立体绕线贴片式nfc天线及天线系统的制作方法

文档序号:10614823
立体绕线贴片式nfc天线及天线系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及立体绕线贴片式NFC天线及天线系统,该天线,包括由若干层片状芯体单元层叠而成的沿XY平面延伸的铁氧体芯体,及沿X轴螺旋缠绕的第一线圈、沿Z轴螺旋缠绕的第二线圈和在X轴投影方向呈Z字形环绕氧体芯体的外表面的第三线圈,铁氧体芯体的下端连接有天线绝缘层;天线绝缘层的下端面上连接有第一外部电极和第二外部电极;第三线圈的首端分别与过孔电极及第一外部电极连接,尾端与第二线圈的首端连接;第二线圈的尾端与第一线圈的首端连接;第一线圈的尾端与通孔电极与外部第二电极连接;Z字形的第三线圈、铁氧体上表面平行的第二线圈和第一线圈的“咬合式”叠加以及由第一、第二和第三线圈产生的磁场分量的有机结合增强了天线的性能;第一线圈、第二线圈以及第三线圈的绕行充分利用铁氧体芯体的空间,天线尺寸较小。
【专利说明】
立体绕线贴片式NFC天线及天线系统
技术领域
[0001]本发明涉及NFC天线的技术领域,更具体地说是指立体绕线贴片式NFC天线及包括该立体绕线贴片式NFC天线的天线系统。【背景技术】
[0002]工作频率在 13.56MHz的近场通讯(Near Field Communicat1n,NFC)是一种利用磁场感应收发电磁波实现电子设备之间进行近距离通信的无线通讯技术,该技术也可被称为是一种非接触式的识别和互联技术。这种技术可以为消费者提供简单直观的信息交换、 内容访问与服务。由于NFC技术的这种特殊性,近期NFC得到了越来越广泛的重视,并且该技术已经被应用于移动设备、PC、以及智能控件等设备中。在传统的NFC手持设备的应用中,一般选择将NFC天线辐射体放在电池(或其它金属材料)上面,同时为了减少电池上产生的与天线本身电流方向相反的涡流对NFC天线的负面影响,需要在NFC天线线圈和电池中间放置一层能把天线线圈与电池隔离开的铁氧体。为了保证NFC天线的性能,使用该设计方案的 NFC天线必须满足一定的尺寸要求。由于该传统NFC天线方案的天线尺寸较大,故而不能满足手持设备小型化的需求。
[0003]为了达到减少NFC天线尺寸的目的,日本株式会社村田制作所(Murata)近期在中国发明专利公开CN103620869A中提出了一种小型的贴片式(SMD)NFC天线解决方案,并且在中国发明专利CN102959800B中展示了该方案在实际通信设备中的具体应用。与传统NFC天线方案相比,该方案的最大不同之处是把传统的尺寸较大的NFC天线线圈(比如典型的线圈尺寸为30mm x40mm)以螺旋的方式绕置在尺寸很小的铁氧体芯体(铁氧体芯体的尺寸可以小到与一般芯片的大小相同)周围,形成螺线管型天线。通过把该小尺寸NFC天线单体放置在金属板(或PCB板)上方并与之进行有效的耦合,在金属板上激发出对天线单体本身来讲有正面作用的涡流,进而增强整个天线系统(也即包括贴片NFC天线和金属板)的性能。虽然与传统的大尺寸NFC天线方案相比,村田提出的NFC天线方案在天线尺寸方面有了巨大的改进,但是该贴片天线有如下一个缺点:当该天线单体被放置在PCB或金属板板上时,由于天线线圈在铁氧体上的特殊绕行方式,使得天线本身产生磁场的主要方向与其在金属板板上激发的有效涡流产生的磁场相互垂直正交。这种在磁场方向上的相互正交使得整个天线系统中的天线单体和金属板不能达到最佳的匹配状态。因此,有必要对上面所述的小尺寸贴片式NFC天线进行改进,并开发出一种不仅具有小尺寸而且同时具有能与在金属板板上激发的涡流产生的磁场达到最佳匹配的高性能贴片式NFC天线。
[0004]综上所述,目前的NFC天线无法将小尺寸与高性能结合,使用效果不佳。
【发明内容】

[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供立体绕线贴片式NFC天线及天线系统。
[0006]为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:立体绕线贴片式NFC天线,包括由若干层片状芯体单元层叠而成的沿XY平面延伸的铁氧体芯体,及相互连接的三个环绕在所述铁氧体芯体外表面的NFC天线线圈的第一线圈、第二线圈和第三线圈,所述第一线圈沿前后方向的X轴螺旋缠绕,所述第二线圈沿上下方向的Z轴螺旋缠绕,所述第三线圈呈Z字形环绕所述氧体芯体的外表面上;所述铁氧体芯体的下端连接有天线绝缘层;所述天线绝缘层的下端面上连接有外部电极,所述外部电极包括第一外部电极和第二外部电极;所述天线绝缘层还设有用于连接NFC天线线圈与所述外部电极的过孔电极;所述第三线圈的首端通过连接导体分别与所述过孔电极以及第一外部电极连接,且尾端通过连接导体与所述第二线圈的首端连接;所述第二线圈的尾端通过连接导体与所述第一线圈的首端连接;所述第一线圈的尾端通过连接体分别与通孔电极和所述外部第二电极连接;
