Brevet FR2982686A1 — publié le 20130517

B11364 - 11-R0-0743FR01 1 PROTECTION D'UN TERMINAL D'ÉMISSION-RÉCEPTION RADIO-FRÉQUENCE CONTRE DES PERTURBATIONS ÉLECTROMAGNÉTIQUES Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, les terminaux d'émission-réception sans contact susceptibles de fonctionner dans un premier mode, dit lecteur, dans lequel le terminal communique avec un transpondeur électromagnétique distant et dans un second mode, dit carte, dans lequel le terminal fonctionne comme un transpondeur électromagnétique vis-à-vis d'un autre terminal. Exposé de l'art antérieur Un lecteur de carte sans contact émet un champ magnétique à destination d'un circuit oscillant d'une carte généralement dépourvue d'alimentation autonome. Dans le sens lecteur vers carte, les données sont généralement codées puis 15 transmises en modulation d'amplitude d'une porteuse d'excitation d'un circuit oscillant du lecteur. Dans le sens carte (transpondeur) vers lecteur, les circuits de la carte modulent la charge que constitue le circuit oscillant de la carte sur le champ magnétique du lecteur, par un circuit généralement dit de 20 rétromodulation, par exemple, en court-circuitant le circuit d'antenne au moyen d'un interrupteur. B11364 - 11-R0-0743FR01 2 Un terminal radio-fréquence à transmission de données par couplage inductif, capable de fonctionner en mode carte et en mode lecteur, doit être capable de générer l'encodage et le décodage des trames de données selon différents protocoles. On 5 fait généralement référence à des circuits NFC (Near Field Communication) pour désigner les circuits de communication en champ proche susceptibles de fonctionner en mode carte et en mode lecteur. De tels circuits équipent de plus en plus souvent des dispositifs portables de télécommunication de type téléphone 10 mobile. Diverses normes fixent les protocoles de communication. En mode carte, l'alimentation des circuits est généralement induite par le champ magnétique généré par le lecteur qui constitue le canal de communication entre carte et lecteur. Le signal alternatif d'excitation du circuit oscillant 15 du lecteur constitue alors une porteuse de téléalimentation de la carte. En mode lecteur, le terminal doit être alimenté (par exemple, par une batterie ou par un raccordement au réseau de distribution d'énergie) pour émettre le champ magnétique à 20 destination d'une carte. Dans des dispositifs dédiés, l'antenne (ou inductance du circuit oscillant) du lecteur est souvent accordée sur la fréquence d'émission (par exemple, de l'ordre de 13,56 MHz pour la norme ISO 14443) et adaptée à l'impédance du générateur du 25 signal alternatif, alors que l'antenne (inductance du circuit résonant) d'une carte est souvent accordée sur la fréquence de fonctionnement du système (par exemple 13,56 MHz). Si l'antenne du lecteur est accordée mais désadaptée, la transmission n'est pas optimale. De plus, l'onde réfléchie 30 liée à la désadaptation perturbe la détection du signal rétromodulé par la carte. A l'opposé, si l'antenne de la carte est adaptée mais désaccordée, la récupération d'énergie n'est pas optimisée. Il en découle que les circuits d'antenne ne sont 35 généralement pas compatibles avec un fonctionnement en mode B11364 - 11-R0-0743FR01 3 carte et en mode lecteur. En particulier, il est difficile de n'utiliser qu'une seule antenne pour concevoir un dispositif qui puisse fonctionner à la fois en mode lecteur et en mode carte. Un autre problème est lié à la nécessité d'associer, au circuit de transmission, des filtres contre des perturbations électromagnétiques (filtre EMI). Ces filtres sont généralement intercalés entre les circuits électroniques du dispositif d'émission-réception et l'antenne. Le document US 7,665,664 décrit un lecteur par couplage inductif équipé de moyens pour extraire une tension d'alimentation dans un fonctionnement en mode carte, en extrayant de l'énergie électrique directement dans le circuit d'antenne du lecteur, sans utiliser une bobine d'antenne dédiée. Dans ce circuit, des filtres passe-bas de type EMI sont incorporés dans le