CN105048061B - 一种近场通讯天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域，涉及一种短距离无线通信***中使用的天线装置。该天线装置是在移动电子设备中构成的天线装置，包括：线圈导体、柔性基板、磁性材料和外壳导体层。线圈导体是将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状线圈，与其依附的柔性基板装配于磁性薄片材料表面。外壳导体层将线圈导体遮挡分为两个区域：第一区域为非外壳导体层遮挡部分，即天线实际磁链路耦合部分，该部分线圈导体采用窄线宽设计或大部分采用窄线宽设计，并且使用双导体层并联设计；第二区域为外壳导体层遮挡部分，该区域线圈导体使用宽线条设计。本发明具有：不破坏移动设备外壳金属部分结构完整性，占用空间小，高性能的积极效果。

Description

一种近场通讯天线装置

技术领域

本发明涉及一种在通过电磁场信号和对方设备进行通信的RFID***、NFC***、短距离无线通信***中使用的天线装置。

背景技术

近年来，随着RFID***和NFC***的不断推广使用，尤其是NFC***在金融领域的推广应用。为了移动电子设备间或者移动电子设备与基础读卡设备间进行通讯，在各设备中，尤其是手持移动电子设备装载有NFC***用的通讯天线。现有的RFID或NFC天线由于线宽的原因，多为3至4匝设计，装配于移动设备外壳内部。随着装配有金属外壳移动电子设备的出现，大幅提高了移动电子设备的使用寿命及设备外壳的耐磨性，为用户提供了更好的使用体验。但金属外壳作为一种良导体，对电磁波有屏蔽作用，使近场天线读写距离大幅下降。

授权公告号CN 102405556B的专利，提供了一种天线装置被较大面积导体层覆盖情况下，解决导体层对通讯电磁波阻挡的一种方法。该天线结构采用在覆盖于天线表面的导体层开孔方式，为通讯电磁场提供了磁路窗口，并且在导体层窗口与通讯天线覆盖区域加入开隙，减小导体层中涡流对通讯电磁场的影响，以达到提高通讯距离的效果。

但其提供的解决方案存在以下问题：1.该方案结构上需要在天线覆盖的导体层开孔，并且需要在孔洞一侧进行开隙，这样在结构上破坏了导体层的完整性，若移动设备其外壳结构设计不允许开孔开隙以破坏其外观完整性或结构支撑特性，则该方案即受到很大应用限制；2.该方案中，天线所产生的电磁场需绕过导体层，电磁场在绕过导体层的过程中，导体层将对电磁场造成较大衰减，衰减程度与其绕过的导体层长度相关，则该方案在天线装配于较宽导体层，即在金属外壳较大的移动设备终端中，其效果将受到影响。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种近场通讯天线装置，该天线装置可不破坏移动电子设备外壳的金属结构，并占据较少空间，实现远距离通讯。

本发明的天线装置是在移动电子设备中构成的天线装置，包括：线圈导体、柔性基板、磁性材料和外壳导体层。

线圈导体，将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状线圈，与其依附的柔性基板装配于磁性材料表面。

柔性基板，支撑线圈导体的基板材料，线圈导体形成于柔性基板之上。

磁性材料，装配于线圈导体远离外壳导体层的一侧。

外壳导体层，该导体层为组成移动电子设备外壳和结构支撑部件的金属部分，或该导体层形成于组装对象的电子设备的壳体内表面或外表面；该导体层配置于比所述线圈导体要靠近通讯对方侧的天线的一侧。

当俯视所述天线装置时，外壳导体层需部分覆盖线圈导体，即外壳导体层将线圈导体遮挡分为两个区域：第一区域为非外壳导体层遮挡部分，即天线实际磁链路耦合部分，该部分为实际的天线辐射部分，该部分线圈导体采用窄线宽设计，并且该部分线圈导体使用双导体层并联设计，实现较小的欧姆损耗；第二区域为外壳导体层遮挡部分，该区域线圈导体使用宽线条设计，以减少磁性材料以及外壳导体层涡流造成的欧姆损耗。第二区域线圈导体的宽线条宽大于第一区域线圈导体的窄线宽宽度，且窄线宽宽度为等线宽或不等线宽。

线圈导体与外部电路接触点由其末端自然形成或跳线形式向外引出形成。

所述外壳导体层表面可设置孔洞，该孔洞在覆盖线圈导体的区域内，且其边缘完整不被打断开隙。

所述第一区域的双层并联导体区域还包括宽线条部分和窄线条部分的过渡区域，该过渡区域可跨越两部分区域。

所述天线装置在导体层确定情况下，天线装置谐振频率高于使用频段的中心频率。

由于第一区域内的线圈导体使用较小线宽，使天线可在较小区域内实现多匝绕制，实现增强磁场的作用，提升天线的通讯效果。

本发明的中心思想是：1、在外壳导体层覆盖的第二区域的线圈导体因采用宽线条设计，大幅度降低了螺旋导体本身的欧姆损耗，并且降低了外壳导体层覆盖区域内的磁场密度，同时降低了因磁性材料造成的磁损耗及外壳导体层覆盖所产生的欧姆损耗；2、第一区域的线圈导体采用了窄线条设计，在有限空间内可实现5至7匝设计，并且采用双导体层并联设计，有效利用面积和提高电磁场强度同时，降低该部分线圈导体内的欧姆损耗。

