Brevet FR3036541A1 — publié le 20161125

Antenne à circuits RLC entremêlés L'invention concerne une antenne pour objets portables communiquant par 5 voie radiofréquence, en particulier pour des cartes à puce au format ISO 7810, qu'il s'agisse de cartes à puce à fonctionnement mixte à contact et sans contact, ou de cartes à puce uniquement à fonctionnement sans contact, c'est-à-dire qui communiquent par voie radiofréquence avec un lecteur de cartes à puce distant, ou encore une antenne pour des passeports électroniques à fonctionnement sans 10 contact. Dans la suite du document, on se réfèrera pour simplifier de façon générique à la terminologie des cartes à puce sans contact, sans limiter l'invention à ce facteur de forme particulier. 15 Etat de la technique Typiquement, les cartes à puce sans contact 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 20 capable de concentrer le flux électromagnétique du lecteur vers une antenne située sur le module microélectronique de la carte. L'antenne de la carte à puce a un schéma électrique équivalent à un circuit RLC (Résistance, Inductance, Capacité), qui possède une fréquence de résonance proche de la fréquence de la porteuse émise par le lecteur. De façon connue, le 25 signal utile est transmis entre la carte à puce et le lecteur par modulation de la porteuse. Or le contexte des applications des cartes à puce sans contact a tendance à se complexifier, notamment pour augmenter la quantité de données échangées et pour raccourcir les temps de transaction, et en conséquence les antennes intégrées 30 aux cartes à puce doivent évoluer pour pouvoir répondre à ces nouveaux besoins. En outre, une interopérabilité entre la carte et les lecteurs existants est requise afin de garantir un bon fonctionnement des cartes sur le terrain. 3036541 2 La puce microélectronique est le composant le plus coûteux d'une carte à puce. Le prix d'une puce est proportionnel à la surface qu'elle occupe. En réduisant la surface d'éléments de base de la puce comme les transistors, les fabricants de puces peuvent réduire le prix de la puce. La réduction de surface des éléments de base de la puce peut conduire à des baisses de performance notamment au niveau de la fonctionnalité sans contact. Les antennes doivent donc s'adapter à toutes ces évolutions. Les antennes pour cartes à puces connues sont généralement réalisées par des bobinages de fil conducteur connectés directement sur les plages d'accueil de la io puce dédiés à l'accueil de l'antenne. D'autres antennes pour cartes à puce connues sont réalisées par des circuits RLC comportant des inductances sous la forme de pistes électriquement conductrices réalisées sur une feuille en matière plastique ou sur un insert qui s'intercale entre des couches du corps de la carte à puce. 15 Ce bobinage ou ces pistes sérigraphiées se traduisent électriquement par un circuit RL auquel vient s'ajouter une capacité présente dans la puce formant ainsi un circuit RLC parallèle. Les évolutions et contraintes précitées ont en particulier pour conséquence de complexifier le schéma électrique des antennes et notamment d'augmenter le 20 nombre d'inductances à réaliser sur le support d'antenne, ce qui entraine avec les technologies de l'état de la technique, la multiplication du nombre de ponts entre les composants de l'antenne. Un pont est un moyen permettant à un conducteur de passer au-dessus ou au-dessous d'une nappe de conducteurs composée au moins d'un conducteur. 25 Dans le cas des antennes réalisées à partir de bobinages de fil conducteur, le pont est matérialisé par le fait qu'un fil passe au-dessus des autres, ce fil étant en général gainé donc isolé. Dans le cas des antennes sérigraphiées, un pont est formé lorsqu'un isolant est déposé ou collé sur la nappe de pistes conductrices permettant à une piste de 30 venir passer au-dessus des autres. Dans le cas des antennes gravées, le procédé cité ci-dessus peut être appliqué. 