用于近场天线的天线电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天线电路，特别是用于为近场通信采用发送天线的天线匹配电路。
【背景技术】
[0002]在现有技术中已总所周知，近场通信(NFC)是一种通过使两个发送/接收装置相互靠近而实现身份验证、数据交换或支付过程的通信技术。
[0003]近场通信是非接触式技术，这种技术于数兆赫(通常为13.56兆赫)范围内在使用感应式环形天线的情况下工作。
[0004]在现有技术中具有诸多在优化成本的同时亦能优化质量的方式驱动这类环形天线的方法。
[0005]举例而言，专利文献DE102013015736A1公开一种带有对称滤波电路的天线匹配电路。此外，还已知多种包含对近场-NFC-通信系统的具体要求的标准化作业。参考资料及标准化作业的实例如下:
[0006]-NFC 论坛(http://www.nfc.0rg)
[0007]-1SO 144431-4 (近距离:MiFare、DESFire 等)
[0008]-1SO 10373-6(识别卡-测试方法)
[0009]-JIS 6319(FeliCa SONY)
[0010]-1SO 15693(近距卡-更远距离-逻辑)
[0011]在现有技术中处理NFC系统的阻抗匹配的另一示例是Michael Gebhart、ThomasBaier和Marc Faccini于2013年在第12届电信国际会议上发表的文章“AutomatedAntenna Impedence Adjustment for Near Field Communicat1n (NFC)(用于近场通信的自动式天线阻抗调整)”(ISBN 978-1-4673-5984-9)。
[0012]此外，操作电路连同其产品的制造商也公开了构造天线电路的基本原理。对此，例如参阅飞利浦半导体公司对Micore Reader IC Family (2006年5月10日2.05版本)的使用说明资料。该文献阐明如何借助商用标准的驱动电路及专门设计的天线来构造用于EMV滤波所附的滤波电路及用于接通驱动电路及天线的阻抗匹配电路。
[0013]所产生天线电路的功能性首先在于传输功率，其中在考虑结构极限并顾及发射频率的谐波辐射的情况下，使辐射磁场最大化。
[0014]此外，鉴于信号整形及信号时序须发射调幅信号，从而各接收器才能在接收端处理信号。在利用天线电路接收数据的情况下，需根据驱动电路的预定值对所接收的信号进行预处理并输送。
[0015]在上述现有技术中描述了设计天线电路的示意性方法，其中首先构造天线线圈，再确定该线圈的电感、电阻及品质。随后，计算共振性能，以便用线圈产生振荡回路。其后，使振荡回路适配于所需的阻抗并与EMV-低通滤波器的出口耦合。最后，对品质因数及接收电路进行测试及调整(微调)。
[0016]应注意，在现有技术中曾提出，为改进所述系统，将EMC滤波器的共振频率设定成超过载波频率，例如设定为约14.4兆赫。根据现有技术，这种设置提高了接收性能，此外还提高了传输信号的信号品质。针对天线电路的这种已知结构，在现有技术中实际上已有众多详细说明(如在上述文献中)，但并未对此进行深入研究。
[0017]然而，根据现有技术调整及设计的系统在载波频率范围内会导致的问题在于，输入电流经常大于天线电流，但在数量级方面却始终等于天线电流。此外，对载波频率的频率响应的变化幅度较大且不具规则性，从而零件公差所决定的略微频率偏移会导致结果不如预期。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是，为近场通信提供一种改进的用于天线的天线电路。
[0019]本发明通过具有权利要求1所述特征的天线电路达成上述目的的解决方案。
[0020]在根据本发明的天线电路中，天线电流在更宽的频率范围内稳定在工作频率，并且输入电流在更宽的频率范围内相对于现有技术显著降低。
[0021]另外，本发明还利用到振荡回路的相互耦合原理，正如其在高频技术领域已证实的效果。振荡回路以电感、电容或电流方式相互耦合，采用本质上不同的耦合类型。由高频技术已知振荡回路中称作“亚临界耦合”、“临界耦合”及“超临界耦合”等术语。
[0022]根据本发明的解决方案在此提出在串联天线电路的天线回路之间建立临界耦合，从而实现天线电流的频率响应曲线的中间部分呈平坦。常规的结构会导致超临界耦合，其中传输函数或多或少会在中间形成鞍状部分并引起不理想的强烈频率依赖性。
[0023]因此，根据本发明产生临界耦合，其中在根据本发明的电路适配中，需顾全滤波电路连同匹配电路与天线的耦合。从天线开始制作天线电路的常规过程中，首先进行阻抗匹配，其后使阻抗匹配电路与EMV滤波器耦合，最后进行优化，而根据本发明的构造所采取的方式是，匹配电路及滤波器均须需临界耦合。
[0024]特别已证实，在天线回路以及滤波器和匹配电路的组合中选择基本上相同的有效总电容及总电感，在该情况下的相同首先表示数量级相同，特别是误差至多达允许值的20%，以便进行精调。
[0025]对滤波器及匹配电路的共识中，能够移动阻抗匹配装置的位置，用以在至少局部或全部滤波网络中优化有效电流。
