АНТЕННА СВЯЗИ С ВЫСОКОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/38 G06K19/77 

Область техники

Настоящее изобретение касается систем бесконтактной передачи и приема сигналов, более точно антенны связи с высокой индуктивностью, используемой, в частности, в бесконтактных картах с электронным микрочипом.

Предшествующий уровень техники

Бесконтактные системы передачи и приема сигналов в настоящее время широко используются в различных областях техники. Одной из таких областей является бесконтактная карта с электронным микрочипом, которая представляет собой систему, широко используемую в различных областях.

Например, такие карты были разработаны автодорожными фирмами, чтобы предложить своим клиентам абонементы и облегчить оплату проезда по платной дороге на пунктах взимания дорожной пошлины.

Подобные карты были также разработаны для использования в качестве платежного средства, например электронного кошелька или кредитной карты.

Кроме того, многие фирмы разработали средства идентификации своих сотрудников при помощи бесконтактных карт с электронным микрочипом.

Обмен информацией между бесконтактной картой с электронным микрочипом и соответствующим устройством считывания информации осуществляется с использованием дистанционной электромагнитной связи между антенной, размещенной в бесконтактной карте, и другой антенной, располагающейся в считывающем устройстве.

Чтобы обеспечить формирование, сохранение и обработку необходимой информации, такая карта снабжена электронным микрочипом, имеющим зону запоминания, или запоминающее устройство, и микропроцессор, который связан с упомянутой антенной.

Этот электронный микрочип обладает определенной входной электрической емкостью, обеспеченной при помощи конденсаторов, встроенных в микрочип. Антенна и электронный микрочип располагаются обычно на плоской и нейтральной подложке.

Оптимальные условия связи между антенной и электронным микрочипом, которая не должна быть резистивной, обеспечиваются в том случае, когда соблюдается закон резонанса последующего контура, выражаемый соотношением

где L - индуктивность антенны, С - величина входной электрической емкости, ω - угловая частота, равная 2πf, f - некоторая нормализованная частота, например частота 13,56 МГц.

Необходимость соблюдения этого закона заставляет производителей электронных микрочипов, называемых также “литейщиками”, размещать в этих электронных микрочипах конденсаторы, чтобы обеспечить достаточно большие значения электрической емкости. Таким образом, стоимость изготовления электронных микрочипов существенно повышается в результате наличия в них конденсаторов.

Расширение областей практического использования бесконтактных электронных карт неизбежно связано со снижением стоимости производства электронных микрочипов, используемых в таких картах. Для снижения себестоимости электронных микрочипов их производители все в большей степени приходят к необходимости уменьшения количества конденсаторов, интегрированных в эти микрочипы, и, соответственно, к снижению электрической емкости контура. Таким образом обеспечивается возможность изготовления электронных микрочипов меньших размеров.

Чтобы обеспечить выполнение закона резонанса LCω²=1 и получить оптимальную связь, необходимо увеличивать индуктивность L антенны, чтобы компенсировать снижение величины входной электрической емкости электронного микрочипа.

Для антенн, изготовленных при помощи химического травления слоя меди или алюминия при формировании витков, располагающихся на диэлектрической пластиковой подложке, с целью увеличения индуктивности обычно увеличивают количество витков. Однако такое техническое решение порождает целый ряд недостатков.

Действительно, поскольку любой электрический контур имеет электрическое сопротивление, наращивание количества витков, которое по существу соответствует увеличению длины этого контура, влечет за собой существенное возрастание электрического сопротивления, что в значительной степени затрагивает характеристики антенны и, следовательно, электронного микрочипа. Вследствие этого обстоятельства дистанция, на которой возможно считывание такой карты, оказывается существенно уменьшенной.

Чтобы ограничить размеры электронного микрочипа и сохранить полезное сечение для прохождения потока электромагнитных волн через карту, ширина медных дорожек должна быть возможно меньшей.

Это приводит к увеличению электрического сопротивления антенны и снижению надежности таких карт, поскольку возрастает опасность разрывов витков антенны в процессе горячего ламинирования под давлением корпусов карт.

