CN102544709A

CN102544709A - 一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线

Info

Publication number: CN102544709A
Application number: CN2011104337078A
Authority: CN
Inventors: 菅洪彦
Original assignee: KUNRUI ELECTRONIC SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: KUNRUI ELECTRONIC SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; Shanghai Quanray Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102544709B

Abstract

一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，包括13.56MHz转接桥天线、外圈螺旋天线和由两个反向的环绕的螺旋线圈和螺旋线圈串联连接而成的8字形天线，8字形天线内嵌在外圈螺旋天线的线圈之内并与所述的外圈螺旋天线的线圈紧邻，13.56MHz转接桥天线位于13.56MHz阅读器天线的线圈内，外圈螺旋天线和8字形天线与各自转接桥芯片连接。本发明利用接收增益低的转接桥芯片连接置于***的圈数少的螺旋天线主要接收屏蔽弱的手机信号，使用置于内圈的反向串联连接线圈构成的更多圈8字形天线接收屏蔽强的手机SIM发送信号，而负载调试使用同一个13.56MHz的天线，实现接收各种手机发送的信号，并采用负载调制的形式将信号传递给阅读器，完成手机到阅读器之间的信号传递功能。

Description

一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线

技术领域

本发明涉及天线，尤其是一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线。

背景技术

移动支付业务(Mobile money)将成为未来几年最重要的发展趋势之一，将为全球范围的用户带来新的益处，并对电信、科技和金融服务等行业带来深远影响。目前，移动支付技术现存的方案包括：双界面SIM卡方案(DI-SIM)、近场通信(Near Field Communication，简称为NFC)方案、2.45GHz的RFSIM方案。

NFC方案：

NFC由飞利浦、诺基亚、索尼等厂商联合提出。它在单一芯片上结合射频读卡器、非接触卡片和点对点的功能，是一种短距离无线通信技术。NFC采用13.56MHz作为通信频率标准，兼容ISO14443、ISO15693等射频标准，作用距离10厘米左右，数据传输速度可以选择106Kb/s、212Kb/s或424Kb/s。NFC芯片装在阅读器天线外壳上，手机就可以实现电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC芯片与SIM芯片由SWP协议连接。SWP(C6)一根信号线上基于电压和负载调制原理实现全双工通讯，可以实现SIM卡在ISO7816界面定义下同时支持7816和SWP两个接口，并预留了扩展第三个高速(USB)接口的引脚(C4、C8)。SWP***地定义了从物理层、链路层到应用层的多层协议，并已成为ETSI标准。

NFC手机有三种工作模式：

非接触式卡模拟模式：NFC手机可以模拟成一个非接触式卡被读/写，它只在其他设备发出的射频场中被动响应。

点对点模式：NFC手机与其他设备双方都主动发出射频场来建立点对点的通信。

读写器模式：NFC手机作为一个读写器，主动发出自己的射频场去识别和读/写别的NFC设备。

双界面SIM卡方案：

双界面SIM卡是在传统的SIM卡中加入非接触射频接口，将提供能量耦合和数据传输的天线集成在手机或者柔性电路板上，通过接触式界面处理传统GSM命令，采用非接触式界面提供电子支付等增值服务。

目前的主流双界面SIM卡移动支付解决方案能实现各种非接触移动应用，比如非接触移动支付、电子钱包、PBOC借记/贷记以及其他各种非电信应用。从产品形态上来讲有：

一)将SIM天线和电路都集成在SIM卡上；

二)将电路集成在SIM卡内，天线引出放置在制定手机或者手机电池背面；

三)电路和天线都在SIM卡之外，比如摩托罗拉的I-SIM方案。

QSIM方案：

目前pos机器以及公交等的阅读器的频率多数是13.56MHz，因此我们的支付方案要兼容目前的阅读器。支付方案采用13.56MHz收发的形式。但是放置在手机内的SIM卡或者SD卡的屏蔽作用，以及目前阅读器的接收灵敏度不够高，使得难以单纯使用13.56MHz直接与阅读器进行双向的通信。

