Brevet FR3028074A1 — publié le 20160506

Antenne améliorée pour carte à puce sans contact L'invention concerne une nouvelle antenne pour carte à puce à fonctionnement sans contact ou pour une carte à puce à fonctionnement mixte à contact et sans contact, apte à fonctionner à des débits plus élevés que les cartes sans contact habituelles, tout en présentant par ailleurs des performances de communication non dégradées. Par « carte à puce » au sens de cette invention, on entend aussi bien les cartes à puce au format ISO 7816, que des dispositifs d'identification ayant une fonction de carte à puce, tels que notamment les passeports électroniques ou autres documents sécurisés à l'aide d'une fonction de carte à puce à communication sans contact avec un lecteur. Etat de la technique Il existe déjà dans l'état de la technique des cartes à puce à fonctionnement sans contact ou à fonctionnement mixte à contact et sans contact, capables de communiquer par voie radiofréquence avec un lecteur de cartes à puce situé à 20 distance. Typiquement, ces cartes à puce comportent une antenne au format dit ID1, présentant des spires ayant sensiblement la taille du corps de carte, ou encore une antenne au format ID1 combinée avec une antenne concentrateur capable de concentrer le flux électromagnétique vers une antenne située sur le module 25 microélectronique de la carte. L'antenne de la carte à puce a un schéma électrique équivalent à un circuit RLC, qui possède une fréquence de résonance proche de la fréquence de la porteuse émise par le lecteur. De façon connue, le signal utile est transmis entre la carte à puce et le lecteur par modulation de la porteuse. 30 Le champ électromagnétique provenant du lecteur est, du point de vue mathématique, un signal sinusoïdal à la fréquence de la porteuse, à savoir 13,56 Mhz selon la norme ISO 14443. Ce signal s'exprime donc, en fonction du temps t, sous la forme : 302 80 74 2 p(t) = P.cos (wp . t) où wp désigne la pulsation de la porteuse et P l'amplitude du signal de la porteuse. 5 Les données de la carte à puce peuvent s'exprimer de façon simplifiée sous forme mathématique sous la forme d'un signal sinusoïdal d(t) à la fréquence du débit de données désiré, par exemple f = 1 Mhz : d(t) = D . cos (wd . t) où wd désigne la pulsation du signal et D l'amplitude du signal modulant. 10 La porteuse modulée par le signal s'exprime alors par : e(t) = P . cos wp.t + (1/2) . P . D cos wp.t . cos wd.t = cos(wp . t) + P.D/2 cos (wp - wd).t + P.D/2 cos (wp + wd).t 15 D'un point de vue fréquentiel, la transformée de Fourier du signal e(t) donne 3 raies d'énergie principales situées à Fo = 13,56 Mhz, Fo - f = 12,56 Mhz et Fo + f = 14,56 Mhz, si f est égal à 1 MHz. Comme cela est connu, la raie centrale située à Fo correspond à l'énergie de la porteuse, qui conditionne la portée de communication. Les raies latérales situées à Fo + f et Fo - f correspondent à l'énergie disponible pour la transmission des données qui modulent la porteuse. D'autres raies latérales d'énergie décroissante sont situées à Fo ± n.f et correspondent à des harmoniques du signal modulé, qui seront négligées ici. Or, l'amplitude des raies d'énergie dépend du gabarit d'impédance de l'antenne en fonction de la fréquence : le signal rétromodulé est filtré par l'antenne, c'est-à-dire que l'amplitude des raies d'énergie est réduite à proportion de l'impédance de l'antenne, qui dépend de la fréquence du signal. La valeur d'impédance d'une antenne qui se comporte comme un filtre 30 passe bande, est une fonction qui décroit rapidement de part et d'autre de la fréquence de résonance Fo. Il en résulte que l'impédance de l'antenne, et donc l'énergie des raies latérales disponible pour la transmission des données, décroit rapidement à 302 80 74 3 mesure que la fréquence f s'éloigne de part et d'autre de la fréquence de résonance Fo. Les antennes actuelles pour cartes à puce sans contact sont calculées pour une fréquence de résonance de 13,56 Mhz, et pour des raies latérales