CN212011275U - 用于无线功率充电和近场通信的天线设备 - Google Patents

用于无线功率充电和近场通信的天线设备 Download PDF

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Abstract

本公开的各实施例涉及用于无线功率充电和近场通信的天线设备。用于无线功率充电操作和近场通信(NFC)操作的天线设备形成导电回路组。该组包括被配置为形成NFC天线的第一组回路和第二组回路。第一组回路和第二组回路一起被配置为形成无线功率充电天线。根据本公开的实施例，天线的性能被改善。

Description

用于无线功率充电和近场通信的天线设备
技术领域
各种实施例涉及用于无线功率充电和近场通信的天线设备。
背景技术
对于本领域技术人员而言，近场通信被称为NFC(近场通信)，是一种无线连接技术，它允许在诸如非接触式智能卡或标签的电子设备和读卡器之间进行短距离(例如10厘米)的通信。
更一般而言，NFC技术是由NFC论坛联盟标准化的技术。NFC 技术特别适合连接任何类型的用户设备，并允许快速轻松地进行通信。NFC技术是ISO/IEC 18092和ISO/IEC21481中限定的开放标准技术平台，但结合了许多现有标准，例如ISO-14443中限定的TypeA和Type B协议，其可以是可以在NFC技术中使用的通信协议。。
当在读卡器和电子设备应答器之间传输信息时，读卡器会通过其天线生成磁场，该磁场通常符合常规使用的标准，即13.56MHz的正弦波(载波)。
无线电源传输技术可通过分隔充电器和接收器的气隙，将能量从电源(例如充电器)到负载或接收器(例如无线通信设备，诸如蜂窝电话移动电话)的非接触式传输，例如为其电池充电。
在现有的各种非接触式充电标准中，可以提到由“无线功率联盟” (WPC)开发的Qi标准，该标准是本领域技术人员众所周知的，尤其是当前设置为可提供最高15W的功率低功率版本(“低功率”)。
出于所有意图和目的，本领域技术人员可以参阅2018年2月，部分1.2.4版本1-4的标题为“Qi无线功率传输***功率等级0规范 (The Qi Wireless Power Transfer SystemPower Class 0Specification)”的WPC文档。
简而言之，非接触能量通过例如线圈从基站或发射器转移到与发射器磁耦合的接收器。
能量传递基于由发射器生成并由接收器经由共振感应耦合捕获的磁场。
Qi标准允许使用不同的技术(拓扑)在发射器侧生成磁场。但是，该磁场始终是振荡场，并且充电器生成的用于传输能量的信号的频率范围介于80KHz和300KHz之间。将该信号用于将能量传输到接收器的信号也称为载波信号，因为它也可以通过调制用于在发射器和接收器之间交换特别是与接收器所需的能量传输水平有关的信息。
接收器将该磁场转换为用于为电池充电或为设备供电的电位。
通常，诸如手机的现有技术的设备可以实现用于NFC的第一天线和用于无线充电的第二天线，如图1所示。
配置用于NFC的第一天线2围绕配置用于Qi非接触功率传输的第二天线3。
天线2、3各自包括线圈并且分别具有两个端子4、5和6、7。
但是，在移动设备(诸如移动电话)中，用于NFC和Qi的两个专用天线的位置需要较大的表面，该表面并非总是可用，否则会导致折衷，从而降低移动电话的性能。
此外，尽管NFC设备使用磁环形天线来传输信息，而Qi设备使用磁环形天线来将功率从功率发射器传输到功率接收器，但是在现有技术的设备中，同时的NFC和Qi操作是不可能的，因为Qi天线设备会干扰NFC天线设备并降低其性能。
此外，在接收器侧的NFC天线较小的情况下，NFC的性能下降。
参考通过引用并入的美国专利号10,270,167(EP 3211805)，该专利公开了从射频信号接收器收集能量的第一天线和专用于NFC通信信号的第二天线。
第一天线具有第一组回路，并且第二天线具有第二组回路。两组回路都有共同的部件，从而减少了天线的植入表面。
第一天线被配置为根据由无线功率联盟开发的A4WP标准进行操作。
各种A4WP实施例在6.78MHz处操作，该频率相对接近NFC通信中使用的频率，通常为13.56MHz。功率传输信号因此破坏了NFC 信号，并且由于接近的工作频率，无法同时进行NFC和功率传输操作。
