CN104701638A - 屏蔽强的sim侧插手机全卡方案天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屏蔽强的SIM侧插手机全卡方案天线，包括用于射频识别***的增强无源信号的卡托天线和手机密耦合贴天线，所述的手机密耦合贴天线由小天线和大天线组成，所述的小天线和大天线经第三调谐电容串联，小天线与所述的卡托天线密耦合。本发明使得阅读器可以接收到SIM卡发送的信号，进一步加大SIM卡与阅读器的耦合系数，使得侧插手机SIM卡和阅读器之间实现良好的通信。

Description

屏蔽强的SIM侧插手机全卡方案天线

技术领域

本发明涉及射频识别技术，特别涉及一种屏蔽强的SIM侧插手机全卡方案天线。

背景技术

受日本和韩国手机支付的影响，小额支付是运营商一直期望进入的领域。由于能够非常好地为实时支付和现场支付提供解决方案，非接触式近距离射频识别具有极为广阔的应用前景，并将为目前发展缓慢的移动支付产业带来前所未有的机遇。而结合移动终端与RFID技术的一机多用或一卡多用将会是未来十年的新的发展方向。特别是在3G时代，无处不在的具有无线连接功能的RFID读写器与非接触式应用的RFID将是发展的重中之重。目前业界主要有两套基于非接触技术的解决方案：Combi SIM卡方案和近场通信(NFC)方案。

Combi SIM卡方案，又称双界面SIM卡方案，指用Combi SIM卡替换手机内部SIM卡，在保留原接触式界面的SIM卡功能基础上增加非接触IC卡应用界面。比较典型的做法有两种：一、非接触IC卡的非接触天线印刷在塑料薄膜上，再贴至SIM卡表面；二、非接触IC卡的非接触天线作为一个独立的部件附加在手机中，将天线引到手机的正面或反面，天线连接在SIM卡尚未使用的C4和C8两个接口上。但这两种方案的缺点是：天线贴到SIM卡表面或者引出到手机正面或反面，在安装过程中很容易造成天线断裂、损坏，并造成用户使用不方便，同时由于手机电池和电路板的屏蔽作用，双界面SIM卡能收到的阅读器的信号和反射给阅读器的信号都非常微弱。因此，双界面SIM卡和阅读器之间通信的质量非常差，阅读器几乎收不到双界面SIM卡返回的应答。

而NFC方案是近年由Nokia、Philips等公司提出有关射频识别的一种新的方案，基本的做法是在新设计的手机中加入用于支付的RFID模块，RFID模块和手机之间用专门的通信协议进行相互通信。这种方法可以比较好地解决利用手机进行射频识别的问题，但缺点是用户必须去改造现有的手机，甚至购买一个全新的手机，这在现阶段并不是所有用户都能接收的方法，而且对整个社会而言也是很大的资源浪费。

由于手机电池和电路板的屏蔽作用，如果双界面IC卡替换现有的普通SIM卡应用到手机环境中，双界面IC卡将无法可靠收到阅读器发出的命令信号，同时双界面IC卡发出的信号经手机环境后将大幅衰减，如此小的应答信号无法由阅读器接收并区分出来。

由于手机使用过程中一般都是带电工作，就是开机状态作交易，因此在SIM卡设计收发电路和天线，接收阅读器的发送指令后，主动发射一个相应信号给阅读器，使得阅读器可以轻松的接收到类似无源负载调制的信号，进而可以实现大部分手机SIM卡直接与阅读器进行通信，使用者只需要更换手机SIM即可，无需更换手机。

但是该方案针对SIM卡侧插环境，如图1，其中卡槽11顶部21是金属结构，SIM12放置在卡托13中，而后***卡槽11.。卡槽11的底部一般都有手机的主板电路板16，电路板上空余的地方都会不限为地，等效强大的金属屏蔽。而手机边框14为了好看，很多手机都设计为金属边框，手机的卡托13卡托侧边竖起部分15也都是金属的。手机背盖17有的是金属。图3是SIM卡天线的结构示意图，天线32是螺旋形的线圈，通过端口31连接电路。SIM卡的底部还有较大面积的金属触点33。天线32的磁场发送基本上垂直天线的平面，磁力线一出来就遇到了大面积的金属，交变的电磁场会产生涡流，涡流的磁场方向与原有电磁场的方向相反。SIM卡周边已经构建了一个金属包围的强屏蔽结构，电磁场很难输送出来。使得SIM卡发送的信号会很小，现有的已经布好的阅读器的灵敏度都不是很高，阅读器接收困难。