[0007]所述第一线圈包括若干根位于顶层片状芯体单元下表面的顶层导线体,若干根位于底层片状芯体单元上表面的底层导线体,及连接所述底层导线体左端端部和所述顶层导线体左端端部的若干个左导线体、连接所述底层导线体右端端部和所述顶层导线体右端端部的若干个右导线体;所述左导线体由穿透于所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和所述顶层片状芯体单元的近于左端的左通孔内的左导体构成;所述右导线体由穿透于所述底层片状芯体单元、所述中间层片状芯体单元和所述顶层片状芯体单元的近于右端的右通孔内的右导体构成;所述第一线圈的右导体的尾端与所述通孔电极再与所述外部第二电极连接;
[0008]所述第二线圈包括设于所述底层片状芯体单元上表面和所述中间层片状芯体单元上表面的线圈体,所述底层片状芯体单元上表面的线圈体的首端与所述第三线圈的尾端连接,其首端通过设于所述第一层片状芯体单元侧边的竖向连接导体与所述第二层片状芯体单元的线圈体的首端连接,如此循环向上,直至最上面一个线圈体的尾端通过设于所述顶层片状芯体单元侧边的竖向连接导体与所述第一线圈的首端连接;
[0009]所述第三线圈包括设于所述顶层片状芯体单元的上表面的导体走线,所述底层片状芯体单元的下表面的导体走线,及连接所述底层导线体前端端部和所述顶层导线体前端端部的若干个前导线体、连接所述底层导线体后端端部和所述顶层导线体后端端部的若干个后导线体;所述前导线体由穿透于底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于前端的前通孔内的前导体、分别布置在所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于前端的第一导线构成;所述后导线体由穿透于所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于后端的后通孔内的后导体,分别布置在所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于后端的第二导线构成,所述底层片状芯体单元的下表面的导体走线的首端与所述过孔电极相连以及所述第一外部电极连接,所述底层片状芯体单元的下表面的导体走线的尾端与所述底层片状芯体单元上表面的线圈体的首端连接。
[0010]其进一步技术方案为:所述连接导体采用在通孔内填入导电材料而构成。
[0011]其进一步技术方案为:所述第一外部电极与所述第二外部电极间隔布置在所述天线绝缘层的下表面上,所述第一外部电极位于所述天线绝缘层的下表面的中部,所述第二外部电极位于所述天线绝缘层的下表面的近于左端。
[0012]其进一步技术方案为:所述第一线圈是由设于所述片状芯体单元上、下、左、右四个面的线圈体构成的,同一表面可以设有一圈,二圈或三圈的线圈体;如果相邻的所述表面都有线圈体时,可以采用错开的方式来布置。
[0013]其进一步技术方案为:所述第二线圈由设于所述片状芯体单元前、后、左、右四个面的线圈体构成的,同一表面可以设有一圈,二圈或三圈的线圈体;如果相邻的表面都有线圈体时,可以采用错开的方式来布置。
[0014]其进一步技术方案为:所述第一线圈和所述第二线圈在左侧面、右侧面会重合,需要采用错开方式布设,所述左侧面、右侧面的位置,所述第一线圈可以位于外侧,所述第二线圈处于内侧;也可以是所述第一线圈可以位于内侧,所述第二线圈处于外侧。
[0015]其进一步技术方案为:所述第三线圈与所述第一线圈和所述第二线圈分别对应在上表面、下表面以及前侧面、后侧面会重合,需要采用错开方式布设,所述上表面、下表面以及前侧面、后侧面的位置,所述第三线圈位于外侧。
[0016]本发明还提供了天线系统,包括上述的立体绕线贴片式NFC天线、基板以及金属板,所述金属板放置在所述基板上,所述立体绕线贴片式NFC天线位于所述金属板上。
[0017]其进一步技术方案为:沿着长度方向,所述立体绕线贴片式NFC天线的内端设在所述金属板的正上方,所述立体绕线贴片式NFC天线的外端设在所述金属板的外部。
[0018]本发明立体绕线贴片式NFC天线的加工方法是:所有铁氧体芯体的XY平面上的导体走线都是通过把金属(如金浆,银浆或铜浆)浆料以丝网印刷的形式制成的,所述沿着Z方向的走线(即通孔)都是通过在相关的各个分层上打通孔并把浆料注入通孔,最后经过高温烧结而成。
