Brevet FR2896898A1 — publié le 20070803

Prolongateur d'antenne RFID et système d'échange de données utilisant un tel prolongateur La présente invention se rapporte à un système d'échange de données par technologie RFID (Radio Frequency Identification û Identification par radio fréquence) entre une station de lecture/écriture et une ou plusieurs étiquettes électroniques de lecture/écriture, utilisant la communication par radio. Plus particulièrement, l'invention concerne un prolongateur d'antenne (ou répéteur d'antenne) utilisé dans un tel système d'échange de données et placé entre la station de lecture/écriture et les étiquettes, de façon à pouvoir modifier la distance et/ou la surface de portée de l'antenne de la station de lecture/écriture. Les systèmes d'échange de données par technologie RFID sont déjà largement utilisés pour reconnaître et/ou identifier à une distance rapprochée et dans un minimum de temps un objet porteur d'une étiquette électronique de lecture/écriture (souvent appelée transpondeur, tag ou smart label) en utilisant des ondes radio. La station de lecture/écriture et l'étiquette possèdent une antenne intégrée spiralée dans lequel on peut créer un champ électromagnétique qui permet une communication par couplage magnétique (appelé aussi couplage inductif) avec toute bobine placée à proximité dans une zone d'action ou zone de dialogue. L'étiquette est capable de recevoir un signal radio et de renvoyer en réponse un signal différent contenant une information pertinente. Les étiquettes possèdent une puce électronique contenant une mémoire interne qui permet de stocker diverses informations d'identification et/ou de reconnaissance. Certaines étiquettes permettent uniquement une lecture de leurs données stockées lorsqu'une station est placée à proximité mais d'autres permettent en plus une écriture des données (écriture unique ou multiple) stockées sur l'étiquette. Par ailleurs, dans le cas d'une étiquette dite passive, le signal électromagnétique créé par l'antenne de la station de lecture/écriture sert également à alimenter électriquement l'étiquette lorsque celle-ci passe dans la zone d'action, l'étiquette utilisant l'énergie produite par ce champ électromagnétique et ayant alors l'avantage de ne pas nécessiter d'alimentation interne telle qu'une pile. Pour fonctionner, un système d'échange de données RFID par couplage magnétique impose que l'étiquette passe à proximité de la station de lecture/écriture (habituellement à une distance de l'ordre de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres maximum), car la communication ne peut s'établir que lorsque l'antenne de l'étiquette est dans la zone d'action du champ électromagnétique créé par l'antenne de la station. Or, la taille de cette zone d'action constitue une limitation dans certaines applications, et on souhaiterait donc pouvoir étendre la zone de dialogue du système, de façon à communiquer avec des étiquettes soit positionnées à une distance plus éloignée de la station, soit positionnées de façon moins précise par rapport à la station, soit positionnées dans un plan différent de la station de lecture/écriture. Le document US6563425 décrit un répéteur passif comportant une boucle et destiné à être placé entre un lecteur RFID et une ou plusieurs étiquettes RFID. Ce système permet notamment au lecteur de lire plusieurs étiquettes placées par exemple sur des boîtes à l'intérieur d'un même contenant de grande taille. Cependant, le système décrit prévoit que le répéteur passif est mobile avec le contenant et il est donc prévu avec chaque contenant différent. De plus, le répéteur ne comporte pas une première boucle couplée magnétiquement avec l'antenne du lecteur et une seconde boucle de taille différente de la première boucle, couplée magnétiquement avec l'antenne d'une étiquette. Ainsi, le couplage magnétique entre répéteur et étiquettes d'une part et entre répéteur et lecteur d'autre part n'est donc pas optimum, rendant le système moins efficace et susceptible de comporter des zones d'ombre entre répéteur et étiquettes. L'invention a donc pour but de proposer un dispositif simple, peu onéreux et facile à mettre en oeuvre permettant d'agrandir et/ou rediriger les dimensions de la surface de la zone de dialogue d'une station de lecture/écriture standard, sans avoir besoin d'apporter des modifications à cette station et tout en assurant un couplage magnétique optimum entre station et étiquettes. C'est pourquoi l'invention décrit un prolongateur d'antenne pour un système d'échange de données par technologie RFID entre une station de lecture/écriture et au moins une étiquette électronique comportant chacune une antenne. Le prolongateur d'antenne est caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement susceptible d'être disposé à proximité de la station de lecture/écriture de façon à coopérer par couplage magnétique avec l'antenne de la station, et un second enroulement de taille différente du premier enroulement