发明内容

本发明解决现有技术有源发射SIM卡全卡中SIM卡侧插的屏蔽强手机不能工作的问题。通过手机结构分析发现，SIM卡的位置屏蔽最强，卡托的SIM卡侧面为了卡托顶出的机械结构留取的空间位置屏蔽较弱，本发明通过在卡托上设计了与SIM卡天线耦合的天线，或者采用金金接触的方法将信号转移到了卡托的侧面。

本发明在一个方面在手机卡托和SIM卡之间设计了一个与SIM卡那天线紧密耦合的天线，之后称之为卡托天线。卡托天线有两部分组成，卡托SIM卡下天线以及卡托SIM卡侧天线两部分组成。卡托SIM卡下天线的尺寸与SIM上的螺旋天线线圈的尺寸相当，两个天线的垂直距离紧挨着，此时两者耦合系数最大。就可以让SIM卡发射的电磁场直接转移到了卡托SIM卡下天线上。

由于很多SIM卡侧插手机的边框是金属边框，手机内的PCB布线在没有元器件的地方都会布上地，因此手机SIM卡侧面天线足以使得SIM卡发送的信号让阅读器接收到。

本发明还在手机外设计了与卡托天线二次耦合的天线，手机贴天线。该天线也有两种形式，一个是从卡托侧面***卡托与卡托SIM卡侧面天线密耦合，另外一种形式是在卡托侧面的手机外面与卡托SIM卡侧面天线疏耦合的形式。

因此，经过多次耦合，可以将SIM卡的发射信号转移到手机外面，这样SIM卡就可以与阅读器进行良好的通信。

本发明的具体解决技术方案如下：

一种屏蔽强的SIM侧插手机全卡方案天线，其特点在于，包括用于射频识别***的增强无源信号的卡托天线和手机密耦合贴天线，所述的手机密耦合贴天线由小天线和大天线组成，所述的小天线和大天线经第三调谐电容串联，小天线与所述的卡托天线密耦合；

所述的卡托天线，包括：卡托SIM卡下天线、卡托SIM卡侧天线和第一调谐电容，所述的卡托SIM卡下天线和卡托SIM卡侧天线经调谐电容串联；所述的卡托SIM卡下天线与SIM卡上的天线密耦合，或者SIM卡触点与卡托天线触点直接接触，将屏蔽强的SIM卡位置的SIM卡发射信号转移到卡托连线上，该连线与SIM卡侧天线直接相连，磁场在屏蔽弱的SIM卡侧面被辐射。

一种用于射频识别***的增强无源信号的卡托天线，包括：卡托SIM卡下天线、卡托SIM卡侧天线和第一调谐电容，所述的卡托SIM卡下天线和卡托SIM卡侧天线经调谐电容串联；所述的卡托SIM卡下天线与SIM卡上的天线密耦合，或者SIM卡触点与卡托天线触点直接接触，将屏蔽强的SIM卡位置的SIM卡发射信号转移到卡托连线上，该连线与SIM卡侧天线直接相连，磁场在屏蔽弱的SIM卡侧面被辐射。

所述的卡托SIM卡下天线与SIM卡上的天线密耦合，卡托SIM卡下天线的磁力线方向与SIM卡的天线的磁力线方向都是垂直于天线的平面。

所述的卡托SIM卡侧天线的磁场出射方向包括：垂直手机屏幕的方向、沿着手机短边的侧面垂直方向；以及沿着手机长边的方向。

与现有技术相比，上述信号增强天线组合具有以下优点：

卡托与SIM卡分离，不是卡托SIM卡一体化的形式，导致SIM卡通用，可以在其他手机使用，非特殊设计；由于SIM卡是有源发射信号，可以与各种尺寸的阅读器天线之间进行良好通信，满足不同接收灵敏度的阅读器的接收要求。

