Brevet FR3076373A1 — publié le 20190705

Antenne amelioree pour carte a puce sans contact L'invention concerne les antennes du type de celles utilisees pour les cartes a puce a fonctionnement sans contact et passeports electroniques, et plus specifiquement les antennes d'amplification dites « booster » en terminologie anglo-saxonne et qui font ('interface d'un point de vue electromagnetique entre l'antenne du module electronique de Ia carte a puce et l'antenne du lecteur de carte a puce. Etat de Ia technique II existe déjà dans l'etat de la technique, un concentrateur standard, realise par une inductance disposee dans le corps de la carte a puce. On a alors un systerne de deux antennes dans le corps de carte a puce, a savoir une antenne au format normalise dit ID1, dite antenne ID1, destinee a etre 15 coup& elect° magnetiquement avec un lecteur externe, et une antenne concentrateur (encore designe plus simplement comme le concentrateur) proche du format d'un module electronique pour carte a puce, disposee dans le corps de carte ou sur une page de couverture d'un livret de passeport electronique. Cette antenne concentrateur est destinee a etre couplee elect° magnetiquement avec 20 l'antenne du module, et elle est connect& directement avec l'antenne ID1. Un reseau de capacites ajustables branchees en serie avec les deux antennes precitees permet de faire resonner ('ensemble du systeme d'antennes une frequence de fonctionnement determinee. On entend donc par antenne booster, l'antenne ID1, l'antenne concentrateur, et la capacite ajustable 25 permettant d'ajuster la frequence de resonnance de ['ensemble. L'antenne booster precitee est couplee elect° magnetiquement a un module electronique disposant lui aussi d'une antenne, disposee a la peripherie du module electronique et appelee antenne du module, qu'il s'agisse par exemple du module electronique d'une carte a puce sans contact, ou de celui d'un passeport 30 electronique. 2 La demande du marche evolue vers des modules de taille de plus en plus reduite, en particulier pour des raisons de mut, ce qui laisse de moins en moins de place pour l'antenne du module, et modifie les caracteristiques de fonctionnement radiofrequence de ('ensemble constitue par l'antenne booster et 5 l'antenne du module. Par ailleurs, la performance du systerne d'antennes est egalement sensible a la valeur de la capacite de la puce utilisee, qui varie d'un composant a l'autre, certaines puces presentant une faible capacite. En effet, l'antenne du module etant limit& en nombre de tours, son inductance va etre relativement faible, et la 10 frequence de resonnance qui est determinee par ('inductance de l'antenne du module et par la capacite de la puce, va alors etre tres eloignee de la frequence de fonctionnement du systerne d'antennes du corps de carte. Dans le pire des cas, le produit, qu'il s'agisse notamment d'une carte a puce sans contact ou d'un passeport electronique, peut ne pas repondre aux normes en vigueur (ISO 14443 et 10373-6). Pour resoudre une partie de ces problematiques, on connait dans l'etat de la technique une antenne booster utilisant un concentrateur resonnant, qui presente un double pic de resonnance, et une antenne booster a triple pic de resonnance. Ces structures seront rappelees plus loin en reference aux figures 1 et 2. Mais aucune de ces architectures ne permet de concevoir, avec les valeurs admissibles d'inductances et de capacites compatibles avec une realisation dans le domaine des cartes a puce, une antenne booster possedant deux frequences de resonnance laterales a environ 12,7 Mhz et 14,4 Mhz centrees autour d'une frequence centrale de 13,56 Mhz. Buts de ('invention Un but general de ('invention est par consequent de proposer une structure 30 amelioree d'antenne booster, notamment pour le corps d'une carte a puce sans 3 contact ou pour un passeport electronique, qui soit depourvue des inconvenients precites. Un autre but de ('invention est de proposer une architecture d'antenne booster qui permette d'obtenir deux pics de resonance lateraux proches d'une 5 frequence de resonance centrale de 13,56 Mhz, et decal& de part et d'autre d'une valeur inferieure a 6 Mhz, par exemple 0,848 Mhz, tout en utilisant des valeurs d'inductances et de capacites compatibles avec la fabrication d'antennes pour cartes a puce ou de passeports electroniques. to Résumé de ('invention La solution au probleme pose consiste en une antenne booster dont l'antenne au format ID1 et l'antenne concentrateur sont separes et ne sont pas electriquement connectes, contrairement aux architectures connues decrites plus 15 haut. Grace a cette approche, les