Brevet FR2669484A1 — publié le 19920522

DISPOSITIF DE TELECOMMUNICATIONS PAR ONDES ELECTROMAGNETIQUES. La présente invention concerne un système de transmission de données par modulation-démodulation d'une onde hyperfréquence, pour communication bidirectionnelle entre une station fixe, dite balise ou lecteur, et une station mobile, dite badge ou répondeur Plus précisément, l'invention concerne le modem (modulateur-démodulateur) du badge portable, dont l'impédance d'antenne est adaptée ou désadaptée selon que le modem fonctionne, respectivement, en détecteur ou en répondeur aux signaux émis par la station fixe Les variations d'adaptation d'impédance sont obtenues en faisant varier les tensions de polarisation d'un transistor du modem. Ce type d'échange de données trouve ses applications dans le contrôle de mobiles, tel qu'identification de wagons sur une voie, d'automobiles à un péage ou de piétons à une entrée d'immeuble La station mobile ou badge se présente comme une carte à puce, et elle doit être extrêmement économe en énergie, car elle est alimentée par de petites piles dites "boutons". Le schéma d'ensemble d'un système d'échange de données par hyperfréquence, selon l'art connu, est assez simple, et la figure 1 qui le représente permet d'en préciser les éléments, et les sigles utilisés. Une station mobile ou badge 1 comprend une partie hyperfréquence 3, une partie traitement de l'information 4 et une alimentation 5 Les échanges entre ces deux parties concernent la modulation- démodulation et les commandes émission/réception. La station fixe ou balise 2 comprend une source hyperfréquence, une partie hyperfréquence 6, une partie de traitement de l'information 7, et un calculateur 8 qui permet de gérer l'ensemble des échanges radioélectriques effectués avec les badges, par l'intermédiaire des antennes 9 pour chaque badge et 10 pour la balise ou lecteur. On utilisera d = distance entre les antennes 9 et 10 G 1 = gain de l'antenne 10 du lecteur 2 Gb = gain de l'antenne 9 du badge l Pli = puissance émise à l'antenne du lecteur 2 Pl = puissance reçue par l'antenne du lecteur Pbi = puissance émise à l'antenne du badge 1 Pbr = puissance reçue par l'antenne du badge Les modulations utilisées dans ces systèmes sont généralement de type OOK (On-Off Keying) en modulation d'amplitude, de type PSK (Phase Shift Keying) en modulation de phase ou du type FSK (Frequency Shift Keying) en modulation de fréquence. Le fonctionnement du modem n'est pas le même selon que la balise interroge le badge, ou que le badge répond à la balise. Dans le sens de l'interrogation du badge 1 par le lecteur 2, celui-ci génère (Pli) un signal hyperfréquence modulé Le badge reçoit ce signal (Pbr)et le démodule: c'est une étape qui permet d'activer le badge qui était à l'état de veille. Dans le sens de la réponse du badge 1 au lecteur 2, le lecteur génère alors un signal hyperfréquence non modulé Le badge reçoit ce signal, le module c'est à dire le charge des informations au sujet desquelles il a été interrogé et réémet un signal comportant suivant le cas, soit des pertes, soit du gain. Les circuits électriques utilisés pour réaliser la fonction hyperfréquence (modem) du badge peuvent être de différents types. Les circuits actifs comportent la particularité de fournir de la puissance aux fréquences microondes de la porteuse de l'ordre de 1 à 100 G Hz -, ils ont donc du gain à ces fréquences, et utilisent un transistor polarisé Ces circuits sont généralement utilisés lors de la réémission d'un signal du badge vers le lecteur. Les circuits semi-actifs ne fournissent aucune puissance aux fréquences microondes de la porteuse, pour lesquelles ils n'ont pas de gain, mais ont cependant du gain aux fréquences de démodulation, de l'ordre de 40 k Hz à 1 M Hz, ou plusieurs M Hz, mais pas en G Hz Ces circuits sont intéressants pour augmenter la sensibilité de détection du badge. Il existe également des circuits passifs, utilisant des diodes, commutateurs etc, qui ne présentent aucun gain ni aux fréquences microondes de la porteuse (> 1 G Hz) ni aux fréquences de démodulation ( P =P G G X 2 > P br li l b 41 Âd) br min avec X = longueur d'onde de la porteuse. Pbr = puissance minimale de déclenchement du modem du badge, dans le sens