通过卡托天线将SIM卡的电路收发端口采用天线耦合形式或者直接连接的金金接触形式将信号从屏蔽强的卡槽内转移到SIM卡外侧的卡托的天线上，也就是卡槽外面，其屏蔽大大降低，进而使得阅读器可以接收到SIM卡发送的信号。通过再次设计二次耦合，还可以进一步加大SIM卡与阅读器的耦合系数，使得侧插手机SIM卡和阅读器之间实现良好的通信。这样的设计SIM卡仍旧是一个独立的个体，非特制产品，是通用产品，仍可以放置在其他类型的手机上使用。

附图说明

图1是现有技术SIM卡侧插的结构示意图；

图2是现有技术卡槽示意图；

图3是现有技术SIM卡天线示意图；

图4是金属卡托的基本结构示意图；

图5是处理过的SIM卡卡托；

图6是处理过的卡托侧面的结构示意图；

图7是在卡托上SIM卡下垫着的卡托天线结构示意图，其中(a)SIM卡侧面的卡托天线主磁场方向在Z轴；(b):SIM卡侧面的卡托天线主磁场方向在x轴；(c)SIM卡侧面的卡托天线主磁场方向在y轴；

图8是卡托天线放入卡托的示意图；

图9是与卡托天线密耦合的贴天线；

图10是与卡托天线疏耦合的贴天线；

图11是与卡托天线密耦合的贴天线与手机的结构示意图；

图12是与卡托天线疏耦合的贴天线与手机的结构示意图；

图13接触式SIM卡触点设计示意图；

图14接触式卡托天线示意图。

11：卡槽；12：SIM卡；13:卡托；14:手机边框；15:卡托侧边竖起部分；16:手机主板；17:手机背盖；21:卡槽顶部的金属屏蔽；22:卡槽底部的弹簧凸点；31:天线端口；32天线线圈；33:SIM卡触点；41:卡托环；42：卡托的SIM卡托起台阶；43)SIM卡顶出凸点；44)卡托侧面；45:为了卡托顶出机构保留的活动空间导致固态金属区域；46:卡托的顶出孔；51:SIM卡固定的三角；52:卡托的SIM卡托起台阶延伸到卡托侧面；53:卡托顶出凸点；54:卡托侧面开孔或者开槽位置；61:手机边框；62：卡托；63:卡托开孔；64:卡托开槽；71:SIM卡下方的卡托天线；72:SIM卡的触点；73:通孔；74:凸点；75:卡托定位三角豁口；76:主磁场方向在Z轴的SIM卡侧面的卡托天线；77:调谐电容；78:主磁场方向在x轴的SIM卡侧面的卡托天线；79:主磁场方向在y轴的SIM卡侧面的卡托天线；91:贴中深入手机卡托侧面的天线；92贴中折叠到手机背面的部分；93：调谐电容；94:抗金属磁膜；101:手机背面贴天线；102:手机侧面贴天线；103:抗金属磁膜；104：调谐平板电容；111:卡槽；112:SIM卡；113:卡托；114:卡托天线；115:贴天线深入卡托内的天线；116:卡托侧面开槽或者挖孔的部分；117：是卡托下面的手机电路板；118：手机背面；119：抗金属磁膜；120：贴中手机背面的天线；121:卡槽；122:SIM卡；123:卡托；124:卡托天线；125:卡托侧面开槽或者挖孔的部分；126：贴天线中是卡托耦合的小天线；127：是卡托下面的手机电路板；128：手机背面；129：抗金属磁膜；130：贴中手机背面的天线；131:SIM卡内部电路的两个输入输出端口；141:接触式触点的天线端口；142:接触式触点上的凸点；143:通孔；144:卡托上SIM卡侧面的天线。