Единичная себестоимость изготовленной травлением антенны существенно возрастает. Таким образом, снижение стоимости, получаемое изготовителями электронных микрочипов в результате снижения их входной электрической емкости, практически полностью поглощается избыточной стоимостью изготовления подобных антенн. Вследствие этого производство и использование таких карт не становится более рентабельным.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение отмеченных выше недостатков и создание антенны с высокой индуктивностью, позволяющей изготовить карту, которая обладает улучшенными характеристиками, высокой надежностью и себестоимость которой существенно меньше, чем для карт с электронными микрочипами, существующих на рынке в настоящее время.

Антенна связи согласно изобретению образована множеством последовательно соединенных витков, расположенных на плоской подложке, выполненной из диэлектрического изолирующего материала.

Указанная антенна содержит одну или несколько узлов, состоящих по меньшей мере из одного витка, расположенного на плоской подложке, и закрепленных последовательно друг с другом, причем по меньшей мере один из узлов образован по меньшей мере двумя последовательно соединенными между собой витками, уложенными друг на друга вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки, и отделенными друг от друга при помощи изолирующей полосы диэлектрической краски, что позволяет получить достаточно большую величину индуктивности.

В предпочтительном варианте реализации антенна связи содержит один или несколько закрепленных последовательно узлов из по меньшей мере одного витка, сформированного краской, нанесенной посредством трафаретной печати на плоскую подложку, причем по меньшей мере один из узлов образован по меньшей мере двумя последовательно соединенными витками из нанесенной посредством трафаретной печати краски, уложенными друг на друга вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки, и отделенными друг от друга при помощи изолирующей полосы диэлектрической краски, также нанесенной посредством трафаретной печати на подложку.

В другом аспекте изобретение касается способа изготовления антенны связи, которым

формируют посредством трафаретной печати один виток одного или множества узлов путем нанесения электропроводной краски на поверхность плоской подложки из изолирующего диэлектрического материала,

формируют посредством трафаретной печати изолирующую полосу, наложенную на выполненный посредством трафаретной печати виток по меньшей мере одного узла, путем нанесения диэлектрической краски, которая закрывает виток и оставляет видимыми контакты подключения и зоны присоединения вышележащих витков,

формируют посредством трафаретной печати один виток по меньшей мере одного узла, наложенного поверх изолирующей полосы, путем нанесения слоя электропроводной краски,

причем второй и третий этапы способа повторяют один или несколько раз в случае, когда формируемая антенна содержит один или несколько узлов, содержащих более чем два наложенных друг на друга витка.

Предлагаемая антенна и способ ее изготовления обладают многочисленными преимуществами.

Чтобы компенсировать более высокое электрическое сопротивление, присущее полимерным электропроводным краскам, используемым в трафаретной печати, необходимо увеличить поперечное сечение витков антенны. Этого можно достигнуть путем расширения этих витков и/или нанесения более толстого слоя электропроводной краски. При использовании этих конструктивных решений мгновенные характеристики полученной способом трафаретной печати антенны, содержащей менее трех витков, сопоставимы с характеристиками антенны, изготовленной способом травления слоя металла, и даже превосходят эти характеристики после проведения различных механических испытаний и испытаний на старение в условиях высокой температуры и повышенной влажности. В случае, когда необходимо увеличить индуктивность антенны для ее согласования с электронным микрочипом, обладающим малой внутренней электрической емкостью, увеличение числа витков для антенны, выполненной посредством трафаретной печати, оказывается невыгодным, поскольку электрические свойства быстро ухудшаются при количестве витков более трех, т.е. происходит потеря электрической проводимости и достижение предельного значения индуктивности. Способ согласно изобретению позволяет устранить этот недостаток. Антенна, полученная посредством трафаретной печати и совместимая с электронными микрочипами, обладает малой электрической емкостью.