综上所述，本发明具有以下技术效果：1.不破坏移动设备外壳金属部分结构完整性，这样可大幅提升结构工程师的设计空间，方便移动设备的外观设计；2.只占用较小的空间，因为在外壳导体层覆盖的线圈导体不向外辐射电磁波，所以并不需要很大的空间，可设计出较小面积的天线结构；3.实现了金属外壳设备近场通讯距离与非金属外壳设备近场通讯距离相比拟的效果；4.新颖的天线结构，充分利用天线结构的空间特性，形成高性能的近场通讯天线。

附图说明

图1为实施方式1中的电子设备后视图。

图2为实施方式1中天线装置俯视结构示意图，其中外壳导体层6及线圈导体1及磁性材料2进行透视处理，即通过外壳导体层6可看到线圈导体1及磁性材料2。

图3为图2天线装置的X-X’剖面示意图，其层间结构与与实施方式2及实施方式3中的相同。

图4为实施方式2中的天线装置俯视结构示意图，其中外壳导体层6及线圈导体1及磁性材料2进行透视处理，即通过外壳导体层6可看到线圈导体1及磁性材料2。

图5为实施方式3中的电子设备后部结构图，其中外壳导体层6及线圈导体1及磁性材料2进行透视处理，即通过外壳导体层6可看到线圈导体1及磁性材料2。

附图标记：

L3…电子设备的外壳导体层与中间层的间距，SA…电子设备中间层结构上边缘，1…线圈导体，2…磁性材料，3…线圈导体非外壳导体层覆盖部分，4…线圈导体被外壳导体层覆盖部分，5…中间层，电子设备的中间层结构，主要为导体模块组成，6…外壳导体层，即电子设备外壳中导体部分，7…电子设备摄像头部分。

具体实施方式

参照图1～图5，说明具体实施例所涉及的天线装置。

图1是包括实施方式1所涉及的天线装置的移动电子设备的后视图，例如手机。电子设备的背面是朝向通信对方侧即读写器侧天线的一面。如图1所示，图1中移动电子设备后壳的导体部分形成外壳导体层6，外壳导体层6的构成例如铝加工成型或例如金属电镀形成，以保护电子设备。外壳导体层6占据了整个电子设备外壳的大部分范围。并且因为支撑结构或美观等原因，不易在其中进行开孔设计。

图3为该结构按图2中X-X’为分割线的剖面图。其层间结构依次为外壳导体层6，线圈导体1，磁性材料2，中间层5。

如图1所示，电子设备的中间层5，该层中包括了电子设备的中部支撑结构，及其结构中的装配模块，其中装配模块包括电子线路板、电池、各通信及信号处理模块等模块，该部分不乏各金属导体类元件。中间层5由大面积的导体层拼接而成，并由各种支撑结构连接而成。在中间层5顶部边缘SA位置，往往装配有电子设备的主通讯天线，由于主通讯天线需装配至SA位置，所以外壳导体层6不能够完全覆盖中间层5，其间距在图1中由L3表示，L3长度不大于20mm。

如图1所示，在中间5的顶角边缘，是安置有照相机的位置，如图1中孔7。由于这样的结构特性，也导致了外壳导体层6无需在其中开孔以放置相机镜头。

附图说明已有描述。图3为整体结构的剖面图，图3与图2结合来看。图3中线圈导体1由于外壳导体层6的存在，将其分为了两个部分。其中区域4为外壳导体层6覆盖区域即第二区域，区域3为非外壳导体层6覆盖区域即第一区域。由于区域4被外壳导体层6所覆盖，该区域无法向外部发出或接收电磁波，区域4内部的电磁波完全束缚在外壳导体层6与中间层5内部的金属环境当中，所以该区域的天线装置的线圈导体线宽需要由宽线条设计，以减少欧姆损耗。区域4中的天线装置的线圈导体线宽应在0.8mm-1.5mm之间。区域3中的天线装置线圈导体为实际向外发出或接收电磁波的部分，该部分将使用细线条窄间距设计，这样可以最大程度增加电磁场收发能力，并且该部分使用两层导体并联设计，在增加电磁波收发能力的同时，降低该部分的欧姆损耗。区域3部分的线圈导体线宽0.2mm-0.4mm，线间距0.1mm-0.3mm，这样保证在线圈导体即使环绕7匝之后天线装置在3区域的宽度也可控制在2.1mm-4.9mm之间。