此外，第一天线仅用作接收天线。
另外，由于高电压，如果第一天线和第二天线同时操作NFC和 Qi操作，则Qi信号将破坏NFC通信。
需要一种天线设备，其能够同时操作NFC和无线功率传输操作，特别是Qi操作，而不会破坏NFC信号并且被用于发射器和接收器装置。
实用新型内容
本公开至少解决了上述天线无法同时操作和天线性能降低的问题。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于无线功率充电和近场通信的天线设备，包括：第一对节点，被配置用于连接到近场通信驱动器电路；第二对节点，被配置用于连接到无线功率充电驱动器电路；第一导电回路，具有连接到第一对节点中的第一节点的第一端、和连接到第一对节点中的第二节点的第二端；第一导电螺线，具有连接到第二对节点中的第一节点的第一端、和连接到第一对节点中的第一节点的第二端；和第二导电螺线，具有连接到第二对节点中的第二节点的第一端、和连接到第一对节点中的第二节点的第二端；其中第一导电回路形成用于近场通信的天线；和其中第一导电螺线、第二导电螺线和第一导电回路形成用于无线功率充电的天线。
在一些实施例中，用于近场通信的天线和用于无线功率充电的天线被配置用于同时操作。
在一些实施例中，第一导电回路围绕第一导电螺线和第二导电螺线。
在一些实施例中，第一导电螺线的绕组与第二导电螺线的绕组交错。
在一些实施例中，第一导电回路包括在节点处与第二半回路串联连接的第一半回路。
在一些实施例中，节点是虚拟接地。
在一些实施例中，第一导电回路的绕组具有矩形形状。
在一些实施例中，第一导电螺线、第二导电螺线和第一导电回路的绕组关于对称线对称，对称线在第一对节点中的第一节点和第二节点之间穿过以及在第二对节点中的第一节点和第二节点之间穿过。
在一些实施例中，用于近场通信的天线被配置用于在第一频率处操作，并且其中用于无线功率充电的天线被配置用于在不同于第一频率的第二频率处操作。
在一些实施例中，第二频率低于第一频率。
在一些实施例中，第一频率等于13.56MHz，并且第二频率在 80KHz至300KHz的范围内。
在一些实施例中，天线设备还包括第三导电螺线，第三导电螺线具有连接到第二对节点中的第一节点的第一端和连接到第二对节点中的第二节点的第二端。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于无线功率充电和近场通信的天线设备，包括：第一节点；第二节点；第三节点；第一导电螺线，具有连接到第一节点的第一端、和连接到第二节点的第二端；和第二导电螺线，具有连接到第二节点的第一端、和连接到第三节点的第二端；其中第一节点和第二节点被配置用于连接到近场通信驱动器电路，其中第一导电螺线形成用于近场通信的天线；其中第一节点和第三节点被配置用于连接到无线功率充电驱动器电路，其中第一导电螺线和第二导电螺线形成用于无线功率充电的天线。
在一些实施例中，第一导电螺线和第二导电螺线的绕组形成阿基米德螺线。
在一些实施例中，第一节点是用于近场通信驱动器电路和无线功率充电驱动器电路的共用接地节点。
在一些实施例中，用于近场通信的天线和用于无线功率充电的天线被配置用于同时操作。
在一些实施例中，第一导电螺线围绕第二导电螺线。
在一些实施例中，第一导电螺线和第二导电螺线的绕组具有实质上圆形的形状。
在一些实施例中，用于近场通信的天线被配置用于在第一频率处操作，并且其中用于无线功率充电的天线被配置用于在不同于第一频率的第二频率处操作。
在一些实施例中，第二频率低于第一频率。
在一些实施例中，第一频率等于13.56MHz，并且第二频率在 80KHz至300KHz的范围内。
在一些实施例中，天线设备还包括第三导电螺线，第三导电螺线具有连接到第一节点的第一端和连接到第三节点的第二端。
根据本公开的实施例，天线的性能被改善。
附图说明
本实用新型的其他优点和特征将通过对实施例的详细描述而无限制地呈现在附图中，其中：
先前描述的图1示出了根据现有技术的NFC天线和Qi天线；和
图2示出了移动电话，该移动电话包括装置的示例，该装置包括用于无线功率充电和/或近场通信的天线设备。
图3和图4示出了用于无线功率充电和/或近场通信的天线设备的第一实施例。
图5和图6示出了用于无线功率充电和/或近场通信的天线设备的第二实施例。
图7示出了用于无线功率充电和/或近场通信的天线设备的第三实施例。和