发明内容

不同手机对SIM内置天线的屏蔽不同，意味着相同的SIM发送信号强度下，手机与转接桥之间的通信距离差距会较大，影响实际的应用。本发明的目的在于提供一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，该SIM天线能平衡屏蔽不同的手机的通信距离。采用SIM卡13.56MHz接收，而发送6.78MHz的频率给高接收灵敏度的无源阅读器转接桥，转接桥贴在阅读器天线的外壳上。转接桥将6.78MHz的信号转成常规无源卡片的负载调制形式，将信息传递给阅读器，完成整个链路的通信。这样的设计只需要使用QSIM的SIM，阅读器天线外壳上粘帖一个转接桥即可，不需要动手机和阅读器就可以与现有的各种13.56MHz的pos机器和公交卡等阅读器兼容使用。QSIM的转接桥方案同时排除了NFC需要更换手机，双界面卡有一个SIM外置天线与SIM连接的使用不便和经常损坏的事宜。

本发明的技术解决方案如下：

一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，特点在于其构成包括13.56MHz转接桥天线、外圈螺旋天线和8字形天线，所述的8字形天线是由两个反向的环绕的螺旋线圈和螺旋线圈串联连接而成，所述的8字形天线内嵌在所述的外圈螺旋天线的线圈之内并与所述的外圈螺旋天线的线圈紧邻，所述的13.56MHz转接桥天线位于13.56MHz阅读器天线的线圈内，所述的8字形的天线与所述的13.56MHz转接桥天线呈轴对称分布，所述的外圈螺旋天线和8字形天线与各自转接桥芯片连接。

所述的外圈螺旋天线与转接桥芯片之间连接阻隔滤波电路，虑除阅读器的13.56MHz的发送信号阻塞。

所述的13.56MHz转接桥天线的端口接转接桥芯片的13.56MHz的两个端口，用于接收阅读器的发送能量，与该天线连接的芯片将交流的13.56MHz的波形转换为自身工作的直流能量，进而实现转接桥的无源工作模式。

所述的外圈螺旋天线和8字形天线分别连接转接桥的接收信号端口，接收SIM发送的信号。

所述的外圈螺旋天线的线圈为2圈的长方形线圈，所述的8字形天线的螺旋线圈和螺旋线圈为4圈方形线圈。

外圈螺旋天线和8字形天线紧邻，且两者的外径基本相同，由于天线的近场接收信号范围与天线的直径相关，在相同的近场信号情况下，直径越大，其接收距离越远，而8字形天线是由两个环反向螺旋线圈串联连接而成，其每个线圈的外径都小于大尺寸的外圈螺旋天线，进而8字形天线的远距离接收弱信号的能力小于大尺寸的外圈螺旋天线。但是由于8字形天线的面积小，其外径尺寸仍旧大于手机的宽度，进而其与手机之间的耦合系数大，同时其圈数多，进而感生手机发送的信号的电压大，能很好的接收屏蔽强的手机的发送信号；而外圈螺旋天线，圈数少，面积大，适合接收发送信号强的屏蔽弱手机信号。

8字形天线摆放与阅读器天线轴对称，其8字形的两个螺旋线圈反向会抵消阅读器的发送信号，通过并联谐振电容使得天线和电路谐振在SIM的发送信号附近，以便更好的接收发送信号。

外圈螺旋天线和8字形天线接收SIM的发送信号，转接桥芯片将该信号转换成桥的13.56MHz的天线负载调制信号，进而实现了阅读器看出去，手机完全类似标准卡的模式。

本发明的技术效果：

本发明的转接桥接收SIM发送的天线分为两个，外圈螺旋天线连接增益设置低的转接桥芯片，主要用于接收屏蔽弱的手机发送的信号；8字形天线的圈数多于外圈螺旋天线，其连接芯片的增益也高，主要用于接收屏蔽强的手机的信号。

本发明线圈面积大与手机SIM之间耦合系数低，接收范围大；线圈面积小与手机SIM之间耦合系数大，接收范围小；圈数多，感生电压大，圈数少感生电压小；芯片增益设置不同的方法，综合实现了不同手机通信距离的平衡，使得屏蔽强弱的手机之间的通信距离控制在3倍以内。