situées 5 à 12.7 Mhz et 14.4 Mhz, conformément à la norme ISO 14443. A ces fréquences, les pertes d'énergie dans les raies centrales et latérales représentent un bon compromis entre la portée de communication de la carte à puce, et l'énergie nécessaire pour assurer le débit des données à 848 kbps. Or, la norme ISO 14443 est amenée à évoluer et impose aux cartes à 10 puce de communiquer à des débits plus élevés. Ceci implique un décalage plus important des raies latérales par rapport à la raie centrale. Il en découle compte tenu du gabarit de l'antenne que l'énergie des raies latérales est amoindrie. Afin d'augmenter l'énergie des raies latérales plus écartées de la raie centrale, il serait possible de choisir une antenne ayant un gabarit d'impédance 15 plus écrasé, mais cela implique que la hauteur de la raie centrale soit plus faible, ce qui se ferait donc au détriment de la portée de communication de la carte à puce. On voit donc que la structure d'antenne classique pour carte à puce, présentant une seule fréquence de résonance et donc un seul pic d'énergie, est 20 incompatible avec une montée en débit du signal, tel que prévu par l'évolution de la norme de communication vers des débits plus élevés. Buts de l'invention 25 Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une nouvelle structure d'antenne pour carte à puce, apte à permettre une montée en débit de communication, sans nuire aux autres performances de communication, notamment à la portée de la communication. Résumé de l'invention Dans son principe, l'invention consiste à proposer une antenne à pics de résonance multiples, notamment à triple pic de résonance, à savoir une résonance au voisinage de la fréquence de la porteuse (13,56 Mhz), et deux pics de résonance au niveau des bandes latérales du spectre fréquentiel, correspondant à la transmission des données. De cette manière, l'énergie de la porteuse correspond à un pic de résonance et est donc maximale. De même, l'énergie des raies latérales correspondant à la 5 transmission des données correspond également à un pic de résonance et est donc également maximale. Par ailleurs, l'invention prévoit une conception d'antenne ayant des pics de résonance multiples et ajustables, de sorte qu'il soit possible d'optimiser de façon indépendante l'énergie disponible pour la porteuse et l'énergie disponible pour les 10 données. Il en découle que la qualité de transmission des données ne se fait pas au détriment de la portée de la transmission. L'invention a par conséquent pour objet une antenne pour carte à puce sans contact permettant de communiquer avec un lecteur de carte à puce à l'aide d'un 15 signal porteur de fréquence Fo modulé par un signal de données de fréquence f, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour présenter au moins trois pics de résonance, à savoir un premier pic centré sur la fréquence de la porteuse Fo, et deux pics latéraux centrés sur les fréquences de transmission des données Fo + f et Fo - f. De façon plus générale, l'antenne est configurée pour présenter, pour un débit 20 de transmission donné, au moins 1 + 2" pics de résonance, à savoir un premier pic centré sur la fréquence de la porteuse Fo, et 2" pics latéraux centrés sur les fréquences de transmission des données Fo + n.f et Fo - n.f, où n représente le nombre d'harmoniques à transmettre, et « . » représente l'opérateur de multiplication. 25 Lorsque n = 1, on a donc 3 pics de résonance, à savoir un pic à Fo correspondant à la fréquence de porteuse, et deux pics latéraux centrés sur les fréquences de transmission des données Fo + f et Fo - f, en ne considérant que l'énergie de la première harmonique. Dans le cas où il y a plusieurs débits de transmission, on pourra avoir des 30 ensembles de deux pics correspondant à chaque débit de transmission, et dans le cas d'un signal complexe nécessitant la transmission de plusieurs harmoniques, il faudra ajouter 2.n pics avec n le nombre d'harmoniques à transmettre. Dans le cas général de D débits