CN104518276A - 用于无线充电和近场通信的共用天线解决方案 - Google Patents

用于无线充电和近场通信的共用天线解决方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无线充电和近场通信的共用天线解决方案。一种将单个天线(100)的第一端口(115)耦合到第一耦合电路(120)和将单个天线(100)的第二端口(130)耦合到第二耦合电路(135)的方法。该方法包括将无线充电单元(125)耦合到第一耦合电路(120)和将NFC收发器模块(140)耦合到第二耦合电路(135)。该方法进一步包括在NFC收发器模块(140)操作时的时间间隔期间使单个天线(100)从无线充电单元(125)隔离，以及在无线充电单元(125)操作时的时间间隔期间使单个天线(100)从NFC收发器模块(140)隔离。

Description

用于无线充电和近场通信的共用天线解决方案
技术领域
本公开的实施例涉及通信天线，并更具体地涉及用于无线设备中无线充电和近场通信的天线解决方案。
背景技术
蜂窝通信***持续流行并已经成为个人和企业通信的组成部分。随着窝蜂通信设备(诸如移动设备、智能电话、PDA等)的功能不断增加，用户更加容易和更方便携带的更小设备的需求也在增加。然而，由于安装部件的必需数目的增加，朝多功能设备发展使小型化更加困难。实际上，典型蜂窝通信设备包括若干天线，例如，近场通信天线、Wi-Fi天线、全球定位天线，和无线充电天线。近场通信(NFC)为在13.65MHZ下操作的用于短距离无线通信的新兴技术。因为NFC设备的工作原理为电感耦合，其中由于另一个线圈中电压/电流改变引起电压/电流在一个线圈中产生，因此NFC设备所使用的天线为大尺寸。对于典型的NFC设备，天线尺寸约为30mm*50mm。无线充电基于磁感应的原理来传送用于充电的电力。无线充电在低至120KHz的频率下工作。因此，用于无线充电的所需天线尺寸相当大。
设计用于NFC和无线充电的单个天线会给蜂窝通信设备制造商巨大的优势。然而，设计这种天线存在固有的问题。首先，NFC要求天线阻抗匹配到蜂窝设备。用于蜂窝设备的无线充电的天线具有高电感值，这使其难以阻抗匹配和用于NFC。其次，无线充电的电压极限会远远高于NFC设备的电压容许极限。这能够在无线充电操作期间损坏NFC设备。另外，NFC设备在无线充电操作期间趋向于加载充电线圈，这导致效率损失。
发明内容
所提供的本发明内容符合37C.F.R.§1.73，其要求发明内容简要地说明本发明的本质和实质。该发明内容被提交理解为不用于解释或限制权利要求的范围或意义。
一个实施例提供一种天线装置。天线装置包括采用具有N1匝扁平线圈形式的外部天线结构和采用具有N2匝扁平线圈形式的内部天线结构。N1和N2为整数。外部天线结构和内部天线结构间隔距离D。
另一个示例实施例提供一种计算设备。该计算设备包括耦合到天线装置的无线充电单元和耦合到天线装置的NFC收发器模块。天线装置包括外部天线结构和内部天线结构。内部天线结构与外部天线结构共面并被设置在外部天线结构内。外部天线结构和内部天线结构间隔距离D，以减少提供到NFC收发器模块的有效电感。
另一个实施例提供一种将单个天线的第一端口耦合到第一耦合电路以及将单个天线的第二端口耦合到第二耦合电路的方法。无线充电单元耦合到第一耦合单元且NFC收发器模块耦合到第二耦合电路。在NFC收发器模块操作时的时间间隔期间，单个天线从无线充电单元隔离，并且在无线充电单元操作时的时间间隔期间，单个天线从NFC收发器模块隔离。
附图和随后的具体实施方式中提供了其他方面和示例实施例。
附图说明
图1示出根据一个实施例的能够使用用于近场通信(NFC)和无线充电的单个天线的电路***；
图2示出根据一个实施例的提供到图1中所示电路***的电感的示意图；
图3示出根据一个实施例的使用用于近场通信(NFC)和无线充电的单个天线的计算设备。
具体实施方式