附图说明

图1是本发明的QSIM转接桥支付方案的***原理图；

图2是不同尺寸阅读器不同距离的磁场强度图；

图3是不受手机屏蔽的SIM卡尺寸天线与阅读器天线的耦合系数仿真结果；

图4是本发明转接桥天线示意图。

图中：

10-QSIM的SIM芯片主要模块框图；11-SIM微控制器；12-SIM芯片的数字基带；13-SIM芯片的13.56MHz接收单元；14-SIM芯片的6.78MHz发射单元；15-SIM芯片的收发切换开关；16-QSIM的近场收发天线；17-QSIM的转接桥芯片；18-转接桥芯片基带；19-转接桥芯片的6.78MHz接收射频单元；110-转接桥芯片的13.56MHz能量接收单元；111-转接桥芯片的6.78MHz近场天线；112-转接桥芯片的13.56MHz负载调制单元；113-转接桥芯片的13.56MHz近场天线；114-13.56MHz阅读器；115-13.56MHz阅读器天线；

40-外圈的大尺寸螺旋天线；41-外圈大尺寸螺旋天线的端口；42-8字形螺旋天线；43和44-8字形螺旋天线的两个反向串联连接的螺旋线圈；45和46-螺旋天线44的端口；47和48-天线43的螺旋天线端口；49-8字形天线靠近部分的线圈线段；410-转接桥的13.56MHz天线，411-转接桥的13.56MHz天线端口。

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。

先请参阅图1，图1是本发明的QSIM转接桥支付方案的***原理图。下面以QSIM 转接桥方案的原理图1简单描述一下其工作原理：

QSIM的SIM芯片10与收发近场天线16集成在手机的QSIM卡内，SIM芯片10与QSIM自带的微控制器11通信，而该微控制器11与手机通信，实现QSIM中的SIM芯片与手机的信号连接。SIM的芯片10主要由数字基带12，6.78MHz的发射单元13，13.56MHz的接收单元14和天线切换开关单元15组成。QSIM的近场收发天线16实现接收13.56MHz阅读器天线115的13.56MHz和通过QSIM的近场收发天线16发送给转接桥芯片的6.78MHz接收射频单元19的6.78MHz信号的功能。无源工作的转接桥芯片17的主要功能是使用13.56MHz的天线122接收阅读器天线114发送的电磁波，由13.56MHz的能量接收单元110将交流的电能转换成直流提供给该转接桥芯片17工作。6.78MHz的近场天线111接收QSIM的近场收发天线16发送的近场6.78MHz的电磁波，将其转换成交流信号传递给转接桥芯片17的6.78MHz的接收单元19，该6.78MHz的接收单元19解调后将信号传递给转接桥芯片17的基带18，该基带18对接收的信号进行解码，送所述的13.56MHz的负载调制单元112转换成13.56MHz的负载调制信号，该13.56MHz的负载调制信号经所述的13.56MHz的天线113发射。该负载调制信息会被13.56MHz阅读器天线115接收，然后由13.56MHz阅读器114将其解调解码。

