一種多諧振超寬帶NFC天線系統的製作方法
2023-04-24 00:54:06 1
本實用新型屬於近場通信技術領域，具體涉及的是一種多諧振超寬帶NFC天線系統。
背景技術：
NFC近場通信技術是由非接觸式射頻識別(RFID)及互聯互通技術整合演變而來，工作頻率為13.56MHz，共可支持讀寫、卡模擬和P2P點對點三種工作模式。其中讀寫模式比如：帶有NFC全功能手機可以讀公交卡餘額並對其充值；卡模擬模式比如：帶有NFC全功能手機可以當作公交卡和銀行卡使用；P2P點對點模式比如：兩臺帶有NFC全功能手機可以迅速配對並傳輸文件。由於NFC技術能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換，所以帶有NFC全功能的手機可以用作機場登機驗證、大廈門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等，因此給消費者的生活提供了極大便利。
然而，目前市場中的各類公交卡或銀行卡頻率範圍從13-16MHz不等，當帶有NFC全功能的電子設備工作在讀寫模式而同各類卡進行交互時，偏離13.56MHz較遠比如15.3MHz的公交卡，其與手機的工作距離將變短甚至不能被手機讀寫識別到，從而帶來較差用戶體驗。
為了解決上述問題，本申請提出了一種多諧振超寬帶NFC天線設計方案，其將產生至少兩個諧振，覆蓋更寬頻帶，提高工作頻率段磁場強度，可與不同頻率卡片交互並具有更高工作距離，極大地提高了NFC性能，給用戶帶來更佳體驗。
技術實現要素：
為此，本實用新型的目的在於提供一種覆蓋頻帶寬、工作距離高的多諧振超寬帶NFC天線系統。
本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。
一種多諧振超寬帶NFC天線系統，包括安裝在手機中的PCB板，所述PCB板上形成有覆銅區和淨空區，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和至少一與所述NFC晶片連接的NFC天線；
所述淨空區上設置有至少一電容，所述電容兩端分別連接到覆銅區，且所述電容兩端與覆銅區連接之後在淨空區上形成一開口朝向NFC天線的開口區。
優選地，所述淨空區位於覆銅區外側，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和一NFC天線，所述NFC晶片通過一匹配電路與所述NFC天線連接，且NFC晶片、匹配電路及NFC天線形成第一諧振電流迴路；
所述淨空區上設置有一電容，所述電容兩端各通過一微帶傳輸線連接到所述覆銅區，所述覆銅區、兩微帶傳輸線和電容形成第二諧振電流迴路；
其中，所述NFC天線位於所述開口區的開口延伸方向內，NFC晶片通過所述匹配電路可使NFC天線產生第一諧振，且NFC天線在PCB板覆銅區上激發感應電流，該感應電流流經微帶傳輸線和電容，通過調節電容可使兩微帶傳輸線產生與第一諧振疊加的第二諧振。
優選地，所述淨空區位於覆銅區外側，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和兩串聯的NFC天線，所述NFC晶片通過一匹配電路與所述兩串聯NFC天線連接，且NFC晶片、匹配電路及兩NFC天線形成第一諧振電流迴路；
所述淨空區上設置有一電容，所述電容兩端各通過一微帶傳輸線連接到所述覆銅區，所述覆銅區、兩微帶傳輸線和電容形成第二諧振電流迴路；