3 3036541 Dans le cas des antennes multicouches, le pont peut être réalisé en faisant passer la piste sur une couche différente de l'antenne. Le passage d'une couche à l'autre peut être réalisé par un via conducteur ou une liaison capacitive formée par deux faces de métal en regard. Mais bien entendu il n'est pas possible 5 d'augmenter la surface des cartes à puce, et pour un facteur de forme donné, les règles de conception des antennes comme la largeur et l'espacement des pistes doivent continuer à être respectées. Buts de l'invention Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une nouvelle structure d'antenne pour carte à puce, apte à résoudre les problèmes susvisés, tout en conservant les technologies de réalisation d'antenne en tant que telles. Un autre but de l'invention est de réaliser plusieurs schémas électriques d'antennes mais en minimisant le nombre de ponts nécessaires. En effet, les ponts sont coûteux à réaliser, il y a dans le cas des antennes multicouches des contraintes de dimensionnement et d'espacement des vias qui enlèvent de la flexibilité pour la réalisation des composants RLC, et la présence de vias ou équivalent entraine une fiabilité moindre des produits et une cadence de fabrication réduite. Dans le cas des antennes sérigraphiées, l'intégration d'un pont vient ajouter une étape d'isolation dans le processus de fabrication et lorsque les antennes sont réalisés à partir de bobinage de fils conducteurs gainés, le fait de réaliser un pont engendre un délai supplémentaire lors de la fabrication de l'antenne donc une diminution de la cadence de production. Résumé de l'invention Dans son principe, l'invention consiste à proposer une antenne utilisant des circuits d'inductance entrelacés permettant de réduire le nombre de ponts tels que définis plus haut. 3036541 4 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 signal porteur de fréquence F0 modulé par un signal de données de fréquence f, cette antenne comportant un nombre n d'inductances comportant chacune plusieurs 5 spires réalisées à l'aide de pistes métalliques aménagées sur un support diélectrique, caractérisée en ce que les pistes des différentes inductances sont entrelacées. Selon un mode de réalisation avantageux, chaque inductance est en forme de spirale dont une première extrémité est située au voisinage de la périphérie du io support diélectrique, alors que sa seconde extrémité est située à l'intérieur des différentes spirales. Selon l'invention, l'antenne ne comporte que n ponts entre des composants de l'antenne, là où 2n-1 ponts étaient nécessaires dans les antennes conformes à l'état 15 de la technique, et n étant le nombre d'inductances de l'antenne. Avantageusement, les différentes inductances de l'antenne ont des valeurs sensiblement égales. De ce fait, leurs mutuelles inductances sont maximisées. L'invention a également pour objet une carte à puce comprenant une antenne telle que définie plus haut. 20 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 un schéma de principe d'une antenne double face connue, ainsi que les points de connexion des extrémités des inductances de l'antenne ; 25 - la figure 2 représente un schéma de principe d'une antenne selon l'invention, possédant 4 inductances entremêlées; - la figure 3 représente le schéma électrique équivalent d'un exemple d'antenne à trois fréquences de résonance ; la figure 4 représente un exemple de réalisation conforme à l'état de la 30 technique, d'une antenne correspondant au schéma électrique équivalent de la figure 3 ; 5 3036541 la figure 5 représente un exemple de réalisation conforme à l'invention, d'une antenne correspondant au schéma électrique équivalent de la figure 3 . 5 Description détaillée On a représenté en figure 1 un schéma de principe d'une antenne comportant quatre inductances L1, L2, L3, L4 représentées dans le même plan, et des pistes notées P1 à P7 permettant à l'extrémité E1 à E7 d'une inductance de revenir vers un point II. à 17 situé dans la surface délimitée par l'une des spires des io différentes inductances, chaque piste P1 à P7 définissant un pont. Les différentes inductances L1, L2, L3, L4 sont représentées à l'aide de motifs graphiques différenciés. Comme on le voit, chaque inductance comporte environ deux spires S. Les spires des quatre inductances L1 à L4 sont de taille