多频带3D通用天线

摘要

一种多频带3D通用天线，包括：磁芯，其被多轴线圈围绕，该多轴线圈围绕三个正交轴线X、Y、Z中的每一个缠绕，所述多轴线圈包括围绕所述三个正交轴线中的至少一个缠绕的至少两个不同的线圈(12)；支撑件，所述支撑件为所述线圈(12)提供支持和/或隔绝；以及接线盒(10)，所述接线盒(10)连接至外部连接器(11)，在所述外部连接器(11)之间提供可重构连接(16)，从而能够获得多个不同的天线线圈电路。每个轴线的每个线圈都有特定的横截面和规定的匝数，且每个线圈具有两个外部连接器(11)。

说明书

技术领域

本发明涉及多频带三轴天线(即无源部件)，其包括至少一个芯和围绕所述芯的三个正交的轴线布置的六个绕组，以下称之为用于转发器(transponder，应答器)/收发器的3D线圈天线，其设计被优化为能够在不同频率下运行，特别适用于汽车智能钥匙等领域。

目前，频率是确定汽车行业中PE/PS、即被动进入/被动启动(Passive Entry/Passive Start，无钥匙进入及启动)应用的3D线圈选择的首要因素。在低频通信中，这一使用领域采用的三个频率是：125kHz、134.2k Hz和20kHz。

3D线圈是建立在汽车与用户钥匙之间的RFID通信转发器的一部分。

本发明之目的是获得与用户将在一应用中所采用的一个或多个频率无关的3D线圈天线。

这意味着要解决在小尺寸下与上述应用在不同频率下的操作所需的最小电气参数相符的问题，所述小尺寸使其能够在当前设计中使用，甚至可以将其小型化以用于移动应用。

难点(挑战)在于不同绕组的内部连接和外部连接器、芯体和绕组的设计以及目标外部体积。

优点是，单个转发器高度紧凑的部件能够与不同的芯片一起工作，或者与能在不同频率下以高性能工作的芯片一起工作。

要克服的问题是，在应用中使用的芯片的类型限制了转发器的选择，或者是，要连接能在三个频率下工作的芯片，就必须将其连接到两个或三个转发器，这将意味着应用系统硬件(application hardware)的经济性和空间性。

除此之外，在不同频率下运行时还必须考虑并能够匹配天线的电感范围、Q因子和灵敏度。

背景技术

对于被动进入/被动启动应用而言，在转发器侧需要在WO2014/072075中示出的包括3D线圈天线的三维天线作为感应接收器，以使发射器和接收器(转发器)之间的通信与接收器空间中的取向无关。但是这种3D线圈天线只有三个在空间中正交取向的绕组，这使其能够在最佳条件下以单一频率工作。因此，为了能够在所述应用的三个频率下工作，三个3D线圈将是必需的，其中每个线圈都根据其将在所述应用中工作的频率进行设计。

EP1552795公开了在一公共芯体上具有重叠的多个线圈天线的转发器，其中多个线圈在空间的三个主要方向上呈现正交取向，但其用于与那些接收不同频率的应用不同的其他应用。

在其他的已知方法中，提出了3D线圈和电容器调制的使用，参见示例US10038579，但在这种实施方式中，工作频率下的线圈设计并未优化，仅可以在不同频率下使用相同线圈。

其他应用提出了将另一个频率范围与UHF(超高频)一起用作高频NFC(近场通信)。

US10505278B2(PREMO)公开了用于其他目的三轴天线，该三轴天线基于一特殊芯体，通过提高Q因子来获得高增益，三个正交线圈直接缠绕在该特殊芯体上，并且每个所述线圈被其自身的芯体的分隔壁分成两个线圈部分。所提出的解决方案还提供了小型化并节省空间。

EP2429033A1公开了用于远程访问系统的多用途天线组件，其包括封装，该封装包括：第一线圈天线，其定位于X平面中，并被配置为接收载波频率在30kHz和300kHz之间的(LF)信号；第二线圈天线，其定位于Y平面中，并被配置为接收载波频率在30kHz和300kHz之间的(LF)信号；第三线圈天线，其定位于Z平面中，并被配置为接收载波频率在30kHz和300kHz之间的(LF)信号；以及第四线圈天线，其定位于Z平面中，并被配置为产生载波频率在3MHz和30MHz之间的高频(HF)信号。

发明内容

用于汽车领域中的PE/PS(被动进入/被动启动)应用的芯片的设计意味着，某些功能与3D线圈设计中的其他功能相比需要最大化。因此，125kHz芯片需要与具有高灵敏度S的3D线圈一起工作，而134.2kHz芯片则通过3D线圈中的高品质因数Q获得更高的性能。20kHz的芯片工作时的电感L很高。