Изменяя соответствующим образом геометрические параметры антенны связи в соответствии с предлагаемым изобретением, такие, как толщина изолирующего диэлектрического слоя, ширина и толщина витков или площадь поверхности покрытия между располагающимися один поверх другого витками, можно регулировать величину индуктивности полученной посредством трафаретной печати антенны, чтобы обеспечить надлежащее согласование. Таким образом можно реализовать конфигурацию антенны, которая позволяет существенно уменьшить входную электрическую емкость используемого в данном случае электронного микрочипа. Такая “экстернализация” или “выведение за скобки” собственной электрической емкости открывает весьма привлекательные перспективы снижения расходов для производителей электронных микрочипов.

Стоимость антенны, изготовленной посредством трафаретной печати, практически в десять раз ниже, чем стоимость антенны, изготовленной способом травления. Трафаретная печать для изготовления антенны осуществляется стандартным способом по трафарету в плоскости (три пленки, три экрана, те же самые краски).

Таким образом, общая стоимость карты снижается, поскольку внутренняя электрическая емкость электронного микрочипа может быть существенно уменьшена.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает электрическую схему бесконтактной карты с запоминающим устройством согласно изобретению;

Фиг.2 - антенну связи после завершения первого шага способа изготовления согласно изобретению;

Фиг.3 - антенну связи после второго шага способа изготовления согласно изобретению;

Фиг.4 - антенну связи после завершения шага способа изготовления согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Электрическая схема карты (фиг.1) содержит две основные составляющие - антенну и электронный микрочип 2.

Электронный микрочип 2 имеет внутреннюю электрическую емкость 4 (Cs), обеспечиваемую посредством конденсаторов, размещенных в микрочипе. Электронный микрочип 2 содержит также электронную часть 6, которая соответствует зоне запоминающего устройства и собственно микропроцессору.

Электронный микрочип 2 связан с антенной 8 посредством контура 1. Антенна 8 обладает электрическим сопротивлением 10 (Rs), которое является причиной потери электрической мощности в данном контуре. При этом антенна обладает также собственной индуктивностью 12 (Ls).

На фиг.2, 3 и 4 схематически представлена антенна так, как она выглядит после каждого из трех основных этапов осуществления способа изготовления. Описан вариант выполнения антенны, содержащей узел из двух уложенных друг на друга витков.

Этот способ может быть использован также для изготовления антенны с несколькими узлами, состоящими из по меньшей мере одного витка, причем по меньшей мере один из узлов образован по меньшей мере двумя уложенными друг на друга витками.

В процессе осуществления первого этапа способа изготовления антенны виток 16 из электропроводной краски наносится посредством трафаретной печати на плоскую подложку 14, выполненную из изолирующего диэлектрического материала (фиг.2).

Диэлектрический материал может представлять собой пластический материал, бумагу или стеклоткань, пропитанную синтетической смолой, которая может быть термоотверждаемой или которая поддается структурированию под действием ультрафиолетового излучения.

Используемый в данном случае пластический материал может представлять собой, например, полихлорвинил (PVC), сложный полиэфир (PET, PETG), поликарбонат (PC) или акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS).

Используемая электропроводная краска содержит полимеры и наполнители в виде электропроводных элементов, в качестве которых могут быть использованы металлы. В предпочтительном варианте используемая краска может содержать в качестве наполнителя серебро. Однако в качестве наполнителей также могут быть использованы медь или углерод. Электропроводная краска содержит от 50 до 70% серебра в виде шариков или пластинок. Используемые в этой краске полимеры могут представлять собой сложные полиэфиры или акриловые синтетические смолы. Краска содержит также растворитель, который в данном случае является связующим. В соответствии с указанным способом реализации используемый растворитель представляет собой эфир гликоля.

Виток 16 данной антенны повторяет контуры подложки. При этом один из его концов контактирует с одним из контактных штифтов 18, позволяющих присоединить антенну к электрическому или электронному элементу типа электронного микрочипа. Другой конец этого витка является свободным, чтобы он мог быть присоединен ко второму витку.

