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1、(10)申请公布号 CN 102509866 A (43)申请公布日 2012.06.20 C N 1 0 2 5 0 9 8 6 6 A *CN102509866A* (21)申请号 201110343948.3 (22)申请日 2011.11.03 H01Q 1/36(2006.01) H01Q 1/38(2006.01) H01Q 1/24(2006.01) (71)申请人上海坤锐电子科技有限公司 地址 201203 上海市浦东新区张冬路1387 号10幢01号2楼 (72)发明人菅洪彦 (74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司 31213 代理人王敏杰 (54) 发明名称 移动支付。
2、转接桥方案通信距离均衡的SIM天 线 (57) 摘要 一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM 天线，由位于SIM卡的边缘的、每个线圈相互交 错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线 圈和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈通过两 个通孔串联构成，该天线的两个端口开设在该天 线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天 线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片 及相关电路，设计屏蔽强的手机接收时候谐振在 13.56MHz，屏蔽弱的手机天线电感会加大，自动失 谐，接收信号会被少放大或抑制；而设计阻抗匹 配网络在屏蔽强的手机内电路与天线阻抗匹配 在6.78MHz的发射频率，在屏蔽弱的手机天线。
3、的 电感数值会增大，自动阻抗匹配失谐，发射功率降 低，可以平衡不同手机的通信距离，降低了手机通 信距离的离散，实现了无需校准的手机通信距离 控制。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页 1/1页 2 1.一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特征在于该天线是由位于SIM卡 的边缘(63)的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈(60)和 SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈(61)通过两个通孔(62)串联构成，该天线的两个端口 (64。
4、)开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯 片和QSIM的SIM芯片及相关电路。 2.根据权利要求1所述的移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特征在于所述 的相关电路包括功率放大器(30)、阻抗匹配电路(31)、串联谐振的接收电路(32)和收发切 换开关(34)，所述的功率放大器(30)和阻抗匹配电路(31)组成的发送单元电路，所述的天 线(33)的两端通过所述的收发切换开关(34)的控制与所述的发送单元电路或所述的接收 电路(32)的两端的连接，通过阻抗匹配电路(31)将天线(33)和功率放大电路(30)的寄 生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频。
5、率为天线(33)的发送频率6.78MHz。 权 利 要 求 书CN 102509866 A 1/6页 3 移动支付转接桥方案通信距离均衡的 SIM 天线 技术领域 0001 本发明涉及天线，尤其是一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线。 背景技术 0002 移动支付业务(Mobile money)将成为未来几年最重要的发展趋势之一，将为全球 范围的用户带来新的益处，并对电信行业、科技行业和金融服务等行业带来深远影响。目 前，移动支付技术现存的方案包括：双界面SIM卡方案(DI-SIM)、近场通信(Near Field Communication，简称为NFC)方案、2.45GHz的RFSI。