其中，所述兩NFC天線均位於所述開口區的開口延伸方向內，NFC晶片通過所述匹配電路可使兩NFC天線產生第一諧振，且NFC天線在PCB板覆銅區上激發感應電流，該感應電流流經微帶傳輸線和電容，通過調節電容可使兩微帶傳輸線產生與第一諧振疊加的第二諧振。
優選地，所述淨空區位於覆銅區外側，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和一NFC天線，所述NFC晶片通過一匹配電路與所述NFC天線連接，且NFC晶片、匹配電路及NFC天線形成第一諧振電流迴路；
所述淨空區上設置有一第一電容，所述第一電容兩端各通過一第一微帶傳輸線連接到所述覆銅區，所述覆銅區、兩第一微帶傳輸線和第一電容形成第二諧振電流迴路；
所述淨空區上設置有一第二電容，所述第二電容兩端各通過一第二微帶傳輸線連接到所述覆銅區，所述覆銅區、兩第二微帶傳輸線和第二電容形成第三諧振電流迴路；
其中，所述第二諧振電流迴路位於第三諧振電流迴路內，且所述NFC天線位於所述第二諧振電流迴路對應的開口區的開口延伸方向內，NFC晶片通過所述匹配電路可使NFC天線產生第一諧振，且NFC天線在PCB板覆銅區上激發感應電流，所述感應電流流經兩第一微帶傳輸線和第一電容，通過調節第一電容可使兩第一微帶傳輸線產生第二諧振；所述感應電流流經兩第二微帶傳輸線和第二電容，通過調節第二電容可使兩第二微帶傳輸線產生第三諧振；所述第一諧振、第二諧振、第三諧振疊加。
優選地，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和一NFC天線，所述NFC晶片通過一匹配電路與所述NFC天線連接，且NFC晶片、匹配電路及NFC天線形成第一諧振電流迴路；
所述淨空區設置於覆銅區內，且淨空區上形成有一朝向覆銅區側邊的開口，該開口內設置有一電容，所述電容兩端各通過一微帶傳輸線連接到開口兩側的覆銅區，所述覆銅區、兩微帶傳輸線和電容形成第二諧振電流迴路；
其中，所述NFC天線部分位於所述淨空區內，NFC晶片通過所述匹配電路可使NFC天線產生第一諧振，且NFC天線在PCB板覆銅區上激發感應電流，所述感應電流流經微帶傳輸線和電容，通過調節電容可使兩微帶傳輸線產生與第一諧振疊加的第二諧振。
優選地，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和一NFC天線，所述NFC晶片通過一匹配電路與所述NFC天線連接，且NFC晶片、匹配電路及NFC天線形成第一諧振電流迴路；
所述淨空區設置於覆銅區內，且所述淨空區上設置有一延伸到覆銅區外側的縫隙，所述縫隙內設置有一兩端分別與縫隙兩側覆銅區連接的電容，所述覆銅區和電容形成第二諧振電流迴路；
其中，所述NFC天線部分位於所述淨空區內，NFC晶片通過所述匹配電路可使NFC天線產生第一諧振，且NFC天線在PCB板覆銅區上激發感應電流，所述感應電流流經電容，通過調節電容可產生與第一諧振疊加的第二諧振。
優選地，所述NFC天線包括一磁體及纏繞在所述磁體上的線圈，所述線圈與所述NFC晶片連接。
優選地，所述線圈包括螺旋式線圈、「Z」字形線圈、」8」字形線圈、「O」字形線圈、矩形線圈或不規則繞線方式線圈。
優選地，所述NFC天線包括一磁體、位於磁體上方的第一電介質層和位於磁體正下方的第二電介質層；所述第一電介質層的上表面設置有第一線圈，所述磁體上繞置有第二線圈，所述第二電介質層底部設置有第一過孔電極和第二過孔電極，所述第二線圈一端與第一過孔電極連接，另一端與第一線圈一端連接，而第一線圈的另一端與第二過孔電極連接。
優選地，所述NFC天線包括一磁體和位於磁體正下方的電介質層；所述磁體由第一磁性層、第二磁性層、第三磁性層、第四磁性層、第五磁性層及第六磁性層由上向下疊加組成，所述電介質層底部設置有第一過孔電極和第二過孔電極；