这样转接桥就实现了SIM卡6.78MHz发射信号转换成阅读器可以接收处理的常规13.56MHz标准卡片实现的13.56MHz的负载调制信号。

不同手机的SIM卡摆放的置是不同的，有的在手机的电池下面，SIM卡的卡槽还是金属的，尤其是大部分金属覆盖的，同时手机的背盖也是金属的，手机的主板是金属的，此时SIM卡被各种金属包围着，这些金属起着磁场屏蔽的作用，可以衰减大部分阅读器的发送信号。信道对收发的衰减是一致的，反过来手机周边的金属也会衰减大部分SIM天线的发送信号。但是某些手机的SIM卡在手机的电池外面，SIM卡的卡槽不是金属的，同时，手机的背盖也不是金属的，这样的手机对SIM卡收发信号的屏蔽会非常微弱。屏蔽强弱的手机，在SIM卡的天线空间的磁场强度差异达到几十倍，这就意味着不同手机的通信距离差异会非常大。图2是测试两种尺寸天线的不同距离磁场强度图，尽管随着距离的增大，天线的磁场衰减是比较大的，但是屏蔽强弱的手机之间的通信距离的差别是非常明显的，从1cm到大于20cm不等。显然，屏蔽强的手机通信距离太近，但是屏蔽弱的手机通信距离太远。SIM卡不能区别手机屏蔽强弱的差异，无法根据手机对SIM天线的屏蔽强弱来改变发射功率，进而控制距离。如果将手机的类型建立数据库，通过手机发送短信给数据中心，数据中心将手机的发送功率数值发送给手机，配置庞大的数据库，手机不断更新，对于不在数据库中的手机可能将有通信问题。同时SIM卡更换手机也就意味着需要更新配置SIM的发送功率。

由于手机的SIM供电限制，其不可能发送很大的功率，因此转接桥的接收灵敏度设计是很高的，可以达到-80dBm～-90dBm，甚至更高。转接桥的芯片也不能智能地识别是哪种手机，以改变自身的接收灵敏度来调整不同手机通信距离的巨大差异。

不同手机对SIM的屏蔽强弱的巨大差异会造成不同手机通信距离的巨大差异，屏蔽弱的手机与阅读器天线近距离时候，会阻塞接收电路；屏蔽强的手机发送信号会很微弱。强弱手机之间的通信距离差距，从2cm左右到20cm左右，比较大，且通信距离离散较大。而安全的通信距离一般是5cm左右，且近距离不能有盲区。

本发明就是利用天线不同尺寸之间的耦合系数不同，圈数不同和芯片的接收增益设置不同，设计两个转接桥SIM发送信号接收天线，实现无需校准的天线设计方案来平衡不同手机之间的通信距离。

线圈类型的两个天线之间的耦合系数k可以通过下面的方程式计算：

k (x) \approx \frac{R_{s}^{2} \cdot R_{R}^{2}}{\sqrt{R_{S} \cdot R_{R}} \cdot {(\sqrt{x^{2} + R_{R}^{2}})}^{3}} - - - (1)

其中：R_S，R_R，x分别是阅读器天线半径，SIM天线半径和两者之间的距离。假设白卡的半径3cm。可见，阅读器天线与接收天线的半径相当的时候，两者的耦合系数最大。但是当两天线的距离大于半径后，两者之间的耦合系数将迅速降低，而在半径的范围之内的时候，两者的耦合系数相对平缓。在正常的通信距离内，两天线的耦合系数一般大于2％。这是标签天线没有屏蔽的情况下的公式，针对不同手机的屏蔽不同，其耦合系数公式会乘以一个衰减因子。该因子不同手机是不同的，屏蔽强的大，屏蔽弱的小，但是都小于1，大于0。

图3是不受手机屏蔽的SIM卡尺寸天线与阅读器天线的耦合系数的仿真结果。由图可见，阅读器尺寸越小，与SIM内置天线的耦合系数越大；近距离阅读器的天线尺寸越大，两天线的耦合系数越低，反之耦合系数越高。

图4是本发明转接桥天线示意图。因此我们设计大尺寸的转接桥SIM接收天线40接收屏蔽弱的手机的发送信号，其中41是天线的端口。由于其尺寸大，与手机的SIM天线耦合系数低，进而对屏蔽强的手机的信号接受能力差，因此我们在大尺寸的转接桥接收螺旋天线40内圈设计了两个反向串联连接的8字形螺旋天线42。45和46是螺旋天线44的端口；47和48是天线43的螺旋天线端口；螺旋线圈43和螺旋线圈44的两个端口48和45反相连接，构成8字形的天线42。螺旋线圈43和螺旋线圈44相邻的部分49的线间距尽量近，以降低8字形的两个线圈43和44相邻部分磁场盲区的范围。构成8字形螺旋天线的每个螺旋线圈43和螺旋线圈44的尺寸都接近外圈螺旋天线40的一半的尺寸。意味着8字形天线的两个线圈环43和44的尺寸都小，意味着8字形天线与手机的SIM天线之间的耦合系数大，其接收屏蔽强的手机信号强。但是由于大尺寸的天线随着距离的增大转接桥天线和手机SIM天线之间的耦合系数变化相对小尺寸的转接桥接收天线小，进而大尺寸的螺旋天线40主要接收屏蔽弱的手机发送信号，而具有两个小面积线圈的8字形天线42主要接收屏蔽强的手机发送的信号。

