CN102013557A - 天线及具有该天线的装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种天线及具有该天线的装置，涉及通信技术领域，用以提高感应线圈天线的Q值，保证正常的非接触通信。本发明实施例中提供的天线，包括多匝导线线圈，该多匝导线线圈中：任意相邻两匝导线中，外匝导线的截面积大于等于内匝导线的截面积。本发明实施例中提供的方案适用于非接触通信。

Description

天线及具有该天线的装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线及具有该天线的装置。

背景技术

在非接触式通信中，往往要用到感应线圈形式的天线，来提供一定强度的磁场以保证非接触式通信可以达到一定的通信距离；这一类天线可产生的磁场的磁场强度与感应线圈的体积及供电电流的大小直接相关。

在某些环境中，例如在狭小的手机内部，通过增大感应线圈体积来增加磁场强度是不现实的，因此，想要提高所述天线产生的磁场强度，只能通过增大感应线圈的工作电流来实现。而要增大感应线圈的工作电流，就必须最大限度地降低感应线圈回路的损耗。

某些情况下，在实际安装环境中不可避免会在靠近天线的区域出现金属部件(例如：手机电池及集成电路部件)，感应线圈会在这些金属部件中产生涡流，造成感应线圈回路的损耗，进而大大降低了感应线圈产生的磁场，使通信距离锐减。为了克服上述涡流效应，通常都会在感应线圈和金属部件之间填充磁性材料；但是任何磁性材料都会不同程度地降低线圈天线的Q值(Quality factor，品质因数)，降低量大约为十几到几十，甚至会出现Q值不到10的情况。

上述程度的Q值改变，会使所述天线中的感应线圈的Q值无法满足非接触通信中正常的通信距离对Q值的要求，进而无法保证正常的非接触通信。

另外，除了上述特殊的应用环境，在一般的应用环境中，也需要增加Q值，保证正常的通信距离。

发明内容

本发明的实施例提供一种天线及具有该天线的装置，用以提高感应线圈天线的Q值，保证正常的非接触通信。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种天线，包括多匝导线线圈，其中，任意相邻两匝导线中，外匝导线的截面积大于等于内匝导线的截面积。

一种装置，其中包括上述天线。

本发明实施例提供的天线及具有该天线的装置，通过改变天线中不同匝的导线线圈的截面积，使其呈由外向内逐渐减小的结构特点；利用这样的天线结构，在实际的非接触通信过程中，整个多匝导线线圈的等效电阻会显著变小，进而使得感应线圈天线的Q值相应变大，可以达到40左右，能够保证正常的非接触通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的线圈天线的局部放大立体视图；

图2为本发明实施例一中的天线结构的示意图；

图3为本发明实施例二中的天线结构的示意图；

图4为现有的天线结构的示意图一；

图5为现有的天线结构的示意图二；

图6为线圈天线的局部放大平面视图；

图7为将本发明实施例中的天线应用于手机支付场景的立体分解视图；

图8为本发明实施例中的三角形口径线圈天线的示意图；

图9为本发明实施例中的椭圆形口径线圈天线的示意图；

附图标记：1-金属部件；2-磁性薄膜材料；3-介质基板；4-金属线圈；5-路径导线对；6-双界面SIM卡；

W1-第一匝线圈的导线宽度；W2-第二匝线圈的导线宽度；W3-第三匝线圈的导线宽度；W4-第四匝线圈的导线宽度；W5-第五匝线圈的导线宽度；W6-第六匝线圈的导线宽度；

S12-第一、二匝线圈之间的匝间隔；S23-第二、三匝线圈之间的匝间隔；S34-第三、四匝线圈之间的匝间隔；S45-第四、五匝线圈之间的匝间隔；S56-第五、六匝线圈之间的匝间隔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服传统的低频或高频线圈天线在临近金属部件的环境中所出现的涡流效应，通常都会在线圈天线和金属部件之间设置磁性材料以降低金属部件对线圈天线的涡流效应。

图1中所示为设有磁性材料的线圈天线的局部放大后的立体图；其中，感应线圈4紧贴介质基板3的上表面，介质基板3的下表面紧贴磁性薄膜2的上表面，磁性薄膜2的下表面紧贴金属部件1(例如手机电池)的上表面，金属部件1可以离天线的感应线圈4很近，比如0.1毫米左右。