На фиг.3 схематически представлена антенна после осуществления второго этапа способа изготовления, выполнен второй этап трафаретной печати.

Второй этап трафаретной печати соответствует нанесению по меньшей мере двух слоев диэлектрической краски, образующей изолирующую полосу 20 между двумя витками. В соответствии с предпочтительным способом реализации каждый из слоев краски имеет толщину 25 мкм.

Диэлектрическая краска содержит полимеры и поддается структурированию в том случае, когда она подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. В соответствии с предпочтительным способом реализации полимеры могут представлять собой синтетические смолы акрилатов или ненасыщенные сложные полиэфиры.

В отличие от упомянутой выше электропроводной краски, из которой сформированы витки антенны, эта диэлектрическая краска не содержит растворителя. Структурирование полимеров, содержащихся в этой диэлектрической краске, обеспечивается в том случае, когда данную краску подвергают облучению ультрафиолетовыми лучами. Структурирование приводит к отверждению диэлектрической краски.

Таким образом, получают стабильные геометрические параметры антенны и особенно стабильна толщина изолирующей полосы, то есть расстояние между двумя витками не подвергается изменению, что позволяет антенне сохранять оптимальное качество функционирования.

Чтобы приобрести достаточные изолирующие свойства, краска должна обладать возможно более высокой диэлектрической проницаемостью. При этом величина диэлектрической проницаемости в данном случае превышает 3.

В предпочтительном варианте реализации антенны связи диэлектрическая проницаемость краски, используемой для осуществления трафаретной печати изолирующей полосы, имеет величину 3,9.

Чтобы придать полосе хорошие изолирующие свойства, необходимо нанести по меньшей мере два слоя краски. После структурирования слой краски обладает значительной пористостью, которая препятствует реализации высокой изолирующей способности.

Чтобы решить эту проблему, посредством трафаретной печати формируют два последовательно расположенных и уложенных один поверх другого слоя, которые образуют изолирующую полосу с достаточно высокой изолирующей способностью.

Изолирующая полоса формируется поверх витка 16 и полностью покрывает этот виток, в частности его конец, который находится в контакте с одним из соединительных контактных штифтов 18 антенны. Второй конец 17 остается свободным для того, чтобы обеспечить возможность соединения двух витков между собой.

На фиг.4 представлена антенна после третьего и последнего этапа осуществления способа. Выполнена третья операция трафаретной печати, соответствующая формированию витка 22. Виток 22 укладывается поверх витка 16 первого узла и поверх изолирующей полосы 20, которая располагается между двумя этими витками в направлении оси, которая перпендикулярна по отношению к плоскости подложки 14.

Один из концов витка 22 присоединен к свободному концу 17 первого витка 16. При этом второй конец витка 22 присоединен ко второму соединительному контакту 24 антенны.

Таким образом, антенна образована двумя последовательно соединенными витками, которые расположены в двух различных и параллельных между собой плоскостях, причем каждая из этих поверхностей параллельна плоскости подложки 14. Антенна подобной конструкции может быть названа антенной Z-образного типа.

Два витка, образующих антенну, соединены между собой при помощи электрических емкостей, распределенных вдоль антенны. Такая структура эквивалентна двум катушкам, каждая из которых соответствует одному из витков антенны, соединенным последовательно при помощи электрической емкости, связанной с диэлектриком, образующим изолирующую полосу, расположенную между двумя витками.

Если L представляет собой индуктивность каждого из витков антенны и С представляет собой величину электрической емкости, то полное электрическое сопротивление системы может быть выражено соотношением

Из этого соотношения следует, что чем в большей степени увеличивается значение электрической емкости С, тем больше, соответственно, возрастает полное электрическое сопротивление Z данной системы.

При этом упомянутая электрическая емкость между двумя уложенными один на другой витками изменяется в функции толщины изолирующей полосы. Таким образом, имеется возможность изменять фактическую индуктивность, то есть по существу полное электрическое сопротивление Z данной антенны с учетом величины входной электрической емкости электронного микрочипа, чтобы обеспечить условия резонанса.