6、M方案。 0003 NFC方案： 0004 NFC由飞利浦、诺基亚、索尼等厂商联合提出。它在单一芯片上结合射频读卡器、非 接触卡片和点对点的功能，是一种短距离无线通信技术。NFC采用13.56MHz作为通信频率 标准，兼容ISO14443、ISO15693等射频标准，作用距离10厘米左右，数据传输速度可以选择 106Kb/s、212Kb/s或424Kb/s。NFC芯片装在阅读器天线外壳上，手机就可以实现电子支付 和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC芯片与SIM芯片由SWP协议连接。SWP(C6)一根 信号线上基于电压和负载调制原理实现全双工通讯，可以实现SIM卡在ISO7816界面定义 下。
7、同时支持7816和SWP两个接口，并预留了扩展第三个高速(USB)接口的引脚(C4、C8)。 SWP系统地定义了从物理层、链路层到应用层的多层协议，并已成为ETSI标准。 0005 NFC手机有三种工作模式： 0006 非接触式卡模拟模式：NFC手机可以模拟成一个非接触式卡被读/写，它只在其他 设备发出的射频场中被动响应。 0007 点对点模式：NFC手机与其他设备双方都主动发出射频场来建立点对点的通信。 0008 读写器模式：NFC手机作为一个读写器，主动发出自己的射频场去识别和读/写别 的NFC设备。 0009 DI-SIM方案： 0010 双界面SIM卡是在传统的SIM卡中加入非接触射频。
8、接口，将提供能量耦合和数据 传输的天线集成在手机或者柔性电路板上，通过接触式界面处理传统GSM命令，采用非接 触式界面提供电子支付等增值服务。 0011 目前的主流双界面SIM卡移动支付解决方案能实现各种非接触移动应用，比如非 接触移动支付、电子钱包、PBOC借记/贷记以及其他各种非电信应用。从产品形态上来讲 有： 0012 一)将SIM天线和电路都集成在SIM卡上； 0013 二)将电路集成在SIM卡内，天线引出放置在制定手机或者手机电池背面； 0014 三)电路和天线都在SIM卡之外，比如摩托罗拉的I-SIM方案。 0015 QSIM方案： 0016 目前pos机器以及公交等的阅读器的频率。
9、多数是13.56MHz，因此我们的支付方案 要兼容目前的阅读器。支付方案采用13.56MHz收发的形式。但是放置在手机内的SIM卡 说 明 书CN 102509866 A 2/6页 4 或者SD卡的屏蔽作用，以及目前阅读器的接收灵敏度不够高，使得难以单存使用13.56MHz 直接与阅读器进行双向的通信。因此，我们采用了SIM卡13.56MHz接收，而发送6.78MHz的 频率给高接收灵敏度的无源阅读器线桥，线桥贴在阅读器天线的外壳 上。线桥将6.78MHz 的信号转成常规无源卡片的负载调制形式，将信息传递给阅读器，完成整个链路的通信。这 样的设计只需要使用QSIM的SIM，阅读器天线外壳上粘帖。
10、一个线桥即可，不需要动手机和 阅读器就可以与现有的各种13.56MHz的pos机器和公交卡等阅读器兼容使用。QSIM的线 桥方案同时排除了NFC需要更换手机，双界面卡有一个SIM外置天线与SIM连接的使用不 便和经常损坏的事宜。 发明内容 0017 本发明的目的在于提供一种一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，该 SIM天线能自适应地平衡不同手机收接收和发送信号。 0018 本发明的技术解决方案如下： 0019 一种移动支付转接桥通信距离均衡的SIM天线，其特点在于该天线是由位于SIM 卡的边缘的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层金属的螺旋缠绕线圈和SIM卡的 顶层金属的螺旋缠。
11、绕线圈通过两个通孔串联构成，该天线的两个端口开设在该天线线圈内 所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相 关电路。 0020 所述的相关电路包括功率放大器、阻抗匹配电路、串联谐振的接收电路和收发切 换开关，所述的功率放大器和阻抗匹配电路组成发送单元电路，所述的天线的两端通过所 述的收发切换开关控制与所述的发送单元电路或所述的接收电路的两端的连接，通过阻抗 匹配电路将天线和功率放大电路的寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐振频率在屏 蔽强的手机时为天线的发送频率6.78MHz。 0021 。 0022 本发明的技术效果： 0023 本发明利用一层基。
12、板的两层金属，在SIM开的外边缘，设计了串联的天线。上下两 层天线的线圈交错开，降低了天线的寄生电容，提升了天线的性能。实现了大电感，高性能 的天线。 0024 本发明通过使用天线和电路的配合设计，使得屏蔽强的手机内的收发性能最佳， 而在屏蔽弱的手机收发性能降低的方法，自适应地平衡不同手机的通信局距离，可以将手 机的通信距离压缩5cm以内，不同的手机通信局差异在3倍左右。 附图说明 0025 图1是本发明的QSIM线桥支付方案的系统原理图； 0026 图2是不同尺寸阅读器不同距离的磁场强度图； 0027 图3是本发明天线结构示意图 0028 图4是本发明收发电路和天线的等效电路示意图； 002。