et relié en série avec le premier enroulement, l'étiquette étant susceptible d'être disposée à proximité du prolongateur de façon à ce que l'antenne de l'étiquette coopère par couplage magnétique avec le second enroulement pour pouvoir échanger avec la station. Selon une caractéristique, le prolongateur comporte un condensateur d'accord de fréquence connecté en série avec les enroulements pour accorder le prolongateur avec la fréquence de la station de lecture/écriture. Selon une autre caractéristique, le prolongateur comporte un circuit magnétique de canalisation du champ magnétique. Selon un mode de réalisation, le premier enroulement est de taille inférieure au second enroulement. Selon un autre mode de réalisation, le premier enroulement est de taille supérieure au second enroulement. Selon un mode de réalisation, le premier enroulement et le second enroulement sont formés par un seul bobinage intégré dans un boîtier. Selon un autre mode de réalisation, le premier enroulement et le second enroulement sont formés par deux bobinages distincts connectés en série et intégrés dans deux boîtiers distincts. L'invention décrit également un système d'échange de données par technologie RFID comprenant une station de lecture/écriture et au moins une étiquette électronique comportant chacune une antenne. Le système comporte un tel prolongateur d'antenne, positionné de façon à coopérer par couplage magnétique avec ladite station et avec ladite étiquette, pour permettre un échange de données entre ladite station et ladite étiquette. Selon une caractéristique, l'antenne de la station et le premier enroulement du prolongateur d'antenne sont de dimension sensiblement similaire. Selon une autre caractéristique, le système d'échange de données comporte plusieurs prolongateurs d'antenne distincts comportant chacun un premier enroulement disposé dans une zone d'action de l'antenne de la station. Le système permet alors de communiquer entre une seule station de lecture/écriture et plusieurs étiquettes situées à des endroits différents. Avantageusement, le prolongateur d'antenne est un accessoire indépendant électriquement de la station et de l'étiquette ce qui lui assure donc un isolement galvanique. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre en vue de face un prolongateur d'antenne selon l'invention utilisé dans un système d'échange de données, les figures 2, 3, 4 & 5 détaillent plusieurs exemples de réalisation du prolongateur d'antenne, les figures 6, 7 & 8 représentent d'autres configurations d'utilisation d'un prolongateur d'antenne, la figure 9 montre une autre variante du prolongateur d'antenne. En référence à la figure 1, un système d'échange de données par technologie RFID comprend une station de lecture/écriture 10 comportant une antenne propre 11. Cette station 10 est capable d'émettre une onde électromagnétique via son antenne 11 dans une zone d'action 15 qui forme ainsi la zone de dialogue de la station 10. Habituellement, une telle station de lecture/écriture comporte également un dispositif d'émission/ réception radio-fréquence émettant à une fréquence porteuse déterminée, une unité de traitement électronique, une mémoire associée à l'unité de traitement, des moyens de communication avec par exemple un système d'automatisme hôte pilotant le système et exploitant les données fournies par l'étiquette, ainsi qu'éventuellement des moyens de signalisation locaux. Ces éléments connus ne sont pas représentés sur les figures pour des raisons de simplification. Le système d'échange de données comprend également une ou plusieurs étiquettes électroniques 30 comportant chacune une antenne propre 31. Habituellement, une telle étiquette comporte également un dispositif d'émission/ réception radio-fréquence, ainsi qu'une unité de traitement électronique et une mémoire de stockage d'informations sur une puce électronique. Suivant son type, active ou passive, l'étiquette peut aussi comporte sa propre source d'alimentation. De façon connue, une antenne 11 et 31 est formée par une inductance associée éventuellement à une résistance et une capacité pour adapter l'impédance de l'antenne et accorder la fréquence de porteuse souhaitée. Préférentiellement, l'antenne 11 est intégrée à l'intérieur de la station 10 et l'antenne 31 est intégrée à l'intérieur de l'étiquette 30, comme indiqué dans la figure 1. Mais, on pourrait aussi envisager de façon équivalente que l'antenne 11 de la station 10 ne soit pas directement intégrée à l'intérieur du boîtier de la station 10, mais déportée et reliée au boîtier de la station 10 par un câble électrique. Dans la technologie RFID, lorsqu'une étiquette est dans le champ d'action de la station et que la station émet un signal électromagnétique, il y a couplage magnétique entre l'étiquette et la station, l'antenne de la station et l'antenne de l'étiquette pouvant être considérées comme le primaire et le secondaire d'un transformateur. L'étiquette répond au signal émis