Действительно, если электронный микрочип имеет очень малую входную электрическую емкость, увеличивают электрическую емкость между двумя витками антенны, уменьшая для этого толщину изолирующей полосы, в результате чего увеличивается фактическая индуктивность антенны.

Если же, наоборот, входная электрическая емкость микрочипа оказывается более высокой, формируют антенну, обладающую меньшей собственной индуктивностью и лучше приспособленную для микрочипа, увеличивая толщину изолирующей полосы.

Таким образом, имеется возможность получить величину фактической индуктивности, регулируемую в зависимости от толщины изолирующей полосы, разделяющей располагающиеся один поверх другого витки антенны.

Значения электрической емкости между двумя витками антенны были измерены, и максимальная величина электрической емкости составила 2000 пикофарад (pF). Электрическая емкость позволила обеспечить величину индуктивности на уровне примерно 1900 наногенри (nH).

В соответствии с предлагаемым изобретением антенны подобного типа могут содержать один или несколько узлов, состоящих из одного витка, и один или несколько узлов, состоящих из нескольких соединенных последовательно витков. При этом каждый узел, состоящий из нескольких витков, образован соединенными последовательно и уложенными друг на друга витками, причем количество и диаметр этих уложенных друг на друга витков могут быть различными от одного узла к другому.

Антенна связи в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использована, в частности, в бесконтактных картах с электронным микрочипом. Эти карты содержат плоскую подложку, на которой размещена по меньшей мере одна антенна связи с повышенной индуктивностью, соединенная с по меньшей мере одним электронным микрочипом, также располагающимся на этой плоской подложке и представляющим относительно малую внутреннюю электрическую емкость.

В соответствии со специфическим типом таких бесконтактных карт с электронным микрочипом плоская подложка вставлена между двумя корпусами карты, причем корпуса карты закреплены с каждой из сторон плоской подложки, чтобы придать ей необходимую жесткость.

Корпуса карты могут быть изготовлены из пластического материала. Используемый пластический материал может представлять собой полихлорвинил (PVC), сложный полиэфир (PET, PETG), поликарбонат (PC) или акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS).

В том случае, когда корпуса карты изготовлены из пластического материала, их закрепление на каждой из сторон плоской подложки, на которой располагаются одна или несколько антенн, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, осуществляется путем горячего или холодного прессования трех элементов, образующих карту, называемого также горячим или холодным ламинированием.

После осуществления этапа ламинирования карты электронный микрочип оказывается зафиксированным и соединенным с одной или несколькими антеннами этой карты.

