Brevet FR2784524A1 — publié le 20000414

Antenne perfectionnée, notamment pour un lecteur de badge sans contact La présente invention concerne une antenne à inductance rayonnante, travaillant à courte portée. De telles antennes servent notamment dans les dispositifs de communication sans contact avec des"badges", c'est-à-dire des jetons électroniques d identification et/ou de transaction (péages, accès à une information, par exemple). Quoique ces badges puissent revtir des formes variables, la forme la plus courante est aujourd'hui celle d'une carte à mémoire. La lecture du badge et/ou l'écriture sur celui-ci s'effec- tuent sans contact par un dispositif dit"lecteur de badge". Un lecteur de ce type est décrit en particulier dans la Demande de Brevet français N 9809295 de la Demanderesse. Côté lecteur, l'interaction à distance implique une antenne dont la bande passante doit tre suffisamment large pour transmettre les signaux du lecteur vers le badge. Pour élargir la bande passante de l'antenne, il peut tre prévu d'insérer une résistance dans le circuit d'antenne. Il en résulte alors une diminution de son coefficient de qualité et, par conséquent, un élargissement de sa bande passante. Cependant, cette solution présente l'inconvénient de détério- rer d'autres performances de l'antenne, comme par exemple son rendement et sa sensibilité. La présente invention vient alors améliorer la situation. Elle porte sur une antenne du type comprenant une première inductance, rayonnante, en parallèle avec un condensateur connecté, d'une part, à une première borne d'entrée de 1'antenne par l'intermédiaire d'une seconde inductance et, d'autre part, à une seconde borne d'entrée de l'antenne. Selon l'invention, la seconde inductance est agencée pour tre rayonnante, et pour coopérer avec la première inductance par couplage électromagnétique. En particulier, les première et seconde inductances sont réalisées par enroulement respectifs de spires en sens inverses ; elles sont accordées l'une et l'autre par le condensateur. Ainsi, les courants respectifs circulant dans les première et seconde inductances étant sensiblement en opposition de phase, les deux inductances contribuent au rayonnement de l'antenne. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les valeurs d'inductances des première et seconde inductances sont sensiblement égales, de sorte que les courants respectifs circulant dans les première et seconde inductances sont opposés. Dans une forme de réalisation préférée de la présente invention, les première et seconde inductances sont gravées sur un circuit imprimé. Selon une caractéristique optionnelle, la seconde inductance est incluse dans la spire de plus petit périmètre de la première inductance. Dans une forme de réalisation plus élaborée de l'antenne selon l'invention, celle-ci comporte une pluralité d'inductances rayonnantes connectées en série sur la première borne d'entrée précitée, ainsi qu'une pluralité de condensateurs reliant chacun une borne commune d'inductances à la seconde borne d'entrée. Selon une caractéristique avantageuse de l'antenne selon l'invention, celle-ci comporte en outre un condensateur de capacité réglable, connecté au condensateur et à la première inductance. Ce condensateur permet de régler et d'optimiser l'impédance d'entrée de 1'antenne en fonction des besoins spécifiques de l'application visée. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 représente le schéma électrique équivalent de l'antenne selon une forme de réalisation préférée de la présente invention, -la figure 2 représente un schéma d'implantation de l'antenne selon le mode de réalisation représenté sur la figure 1, et -la figure 3 montre les allures spectrales du coefficient de réflexion que présente l'antenne au voisinage d'une fréquence de résonnance FRS pour cinq valeurs différentes du coefficient de couplage mutuel entre les deux inductances rayonnantes. Les dessins annexés comportent de nombreux éléments qui, pour l'essentiel, sont de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre l'invention, mais aussi contribuer à la définition de celleci, le cas échéant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire le schéma de principe d'une antenne selon une forme de réalisation préférée de l'invention. Cette antenne est préférentiellement agencée pour recevoir et émettre des signaux sensiblement de mme fréquence porteuse, voisine de 13,56 MHz dans l'exemple décrit. Elle comporte une inductance L1 constituant l'élément rayonnant de l'antenne proprement dit, précédée d'une autre inductance L2 en série et d'un condensateur C12 en parallèle. Les résistances rl et r2 correspondent ici aux résistances internes des inductances L1 et L2, et sont dues principalement aux pertes ohmiques et par rayonnement. La cellule entre les points A2 et Bl du circuit et comportant ainsi les deux inductances L1, L2 et le condensateur C12, joue le rôle de réseau d'adaptation centré autour d'une fréquence de résonnance FR. Les valeurs d'inductances de L1 et L2, et de capacité de C12 sont choisies de sorte que l'impédance