par la station et un dialogue peut s'établir, les informations étant échangées par modulation d'amplitude ou de phase sur la fréquence porteuse. La valeur de la fréquence de la porteuse d'émission peut être choisie dans une zone dite de basses fréquences (par exemple 125 KHz) ou préférentiellement de hautes fréquences (par exemple 13,56 MHz). Dans ces deux cas, le système fonctionne en couplage inductif en champ proche, c'est-à-dire habituellement avec une portée de l'ordre de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres suivant l'énergie disponible. Selon l'invention, le système d'échange de données de la figure 1 comporte également un prolongateur d'antenne 20 passif qui comprend un premier enroulement 21 connectée en série avec un second enroulement 22. Le premier enroulement 21 est de taille différente du second enroulement 22. Le prolongateur d'antenne 20 est une pièce autonome distincte qui n'est pas connectée électriquement avec la station 10 ou l'étiquette 30. Suivant les caractéristiques et les performances souhaitées, le nombre de spires des enroulements 21,22 peut varier typiquement de une à quelques dizaines de spires, et le nombre de spires de l'enroulement 21 peut être différent au nombre de spires de l'enroulement 22. Le schéma d'un tel prolongateur d'antenne 20 est équivalent à deux selfs en série. Le principe de fonctionnement est le suivant : lorsque le premier enroulement 21 du prolongateur 20 est disposé à proximité de la station 10, c'est-à-dire dans le champ d'action (schématisé de façon simplifiée par la référence 15 sur la figure 1) de la station 10, alors il y a couplage magnétique entre l'antenne 11 de la station 10 et le premier enroulement 21, lorsque la station émet un signal électromagnétique. De même, lorsqu'une étiquette 30 est disposée à proximité du second enroulement 22 du prolongateur 20, c'est-à-dire dans le champ d'action (schématisé de façon simplifiée par la référence 25 sur la figure 1) du second enroulement 22, alors il y a couplage magnétique entre l'antenne 31 de l'étiquette 30 et le second enroulement 22. Dans ce cas, comme les enroulements 21 et 22 du prolongateur sont connectés en série, un signal électromagnétique émis par l'antenne 11 se propage par couplage magnétique dans le premier enroulement 21, puis circule dans le second enroulement 22 avant de se propager par couplage magnétique dans l'antenne 31 de l'étiquette 30. De même, un signal électromagnétique émis par l'antenne 31 de l'étiquette 30 sera reçu par l'antenne 11 de la station 10, via les enroulements 22 et 21. Pour optimiser le couplage magnétique entre eux, la taille du premier enroulement 21 est de préférence de dimension sensiblement similaire à celle de l'antenne 11 de la station 10, c'est-à-dire que les surfaces intérieures qu'ils délimitent sont de taille et de forme sensiblement similaires. En fonctionnement, le prolongateur 20 est préférentiellement directement posé contre la station 10 en mettant en vis-à-vis l'antenne 11 et le premier enroulement 21. Mais, le prolongateur 20 peut également ne pas être directement en contact avec la station 10, mais se trouver à une certaine distance à condition de rester dans le champ d'action 15 de la station 10, comme indiqué sur les figures. Selon un premier mode de réalisation représenté dans les figures 1 à 6, le second enroulement 22 est de taille supérieure au premier enroulement 21 du prolongateur 20. Le prolongateur 20 permet avantageusement alors d'étendre la distance et/ou d'augmenter la surface de la zone de dialogue d'une station de lecture/écriture 10 standard. La taille du second enroulement 22 est déterminée par l'extension de portée souhaitée de la zone de dialogue de la station 10. Le prolongateur 20 permet donc une communication entre une station 10 et une étiquette 30, même lorsque celle-ci est située en dehors du champ d'action 15 de la station 10. Cette fonctionnalité est réalisée sans avoir à modifier la station 10, ni à rajouter d'antenne déportée connectée électriquement à la station 10, ce qui pourrait poser des problèmes d'isolation galvanique. Les applications d'un tel système sont nombreuses : difficulté de placer une station de lecture/écriture à proximité des objets à détecter portant une étiquette de lecture/écriture, difficulté de prévoir une position précise de passage des objets portant une étiquette, etc... Différentes variantes de prolongateurs 20 sont présentées en vue de dessus dans les figures 2 à 4. Dans les figures 2 & 3, le premier enroulement 21 est entouré par le second enroulement 22, le premier enroulement se trouvant indifféremment proche du centre (figure 3) ou proche de la périphérie (figure 2) du second enroulement 22. Les enroulements 21 et 22 peuvent au contraire être éloignés l'un de l'autre, c'est-à-dire que les surfaces intérieures délimitées par chaque enroulement sont disjointes, comme indiqué notamment dans les figures 1, 4, 5, 6 & 9. Dans ce cas, le champ d'action 15 de