在有效的均匀磁场强度H_eff下标签回路的感应电压V_s为：

V_s＝ω₀·μ_rμ₀·H_eff·A_eff (2)

其中：ω₀，μ_r，μ₀，A_eff分别为交变的磁场频率，相对磁导率，真空磁导率和天线的有效面积。

可见在相同的手机SIM发射磁场强度下，增大天线的有效面积可以增大天线的接收信号电压数值。因此外圈的大面积螺旋天线40采用2圈的形式，而8字形的天线42的两个螺旋线圈43和螺旋线圈44都是4圈的形式，以增大其对屏蔽强的手机信号接收能力。

两颗转接桥芯片各自连接螺旋天线40和8字形天线42，连接螺旋天线40的转接桥芯片的6.78MHz的接收增益相对连接8字形天线42的转接桥芯片的接收增益低，进一步平衡不同手机之间的通信距离。

转接桥芯片的13.56MHz的两个端口都连接到一个天线的端口，也就是图4中转接桥的13.56MHz天线410的端口411上。13.56MHz天线410接收阅读器的发送电磁波，提高给转接桥供电的能量，实现转接桥的无源工作模式。天线40和天线42都接收SIM的发送信号，而后通过各自的芯片进行解调，解码，而后产生调试13.56MHz天线的负载调制信号，将信息传递给阅读器。因此这样的设计，尽管大天线40和8字形天线42分别主要接收屏蔽弱手机和屏蔽强手机信号，无论是哪个天线接收到手机的信号，都会在转接桥的13.56MHz的天线410两端产生负载调制信号，因此这样的设计可以自动平衡不同手机的通信距离。

这样手机接收阅读器发送的13.56MHz的信号，进而根据信号的要求发送6.78MHz的信号给转接桥，转接桥将接收到SIM信号采用负载调试的方式传递给阅读器。实现阅读器和手机之间的完整通信链路，阅读器看出去手机如一张支付卡。

实验表明本发明可以平衡不同手机的通信距离，降低了手机通信距离的离散，实现了无需校准的手机通信距离控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，特征在于其构成包括13.56MHz转接桥天线(410)、外圈螺旋天线(41)和8字形天线(42)，所述的8字形天线(42)是由两个反向的环绕的螺旋线圈(43)和螺旋线圈(44)串联连接而成，所述的8字形天线(42)内嵌在所述的外圈螺旋天线(41)的线圈之内并与所述的外圈螺旋天线(41)的线圈紧邻，所述的13.56MHz转接桥天线(410)位于13.56MHz阅读器天线的线圈内，所述的8字形的天线(42)与所述的13.56MHz转接桥天线(410)呈轴对称分布，所述的外圈螺旋天线(41)和8字形天线(42)与各自转接桥芯片(17)连接。

2.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，其特征在于所述的外圈螺旋天线(41)与转接桥芯片(17)之间连接阻隔滤波电路。

3.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，其特征在于所述的13.56MHz转接桥天线(410)的端口(411)接转接桥芯片的13.56MHz的两个端口，用于接收阅读器的发送能量，与该天线连接的芯片将交流的13.56MHz的波形转换为自身工作的直流能量，进而实现转接桥的无源工作模式。

4.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，其特征在于所述的外圈螺旋天线(41)和8字形天线(42)分别连接转接桥的接收信号端口，接收SIM发送的信号。

5.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的转接桥天线，其特征在于所述的外圈螺旋天线(41)的线圈为2圈的长方形线圈，所述的8字形天线(42)的螺旋线圈(43)和螺旋线圈(44)为4圈方形线圈。