démodulation. De façon générale, il n'y a pas de problèmes de puissance pour le lecteur, puisque c'est une station fixe qui peut disposer de toute l'énergie requise. La condition nécessaire pour que la transmission du badge vers le lecteur, ou réponse, soit opérationnelle est P = PG 2 G \) o lr li '1 Etb) 4 Gmd rmin avec Gmod perte ou gain apporté par le modem du badge au cours de la modulation de la porteuse émise par le lecteur. P rmin = puissance minimale de déclenchement de la chaine de démodulation du lecteur. Il a été dit que le badge ne dispose que de sources d'énergie faibles, et qu'il convient d'économiser par une consommation limitée. Selon l'invention, la majeure partie de la puissance Pbi émise par le badge -ou plus exactement réémise par le badge- provient de la puissance P 1 émise par le lecteur, aux gains d'antennes 9 et 10 près. En effet, le fondement de l'invention réside en un circuit de modem de badge qui se comporte en circuit semi-actif de démodulation, au cours de l'interrogation du badge par le lecteur, et en circuit passif de modulation d'écho, au cours de la réponse du badge au lecteur Le circuit selon l'invention est donc semi-actif en réception, et passif en réémission. Ce résultat est obtenu en modifiant l'impédance caractéristique, ou adaptation, de l'antenne du modem du badge. Adaptée en réception, elle a une grande sensibilité de détection, et commande le circuit de traitement du signal du badge, qui a son tour envoie les signaux de désadapation d'antenne pour la réémission Désadaptée en émission, l'antenne réfléchit la porteuse microonde émise par le lecteur, avec cependant une modulation du coefficient de réflexion, ce qui fait que l'onde réémise en écho est modulée par le badge. Cette modulation, c'est à dire la variation d'adaptation de l'antenne est acquise au prix d'une faible consommation d'énergie car elle se fait par une variation des tensions de polarisation d'un transistor. De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif de télécommunication par ondes électromagnétiques, pour l'échange de données entre une station fixe, dite lecteur, et une station mobile, dite badge, qui comprend au moins un circuit modem, en modulateur-démodulateur, relié à une antenne d'émission/réception, ce dispositif étant caractérisé en ce que, dans le sens du badge vers le lecteur, le badge module l'onde porteuse émise par le lecteur par modulation du coefficient de réflexion de son antenne, obtenue par désadapation de l'impédance de la dite antenne. L'invention sera mieux comprise par l'exposé plus détaillé qui suit maintenant du fonctionnement du modem du badge appuyé sur deux exemples de réalisations, et sur les figures jointes en annexe, qui représentent: figure l: schéma d'ensemble simplifié d'un système d'échange de données, qui a été décrit plus haut, figure 2: courbe I(V) d'un transistor, tel qu'utilisé en détecteur dans l'invention, figure 3: courbe C(V) d'un transistor, tel qu'utilisé en modulateur dans l'invention, figure 4 schéma simplifié du circuit détecteur selon l'invention, figure 5 schéma du circuit de badge hyperfréquence selon l'invention, en réalisation hybride. figure 6: schéma du même circuit, en réalisation intégrée. Dans le système d'échange de données par ondes électromagnétiques selon l'invention, le badge c'est la partie la plus délicate à réaliser en raison de la source d'énergie- comprend un unique circuit hyperfréquence 3 qui se comporte de façon différente selon qu'il est interrogé ou qu'il répond. Dans le sens du lecteur 2 vers le badge l interrogation par le lecteur le lecteur émet une onde hyperfréquence modulée en amplitude: la fonction détecteur de niveau du badge est réalisée au moyen d'un composant non linéaire qui est un transistor Le modem 3, qui fonctionne à ce moment en démodulateur, restitue l'enveloppe du signal émis par le lecteur, l'amplifie si nécessaire et l'adresse au circuit de traitement de l'information 4. La figure 2 représente la courbe de 1 ds' en fonction de Vgs pour un transistor à effet de champ Si ce transistor est polarisé sur sa grille à une tension Vgs O proche de sa tension de pincement Vp, ce point de polarisation, à très faible courant de quelques microampères, est intéressant car le