Brevet FR3016491A1 — publié le 20150717

Concentrateur résonant pour améliorer le couplage entre un corps de carte à puce et son module électronique L'invention concerne les antennes du type de celles utilisées pour les cartes à puce à fonctionnement sans contact et les passeports électroniques, et plus spécifiquement les antennes d'amplification dites « booster » en terminologie anglo-saxonne et qui font l'interface d'un point de vue électromagnétique entre l'antenne du module électronique de la carte à puce et l'antenne du lecteur de carte à puce. Etat de la technique Il existe déjà dans l'état de la technique, un concentrateur standard, réalisé par une inductance disposée dans le corps de la carte à puce. On a alors un système de deux antennes dans le corps de carte à puce, à savoir une antenne au format normalisé, dite antenne ID1, destinée à être couplée électro magnétiquement avec un lecteur externe, et une antenne de concentrateur (encore désignée plus simplement comme le concentrateur) proche du format d'un module électronique pour carte à puce, disposée dans le corps de carte ou sur une page de couverture d'un livret de passeport électronique. Cette antenne de concentrateur est destinée à être couplée électro magnétiquement avec l'antenne du module, et elle est connectée directement avec l'antenne ID1. Un réseau de capacités ajustables branchées en série avec les deux antennes précitées permet de faire résonner l'ensemble du système d'antennes à une fréquence de fonctionnement déterminée. On entend donc par système d'antennes, l'antenne ID1, l'antenne concentrateur, et la capacité ajustable permettant d'ajuster la fréquence de résonance de l'ensemble. Le système d'antennes précité est couplé électro magnétiquement à un module électronique disposant lui aussi d'une antenne, disposée à la périphérie du module électronique et appelée antenne du module, qu'il s'agisse par exemple du module électronique d'une carte à puce sans contact, ou de celui d'un passeport électronique. L'antenne du module est limitée en terme de nombre de tours, par la taille réduite du module, celui-ci devant en outre recevoir une puce électronique et éventuellement des contacts galvaniques de type ISO 7816-2, par exemple pour les cartes dites duales, à fonctionnement à contact et sans contact. Le système d'antennes connu fonctionne et constitue un net progrès, notamment par rapport aux cartes à puce dépourvues de concentrateur. Cependant il est encore possible d'améliorer les performances du système, en cherchant à minimiser les pertes d'énergie radiofréquence entre le module électronique pourvu de son antenne, et le concentrateur. En outre, la performance du système d'antennes est sensible à la valeur de io la capacité de la puce utilisée, qui varie d'un composant à l'autre, certaines puces présentant une faible capacité. En effet, l'antenne du module étant limitée en nombre de tours, son inductance va être relativement faible, et la fréquence de résonance qui est déterminée par l'inductance de l'antenne du module et par la capacité de la puce, va alors être très éloignée de la fréquence de fonctionnement du 15 système d'antennes du corps de carte. Le décalage entre la fréquence de résonance de l'antenne du module et la fréquence de résonance du système d'antennes du corps de carte peut entraîner des pertes d'énergie dans la transmission, et un moins bon couplage entre le système d'antennes du corps de carte, et l'antenne du module électronique. 20 L'intérêt de la solution recherchée vient du fait que la tendance du marché va vers l'utilisation de modules microélectroniques dits simple face et de plus petite taille, ce qui réduit la place disponible pour l'antenne du module, et par conséquent réduit le nombre de tours ou de spires de cette antenne. On décrira l'invention en référence à la terminologie habituelle des 25 composants d'une carte à puce sans contact ou d'une carte à puce duale, étant entendu qu'elle est transposable sans limitation à d'autres produits de format différent, comme les passeports électroniques. Buts de l'invention 30 Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une structure améliorée de système d'antennes, notamment pour le corps d'une carte à puce sans contact ou pour un passeport électronique, et qui soit dépourvue des inconvénients précités. Un autre but plus spécifique de l'invention est de compenser la perte d'énergie due à l'éloignement grandissant entre les deux fréquences de résonance, à savoir la fréquence de résonance de l'antenne du module, et la fréquence de résonance du système d'antennes du corps de carte, et donc par conséquent d'améliorer la performance de fonctionnement du système global. Résumé de l'invention Selon le principe de l'invention, on rajoute une capacité aux bornes du concentrateur, ce qui permet de rendre le concentrateur résonant et d'améliorer les performances de communication, et notamment la qualité du couplage électromagnétique entre le système d'antennes du corps de carte et l'antenne du module. La valeur de cette capacité supplémentaire est calculée de manière à ce que le concentrateur résonne