然而，这样的结构设计虽然可以降低金属部件对线圈天线的涡流效应，但同时也会使得线圈天线的品质因数Q值显著降低，其有可能从自由空间环境下的几十迅速降低到十几，甚至不到10，最终影响到一定通信距离范围内的正常非接触通信。

为了能够提高临近金属环境中感应线圈天线的Q值，保证正常的非接触通信，本发明实施例提供了一种天线及具有该天线的装置。

当然需要说明的是，本发明实施例提供的天线及具有该天线的装置并非只适用于上述临近金属部件的环境中，也可以适用于其它使用线圈天线的场合。

下面结合附图对本发明实施例天线及具有该天线的装置进行详细描述。

本发明实施例中提供的天线，包括多匝导线线圈，而且，所述多匝导线线圈中：

任意相邻两匝导线中，外匝导线的截面积大于等于内匝导线的截面积。

进一步地，同一匝导线中不同部位的截面积可以设置为处处相同；也可以设置为同一匝导线中不同部位的截面积不完全相同，即在同一匝导线中不同部位的截面积并不是保持一个统一的值，其可以是连续变化的，也可以是渐变的。

进一步地，对于导线的截面积由外到内的变化规律，可以包括以下几种情形：

(1)每匝导线的截面积由外到内依次递减，其中，依次递减包括等差递减或非等差递减；

(2)所述导线的截面积以相邻的至少两匝为一个单位由外到内递减，即在所述多匝导线线圈中，每隔至少一匝出现一次导线的截面积的减小，例如，由外到内的第一匝和第二匝导线的截面积相等且截面积大小为a1，第三匝和第四匝导线的截面积相等且截面积大小为a2，第五匝和第六匝导线的截面积相等且截面积大小为a3，其中，a1＞a2＞a3。需要说明的是，a1、a2和a3之间可以是等差，也可以不是等差；

(3)所述导线的截面积由外到内的变化也可以呈无规律地减小，其只要保证外匝导线的截面积大于等于内匝导线的截面积即可。具体地，即使存在相邻匝导线的截面积相等的情况，其整体变化也呈不规律性，例如，由外到内的第一匝、第二匝和第三匝导线的截面积相等且截面积大小为a1，第四匝导线的截面积大小为a2，第五匝和第六匝导线的截面积相等且截面积大小为a3，其中，a1、a2和a3逐次递减。

进一步地，所述多匝导线线圈中，任意相邻两匝导线之间的间隔中，外匝导线之间的间隔宽度大于等于内匝导线之间的间隔宽度。

进一步地，对于导线之间的间隔宽度由外到内的变化规律可以包括：所述导线之间的间隔宽度均相等；或，所述导线之间的间隔宽度由外到内依次递减；或，所述导线之间的间隔宽度以相邻的至少两匝为一个单位由外到内递减；或，所述导线之间的间隔宽度由外到内无规律地减小。

对于所述导线之间的间隔宽度由外到内的变化规律与上述导线的截面积由外到内的变化规律类似，此处不再赘述。

采用本发明实施例提供的天线结构，在实际的非接触通信过程中，整个多匝导线线圈的等效电阻会显著变小，进而使得感应线圈天线的Q值相应变大，可以达到40左右，有效地提高了通信距离，能够保证正常的非接触通信。具体地，

对于电感耦合式RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)系统的感应线圈天线，在其尺寸不变的情况下，Q值越大意味着天线线圈中的电流强度越大，输出功率越强，读写距离就越远。品质因数Q的计算公式为：

$Q=\frac{2\mathrm{\π}{f}_{0}L}{R}---\left(1\right)$

式(1)中，f₀是线圈天线的工作频率，L是线圈天线的等效电感，R是线圈天线的等效电阻。该等效电阻R也称为交流电阻，是线圈在实际交变电流的激励下所呈现出的电阻特性，其阻值与直流电阻、交变信号的趋肤深度及线圈各导线段之间的感应耦合有关。

对于传统的线圈天线，其每匝导线对应的截面积和相邻匝导线之间的间隔是固定不变的；以印刷电路板为例，在绕线长度、导线线宽、绕线间隔及线圈的平均直径确定后，(1)式中的L/R就确定下来，再加上线圈天线的工作频率基本固定，因此Q值提高的余地不大。