transistor fonctionne en détecteur d'amplitude à la fréquence de la porteuse de l'ordre de i à 100 G Hz et de plus avec une forte sensibilité La non linéarité du courant Ids en fonction de la tension Vgs explique ce phénomène de détection Mais en outre, le transistor à effet de champ est un composant actif qui présente du gain aux fréquences de démodulation, de l'ordre de k Hz à 1 M Hz, qui sont de basses fréquences par rapport à la porteuse 1 à 100 G Hz - On peut même adjoindre au détecteur de niveau un amplificateur, mais la sensibilité obtenue au moyen d'un seul transistor est de l'ordre de 60 m V/p W à 10 G Hz, pour un courant de 3 à 5 pi A. Dans le sens du badge 1 vers le lecteur 2, ou réponse par le badge, c'est encore le lecteur qui émet une onde hyperfréquence, ou porteuse, non modulée, et le badge répond en modulant cette porteuse, réfléchie vers le lecteur Le modem 3 fonctionne à ce moment en modulateur, et la fonction modulation de la porteuse par le badge est assurée par la variation de l'adaptation de l'antenne 9 Bien entendu, les signaux qui adaptent ou désadaptent l'antenne 9 sont émis par le circuit 4 de traitement de l'information, activé par la phase précédente d'interrogation. La porteuse est modulée en amplitude selon une modulation de type OOK On-Off-Keying c'est à dire entre deux états logiques: pour simplifier le langage, convenons d'appeler "bas" un premier état logique, et "haut" un second état logique, mais le fonctionnement du circuit demeure si les états "haut" et "bas" sont inversés, réciproquement. L'état logique "bas" de la modulation de porteuse est réalisé en adaptant l'antenne en impédance, c'est à dire que la puissance qu'elle réfléchit vers le lecteur est nulle Pbi - O L'état logique "haut" est obtenu en désadaptant fortement l'antenne, de façon qu'elle réfléchisse le maximum de puissance de la porteuse: Pbi Pbr, aux pertes près. L'état logique "bas", dans lequel l'antenne ne réfléchit pas la porteuse est obtenu en choisissant comme tension de polarisation de grille V,} la tension Vgso pour laquelle le transistor fonctionne en démodulateur Le transistor n'a rien à démoduler, mais l'antenne est adaptée en impédance et la puissance réfléchie est nulle. A cette première tension de polarisation Vgs O correspond une première capacité grille-source Cg 50, qui est faible, comme le montre la courbe de la figure 3, représentant la variation de capacité grille-source Cgs en fonction de la variation de gs polarisation grille source Vg 5 L'état logique "haut", dans lequel l'antenne désadaptée en impédance réfléchit la porteuse, est obtenu en modifiant la tension grille-source Vgs du transistor On utilise pour désadapter l'antenne la variation de capacité de jonction grille-source en fonction de la tension de polarisation grille-source, et l'état logique "haut" est obtenu en polarisant la jonction grille-source en direct, à Vgs 2 ce qui correspond selon la figure 3 à une forte capacité équivalente Cgs 2 * L'antenne est fortement désadaptée en impédance, et réfléchit toute la puissance incidente aux pertes près - A titre d'exemple non limitatif Vgso = -1 V et Vgs 2 = + 0,6 V. La figure 4 donne le schéma électrique simplifié du circuit de modem 3, selon l'invention Il comprend au moins un transistor à effet de champ 11: bien entendu, le modem peut comporter d'autres transistors, mais assurant des fonctions différentes de charge, d'amplification, de commutation etc Un réseau d'adaptation 12 est branché entre la grille du transistor et l'entrée hyperfréquence 13, qui est l'antenne 9 de la figure 1 Ce réseau d'adaptation 12 tient compte de l'impédance de source, équivalente à une mise à la masse Un filtre en 14 filtre les tensions de polarisations Vgs> sur la borne 15, qui font passer le circuit de l'état démodulateur à l'état modulateur Sur le drain du transistor sont placés une charge hyperfréquence 16 et un filtre passe-bas 19 qui délivre en 18 un signal de sortie en démodulation d'amplitude. Les deux figures suivantes donnent les schémas de réalisation du modem 3 du badge, en composants discrets et technologie hybride dans le cas de la figure 5, et en circuit intégré monolithique dans le cas de la figure 6. Le circuit de la figure 5 est donc réalisé sur un substrat