13、9 图5是本发明相同条件下不同手机接收电路端口电压与频率的关系图； 0030 图6是本发明不同手机的天线内的发送电流。 说 明 书CN 102509866 A 3/6页 5 0031 图中： 0032 10-QSIM的SIM芯片主要模块框图；11-SIM微控制器；12-QSIM的SIM芯片的数字 基带；13-QSIM的SIM芯片的13.56MHz接收单元；14-QSIM的SIM芯片的6.78MHz发射单 元；15-QSIM的SIM芯片的收发切换开关；16-QSIM的SIM芯片的近场收发天线；17-QSIM的 线桥芯片主要模块框图；18-QSIM的线桥芯片基带；19-QSIM的线桥芯的6.78M。
14、Hz接收射频 单元；110-QSIM的线桥芯的13.56MHz能量接收单元；111- QSIM的线桥芯的6.78MHz近场 天线；112-QSIM的线桥芯的13.56MHz负载调制单元；113-QSIM的线桥芯的13.56MHz近场 天线；114-13.56MHz阅读器读头；115-13.56MHz阅读器天线； 0033 30-D类功率放大器；31-阻抗匹配网络；32-接收电路等效并联电路；33-天线等 效模型；34-开关。 0034 60-底层金属；61-顶层金属；62-通孔；63-SIM卡边缘；64-天线端口 具体实施方式 0035 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结。
15、合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 0036 先请参阅图1，图1是本发明的QSIM线桥支付方案的系统原理图。下面以QSIM线 桥方案的原理图1简单描述一下其工作原理： 0037 QSIM的SIM芯片10与收发近场天线16集成在手机的SIM卡内，芯片10与SIM 自带的微控制器通信11，而微控制器11与手机通信，实现SIM中的QSIM芯片的与手机的 信号连接。QSIM的芯片10部。
16、分主要由数字基带12，6.78MHz的发射单元13，13.56MHz的 接收单元14，和天线切换开关单元15组成。SIM的天线16是近场天线，实现接收阅读器的 13.56MHz和发送给线桥6.78MHz信号的功能。无源工作的线桥芯片17的主要功能是使用 13.56MHz的天线122接收阅读器天线114发送的电磁波，由13.56MHz的能量接收单元110 将交流的电能转换成直流提供芯片17工作。6.78MHz的近场天线111接收QSIM的天线16 发送的近场 6.78MHz的电磁波，将其转换成交流信号传递给线桥芯片17的6.78MHz的接 收单元19，19解调后将信号传递给线桥芯片17的基带部分。
17、18，18对接收的信号进行解码， 处理后转换成13.56MHz的负载调制信号，传递给线桥芯片17的13.56MHz的负载调制单元 112，112调制线桥的13.56MHz的天线113。该负载调制信息会被阅读器114的天线115接 收，114将其解调解码。这样线桥就实现了SIM卡6.78MHz发射信号转换成阅读器可以接收 处理的常规13.56MHz标准卡片实现的13.56MHz的负载调制信号。 0038 不同手机的SIM卡摆放位置是不同的，有的在手机的电池下面，SIM卡的卡槽还是 金属的，尤其是大部分金属覆盖的，同时手机的背盖也是金属的，手机的主板是金属的，此 时SIM卡被各种金属包围着，这些金。
18、属起着磁场屏蔽的作用，可以衰减大部分阅读器的发 送信号。信道对收发的衰减是一致的，反过来手机周边的金属也会衰减大部分SIM天线的 发送信号。但是某些手机的SIM卡在手机的电池外面，SIM卡的卡槽不是金属的，同时，手机 的背盖也不是金属的，这样的手机对SIM卡收发信号的屏蔽会非常微弱。屏蔽强弱的手机， 在SIM卡的天线空间的磁场强度差异达到几十倍，这就意味着不同手机的通信距离差异会 说 明 书CN 102509866 A 4/6页 6 非常大。图2是测试两种尺寸天线的不同距离磁场强度图，尽管随着距离的增大，天线的磁 场衰减是比较大的，但是屏蔽强弱的手机之间的通信距离，可以从1cm到大于20cm。。
19、显然， 屏蔽强的手机通信距离太近，但是屏蔽弱的手机通信距离太远。SIM卡不能区别手机屏蔽 强弱的差异，无法根据手机对SIM天线的屏蔽强弱来改变发射功率，进而控制距离。如果将 手机的类型建立数据库，通过手机发送短信给数据中心，数据中心将手机的发送功率数值 发送给手机，配置庞大的数据库，手机不断更新，对于不在数据库中的手机可能将有通信问 题。同时SIM卡更换手机也就意味 着需要更新配置SIM的发送功率。 0039 由于手机的SIM供电限制，其不可能发送很大的功率，因此线桥的接收灵敏度设 计是很高的，可以达到-80dBm-90dBm，甚至更高。线桥的芯片也不能智能地识别是哪种 手机，以改变自身的接收。