[0019]本发明与现有技术相比的有益效果是:本发明的立体绕线贴片式NFC天线,采用了沿X轴方向延伸的铁氧体芯体,及在X轴投影方向上呈Z字形环绕于铁氧体芯体的NFC天线的第三线圈、正交环绕于铁氧体芯体的NFC天线的沿上下方向的Z轴螺旋缠绕的第二线圈以及正交环绕于铁氧体芯体的NFC天线的沿前后方向的Z轴螺旋缠绕的第一线圈;这三个线圈的按照一定规律的首尾相连增强了天线的性能,使得NFC天线单体除了沿着线圈绕行的铁氧体芯体长轴方向的磁场分量外,同时还产生具有与长轴方向垂直的两个磁场分量;Z字形的第三线圈、铁氧体上表面平行的第二线圈和第一线圈的“咬合式”叠加以及第二线圈和第三线圈产生的与PCB板垂直的磁场分量进一步增强了天线的性能,达到高性能的效果;另夕卜,第一线圈、第二线圈以及第三线圈都是绕行在铁氧体芯体的外表面上,充分利用铁氧体芯体的空间,使得整个NFC天线尺寸较小。
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。【附图说明】
[0021]图1为本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线单体的爆炸结构示意图; [〇〇22]图2是本发明实施例提供的只有第一绕线线圈的NFC天线单体的立体爆炸结构示意图;[〇〇23]图3是本发明实施例提供的只有第二绕线线圈的NFC天线单体的立体爆炸结构示意图;[〇〇24]图4是本发明实施例提供的只有第三绕线线圈的NFC天线单体的立体爆炸结构示意图;
[0025]图5是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线单体的简易绕线结构示意图;
[0026]图6是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线单体的工作原理示意图,其中A1、A3、B2以及B3为磁场的分量方向;[〇〇27]图7是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线系统工作原理示意图;[〇〇28]图8是本发明实施例提供的天线系统在金属板上方Z = 20mm处的磁场Hz分量分布图;[〇〇29]图9是本发明实施例提供的天线系统只有第一天线线圈时在金属板上方Z = 20mm 处的磁场Hz分量分布图;
[0030]图10是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线的第一扩展绕线天线单体的结构示意图;
[0031]图11是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线的第二扩展绕线天线单体的结构示意图;[〇〇32]图12是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线的第三扩展绕线天线单体的结构示意图;[〇〇33]图13是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线的第四扩展绕线天线单体的结构示意图;[〇〇34]图14是本发明具体实施例提供立体绕线贴片式NFC天线的第五扩展绕线天线单体的结构示意图。
[0035]附图标记[〇〇36]1铁氧体芯体2第一线圈
[0037]3第二线圈4第三线圈[0〇38]5天线绝缘层6a和6b过孔电极[〇〇39]7a第一外部电极7b第二外部电极
[0040] 8?11连接导体la顶层片状芯体单元
[0041]lc、lb中间层片状芯体单元Id底层片状芯体单元
[0042]21a?25顶层导线体22左导线体
[0043]23右导线体21Va?24Va左导体
[0044]21Vb?25Vb 右导体33、32、31 线圈体
[0045]41a、42a、41c、42c 导体走线
[0046]41d、42d 第一导线41b、42b 第二导线
[0047]50金属板60基板【具体实施方式】[〇〇48]为了更充分理解本发明的技术内容,下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明,但不局限于此。[〇〇49]如图1-图14所示的具体实施例,本实施例提供的立体绕线贴片式NFC天线,可以运用在天线系统中,实现为移动设备客户提供高性能小尺寸的贴片式NFC天线。