circuit d'antenne et sont électriquement intercalés entre des bornes du circuit d'antenne destinées à être reliés à un circuit émetteur, et des condensateurs série connectés aux bornes de l'antenne. L'architecture est de type différentielle et l'antenne comporte un point milieu connecté à la masse, deux condensateurs en parallèle entre chaque borne de l'antenne et la masse participant à l'accord du circuit oscillant. En mode carte, les bornes d'entrée du circuit d'antenne sont court-circuitées par un pont redresseur. Les éléments capacitifs participant au circuit oscillant ainsi que ceux en série avec les filtres passe-bas engendrent alors des perturbations qui conduisent à un désaccord de l'antenne en mode carte, une perte d'amplitude du signal reçu et/ou une déformation de l'onde reçue. Résumé Un objet de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs connus d'émission-réception par couplage inductif. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une architecture dans laquelle la B11364 - 11-R0-0743FR01 4 prévision de filtres contre les perturbations électromagnétiques ne nuit pas au fonctionnement en mode carte. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un dispositif dans lequel le 5 fonctionnement est optimisé à la fois en mode carte et en mode lecteur. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, on prévoit un circuit d'antenne pour dispositif d'émission-réception par couplage inductif comprenant : 10 un premier élément inductif en parallèle avec un élément capacitif ; et entre chaque noeud de l'association en parallèle et deux bornes d'un interrupteur, un second élément inductif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 les bornes de l'interrupteur sont destinées à être connectées à un circuit de génération d'un signal alternatif destiné à exciter le circuit oscillant formé par le circuit d'antenne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits noeuds de l'association en parallèle sont destinés à 20 être connectés à un circuit d'interprétation de signaux captés. On prévoit également un dispositif d'émission-réception par couplage inductif comportant : un circuit d'antenne ; un circuit de génération d'un signal alternatif 25 destiné à exciter le circuit d'antenne ; un circuit d'interprétation de signaux captés par le circuit d'antenne ; et un circuit de commande de l'interrupteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 l'interrupteur est en position ouverte lorsque le dispositif doit émettre le signal alternatif et fonctionner en mode lecteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interrupteur est en position fermée lorsque le dispositif doit 35 émettre des données et fonctionner en mode carte. B11364 - 11-R0-0743FR01 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les seconds éléments inductifs sont dimensionnés pour que, à la fréquence du signal alternatif d'émission, le circuit d'antenne soit adapté à l'impédance de sortie du circuit de génération du 5 signal alternatif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la somme des seconds éléments inductifs est choisie pour que le circuit oscillant soit accordé sur une fréquence d'un signal alternatif reçu d'un autre dispositif dans le fonctionnement en mode carte. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif 15 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est un schéma bloc fonctionnel d'un dispositif lecteur-carte connu ; la figure 2 est un schéma bloc fonctionnel d'un mode de réalisation d'un dispositif lecteur-carte ; 20 les figures 3A et 3B illustrent deux configurations du circuit oscillant du dispositif de la figure 2. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls 25 les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, les protocoles de transmission de données en mode lecteur ou en mode carte n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les protocoles habituels qui sont 30 généralement normalisés, donc aisément disponibles. De plus, les applications des dispositifs lecteur-carte n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant là encore compatibles avec les différentes utilisations habituelles de dispositifs bi-modes ou mixtes. Par exemple, il peut s'agir de 35 bornes de communication avec des étiquettes électroniques B11364 - 11-R0-0743FR01 6 susceptibles de commuter en mode carte pour transférer des informations d'une borne à une borne voisine jusqu'à un serveur. Il peut également s'agir d'un dispositif portable susceptible de fonctionner, selon les applications, en mode carte (dans une application de transport par exemple) et en mode lecteur. La figure 1 est un schéma bloc d'un exemple de dispositif mixte ou lecteur-carte 1 tel que décrit dans la demande de brevet US 2009/0247079 de la demanderesse (B8794, 08R0-027/029). Ce schéma est fonctionnel en ce sens que les différents éléments servant au mode carte et au mode lecteur n'ont pas été détaillés et ont été représentés dans des blocs distincts. Ainsi, un bloc 11 (CM) symbolise les différents circuits utilisés en mode carte, un bloc 12 (RM) symbolise les différents circuits utilisés en mode lecteur et un bloc 13 (CTRL) symbolise les différents circuits utilisés pour sélectionner le mode et synchroniser le fonctionnement. En pratique, certains circuits peuvent cependant être partagés par les deux fonctions. Un circuit oscillant ou circuit d'antenne 2 comporte, aux bornes 21 et 22 d'une antenne Ll, un élément capacitif C2. Les bornes 21 et 22 sont par ailleurs reliées au bloc 11 du mode carte pour prélever un signal alternatif capté dans le champ d'un lecteur. Les circuits du mode lecteur comportent deux amplificateurs de sortie 31 et 32 respectivement connectés par des éléments capacitifs identiques Cl à la borne 21 et à la borne 22. Un interrupteur K relie les sorties respectives 23 et 24 des amplificateurs 31 et 32. L'interrupteur K est commandé par le bloc de commande 13 vers une position ouverte lorsque le dispositif doit fonctionner en mode lecteur et vers une position fermée lorsque le dispositif doit fonctionner en mode carte. En mode lecteur, l'interrupteur K est ouvert et les capacités Cl participent au circuit d'adaptation d'impédance à la fréquence de la porteuse. En mode carte, les éléments capacitifs Cl se retrouvent tous les deux en série et cette association en série est en parallèle sur B11364 - 11-R0-0743FR01 7 l'élément capacitif C2. La moitié de la valeur d'un élément capacitif Cl s'ajoute donc à la valeur de l'élément capacitif C2. Les amplificateurs 31 et 32 sont de type à trois états pour présenter, en mode carte, un état de haute impédance en sortie. Pour adjoindre, à l'architecture du dispositif de la figure 1, des filtres contre les perturbations électromagnétiques, on aurait pu penser y insérer les filtres passe-bas prévus par le document US 7,665,664 déjà mentionné. Toutefois, cela ne permet pas d'optimiser le fonctionnement du système. En particulier, en mode carte, les éléments capacitifs des filtres engendrent des perturbations additionnelles. La figure 2 est un schéma bloc fonctionnel d'un mode de réalisation d'un dispositif mixte. Par rapport au circuit de la figure 1, les éléments capacitifs Cl ont été remplacés par des éléments inductifs L'. Le reste du circuit n'est pas modifié. Pour simplifier, les amplificateurs de sortie 31 et 32 (figure 1) du circuit lecteur n'ont pas été illustrés mais sont présents. Ainsi, entre deux bornes de sortie 23 et 24 du bloc 12 (ou deux bornes d'entrée du circuit d'antenne 2), et les bornes respectives 21 et 22 de l'antenne, notée ici L, se trouvent des inductances L' de même valeur. Un élément capacitif Cp est en parallèle sur l'inductance L entre les bornes 21 et 22. On a utilisé des références différentes pour les éléments inductif L et capacitif Cp, par rapport aux éléments Ll et C2 de la figure 1, pour faire ressortir que les valeurs de ces éléments ne sont pas nécessairement identiques. L'interrupteur K a la même fonction que précédemment, à savoir être ouvert dans un fonctionnement en mode lecteur où les éléments inductifs L' participent, avec l'élément capacitif Cp, à la réalisation d'un filtre passe-bas contre des