Brevet FR2985863A1 — publié le 20130719

CIRCUIT D'ANTENNE POUR DISPOSITIF NFC Domaine technique de l'invention L'invention est relative aux dispositifs de communication en champ proche ou NFC (de l'anglais « Near Field Communication »), et plus particulièrement aux circuits 5 d'antenne utilisés dans de tels dispositifs. État de la technique Les figures lA à 1C représentent différentes structures électriques connues de circuit d'antenne. Ces circuits d'antenne sont utilisables dans des dispositifs NFC actifs susceptibles de créer un champ magnétique et de détecter sa modulation (par exemple 10 un lecteur d'étiquettes RFID), et dans des dispositifs NFC passifs (par exemple une étiquette RFID) alimentés par champ magnétique et configurés pour moduler ce champ pour transmettre des données. La figure lA illustre la structure la plus généralement utilisée dans les dispositifs NFC. Elle comprend un bobinage unique Ll connecté en parallèle sur un condensateur 15 d'accord C. Le circuit d'antenne est accordé, par exemple, à 13,56 MHz dans le cadre des normes NFC en vigueur (ex. ISO 14443, ISO 15693). Les bornes du bobinage forment les bornes d'accès Al, A2 du circuit d'antenne. Les spires des bobinages d'antenne des dispositifs NFC sont généralement réalisées sous forme de pistes métalliques gravées en spirale dans une couche unique d'un circuit 20 imprimé souple. Les bobinages sont plans et coplanaires. Cela permet de minimiser le coût de fabrication, mais entraîne certaines difficultés du fait que les spires sont toutes de dimensions différentes et n'ont donc pas des caractéristiques similaires. La figure 1B illustre une structure optimisée, décrite par exemple dans la demande de brevet JP2000278172. Le bobinage d'antenne comprend un point milieu formant l'une 25 des bornes d'accès (Al) du circuit d'antenne. On considère que le bobinage d'antenne est formé de deux bobinages connectés en série Ll et L2, les bornes d'accès Al et A2 étant prises aux bornes du bobinage Ll, que l'on qualifiera de « bobinage actif ». Le bobinage L2 sera qualifié comme auxiliaire. Ces bornes Al, A2 sont généralement connectées à un circuit NFC (non représenté) qui peut être un circuit passif (recevant le 30 champ magnétique émis par un autre dispositif NFC) ou actif (émettant le champ magnétique. Comme indiqué dans le document précité, cette structure permet d'augmenter le nombre de spires du bobinage d'antenne et par conséquent d'augmenter l'énergie reçue ou émise au moyen du bobinage par le circuit NFC connecté aux bornes Al, A2, tout en diminuant le nombre de spires vues par le circuit NFC, de sorte que l'impédance de la bobine vue depuis les bornes Al, A2 soit plus proche de l'impédance de sortie du circuit NFC, ce qui améliore le coefficient de qualité Q du circuit d'antenne. La figure 1C illustre une structure alternative à celle de la figure 1B. Le bobinage d'antenne comprend deux points milieux formant les bornes d'accès Al et A2, également connectées à un circuit NFC. On considère que le bobinage d'antenne est formé de trois bobinages connectés en série Ll, L2 et L3, les bornes d'accès Al et A2 étant prises aux bornes du bobinage Ll. Le bobinage Ll est le bobinage actif, et les bobinages L2 et L3 sont auxiliaires. La figure 2A représente schématiquement une configuration spatiale classique du circuit d'antenne de la figure 1B. L'ensemble du bobinage d'antenne est bobiné en spirale, dans un plan unique. Pour simplifier le dessin, on suppose que le bobinage Ll comprend une spire et le bobinage L2 deux spires. Le bobinage d'antenne comprend ainsi trois spires. La spire interne, en trait plein, est celle du bobinage Ll et les deux spires externes, en pointillés, sont celles du bobinage L2. La figure 2B représente schématiquement une configuration spatiale classique du circuit d'antenne de la figure 1C. Comme précédemment, l'ensemble du bobinage d'antenne est bobiné en spirale, dans un plan unique. Pour simplifier le dessin, on suppose que chaque bobinage Ll à L3 comprend une seule spire. Le bobinage d'antenne comprend ainsi trois spires. La spire interne, en pointillés, est celle du bobinage L2 et la spire externe, en trait mixte, est celle du bobinage L3. La spire médiane, en trait plein, est celle du bobinage actif Ll. Il a été démontré que le circuit de la figure 1B réalisé selon la configuration spatiale en spirale de la figure 2A offre, en termes de distance de communication, des performances inférieures à celles du circuit de la figure 1C réalisé aux mêmes dimensions selon la même configuration spatiale en spirale (figure 2B). Résumé de l'invention Il pourrait être souhaité d'améliorer l'efficacité de ces circuits d'antenne. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un circuit d'antenne pour communications en champ proche comprenant un bobinage actif plan, connecté entre une première et une seconde borne d'accès ; un bobinage auxiliaire coplanaire au bobinage actif et connecté par une première extrémité à la première borne d'accès ; et un condensateur d'accord connecté à la seconde extrémité du bobinage auxiliaire. Les spires des bobinages actif et auxiliaire sont entrelacées. Selon un mode de réalisation, une première partie des spires du bobinage auxiliaire est située à l'intérieur du bobinage actif, et une seconde partie des spires du bobinage auxiliaire est située à l'extérieur du bobinage actif Selon un mode de réalisation, une première partie des spires du bobinage actif est située à l'intérieur du bobinage auxiliaire, et une seconde partie des spires du bobinage actif est située à l'extérieur du bobinage auxiliaire. Selon un mode de réalisation, chaque spire du bobinage actif est encadrée par deux spires du bobinage auxiliaire, adjacentes respectivement par l'intérieur et par 1' extérieur. Selon un mode de réalisation, le circuit d'antenne comprend un deuxième bobinage auxiliaire coplanaire au bobinage actif, connecté entre le condensateur et la seconde borne d'accès, le bobinage actif comprenant un groupe de spires entrelacées avec les spires du premier bobinage auxiliaire, et un groupe de spires distinctes entrelacées avec les spires du deuxième bobinage auxiliaire. Selon un mode de réalisation, les bobinages auxiliaires sont situés dans deux zones respectives disjointes d'un même plan. On prévoit également un dispositif passif de communication en champ proche comprenant un circuit d'antenne du type susmentionné et un circuit de modulation de 25 l'impédance entre les bornes d'accès du circuit d'antenne. On prévoit par ailleurs un dispositif actif de communication en champ proche comprenant un circuit d'antenne du type susmentionné et un circuit d'excitation connecté aux bornes d'accès du circuit d'antenne. Description sommaire des dessins 30 Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - les figures 1 A à 1C, précédemment décrites, représentent des structures électriques de circuits d'antenne classiques ; - la figure 2A, précédemment décrite, représente une configuration spatiale du circuit d'antenne de la figure 1B ; - la figure 2B, précédemment décrite, représente une configuration spatiale du circuit d'antenne de la figure 1C ; - la figure 3 représente un exemple de configuration spatiale d'un circuit d'antenne de structure alternative ; - la figure 4 représente un exemple de configuration spatiale pour un bobinage d'antenne ayant un nombre pair de spires ; - la figure 5 représente un exemple de configuration spatiale pour un bobinage d'antenne ayant un nombre impair de spires ; - les figures 6A à 6C symbolisent plusieurs possibilités d'entrelacement de spires ; et - la figure 7 représente un exemple de configuration spatiale entrelacée applicable à une antenne du type de la figure 1C. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Comme précédemment indiqué, il a été démontré par l'usage que la configuration spatiale de circuit d'antenne de la figure 2B, qui met en oeuvre le circuit électrique de la figure 1C, est plus efficace, en termes de distance de communication à dimensions d'antenne égales, que celle de la figure 2A, qui met en oeuvre le circuit d'antenne de la figure 1B. Les structures des antennes des figures 1B et 1C étant équivalentes du point de vue purement électrique, on suppose que la différence d'efficacité est liée à la différence des 25 configurations spatiales classiquement utilisées pour réaliser ces types d'antenne. On étudie ici des configurations spatiales susceptibles d'améliorer l'efficacité. La figure 3 illustre une modification de la structure