[0050]如图1所示,立体绕线贴片式NFC天线,包括由四层(可为若干层,本例中为四层,具体的最少层数由第二线圈的匝数决定)片状芯体单元1&、113、1(3、1(1层叠而成的沿乂¥平面延伸的铁氧体芯体1,及相互连接的三个环绕铁氧体芯体外表面的NFC天线线圈的第一线圈2、 第二线圈3和第三线圈4,第一线圈2沿前后方向的X轴螺旋缠绕,第二线圈3沿上下方向的Z 轴螺旋缠绕,第三线圈4呈Z字形环绕铁氧体芯体1的外表面上;铁氧体芯体1的下端连接有天线绝缘层5;天线绝缘层5的下端面上连接有外部电极,包括天线绝缘层5还设有用于连接 NFC天线线圈与外部电极的过孔电极6a和6b,第一外部电极7a和第二外部电极7b。第三线圈 4的首端通过连接导体10(即起到过渡联接作用的导体)分别与过孔电极6a以及第一外部电极7a连接,且尾端通过连接导体9(即起到过渡联接作用的导体)与第二线圈3的首端连接; 第二线圈3的尾端通过连接导体8(即起到过渡联接作用的导体)与第一线圈2的首端连接; 第一线圈2的尾端通过连接导体11(即起到过渡联接作用的导体)与通孔电极6b再与外部第二电极7b连接。[〇〇51]其中,如图2所示,第一线圈2包括若干根位于顶层片状芯体单元la下表面的顶层导线体21a?25a,若干根位于底层片状芯体单元Id上表面的底层导线体21b?25b,及连接底层导线体左端端部和顶层导线体左端端部的若干个左导线体22、连接底层导线体右端端部和顶层导线体右端端部的若干个右导线体23;左导线体22由穿透于底层片状芯体单元 ld、中间层片状芯体单元lc以及lb和顶层片状芯体单元la的近于左端的左通孔内的左导体 21Va?24Va构成;右导线体24由穿透于底层片状芯体单元Id、中间层片状芯体单元lc、lb和顶层片状芯体单元la的近于右端的右通孔内的右导体21Vb?25Vb构成;第一线圈2的右导体的尾端与通孔电极6b再与外部第二电极7b连接。[〇〇52]另外,如图3所示,第二线圈3包括设于底层片状芯体单元Id上表面和中间层片状芯体单元lc以及lb上表面的线圈体33、32、31,底层片状芯体单元Id上表面的线圈体33的首端与第三线圈4的尾端连接,其首端通过设于第一层片状芯体单元lc侧边的竖向连接导体 3Vc与第二层片状芯体单元lb的线圈体32的首端连接,如此循环向上,直至最上面一个线圈体31的尾端通过设于顶层片状芯体单元la侧边的连接导体8与第一线圈2的首端连接。 [〇〇53]再有,如图4所示,第三线圈4包括设于顶层片状芯体单元la的上表面的导体走线 41c和42c,在底层片状芯体单元Id的下表面的导体走线41a和42a,及连接底层导线体前端端部和顶层导线体前端端部的若干个前导线体、连接底层导线体后端端部和顶层导线体后端端部的若干个后导线体;前导线体由穿透于底层片状芯体单元ld、中间层片状芯体单元 lc以及lb和顶层片状芯体单元la的近于前端的前通孔内的前导体(图中未示出)、分别布置在底层片状芯体单元ld、中间层片状芯体单元lc以及lb和顶层片状芯体单元la的近于前端的第一导线41d以及42d构成;后导线体44由穿透于底层片状芯体单元ld、中间层片状芯体单元lc、lb和顶层片状芯体单元la的近于后端的后通孔内的后导体(图中未示出),分别布置在底层片状芯体单元ld、中间层片状芯体单元lc以及lb和顶层片状芯体单元la的近于后端的第二导线41b以及42b构成,底层片状芯体单元Id的下表面的导体走线41a的首端与过孔电极6a相连以及第一外部电极7a连接,底层片状芯体单元Id的下表面的导体走线42a 的尾端与底层片状芯体单元Id上表面的线圈体33的首端连接。[〇〇54]这样,所述第三线圈4的顶层片状芯体单元la的导体走线41c和42c、底层片状芯体单元Id的导体走线41a和42a分别与Z轴垂直;第三线圈4的前侧部的导线体与后侧部的导线体分别与Y轴呈一定的倾斜夹角0,以构成第三线圈3在X轴方向上的投影呈Z字形。[〇〇55]第二线圈3只产生与长轴方向垂直(或与Z轴方向平行)的磁场分量,第三线圈4产生包含与长轴方向垂直的磁场分量;这些与长轴垂直的磁场分量恰好可以有效地与天线线圈在金属板60上耦合出来的涡流回路产生的磁场相叠加,从而增强整体天线系统的性能。 [〇〇56] 并且,天线线圈是通过在绝缘层5上连接天线线圈的两个端点的通孔6a和6b以及绝缘层的下表面上的电极7a和7b与外部进行连接的。天线的导电体从电极7a开始,通过第一线圈2、第二线圈3到第三线圈4的连接,以及最终到7b的完整相连构成具有立体绕线的贴片式NFC天线单体。[〇〇57]另外,电极7a和7b有两个作用:一个作用是用于在线路板(PCB)上连接天线激发源的两个馈电点,另外一个作用是用于天线与PCB之间的焊接;这也是该天线被称为贴片式 NFC天线的原因。[〇〇58]上述的立体绕线贴片式NFC天线,采用了沿X轴方向延伸的铁氧体芯体1,及在X轴投影方向上呈Z字形环绕于铁氧体芯体1的NFC天线的第三线圈4、正交环绕于铁氧体芯体的NFC天线的沿上下方向的Z轴螺旋缠绕的第二线圈3以及正交环绕于铁氧体芯体的NFC天线的沿前后方向的X轴螺旋缠绕的第一线圈2;这三个线圈的按照一定规律的首尾相连增强了天线的性能,使得NFC天线单体除了沿着线圈绕行的铁氧体芯体长轴方向的磁场分量外, 同时还产生具有与长轴方向垂直的两个磁场分量;Z字形的第三线圈4、铁氧体上表面平行的第二线圈3和第一线圈2的“咬合式”叠加以及第二线圈3和第三线圈4产生的与PCB板垂直的磁场分量进一步增强了天线的性能,达到高性能的效果;另外,第一线圈、第二线圈以及第三线圈都是绕行在铁氧体芯体的外表面上,充分利用铁氧体芯体1的空间,使得整个NFC 天线尺寸较小。