所述第一磁性層與第六磁性層上繞置有第一線圈，所述第二磁性層上表面設置第二線圈，第三磁性層上表面設置第三線圈，第四磁性層上表面設置第四線圈，第五磁性層上表面設置第五線圈；
所述第五線圈一端與第一過孔電極連接，另一端與第四線圈一端連接，所述第四線圈另一端與第三線圈一端連接，所述第三線圈另一端與第二線圈一端連接，第二線圈另一端與位於第一磁性層上表面的第一線圈一端連接，且第一線圈依次經過第二線圈內部、第六磁性層底部、第三線圈內部、第一磁性層上表面、第三線圈內部、第六磁性層底部、第四線圈內部、第一磁性層上表面、第四線圈內部、第六磁性層底部、第五線圈內部、第一磁性層上表面、第五線圈內部，與第六磁性層底部的第二過孔電極連接。
本實用新型通過PCB板上覆銅區的NFC晶片和NFC天線產生第一諧振，同時在覆銅區上激發感應電流，該感應電流經過覆銅區、PCB板上淨空區中的電容形成一電流迴路，對應在電容與覆銅區連接線上產生與第一諧振疊加的第二諧振。與現有技術相比，本實用新型不但結構簡單，易於實現；而且覆蓋頻帶寬、提高了工作頻率段的磁場強度和工作距離，極大地提高了基於金屬後殼材質電子設備的NFC性能，給用戶帶來了更佳的體驗。
附圖說明
圖1為本實用新型NFC天線系統結構圖；
圖2為本實用新型第一諧振頻率下電流分布示意圖；
圖3為本實用新型第一諧振頻率下磁場強度分布圖；
圖4為本實用新型第二諧振頻率下電流分布示意圖；
圖5為本實用新型第二諧振頻率下磁場強度分布圖；
圖6為本實用新型單諧振和雙諧振NFC天線阻抗實部和頻率關係曲線對比示意圖；
圖7為本實用新型NFC天線結構示意圖一；
圖8為本實用新型NFC天線結構示意圖二；
圖9為本實用新型第二諧振產生方式結構示意圖一；
圖10為本實用新型第二諧振產生方式結構示意圖二；
圖11為本實用新型兩個NFC天線串聯結構示意圖；
圖12為雙諧振Smith實驗結果圖；
圖13為本實用新型三諧振產生方式結構圖；
圖14為本實用新型單諧振和三諧振NFC天線阻抗實部和頻率關係曲線對比示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
本實用新型提供的是一種多諧振超寬帶NFC天線系統，其包括安裝在手機中的PCB板，所述PCB板上形成有覆銅區和淨空區，所述覆銅區上設置有一NFC晶片和至少一與所述NFC晶片連接的NFC天線；所述淨空區上設置有至少一電容，所述電容兩端分別連接到覆銅區，且所述電容兩端與覆銅區連接之後在淨空區上形成一開口朝向NFC天線的開口區。該天線系統具有結構簡單、實現容易，能夠極大地提高金屬後殼材質電子設備的NFC性能等優點。
實施例一
請參閱圖1所示，圖1為本實用新型多諧振超寬帶NFC天線系統結構圖。其中該NFC天線系統包括有一PCB板，該PCB板對應安裝在手機中，其包括有覆銅區100和淨空區101。覆銅區100為銅層區域，淨空區101由介質組成，介質可以是樹脂，玻璃，空氣，塑料，泡沫等非金屬材質或其組成的複合材料，其對應為PCB板的基材層。
本實施例中淨空區位於覆銅區的外側，且覆銅區100上對應設置有一個手機NFC晶片1和一個NFC天線3，NFC晶片1與NFC天線3之間通過一個匹配電路連接，以形成第一諧振電流迴路。NFC晶片可以採用恩智浦、三星、博通、聯發科、意法半導體、復旦微電子、坤銳等半導體廠商晶片，本實施例以恩智浦PN548為例說明；NFC天線3由線圈和位於該線圈內的磁體組成。
