非静态磁场发射器、其在系统中的连接及数据调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种非静态磁场发射器，其在具有较小可用构建高度的扁平载体、特 别是可移除存储卡（例如，microSD卡或SIM卡）的表面上形成小型天线替代物。该天线 特别地用于在移动电话或也在不同电子装置的PCB板上产生附加的非接触式NFC/RFID通 信信道。该方案主要针对通过移动通信装置实施的支付应用。然而，原则上，根据本发明的 新类型的发射器、其布置和调制方法也可用于其他应用和装置，特别地，在没有足够的空间 来扩展天线的情况下，W及在天线被应用于各种环境时被在不同环境特性方面具有不同结 构及属性的相邻元件屏蔽的情况下。
【背景技术】
[0002] 直接放置于旨在插入到移动通信装置的插槽中的可移除卡上的天线被下述公开 专利文件公开；例如，DE10252348A1，W0 03/043101A3。该些公开文件描述了在卡上使 用天线的一般可能性，但是，在可移除卡被移动通信装置（特别是，移动电话）的相邻件屏 蔽的情况下，该些公开文件并没有包含足够的天线详细说明。
[0003] 特定描述的NFC天线在表面上呈导线环状，而在小尺寸的情况下，利用全部可用 空间。当将该NFC天线放置在相对较小的区域时，将天线构形为具有圆角的内接矩形的螺 旋线圈，圆角通常沿着可用区域的外轮廓。该种配置已产生了非常典型的NFC天线形状。
[0004] 因此，用于NFC和RFID传输的天线基本上是扁平的，其中，环形绕组围绕可用区域 的边缘，如根据下述专利的；DE102008005795、CN102074788、US2009314842、CN101577740、 CN201590480、CN201215827、CN201515004、CN201830251、JP2010102531、JP2011193349、 KR20100056159、KR100693204、W02010143849、JP2004005494、JP2006304184、 JP200503346UJP2010051012。当在可移除存储卡上实施该天线时，W自然方式利用扁平卡 特性并且天线通过最大区域的可用部分上的环形绕组发展，举例来说，例如W02012019694、 DE102010052127、DE102004029984、CN101964073。然而，可用表面上的框形天线方案并没 有产生期望的结果，并且，不同申请人从而使用其他元件（例如，肋、层及类似物）来补偿天 线。该些方案增加了结构难度并且不会导致可靠通信信道的产生。目前，已知的是小型天 线方案（例如，US2007/0194913A1)，其解决了减小天线尺寸W及减小其与基板之间的连 接的问题，但是该类申请并未解决不同天线屏蔽的问题。在具有很少可用空间的区域中应 用现有的NFC天线的知识没有产生期望的结果，而低于一定水平的小型化不会线性地改变 得到的天线属性。
[0005] 公开的Logomotion的专利申请描述了天线配置和特定的可移除存储卡层，其目 的是为了预设发射和接收天线特性W允许即使在不同屏蔽卡插槽处也产生可靠的通信频 道。该定义的技术任务导致多个技术方案的产生，其仅对某些移动电话产生满意结果，然后 进一步的研发朝着屏蔽区域之外的移动电话的机身上的较大的、附加天线的产生进行。例 如标签形式的该些附加天线（CN201590480U)可W与卡上的基本天线非接触式链接，但是， 其仍保持该配置的小通用性，并且该应用的复杂性对一般使用者来说也是不利的。
[0006] 直接放置于可移除卡上的天线具有非常有限的尺寸选项。移动电话具有用于微型 SD格式的卡的插槽，该显著地限制了可W直接放置在卡上的天线的尺寸。当将可移除卡放 置在屏蔽非常大的插槽中（例如，移动电话的电池下方）时，卡上的天线的传输状况变得 非常糟糕。使用整流层、巧具有有限的特定效应，并且当设定移动电话的各种结构时通用 性较差。基础理论和技术公开认为；在小的厚度和可用空间的情况下，RFID或NFC天线应 形成为片状天线，例如，2010年KlausFinkenzeller的RFID手册中的图2. 11、图2. 15、图 12. 7、图 12. 9、图 12. 11、图 12. 13。根据相同参考文献（第 4. 1.1. 2 章，OptimalAntenna Diameter/PhysicalPrinciplesofRFIDSystems),如果传输天线的半径对应于所需的天 线范围的平方根，则最佳。
[0007] 非接触式通信标准ISO14443表征了利用频率为13. 56MHz的载波信号进行A或B 调制的条件。在发射器中将传输的数据调制到副载波频率，并且将该副载波频率与基本载 波信号组合。结果是频率与在接收器中通过从接收到的频谱分离出载波信号而检测到的传 输数据叠加。
[0008] 因为在移动电话中更常使用金属组件和外壳，所W，即使在移动电话的设计中已 经预见到NFC元件或类似的通信元件的情况下，也可W出现构造及NFC天线放置的问题。期 望该样一种方案；其确保来自可通过围绕移动电话金属元件（例如，电池或金属外壳）而屏 蔽的移动电话的PCB板、SIM卡或可移除存储卡上的元件的传输信号的高吞吐量。