la station 10 peut être avantageusement complètement espacé du plan d'action 25 du second enroulement 22, sans recouvrement, ce qui permet des extensions de portée encore plus importantes. Par ailleurs, la forme de chaque enroulement 21,22 peut indifféremment s'adapter aux différentes applications et utilisations souhaitées : ces formes peuvent être par exemple sensiblement circulaires, elliptiques, rectangulaires, et même présenter des profils plus complexes. Dans le présent document, un plan médian se définit par le plan traversant un bobinage en son milieu et parallèle au bobinage. Le plan médian P1 du premier enroulement 21 et le plan médian P2 du second enroulement 22 peuvent être sensiblement parallèles. Ils sont alors soit coplanaires, soit décalés l'un de l'autre comme dans le cas des plans P1 et P2 indiqués dans la figure 5. Dans d'autres exemples de réalisation, le plan médian du premier enroulement 21 fait un angle non nul avec le plan médian du second enroulement 22. Ainsi, la figure 6 montre en vue de face une configuration d'un système d'échange de données dans lequel les plans médians P1,P2 des enroulements 21,22 sont perpendiculaires l'un par rapport à l'autre. Grâce à cette configuration avantageuse, la station 10 pourra communiquer avec une étiquette 30, bien que leur antenne respective 11,31 soient perpendiculaires l'une par rapport à l'autre, ce qui d'habitude réduit fortement les zones de dialogue. Cette configuration permet donc résoudre plus facilement différents problèmes de localisations respectives d'étiquettes par rapport à une station. Pour améliorer les performances du prolongateur, la figure 5 montre un exemple dans lequel une capacité 29 est rajoutée en série avec les enroulements 21,22 dans le but d'accorder précisément le prolongateur 20 sur la fréquence d'émission de porteuse de la station. Par ailleurs, lorsque les enroulements 21.22 sont séparés l'un de l'autre, le prolongateur 20 peut également comporter au moins un circuit magnétique en matériau magnétique pour canaliser le champ magnétique d'un enroulement. Ce circuit magnétique doit être placé à proximité de l'enroulement et à l'opposé du côté où s'effectue le couplage magnétique avec la station et/ou l'étiquette. Par exemple dans la figure 5, le prolongateur 20 comporte deux circuits magnétiques 23, respectivement 24, (réalisés chacun par exemple avec une plaque en ferrite) qui permettent de canaliser le champ magnétique des enroulements 21, respectivement 22, et donc favoriser le couplage magnétique de ces enroulements 21,22 du côté opposé aux circuits magnétiques 23,24. Selon un second mode de réalisation de l'invention, la taille du premier enroulement 21' du prolongateur 20' coopérant avec l'antenne de la station 10' est supérieure à la taille du second enroulement 22' du prolongateur 20' coopérant avec l'antenne d'une étiquette 30'. Le rôle d'un tel prolongateur 20' n'est alors pas d'étendre la portée de la station 10' mais permet d'améliorer la détection d'une étiquette 30', en particulier lorsque l'antenne de celle-ci est de dimension très inférieure à l'antenne de la station 10'. En effet, quand l'antenne d'une station 10' est étendue, il existe inévitablement des zones d'ombre dans la zone d'action de la station 10', ce qui peut perturber la bonne communication avec des étiquettes 30' de très petite taille. Le prolongateur d'antenne 20' permet de remédier à ces inconvénients en présentant un premier enroulement 21' dont la taille est adaptée pour un couplage magnétique optimum avec l'antenne de la station 10' et un second enroulement 22' de taille plus petite, adaptée pour un couplage magnétique optimum avec l'antenne d'une étiquette 30'. La figure 8 montre une autre configuration dans laquelle un système d'échange de données utilise plusieurs prolongateurs d'antenne 20,40. Le système comprend une station de lecture/écriture 10, une ou plusieurs étiquettes 30 pouvant dialoguer avec la station 10 via un premier prolongateur d'antenne 20 et une ou plusieurs étiquettes 50 pouvant dialoguer avec la station 10 via un second prolongateur d'antenne 40. Chaque prolongateur 20,40 comporte un premier enroulement 21,41 relié en série avec un second enroulement 22,42. Les premiers enroulements 21,41 sont placés dans la zone d'action 15 de l'antenne 11 de la station 10, par exemple en superposant les prolongateurs 20,40 l'un sur l'autre. Par contre, les seconds enroulements 22,42 peuvent être orientés ou dirigés dans des directions totalement différentes, par exemple des directions opposées, ce qui permet d'augmenter encore sensiblement la portée de la station 10, comme indiqué en figure 8. On obtient ainsi une solution économique pour surveiller, à partir d'une seule station de lecture/écriture 10, plusieurs lignes distantes de passage d'étiquettes 30,50, en utilisant si besoin un dispositif anti-collision entre messages lus simultanément par la même station 10 en provenance d'étiquettes différentes 30,50. Le