用于车辆导电表面上的近场通信接口模块的解耦器的制作方法

1.本发明总体上涉及汽车安全系统，并且更具体地，涉及一种用于获得对诸如机动车辆的运输车辆的访问并控制其激活的nfc卡读取器。


背景技术：

2.无钥匙进入和按钮起动是诸如轿车和卡车的乘用车辆上的流行特征。代替传统的机械钥匙，用户携带装置(例如，钥匙扣或智能电话)，所述装置对用户进行无线认证以获得对车辆的访问(例如，车门解锁)、激活车辆(例如，内燃发动机点火或激活电动车辆动力传动系统)以及执行其他功能。
3.近场通信(nfc)是使用的一种类型的无线接口，因为非常短的传输范围使得第三方难以拦截和复制安全数据。许多智能电话中包括nfc硬件，使得安装在智能电话上的适当应用程序可以被配置为作为用户的智能钥匙操作。另外，也可使用专用的基于nfc的钥匙扣。在钥匙扣的情况下，可以使用无电池rfid装置，所述无电池rfid装置在读取操作期间从车辆获得其电力。数字密钥协议维持车辆安全，同时实现车辆访问的共享和管理。例如，车联网联盟(car connectivity consortium)已经发布了数字密钥标准。
4.对于车辆的基于nfc的安全系统，用户携带的便携式nfc单元与安装到车辆的固定nfc单元(例如，nfc卡读取器)通信。用于获得对车辆的访问(例如，用于解锁车门)的nfc读取器可以安装在b柱贴花下方(例如，在位于车辆一侧的前车门和后车门的车窗之间的竖直柱上)。这种位置紧邻(例如，紧固到)由金属板制成的车身面板。在车辆内部，可以经由安装到诸如仪表板的内部金属面板的nfc卡读取器来控制对诸如启动车辆点火的其他功能的访问。因为nfc卡读取器的天线线圈靠近下面的金属面板，所以在金属面板内感应出涡电流，所述涡电流产生抵消一些天线线圈磁通的相反磁场，从而导致减小nfc读取器和移动装置的天线线圈之间的耦合。因此，可能导致nfc系统的读取范围或效率大幅降低。
5.减轻这种不期望的耦合的一种典型方法是在读取器与车身面板之间使用铁氧体片(例如，由可磁化的非导电材料形成的磁屏蔽)。尽管铁氧体的磁导率有助于引导磁通并减小涡电流，但是铁氧体材料相对昂贵。此外，因为铁氧体的磁导率取决于温度，所以铁氧体片的性能可能不可靠。由于车辆系统需要在大的温度范围内操作，因此价格合理的铁氧体片不能在整个温度范围内提供适当的解耦。