antennes l'ID1 et concentrateur deviennent faiblement couples d'un point de vue electromagnetique et it est possible d'obtenir une resonnance pour la raie laterale basse de signal (12.7MHz), et une resonnance pour la raie laterale haute (14.4MHz), autour d'une raie de tele-alimentation a 13,56 20 Mhz. L'invention a donc pour objet une antenne booster pour carte a puce sans contact permettant de communiquer avec un lecteur de carte a puce a l'aide d'un signal porteur de frequence F0 module par un signal de donnees de frequences f01, f02, comportant un premier circuit resonnant (L1,C1) presentant un pic de resonnance 25 de frequence f01 et un second circuit resonnant (L2,C2) presentant un pic de resonnance de frequence f02 , caracterisee en ce que les deux circuits resonnants ne sont pas electriquement connecter entre eux et sont couples elect° magnetiquement entre eux par un facteur de couplage K faible, inferieur a 20 %. 4 Selon un mode de realisation de ('invention, les valeurs de Li, C1, L2, C2 sont choisies de maniere que les frequences de resonnance fo1 et f02 soient decalees de part et d'autre de la frequence Fo de la porteuse d'une valeur inferieure a 6Mhz. 5 De preference, les valeurs de Li, C1, L2, C2 sont choisies de maniere que f01 soit sensiblement egale a 12,7 Mhz et que f02 soit sensiblement egale a 14,4 Mhz. Selon un mode de realisation de l'antenne booster, ledit premier circuit resonnant (Li, comporte sur une premiere face une self inductance de valeur Ll 10 composee de 1 a 10 spires metalliques sensiblement au format dit ID1 de la norme ISO 14443, et une capacite de valeur C1 composee de deux armatures metalliques positionnees en regard ('une de I'autre sur les deux faces de l'antenne booster. Selon un mode de realisation de l'antenne booster, ledit second circuit is resonnant (L2, C2) comporte sur une premiere face une self inductance de valeur L2 composee de 1 a 20 spires metalliques et dont le centre de gravite correspond sensiblement au centre de gravite de l'antenne du module electronique d'une carte a puce a fonctionnement sans contact, et une capacite de valeur C2 composee de deux armatures metalliques positionnees en regard ('une de I'autre sur les deux faces de 20 l'antenne booster. L'invention a egalement pour objet une carte a puce comprenant une antenne telle que definie plus haut. D'autres caracteristiques et avantages de ('invention apparaitront a la lecture de la description detaillee et des dessins annexes dans lesquels : 25 - la figure 1 represente le schema electrique equivalent d'une antenne booster a concentrateur resonnant conforme a l'etat de la technique; - la figure 2 represente le schema electrique equivalent d'une antenne booster a triple pic de resonnance, conforme a l'etat de la technique; - la figure 3 represente une antenne booster conforme a ('invention; - la figure 4 represente le schema electrique equivalent de l'antenne booster de la figure 3. Description data Mee On decrira !Invention en reference a la terminologie habituelle des 5 composants d'une carte a puce sans contact ou d'une carte a puce duale, etant entendu qu'elle est transposable sans limitation a d'autres produits de format different, comme les passeports electroniques. La figure 1 rappelle le schema electrique equivalent d'un concentrateur resonnant. II genere deux pics de resonnance, aux frequences donnees par les 10 formules suivantes: 5 fo2 27r 2/1. C1L2 C2 i 1 L2 C2 + Li CI. + L2 C1 + .,1 ((L2 C2 + Li C1 + L2 Ci) 2 + 4Li CiL2 C2) hi - 27 2L1 CI. L2 C2 i1 L2 c2 + L1 C1 + L2 C1 + ,/((L2 c2 + L1 C1 + L2 ci) 2 -4Li ci L2 c2) 15 Les composants Ll, L2, Cl, C2 ont des valeurs compatibles avec une realisation sur une carte a puce. Ainsi, les valeurs de L1, L2 doivent etre comprises entre 300 nano Henry et 7 micro Henry, et les valeurs de C1, C2 doivent etre comprises entre 10 et 500 picofarad. Or dans certaines realisations de cartes a puce sans contact correspondant 20 a la norme ISO 14443, on a besoin d'avoir un pic de resonnance central positionne a FO = 13,56 Mhz, correspondant a l'energie, et deux pics de resonnance lateraux positionnes a FO +/- 848 Khz, a savoir environ a 12,7 Mhz et 14,4 Mhz, correspondant au signal. Comme cela est connu, la raie centrale situ& a Fo correspond a l'energie 25 de la porteuse, qui conditionne la port& de communication. Les raies laterales situees a Fo +fol et Fo - f02 correspondent a l'energie disponible pour la transmission des donnees qui modulent la porteuse. Avec les valeurs permises pour L1, L2, C1, C2, lorsqu'on fige par exemple fol. a 12,7 Mhz, on s'apergoit que f02 ne peut pas etre inferieure a 30,7 Mhz, ce qui 