prolongateur d'antenne peut être réalisé par un seul bobinage réalisé en continu pour former les deux enroulements 21,22, lesquels sont alors intégrés dans un seul boîtier 20 pour former un accessoire autonome indépendant de toute connexion électrique avec la station ou les étiquettes. La figure 9 montre une alternative dans lequel le prolongateur est réalisé par deux bobinages distincts formant chacun un des deux enroulements 21,22 du prolongateur et intégrés dans deux boîtiers distincts 26,27, les boîtiers étant reliés entre eux par une connexion électrique 28. On pourrait ainsi proposer un prolongateur d'antenne modulable composé d'un boîtier de base 26 comprenant le premier enroulement 21 de taille adaptée à une station 10 standard et un second boîtier 27 comprenant le second enroulement 22 et dont la taille, la forme et les caractéristiques seraient adaptées à chaque application particulière du système d'échange de données souhaité. Par ailleurs, un tel agencement avec deux boîtiers distincts raccordés entre eux est également très bien adapté pour simplifier la fabrication d'un prolongateur de forme non plane, tel que celui proposé notamment en figure 6. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Prolongateur d'antenne (20) pour un système d'échange de données par technologie RFID entre une station de lecture/écriture (10) et au moins une étiquette électronique (30) comportant chacune une antenne (11,31), caractérisé en ce que le prolongateur d'antenne (20) comprend : - un premier enroulement (21) susceptible d'être disposé à proximité de la station de lecture/écriture de façon à coopérer par couplage magnétique avec l'antenne (11) de la station (10), - un second enroulement (22) de taille différente du premier enroulement (21) et relié en série avec le premier enroulement, l'étiquette (30) étant susceptible d'être disposée à proximité du prolongateur (20) de façon à ce que l'antenne (31) de l'étiquette coopère par couplage magnétique avec le second enroulement (22) pour pouvoir échanger avec la station. 2. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un condensateur (29) d'accord de fréquence connecté en série avec les enroulements (21,22), pour accorder le prolongateur (20) avec la fréquence de la station de lecture/écriture (10). 3. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit magnétique (23), respectivement (24), de canalisation du champ magnétique de l'enroulement (21), respectivement (22). 4. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21) est de taille inférieure au second enroulement (22). 5. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21') est de taille supérieure au second enroulement (22'). 6. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21) et le second enroulement (22) sont formés par un seul bobinage intégré dans un boîtier (20). 7. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21) et le second enroulement (22) sont formés par deuxbobinages distincts connectés en série et intégrés dans deux boîtiers (26,27) distincts. 8. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de spires du premier enroulement (21) est différent du nombre de spires du second enroulement (22). 9. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan médian du premier enroulement (21) et le plan médian du second enroulement (22) sont sensiblement parallèles entre eux. 10. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan médian du premier enroulement (21) et le plan médian du second enroulement (22) forment un angle entre eux. 11. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21) est entouré par le second enroulement (22). 12. Prolongateur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier enroulement (21) et le second enroulement (22) sont espacés l'un de l'autre. 13. Système d'échange de données par technologie RFID comprenant une station de lecture/écriture (10) et au moins une étiquette électronique (30) comportant chacune une antenne (11,31), caractérisé en ce que le système comporte un prolongateur d'antenne (20) selon l'une des revendications précédentes, positionné de façon à coopérer par couplage magnétique avec ladite station (10) et avec ladite étiquette (30), pour permettre un échange de données entre ladite station et ladite étiquette. 14. Système d'échange de données selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'antenne (11) de la station (10) et le premier enroulement (21) du prolongateur d'antenne (20) sont de dimension sensiblement similaire. 15. Système d'échange de données selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs prolongateurs d'antenne (20,40) distincts comportant chacun un premier enroulement (21,41) disposé dans une zone d'action (15) de l'antenne (11) de la station (10). 16. Système d'échange de données selon la revendication 15, caractérisé en ce que les prolongateurs d'antenne (20,40) comportent chacun un second enroulement (22,42) orienté dans des directions différentes.