électrique de l'antenne de la figure 2A qui préserve la configuration spatiale de la figure 2B. Le condensateur C de la figure 2B est remplacé par un conducteur électrique 10, et un condensateur C est inséré dans la 30 connexion de la spire L3 à la borne A2. Il s'avère que la structure électrique ainsi obtenue est celle de la figure 1B, avec un bobinage auxiliaire L2 comprenant plus de spires que le bobinage actif Ll. En outre, une partie L2a des spires du bobinage L2 (une spire dans la figure 3) se trouve à l'intérieur du bobinage Ll, et la partie restante L2b des spires du bobinage L2 (une spire dans la figure 3) se trouve à l'extérieur du bobinage Ll. En d'autres termes, les spires des bobinages Ll et L2 sont entrelacées, plutôt que d'être bobinées en une spirale régulière. La figure 4 représente une configuration spatiale basée sur le même principe que celui de la figure 3, avec un bobinage Ll à deux spires, et un bobinage L2 à quatre spires. Le bobinage L2 est séparé en deux parties L2a et L2b, la partie L2a comprenant deux spires adjacentes à l'intérieur du bobinage actif Ll, et la partie L2b comprenant deux spires adjacentes à l'extérieur du bobinage Ll. Le demi-bobinage L2a et le bobinage Ll sont bobinés l'un après l'autre en spirale régulière dans le sens horaire de l'intérieur vers l'extérieur. A l'intérieur on trouve l'extrémité du bobinage L2a qui est connectée par le conducteur 10 à une extrémité du bobinage L2b. A partir de cette extrémité, le bobinage L2b est bobiné dans le sens antihoraire de l'extérieur vers l'intérieur. Le bobinage L2b se termine par le condensateur C connecté à la borne A2. Par ce choix des sens de bobinage, le courant série dans le bobinage d'antenne circule dans le même sens dans toutes les spires. Selon une variante de la configuration de la figure 4 préservant le sens du courant, le demi-bobinage L2b pourrait être bobiné dans le sens horaire de l'intérieur vers l'extérieur, depuis l'extrémité connectée au conducteur 10. En pratique, de préférence, toutes les spires sont réalisées dans une même couche d'un substrat 15, tel qu'un circuit imprimé souple, et le conducteur 10, qui croise radialement les spires, est réalisé dans une couche différente du substrat et relié aux extrémités correspondantes des spires par des vias. Il en va de même pour des conducteurs servant à ramener les bornes d'accès Al et A2 vers la périphérie de la structure, et pour les connexions du condensateur C. Les bornes Al et A2 sont connectées à un circuit 20 de gestion du dispositif NFC qui intègre le circuit d'antenne. Il peut s'agir d'un dispositif passif, comme une étiquette RFID, auquel cas le circuit 20 est conçu pour tirer son alimentation du champ magnétique capté par l'antenne et pour moduler l'impédance entre les bornes Al et A2 pour transmettre des informations. Dans le cas où le dispositif NFC est actif, le circuit 20 est conçu pour exciter l'antenne par les bornes Al et A2 de sorte à créer un champ magnétique, et à détecter des modulations de ce champ provoquées par d'autres dispositifs NFC à la portée du champ. On a conduit des essais sur deux antennes de mêmes caractéristiques en termes de dimensions et de nombre total de spires, l'une réalisée selon la configuration spatiale de la figure 4, et l'autre selon la configuration spatiale de la figure 2B (avec trois bobinages à deux spires). Ces deux antennes se sont avérées équivalentes, à dimensions égales, en termes de distance de communication avec différents types classiques d' étiquettes RF ID . On parvient donc à améliorer l'efficacité d'une antenne du type de la figure 1B en modifiant sa structure spatiale de manière que les spires des bobinages Ll et L2 soient entrelacées. Une antenne du type de la figure 1B, 3 ou 4, est plus facile à réaliser et à mettre en oeuvre qu'une antenne du type de la figure 1C. En effet, elle présente trois points de connexion aux bobinages au lieu de quatre, en comptant les deux connexions aux bornes d'accès Al, A2 et la connexion du bobinage auxiliaire L2 à une première borne du condensateur. La deuxième borne du condensateur et la borne A2 sont reliées à la masse au lieu d'être flottantes. Les bobinages d'antenne décrits jusqu'à maintenant ont un rapport 1:3 (entre le nombre de spires du