在图3中，磁性材料2为磁性薄片，该磁性薄片为铁氧体陶瓷薄片或树脂型合金粉体填充薄片。磁性材料薄片2完全覆盖线圈导体1其磁导率实部≥130，磁导率虚部≤5。

天线线圈导体环绕匝数由实际具体情况而视，天线装置环绕5匝，区域3宽度3mm-4mm，长度30mm-40mm，外壳导体层6及中间层5内导体层及磁性薄片确定情况下，可实现800～1200nH的电感量。

依照上述描述，可制作出效果较好的通讯天线装置。

实施方式1

制作40mm×40mm面积，普通0.8mm等线宽单层导体天线4匝设计，底部装配磁性材料，并且线圈导体表面无导体层覆盖，记做普通天线装置；制作天线装置面积为40mm×40mm，区域4部分线圈导体线宽1.2mm，区域3部分螺旋环绕导体线宽0.3mm，整体5匝设计，底部装配磁性材料，天线装置线圈导体表面覆盖导体层，使区域3部分宽度4mm，记做本发明设计天线装置；制作天线装置面积为40mm×40mm普通0.8mm等线宽单层天线4匝设计，底部装配磁性材料，并在天线装置同样覆盖导体层，同样漏出宽度4mm，记做导体层覆盖普通天线装置。对比各方式的通讯效果。

从测试对比结果看，本发明的天线装置可达到无导体层覆盖普通天线读写能力的80％，实现较好的效果。但如果采用普通天线设计，也装配于大面积导体层外壳的设备中的天线装置，其读写距离将大幅下降，可见本专利发明的天线装置能起到较强的提升效果。

实施方式2

电子设备外壳依然如图1中的电子设备后部的结构。图1中L3较长，可以给本专利发明的天线装置中3部分留出较宽的空间，对于区域3中的线圈导体1进行不等线宽设计，可以实现更好的通讯效果。

如果L3长度较长，实现的天线装置层间结构如图3中天线装置所述，天线装置具体细节如图4中天线装置所示，图4中区域3部分，该部分宽度6mm，其线圈导体进行不等宽度阶梯状设计，区域3中线圈导体1的线宽由外向内依次进行等差设计。最终实现如图4中天线装置的结构。

如图4中的结构，该设计减少了天线装置中区域3中线圈导体1的电阻，减少了欧姆损耗，提高通讯距离。

实施方式3

电子设备外壳后部结构如图5所示，对比图2中的电子设备的后部结构，其不同点在于，在外壳导体层6中进行了开孔设计，其开孔7位置选择在天线装置中线圈导体1的中心环绕空余的部分，但其开孔边缘不形成打断间隙。

外壳导体层6部分，在天线装置中的线圈导体的中心环绕空余的部分进行开孔，开孔后为天线装置提供了更大的电磁波进入窗口，可进一步提高天线装置的通讯距离。

天线装置的层间结构如图3中的天线装置所述。

Claims (6)

1.一种近场通讯天线装置，该天线装置是在移动电子设备中构成的天线装置，包括：线圈导体、柔性基板、磁性材料和外壳导体层，其特征在于：

所述线圈导体，将卷绕中心部作为线圈开口部的环状或螺旋状线圈，与其依附的柔性基板装配于磁性材料表面；

所述柔性基板，支撑线圈导体的基板材料，线圈导体形成于柔性基板之上；

所述磁性材料，装配于线圈导体远离外壳导体层的一侧；

所述外壳导体层，为组成移动电子设备外壳和结构支撑部件的金属部分，该导体层形成于组装对象的电子设备的壳体内表面或外表面，配置于比所述线圈导体要靠近通讯对方侧的天线的一侧；

当俯视所述天线装置时，外壳导体层需部分覆盖线圈导体，即外壳导体层将线圈导体遮挡分为两个区域：第一区域为非外壳导体层遮挡部分，即天线实际磁链路耦合部分，该部分为实际的天线辐射部分，该部分线圈导体采用窄线宽设计，并且该部分线圈导体使用双导体层并联设计，实现较小的欧姆损耗；第二区域为外壳导体层遮挡部分，该区域线圈导体使用宽线条设计，以减少磁性材料以及外壳导体层涡流造成的欧姆损耗；第二区域线圈导体的宽线条宽大于第一区域线圈导体的窄线宽宽度；

线圈导体与外部电路接触点由其末端自然形成或跳线形式向外引出形成。

2.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述外壳导体层表面可设置孔洞，该孔洞在覆盖线圈导体的第二区域内，且其边缘完整不被打断开隙。

3.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述第一区域的双层并联导体区域还包括宽线条部分和窄线条部分的过渡区域，该过渡区域可跨越两部分区域。

4.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：所述第一区域线圈导体的窄线宽宽度为等线宽或不等线宽。

5.如权利要求1所述近场通讯天线装置，其特征在于：在外壳导体层确定情况下，天线装置谐振频率高于使用频段的中心频率。

6.一种移动电子设备，其特征在于：装配有权利要求1-5任一权利要求所述的近场通讯天线装置。