如果把线圈的绕线由外匝至内匝分成若干段，且每段的截面积不相等，具体地，可以为较长的绕线段配以较大的线宽/截面积、为较短的绕线段配以较小的线宽/截面积，也就是说，从螺旋线圈的外匝到内匝，任意相邻的两匝导线中，外匝的线宽/截面积大于等于内匝的线宽/截面积；和/或，

任意相邻的两匝导线之间的间隔中，外匝导线之间的间隔宽度大于等于内匝导线之间的间隔宽度；

按照上述情况的任一或者组合，选择合适的递减分布，就会使影响交流电阻R的两个因素-直流电阻、各匝导线段之间的感应耦合均发生变化，导致整个螺旋线圈的电阻R显著变小，最终使线圈天线的Q值明显提高。

本发明实施例提供的方案中，多匝导线线圈可以位于同一平面，例如印刷电路板，导线线圈绕成的形状可以呈任意的平面几何图形；

多匝导线线圈中的至少两匝也可以位于不同的平面，例如，线圈可以绕成柱状或锥状。

下面以具体的实例来对本发明实施例中提供的天线做进一步说明。在以下的实施例中，均以印刷电路板为例；由于印刷电路板的导线厚度一致，因此其截面积与导线线宽成正比，导线的截面积的变化直接体现为导线线宽的变化，因此在以下的实施例中可以用导线线宽来代替导线的截面积来对本发明提供的天线进行说明。

需要说明的是，导线的截面积的变化不完全等于导线线宽的变化，例如，当导线的截面积是矩形时，导线线宽的变化与导线厚度的变化均可能引起导线的截面积的变化。

实施例一：

在本实施例中，主要考虑所述多匝导线线圈中，由外到内的导线的截面积变化对线圈天线Q值的影响。

如图2所示，本实施例中提供的天线，包括多匝导线线圈4，即前述的感应线圈；在所述多匝导线线圈4中，任意相邻两匝导线中，外匝导线的线宽大于等于内匝导线的线宽。

在本实施例中涉及的线圈天线，相邻匝导线之间的间隔固定不变，即每两匝相邻的导线之间的间隔均相等，而每匝导线对应的线宽是变化的，从所述多匝导线线圈的外匝到内匝逐渐变小，以保证最大限度地利用可获得的区域来提高线圈天线的Q值。

由外到内满足递减分布的各匝导线线宽的取值，可以采用在传统方法设计的导线线圈的等线宽取值的基础上微扰得到。各匝导线的线宽变化规律可以为由外到内等差均匀递减，例如依次取值0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55毫米，或者以相邻的至少两匝导线为一个单位由外到内等差均匀递减，例如依次取值0.8、0.8、0.7、0.7、0.6、0.6毫米；当然，各匝导线的线宽变化规律也可以为不均匀减小，具体地，只要所述各匝导线的线宽由外到内呈逐渐变小的趋势，其中也可以出现相邻两匝的线宽相等的情况；例如依次取值0.8、0.7、0.6、0.55、0.5、0.45毫米，或者依次取值0.8、0.7、0.7、0.6、0.6、0.55毫米。

采用本实施例提供的天线结构，在实际的非接触通信过程中，整个多匝导线线圈的等效电阻会显著变小，进而使得感应线圈天线的Q值相应变大，有效地提高了通信距离，能够保证正常的非接触通信。

在上述实施例一中，是以每匝导线的截面积由外到内逐渐变小而每两匝相邻导线的间隔宽度由外到内保持一致的情况为例，对本发明实施例中提供的方案进行说明的。除此之外，也可以使所述每匝导线的截面积由外到内保持一致，而只是使每两匝相邻的导线之间的间隔呈外匝导线的间隔宽度大于等于相邻的内匝导线间隔宽度的变化趋势，例如，每两匝相邻的导线之间的间隔依次取值0.225、0.215、0.205、0.195、0.185毫米，或者依次取值0.225、0.22、0.21、0.2、0.19毫米。

由于该种只改变每两匝相邻导线的间隔宽度的实现方式与实施例一中只改变导线的截面积的实现方式类似，因此就不再赘述。采用该种实现方式同样可以达到上述提高天线线圈Q值、改善通信距离和通信质量的效果。