具体实施方式

由于在SIM卡侧插屏蔽强手机SIM卡发出的信号经手机环境后将大幅衰减,阅读器就无法收到SIM卡返回的应答信号，也就无法实现SIM卡和阅读器的正常通信。

有鉴于此，提出在SIM卡卡托和手机外设计信号转接天线，将SIM卡信号转到手机SIM卡侧面或者手机背面的天线组合。

首先观察金属卡托的结构，图4。卡托基本呈现环形41，其中环形的内部有卡托的SIM卡托起台阶42，SIM卡摆放在该位置；卡托侧面44一般都大于卡托的宽度。卡托通过操作者拿着顶针，在手机顶出孔盯着手机卡托下面的一个杠杆，该杠杆会顶着手机的SIM卡顶出凸点43，将SIM顶出手机。顶出结构是一个杠杆结构，处在SIM卡的下部，需要有一个运动的空间，因此对应的SIM卡的卡托侧面也就有一个空间45。手机的结构是不能动的，但是可以动手机的卡托。既然SIM卡位置的手机屏蔽比较强，但是卡托的为了卡托顶出机构保留的活动空间导致固态金属区域顶部是没有金属卡槽的，如果将天线的磁场在这个地方发送出来，意味着屏蔽将大大降低。因此我们首先处理了卡槽如图5的形式。保留了为了定位的三角51，将卡托的SIM卡托起台阶延伸到卡托侧面52，卡托顶出凸点53与SIM卡托起台阶52一样深，同时在卡托的侧面开槽或者挖孔54。图6是处理过的卡托侧面的结构示意图。手机卡托62与手机边框61在外面是平齐的，没有突起。其中卡托的对应SIM卡的部分做开槽64或者开窗63处理。

将卡托做图6的处理的目的是能够有空间摆放一个天线。图7是在卡托上SIM卡下垫着的卡托天线结构示意图。该天线采用足够薄的基材来设计可以摆放在SIM卡的下面，卡托的内侧。卡托天线中手机触点72采用顶部和底部两层金属设计，通过通孔73连接，在触点72的中间位置设计了压起来的凸点74，凸点74的突起方向向着SIM卡。凸点的底部刚好是卡槽的金属弹簧凸点22。这样SIM卡通过卡托天线的转接将起自身的触点33与手机相连。卡托天线在卡托的定位三角位置51保留了对应的凹进豁口75部分用于定位。卡托天线分为SIM卡的正下方的天线71以及与其串联的卡托侧面的天线76，78及79，两者通过一个调谐电容，将谐振频率调整到工作的电磁波频率附近，形成共振，因此起内部的电流较大，天线起到了电流的放大作用，放大的倍数是卡托天线的串联回路的品质因数倍。

SIM卡的正下方的天线71与SIM的上的天线32是密耦合结构，因此起可以将SIM卡的发送电磁波大部分耦合到卡托下天线71上。卡托下天线71的磁力线方向与SIM卡的天线的磁力线方向是一样的，都是垂直与天线的平面。卡托侧面的天线可以是主磁场方向不同的设计，比如图7中的a的76天线是磁场在YZ平面的垂直纸面的Z轴方向，也就是垂直手机屏幕的方向；图8是图7中a的拖天线放入卡托的示意图；图7中的b的78天线是磁场在XZ平面的Z轴方向，也就是沿着手机短边的侧面垂直出射；图7中的c的79天线是磁场在XY平面的Y轴方向；磁场是闭合的，因此磁力线是弯曲的在各个方向都有的，由于不同方向的屏蔽强度不同，导致手机可以在屏幕面出射的信号最强，侧面次之，背面最小。也就是说有了卡托天线就可以将SIM卡的信号转移到卡托的侧面空旷，屏蔽小的位置，进而SIM卡发送的信号就可以直接被阅读器接收到。

由于屏蔽的作用手机背面的信号仍旧是最小的，一般客户刷手机都是习惯手机的屏幕对着自己，也就是手机的背面对着读写器。因此可以再次设计一级天线信号方向的转移天线，手机贴天线。图9与卡托天线密耦合的贴天线。天线由两个串联天线构成，其中深入手机卡托侧面的小尺寸的天线91也是螺旋缠绕得的长方形天线，尺寸与卡托顶出机构保留的活动空间形成的固态金属区域45相当，从卡托的侧面63或者64***手机内侧，与卡托侧面的天线76形成密耦合。贴中折叠到手机背面的部分的大尺寸天线92折叠到手机的背面，该天线也是螺旋缠绕的长方型天线，其尺寸一般以不挡手机logo和文字，以及手机天线区域来确定。两个天线通过调谐电容调谐到工作的电磁波频率附近，以便形成共振。由于是密耦合，因此信号的传递效率很高，手机背面大尺寸天线92与手机背面中间可以添加也可以不添加抗金属磁膜94。

