧化物-金属-电容)或者例如MOSCAP(metal-oxide-semiconductor capacitance：金属-氧化物-半导体-电容)的形式存在。在此情况下，上述三种材料相应于为提供电容所使用的材料的序列。

在图4D中所示的电路装置430的实施方式情况下，两个天线的位置与前面的实施例相比被交换，也就是说第二线圈402的线匝围住第一线圈404的线匝。电容406一如既往地与第二线圈402并联。

在图4E中示出电路装置440的另一种实施方式。在该实施方式中，第一线圈404作为用于第二线圈402的对称的电引线起作用。在该实施例中第一端子408端接第一线圈404的一端，并且第二端子410端接第一线圈404的另一端。第二线圈402按构件对称地在第一线圈404内部被提供。

在图4F中所示的电路装置450的实施例的情况下，第一线圈404布置在其中布置有第二线圈402的区域之外。换句话说，这里没有线圈围住另一个，而是这些线圈并排布置。当为按构件实现电路装置在载体上存在足够的位置时，该实施方式例如可以被使用。而其他在图4A到4E中所示的电路装置的实施例更确切地说表示根据不同实施例的紧凑的电路装置，在这些电路装置中一个线圈围绕另一个布置。

在图5中示出图表500，其中为不同的场景示出输入反射因子(Eingangsreflexionsfaktor)S11。一般来看，输入反射因子S11以分贝描述在天线的输入端子处反射的功率分量。输入反射因子S11(朝向负值)越小，越多的功率可以在一频率下被耦合输入到天线中和由该天线辐射出。

在图表500中在x轴502上绘出单位为兆赫兹的频率，在y轴504上绘出以分贝为单位的反射的或者由根据不同实施例的电路装置接受的功率分量的尺度。第一曲线506示出与频率有关的反射参数S11，其在根据不同示例的电路装置的基础上通过模拟被计算出。第二曲线508示出与频率有关的反射参数S11，其在根据不同示例的电路装置的等效电路图的基础上通过模拟被计算出。最后第三曲线510示出与频率有关的反射参数S11，其通过测量(例如借助网络分析器)根据不同示例的电路装置来确定。

所有三条曲线都示出两个谐振结构，在该示例性情况下在约13.56MHz处和在约868MHz处。也就是说，在约13.56MHz处和在约868MHz处馈入到天线中的功率的占优势的大部分被消耗，也就是说由天线辐射出去。在这些频带情况下，根据不同实施例的电路装置也能够最优地接收相应的信号。从这些曲线也能够确定带宽，所述带宽例如可以通过-6dB值给出。因此在13.56处的谐振是非常窄带的谐振，而给定定义的868MHz处的谐振导致约200MHz的带宽。虽然由天线接收的功率的分量在模拟情况下(第一曲线506)与真实情况(第三曲线510)偏离，但是在图5中所示的图表使明确的是，根据不同实施例的电路装置能够在两个主频率处或者频带处被运行，这些主频率或者频带另外可以根据该电路装置的使用环境所提出的需求被调整。

Claims (15)

1.电路装置，具有：

·第一天线，其被设立用于与来自第一频带的电磁场耦合；

·第二天线，其与第一天线不同，并且被设立用于与来自第二频带的电磁场耦合，其中第二频带与第一频带不同；

·其中第一天线作为用于第二天线的电引线与该第二天线串联。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其中，

第一天线具有第一线圈。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其中，

第二天线具有第二线圈。

4.根据权利要求3所述的电路装置，其中，

第一线圈完全接在第二线圈之前或之后。

5.根据权利要求3所述的电路装置，其中，

第二线圈接在第一线圈的两个部分之间。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其中，

第一线圈的两个部分作为用于第二线圈的对称的电引线来构造。

7.根据权利要求1到6之一所述的电路装置，其中，

第一天线的电感小于第二天线的电感。

8.根据权利要求1到6之一所述的电路装置，另外具有：

第一电容，其与第二天线并联。

9.根据权利要求8所述的电路装置，其中，

第一电容借助第一天线的寄生电容实现。

10.根据权利要求1到6之一所述的电路装置，另外具有：

集成电路，其与由第一天线和第二天线组成的串联装置耦合。

11.根据权利要求10所述的电路装置，另外具有：

第二电容，其与集成电路并联。

12.根据权利要求11所述的电路装置，其中，

第二电容借助集成电路的电容实现。

13.根据权利要求1到6之一所述的电路装置，其中，

第一天线被设立用于接收来自UHF带的电磁波。

14.根据权利要求1到6之一所述的电路装置，其中，

第二天线被设立用于接收来自HF带的电磁波。

15.芯片卡，具有根据权利要求1到14之一所述的电路装置。