图8示出了用于无线功率充电和/或近场通信的天线设备的第四实施例。
具体实施方式
根据实施方式和实施例，有利地提出一种天线设备，该天线设备包括能够同时操作以实现NFC和无线功率传输操作，特别是Qi操作的两组回路。
根据一个方面，提出了一种用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备，其包括两组导电回路，第一组回路被配置为形成NFC天线，并且第一组回路和第二组回路被配置为一起形成无线功率充电天线。
与天线仅共享一些回路的现有技术相反，NFC天线的所有回路用于与第二组回路一起形成无线功率充电天线。
与现有技术相比，操作NFC和Qi操作的天线设备节省空间。
上述NFC天线和上述无线功率充电天线被配置为能够同时操作。
天线设备可以有利地同时操作无线功率充电操作和NFC操作而不会破坏NFC信号。
根据一个实施例，第二组回路被第一组回路围绕，两组回路被连接在一起。
根据一种变型，第一组回路和第二组回路被配置为创建虚拟接地。
这种虚拟接地有利地允许避免高电压条件。
因此，利用无线功率传输操作不会破坏NFC信号。
可以例如通过天线设备的对称拓扑获得虚拟地面。
换句话说，天线设备的对称拓扑结构避免了高电压条件，从而形成了虚拟接地，从而不会破坏NFC信号。
根据一个实施例，天线设备具有对称的拓扑。
根据一个实施例，第二组回路包括第一部分和第二部分，并且第一组回路连接在第一部分和第二部分之间。
根据一个实施例，两组回路形成矩形。
两组回路的每个端都包括连接点。
第一组回路的连接点被连接到第二组回路的回路，以便两组回路的回路被串联连接。
两组回路的连接点相对于平行于矩形较大尺寸的中心轴对称设置。
第二组回路的连接点被配置为与无线功率充电驱动器电路的端子连接，并且第一组回路的连接点被配置为与NFC驱动器电路的端子连接。
根据另一种变型，第一组回路和第二组回路被配置为共享相同的接地连接，以形成分压器。
因此，减小了NFC天线和无线功率充电天线的输出处的电压差，使得NFC天线可以在无线功率充电天线附近操作。
根据一个实施例，两组回路串联连接并形成阿基米德螺线。
阿基米德螺线的每个端都包括连接点。
阿基米德螺线内部的连接点配置为与无线功率充电驱动器电路连接，两组回路的连接点均配置为与NFC驱动器电路连接，并且阿基米德螺线外部的连接点配置为与驱动器电路的公共接地连接。
公共接地减少了Qi天线连接点上的高电压，因此NFC信号不会损坏。
根据一个实施例，NFC天线被配置为在第一频率处与NFC电路通信。
根据一个实施例，无线功率充电天线被配置为在第二频率处与无线功率充电电路通信。
第二频率例如低于第一频率。
第一频率例如等于13.56MHz，第二频率例如在80KHz至300KHz 的范围内。
换句话说，无线功率充电天线被配置为根据Qi标准进行操作。
第一频率和第二频率彼此足够远的事实促成了NFC天线和Qi天线能够同时操作的事实。
根据另一方面，提出了一种装置，其包括至少一个如上所限定的天线设备、无线功率充电驱动器电路和NFC驱动器电路，至少一个天线设备被连接到无线功率充电驱动器电路并且连接到NFC驱动器电路。
该装置可以用作功率接收设备或功率发射器设备。
该装置可以进一步包括连接到无线功率充电驱动器电路的至少一个常规无线功率充电天线。
可以使用多个天线在读卡器和/或充电设备与移动设备之间建立最佳的NFC和/或功率传输连接。
根据另一方面，提出了一种移动电话，其结合了如上所限定的装置。
参考图2，其示出了移动电话8，其结合了装置9的示例，该装置9包括连接至无线功率充电驱动器电路11和NFC驱动器电路12 的、用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备10。
尽管装置9被结合在移动电话中，但是该装置可以被结合在操作无线功率充电和/或近场通信“NFC”的任何移动设备中。
图3和图4示出了用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备10的第一实施例。
天线设备10包括两组导电回路13和14，第一组回路13被配置为形成NFC天线，并且第一组回路13和第二组回路14被共同配置为形成无线功率充电天线。
第二组回路14被第一组回路13围绕。两组回路连接在一起。