à une fréquence proche de celle de l'antenne du module électronique. En pratique, on mesure la capacité C de la puce pour un type de puce donné, l'inductance L du module électronique qui va contenir cette puce, ce qui donne une fréquence de résonance F0 du module électronique qui est donnée par la formule : F0 = 1/2IIVLC. La fréquence de résonance du système d'antennes se calcule de façon similaire, avec une inductance correspondant à l'inductance globale de l'antenne ID1 et du concentrateur, et une capacité faible qui est celle du système d'antennes. Ces deux fréquences de résonance sont, pour les raisons évoquées précédemment, décalées, ce qui dégrade les performances de communication du produit. Dans son principe de base, l'invention consiste donc à créer, par ajout d'une capacité en parallèle du concentrateur, une seconde fréquence de résonance du système d'antennes du corps de carte, calculée pour être proche de la fréquence de résonance de l'antenne du module, et en tout cas plus proche de la fréquence de résonance du module, que ne l'est la fréquence de résonance primaire, ce qui améliore sensiblement la performance de communication. Dans une variante avantageuse de l'inve.ntion; le concentrateur est constitué en fait de deux concentrateurs situés en regard l'un de l'autre, et la capacité ajoutée aux bornes du concentrateur est alors celle qui est formée par ces deux concentrateurs eux-mêmes, situés en regard l'un de l'autre. En outre, les décalages des deux surfaces de concentrateurs dus au procédé de fabrication sont neutralisés à l'aide d'une capacité de compensation supplémentaire, qui peut être réalisée sous la forme d'un plot de compensation connecté aux bornes de ces deux concentrateurs. Ce plot de compensation est donc par exemple réalisé par deux surfaces en regard, et dont la surface est calculée de telle manière que la capacité qui en résulte permette de compenser les décalages de fréquence dus aux tolérances de fabrication. L'invention a donc plus précisément pour objet un dispositif à couplage inductif, notamment une carte à puce à fonctionnement sans contact, comportant d'une part un module électronique à fonctionnement sans contact présentant une fréquence de résonance du module (Fo), et comportant d'autre part un support pourvu d'un système d'antennes (L1,L2) constitué par une antenne (L1) au format ID1 et une antenne de concentrateur (L2), ce système d'antennes (L1,L2) présentant une fréquence de résonance primaire (For), caractérisé en ce qu'il comporte une capacité résonnante (C2) connectée en parallèle aux bornes de l'antenne concentrateur (L2), de manière à créer une fréquence de résonance secondaire (Fou) de l'antenne concentrateur (L2), proche de la fréquence de résonance (Fo) du module électronique. De cette manière, le concentrateur est lui-même résonant, à une fréquence de résonance proche de la fréquence de résonance du module. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la capacité résonante 25 (C2) du concentrateur (L2) est réalisée par deux surfaces métalliques au moins partiellement en regard, connectées aux bornes du concentrateur (L2). Dans une variante améliorée de l'invention, les surfaces métalliques qui forment la capacité rajoutée, correspondent aux surfaces de deux concentrateurs partiellement superposés, c'est-à-dire que l'antenne concentrateur (L2) est réalisée 30 sous forme de spires conductrices disposées sur deux faces du support et la capacité de résonance (C2) du concentrateur est réalisée par la superposition de spires de l'antenne concentrateur (L2). En outre, l'invention prévoit que les décalages dans le positionnement de ces deux concentrateurs sous l'effet des tolérances du procédé de fabrication peuvent être neutralisés à l'aide d'une capacité de compensation. Selon un premier mode de réalisation du moyen de compensation de capacité, 5 on dispose en quinconce une partie, par exemple une moitié de la surface des spires de l'antenne de concentrateur (L2), et en vis à vis une autre partie, par exemple l'autre moitié des spires. Selon un autre mode de réalisation du moyen de compensation de capacité, celui-ci est constitué par un plot de compensation dont la surface et la forme sont io conçues de manière à ce qu'une dérive de la capacité résonante dans un sens due à un décalage de spires, soit compensée par une dérive de cette capacité de même amplitude dans l'autre sens due au plot de compensation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels : 15 - la figure 1 illustre le schéma équivalent d'un système classique de technologie à couplage inductif ; - la figure 2 représente la réponse en fréquence du système de la figure 1; - la figure 3 illustre le schéma équivalent du système de concentrateur 20 résonant selon l'invention ; - la figure 4 représente la réponse en fréquence du système selon l'invention, faisant apparaître deux pics de résonance ; - la figure 5 illustre un mode de réalisation réel d'un système selon l'invention, correspondant au schéma équivalent de la figure 3 ; 25 - les figures 6A et 6B représentent deux concentrateurs à spires superposées, pourvus