décroissante de l'extérieur vers l'intérieur de l'antenne, et les inductances L1 à L4 sont 15 successives, c'est à dire non imbriquées ou non entrelacées. Autrement dit, à partir de la périphérie on trouve l'ensemble des spires S d'une première inductance L1, puis toutes les spires S plus petites d'une seconde inductance L2, etc. jusqu'à l'inductance interne L4. La piste P1, connectée électriquement à l'extrémité externe E1 par le biais 20 d'un via ou d'une capacité formée par deux surfaces de métal en regard de l'inductance L1 définit un premier pont. L'extrémité I1 de la piste P1 est ainsi située dans la spire interne de la plus petite des inductances, Li. La piste P2, connectée à l'extrémité externe E2 de la même façon que P1 à E1, définit un deuxième pont aboutissant au point 12 qui est au voisinage de Il. Et de façon similaire pour les 25 autres inductances L2, L3. Comme 'Inductance L4 possède déjà une extrémité EI située à l'intérieur des spires d'antennes de toutes les inductances, elle n'aura besoin que d'un seul pont noté P3 au lieu de deux ponts pour les autres inductances. On voit donc que dans le cas représenté correspondant à une antenne à n = 4 inductances, 2n - 1 = 7 ponts seront nécessaires. 30 Dans le cas d'une antenne multicouches, toutes les spires des quatre inductances sont réalisées sur la même face du support d'antenne (non représenté), et les extrémités E1, E2 ... de chaque inductance sont amenées sur la 6 3036541 face opposée du support d'antenne, au moyen de trous métallisés appelés vias ou « crimps » en terminologie anglo-saxonne, ou au moyen de capacités formées par deux surfaces de métal en regard les unes des autres formant ainsi un pont. 5 Cette structure a plusieurs inconvénients. Ainsi, le fait d'avoir des inductances successives ayant le même nombre de spires, implique que les différentes inductances ne peuvent pas avoir la même géométrie, ce qui exclut certains schémas d'antenne. En outre, dans le cas général, la nécessité d'amener une extrémité Ei de io chaque inductance vers un point situé au voisinage du centre de la spire interne de l'inductance centrale, implique la réalisation de 2n - 1 ponts, où n désigne le nombre d'inductances de l'antenne. En figure 2 on a représenté le schéma d'une antenne similaire à celle de la figure 1, mais mettant en oeuvre le principe de l'invention. Comme on le voit, les 15 quatre inductances Li. à L4 sont en forme de spirale dont les spires sont entrelacées ou imbriquées, au lieu que les spires d'une inductance ne soient juxtaposées sans être imbriquées avec des spires d'une autre inductance de l'antenne, comme cela est le cas en figure 1. Ainsi, grâce à l'invention, la surface délimitée par chaque spire et donc la 20 valeur des différentes inductances de l'antenne est sensiblement égale d'une inductance à l'autre. De cette manière, l'extrémité externe E de chaque inductance se trouve en périphérie de l'antenne, et son extrémité opposée I se trouve naturellement au voisinage du centre de l'antenne, sans qu'un pont ne soit nécessaire pour ramener cette extrémité au centre de l'antenne. Les extrémités 25 externes E1 à E4 des inductances sont connectées à la face opposée du support d'antenne 3 en matière diélectrique, ce qui dans l'exemple représenté nécessite uniquement quatre ponts (au lieu de sept dans l'exemple de la figure 1 conforme à l'état de la technique). Les ponts sont réalisés par le biais des pistes P1/ P2, P3/ P4 situées sur la face opposée à celle qui porte les pistes des inductances et connectées 30 électriquement aux extrémités respectives E1, E2, E3, E4 à l'aide de vias ou de capacités. 