第一组回路13和第二组回路14形成矩形。
第一组回路13和第二组回路14在每个端处分别包括连接点15、 16和17、18。
第二组回路14的连接点17和18位于第二组回路的中心。
第一组回路13的连接点15和16与NFC驱动器电路12的端子连接，并且连接点17和18与无线功率充电驱动器电路11的端子连接。
第二组回路14包括：第一部分，其包括三个回路，该三个回路包括从连接点17开始到连接点19在顺时针方向上围绕天线设备10 的中心延伸的半回路14a至14f，以及第二部分，包括从半回路14g 的自由端处连接点20开始到连接点17在顺时针方向上围绕天线设备10的中心延伸的半回路14g至14l。
连接点19和20连接到连接点15和16。
半回路14g在点21处在半回路14f之上跨过，半回路14h在点 22处在半回路14e之下跨过，半回路14i在点23处在半回路14d之上跨过，半回路14j在点24处在半回路14c之下跨过，半回路14k 在点25处在半回路14b之上跨过，并且半回路14l在点26处在半回路14a之下跨过。
第一组回路13包括两个回路，该两个回路包括四个半回路13a、 13b、13c和13d，该四个半回路13a、13b、13c和13d从连接点19 开始到连接点20在顺时针方向上围绕第二组回路14延伸。
半回路13c在点27在半回路13a之下跨过。
如图4所示，第一组回路13连接在第二组回路14的第一部分和第二部分之间。
第一组回路的连接点15和16被连接到第二组回路14的回路14f 和14g，使得两组回路中的回路串联连接。
两组回路的连接点19和20相对于平行于矩形的较大尺寸的中心轴A对称设置。
半回路14a和14l、14b和14k、14c和14j、14d和14i、14e和 14h、14f和14g、13a和13d、13b和13c具有相同的长度并相对于轴线A对称。
在NFC和Qi操作期间，电流I经由半回路14a至14f，13a至13d 和14g至14l在从连接点17到连接点18的电流路径中流动，并且电流I从连接点15开始经由半回路13a至13d到连接点16在电流路径中流动。
半回路14a至14f、13a和13b生成磁场，该磁场被半回路13c、13d和14g至14l生成的磁场抵消。
在半回路13b和13c之间产生虚拟接地GND，以避免高电压条件。
天线设备的对称拓扑结构可以避免高电压情况，从而形成虚拟接地，从而不会破坏NFC信号。
NFC天线被配置为在第一频率处与NFC电路通信，并且无线功率充电天线被配置为在第二频率处与无线功率充电电路通信。
无线功率充电天线可以在接收模式或发射模式中操作。
第一频率等于13.56MHz并且第二频率在80KHz至300KHz的范围内。
由于对称的天线设备10的拓扑结构，并且由于第一频率和第二频率彼此足够远，所以NFC天线和无线功率充电天线能够同时工作。
天线设备10还可以操作为NFC天线或无线功率充电天线。
例如，天线设备10的第一实施例被包括在具有等于53.5mm的边的正方形中，并且两个天线都由具有2mm的厚度的线制成。
图5和图6示出了用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备10的第二实施例。
天线设备10包括两组导电回路28和29。第一组回路28被配置为形成NFC天线，并且第一组回路28和第二组回路29被配置为一起形成无线功率充电天线。
第二组回路29被第一组回路28围绕。
第一组回路28在每个端处包括连接点30和31，并且第二组回路在连接点30处与第一组回路28串联连接。
第二组回路28在其自由端处包括连接点32。
第一组回路和第二组回路形成阿基米德螺线，连接点32在阿基米德螺线内部。
阿基米德螺线形内部的连接点32与无线功率充电驱动器电路11 连接，两组回路的连接点30与NFC驱动器电路连接，并且阿基米德螺线形外部的连接点31与驱动器电路11和12的公共接地连接。
无线功率充电天线和NFC天线共享在点31处连接的同一接地连接。
阿基米德螺用作分压器，分压器的第一部分是第一组回路28，分压器的第二部分是第二组回路29。
因此，NFC天线和无线功率充电天线的输出处的电压差被减小，使得NFC天线可以在无线功率充电天线附近操作。
NFC天线被配置为在第一频率处与NFC电路通信，并且无线功率充电天线被配置为在第二频率处与无线功率充电电路通信。