淨空區101上設置有一電容2，該電容2一端通過微帶傳輸線102與覆銅區100連接，另一端通過微帶傳輸線102』與覆銅區100連接，且電容2以及微帶傳輸線102、102』在淨空區101上形成一開口朝向NFC天線的開口區，NFC天3位於所述開口區的開口延伸方向內；而覆銅區100、微帶傳輸線102、電容2、微帶傳輸線102』對應形成第二諧振電流迴路。
在PCB板上一定距離處還放置有與手機交互的卡片9，該卡片9由卡片NFC晶片8和卡片線圈8』組成，本實施例中可依次放置多張卡片，主要用於不同頻率卡片距離測試。
本實施例天線系統的工作原理為：電信號從手機NFC晶片1的發射端發出，調節手機NFC晶片1的外圍匹配電路使NFC天線3諧振在第一諧振13.5MHz左右，且NFC天線3在PCB板覆銅區100上激發感應電流，此時，PCB板覆銅區100一方面和NFC天線3一起以近場形式將信號「傳輸」給接收設備並與其交互，另一方面PCB板覆銅區100上電流流到微帶傳輸線102和102』及電容2並構成一電流迴路，通過調節電容2使微帶傳輸線102和102』諧振在第二諧振15MHz左右，第二諧振與第一諧振疊加，覆蓋更寬頻帶，在13-15.5MHz頻段，提高磁場強度，從而提高NFC工作距離。
需要說明的是，本實施例中第一諧振頻率為f1(13.5MHz)小於第二諧振頻率為f2(15MHz)。但是在其他實施例中第一諧振頻率為f1也可以大於第二諧振頻率為f2，第一諧振頻率f1和第二諧振頻率f2的具體數值可根據實際使用情況而定。
如圖2～圖5所示，圖2為本實用新型雙諧振第一諧振頻率下電流分布示意圖；圖3為本實用新型雙諧振第一諧振頻率下磁場強度分布圖；圖4為本實用新型雙諧振第二諧振頻率下電流分布示意圖；圖5為本實用新型雙諧振第二諧振頻率下磁場強度分布圖。
對比圖2和圖4，圖4微帶傳輸線102和102』上電流大於圖2微帶傳輸線102和102』上電流。如上所述，因第二諧振15MHz是由微帶傳輸線102和102』與電容2產生，所以第二諧振頻率下微帶傳輸線102和102』上電流強於第一諧振頻率下。
對比圖3和圖5，圖5微帶傳輸線102和102』附近磁場強度大於圖3微帶傳輸線102和102』附近磁場強度，原因同上，因第二諧振15MHz是由微帶傳輸線102和102』與電容2產生，所以第二諧振頻率下微帶傳輸線102和102』附近磁場強度強於第一諧振頻率下。
如圖6所示，圖6為本實用新型單諧振和雙諧振NFC天線阻抗實部和頻率關係曲線對比示意圖。其中實線為單諧振NFC天線阻抗實部和頻率曲線圖(單諧振即只有雙諧振第一諧振)，虛線為雙諧振NFC天線阻抗實部和頻率曲線圖，虛線相比實線，其有更多的頻率點接近30Ω，即雙諧振狀態下，頻帶帶寬被拓寬。(恩智浦PN548手機NFC晶片要求在工作頻率點需將天線阻抗調節到30+j0Ω，與NFC晶片1達到匹配，減少反射，能量最大傳輸)。
需要說明的是，本實施例中NFC天線由磁體及繞置於所述磁體上的線圈構成，因此天線可以有多種選擇方式，下面將結合附圖7～8對本實施例採用不同NFC天線做進一步的說明。
如圖7所示，圖7為本實用新型NFC天線結構示意圖一。其中該NFC天線包括磁體1b、位於磁體1b上方的第一電介質層1a和位於磁體正下方的第二電介質層(或絕緣)4。
第一電介質層1a的上表面設置有第一線圈(由線圈31/32相互串聯)，所述磁體1b上繞置有第二線圈(由線圈23、24、25、26環繞而成)，其中，線段20通過21與30相連，線段32通過33與22相連。
第二電介質層4底部設置有第一過孔電極5a、第一外部電極6a、第二過孔電極5b和第二外部電極6b，線段20與5a相連，27與5b相連；外部電極6a和6b，即NFC天線3饋電點。