实施例二：

在本实施例中，将同时考虑所述多匝导线线圈中，由外到内的导线的截面积的变化和每两匝相邻导线的间隔宽度的变化对线圈天线Q值的影响。

在实施例一的基础上，对上述天线做进一步改进得到图3所示的天线。

如图3所示，在本实施例中，不只天线的导线线圈中每匝导线的线宽呈外匝线宽大于等于相邻的内匝线宽的变化规律，而且相邻的导线之间也存在外匝导线的间隔宽度大于等于内匝导线间隔宽度的变化规律。

其中，由外到内满足递减分布规律的匝间隔取值，可以在一个固定值基础上微扰得到。如果是PCB线圈，通常此固定值设为稍大于PCB行业能够实现的最小匝间隔(0.125毫米)。在本实施例中，所述固定值可以选取为0.2毫米。各相邻匝导线的间隔变化规律可以为由外到内等差均匀递减，例如每两匝相邻的导线之间的间隔依次取值0.225、0.215、0.205、0.195、0.185毫米，或者以所述相邻导线的匝间隔中相邻的至少两个间隔距离为一个单位由外到内等差均匀递减，例如依次取值0.225、0.225、0.205、0.205、0.185毫米；所述相邻匝导线的间隔变化规律也可以为不均匀减小，具体地，只要相邻的导线之间的间隔宽度呈由外到内逐渐变小的趋势，其中也可以存在相邻的两个导线间隔相等的情况；例如每两匝相邻的导线之间的间隔依次取值0.225、0.22、0.21、0.2、0.19毫米，或者依次取值0.225、0.21、0.21、0.195、0.185毫米。

采用本实施例提供的天线结构，在实际的非接触通信过程中，整个多匝导线线圈的等效电阻会显著变小，进而使得感应线圈天线的Q值相应变大，有效地提高了通信距离，能够保证正常的非接触通信；而且，本实施例中的天线进一步改变了相邻匝的导线之间的间隔，可以比实施例一中的天线得到更高的Q值。

为了更好地分析本发明实施例中提供的天线相对于现有技术的优势，现通过一组实测数据来进行说明。

图4为采用现有技术而设计的6匝矩形口径线圈天线，采用图6中最外匝线圈的线宽W1作为每匝线宽，相邻匝间隔取0.2毫米，线圈口径48.5毫米×32.5毫米；

图5为采用现有技术而设计的6匝矩形口径线圈天线，采用图6中最内匝线圈的线宽W6作为每匝线宽，相邻匝间隔取0.2毫米，线圈口径48.5毫米×32.5毫米；

图2为采用本发明实施例一的方案而设计的6匝矩形口径线圈天线，如图6所示，由外到内的各匝线宽依次为W1～W6(W1＞W2＞W3＞W4＞W5＞W6)，相邻匝间隔均取0.2毫米，线圈口径48.5毫米×32.5毫米。由外到内满足递减分布的各匝线宽的取值，可以采用在传统设计的线圈等线宽取值的基础上微扰得到。各匝线宽变化规律可以为等差均匀递减，例如W1～W6依次取值0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55毫米；变化规律也可以为不均匀递减，例如W1～W6依次取值0.8、0.7、0.6、0.55、0.5、0.45毫米；

图3为采用本发明实施例二的方案而设计的6匝矩形口径线圈天线，如图6所示，由外到内的各匝线宽依次为W1～W6(W1＞W2＞W3＞W4＞W5＞W6)，由外到内的相邻匝间隔依次取S12、S23、S34、S45、S56(S12＞S23＞S34＞S45＞S56)，线圈口径48.5毫米×32.5毫米。各匝线宽的取值方法同上；由外到内满足递减分布的匝间隔取值，可以在一个固定值的基础上微扰得到，本实施例选择此固定值为0.2毫米。各相邻匝间隔变化规律可以为等差均匀递减，例如S12～S56依次取值0.225、0.215、0.205、0.195、0.185毫米；变化规律也可以为不均匀递减，例如S12～S56依次取值0.225、0.22、0.21、0.2、0.19毫米。

表1列出了图2～5所示线圈天线的实测参数值。

表1

从表1中可以看出，本发明设计的线圈天线Q值明显高于现有技术中的线圈天线的Q值；而且导线线宽和匝间隔同时发生变化的线圈天线(图3所示)与仅仅导线线宽发生变化而匝间隔不变的线圈天线(图2所示)相比较而言，前者Q值更高。采用本发明实施例中的方案，可以显著提高低频或高频线圈天线在金属环境中的Q值，降低天线回路中的欧姆损耗，从而能够使线圈天线在小电流供电的情况下产生满足设计要求的磁场强度和磁通量，有效改善通信距离和质量。