bobinage actif Ll et le nombre total de spires du bobinage d'antenne). Il est souhaitable de pouvoir réaliser d'autres rapports. Dans la structure de la figure 4, on peut pour cela faire varier le nombre de spires des demi-bobinages L2a et L2b indépendamment du nombre de spires du bobinage Ll, ou inversement, sans affecter la configuration générique du circuit d'antenne. La figure 5 illustre une variante de configuration adaptée à un nombre total de spires impair, notamment pour le cas où le bobinage Ll comporte une spire de moins que le bobinage L2. L'exemple représenté correspond à un bobinage Ll de deux spires et un bobinage L2 de trois spires. Dans ce cas, plutôt que de séparer le bobinage L2 en deux parties inégales (ce qui reste quand même envisageable dans la structure de la figure 4), on alterne spatialement chaque spire du bobinage Ll avec une spire du bobinage L2. Chaque spire du bobinage Ll se trouve ainsi encadrée par deux spires du bobinage L2, adjacentes respectivement par l'intérieur et par l'extérieur. Les figures 6A à 6C résument différentes possibilités élémentaires d'entrelacement de spires offertes selon les nombres de spires des bobinages Ll et L2. Les traits verticaux représentent l'agencement spatial des spires. De gauche à droite on représente les spires de l'extérieur vers le centre du bobinage d'antenne. Les traits pleins correspondent aux spires du bobinage actif Ll, et les traits en pointillés correspondent aux spires du bobinage auxiliaire L2. Les numéros sous les traits désignent l'ordre de bobinage. La figure 6A correspond au cas de la figure 5, c'est-à-dire un nombre total impair de spires. On bobine consécutivement les deux spires du bobinage Ll en positions spatiales 2 et 4, et on continue par le bobinage des trois spires du bobinage L2 en 10 positions spatiales 5, 3 et 1. La figure 6B correspond au cas de la figure 4, c'est-à-dire un nombre total pair de spires. On bobine consécutivement les deux spires du bobinage Ll en positions spatiales 3 et 4, et on continue par le bobinage des quatre spires du bobinage L2 en positions spatiales 5, 6, 1 et 2. 15 La figure 6C est une variante de la figure 6B. Les deux spires du bobinage Ll sont séparées spatialement par deux spires du bobinage L2. Plus spécifiquement, on bobine les spires du bobinage Ll en positions spatiales 2 et 5, puis on bobine les spires du bobinage L2 en positions spatiales 6, 4, 3 et 1. Les configurations spatiales entrelacées illustrées par les figures 6A à 6C tendent à 20 réduire la distance radiale moyenne entre les spires du bobinage auxiliaire L2 et les spires du bobinage actif Ll, ce qui a pour conséquence une amélioration du coefficient de couplage entre les bobinages actif et auxiliaire. Pour cette même raison, les variantes des figures 6A et 6C offrent une meilleure efficacité que celle de la figure 6B, car les spires du bobinage actif Ll se trouvent mieux réparties parmi les spires du bobinage 25 auxiliaire L2. Les ordres de bobinage indiqués aux figures 6A à 6C sont donnés à titre d'exemple. Ce qui importe est la position spatiale des spires, de sorte que les spires des bobinages Ll et L2 soient entrelacées. L'ordre de bobinage sera choisi, de préférence, pour diminuer le nombre de croisements de spires, qui nécessitent des conducteurs dans une deuxième 30 couche de substrat et des vias. Selon les rapports à obtenir et les nombres de spires des bobinages, on pourra dupliquer les motifs des figures 6A à 6C ou bien les combiner au sein d'un même bobinage d'antenne. Chaque trait peut en outre représenter de multiples spires d'un même bobinage et le nombre de spires par trait peut être différent pour les deux bobinages. La figure 7 représente un exemple d'application de l'entrelacement à un bobinage d'antenne du type de la figure 1C, comprenant trois bobinages Ll, L2 et L3 de deux 5 spires chacune. Le bobinage Ll est le bobinage actif, et les bobinages L2 et L3 sont auxiliaires. Cette structure est similaire à celle de la figure 6C, dont les deux moitiés correspondent respectivement aux bobinages auxiliaires L2 et L3. Les spires sont bobinées dans le sens horaire en partant de l'intérieur. On trouve successivement, en partant de l'intérieur vers l'extérieur, une première spire du bobinage L2, une