如圖8所示，圖8為本實用新型NFC天線結構示意圖二。NFC天線包括一磁體和位於磁體正下方的電介質層4。
磁體由第一磁性層1a、第二磁性層1b、第三磁性層1c、第四磁性層1d、第五磁性層1e及第六磁性層1f由上向下疊加組成，所述電介質層4底部設置有第一過孔電極5a、第一外部電極6a、第二過孔電極5b和第二外部電極6b；外部電極6a和6b，即NFC天線3饋電點。
第一磁性層1a與第六磁性層1f上繞置有第一線圈(21a/24a/21b/24b)，所述第二磁性層1b上表面設置第二線圈31，第三磁性層1c上表面設置第三線圈32，第四磁性層1d上表面設置第四線圈33，第五磁性層1e上表面設置第五線圈34(31/32/33/34組成一個線圈)。
第五線圈34一端通過線段34Va與第一過孔電極5a連接，另一端通過線段33Va與第四線圈33一端連接，所述第四線圈33的另一端通過線段32Va與第三線圈32一端連接，所述第三線圈32的另一端通過線段32Va與第二線圈31一端連接，第二線圈31的另一端通過線段24Pa、24Va與第一線圈的線段24a連接，線段24a通過24Pb及24Vc與位於第六磁性層1f底部的24b連接，而24b依次經過第三線圈32內部、第一磁性層1a上表面、第三線圈32內部、第六磁性層1f底部、第四線圈33內部、第一磁性層1a上表面、第四線圈33內部、第六磁性層1f底部、第五線圈34內部、第一磁性層1a上表面、第五線圈34內部，與第六磁性層1f底部的第二過孔電極5b連接。
雖然本實施例中NFC天線如圖7和圖8所示，但任意線圈(線圈可在PCB板覆銅區域激發對天線有利的電流)包括(但不限於)螺旋式、Z字形、」8」字形、O字形、矩形和不規則繞線方式線圈等與磁性材料包括(但不限於)鐵氧體、納米晶、非晶、矽鋼等恰當的堆疊和排列所組成的NFC天線均能達到本案類似效果。
實施例二
如圖9所示，圖9為本實用新型第二諧振產生方式結構示意圖一。本實施例覆銅區100上設置有一個NFC晶片1和一個NFC天線3，所述NFC晶片1通過一個匹配電路與所述NFC天線3連接，且NFC晶片1、匹配電路及NFC天線3形成第一諧振電流迴路。
本實施例中淨空區101設置於覆銅區100內，且淨空區101上形成有一個朝向覆銅區100側邊的開口，該開口內設置有一個電容2，所述電容2的一端通過微帶傳輸線102與覆銅區100連接，另一端通過微帶傳輸線102』與覆銅區100連接，且電容2、微帶傳輸線102、102』以及淨空區101與覆銅區100兩對立接觸側形成一個開口朝向NFC天線3的開口區，NFC天3部分位於開口區內；而覆銅區100、微帶傳輸線102、電容2、微帶傳輸線102』對應形成第二諧振電流迴路。
本實施例工作原理與上述實施例一類似，此處不作贅述。
實施例三
如圖10所示，圖10為本實用新型第二諧振產生方式結構示意圖二。本實施例覆銅區100上設置有一個NFC晶片1和一個NFC天線3，所述NFC晶片1通過一個匹配電路與所述NFC天線3連接，且NFC晶片1、匹配電路及NFC天線3形成第一諧振電流迴路。
本實施例中淨空區101設置於覆銅區100內，且所述淨空區101上設置有一個延伸到覆銅區100外側的縫隙，所述縫隙內設置有一個兩端分別與縫隙兩側覆銅區100連接的電容2，所述覆銅區100和電容2形成第二諧振電流迴路。
其中，所述NFC天線3部分位於所述淨空區101內，NFC晶片1通過調節所述匹配電路可使NFC天線3產生第一諧振，且NFC天線3在PCB板覆銅區100上激發感應電流，所述感應電流流經電容2，通過調節電容2可產生與第一諧振疊加的第二諧振。
本實施例工作原理與上述實施例一類似，此處不作贅述。
實施例四