d'un plot de compensation, dans deux états différents ; - la figure 7 représente une coupe transversale A-A de la capacité d'ajustement de fréquence du concentrateur du système de la figure 5 ; - la figure 8 représente une coupe transversale B-B de la capacité d'ajustement 30 réalisée à l'aide des deux concentrateurs de la figure 6. Description détaillée On se réfère à la figure 1. On a représenté dans cette figure le schéma électrique équivalent d'une carte à puce 1 connue à fonctionnement sans contact pourvue d'un concentrateur. La carte à puce 1 comporte un corps de carte 2 et un module électronique 3. Le corps de carte 2 comporte un système d'antennes, à savoir une antenne 4 au format ID1, équivalente à une capacité de valeur C1 en série avec une inductance L1, et une antenne 5 ou concentrateur, équivalente à une inductance L2. Le module électronique 3 comporte une puce 6 présentant une résistance R et une capacité C, et aux bornes de la puce 6, l'antenne 7 du module, équivalente à io une inductance de valeur L3. Comme représenté en figure 2, le module 3 présente une fréquence de résonance Fom = 1/2IIVL3C, par exemple de 32 Mhz dans l'exemple représenté. Le système d'antennes du corps de carte 2 équivaut à une antenne ID1 sous la forme d'une self inductance L1, connectée en série avec une antenne de 15 concentrateur sous la forme d'une self inductance L2, et avec une capacité ajustable C1. L'ajustement de capacité se fait notamment par une méthode connue d'enlèvement de matière, dite « trimming », qui permet d'ajuster précisément la capacité C1 et par conséquent la fréquence de résonance Fop du système d'antennes 4,5. , sachant que Fol, = 1/2M/LC1, où L vaut L1 + L2. 20 Le système d'antennes 4,5 du corps de carte 2 présente une fréquence de résonance, dite fréquence de résonance primaire, notée Fol], typiquement assez éloignée (par exemple de 14 Mhz sur la figure 2) de la fréquence de résonance Fom du module, pour les raisons expliquées plus haut. Comme expliqué plus haut, ce décalage entre la fréquence de résonance 25 Fei de l'antenne du module et la fréquence de résonance Foi) du système d'antennes du corps de carte entraine des pertes d'énergie dans la transmission, et un moins bon couplage entre le système d'antennes 4,5 du corps de carte, et l'antenne 7 du module électronique. En figure 3, on a représenté uniquement le schéma équivalent du système 30 d'antennes 4,5 du corps de carte conforme à la figure 2, mais modifié conformément à l'invention. Il diffère du précédent dans la mesure où on a ajouté une capacité 8, 30164 9 1 7 de valeur C2, connectée en parallèle avec l'antenne 5 du concentrateur, ce qui change le comportement en fréquence du système. Comme on le voit sur la réponse en fréquence du système de la figure 3, représentée en figure 4, le système d'antennes 4,5 a maintenant deux pics de 5 résonance, à savoir le pic correspondant à la fréquence de résonance primaire FOP précédente (de l'ordre de 14 Mhz dans l'exemple représenté), et un second pic correspondant à une fréquence de résonance secondaire, (35 Mhz dans l'exemple représenté) beaucoup plus proche de la fréquence de résonance Fom du module 3 (32 Mhz). Grâce à l'ajout de la capacité C2 aux bornes du concentrateur, La nouvelle fréquence de résonance du concentrateur, notée Fou, est ramenée au voisinage de la fréquence de résonance du module. Elle se situe maintenant au voisinage de 35 Mhz, l'écart avec la fréquence de résonance du module n'étant maintenant plus que 35-32 soit 3 Mhz . La valeur C2 de la capacité résonante 8 est choisie spécifiquement de manière que le pic de résonance secondaire Foc soit proche de la fréquence de résonance du module 3. Le module électronique 3 et le corps de carte 2 résonnent maintenant à des fréquences proches, et la performance de communication sans contact de la carte à puce avec un lecteur distant s'en trouve améliorée. On se réfère aux figures 5 à 8 pour expliquer les modes de réalisation de la capacité 8 de valeur C2. Comme représenté en figures 5 et 7, cette capacité 8 ajoutée peut être réalisée par exemple par l'ajout de deux surfaces conductrices 10, 11 en regard l'une de l'autre des deux côtés du support 9 d'antennes lorsqu'il s'agit d'un concentrateur 25 simple face. Ces surfaces 10,11 sont alors connectées aux bornes du concentrateur 5. Alternativement, comme représenté respectivement en vue en plan et en vue en coupe sur les figures 6 et 8, cette capacité 8 peut être réalisée par la superposition de pistes 12,13 du concentrateur 5 d'une face par rapport à l'autre, 30 dans le cas d'un concentrateur double face. Dans ce cas, la capacité 8 de valeur C2 picoFarad formée par la superposition des pistes 12, 13 dépend de la surface de superposition. Afin de compenser les variations de la surface de superposition des pistes du concentrateur double-face, on peut prévoir que dans une partie du concentrateur (par exemple la moitié gauche dans l'exemple représenté en figure 6A, à gauche de l'axe de symétrie 14), les pistes 12,13 sont superposées, et dans la moitié droite du concentrateur 5, les pistes 12, 13 du concentrateur sont décalées