Brevet FR2940721A1 — publié le 20100702

L'invention concerne une antenne de lecteur RFID (Radio Frequency Identification pour identification par radiofréquence) à boucles multiples dans le cadre des systèmes RFID à champ proche (Near Field). La technologie RFID est actuellement largement répandue dans des domaines industriels divers tel que les transports, le suivi postal, le traitement des bagages, la gestion de stocks, les péages d'autoroutes, la santé etc. Pour les dispositifs dits à �champ proche� typiquement les lecteurs de cartes, la majorité des fabricants de systèmes RFID ont adoptés la norme ISO (International Standardization Organization) /1E0 (International Electrotechnical Commission) 14443 qui utilise la fréquence de transmission de 13.56 MHz. Le principe de communication des systèmes RFID champ proche est entièrement basé sur un mode de couplage électromagnétique entre le lecteur (Reader) et l'étiquette (tag). Les lecteurs sont des dispositifs actifs, émetteurs de radiofréquences qui vont activer les étiquettes qui passent devant eux en leur fournissant à courte distance l'énergie dont ceux-ci ont besoin. La fréquence de transmission utilisée pour l'invention est de 13.56 MHz. Les étiquettes, aussi appelées marqueurs, sont des dispositifs passifs ne nécessitant donc aucune source d'énergie en dehors de celle fournie par le lecteur au moment de l'interrogation. Le dispositif passif formant l'étiquette utilise ainsi la tension induite par l'antenne boucle pour fonctionner. En procurant une énergie RF (Radiofréquence) à l'étiquette, un lecteur peut donc communiquer avec un tel dispositif ne possédant aucune alimentation externe ou batterie. Le couplage magnétique de l'antenne boucle (loop antenna) du lecteur et celle de l'étiquette s'opère en fonction de l'alimentation en énergie, il importe donc d'optimiser ce couplage entre les antennes. Pour les applications à la fréquence de 13.56 MHz il est clair qu'une antenne du lecteur dépendante de la longueur d'onde (X= 22.12m) n'est pas envisageable, le concept classiquement utilisé fait donc appel à une boucle résonante. L'inductance de la boucle est de l'ordre du micro henry et est accordée par la capacité adéquate. Les antennes conventionnelles des lecteurs sont constituées d'une ou plusieurs spires d'un diamètre de quelques centimètres à environ 10 cm. La figure 1 représente une antenne dite antenne boucle. On montre que l'amplitude du champ magnétique est maximum sur le pourtour de la boucle et minimum au centre de celle-ci. En effet l'expression du champ magnétique Bz en un point P, distant du centre de la boucle d'une longueur z, dans la direction orthogonale au plan de la boucle est définie par: B = �o.I.N.R2 2.(R2 + 22)3/2 Avec : I : Courant parcourant la boucle N : nombre de spires R : rayon d'une spire z : distance du centre de la boucle po : perméabilité de l'espace libre soit 41-ix 10-' (Henry/m) On constate que au centre de la boucle pour un z donné (0 par ex), le champ est proportionnel au nombre de spires et inversement proportionnel au rayon de la boucle; une solution simple consisterait à augmenter le nombre de spires N pour compenser la réduction de champ. Cependant la valeur de l'inductance de la boucle est déterminée par sa géométrie et augmente avec le rayon. L'exemple ci-dessous montre la valeur d'inductance pour 2 spires de rayon 4cm et respectivement 4 spires de rayon 8 cm. R (cm) 4 8 N 2 4 L (pH ) ? .................................................. ................................................ .................................................. ................................................ .................................................. ................................................ ?? Si le lecteur opère à tension d'excitation constante, il en résulte que l'impédance de boucle augmente dans un rapport important (équivalent à 8 dans cet exemple), le courant et donc le champ magnétique résultant diminue également. D'autre part à une hauteur z donnée au dessus du plan de la boucle, le champ magnétique Bz est maximum pour z=Rhi 2. Dans le cas des systèmes sans contact en champ proche, l'étiquette est pratiquement posée sur l'antenne lecteur. La hauteur z est donc très faible et le champ magnétique n'est pas maximal à cette hauteur. De plus les mesures effectuées avec de tels dispositifs ont montré que la plage de capture était limitée à la surface définie par la surface intérieure des spires de l'antenne et ne supportait ainsi pas un éventuel dépositionnement de l'étiquette par rapport à cette surface définie créant ainsi une imprécision de lecture et une limite d'utilisation. L'invention vise à remédier à ces inconvénients, Elle permet d'augmenter la plage de capture du lecteur, tout en garantissant une répartition uniforme du champ magnétique .Elle permet en outre de limiter le champ magnétique dans une zone prédéfinie évitant ainsi les erreurs de détections liées aux champs magnétiques horizontaux développés sur les bords des antennes traditionnelles. Elle permet de maximiser le champ à la hauteur de l'étiquette. L'invention consiste en une antenne de lecteur RFID formé par un réseau de N boucles circulaires juxtaposées, connectées entre elles en série ou parallèlement et réparties régulièrement sur une première couronne centrée sur une première boucle et sur une seconde couronne, concentrique avec la première couronne, et en ce qu' un double anneau d'alimentation permet d'alimenter les N boucles circulaires pour générer un champ magnétique uniforme à une distance donnée (z) du plan formé par les N boucles. Préférentiellement, les boucles circulaires réparties sur la première couronne sont connectés parallèlement et les boucles circulaires réparties sur la second couronne sont connectés en série en groupe, les groupes étant eux-mêmes connectés parallèlement. Préférentiellement, la valeur résultante d'inductance de l'ensemble de la première boucle centrale, des boucles de la première couronne et des boucles de la seconde couronne permet une résonnance à une fréquence déterminée. L'invention assure une augmentation notable de la plage de capture. La nouvelle topologie d'antenne reader à 13.56MHz proposée permet : d'augmenter la zone de capture des tags ; d'assurer un niveau de détection équilibré quel que soit la position du tag sur l'antenne Reader par le biais d'une excitation équiphase ; de gérer la valeur d'inductance nécessaire à la résonance à 13.56MHz. Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite, représente une antenne boucle - la figure 2 est une représentation d'une antenne à pluralité de boucles selon l'invention. - la figure 3 est une représentation d'un schéma équivalent d'une antenne à pluralité de boucles selon l'invention. L'antenne de lecteur RFID selon l'invention, tel que représenté par la figure 2 est formé par un ensemble de boucles associées entre elles d'une façon optimale. Car l'étiquette est pratiquement posée sur l'antenne lecteur et que la hauteur z entre l'étiquette et le lecteur est donc très faible, l'invention propose de réduire le rayon de chaque boucle pour s'approcher au mieux du critère: R = z.~ 20 Pour augmenter la zone de capture du lecteur (reader) et donc la surface de l'antenne, une solution basée sur l'association de multiples petites boucles est plus optimale comparée à une simple boucle de grande dimension. Afin de pallier à la réduction d'amplitude des composantes de champ 25 électromagnétique Bz liée à la distribution telle que décrite précédemment avec une seule boucle comportant plusieurs spires, il importe de garantir au mieux une répartition uniforme du champ dans tout l'espace de capture de l'étiquette. L'invention propose donc une répartition conséquente des boucles juxtaposées. 30 Elle repose sur un réseau multi-boucles réparties de manière concentrique. Ainsi l'amplitude du champ magnétique étant maximum sur le pourtour d'une boucle et minimum au centre de celle-ci, l'expression du champ magnétique Bz sur l'axe z en un point P sera distant du centre d'une des boucle d'une longueur z' L'exemple proposée par la figure 2 est un exemple pour une zone de capture circulaire de rayon par exemple égal à 8cm. Ce concept peut néanmoins être étendu à une plus grande surface d'antenne et à une zone de capture de forme polygonale Dans l'exemple de la figure 2, les boucles sont réparties sur 2 couronnes concentriques autour d'une boucle centrée LO. La première couronne comporte par exemple 