技术实现要素：

6.本发明使用由非铁氧体材料形成的“磁壁”，以避免nfc系统的读取范围或效率的大幅降低，这种大幅降低通常是由下面的由金属板制成的车身面板引起的。在不存在与铁氧体片相关联的温度依赖性的情况下获得优异的磁屏蔽效果。本发明易于以低成本制造，并且不会增加卡读取器单元的复杂性。例如，可以在正面上具有nfc读取器线圈的常规pcb基板的背面上形成屏蔽结构。
7.在本发明的一个方面，提供了一种用于安装在车辆的金属面板上方的近场通信
(nfc)读取器模块。被配置为邻近所述金属面板安装的壳体在所述壳体中靠近所述金属面板处包含非磁性rf滤波器元件的平面阵列。所述壳体包含平面天线线圈，所述平面天线线圈被配置为与用户携带的外部nfc装置耦合，其中所述rf滤波器元件阵列设置在所述平面天线线圈与所述金属面板之间以使所述平面天线线圈与所述金属面板磁解耦。所述壳体包含接收器电路系统，所述接收器电路系统被配置为对来自所述外部nfc装置的nfc信号进行解码。
附图说明
8.图1描绘了具有使用安装在b柱上的nfc卡读取器与智能电话形式的移动装置交互的无钥匙进入的车辆系统。
9.图2是卡读取器的一部分相对于金属板面板的透视分解图。
10.图3示出了由在天线线圈中流动的电流在金属板面板中感应出的涡电流。
11.图4示出了通过在图3的天线线圈与金属板面板之间插入铁氧体片来减少涡电流。
12.图5是示出基板上的rf滤波器元件阵列的平面图。
13.图6是车身面板上的nfc卡读取器模块的侧剖视图。
14.图7是示出在读取操作期间nfc天线线圈和rf滤波器元件阵列的空间关系的透视图。
15.图8是图7的天线线圈和rf滤波器元件的平面图。
具体实施方式
16.nfc进入和起动功能使用户能够使用支持nfc的装置(例如，钥匙卡或智能电话)作为车辆钥匙来解锁和起动他们的车辆。为了解锁车辆，用户将其支持nfc的装置放在车辆的外部nfc读取器附近。为了授权起动(例如，内燃发动机的点火或电动传动系统的激活)并将车辆驶离，用户将其支持nfc的装置保持在车辆的内部nfc读取器附近或将其放置在车辆的内部nfc读取器上。
17.参考图1，车辆10包括包含nfc卡读取器单元12的b柱11(优选地紧固到下面的金属板车身面板并由装饰性贴花覆盖)。可以使诸如智能电话13的移动nfc单元紧邻读取器单元12，以便交换包括用于访问车辆10的安全特征的数字密钥的无线信号。图2示出了金属板车身面板15。读取器单元12包括通过电缆18连接到主电子器件板17的读取器线圈天线板16。天线板16可以包括沿着线圈路径承载导电迹线19以形成nfc天线的基板。由于nfc天线线圈迹线19与金属板15的紧密放置，天线性能可能劣化。
18.图3示出了设置在导电片21上方的平面天线线圈20。当电流在线圈20中流动时，感应出垂直穿过片21的磁场22。由于天线电流交替，因此磁场22的变化幅度在片21中感应出涡电流23的循环流动。进而，涡电流23感应出与磁场22相反的磁场，从而抑制天线电流并降低将nfc信号传递到nfc读取器单元的效率。减轻效率损失的已知解决方案是在线圈20与导电片21之间插入图4中所示的铁氧体片24。铁氧体片24是可磁化但电绝缘的。由线圈20中的电流感应出的磁场25从导电片21转移，并且小得多的涡电流26意味着只要温度保持在铁氧体片的磁通承载能力充足的范围内，由电涡流感应出的任何抵消磁场就会大大减小。然而，对于实际铁氧体材料，在汽车环境中可能无法维持这种温度范围。
19.本发明使用非磁性(例如，非铁氧体)材料来阻挡nfc线圈的磁场到达金属板车身面板。仅需要导电结构，使得性能基本上不受温度影响。具体地，可以使用分布式开放端螺旋谐振器阵列来模拟铁氧体响应并消除nfc读取器与车身的金属板的耦合。如图5所示，基板30承载多个行和列的rf滤波器元件32的阵列31。每个rf滤波器元件形成与周围滤波器元件电隔离的多回路线圈(例如，螺旋线圈)。每个rf滤波器元件被设计成提供与nfc信号所使用的频带中的频率重合的自谐振频率(例如，约13.56mhz)。一致地，rf滤波器元件32在自谐振频率附近的频率处并且在空间上跨阵列31形成rf阻带，这使下面的金属板免受nfc信号的影响并避免产生涡电流。rf滤波器元件32可易于使用常规印刷电路板(pcb)技术以最小的附加成本制造为承载读取器线圈的pcb的背面上的电路迹线，并且不增加实现方式的复杂性。与天线线圈一样，可以使用铜来制造具有可忽略的温度依赖性的rf滤波器元件。