perturbations électromagnétiques, et être fermé dans un fonctionnement en mode carte de façon à placer les deux inductances L' en série et à connecter cette association en série en parallèle sur l'antenne L, participant ainsi à une B11364 - 11-R0-0743FR01 8 augmentation de la valeur de l'élément inductif du circuit oscillant. Les figures 3A et 3B illustrent les deux configurations du circuit oscillant du dispositif de la figure 2 5 selon la position de l'interrupteur. La figure 3A illustre le schéma électrique équivalent du circuit 2 de la figure 2 en mode lecteur. La résistance série (parasite de l'antenne L) ramenée en parallèle (notée Rp) sur l'inductance L a été illustrée en pointillés, de même que les 10 résistances série Rs (impédances de sortie) du circuit 12. La figure 3B illustre le schéma électrique équivalent du circuit 2 de la figure 2 en mode carte, avec de même la résistance Rp ramenée en parallèle sur l'inductance. Les éléments inductifs L' représentent une inductance équivalente 15 L'/2 qui vient s'ajouter à l'inductance L de l'antenne. Le passage du mode équivalent parallèle (figure 3A) au modèle équivalent série (figure 3B), et inversement, s'effectue usuellement avec les relations suivantes (pour simplifier les notations, on fait référence à L, Rp, L' et Cp pour désigner les 20 valeurs des éléments concernés) : Xs = Qs.Rs, où Xs représente l'admittance série du circuit d'antenne et où Qs représente le coefficient de qualité des éléments série du circuit d'antenne. L'admittance Xs doit idéalement être adaptée à l'admittance de sortie des circuits 25 d'émission. Le coefficient Qs est égal à 1-1. Rs La résistance série Rs est négligeable devant la résistance, noté Rp, de l'élément inductif L ramenée en parallèle sur le circuit oscillant. On peut alors écrire que Xs est approximativement égal à VRs- Rp. 30 Dans la configuration de la figure 3B (structure parallèle), l'admittance parallèle Xp est due à la présence de la capacité Cp et peut s'écrire Rp/Qp, où Qp représente le coefficient de qualité des éléments parallèles. B11364 - 11-R0-0743FR01 9 Les composants du circuit oscillant sont dimensionnés en fonction des fréquences d'accord et d'adaptation. On cherche en particulier à ce que les coefficients de qualité des éléments parallèle et série soient égaux et puissent s'écrire : Qs = Qp =Rp-1 Rs On obtient alors que les admittances série Xs et parallèle Xp sont approximativement égales à VRs - Rp. Les éléments inductifs L' sont dimensionnés pour que, à la fréquence du signal alternatif d'émission, le circuit d'antenne soit adapté à l'impédance de sortie du circuit de génération du circuit alternatif, et que leur somme soit telle que le circuit oscillant soit accordé sur une fréquence d'un signal alternatif reçu d'un autre dispositif dans le fonctionnement en mode carte. L'élément capacitif Cp est dimensionné en tenant compte de la valeur des éléments L' pour former le filtre passe-bas EMI. En tenant compte des conditions exprimées ci-dessus, les valeurs des éléments Cp et L' peuvent être déterminées de la façon suivante. Considérons un buffer (amplificateur 31 ou 32) d'impédance interne Rs et une antenne L d'impédance RiljLco. On commence par calculer le modèle équivalent parallèle de ce circuit. La mise en parallèle du modèle équivalent de l'antenne 25 s'effectue par les équations suivantes : Xs Lw Xp Rp Rp = (Q2 + 1)R1 et Lp = = , où Rp (1) wQ représente la résistance R1 ramenée en parallèle sur l'inductance L, Lp la valeur correspondante de l'inductance L (ramenée en parallèle) sur la résistance Rp, Q le coefficient de 30 qualité de l'antenne seule et Xp l'admittance parallèle du circuit d'antenne complet. On remplace alors le circuit d'adaptation par une adaptation à deux éléments et une topologie dite en « L ». B11364 - 11-R0-0743FR01 10 Pour modéliser le circuit, on cherche à annuler la partie imaginaire de l'impédance de charge avec une capacité théorique Cshunt en parallèle sur l'antenne. Cette capacité forme avec l'inductance Lp un 5 laquelle on désire effectuer circuit résonnant à la fréquence