[0059]连接导体采用在通孔内填入导电材料而构成。
[0060]另外,第一外部电极7a与第二外部电极7b间隔布置在天线绝缘层5的下表面上,第一外部电极7a位于天线绝缘层5的下表面的中部,第二外部电极7b位于天线绝缘层5的下表面的近于左端。
[0061]更近一步的,第一线圈2由设于片状芯体单元上、下、左、右四个面的线圈体构成的。同一表面可以设有一圈,二圈或三圈的线圈体;如果相邻的表面都有线圈体时,可以米用错开的方式来布置。
[0062]第二线圈3由设于片状芯体单元前、后、左、右四个面的线圈体构成的。同一表面可以设有一圈,二圈或三圈的线圈体;如果相邻的表面都有线圈体时,可以采用错开的方式来布置。
[0063]第一线圈2和第二线圈3在左侧面、右侧面会重合,需要采用错开方式布设,在左侧面、右侧面的位置,第一线圈2可以位于外侧,第二线圈3处于内侧;也可以是第一线圈2可以位于内侧,第二线圈3处于外侧。[〇〇64]在本实施例中,第三线圈4与第一线圈2和第二线圈3分别对应在上表面、下表面以及前侧面、后侧面会重合,需要采用错开方式布设,在上表面、下表面以及前侧面、后侧面的位置,第三线圈4位于外侧。[〇〇65]于其他实施例,虽然三个线圈在铁氧体芯体1的不同表面上的绕线形式是按照一定的内外绕行方式实现的(比如在铁氧体芯体1的上表面上第一线圈2落在第三线圈4的内部),但是这种内外绕行方式不是唯一的。只要在保证三个线圈中的电流方向不变时,线圈之间在铁氧体芯体1各个表面上的相对位置关系可以互换;比如说,在铁氧体芯体1的上表面上,第一线圈2可以落在第三线圈4的外侧也可以落在第三线圈4的内侧。
[0066]在本实施例中,铁氧体芯体1是由具有磁导率为y>100的低损耗磁性材料制成。这种材质的铁氧体芯体1可以减少磁性的损耗,最大程度的提高环绕在该铁氧体芯体1上的 NFC天线线圈与该铁氧体芯体1之间产生的磁场的强度。[〇〇67]本发明NFC天线线圈的加工方法与基于LTCC技术的陶瓷天线的加工过程类似,所有XY平面上的导体走线都是通过把金属(如金浆,银浆或铜浆)浆料以丝网印刷的形式制成的,所有沿着Z方向的走线(即通孔)都是通过在相关的各个分层上打通孔并把浆料注入通孔,最后经过高温烧结而成。
[0068] 使用该加工工艺,丝网印刷走线的线宽和通孔直径的精度很高,可以控制在0.1mm 的范围内,因此各个线圈在铁氧体芯体表面上相对位置不会对贴片式NFC天线的外围整体尺寸以及天线的性能造成影响。[〇〇69]为了能更简洁地描述三个线圈在铁氧体芯体上的绕线形式,图5给出了本案的立体绕线贴片式NFC天线单体的简易绕线结构示意图。其中第一线圈2用具有电流方向为a的线圈表示,第二线圈3用具有电流方向为b的线圈表示,第三线圈4用具有电流方向为c的线圈表不。
[0070]为了阐述本发明NFC天线的工作原理,我们先把该三个线圈分离成只具有第一线圈2的天线结构(此时的天线结构与村田在中国发明专利公开CN103620869 A中提出的方案相类似,下文中将简称其为“村田方案”),只具有第二线圈3的单体天线结构和只具有第三线圈4的单体天线结构,如图6中的第一行从左到右的三个天线结构所示。如图6所示,这三个天线线圈最终形成了图6中第一行最右边的那个天线结构,也即本发明所提出的天线方案。根据每个线圈的电流方向的定义,我们可以得知第一线圈2具有一个沿着-X方向的磁场分量A1,第二个线圈3只具有一个沿着+Z方向的磁场分量B2,第三个线圈4具有一个沿着+Z 方向的磁场分量B3以及一个沿着+Y方向的磁场分量A3。由上面三个天线产生的磁场分量在空间的叠加形成了具有一个具有如下磁场分量的天线:沿着-X方向的磁场分量A1,沿着+Z 方向的磁场分量B2+B3,沿着+Y方向的磁场分量A3。[〇〇71]另外,如图6所示,第二行为为四个不同天线结构的磁场Hz分量在天线上方Z = 20mm处的三维分布图,第三行为与上述磁场分量相对应的等高线分布图;特别上述磁场分布图是在下述条件下得到的:铁氧体芯体尺寸为6mm(长)x 3mm(宽)x 0.9mm(高);第一天线线圈匝数为9;第二天线线圈匝数为3;第三天线线圈匝数为3;绝缘层的厚度均为0.1mm。