20.由于能量传递和数据传送对于nfc操作都是重要的，因此期望使nfc读取器的天线线圈与nfc移动装置之间的耦合系数最大化(例如，以支持通过有用的读取范围向rfid卡进行良好的电力传递)。耦合因子是由移动卡拾取的磁通量除以由读取器产生的磁通量的比率，其可以如下计算：
[0021][0022]
其中m是读取器线圈和卡线圈的互耦，并且l1和l2分别是卡线圈和读取器线圈的自感。诸如智能电话的移动nfc装置中的典型nfc天线线圈可以包括间隔开0.5mm的由0.5mm宽铜迹线形成的长方形绕组，并且具有覆盖68.3mm乘51.9mm面积的2个绕组匝。实例nfc读取器天线线圈包括间隔开0.5mm的由0.5mm宽铜迹线形成的正方形绕组，并且具有覆盖40mm乘40mm面积的3个绕组匝。在存在和不存在车身金属板的情况下使用天线线圈的前述尺寸的模拟中，发现当存在金属板时，由于金属板的磁通抵消效应，耦合系数从约17.85％减小到约8.99％。
[0023]
为了获得约13.56mhz的自谐振频率，图5中所示的rf滤波器元件32可以形成为具有1.6mm的内半径的螺旋谐振器，所述螺旋谐振器形成有3匝0.5mm宽铜迹线且匝间隔开0.5mm。rf滤波器元件的尺寸和匝数可以通过根据期望的自谐振频率求解麦克斯韦方程来确定。为了保持有效的屏蔽并便于制造，每个螺旋元件与相邻元件分隔开1.6mm。在模拟中包括具有跨越金属板与读取器天线线圈之间的区域的rf滤波器元件32的阵列31，这使耦合系数恢复回至17.85％，从而消除线圈与车身金属板之间的强耦合。
[0024]
图6示出了安装在金属面板41上方的nfc读取器模块40。模块40包括壳体42，诸如模制塑料盒或插座。(例如，印刷电路板的)基板43具有限定平面天线线圈的导电迹线44，所述平面天线线圈被配置为与用户携带的外部nfc装置(例如，rfid卡或智能电话)耦合。基板43安装在壳体42中，使得迹线44的天线线圈邻近壳体42的外侧，这样用户可以将移动装置放置在附近。另一个pcb基板45承载接收器电路系统(例如，集成电路46)，如本领域中已知的，所述接收器电路系统被配置为对来自外部nfc装置的nfc信号进行解码。非磁性rf滤波器元件的平面阵列47也设置在壳体42中和基板43的内部(背向)侧上。阵列47靠近金属面板(即，阵列47设置在金属面板41与迹线44的平面天线线圈之间)，以便将平面天线线圈与金属面板磁解耦。rf阻挡“壁”可以形成为单独的部件，而不是形成在基板43上。例如，在壳体42的底侧(或形成底侧)的基板48可以用于承载rf滤波器元件的阵列49。此外，可以利用承
载rf滤波器元件阵列以及接收器电路系统中的一些或全部的基板。
[0025]
图7示出了在nfc通信期间车辆、卡读取器和移动装置的部分的空间关系。读取器线圈50位于固定车辆结构的顶部。在读取器线圈50下方且邻近所述读取器线圈的是rf滤波器元件52的阵列51，其将读取器线圈50与车辆金属板面板53分开。在读取器线圈50上方的是由用户紧邻放置以实现近场通信的手持式装置的移动天线线圈54。
[0026]
如图8所示，rf滤波器元件52分布在由阵列51的最外行和列限定的预定区域上。读取器天线线圈50具有水平范围d1和竖直范围d2，从而限定对应的覆盖区。选择阵列51中的行和列的数目，使得预定区域的范围大于天线线圈50的覆盖区的范围。由于rf滤波器元件52设置在横向延伸超过覆盖区的区域上方，因此完成天线线圈50与金属板的解耦。为了辅助手动对准，移动装置的天线线圈54的大小大于天线线圈50的大小。天线线圈54具有水平范围d3和竖直范围d4。在一些实施例中，即使在线圈未精确对准时，rf滤波器元件52的预定区域也可以大于移动天线线圈54的范围以最大化线圈耦合。
[0027]
根据本发明，每个rf滤波器元件由相应自谐振线圈迹线组成，所述自谐振线圈迹线具有与所述nfc信号的频率重合的自谐振频率。
[0028]
根据本发明，rf滤波器元件设置在横向延伸超过平面天线线圈的覆盖区的区域上方。
[0029]
根据本发明，金属面板由形成车辆的外部车身表面的金属板组成。
[0030]
根据本发明，外部车身表面是b柱。
[0031]
根据本发明，金属面板由车辆内部的仪表板组成。