本专利所指的发明由3D线圈组成，该3D线圈能够在满足所述应用的需求的全部三个频率下工作。并且，所有部分都将被集成在单个SMD部件中。这对于将汽车的PE/PS钥匙集成到例如移动电话(手机)中而言非常有用，从而使该系统对于整个当前范围的汽车都是可行的，不受手机型号影响。

因此，在一优选实施例中，提出了用于“通用芯片”的3D线圈，其可以在22kHz、125kHz、134.2kHz的任一频率下工作。

所提出的天线是小尺寸的。因此，例如天线在X轴方向和Y轴方向上的延伸部分优选等于或小于196mm。作为优选实施例，该尺寸为14mm×14mm。而且，天线在Z轴方向上的厚度优选等于或小于1.65mm。

本发明提出一种具有上述小尺寸的多频带3D通用天线，其包括：

-磁芯，该磁芯被多轴线圈围绕，该多轴线圈围绕三个正交的轴线X、Y、Z中的每一个缠绕，所述多轴线圈包括围绕所述三个正交的轴线中的至少一个或两个进行缠绕的至少两个不同的线圈；

-支撑件，该支撑件为所述线圈提供支撑和/或隔绝，

其中，每个轴线的每个线圈具有特定的横截面和规定的匝数；并且

其中，每个线圈具有两个外部连接器；以及

-接线盒，该接线盒连接至每个线圈的所述外部连接器，并配置为在所述外部连接器之间提供可重构互连，从而可以借助接线盒建立这些外部连接器的不同的外部互连，且能获得多个不同的天线线圈电路。

所建立的不同外部互连是根据以下特定的范围而提供：

规定的电感范围；

品质因数Q范围；

灵敏度范围

以在至少三个不同的工作频率中运行。在一优选实施例中，所述多轴线圈包括围绕所述三个正交轴线中的每一者缠绕的至少两个不同的线圈，所述至少两个线圈中的每个线圈的横截面和匝数均不同。

也就是说，提出了6绕组3DC，其中6个绕组共用同一个芯体。例如，铁氧体芯。设计为在125kHz和134.2kHz的频率下工作的三个绕组和设计为在20kHz下工作的另外3个绕组连接在一起，因此最终的部件是仅有8个引脚的SMD拾取器。

所提及的接线盒根据特定的规定电感范围、品质因数(Q)范围和灵敏度范围提供所述可重构互连，以在至少三个不同的所提及的工作频率中运行。

在一实施例中，所提出的多频带天线是接收天线，而接线盒被配置为响应于附近区域发射的规定工作频率。

本发明的其他特征将从以下对实施例的详细描述中显现。

附图说明

前述和其他的优点及特征将从以下参照附图对实施例的详细描述中更充分地被理解，这些附图以说明性和非限制性的方式提出，其中：

图1示出了与所引用的US10505278B2的实施例相对应的3D线圈的现有技术，其基于特殊的芯体，三个正交线圈直接缠绕在该特殊的芯体上，并且每个线圈均被各自的芯体的分隔壁分成两个线圈部分。

图2示意性示出了提出的具有可重构互连的通用3D线圈的实施例，该通用3D线圈布置在接线盒集成电路内。

图3、图4、图5和图6示出了根据由所述接线盒提供的公共接地、中间连接及其组合而实现的天线电路的多个可能实施例中的一些实施例。

具体实施方式

为解决本发明提出的问题，需要至少3个绕组在125-134kHz下工作，3个绕组在20kHz下工作。工作频率在RFID频带内。

在这3个频率下，在Q和灵敏度方面的要求非常不同。在125kHz下工作的电流芯片适合Qmin为15的线圈，但在134kHz下工作的电流芯片需要Qmin为30。而在20kHz下，需要高电感值来达到灵敏度要求。