7 3036541 Cette structure permet de réduire le nombre de ponts. Il faut donc n = 4 ponts dans l'exemple représenté, là où il en fallait 2n - 1 = 7 dans l'exemple de la figure 1 réalisé selon l'état de la technique. On va maintenant expliquer l'invention plus en détail à l'aide d'un exemple 5 réaliste de structure d'antenne, correspondant au schéma électrique équivalent de la figure 3. Dans cette figure, l'antenne est composée de trois inductances, à savoir une inductance principale Lp et deux inductances secondaires L1 et L2, et de trois capacités, à savoir une capacité principale Cp et deux capacités secondaires C1 et 10 C2. L'ensemble forme un circuit LC parallèle, auquel est connecté de part et d'autre un circuit LC série. Comme on peut le montrer, une telle antenne possède trois fréquences de résonance, permettant notamment de dédier une fréquence de résonance centrale à la transmission d'énergie électromagnétique entre le lecteur de carte à puce et l'antenne de la carte à puce, et de dédier les deux 15 fréquences de résonances latérales à la transmission de données. En figure 4, on a représenté une antenne correspondant au schéma équivalent de la figure 3. L'inductance principale est celle d'un concentrateur, et les inductances secondaires L1, L2 correspondent aux spires situées en périphérie d'antenne. Comme on le voit, les deux spires de l'inductance L1 sont situées à 20 l'extérieur des deux spires de l'inductance L2. L'inductance mutuelle entre les deux inductances est donc limitée car les facteurs de forme des deux inductances sont différents et légèrement éloignés l'un de l'autre. Cette structure nécessite 2n - 1 = 3 ponts pour ramener le début et la fin des 2 inductances L1, L2 au centre de l'antenne afin d'y connecter d'autres 25 éléments de l'antenne. Les 3 ponts dans cet exemple de réalisation sont comme suit : - La capacité C1 et la piste x entre l'inductance LI, et la capacité C1 La capacité C2 et la piste y entre les capacités C2 et Cp. - Le crimp ou via V1 et la piste z située entre le crimp ou via V1 et le 30 crimp ou via V2. La figure 5 représente l'antenne conforme au schéma équivalent de la figure 3, avec deux inductances principales L1, L2 (donc n = 2), mais mettant en 8 3036541 oeuvre l'invention. L'antenne présentée sur cette figure ne présente que n = 2 ponts. Ces ponts sont réalisés à l'aide des pistes x et y connectées respectivement aux inductances L1 et L2 par le biais des capacités C1 et C2. De plus, les 2 inductances L1, L2 ont des facteurs de forme très semblables, et elles sont très 5 rapprochées physiquement l'une de l'autre. De ce fait, le facteur de couplage entre ces deux inductances est maximisé et induit de fortes valeurs de mutuelle inductance. On a donc des valeurs d'inductances qui, pour des longueurs similaires à celles de la figure 3, sont beaucoup plus élevées. 10 Avantages de l'invention En définitive, l'invention propose une conception particulière d'antenne pour carte à puce ou équivalent, et répond aux buts fixés. En particulier elle permet, pour un nombre d'inductances donné sur l'antenne, de réduire le nombre de ponts 15 nécessaires, ce qui permet de réduire le coût de fabrication, et d'augmenter la cadence de fabrication et la fiabilité du produit intégrant l'antenne selon l'invention. 9 REVENDICATIONS1 - Antenne (1) 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 F0 modulé par un signal de données de fréquence f, cette antenne comportant un nombre n s d'inductances (L1, L2, ... L.n) comportant chacune plusieurs spires (s) réalisées à l'aide de pistes métalliques (2) aménagées sur un support diélectrique (3), caractérisée en ce que les pistes métalliques (2) des différentes inductances sont entrelacées. 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque 10 inductance (L1, L2, ... Ln) est en forme de spirale. 3 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une première extrémité dite externe (E) de chaque spirale est située au voisinage de la périphérie du support diélectrique, alors que la seconde extrémité (I) dite interne (I) est située 15 à l'intérieur des différentes spirales. 4 - Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle ne comporte que n ponts entre des composants de l'antenne, où n désigne le nombre d'inductances (L1, L2, ... Ln) de l'antenne, chaque 20 pont connectant une extrémité externe (E) à une extrémité interne (I) d'une inductance. - Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les différentes inductances ont des valeurs sensiblement 25 égales. 6 - Carte à puce, caractérisée en ce qu'elle comporte une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes. 30