6 boucles L1 de rayon r1 associées en parallèle. Le nombre de boucles dépend du rayon de chaque boucle. La deuxième couronne comporte 4 blocs identiques en parallèle de chacun 3 boucles L2 de rayon r2 reliées en série. Les boucles de la deuxième couronne peuvent être de tailles différentes que les boucles de la première couronne. La taille des boucles est calculée de façon à avoir une répartition homogène sur chaque couronne et sur le substrat support de cette antenne. Tout en gardant le même principe, les boucles peuvent également être réparties sur un nombre plus important de couronnes. L'excitation du type coaxial s'opère par un double anneau d'alimentation. L'un des anneaux situé entre la première et la seconde couronne permet d'assurer le lien équiphase entre les boucles de la première couronne et les boucles de la deuxième couronne constituée des 4 blocs de chacun 3 boucles connectées en série tandis que le second permet le retour équiphase du courant vers point d'excitation coaxial. Ce procédé permet une distribution du courant dans les boucles de l'intérieur vers l'extérieur et inversement pour le courant de retour. Ce concept permet ainsi une répartition équilibrée du courant aussi bien dans les boucles de la première couronne que dans les boucles de la deuxième couronne. L'antenne de lecteur RFID est réalisée sur un substrat double face et le double anneau d'alimentation est réparti respectivement sur les 2 faces du substrat de même l'exploitation des 2 faces du substrat permet au niveau de chaque boucle d'augmenter le nombre de spires et ainsi d'optimiser le niveau de champ magnétique dans l'espace considéré. Le schéma équivalent simplifié de cette antenne est représentée sur la figure 3. Chaque boucle étant représentée par une inductance, l'inductance représentant la boucle centrale LO du point d'excitation coaxial possède une inductance négligeable par rapport aux boucles du système et n'apparait pas sur la figure 3. Les 6 inductances L1 connectées en parallèle représentant la première couronne interne sont connectées en série avec les 4 blocs parallèles de 3 inductances L2 représentant la seconde couronne. Cette topologie de connexion série et parallèle des éléments des boucles permet aisément de contrôler la valeur inductive de l'antenne nécessaire à la résonance à la fréquence de 13.56MHz. Dans l'exemple cité celle-ci est de l'ordre de 0.5 à quelque pH. Le choix des paramètres respectifs diamètres, nombre de boucles et tours des boucles des différentes couronnes permet d'assurer une répartition équilibrée du champ selon l'axe z dans toute la surface considérée. Un autre mode de réalisation consiste à remplacer les boucles circulaires par des boucles quadrilatérales ou de forme polygonale et à repartir celles-ci en fonction de leurs nombres sur le même principe de façon à ce que la surface intérieure de chaque boucle soit faible et à les connecter d'une manière similaire par regroupement en série et en parallèle de façon à avoir une inductance résultante suffisamment faible. Revendications1- Antenne de lecteur RFID formé par un réseau de N boucles circulaires caractérisée en ce que les N boucles sont juxtaposées , connectées entre elles en série ou parallèlement et réparties régulièrement sur une première couronne centrée sur une première boucle et sur une seconde couronne, concentrique avec la première couronne, et en ce qu'un double anneau d'alimentation permet d'alimenter les N boucles circulaires, pour générer un champ magnétique uniforme à une distance donnée (z) du plan formé par les N boucles. 2- Antenne de lecteur RFID selon la revendication 1 caractérisée en ce que les boucles circulaires réparties sur la première couronne sont connectées parallèlement. 3- Antenne de lecteur RFID selon la revendication 1 caractérisé en ce que les boucles circulaires réparties sur la second couronne sont connectés en série en groupe, les groupes étant eux-mêmes connectés parallèlement. 4- Antenne de lecteur RFID selon la revendication 2 caractérisé en ce que la valeur résultante d'inductance de l'ensemble de la première boucle centrale, des boucles de la première couronne et des boucles de la seconde couronne permet une résonance à une fréquence déterminée. 20 25