première 10 spire du bobinage Ll, la deuxième spire du bobinage L2, une première spire du bobinage L3, la deuxième spire du bobinage Ll, puis la deuxième spire du bobinage L3. Les extrémités libres de la première spire du bobinage L2 (au centre) et de la deuxième spire du bobinage L3 (à l'extérieur) sont reliées par le condensateur C. Les deux spires du bobinage Ll sont reliées par un conducteur radial en deuxième couche. Les deux 15 extrémités du bobinage Ll sont reliées aux bornes d'accès Al et A2. Ainsi, un premier groupe de spires du bobinage Ll est entrelacé avec les spires du bobinage L2, et un deuxième groupe formé des spires restantes du bobinage Ll est entrelacé avec les spires du bobinage L3. Cette configuration spatiale améliore l'efficacité de l'antenne par rapport à la configuration spatiale classique de la figure 2B. 20 Les bobinages auxiliaires ne comportent par contre pas de spires entrelacées - ils sont situés dans des zones disjointes du plan du bobinage d'antenne. On s'aperçoit que chacun des bobinages L2 et L3, associé au groupe de spires du bobinage Ll qui lui est affecté, joue le même rôle que le seul bobinage L2 associé à l'ensemble du bobinage Ll des configurations à deux bobinages. Ainsi, on peut 25 appliquer des combinaisons des configurations des figures 6A à 6C à chacun des bobinages L2 et L3, et la moitié associée du bobinage Ll. De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits ici apparaîtront à l'homme du métier. On a par exemple décrit un condensateur d'accord connecté aux bornes de l'ensemble du bobinage d'antenne. Le condensateur pourrait 30 également être connecté aux bornes du bobinage auxiliaire. Par ailleurs, dans les divers exemples décrits, le bobinage auxiliaire a plus de spires que le bobinage actif, ce qui correspond aux cas d'utilisation les plus courants. Il est néanmoins envisageable que le bobinage actif ait plus de spires que le bobinage auxiliaire, auquel cas les rôles spatiaux de ces deux bobinages sont intervertis dans les exemples décrits. REVENDICATIONS1. Circuit d'antenne pour communications en champ proche comprenant : - un bobinage actif (L1) plan, connecté entre une première (Al) et une seconde (A2) borne d'accès ; - un bobinage auxiliaire (L2) coplanaire au bobinage actif et connecté par une première extrémité à la première borne d'accès (Al) ; et - un condensateur d'accord (C) connecté à la seconde extrémité du bobinage auxiliaire (L2) ; caractérisé en ce que les spires des bobinages actif et auxiliaire sont entrelacées. 2. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel une première partie (L2a) des spires du bobinage auxiliaire (L2) est située à l'intérieur du bobinage actif (L1), et une seconde partie (L2b) des spires du bobinage auxiliaire (L2) est située à l'extérieur du bobinage actif 3. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel une première partie des spires du bobinage actif (L1) est située à l'intérieur du bobinage auxiliaire (L2), et une seconde partie des spires du bobinage actif (L1) est située à l'extérieur du bobinage auxiliaire. 4. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel chaque spire du bobinage actif (L1) est encadrée par deux spires du bobinage auxiliaire (L2), adjacentes respectivement par l'intérieur et par l'extérieur. 5. Circuit d'antenne selon la revendication 1, comprenant un deuxième bobinage auxiliaire (L3) coplanaire au bobinage actif (L1), connecté entre le condensateur (C) et la seconde borne d'accès (A2), le bobinage actif comprenant un groupe de spires entrelacées avec les spires du premier bobinage auxiliaire, et un groupe de spires distinctes entrelacées avec les spires du deuxième bobinage auxiliaire. 6. Circuit d'antenne selon la revendication 5, dans lequel les bobinages auxiliaires sont situés dans deux zones respectives disjointes d'un même plan. 7. Dispositif passif de communication en champ proche comprenant un circuit d'antenne selon la revendication 1 et un circuit (20) de modulation de l'impédance entre les bornes d'accès (Al, A2) du circuit d'antenne. 8. Dispositif actif de communication en champ proche comprenant un circuit d'antenne selon la revendication 1 et un circuit d'excitation (20) connecté aux bornes d'accès (Al, A2) du circuit d'antenne.