以线圈天线应用于手机支付项目为例，如图7所示，双界面SIM卡6分别通过两个接触点与一对路径导线5相连接，该路径导线对5(具有足够的长度可以越过手机背面的电池等遮挡物)再与由柔性介质基板3及印刷于其上的金属线圈4组成的感应天线相连接，在感应天线与手机电池1之间紧密填充满足一定特性的磁性材料2，该磁性材料2可以是软磁薄膜。这种结构的感应天线系统采用本发明实施例所提供的高Q值线圈，能够有效地阻碍手机内部的金属部件(手机电池)以及磁性材料对线圈磁场的削弱作用，可以在手机电池所提供的微小电流(不超过50毫安)供电的情况下，达到用户所要求的通信距离。

不过，需要特别指明的是，在存在金属部件的环境中，导线线圈附近的金属部件对线圈磁场的抵消作用是最严重的。在这种极端的安装环境中，采用本发明实施例提供的天线相比于传统线圈天线的优势也体现得最为明显。但是这并不意味着本发明实施例中的方案只适用于上述存在金属部件的情形；在除此之外的其它印刷线圈天线应用场合，本发明实施例中的天线也同样比传统线圈天线具有优势。

在以上的实施例描述中，均是以长方形口径的导线线圈为例来对本发明实施例提供的天线进行说明的；不过，本发明实施例中的天线的绕线方式不止于此。本发明实施例中涉及的天线线圈的口径的形状可以是任意平面几何图形；具体地，除了可以是采用上述长方形口径之外，还可以是采用正方形、三角形(图8)、圆形、椭圆形(图9)或者其它任意几何形状的口径。

线圈天线的匝数及口径大小可以通过计算线圈产生的磁通量满足实际设计要求而定。

而本发明实施例中的线圈天线可通过多种方法来制造，例如：在柔性或非柔性印刷电路板上蚀刻金属线、线圈或印刷导线等。

此外，在本发明实施例提供的天线上，在其包含的多匝导线线圈上还可以设置至少一个线圈抽头以形成多通道的线圈天线。例如在线圈某处设置一个抽头形成差分对信号激励的线圈天线。

本发明实施例还提供了一种装置，该装置中具有上述实施例中描述的天线。

所述装置可以是智能卡，例如非接触式智能卡、双界面智能卡等；所述装置还可以是智能卡读写设备，例如非接触式读卡器、POS(Point Of Sale，销售终端)机、地铁刷卡闸机等。

结合前面对天线的描述可知，该装置在采用上述天线结构后，可以在实际的非接触通信过程中，使得整个多匝导线线圈的等效电阻显著变小，进而使得感应线圈天线的Q值相应变大，可以达到40左右，有效地提高了通信距离，能够保证正常的非接触通信。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种天线，包括多匝导线线圈，其特征在于，任意相邻两匝导线中，外匝导线的截面积大于等于内匝导线的截面积。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，同一匝导线中不同部位的截面积相同。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，同一匝导线中不同部位的截面积不完全相同。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，导线的截面积由外到内依次递减；或，所述导线的截面积以相邻的至少两匝为一个单位由外到内递减；或，所述导线的截面积由外到内无规律地减小。

5.根据权利要求1-4任一所述的天线，其特征在于，任意相邻两匝导线之间的间隔中，外匝导线之间的间隔宽度大于等于内匝导线之间的间隔宽度。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述导线之间的间隔宽度均相等；或，所述导线之间的间隔宽度由外到内依次递减；或，所述导线之间的间隔宽度以相邻的至少两匝为一个单位由外到内递减；或，所述导线之间的间隔宽度由外到内无规律地减小。

7.根据权利要求1-4任一所述的天线，其特征在于，所述多匝导线线圈位于同一平面，所述多匝导线线圈的口径的形状呈任意的平面几何图形。

8.根据权利要求1-4任一所述的天线，其特征在于，所述多匝导线线圈中的至少两匝位于不同的平面。

9.根据权利要求1-4任一所述的天线，其特征在于，在所述多匝导线线圈上设有至少一个线圈抽头以形成多通道的线圈天线。

10.一种装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的天线。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置为智能卡或智能卡读写设备。

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