de transmission et n harmoniques par débit, l'antenne sera conçue pour présenter un nombre de pics de résonance égal à D. (1+2n). Selon un mode de réalisation avantageux de l'antenne conduisant à 3 pics de résonance, l'antenne comporte, connectés en parallèle, un premier circuit résonant (L1,C1) série, un second circuit résonant (L2,C2) parallèle, et un troisième circuit résonant (L3,C3) série. L'invention a également pour objet une carte à puce comprenant une antenne telle que définie plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente l'impédance d'une antenne de carte à puce sans contact connue, en fonction de la fréquence, ainsi que le spectre fréquentiel (les raies d'énergie) d'un signal de modulation ; - la figure 2 représente le principe du filtrage des raies d'énergie du signal par l'antenne ; - la figure 3 représente les raies d'énergie du spectre fréquentiel d'une première antenne connue pour carte à puce ; - la figure 4 représente les raies d'énergie du spectre fréquentiel d'une seconde antenne connue pour carte à puce ; - la figure 5 est analogue à la figure 4, dans le cas d'une antenne présentant un gabarit plus écrasé; - la figure 6 représente le spectre fréquentiel cible d'une antenne selon l'invention, montrant 3 pics de résonance ; la figure 7 représente un mode de réalisation possible d'une antenne apte à produire le spectre fréquentiel conforme à la figure 6; la figure 8 représente les pics de résonance obtenus avec l'antenne conforme à la figure 7. Description détaillée En figure 1 on a représenté à gauche, en ordonnée, l'impédance ou gabarit G d'une antenne en fonction de la fréquence, en Mhz, en abscisse. Ce gabarit dépend du circuit électronique équivalent de l'antenne, et en particulier des valeurs des composants RLC constituant l'antenne. Lorsqu'une porteuse de fréquence Fo est modulée par un signal de fréquence f, on obtient un spectre de fréquence du signal modulé ( partie droite de la figure 1) présentant une raie d'énergie centrale à la fréquence Fo et deux raies d'énergie latérales aux fréquences Fo + f et Fo - f correspondant aux données du signal modulé par cette antenne. L'amplitude de la raie centrale correpond à l'énergie de la porteuse, et l'amplitude des raies d'énergie latéral correspond à l'énergie du signal modulant. Ces amplitudes sont exprimées en mVolt. Comme schématisé en figure 2, lorsque les raies latérales et la porteuse sont filtrées par l'antenne, leur amplitude est réduite en fonction du gabarit G de l'antenne aux fréquences Fo, Fo + f et Fo - f. Autrement dit, l'amplitude des raies qui est située au-dessus du gabarit d'antenne (en pointillé dans les figures 3, 4, 5) correspond à des pertes, et l'amplitude des raies du spectre fréquentiel qui est située en-dessous du gabarit G de l'antenne correspond à l'énergie disponible pour la porteuse et pour les données. A titre d'exemple pratique, la figure 3 représente les raies d'énergie du spectre fréquentiel d'une antenne connue pour carte à puce, présentant un pic de résonance unique centré sur Fo = 13,56 Mhz. Comme on le voit en comparant les figures 3 et 4, les pertes d'énergie 34, 36 aux fréquences des raies latérales sont d'autant plus importantes que la fréquence f augmente, de sorte que seule une petite partie 31, 33 de l'énergie des raies latérales reste disponible pour la transmission des données à haut débit. Ainsi, à titre d'exemple, les pertes d'énergie (34, 36) à 12,71 Mhz (figure 3) sont bien moindres, pour une antenne donnée, que les pertes d'énergie correspondantes à 8,56 Mhz (figure 4). Si pour tenter de remédier à cela, on choisit les composants RLC de cette antenne de manière à obtenir un gabarit d'antenne plus plat G' comme représenté en figure 5, l'énergie 31, 33 des raies latérales est plus importante qu'en figure 3, mais au détriment de l'amplitude 32 de la raie centrale, qui correspond à l'énergie de la porteuse, donc à la portée de communication. A 8,56 Mhz et à 18,56 Mhz, les pertes d'énergie 34, 35, 36 sont donc bien plus importantes dans la figure 5 que dans la figure 3. 