图1示出根据一个实施例的能够使用用于近场通信(NFC)和无线充电的单个天线的电路***。天线装置100包括外部天线结构105和内部天线结构110。外部天线结构105为扁平线圈的形式并具有匝数N1，其中N1为整数。外部天线结构105中的N1匝彼此间隔距离d1。内部天线结构110为扁平线圈的形式并具有匝数N2，其中N2为整数。内部天线结构110中的N2匝彼此间隔距离d2。外部天线结构105和内部天线结构110共面且内部天线结构110设置在外部天线结构105内。外部天线结构105和内部天线结构110间隔距离D。如图1所示，外部天线结构105和内部天线结构110为矩形形状。然而，在一个实施例中，外部天线结构105和内部天线结构110能够为任何几何形状，其能够为下面的一种，但不限于，三角形、正方形、圆形、多边形等。在一个实施例中，外部天线结构105和内部天线结构110为不规则形状。距离D大于d1和d2。在一个实施例中，距离D独立于d1和d2。外部天线结构105和内部天线结构110间隔距离D，以减少外部天线结构105中N1匝和内部天线结构110中N2匝之间的互耦。天线装置100的第一端口115经差分路径117a和117b耦合到第一耦合电路120。在一个实施例中，连接到天线装置100的信号路径被设计为单端信号路径。第一耦合电路120耦合到无线充电单元125。天线装置100的第二端口130经差分路径132a和132b耦合到第二耦合电路135。第二耦合电路135耦合到NFC收发器模块140。在一个实施例中，第二耦合电路135耦合到RFID(射频识别)收发器模块。天线装置100与NFC标签和RFID标签两者都兼容。
现在解释图1所示的天线装置100的操作。该电路以无线充电模式和通信模式工作。在无线充电模式中，天线装置100用于对无线充电单元125充电。结合的外部天线结构105和内部天线结构110用于对无线充电单元125充电。第二耦合电路135在无线充电模式期间充当开路，因此NFC收发器模块140不会受到用于对无线充电单元125充电的高电压摆幅的影响。因此，在无线充电单元操作时的时间间隔期间，无线充电单元125从NFC收发器模块140隔离。无线能量传输技术基于所嵌入的发射天线(例如，“充电”垫中)和将被充电的接收天线(天线100)之间的电感耦合。辐射场通过天线100接收且能量经过第一端口115被耦合到第一耦合电路120。在一个实施例中，第一耦合电路包括整流器、电容器和放大器。整流器根据所接收的信号产生DC信号且电容器暂时存储所产生的信号。放大器放大所存储的信号。所放大的信号存储在无线充电单元125中。在通信模式中，在NFC收发器模块140操作时的时间间隔期间，天线装置100将无线充电单元125从NFC收发器模块140隔离。具有匝数为N2的内部天线结构110用于NFC通信。差分形式的NFC信号在第二端口130上接收或传输并经过差分路径132a和132b将其提供到NFC收发器模块140。在一个实施例中，天线装置100支持无线充电模式和通信模式两者的同时作用。
天线装置100具有广泛的应用。许多应用领域中的一个是具有高隔离要求的工业应用。在一个实施例中，具有天线装置100的集成电路(IC)用于与工业机械设备(例如设置在恶劣环境中的电动机)通信。在不使用直接物理路径的情况下完成该通信。在这种情况下，具有天线装置100的IC利用磁耦合建立通信。而且，天线装置100用于将功率从工业机械设备传送到IC，而不违背任何隔离要求。因此天线装置100避免使用长期运行的电缆提供功率到IC。
图2示出根据一个实施例的提供到图1中所示电路***的电感的示意图。在无线充电模式期间，隔离NFC收发器模块140，即电路在端子A和B处通过电容器C1和C2开路。无线充电单元125在低频率下操作，因此电容器C1和C2提供大阻抗到无线充电单元125。这有效地使NFC收发器模块140从天线装置100隔离。提供到无线充电单元125的有效电感为L1、L2和L3的总和，其中L1和L2为外部天线结构105中的N1匝的总电感且L3为内部天线结构110中N2匝的总电感。L3的数值小于L1和L2的数值。在一个实施例中，L1和L2的量级为10uH数量级且L3的量级为1uH数量级。在通信模式期间，无线充电单元125通过电感器L1和L2隔离。电感器L1和L2提供NFC通信频率下的大阻抗而电感器L3提供NFC通信频率下的非常小的阻抗。因此，来自NFC收发器模块140的电流流过提供低阻抗路径的电感器L3，但不流过提供高阻抗路径的电感器L1和L2。L3为提供到NFC收发器模块140的有效电感，其在NFC收发器模块140的调谐范围内。此外，电容器C1和C2还用于执行天线装置100和NFC收发器模块140之间的阻抗匹配。