无线功率充电天线可以在接收模式或发射模式中操作。
由于两个天线的接地方式相同，并且第一频率和第二频率彼此相距足够远，因此NFC天线和无线功率充电天线可以同时操作。
天线设备10还可以用作NFC天线或无线功率充电天线。
例如，天线设备10的第二实施例被包括在具有等于53.5mm的边的正方形中，并且两个天线都由具有2mm的厚度的线制成。
第一组回路13、28的电感值在500nH至1.5μH的范围内，并且电阻在0.2Ω至3Ω的范围内，并且回路的数目优选在1至6的范围内。
第二组回路14、29的电感值在6μH至24μH的范围内，电阻在0.01Ω至0.2Ω的范围内，并且根据转移或接收的电力的值，回路的数目优选在12至24的范围内。
与图5和6所示的天线设备的第二实施例相比，图3和4所示的天线设备10的第一实施例允许传输更多的功率。
在其他实施例中，移动电话可以包括天线设备10，该天线设备 10包括根据图3至图6所示的第一和/或第二实施例的至少一个天线设备10，以及在图1上所示的至少一个NFC天线设备和/或Qi天线设备。
下面描述包括图1所示的第一和第二组回路13、14、28和29以及Qi天线设备3的天线设备10的实施例。
用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备10的第三实施例将如图5和图6所示的第一和第二组回路28、29与如图7所示配置为用于Qi非接触功率传输第二天线3接合。
第一组回路和第二组回路28和29形成阿基米德螺。
天线设备10还包括三个端子33、34和35。
第一端子33与第二天线3的第二端子7连接、与阿基米德螺外部的连接点31连接以及与驱动器电路11和12的公共接地连接。
第二端子34与无线功率充电驱动器电路11连接，与阿基米德螺内部的连接点32连接以及与第二天线3的第一端子6连接。
第三端子35与NFC驱动器电路12连接。
图8示出了用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备10的第四实施例。
天线设备10包括配置用于Qi非接触功率传输的第二天线3以及形成矩形的第一组回路和第二组回路13和14。
天线设备10还包括两个端子36和37。
第一端子36与第二天线3的第二端子7连接、与第二组回路14 的连接点18连接以及与无线功率充电驱动器电路11连接。
第二端子37与无线功率充电驱动器电路11连接，与第二组回路 14的连接点17连接以及与第二天线3的第一端子6连接。
第一组回路的连接点15和16与NFC驱动器电路12连接。
在另一实施例中，天线设备10包括第一天线2和/或第二天线3 以及至少第一组回路和第二组回路，这些回路为矩形形式或形成阿基米德螺。
常规天线可以与至少一个天线设备结合以用于无线功率充电和/ 或近场通信“NFC”，以与各种移动设备天线互操作。
由于移动设备8中的不同NFC天线位置，可以使用多个天线在读卡器和移动设备8之间建立最佳的NFC连接。
有利地，用于无线功率充电和/或近场通信“NFC”的天线设备可以用在功率发射器和电力接收器设备上。

Claims (22)

1.一种用于无线功率充电和近场通信的天线设备，其特征在于，包括：
第一对节点，被配置用于连接到近场通信驱动器电路；
第二对节点，被配置用于连接到无线功率充电驱动器电路；
第一导电回路，具有连接到所述第一对节点中的第一节点的第一端、和连接到所述第一对节点中的第二节点的第二端；
第一导电螺线，具有连接到所述第二对节点中的第一节点的第一端、和连接到所述第一对节点中的所述第一节点的第二端；和
第二导电螺线，具有连接到所述第二对节点中的第二节点的第一端、和连接到所述第一对节点中的所述第二节点的第二端；
其中所述第一导电回路形成用于近场通信的天线；和
其中所述第一导电螺线、所述第二导电螺线和所述第一导电回路形成用于无线功率充电的天线。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，用于近场通信的所述天线和用于无线功率充电的所述天线被配置用于同时操作。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电回路围绕所述第一导电螺线和所述第二导电螺线。