d'entrée de l'antenne soit voisine de 50 Q à la fréquence porteuse précitée. Les temps de montée des signaux à émettre (impulsions) ne doivent pas dépasser 2 ps, ce qui correspond à une bande passante requise d'au moins 500 kHz. Une solution générale consisterait à introduire des résistances ohmiques dans le circuit, ce qui aurait pour effet d'augmenter cette bande passante (antenne moins"surtendue"), mais aussi de dégrader les performances de l'antenne : -en émission, les pertes par effet Joule dans ces résistaces accroitraient la consommation de l'antenne, et -en réception, sa sensibilité diminuerait. Selon l'invention, la seconde inductance L2 est aussi rayonnante et couplée électro-magnétiquement avec la premibre inductance L1. Ce couplage magnétique entre L1 et L2 modifie la valeur de l'impédance équivalente du circuit entre les points A2 et B1 (figure 1). La bande passante de la cellule précitée croit lorsque le coefficient de couplage mutuel entre les inductances L1 et L2 augmente. La largeur de bande est maximale lorsque le coefficient de couplage est proche de 1. Dans l'exemple décrit, les valeurs d'inductances L1 et L2 sont sensiblement égales (L1=L2=L). La mutuelle M entre les deux inductances s'écrit alors M = K L, et dépend du coefficient de couplage K entre les deux inductances. Typiquement, en l'absence de couplage entre les deux inductances, la largeur de bande passante autour de la résonnance varie comme R/Lx, où L correspond à la valeur des inductances L1 et L2, R représente la résistance équivalente du circuit et, la fréquence de travail de l'antenne. En revanche, si les deux inductances sont couplées, la largeur de bande du circuit varie comme R'/ (Lw-Mc). Ainsi, en faisant croître le couplage entre les deux inductances L1 et L2, on fait avantageusement croitre la largeur de bande de l'antenne. On se réfère alors à la figure 3 pour décrire la réponse du réseau entre les points A2 et B1 de la figure 1, au voisinage de la fréquence de résonnance FR et pour cinq valeurs du coefficient de couplage K entre les première et seconde inductances. Les valeurs d'inductances L1 et L2 et de résistances internes rl et r2 des inductances rayonnantes sont, dans l'exemple, voisines de 5 OH et de 5 0, respectivement. La valeur de capacité du condensateur C12 est choisie voisine de quelques pF. En absence de couplage entre les inductances L1 et L2, la courbe"K=0"représente l'allure spectrale du coefficient de réflexion de l'antenne. On remarque alors que le pic d'adaptation à la fréquence FR est d'autant plus marqué que le coefficient de couplage K est grand. Si l'on souhaite accroitre davantage cette bande passante, il peut tre prévu de rajouter une troisième inductance rayonnante L3 (figure 1) montée en série avec la seconde inductance L2, ainsi qu'un second condensateur C23 monté en parallèle avec la cellule décrite précédemment (circuit entre A2 et B1). Le circuit résultant présente alors une largeur de bande croissante en fonction du nombre d'inductances rajoutees. Typiquement, l'impédance de travail de l'antenne augmente aussi. Pour affiner l'adaptation de l'impédance de l'antenne à 50 Q, il peut tre prévu de monter un condensateur C de capacité réglable C, en série avec l inductance L1. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire, en pratique, le montage des différentes inductances rayonnantes sur un circuit imprimé CI. Chaque inductance comporte un nombre choisi de spires de périmètre choisi. On remarque, notamment entre les points A1 et A'1, que les spires des inductances sont montées en sens inverses d'une inductance à l'autre. Ainsi, les courants qui les traversent étant en opposition de phase au voisinage de la résonnance, toutes les inductances contribuent avantageusement au rayonnement de l'antenne. Sur l'autre face du circuit imprimé, il est prévu de connecter le point A'1 au point A1 par l'intermédiaire du condensateur de capacité variable C, et le point B1 au point E2. Les points A1 et A2 sont connectés en outre au point E2 par l'intermédiaire des condensateurs C12 et C23, respectivement. Enfin, le point A3 est connecté au point E1. Les points E1 et E2 correspondent aux première et seconde bornes de l'antenne, désignées ci-avant par le terme"bornes d'entrée". Ainsi, le couplage entre les inductances augmente la bande passante de l'adaptation d'impédance. Cette adaptation largebande permet de respecter les spécifications de front de montée et de descente des signaux d'émission. Avantageusement, le circuit d'antenne contribue aussi au filtrage de raies harmoniques que génère une chaîne d'amplification prévue en amont de l'antenne, sur une voie d'émission du lecteur de badges. Il peut soulager ainsi les spécifications requises pour un filtre prévu entre l'amplification et l'antenne. Un autre avantage que procure l'invention consiste en ce que les inductances du circuit couplées à L1 contribuent aussi au rayonnement de 1 antenne et, par conséquent, à augmenter sa sensibilité en réception. Enfin, les courants parcourant les inductances contribuent au rayonnement du champ émis par l'antenne, ce qui permet de limiter l'énergie d'alimentation qui doit lui tre fournie, les seules résistances présentes dans le circuit d'antenne étant les résistances internes des inductances. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite à titre d'exemple ci-avant. Elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on comprendra que le nombre d'inductances que comporte le circuit de l'antenne peut varier suivant l'application visée. Dans l'exemple décrit ci-avant, les dimensions de l'antenne sont de l'ordre d'une dizaine de centimètres de long sur quelques centimètres de large (respectivement notées a et b sur la figure 2). Dans l'application d'une antenne selon l'invention à un dispositif lecteur de badge, le nombre d'inductances rayonnantes gravées en série sur le circuit imprimé CI est limité notamment par des contraintes spatiales imposées. Dans une application différente, si les dimensions requises pour l'antenne le permettent, le nombre d'inductances rayonnantes montées en série, peut tre supérieur à trois. Dans l'exemple décrit ci-avant, les inductances sont incluses les unes dans les autres. En variante, elles peuvent tre entrelacées, ou encore disposées sur des faces de circuits imprimés en regard les unes des autres. Dans ce qui précède, on cherche à adapter l'impédance de l'antenne à une valeur voisine de 50 Q, pour une fréquence de résonnance voisine de 13,56 MHz. Cependant, l'invention peut s'appliquer à d'autres valeurs d'impédance. Ainsi, le nombre d'inductances rayonnantes en série peut varier jusqu'à obtenir la valeur d'impédance souhaitée. Le montage du condensateur de capacité réglable C en série avec l'inductance rayonnante L1 est décrit ici à titre d'exemple. En variante, le condensateur C peut tre monté en parallèle avec Ll. Par ailleurs, dans une forme de réalisation moins élaborée de l'antenne selon l'invention, le condensateur C peut tre supprimé. Enfin, les deux valeurs d'inductance Ll et L2 ne sont pas nécessairement égales pour accroitre la largeur de bande de l'adaptation. Il suffit que les deux inductances soient enroulées en sens inverses. Cependant, l'adaptation est optimale pour des inductances de mme valeur. L'application de la présente invention est particulièrement intéressante pour le lecteur de badges que décrit la Demande de Brevet français ? 9809295 de la Demanderesse. L'antenne représentée notamment par les figures 5A et 5B des dessins de cette Demande peut tre remplacée par une antenne selon la présente invention. Par conséquent, pour une description complète de cette application préférentielle, la Demanderesse se réserve le droit d'incorporer le contenu de la Demande de Brevet français ? 9809295 à la présente Demande. Revendications 1. Antenne, notamment pour un lecteur de badge sans contact, du type comprenant une première inductance (L1), rayonnante, en parallèle avec un condensateur (C12) connecté, d'une part, à une première borne d'entrée (E1) par l'intermédiaire d'une seconde inductance (L2) et, d'autre part, à une seconde borne d'entrée (E2), caractérisée en ce que la seconde inductance (L2) est rayonnante et agencée pour coopérer avec la première inductance (L1) par couplage électromagnétique, et en ce que les première et seconde inductances (L1, L2) sont réalisées par enroulements respectifs de spires en sens inverses, de sorte que les courants respectifs (il, i2) circulant dans les première et seconde inductances étant sensiblement en opposition de phase, les première et seconde inductances (L1, L2) contribuent au rayonnement. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les valeurs d'inductances des première et seconde inductances (L1, L2) sont sensiblement égales, de sorte que les courants respectifs (il, i2) circulant dans les première et seconde inductances sont sensiblement opposés. 3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la seconde inductance (L2) est incluse dans la spire de plus petit périmètre de la première inductance (L1). 4. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les première et seconde inductances (Ll, L2) sont gravées sur un circuit imprimé. 5. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que la première inductance (L1) et la seconde inductance (L2) sont gravées sur des faces de circuits imprimés en regard les unes des autres. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'inductan ces rayonnantes (L1, L2, L3) connectées en série sur la première borne d'entrée (E1), ainsi qu'une pluralité de condensateurs (C12, C23) reliant chacun une borne commune d'inductances à la seconde borne d'entrée (E2). 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le couplage électromagnétique (K) entre les première et seconde inductances (L1, L2), leur valeur d'inductance (L1, L2) et de résistance interne (rl, r2), ainsi que la capacité du condensateur (C12) sont ajustés pour adapter l'antenne à une impédance de travail (z) voisine de 50 Q. 8. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un condensateur (C) de capacité réglable, connecté au condensateur (C12) et à la première inductance (L1).