302 80 74 7 Il en résulte qu'une antenne connue à pic de résonance unique ne permet pas d'obtenir un bon compromis entre portée et débit de communication, les deux étant liés par l'intermédiaire du gabarit d'antenne. Afin de remédier à ce problème, l'invention prévoit une conception 5 d'antenne à plusieurs pics de résonance indépendants les uns des autres et ajustables, à savoir un pic central correspondant à la portée de communication, et des pics latéraux correspondant au débit de la communication, comme schématisé en figure 6 dans le cas d'une antenne à trois pics de résonance Pl, P2, P3. Dans ce cas, l'énergie (31, 33) dévolue aux données et celle (32) consacrée à la 10 porteuse sont dissociées et indépendantes, comme schématisé par les 3 pics de résonance de la figure 6, centrés autour des fréquences Fo, Fo + f et Fo - f (avec dans l'exemple f = 5 Mhz), de sorte qu'il devient possible d'optimiser séparément la portée et la vitesse de communication. On remarque aussi que ces énergies sont bien plus importantes que dans le cas des figures 4 et 5, aux voisinage de la 15 porteuse et au voisinage des fréquences de résonance. En figure 7 on a représenté un exemple de circuit d'antenne apte à obtenir les pics de résonance de la figure 6. A cet effet, on utilise 3 circuits L,C connectés en parallèle, à savoir un premier circuit résonant (L1,C1) série, un second circuit résonant (L2,C2) parallèle, et un troisième circuit résonant (L3,C3) série. 20 En figure 8 on a représenté la réponse en fréquence de l'antenne selon la figure 7. En choisissant les valeurs des composants L, C comme suit : Li = L2 = 41-1, L3 = 1,5 iitH, Cl = 100 pF, C2 = 40 pF et C3 = 200 pF, on obtient 3 pics de résonance, à savoir un premier pic de résonance au voisinage de 6,78 Mhz, un second pic de résonance au voisinage de 13,56 Mhz et un troisième pic de 25 résonance au voisinage au voisinage de 20,34 Mhz. Bien entendu, avec d'autres valeurs de composants L, C, on pourra ajuster les différents pics de résonance sur d'autres fréquences, en fonction des besoins. Il est à noter que dans le cas où la qualité du signal transmis nécessiterait la transmission de n harmoniques (n = 1, 2, 3 ...), on obtiendrait suivant les 30 mêmes principes une antenne ayant 1 + 2" pics de résonance. Par ailleurs, si l'antenne devait être utilisée pour la transmission de plusieurs signaux selon un nombre D de débits différenciés, on concevrait selon les mêmes principes une antenne ayant un total de D. (1+ 2n) pics de résonance. Avantages de l'invention En définitive, l'invention propose une conception particulière d'antenne présentant des pics de résonance multiples et ajustables, permettant d'améliorer la qualité du signal transmis, tout en en améliorant également sa portée. REVENDICATIONS1 - Antenne pour carte à puce sans contact permettant de communiquer avec un lecteur de carte à puce à l'aide d'un signal porteur de fréquence Fo modulé par un 5 signal de données de fréquence f, caractérisée en ce qu'elle est conflgurée pour présenter, pour un débit de communication donné entre la carte à puce et le lecteur, au moins trois pics de résonance, à savoir un premier pic proche de la fréquence de la porteuse Fo, et au moins 211 pics latéraux proches des fréquences de transmission des données Fo + n.f et Fo - n.f, où n représente le nombre d'harmoniques du signal 10 à transmettre. 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour présenter 3 pics de résonance, situés aux fréquences Fo, Fo - f et Fo + f. 15 3 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, connectés en parallèle, un premier circuit résonant (L1,C1) série, un second circuit résonant (L2,C2) parallèle, et un troisième circuit résonant (L3,C3) série. 4 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour une 20 communication selon un nombre D de débits de communication, elle est conflgurée pour présenter un nombre de pics de résonance égal à D. (1+2"). 25