20、灵敏度来调整不同手机通信距离的巨大差异。 0040 不同手机对SIM的屏蔽强弱的巨大差异会造成不同手机通信距离的巨大差异，屏 蔽弱的手机与阅读器天线近距离时候，会阻塞接收电路；屏蔽强的手机发送信号会很微弱。 强弱手机之间的通信距离差距，从2cm左右到20cm左右，比较大，且通信距离离散较大。而 安全的通信距离一般是5cm左右，且近距离不能有盲区。 0041 本发明就是利用SIM的天线设计自适应实现屏蔽强的手机内衰减接收信号，发送 功率低；屏蔽弱的手机内，放大接收信号，发送信号功率大，无需校准的天线设计方案来平 衡不同手机之间的通信距离。 0042 图3是本发明天线的结构示意图，由图可见，本发明。
21、移动支付转接桥通信距离均 衡的SIM天线，是由位于SIM卡的边缘63的、每个线圈相互交错而不重叠的、SIM卡的底层 金属的螺旋缠绕线圈60和SIM卡的顶层金属的螺旋缠绕线圈61通过两个通孔62串联构 成，该天线的两个端口64开设在该天线线圈内所述的SIM卡上电路连接的位置，该天线中 间用于封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片及相关电路。 0043 图4是本发明收发电路和天线的等效电路示意图，所述的相关电路包括功率放大 器30、阻抗匹配电路31、串联谐振的接收电路32和收发切换开关34，所述的功率放大器30 和阻抗匹配电路31组成的发送单元电路，所述的天线33的两端通过所述的收发切换开关 34。
22、的控制与所述的发送单元电路的两端或所述的接收电路32的两端连接，通过阻抗匹配 电路(31)将天线(33)和功率放大电路(30)的寄生阻抗构成的电感电容和电阻电路的谐 振频率在屏蔽强的手机内为天线(33)的发送频率6.78MHz。 0044 手机中的SIM天线接收13.56MHz的阅读器信号。接收电路32可以等效为一个 电阻和一个电容并联；天线33的等效模型为一个电感和一个电阻串联后，并联一个寄生电 容。该天线的等效模型在不同的手机内的数值是不同的，尤其是天线电感的数值不同。由 于涡流的磁场抵消天线的磁场，屏蔽强的手机的涡流大，而屏蔽弱的手机涡流小，导致屏蔽 强的手机内的天线电感数值低，屏蔽弱的。
23、手机内的天线电感数值大。天线设计的时候，如 果使得天线在屏蔽强的手机内时天线与电路在13.56MHz或者附近谐振，天线和电路对天 线的13.56MHz的感生电压起着放大作用；在屏蔽弱的手机内，天线的自谐振频率略高于 13.56MHz，这样在屏蔽弱的手机内的天线与电路之间的谐振频率会低于13.56MHz，天线起 着滤波作用，对天线的13.56MHz感生电压起着一定的衰减作用。这样的天线设计会自动平 衡不同手机的接收强度。 0045 QSIM的SIM中的功率放大器30是D类功率放大器，他在信号的上半周期时，电流 说 明 书CN 102509866 A 5/6页 7 是从左上的PMOS流向右下的NM。
24、OS管，而在信号的下半周期，电流则从右上的PMOS管流向 左下的NMOS管。所有的MOS管都是工作在开关状态，所述的功率放大器的效率取决于MOS 管的工作内阻以及开关损耗和驱动损耗。阻抗匹配网络31连接天线到该功率放大器的两 个开关，功率放大器的功率取决于阻抗匹配网络看进入的阻抗数值。在电源电压一定的前 提下，阻抗大，发送功率大；阻抗小则发射功率小。在理想情况的时候，天线33和阻抗匹配 网络31(包括了功率放大器的寄生电容)在发送频率谐振，天线内的电流与电路的品质因 数成正比。天线接收电路32放大天线的感生电压。一旦失谐，则阻抗变大，功放的 电流降 低，同时工作频率的品质因数也会变低，进而导致。
25、天线内的电流降低，发送的磁场变弱。在 设计发送的阻抗匹配电路的时候，屏蔽强的手机阻抗是匹配的，屏蔽弱的手机，由于涡流降 低，天线的电感数值将变大，天线与阻抗匹配网络失谐，天线内的发送电流自然降低。这样 的设计自然不能平衡不同手机的发送功率。 0046 相同的电流下，线圈的圈数越多，磁通量就越大。因此在满足电路谐振和阻抗匹配 的条件下，设计尽量大的电感，或者说更多的圈数，天线的收发性能就会更好。 0047 图4是本发明收发电路和天线的等效电路图。其中功率放大器30是采用D类开 关功率放大器。接收回路32等效为一个电阻Rr和电容Cr并联。线圈类型的近场天线的 电路33等效为一个电感Ls串联一个电阻。