Изобретения относятся к системам бесконтактной передачи и приема сигналов, а именно к бесконтактным картам с электронным микрочипом. Технический результат заключается в создании антенны с высокой индуктивностью, в улучшении характеристик карты, повышении ее надежности и снижении себестоимости. Сущность изобретений заключается в следующем. Антенна связи образована множеством соединенных последовательно друг с другом витков, располагающихся на плоской подложке, изготовленной на основе изолирующего диэлектрического материала. Антенна содержит один или несколько узлов, имеющих по меньшей мере один виток, располагающийся на плоской подложке, и смонтированных последовательно. По меньшей мере один из узлов образован по меньшей мере двумя последовательно соединенными витками, уложенными один на другой вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки, и отделенными друг от друга изолирующей полосой диэлектрической краски, что позволяет получить достаточно большую величину индуктивности. Предложен также способ изготовления антенны и использования этой антенны в бесконтактной карте с электронным микрочипом. 12 с. и 33 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Антенна связи, образованная несколькими соединенными между собой последовательно витками, размещенными на плоской подложке (14), изготовленной из электроизоляционного диэлектрического материала, отличающаяся тем, что содержит один или несколько узлов, образованных по меньшей мере одним витком (16), расположенным на плоской подложке, и соединенных последовательно друг с другом, причем по меньшей мере один из узлов образован по меньшей мере двумя соединенными последовательно витками (16, 22), уложенными один на другой в направлении оси, перпендикулярной плоскости подложки, и отделенными один от другого изолирующей полосой (20) диэлектрической краски для обеспечения значительной величины индуктивности.2. Антенна связи по п.1, отличающаяся тем, что витки выполнены из электропроводной краски и сформированы посредством трафаретной печати на плоской подложке, а изолирующая полоса сформирована из диэлектрической краски также посредством трафаретной печати на плоской подложке.3. Антенна связи по п.2, отличающаяся тем, что содержит узел из двух витков, соединенных между собой последовательно и уложенных один на другой в направлении оси, перпендикулярной плоскости подложки, сформированных из электропроводной краски посредством трафаретной печати и отделенных друг от друга посредством изолирующей полосы.4. Антенна связи по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что диэлектрический материал, из которого выполнена плоская подложка, представляет собой пластический материал, бумагу или стеклоткань, пропитанную термоотверждаемой синтетической смолой или синтетической смолой, поддающейся структурированию в результате облучения ультрафиолетовым излучением.5. Антенна связи по п.4, отличающаяся тем, что пластический материал, используемый в качестве диэлектрической основы для формирования плоской подложки, представляет собой полихлорвинил (PVC), сложный полиэфир (PET, PETG), поликарбонат (PC) или акрилонитрилбутадиенстирол (ABS).6. Антенна связи по любому из пп.2-5, отличающаяся тем, что краска, из которой посредством трафаретной печати сформированы витки, представляет собой полимерную электропроводную краску с наполнителем из электропроводных элементов.7. Антенна связи по п.6, отличающаяся тем, что электропроводная полимерная краска содержит наполнитель, представляющий собой серебро, медь или углерод.8. Антенна связи по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что изолирующая полоса образована по меньшей мере двумя слоями диэлектрической краски.9. Антенна связи по п.8, отличающаяся тем, что диэлектрическая краска, образующая два слоя изолирующей полосы, представляет собой полимерную краску, поддающуюся структурированию под действием ультрафиолетового излучения.10. Способ изготовления антенны связи, отличающийся тем, что формируют посредством трафаретной печати один виток одного или нескольких узлов путем нанесения электропроводной краски на поверхность плоской подложки, выполненной из изолирующего диэлектрического материала, формируют посредством трафаретной печати изолирующую полосу, уложенную поверх сформированного посредством трафаретной печати витка по меньшей мере одного узла, путем нанесения диэлектрической краски, закрывающей упомянутый виток и оставляющей незакрытыми контакты подключения антенны и зоны соединения уложенных друг на друга витков, формируют посредством трафаретной печати один виток по меньшей мере одного узла, сформированного поверх изолирующей полосы путем нанесения слоя электропроводной краски, причем второй и третий этапы способа повторяют, по меньшей мере, один раз в случае, когда антенна содержит один или множество узлов, содержащих более двух уложенных друг на друга витков.11. Бесконтактная карта с электронным микрочипом, содержащая плоскую подложку, на которой размещена по меньшей мере одна антенна связи с повышенной индуктивностью в соответствии с любым из пп.1-9, связанная по меньшей мере с одним электронным микрочипом.12. Бесконтактная карта по п.11, отличающаяся тем, что по меньшей мере один электронный микрочип представляет собой малую внутреннюю электрическую емкость.13. Бесконтактная карта по п.11 или 12, отличающаяся тем, что плоская подложка вставлена между двумя корпусами карты, причем корпуса карты закреплены с каждой стороны плоской подложки для обеспечения жесткости карты.14. Бесконтактная карта по п.13, отличающаяся тем, что корпуса карты изготовлены из пластического материала типа полихлорвинила (PVC), сложного полиэфира (PET, PETG), поликарбоната (PC) или акрилонитрилбутадиенстирола (ABS).15. Бесконтактная карта по п.13 или 14, отличающаяся тем, что корпуса карты закреплены на плоской подложке антенны путем горячего или холодного ламинирования.