4.根据权利要求3所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电螺线的绕组与所述第二导电螺线的绕组交错。
5.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电回路包括在节点处与第二半回路串联连接的第一半回路。
6.根据权利要求5所述的天线设备，其特征在于，所述节点是虚拟接地。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电回路的绕组具有矩形形状。
8.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电螺线、所述第二导电螺线和所述第一导电回路的绕组关于对称线对称，所述对称线在所述第一对节点中的所述第一节点和所述第二节点之间穿过以及在所述第二对节点中的所述第一节点和所述第二节点之间穿过。
9.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，用于近场通信的所述天线被配置用于在第一频率处操作，并且其中用于无线功率充电的所述天线被配置用于在不同于所述第一频率的第二频率处操作。
10.根据权利要求9所述的天线设备，其特征在于，所述第二频率低于所述第一频率。
11.根据权利要求10所述的天线设备，其特征在于，所述第一频率等于13.56MHz，并且所述第二频率在80KHz至300KHz的范围内。
12.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，还包括第三导电螺线，所述第三导电螺线具有连接到所述第二对节点中的所述第一节点的第一端和连接到所述第二对节点中的所述第二节点的第二端。
13.一种用于无线功率充电和近场通信的天线设备，其特征在于，包括：
第一节点；
第二节点；
第三节点；
第一导电螺线，具有连接到所述第一节点的第一端、和连接到所述第二节点的第二端；和
第二导电螺线，具有连接到所述第二节点的第一端、和连接到所述第三节点的第二端；
其中所述第一节点和所述第二节点被配置用于连接到近场通信驱动器电路，其中所述第一导电螺线形成用于近场通信的天线；
其中所述第一节点和所述第三节点被配置用于连接到无线功率充电驱动器电路，其中所述第一导电螺线和所述第二导电螺线形成用于无线功率充电的天线。
14.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电螺线和所述第二导电螺线的绕组形成阿基米德螺线。
15.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，所述第一节点是用于所述近场通信驱动器电路和所述无线功率充电驱动器电路的共用接地节点。
16.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，用于近场通信的所述天线和所述用于无线功率充电的所述天线被配置用于同时操作。
17.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电螺线围绕所述第二导电螺线。
18.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，所述第一导电螺线和所述第二导电螺线的绕组具有实质上圆形的形状。
19.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，用于近场通信的所述天线被配置用于在第一频率处操作，并且其中用于无线功率充电的所述天线被配置用于在不同于所述第一频率的第二频率处操作。
20.根据权利要求19所述的天线设备，其特征在于，所述第二频率低于所述第一频率。
21.根据权利要求20所述的天线设备，其特征在于，所述第一频率等于13.56MHz，并且所述第二频率在80KHz至300KHz的范围内。
22.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，还包括第三导电螺线，所述第三导电螺线具有连接到所述第一节点的第一端和连接到所述第三节点的第二端。
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