26、Rs后两者并联一个寄生电容Cap。射频开关34 控制近场天线33是连接功率放大器30和阻抗匹配电路31组成的发送单元电路，还是连接 接收电路32。这样就避免了在同一个小面积的SIM卡内，设计两个互感低的天线，使得天线 的面积可以达到最大，大面积的天线意味着，相同的电流下有更大的磁通量，收发信号的强 度会更大。 0048 当电路处在接收状态的时候，天线33和接收电路32谐振在13.56MHz，电路端口的 入射电压与天线33和接收电路33构成的串联等效电路的品质因数成正比，在谐振的时候 品质因数最大，一旦失去谐振，意味着在接收频率的品质因数会降低，电路端口的入射信号 也就会降低。 0049 图5是。
27、相同条件下不同手机接收电路端口电压与谐振频率的关系图。其纵坐标 是电路端口的感生电压，横坐标是天线和接收电路构成的等效串联电路的谐振频率。我们 设计天线的时候，让天线在屏蔽强的手机内的谐振频率最接近13.56MHz。这样在屏蔽强的 手机内，天线电路会对磁场在天线内的感生电压起着放大作用。接收电路32中的并联Rr 和 Cr数值不会随着手机的不同而不同，由于涡流降低，屏蔽弱的手机的电感数值大，意味 着SIM接收天线在屏蔽弱的手机内的谐振频率会偏低。我们设计的时候，在屏蔽弱的手机 内，SIM的接收天线的自谐振频率略高13.56MHz。这样使得屏蔽弱内的手机接收天线和接 收电路谐振偏低，天线和电路会对。
28、如何的磁场在天线感生的电压有一定的衰减作用。这样 的天线降低了手机屏蔽强弱导致的手机接收芯片端口入射电压的巨大差异。进而平衡了不 同手机接收信号的距离的巨大差异。 0050 我们的关键是：在屏蔽强的手机内，天线33和功率放大器30之间采用串联电容 Cis和并联电容Cip构成的阻抗匹配电路31，将天线33和功率放大电路30寄生阻抗构成 的电感电容和电阻电路的谐振频率设计在发送频率6.78MHz。手机对SIM的天线屏蔽作用 主要体现在金属对交变的磁场产生的涡流，抵消了入射的磁场。由于天线的收发是对等的， 意味着涡流大造成的屏蔽强会直接降低天线的电感数值。换句话说屏蔽弱的手机的电感数 说 明 书CN。
29、 102509866 A 6/6页 8 值大，而电路的寄生阻抗和阻抗匹配部分不会随着手机的不同而不同，这就意味着功率放 大器30的阻抗匹配失去谐振，进而天线发送的功率在屏蔽弱的手机会自动降低。 0051 图6是本发明相同的SIM卡发送天线在不同手机内的发送电流。天线在不同手 机内的阻抗数值是使用矢量网络分析仪测试的，代入发送电路的仿真结果。仿真数据显 示，阻抗匹配好但屏蔽强的手机的峰值电流达到32.29mA，而屏蔽弱的手机SIM天线电流是 6.448mA。屏蔽强的手机发送电流大，屏蔽弱的手机发送电流小。这样可以均衡不同手机的 天线的发送磁场强度。 0052 从上面的分析可见，无论是接收还是发射。
30、都希望是大的天线线圈，也就是大的电 感，这样相同的电流下，天线的收发性能会提升。 0053 相同的电流下，线圈的圈数越多，磁通量就越大。因此在满足电路 谐振和阻抗匹 配的条件下，设计尽量大的电感，或者说更多的圈数，天线的收发性能就会更好。作为一个 磁场工作模式的天线33，本身的寄生电容越小，其电能转换为磁能的效率就越高。要实现 大的电感，一般采用上下叠层的螺旋结构，两层金属线圈重叠，但是这样的设计会增大天线 之间的寄生电容，进而进一步降低线圈的圈数，也就是电感的数值。图3是本发明天线的结 构示意图。本发明的天线由底层金属构成的螺旋缠绕线圈60和顶层金属构成的螺旋天线 线圈61串联构成。两个线圈。
31、上下重叠，但是上下线圈是交错的，大大降低天线两层线圈之 间的平板电容。图3中的62是两层天线的连接通孔。这样的串联结构，既增大了天线的电 感，降低了天线的寄生电容，节省了线圈内外连接的过桥金属层，使用两层金属就可以实现 叠层天线。天线与电路的接口64可以方便的开口在电路需要的位置。天线线圈的四周紧靠 着SIM卡的边缘63，天线中间用来封装SIM的芯片和QSIM的SIM芯片以及外围电路。本发 明既增大了天线的电感数值，降低了所需金属的层数，又节省了成本，提升了天线的性能。 0054 实验表明本发明可以平衡不同手机的通信距离，降低了手机通信距离的离散，实 现了无需校准的手机通信距离控制。 0055。
32、 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精 神和范围。 说 明 书CN 102509866 A 1/4页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102509866 A 2/4页 10 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102509866 A 10 3/4页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102509866 A 11 4/4页 12 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102509866 A 12 。