【发明内容】
[0009] 作为天线使用的非静态磁场发射器显著消除了提到的缺点，特别地，天线在电子 装置（例如，移动电话）的扁平基板上，其中，根据本发明的发射器的本质在于下述事实：发 射器具有长方形的至少部分的铁素体磁巧，磁巧由至少具有两个螺纹的导线缠绕，螺纹一 个接一个地紧密放置，并且一个螺纹的有效宽度W对应于具有+-75%的偏差的磁巧横截面 的半径。在其他有效磁巧横截面中，一个螺纹的宽度对应于具有+-75%的偏差的等效半径。
[0010] 一个螺纹的有效宽度W与磁巧半径或等效磁巧半径的比率为0. 25至1. 75、优选 地为0. 5至1. 5、特别优选地为0. 85至1. 15,该比率不仅代表尺寸比率。如在本发明的发 射器中所呈现出的，仅与紧密的导线绕组相关的尺寸关系观测示出数个物理模式的协同相 互作用。在提出的间隔的范围中，从导线的不同部分和单个线圈产生磁场的交互作用，而不 形成旋祸场，由此磁巧中的磁场得W放大并且其不会沿着线圈泄露到磁巧的终端端部的外 面。提出的一个螺纹的有效宽度与磁巧半径的比率还没有成为发射器或天线中的观测参 数。在现有的具有磁巧的天线中，一个螺纹的有效宽度W是磁巧的半径的不超过0. 001至 0. 1倍。根据本发明，对发射器有利的是接近1的比率，即，W=D/2,其中，D是磁巧直径或 者等效磁巧直径。
[0011] 发射器用作传统电磁天线的替代物，而在非接触式NFC或RFID禪合的另一侧，由 标准NFC或RFID接收装置接收和发射信号。发射器具有产生强烈并均匀的磁场的任务。在 microSD卡或SIM卡（用户识别模块）上使用发射器的情况下，磁巧的横截面将较小（例 如，磁巧高度的参数），小于1mm。在microSD卡上使用发射器的情况下，磁巧长度比磁巧横 截面是小参数的超过7倍。磁巧长度通常不超过15mm。在namoSIM卡上使用发射器的情况 下，发射器的厚度小于0. 65mm且其长度不超过12mm。发射器将特别地用于产生附加的非接 触式通信信道。本发明的发射器还产生电场，然而，在接收装置侧，该不是信号载体；其仅是 没有对穿过主机装置的屏蔽作出很大贡献的次场组件。对于磁巧厚度小于1mm的小型化天 线，出现的问题不能仅通过按比例的设置已知的常规较大天线结构的尺寸来解决。首先，与 根据2010年的KlausFinkenzeller的RFID手册中的增加天线范围的一般要求相反，螺纹 的直径将会显著的减小，基于该事实，根据本发明，平行于载体表面的轴的螺纹的使用变得 显而易见。
[0012] 磁巧在纵向方向上为长方形，W便磁巧端部在表面的可用空间内放置的彼此相距 最远。磁巧可弯曲，但是直椿磁巧可获得最好的结果，该样当磁场线在发射器的外部的密闭 时，路径最长，从而具有从屏蔽空间中泄露出作用。磁巧的铁素体应具有预设的相对磁导 率，使得发射器的电感为从600址至1200址，优选地接近75化H。考虑到原则，铁素体磁巧 可具有从30至300的范围的磁导率。将根据最大允许的磁饱和W及磁巧截面尺寸选项的 技术可能性来设置磁巧的磁导率。铁素体应表示放大磁场特性和属性的任何材料。
[0013] 重要的是，螺纹应该一个接一个的紧密缠绕W防止磁场从磁巧发射到磁巧端部的 外面。螺纹导线形成磁巧的屏蔽。相邻螺纹的导线防止产生相邻导线之间的导线的祸旋磁 场。实质上，相邻螺纹之间仅存在导线绝缘厚度形式的间隙。一组金属线圈产生引导磁场 流的磁巧屏蔽罩盖。
[0014] 为了达到条件，当磁场甚至透过主机装置的屏蔽元件之间的微小间隙从发射器泄 露时，磁巧中的磁场需要尽可能均匀并且同时在小的磁巧横截面处具有最大强度。均匀性 的要求设及到我们发现；在小尺寸的发射器，磁巧中不均匀的磁场强度显示出很大的损耗。 我们要求高磁场强度是为了实现磁场在整个环境中的高穿透性。
[0015] 当一个螺纹的有效宽度W对应于磁巧的圆形横截面的磁巧半径时，该种配置可W 最好的满足上述两个要求。一个螺纹的有效宽度W是螺纹导线反映磁巧长度的参数。导 线可W具有不同的横截面，从而一个螺纹的有效宽度W可W与实际导线宽度不同。在大多 数普通的情况下，当螺纹导线为环形或者为简单的扁平形状但不交错时，螺纹的有效宽度 W实际上将等于导线宽度。当使用扁平导线W使一个螺纹的部分导线由相邻导线的边缘覆 盖，将认为有效导线宽度为不具有边缘的宽度，所述边缘已经覆盖相邻导线。基本上，其将 是导线宽度的一部分，扁平导线中的该部分将与磁巧接触。在密集、紧密的线圈中，一个螺 纹导线的有效宽度W将与螺距相同。
[0016] 将有效宽度W与磁巧的半径或磁巧的等效半径相匹配的要求应理解为，有效宽度 W实质上等于磁巧半径。在磁巧的全部横截面参数都较小时，即使小的技术偏差也可导致背 离规则，而此时仍然要达到有益的效果，或者至少实现原理的充分有用的效应。当螺纹的有 效宽度W为磁巧的半径或者磁巧的有效半径的0. 6至1. 4倍的范围中时，满足尺寸关系条 件从而是需要考虑的情形。当半径处于0. 6至1. 4的范围时，磁功率的最大损耗为10%。 即使相对大的比率范围化25至1.75)实现了足够强大和有利的结果，而现有技术包括有 效宽度和磁巧半径的不同级别的比率（小于0. 001至0. 1)。
[0017] 关于尺寸关系，当磁场从小型磁