从这些磁场Hz分量的自左到右的演化可以看出天线由具有在YZ平面两侧绝对值相等的对称模式(也即只具有第一线圈2的情况)演化成具有在YZ平面两侧绝对值不等的非对称模式 (也即本发明的具有三个线圈的情况)。这里需要提出的是,上述非对称模式除了具有在YZ 平面两侧的不对称性外,在XZ平面两侧也存在不对称性。在XZ平面两侧的不对称性是由于第三线圈在XZ平面两侧的不对称性所致;如果第三线圈在XZ平面两侧是对称(如图11所示第一扩展情况)的话,那么上述模式在XZ平面两侧的不对称性也将随之消失。此外,在上述的非对称模式中,它在-X方向的那个模式的磁场Hz分量的绝对值远大于其在+X方向的那个模式;因为磁场Hz分量的绝对值越大该模式的性能越优,所以我们这里把具有绝对值大的那个模式称为该天线的主模式。而且,尤为重要的是因为主模式是由具有单一(第一,第二, 或第三)线圈所产生的具有相同(即+Z)方向的磁场分量相加而成,因此该主模式的性能比三个线圈分别独立存在时产生的任何一个模式的性能都有明显的增强。因此我们可以说, 就天线的性能方面而言,本发明所提出的立体绕线NFC天线方案比“村田方案”有明显的优势;或者说与“村田方案”相比,本发明所提出的方案在天线性能方面有显著的改进。[〇〇72]本实施例还提供了天线系统(如图7所示),包括上述的立体绕线贴片式NFC天线单体、基板60以及金属板50,其中,金属板50放置在基板60上,上述的立体绕线贴片式NFC天线位于金属板50上;立体绕线贴片式NFC天线可以完全放置在金属板50的上方。天线系统与金属板50耦合,在金属板50上也将产生涡流回路,金属板50上的涡流不仅是由在铁氧体芯体1 与金属板50相邻的下端面上的第一线圈2的部分耦合产生,而且还由落在铁氧体芯体10的前端面上的第二线圈3耦合产生以及由设在铁氧体芯体1上的第三线圈4耦合产生。因为这两部分的线圈的电流流向方向相同,因此涡流的强度也得到了增强,进而增强了整个天线系统的性能。图7中的第一线圈2,第二线圈3和第三线圈4的电流方向分别用a,b和c表示;金属板50上的涡流用d表示。金属板50上的涡流d将产生沿+Z方向的磁场分量B1。[〇〇73]具体地,在本实施例中,沿着长度方向(S卩X方向),立体绕线贴片式NFC天线的内端设在金属板50正上方,立体绕线贴片式NFC天线的外端设在金属板50外部;此时与长轴方向垂直的磁场分量恰好可以有效地与天线线圈在金属板50上耦合出来的涡流回路d所产生的磁场形成正向的叠加,从而增强整体天线系统的性能。[〇〇74]并且,本发明与“村田方案”主要不同之处是,本发明的NFC天线单体本身除了具有第一线圈产生的磁场分量A1夕卜,还具有由第二线圈产生的方向朝+Z方向的磁场分量B2以及第三线圈产生的磁场分量B3,以及金属板上涡流回路d产生的磁场B1。价,B2,B3,和A1及A2 的有机结合增强了整体天线系统的性能。[〇〇75]图7为本案NFC天线单体在和具有平面金属板50和其衬底60组合成一个NFC天线系统时的工作原理示意图,其中金属板50的尺寸为30mm x 30mm。特别,虽然天线单体可以被放置在金属板50上方的任何位置上,但是为了优化整个天线系统的性能,天线单体应该被放置在金属板50的边缘上,因为只有被放置在金属板50的边缘时,在金属板上被激发的涡流强度最大。所以,图7中的NFC天线单体是放置在金属板50在+X的边缘上的,而且天线单体的一部分放置在金属板50的上方,一部分放置在金属板50的外部(注:也可以完全放置在金属板边缘内侧的上方)。[〇〇76]为了证明村田的方案和本方案天线系统在+Z方向上产生的磁场强度的不同,图8 为图7所示NFC天线系统(即NFC天线单体同时具有第一、第二和第三线圈的情况,也即本发明的方案)的磁场分量Hz在Z = 20mm处的场强分布图;图9为图7所示NFC天线系统只具有第一线圈的情况(也即“村田方案”)的磁场分量Hz在Z = 20mm处的场强分布图。对比图8和图9 可以看出,基于本发明NFC天线单体的天线系统的性能将比基于村田NFC天线单体的天线系统的性能有很大的提升;通过对Hz峰值的比较得知提升的幅度大约在30%左右。[〇〇77]如果当NFC天线单体的长、宽、高的比例以及第一线圈的匝数不变时,天线性能的将随着第二和第三线圈的匝数的增加而增强,因为此时第二线圈所产生的磁场强度B2和B3 将增加。如果当NFC天线单体的长、宽、高的比例有所变化但每个线圈的匝数不变时,天线性能的提升将随着这个比例的变化而变化;比如当长和宽的比例较小或者高度有所增加时, 相对而言第二线圈3或第三线圈4所产生的磁场B2或B3将有所增加,因此天线系统性能的提升比例将会更高。