图3示出根据一个实施例的计算设备300。该计算设备300为或包含在移动通信设备(例如移动电话、个人数字助理、个人计算机，或任何其他类型的电子***)中。
在一些实施例中，计算设备300包括巨型单元或片上***(SoC)，所述片上***包括控制逻辑如CPU 312(中央处理单元)、存储装置314(例如，随机存取存储器(RAM))和测试器310。例如，CPU 312能够为CISC类型(复杂指令集计算机)CPU、RISC类型(精简指令集计算机)CPU，或数字信号处理器(DSP)。存储装置314(其能够为诸如RAM、闪存或磁盘存储的存储器)存储一个或更多个软件应用程序316(例如，嵌入式应用程序)，当该程序由CPU 312执行时，其执行与计算设备300关联的任何合适的功能。测试器310包括的逻辑支持执行软件应用316的计算设备300的测试和调试。例如，测试器310能够用于仿真计算设备300的缺陷部件(一个或多个)或不可用部件(一个或多个)，以允许验证部件(如果其实际存在于计算设备300上)在不同情况下如何执行(例如，部件与软件应用程序316如何交互)。以这种方式，能够在类似后期制作操作的环境中调试软件应用程序316。
CPU 312通常包括存储器和逻辑电路，其存储经常从存储装置314存取的信息。计算设备300包括GSM(用于移动通信的全球***)收发器320和天线325。GSM收发器使用天线325发射并接收GSM信号。在一个实施例中，计算设备包括CDMA(码分多址)收发器或其他蜂窝收发器。无线充电单元330耦合到第一耦合电路335，其耦合到天线340。NFC收发器模块350耦合到第二耦合电路335，其耦合到天线340。无线充电单元330和NFC收发器模块350使用天线340，以用于传输和接收相应的信号类型，并且因此天线340被称为单个天线。天线340在连接和操作上类似于图1中所示的天线装置100。NFC收发器模块350通过电感耦合经由天线340发射并接收NFC信号。第二耦合电路355提供NFC收发器模块350和天线340之间的阻抗匹配。第一耦合电路335还使NFC信号从无线充电单元330隔离。
无线能量传输技术基于嵌入的发射天线(例如“充电”垫中)和嵌入在计算设备中将被充电的接收天线(天线340)之间的电感耦合。辐射场通过天线340接收且能量耦合到第一耦合电路335。在一个实施例中，第一耦合电路335包括整流器、电容器和放大器。整流器根据所接收的信号产生DC信号且电容器暂时存储所产生的信号。放大器放大所存储的信号。放大的信号存储在无线充电单元中。可在相同集成电路(IC)或不同的IC上或者使用分离的部件实施计算设备300的不同部件。在一个实施例中，使用分离的部件或在IC内实施耦合电路335和355。
在上述讨论中，术语“连接”意为所连接设备之间的直接电连接或经一个或更多个无源中间设备的间接连接中的至少任意一个。术语“电路”意为单个部件或连接在一起以提供期望功能的许多有源部件中的至少任意一个。术语“信号”意为电流、电压、电荷、数据或其他信号中的至少一个。此外，术语“耦合到”或“与耦合”(等等)旨在描述间接或直接电连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接能够通过直接电连接或通过经由其他设备和连接件的间接电连接。施加到晶体管或晶体管组的术语“开”通常旨在描述使电流能够流过一个晶体管或多个晶体管的栅偏置。
上述描述阐述许多具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员明显的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。为了避免模糊本发明，有时没有详细描述众所周知的特征。根据上述教导，其他的变体和实施例是可能的，并且因此旨在表示本发明的范围不通过具体实施方式限制，而仅通过以下权利要求限制。

Claims (17)

1.一种天线装置，其包括：
具有N1匝扁平线圈形式的外部天线结构，其中N1为整数；
具有N2匝扁平线圈形式的内部天线结构，其中N2为整数；以及