因此，对于125kHz和134kHz，将是相同的三个线圈，但目标是达到Qmin为30。

必须决定为6个线圈提供单独的连接，这意味着需要12个不同的触点。

然而，125kHz和20kHz的同轴线圈能够共用一引脚，该引脚将是125kHz线圈的末端和20kHz线圈的起点，因此需要9个不同的触点。

作为替代，也可以是6个线圈共用一接地连接，进而将需要7个不同的触点。

还必须要决定如何缠绕线圈：首先是两个X绕组，处于125kHz的第一X和Y绕组。

根据一实施例，本发明提出多频带3D通用天线，其包括：

磁芯，该磁芯被多轴线圈围绕，该多轴线圈围绕三个正交的轴线X、Y、Z中的每一个缠绕，所述多轴线圈包括围绕所述三个正交轴线中的至少一个缠绕的至少两个不同的线圈12；

支撑件，该支撑件为所述线圈12提供支撑和/或隔绝(isolation，绝缘)，

其中，每个轴线的每个线圈具有特定的横截面和规定的匝数；并且

其中，每个线圈具有两个外部连接器11；以及

接线盒10被连接至所述外部连接器11，并且配置为在所述外部连接器11之间提供可重构互连16，从而能获得多个不同的天线线圈电路。

根据一优选实施例，这些线圈在空间上分布以便配合到限定一高度、长度和宽度的低轮廓(low-profile)外壳中，其中外壳的高度小于长度的两倍且小于宽度的两倍。

如果在某些轴线上只有一个绕组而不是至少两个绕组，这将使3D线圈可以在具有两个绕组的轴线中以3个频带(20、125或134.2kHz)工作，而在具有一个绕组的轴线中以一个频带工作。

同样，本发明的提议考虑了只有一个多频带轴线的情况。

然而，在一优选实施例中，所述多轴线圈包括围绕在所述三个正交轴线中的每一个缠绕的、至少两个不同的线圈12，所述至少两个线圈12中的每个线圈的横截面和匝数均不同。

如图2所示，多频带天线1被包括在接线盒10内。

在一优选实施例中，接线盒10是集成电路IC。

如前所述，接线盒10根据以下特定的范围提供所述可重构互连16：

-规定的电感范围；

-品质因数(Q)范围；

-灵敏度范围，

以在至少三个不同的工作频率内运行。

在一实施例中，多频带天线1是接收天线，而接线盒10被配置为响应于附近区域中发射的规定工作频率。

具体实施例的一些数据如下：

·对于20kHz的频率，规定的电感范围应为20mH，对于125kHz或134.2kHz的频率，规定的电感范围应在2.38mH至7.2mH之间；

·对于20kHz的频率，品质因数Q应大于3.5，对于125kHz的频率，品质因数应大于15，而对于134.2kHz的频率，品质因数Q应大于30；

·对于20kHz的频率，灵敏度应为22mV/A/m，对于125kHz或134.2kHz的频率，灵敏度应在70至80mV/A/m之间。

在图3至图6中所示的实施例中，六个线圈12X1、12X2、12Y1、12Y2、12Z1和12Z2绕轴线X、Y和Z布置，其中，线圈12X1、12Y1和12Z1的横截面和匝数被配置为在125kHz或134.2kHz频率下运行，其中，线圈12X2、12Y2和12Z2的横截面和匝数被配置为在20kHz频率下运行，所述可重构互连16涉及根据至少以下不同的天线线圈电路的六个线圈12中的每一个线圈的一些外部连接器11之间的互连：

图3：

天线线圈电路，其为每个线圈12X1、12X2、12Y1、12Y2、12Z1和12Z2提供公共接地13，以便与接线盒10建立七个外部连接部11。

图4：

天线线圈电路，其在每个轴线的线圈12X1、12X2、12Y1、12Y2和12Z1、12Z2之间提供中间连接15，以便与接线盒10建立九个外部连接部11。

图5：

天线线圈电路，其为每个轴线的线圈12X1、12Y1、12Z1提供公共接地13，此外，还在每个轴线的线圈12X1、12X2；12Y1、12Y2和12Z1、12Z2之间提供中间连接15，以便与接线盒10建立七个外部连接部11。

图6：

天线线圈电路，其提供两个不同的公共接地，从而与接线盒10建立八个外部连接部11，第一公共接地13a由三个线圈12X1、12Y1、12Z1共享，第二公共接地13b由其他三个线圈12X2、12Y2、12Z2共享。

在所提出的重构不同线圈的互连的解决方案中，上述不同的连接配置不应被视为限制性的。

本发明还提出了绕每个轴线可以有两个以上的线圈。

根据发明人进行的不同测试，得出的结论是：

出于Q的原因，最好是按以下顺序缠绕线圈：X1+Y1+X2+Y2+Z1+Z2。

通过供每两个绕组使用的公共连接，引脚数从12个减少到9个，但Q因数降低了15％。如果我们为在20kHz(L2)下的线圈采用公共接地连接，引脚数能够从9个减少到8个。

对于类似于第4种的选择，使用公共接地连接，引脚数从12个减少到7个，但是x1中的Q因数降低了25％，灵敏度降低了约30％。

利用更好的Q折衷方案(compromise)减少引脚数12的最佳选择是每两个绕组(125kHz和20kHz)使用一个公共连接；以及用于L2的公共接地连接；参考第6样例。

这些结果基于缠绕在11×11×3.75mm鼓芯形状上的样例。

应理解的是，本发明的一个实施例的各个部分可以与其他实施例中描述的部分自由地组合，即使所述组合没有明确描述，前提是这种组合没有害处。

本发明的范围由随附的权利要求限定。