如果嫌弃贴的天线***手机操作麻烦，还可以在手机的设计与卡托天线疏耦合的贴天线，如图10.其中大尺寸天线101折叠在手机的背面，小尺寸天线102在手机的SIM卡卡托的手机侧面位置。此时102与76是疏耦合形态，因此一般而言贴天线需要抗金属磁膜103。大天线101和小天线102同样与一个电容104串联，谐振在电磁波的工作频率附近。图11和图12分别是与卡托天线密疏耦合的贴天线与手机的结构示意图。操作者只需要将贴摆放在手机保护壳的对应位置后，放入手机即可。

无论是与卡托天线密耦合还是疏耦合的天线，在手机背面的天线92或者102偶远大于卡托侧面的天线76，因此其与阅读器的天线的耦合系数会远大于卡托侧面天线76与阅读器天线的耦合系数，进而SIM卡与阅读器的通信能力被大大增强。

上述的方案是采用SIM卡天线与卡托天线采用耦合的方式来实现的将信号的转移带卡托的SIM卡侧面。由于卡槽大部分是金属，因此涡流对天线性能的降低不容忽略。采用直接触点连接的方式会增加信号传递的强度，切降低涡流进而提升性能。但是SIM卡的触点都是有明确的用途，不能做兼容。因此图13在SIM卡的长边两侧，也就是卡托的SIM卡托起台阶42的对应部分设计了触点131。在卡托天线的对应部分也设计了长条形的触点141。单纯的金金接触会因为缺乏压力支撑而接触不良，因此在卡托的触点141设计了一排凸点142，涂点凸点142对着SIM卡的触点131，只要有个凸点的接触与SIM卡的触点接触上接可以实现金金接触连接。卡托天线长条形的触点141采用两层金属设计，使用通孔143连接，而后分别连接卡托SIM卡侧面的天线144，其形态也有如图7的三种形式。

这样通过卡托天线将SIM卡的电路收发端口采用天线耦合形式或者直接连接的金金接触形式将信号转移到SIM卡外侧的卡托上，该位置的手机屏蔽弱，进而解决了SIM卡侧插手机的全卡通信问题。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种屏蔽强的SIM侧插手机全卡方案天线，其特征在于，包括用于射频识别***的增强无源信号的卡托天线和手机密耦合贴天线，所述的手机密耦合贴天线由小天线(102)和大天线(101)组成，所述的小天线(102)和大天线(101)经第三调谐电容(104)串联，小天线(102)与所述的卡托天线(76)密耦合；

所述的卡托天线，包括：卡托SIM卡下天线(71)、卡托SIM卡侧天线和第一调谐电容(77)，所述的卡托SIM卡下天线(71)和卡托SIM卡侧天线经调谐电容(77)串联；所述的卡托SIM卡下天线(71)与SIM卡上的天线密耦合，或者SIM卡触点与卡托天线触点直接接触，将屏蔽强的SIM卡位置的SIM卡发射信号转移到卡托连线上，该连线与SIM卡侧天线直接相连，磁场在屏蔽弱的SIM卡侧面被辐射。

2.一种用于射频识别***的增强无源信号的卡托天线，其特征在于，包括：卡托SIM卡下天线(71)、卡托SIM卡侧天线和第一调谐电容(77)，所述的卡托SIM卡下天线(71)和卡托SIM卡侧天线经调谐电容(77)串联；所述的卡托SIM卡下天线(71)与SIM卡上的天线密耦合，或者SIM卡触点与卡托天线触点直接接触，将屏蔽强的SIM卡位置的SIM卡发射信号转移到卡托连线上，该连线与SIM卡侧天线直接相连，磁场在屏蔽弱的SIM卡侧面被辐射。

3.根据权利要求1所述的卡托天线，其特征在于，所述的卡托SIM卡下天线(71)与SIM卡上的天线密耦合，卡托SIM卡下天线(71)的磁力线方向与SIM卡的天线的磁力线方向都是垂直于天线的平面。

4.根据权利要求1所述的卡托天线，其特征在于，所述的卡托SIM卡侧天线的磁场出射方向包括：垂直手机屏幕的方向、沿着手机短边的侧面垂直方向；以及沿着手机长边的方向。