[0026]综合考虑天线网，即在考虑滤波电路及匹配电路的总体的同时考虑天线线圈，能够实现根据本发明的临界耦合，其中在载波频率范围内的输入电流显著低于天线电流。
[0027]在本发明的范围内，根据本发明的这种匹配装置使得耦合值(即电容耦合中耦合电容的电容值)显著高于常规天线电路中的耦合值。更高的耦合值为公差独立并提供相应更具可靠性的传输。制作过程在容错及制造成本方面得到改善。
【附图说明】
[0028]下面参照附图对本发明予以详细说明。
[0029]图la表示根据现有技术的示例性天线电路；
[0030]图lb表示由图la的天线电路模拟计算得出的频率响应曲线；
[0031]图2a表不根据本发明一实施方案的天线电路；
[0032]图2b表示由图2a的天线电路模拟计算得出的频率响应曲线。
【具体实施方式】
[0033]在图la中示出用于驱动NFC天线的电路模拟线路图。部分A表示用于EMV滤波的电网，部分B表示阻抗匹配电路，部分C是天线阵列的等效电路图。在该实施例中，天线参数在11.68MHz频率下为808nH且其线圈电阻为390m0hm。
[0034]根据驱动电路制造商的要求优化所示电路，首先考虑天线(C)及其实测性能，随后是阻抗匹配装置(B)，最后是滤波装置(A)以及最终优化装置。
[0035]在图lb的上半部分中示出图la所示电路的滤波曲线。在图lb的下半部分中示出天线电流(AnC)及输入电流(InC)的频率响应。
[0036]显然可以看出，在该实施例中，输入电流处于天线电流上方，特别在载波频率为
13.572兆赫的情况下。此外，天线电流在所需载波频率前后范围内还具有明显的频率依赖性。
[0037]图2a表示根据本发明的滤波器的实施方案。须考虑滤波网络及匹配网络中的电感、电容和电阻，才能利用天线线圈产生振荡回路的临界耦合。
[0038]在该实施例中，对滤波网络与匹配网络的组合(网络D)中的电容及电感进行选取，从而使该网络中的总电感及电容与天线网(网络E)中的总电容及电感大体一致。在该实施例中，误差小于20%。还可将由欧姆电阻器组成的阻抗匹配装置从天线与匹配网络间的耦合线移入滤波器网络中(电阻器RRURR2)，以便获得最佳的有效电流。耦合电容CK1、CK2相对于现有技术显著增大，其中较高的耦合值在零件公差方面亦为公差独立。
[0039]此外，在该实施例中，输出回路也实现对称(参见质点Symm)，而其在现有技术的实施例中则并非对称。
[0040]可以看出，电感LA1和LA2的总和约等于耦合的天线线圈的电感LA。在此，在整个网络D与线圈E之间产生按照高频技术标准的临界耦合。
[0041]如图2b可以看出根据本发明构思的结果，其中包括含滤波网络及匹配装置整体在内的振荡回路的耦合。在此，上半部分也表示滤波曲线，下半部分也表示输入电流及天线电流的频率响应。在此，天线电流(AnC)在目标频率13.574兆赫前后具有较宽的平稳区段，对于输入电流(InC)而言则可看出在工作频率下明显出现电流最低值(Min)。电路的这种特性能够显著改善整个天线电路的性能。
【主权项】
1.用于具有近场通信装置的机动车的通信装置，该通信装置包括天线部分、驱动电路以及设置于驱动电路与天线线圈之间的匹配电路和滤波电路， 其中所述天线部分形成具有第一谐振频率的电子振荡回路， 其中匹配电路及滤波电路形成至少一个具有第二谐振频率的第二振荡回路， 其特征在于: 根据临界耦合的方式将所述第一振荡回路与所述第二振荡回路耦合。2.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述第二振荡回路是串联振荡回路。3.根据权利要求1或2所述的通信装置，其中所述匹配电路及滤波电路的有效总电容等于所述天线部分的有效总电容，特别其误差小于25 %，优选小于15 %。4.根据前述权利要求中任一项所述的通信装置，其中所述匹配电路及滤波电路的有效总电感等于所述天线部分的有效总电感，特别其误差小于25%，优选小于15%。5.根据前述权利要求中任一项所述的通信装置，其中所述阻抗匹配装置至少局部通过将欧姆电阻器于耦合电容之前装入滤波电路中实现。6.根据前述权利要求中任一项所述的通信装置，其中所述滤波电路至少局部构造为对称的滤波电路。7.根据前述权利要求中任一项所述的通信装置，其中所述匹配电路至少局部构造为对称的匹配电路。8.根据前述权利要求中任一项所述的通信装置，其中所述天线部分构造为具有中央接地线的对称输出回路。
【专利摘要】一种用于具有近场通信装置的机动车的通信装置，该通信装置包括天线部分、驱动电路以及设置于驱动电路与天线线圈之间的匹配电路和滤波电路。天线部分形成具有第一谐振频率的电子振荡回路。匹配电路及滤波电路构成至少一个具有第二谐振频率的第二振荡回路，并且第一振荡回路根据临界耦合方式而与第二振荡回路耦合。
【IPC分类】H04B1/04, H03H7/01, H03H7/38
【公开号】CN105471449
【申请号】CN201510551699
【发明人】贝特霍尔德·西格
【申请人】胡夫·许尔斯贝克和福斯特有限及两合公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年9月1日
【公告号】DE102014113910A1, EP3001561A1