[0078]此外,图8和图9为图7中的天线单体被放置在金属板+X方向的边缘上的情况。但是如前所述,因为本发明的天线单体对其每个线圈电流的方向有一定的条件约束,也就是说立体绕线型贴片NFC天线具有方向性,因此如果天线单体是被放置在其它金属板的边缘上时,比如-X方向的边缘上,那么天线单体需要旋转180度,因为只有这样才能保证金属板涡流产生的磁场方向与第二以及第三线圈产生的磁场方向同向进而达到正向叠加的目的。总之,一定要保证金属板50涡流所产生磁场B1的方向与第二线圈3和第三线圈所4产生磁场B2 和B3的方向相同。为了避免在实际应用中出错,可以像大部分芯片一样,在天线单体的上表面(比如沿着X方向)的一个角上打印一个标记点。[〇〇79]作为本发明NFC天线的扩展,图10-图14给出了五种典型的扩展方案。这里,第一线圈2、第二线圈3和第三线圈4仍然分别由具有电流方向为a,b,和c的线圈所描述。图10-图 12中的三个方案都具有与“村田方案”相同的第一线圈。与本发明的方案不同的上,图10-图 12的方案所产生的主模将只具有在YZ平面两侧的非对称性,这是因为在这些方案中第二和第三线圈都是沿着XZ平面对称排布的。在图10-图12的三个方案中,图12的天线性能将较差,因为图12中的第三线圈3是不能产生沿+Z方向的磁场分量B3的。再有,相对而言图13-图 14中的方案天线性能将比其他的方案差一些,因为在这两个方案中主要用于在金属板上产生有效涡流的第一线圈没有沿着X轴进行螺旋缠绕,因此不能最大程度地激发出磁场分量 B1。最后,对于所有的设计方案而言,在其被放置在PCB板上时都要把铁氧体芯体底部的线圈导体更加靠近金属板来形成与PCB板的最佳耦合,并产生较强的有效涡流以达到增强整个天线系统性能之目的。
[0080]在其他实施例中,天线系统也可以建立在基于多个相互串联的立体绕线贴片式 NFC天线的情况,若干个相互串联的立体绕线贴片式NFC天线分别放置在金属板50上,通过这种相互串联的连接方式,可以保证由每个立体绕线贴片式NFC天线在金属板50上产生的涡流回路的方向一致,因此在金属板50上产生的涡流回路的强度将随着串联立体绕线贴片式NFC天线个数的增加而增加。因此天线系统的性能将随着天线所包含的相互串联的立体绕线贴片式NFC天线的个数而增强。
[0081]所有的上述描述中,NFC天线单体的尺寸是很小以至于小到芯片量级的,比如3mm x 6mm x 0.9mm。事实上,天线的性能是和铁氧体芯体的体积成正比的,因此在本案提出的立体绕线式不变(也即保持设计原理不变)的情况下,通过增大铁氧体芯体1的体积,还可以扩展到具有较大体积的NFC天线设计与应用上,比如具有铁氧体芯体1比如为(5-10)mm x (10-20)mm x(l-5)mm的情况。此时,可以采用FPC或者漆包线对这个较大的铁氧体芯体1进行绕行。[〇〇82]上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容,以便于读者更容易理解,但不代表本发明的实施方式仅限于此,任何依本发明所做的技术延伸或再创造,均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。
【主权项】
1.立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,包括由若干层片状芯体单元层叠而成的沿XY 平面延伸的铁氧体芯体,及相互连接的三个环绕在所述铁氧体芯体外表面的NFC天线线圈 的第一线圈、第二线圈和第三线圈,所述第一线圈沿前后方向的X轴螺旋缠绕,所述第二线 圈沿上下方向的Z轴螺旋缠绕,所述第三线圈呈Z字形环绕所述氧体芯体的外表面上;所述 铁氧体芯体的下端连接有天线绝缘层;所述天线绝缘层的下端面上连接有外部电极,所述 外部电极包括第一外部电极和第二外部电极;所述天线绝缘层还设有用于连接NFC天线线 圈与所述外部电极的过孔电极;所述第三线圈的首端通过连接导体分别与所述过孔电极以 及第一外部电极连接,且尾端通过连接导体与所述第二线圈的首端连接;所述第二线圈的 尾端通过连接导体与所述第一线圈的首端连接;所述第一线圈的尾端通过连接体分别与通 孔电极和所述外部第二电极连接;所述第一线圈包括若干根位于顶层片状芯体单元下表面的顶层导线体,若干根位于底 层片状芯体单元上表面的底层导线体,及连接所述底层导线体左端端部和所述顶层导线体 左端端部的若干个左导线体、连接所述底层导线体右端端部和所述顶层导线体右端端部的 若干个右导线体;所述左导线体由穿透于所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和 所述顶层片状芯体单元的近于左端的左通孔内的左导体构成;所述右导线体由穿透于所述 底层片状芯体单元、所述中间层片状芯体单元和所述顶层片状芯体单元的近于右端的右通 孔内的右导体构成;所述第一线圈的右导体的尾端与所述通孔电极再与所述外部第二电极 