所述外部天线结构和所述内部天线结构间隔距离D。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述内部天线结构和所述外部天线结构共面，并且所述内部天线结构设置在所述外部天线结构内。
3.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述外部天线结构中的所述N1匝彼此间隔距离d1，并且所述内部天线结构中的N2匝彼此间隔距离d2，其中d1和d2小于D。
4.根据权利要求1所述的天线装置，其中结合的所述外部天线结构和所述内部天线结构经设计用于对无线充电单元充电。
5.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述内部天线结构经设计以处理近场通信收发器模块即NFC收发器模块接收或传输的NFC信号。
6.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述外部天线结构和所述内部天线结构间隔距离D，以降低所述外部天线结构和所述内部天线结构之间的互耦。
7.根据权利要求1所述的天线装置，进一步包括在第一端口耦合到所述外部天线结构的第一耦合电路和在第二端口耦合到所述内部天线结构的第二耦合电路。
8.根据权利要求7所述的天线装置，其中所述第一耦合电路将无线充电单元耦合到所述外部天线结构，并且在所述无线充电单元操作时的时间间隔期间，所述第二耦合电路使所述NFC收发器模块从所述天线装置隔离。
9.根据权利要求7所述的天线装置，其中所述第二耦合电路将所述NFC收发器模块耦合到所述内部天线结构。
10.一种计算设备，其包括：
耦合到天线装置的无线充电单元；
耦合到所述天线装置的NFC收发器模块；其中所述天线装置包括：
外部天线结构；以及
内部天线结构，其与所述外部天线结构共面且设置在所述外部天线结构内，其中所述外部天线结构和所述内部天线结构间隔距离D，以减少提供到所述NFC收发器模块的有效电感。
11.根据权利要求10所述的计算设备，其中所述外部天线结构采用具有N1匝扁平线圈的形式，其中N1为整数，并且所述内部天线结构采用具有N2匝扁平线圈的形式，其中N2为整数。
12.根据权利要求10所述的计算设备，其中所述外部天线结构中的所述N1匝彼此间距距离d1，并且所述内部天线结构中的所述N2匝彼此间距距离d2，其中d1和d2小于D。
13.根据权利要求10所述的计算设备，其中结合的所述外部天线结构和所述内部天线结构经设计以用于对所述计算设备的无线充电单元充电，并且所述内部天线结构经设计以处理所述计算设备的近场通信即NFC收发器模块接收或传输的NFC信号。
14.一种方法，其包括：
将单个天线的第一端口耦合到第一耦合电路；
将所述单个天线的第二端口耦合到第二耦合电路；
将无线充电单元耦合到所述第一耦合电路；
将NFC收发器模块耦合到所述第二耦合电路；
在所述NFC收发器模块操作时的时间间隔期间，使所述单个天线从所述无线充电单元隔离；以及
在所述无线充电单元操作时的时间间隔期间，使所述单个天线从所述NFC收发器模块隔离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中隔离所述单个天线包括：
形成N1匝扁平线圈以设计外部天线结构，其中N1为整数；
形成N2匝扁平线圈以设计内部天线结构，其中N2为整数，并且所述内部天线结构与所述外部天线结构共面并设置在所述外部天线结构内；以及
使所述外部天线结构和所述内部天线结构间距距离D，以减少提供到所述NFC收发器模块的有效电感。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括配置以结合所述外部天线结构和所述内部天线结构，从而用于对所述无线充电单元充电，其中所述内部天线结构经设计以处理所述NFC收发器模块接收或传输的近场通信信号，即NFC信号。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述外部天线结构中的所述N1匝彼此间距距离d1，并且所述内部天线结构中的所述N2匝彼此间距距离d2，其中d1和d2小于D。
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