如圖11所示，圖11為本實用新型兩個NFC天線串聯結構示意圖。本實施例中淨空區101位於覆銅區100外側，所述覆銅區100上設置有一個NFC晶片1和兩個串聯的NFC天線3，所述NFC晶片1通過一個匹配電路與所述兩串聯NFC天線3連接，且NFC晶片1、匹配電路及兩NFC天線3形成第一諧振電流迴路。
淨空區101上設置有一個電容2，電容2的一端通過微帶傳輸線102與覆銅區100連接，另一端通過微帶傳輸線102』與覆銅區100連接，且電容2、微帶傳輸線102、102』以及淨空區101形成一個開口朝向NFC天線3的開口區，兩個串聯的NFC天3都位於所述開口區的開口延伸方向內；覆銅區100、微帶傳輸線102、電容2、微帶傳輸線102』形成第二諧振電流迴路。
兩個NFC天線3均位於所述開口區的開口延伸方向內，NFC晶片1通過調節所述匹配電路可使兩NFC天線3產生第一諧振，且NFC天線3在PCB板覆銅區100上激發感應電流，該感應電流流經微帶傳輸線102、102』和電容2，通過電容2可使微帶傳輸線102、102』產生與第一諧振疊加的第二諧振。
本實施例工作原理與上述實施例一類似，此處不作贅述。
圖12為雙諧振Smith實驗結果圖。
下面將參照下表結合上述實施例在單諧振(只有雙諧振第一諧振)和雙諧振下的四張卡響應距離進行對比說明。
從上述讀卡距離對比表可以看出，通過對比單天線下的雙諧振和單諧振，四張卡的響應距離分別提升36.6％、37.2％、19.7％、27.9％；通過對比雙諧振下的兩個天線串聯和單天線，四張卡的響應距離分別提升24.5％、8.5％、23.6％、29.5％。
實施例五
如圖13所示，圖13為本實用新型三諧振產生方式結構圖。本實施例中淨空區101位於覆銅區100的外側，覆銅區100上設置有一個NFC晶片1和一個NFC天線3，所述NFC晶片1通過一個匹配電路與所述NFC天線3連接，且NFC晶片1、匹配電路及NFC天線3形成第一諧振電流迴路。
淨空區101上設置有一個第一電容2，第一電容2的兩端各通過一個第一微帶傳輸線102、102』連接到覆銅區100，所述覆銅區100、第一微帶傳輸線102、102』和第一電容2形成第二諧振電流迴路；
淨空區101上還設置有一個第二電容2』，第二電容2』的兩端各通過一第二微帶傳輸線103、103』連接到覆銅區100，所述覆銅區100、第二微帶傳輸線103、103』和第二電容2』形成第三諧振電流迴路；
其中，第二諧振電流迴路位於第三諧振電流迴路內，且NFC天線3位於所述第二諧振電流迴路對應的開口區的開口延伸方向內，NFC晶片1通過所述匹配電路可使NFC天線3產生第一諧振，且NFC天線3在PCB板覆銅區100上激發感應電流，所述感應電流流經第一微帶傳輸線102、102』和第一電容2，通過第一電容2可使第一微帶傳輸線102、102』產生第二諧振；感應電流同時還流經第二微帶傳輸線103、103』和第二電容2』，通過第二電容2』可使第二微帶傳輸線103、103』產生第三諧振；其中第一諧振、第二諧振、第三諧振疊加。
本實施例工作原理與上述實施例一類似，此處不作贅述。
圖14為本實用新型單諧振和三諧振NFC天線阻抗實部和頻率關係曲線對比示意圖。
綜上所述，本實用新型通過調節電容使微帶傳輸線產生第二諧振(和第三諧振)，其具有結構簡單，易於實現的優點；而且本實用新型通過多個諧振的疊加，實現了覆蓋頻帶更寬，提高了工作頻率段的磁場強度和工作距離，極大地提高了基於金屬後殼材質電子設備的NFC性能，給用戶帶來了更佳的體驗。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。