à l'adaptation. De cette manière, à la fréquence de résonnance le couple Lp, Cshunt résonne et a une impédance infinie. Ainsi, la partie imaginaire de l'antenne est annihilée. Cshunt-, 1 , d'où Xshunt- , où f est la (2.7[412 1 .Lp Cshunt - to 10 fréquence de l'adaptation et Xshunt, l'admittance de la capacité Cshunt. Le calcul des admittances Xs et Xp définies précédemment se fait à l'aide des équations suivantes. Qs=Qp=11-Rp-1 ; Xs=Qs-Rs ; Xp=Rp Rs QP 15 Connaissant Xs et Xp, on peut en déduire les valeurs de Cp et de L': 1 -Xp(Xshunt) Cp - et L'= XsO, avec Xt = Xtw -Xp+Xshunt - Il est désormais possible de partager une même antenne pour un dispositif destiné à fonctionner en mode lecteur et en 20 mode carte tout en étant compatible avec un filtrage des perturbations électromagnétiques en mode lecteur. Le circuit proposé minimise le nombre d'éléments capacitifs à utiliser et réduit donc l'encombrement. On notera que la disposition particulière des éléments 25 capacitifs et inductifs des circuits oscillants permet une adaptation en L conduisant à un circuit accordé en mode carte. Divers modes de réalisation ont été décrits, diverses variantes et adaptations sont à la portée de l'homme de métier. En particulier, le choix des valeurs à donner aux éléments 30 inductifs en fonction de l'antenne utilisée est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et des fréquences d'adaptation et d'accord respectivement destinées au mode lecteur et au mode carte. De B11364 - 11-R0-0743FR01 11 plus, bien que les modes de réalisation aient été plus particulièrement décrits en relation avec un exemple appliqué aux normes 14443, ils s'appliquent plus généralement à tout système d'émission-réception radio-fréquence, dans lequel un 5 dispositif est susceptible de fonctionner en mode lecteur et en mode carte. En outre, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la fonction remplie par l'interrupteur K pourra 10 être assurée par des commutateurs internes aux blocs 11 et 13. REVENDICATIONS1. Circuit d'antenne (2) pour dispositif d'émission-réception par couplage inductif comprenant : un premier élément inductif (L) en parallèle avec un élément capacitif (Cp) ; et entre chaque noeud (21, 22) de l'association en parallèle et deux bornes d'un interrupteur (K), un second élément inductif (L'). 2. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel les bornes (23, 24) de l'interrupteur (K) sont destinées à être connectées à un circuit (12) de génération d'un signal alternatif destiné à exciter le circuit oscillant formé par le circuit d'antenne. 3. Circuit d'antenne selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits noeuds (21, 22) de l'association en 15 parallèle sont destinés à être connectés à un circuit (11) d'interprétation de signaux captés. 4. Dispositif d'émission-réception par couplage inductif comportant : un circuit d'antenne (2) conforme à l'une quelconque 20 des revendications 1 à 3 ; un circuit (12) de génération d'un signal alternatif destiné à exciter le circuit d'antenne ; et un circuit (11) d'interprétation de signaux captés par le circuit d'antenne ; et 25 un circuit (13) de commande de l'interrupteur (K). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'interrupteur (K) est en position ouverte lorsque le dispositif doit émettre le signal alternatif et fonctionner en mode lecteur. 30 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'interrupteur (K) est en position fermée lorsque le dispositif doit émettre des données et fonctionner en mode carte.B11364 - 11-R0-0743FR01 13 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel les seconds éléments inductifs (L') sont dimensionnés pour que, à la fréquence du signal alternatif d'émission, le circuit d'antenne soit adapté à l'impédance de sortie du circuit de génération du signal alternatif. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel la somme des seconds éléments inductifs (L') est choisie pour que le circuit oscillant soit accordé sur une fréquence d'un signal alternatif reçu d'un autre dispositif dans le fonctionnement en mode carte.