isolant sur lequel sont rapportés des composants discrets tels que transistor, diode, résistances en pavés, ou déposées des lignes microbandes, trop encombrantes pour qu'un tel circuit puisse être intégré. Les mêmes indices de repères qu'en figure 4 permettent d'identifier les composants ou les fonctions On peut cependant préciser que: les lignes 14,19 et 21 sont de type quart d'onde et servent à découpler les alimentations de polarisations, la ligne 22 est de type quart d'onde et permet de mettre la source du transistor 11 à la masse, à la fréquence porteuse, sur la source du transistor est une résistance 23 d'autopolarisation: ce procédé permet une forte insensibilité du courant de polarisation drain-source Ids en fonction de la tension de pincement Vp du transistor, la capacité 24, en parallèle sur la résistance 23, permet de mettre la source à la masse aux fréquences de modulation et de démodulation, sur le drain, la résistance 25 de polarisation a une forte valeur, de l'ordre de 100 k S, ce qui donne une forte sensibilité en détection, optimisée par la ligne 16, sur la grille, les résistances 26 et 27 et la diode 28 permettent la polarisation de la grille de façon modulée, à l'aide d'une tension + V appliquée sur la borne 15 Si V est positif, la grille est polarisée en positif à travers la résistance de limitation 27 (fonctionnement du circuit en modulateur) Si V est négatif, la grille est à O V puisqu'aucun courant ne passe, mais la source est autopolarisée par la résistance 23 à VGSO 1 V. Ce circuit hyperfréquence comporte en outre une borne de sortie 18, découplée par une capacité C les signaux détectés au cours de la démodulation sont adressés au circuit de traitement 4 (fig 1) qui répond en adressant sur la borne 15 des signaux modulés, qui adaptent ou désadaptent l'impédance d'antenne, ce qui module la porteuse réfléchie vers le lecteur 2. Ce circuit hybride présente l'inconvénient qu'il doit être rapporté sur un substrat rigide et réuni à des puces de circuits intégrés pour le traitement de l'information, telles que des puces de microprocesseur ou de mémoires. Le circuit intégré dont le schéma est donné en figure 6 présente l'avantage qu'il peut n'être qu'une partie d'un circuit intégré plus complexe, comprenant les circuits de commande, ce qui rend le badge monolithique, à l'exception de quelques composants trop volumineux pour être intégrables: microbande d'adaptation 12, et les réseaux RC 23 + 24 et 25 +C. Dans ce circuit, les réseaux d'adaptation d'impédance de grille et de drain sont des selfs, que l'on sait intégrer, bien que la grille nécessite cependant une ligne microruban. La résistance 29 sur la polarisation de grille permet d'élargir la bande de fréquences de fonctionnement. Les capacités non repérées sont des capacités de découplage aux hyperfréquences. L'équivalence des fonctions, mise en évidence par les mêmes indices de repères, entre les figures 5 et 6 est évidente pour l'homme de l'art, qui y reconnait les deux formes d'un même modem de badge hyperfréquences. REVENDICATIONS 1 Dispositif de télécommunication par ondes électromagnétiques, pour l'échange de données entre une station fixe, dite Iecteur ( 2), et une station mobile, dite badge ( 1) qui comprend au moins un circuit modem ( 3), ou modulateur/démodulateur, relié à une antenne ( 9) d'émission/réception, ce dispositif étant caractérisé en ce que, dans le sens du badge ( 1) vers le lecteur ( 2), le badge ( 1) module l'onde porteuse émise par le lecteur ( 2) par modulation du coefficient de réflexion de son antenne ( 9), obtenue par désadaptation de l'impédance de la dite antenne( 9). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la désadaptation de l'impédance d'antenne ( 9) du modem ( 3) du badge ( 1) est obtenue par une variation de la capacité de jonction grille-source Cgs d'au moins un transistor ( 11) gs assurant la fonction détection/modulation dans le modem ( 3). 3 Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la variation de capacité C est obtenue par une variation gs de la tension de polarisation Vgs du dit transistor ( 11). 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les stations mobile ( 1) et fixe ( 2) communiquent par microondes, dans une bande de 1 à 100 G Hz.