连接;所述第二线圈包括设于所述底层片状芯体单元上表面和所述中间层片状芯体单元上 表面的线圈体,所述底层片状芯体单元上表面的线圈体的首端与所述第三线圈的尾端连 接,其首端通过设于所述第一层片状芯体单元侧边的竖向连接导体与所述第二层片状芯体 单元的线圈体的首端连接,如此循环向上,直至最上面一个线圈体的尾端通过设于所述顶 层片状芯体单元侧边的竖向连接导体与所述第一线圈的首端连接;所述第三线圈包括设于所述顶层片状芯体单元的上表面的导体走线,所述底层片状芯 体单元的下表面的导体走线,及连接所述底层导线体前端端部和所述顶层导线体前端端 部的若干个前导线体、连接所述底层导线体后端端部和所述顶层导线体后端端部的若干个 后导线体;所述前导线体由穿透于底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯 体单元的近于前端的前通孔内的前导体、分别布置在所述底层片状芯体单元、中间层片状 芯体单元和顶层片状芯体单元的近于前端的第一导线构成;所述后导线体由穿透于所述底 层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于后端的后通孔内的后导 体,分别布置在所述底层片状芯体单元、中间层片状芯体单元和顶层片状芯体单元的近于 后端的第二导线构成,所述底层片状芯体单元的下表面的导体走线的首端与所述过孔电极 相连以及所述第一外部电极连接,所述底层片状芯体单元的下表面的导体走线的尾端与所 述底层片状芯体单元上表面的线圈体的首端连接。2.根据权利要求1所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述连接导体采用在 通孔内填入导电材料而构成。3.根据权利要求1所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述第一外部电极与 所述第二外部电极间隔布置在所述天线绝缘层的下表面上,所述第一外部电极位于所述天 线绝缘层的下表面的中部,所述第二外部电极位于所述天线绝缘层的下表面的近于左端。4.根据权利要求1至3任一项所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述第一线 圈是由设于所述片状芯体单元上、下、左、右四个面的线圈体构成的,同一表面可以设有一 圈,二圈或三圈的线圈体;如果相邻的所述表面都有线圈体时,可以采用错开的方式来布置。5.根据权利要求4所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述第二线圈由设于 所述片状芯体单元前、后、左、右四个面的线圈体构成的,同一表面可以设有一圈,二圈或三 圈的线圈体;如果相邻的表面都有线圈体时,可以采用错开的方式来布置。6.根据权利要求5所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述第一线圈和所述 第二线圈在左侧面、右侧面会重合,需要采用错开方式布设,所述左侧面、右侧面的位置,所 述第一线圈可以位于外侧,所述第二线圈处于内侧;也可以是所述第一线圈可以位于内侧, 所述第二线圈处于外侧。7.根据权利要求6所述的立体绕线贴片式NFC天线,其特征在于,所述第三线圈与所述 第一线圈和所述第二线圈分别对应在上表面、下表面以及前侧面、后侧面会重合,需要采 用错开方式布设,所述上表面、下表面以及前侧面、后侧面的位置,所述第三线圈位于外侧。8.天线系统,其特征在于,包括权利要求1至7任一项所述的立体绕线型贴片式NFC天 线、基板以及金属板,所述金属板放置在所述基板上,所述立体绕线型贴片式NFC天线位于 所述金属板上。9.根据权利要求8所述的天线系统,其特征在于,沿着长度方向,所述立体绕线型贴片 式NFC天线的内端设在所述金属板的正上方,所述立体绕线型贴片式NFC天线的外端设在所 述金属板的外部。10.权利要求1所述的立体绕线贴片式NFC天线的加工方法,其特征在于,所有铁氧体芯 体的XY平面上的导体走线都是通过把金属浆料以丝网印刷的形式制成的;所述沿着Z方向 的走线都是通过在相关的各个分层上打通孔并把浆料注入通孔,最后经过高温烧结而成; 所述的金属浆料为金浆浆料、银浆浆料或铜浆浆料。
【文档编号】H01Q1/38GK105977644SQ201610167661
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】赵安平, 陈浩
【申请人】深圳市信维通信股份有限公司
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