en 5 quinconce. De cette manière, si les alignements des spires 12,13 de la partie gauche varient au cours du procédé de fabrication d'antennes concentrateurs de plusieurs dispositifs successifs, alors les alignements de la partie droite varieront en sens contraire, de sorte que la valeur C2 de la capacité 8 sera sensiblement constante. En plus ou à la place de cette propriété de décalage, on peut prévoir un Io moyen de compensation de la variation de la capacité 8, sous la forme d'un plot de compensation 17, dont la forme et la surface sont conçues de manière à ce qu'une dérive de la capacité résonnante 8 dans un sens due à un décalage de spires du concentrateur 5, soit compensée par une dérive de cette capacité de même amplitude dans l'autre sens. 15 Il est à noter que le mode de réalisation avec un concentrateur 5 à simple face est plus facile à industrialiser mais avec de moins bonnes performances, et le mode de réalisation avec un concentrateur à double face est plus difficile à industrialiser car les pistes sont superposées, avec des tolérances de positionnement des spires qui peuvent générer des variations de capacité d'un produit à l'autre. Mais la mise en 20 oeuvre d'un plot de compensation, comme schématisé en figures 6A,6B, permet de maitriser le décalage des pistes d'une face par rapport aux pistes de l'autre face, et donc de maîtriser la valeur C2 de la capacité résonante 8 du concentrateur 5. La forme du plot de compensation 17 est obtenue par simulation des décalages des deux ensembles de pistes l'un par rapport à l'autre dans toutes les 25 directions dans le plan de la carte à puce. Par itérations à partir des décalages les plus usuels (en fréquence d'apparition et en amplitude), on obtient une forme de plot de compensation qui minimise les variations de capacité totales, c'est à dire les variations dues à la fois aux décalage des pistes et aux variations en sens contraire dues au plot de compensation. 30 Avantages de l'invention En définitive, l'invention permet d'atteindre les buts fixés. En outre, elle permet de réduire les délais nécessaires pour tester la faisabilité d'un système d'antennes ou pour industrialiser un système déjà testé. Les performances radiofréquence de l'ensemble constitué par le concentrateur 5 du corps de carte, pourvu de sa capacité de résonance, et l'antenne du module électronique, sont augmentées grâce au concentrateur résonant. La solution proposée combine les avantages de la technologie de réalisation de cartes à puce dépourvues d'une connexion physique entre le module et l'antenne, avec la possibilité d'obtenir des performances radiofréquence optimales. 10 En outre, le dispositif selon l'invention offre la possibilité de limiter les décalages de fréquence d'un composant à l'autre, qui sont généralement dus à la lamination des composants. Il en découle une industrialisation facilitée. REVENDICATIONS1 - Dispositif à couplage inductif, notamment carte à puce à fonctionnement 5 sans contact, comportant d'une part un module électronique à fonctionnement sans contact présentant une fréquence de résonance du module (Fel), et comportant d'autre part un support (9) pourvu d'un système d'antennes (L1,L2) constitué par une antenne (L1) au format ID1 et une antenne de concentrateur (L2), ce système d'antennes (L1,L2) présentant une fréquence de résonance primaire (For), caractérisé io en ce qu'il comporte une capacité résonante (8) connectée en parallèle aux bornes de l'antenne concentrateur (L2), apte à créer une fréquence de résonance secondaire (Foc) de l'antenne concentrateur (L2), plus proche de la fréquence de résonance (Fom) du module électronique, que la fréquence de résonance primaire (For). 15 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité résonnante (8) du concentrateur (L2) est réalisée par deux surfaces métalliques au moins partiellement en regard, connectées aux bornes du concentrateur (L2). 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne de 20 concentrateur (L2) est réalisée sous forme de spires conductrices disposées sur deux faces du support et en ce que la capacité de résonance (8) du concentrateur est réalisée par la superposition de spires de l'antenne concentrateur (L2). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un 25 moyen de compensation de capacité (16) apte à compenser des variations de la fréquence de résonance secondaire (Foc) d'un dispositif à l'autre dues au procédé de fabrication des dispositifs. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen de 30 compensation de capacité (16) consiste en une disposition en quinconce d'une partiede la surface des spires de l'antenne concentrateur (L2), et une disposition en vis à vis d'une autre partie de la surface des spires de l'antenne concentrateur (L2). 6 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de compensation de capacité (16 ) est constitué par un plot de compensation (17) conçu de manière à ce qu'une dérive de la capacité résonnante (8) dans un sens due à un décalage de spires du concentrateur (L2), soit compensée par une dérive de cette capacité de même amplitude dans l'autre sens.10