30 est tres superieur a I'objectif de 14,4 Mhz. 6 La figure 2 rappelle le schema electrique equivalent d'un concentrateur a triple pic de resonnance. II genere trois pics de resonnance, aux frequences donnees par les formules suivantes: 5 [01 1 13 1 27r Li CiL2 C2 + L2C1L3C3 + L2C2L3C3 + Li CiL3C3 + L2C3L1 CI. - cos -arcos(-2 3 ) 27r 3 [02 27 _r3 + T 3(L1 CI. L2C2L3 C3) 1 JT) 1 (- 47T Li CiL2 C2 + L2 CI. L3 C3 + L2 C2L3 C3 + Li CI. L3 C3 + L2 C3Li CI. = - cos -arcos ) 27r 3 3 2 p3 + 3 3(L1C1L2C2L3C3) f03 1 = - 27r 1 F 3 -cos -arcos(2 3 + 27r) + L1C1L2C2 + L2C1L3C3 + L2 C2L3 C3 + Li Ci L3 C3 + L2 C3Li Ci 3(L1 CiL2 C2L3 C3) avec P - 10 L1CiL2C2L3C3 3(L1C1L2C2L3C3)2 [L2 C3 + L2 C1 + L1 C1 + L2C2 -1- L3 C3] [Li Ci L2 C2 4- L2 Ci L3C3 ± L2 C2L3 C3 ± Li CiL3 C3 + L2C3L1C1]2 2e[L1c1L2c2+ L2C1L3C3 + L2C2L3C3 + L1C1L3C3 + L2c3L1c1]r q - 27(L1c1L2c2L3c3)3 (-[L1C1L2C2 + L2C1L3C3 ± L2C2L3C3 ± L1C1L3C3 ± L2C3L1C1]) X (L2C3 + L2c1 +Lici +L2c2 +L3C3) 1 3(L1c1L2c2L3c3)2 L1c1L2c2L3c3 15 En procedant comme precedemment, on fige le premier pic de resonnance a 12,7 Mhz, le second pic de resonnance a 13,56 Mhz et on fait varier les valeurs L1, L2, L3, C1, C2, C3 dans les limites admissibles precitees dans le domaine des 20 cartes a puce. On s'apergoit alors que le troisierne pic de resonnance f03 ne peut pas etre inferieur a 21 Mhz, ce qui est a nouveau bien superieur a l'objectif de 14,4 Mhz. Comme aucune solution mathernatique n'est possible avec les 25 architectures des figures 1 et 2, it faut trouver une autre architecture d'antenne booster, a merne de rapprocher les pics de resonnance lateraux a 848 Khz de part et d'autre d'une frequence centrale de 13,56 Mhz. 7 La figure 3 represente une vue en plan d'un mode de realisation de I'antenne booster selon ('invention. Deux circuits RLC sont positionnes sur un substrat S, par exemple au format ISO 7816 des cartes a puce. Le premier circuit RLC est celui d'une antenne au format dit ID1 et 5 comporte une inductance L1 en serie ou en parallele avec une capacite C1. La capacite C1 presente deux armatures en regard, une sur chaque face du substrat. Le second circuit RLC est celui d'une antenne concentrateur destinee etre placee en face des spires d'une antenne de module electronique d'une carte a puce sans contact. II comporte une inductance L2 en serie ou en parallele avec 10 une capacite C2. La capacite C2 est real's& par deux armatures en regard, une sur chaque face du substrat. Selon ['invention, it est crucial que les deux circuits RLC soient deconnectes d'un point de vue electrique, et simplement couples faiblement d'un point de vue electromagnetique avec un facteur de couplage K faible, par exemple 15 inferieur a 20%. Dans ces conditions, les pics de resonance peuvent etre rapproches suffisamment, a moins de 6 Mhz, et de preference a moins de 1 Mhz d'une valeur centrale Fo de 13,56 Mhz. Les inductances L1, L2 sont comprises entre 300 nano Henry et 7 micro 20 Henry, et les valeurs de C1, C2 sont comprises entre 10 et 500 picofarad. Dans ces conditions, les frequences de resonnance de cette antenne booster, qui s'ecrivent comme ci-dessous: 25 f01 1 (Lici + L2C2) + L2C2)2 - 4(L1C1L2C2-M2C1C2) foe 2(L1C1L2C2-M2C1C2) i 2ff 2(L1C1L2 C2 -142 CiC2) peuvent prendre les valeurs respectives recherchees de 12,7 Mhz et 14,4 Mhz. 1 (Li Ci + L2 C2)-V(Li CI. + L2 C2)2 - 4(11 Ci L2 C2 -M2 Ci C2) La figure 4 represente alors le schema electrique equivalent d'une carte a 30 puce sans contact utilisant une antenne booster (L1C1, L2C2) selon ('invention, 8 couplee fortement d'un facteur K' avec l'antenne d'un module equivalent a un circuit kJ-0,C°. Avantages de l'invention En definitive, ('invention repond aux buts fixes. Elle propose une conception particuliere d'antenne booster en deux parties presentant des pics de resonance a environ 12,7 Mhz et environ 14,4 REVENDICATIONS1 - Antenne booster pour carte a puce sans contact permettant de communiquer avec un lecteur de carte a puce a l'aide d'un signal porteur de frequence Fo module par un signal de donnees de frequences foi, f02, comportant un premier circuit resonnant (L1,C1) presentant un pic de resonnance de frequence foi et un second circuit resonnant (L2,C2) presentant un pic de resonnance de frequence f02 , caracterisee en ce que les deux circuits resonnants ne sont pas electriquement connecter entre eux et sont couples elect° magnetiquement entre eux par un facteur de couplage K faible, inferieur a 20 %. 2- Antenne booster selon la revendication 1, caracterise en ce que les valeurs de L1, Ci, L2, C2 sont choisies de maniere que les frequences de resonnance f01 et f02 soient decalees de part et d'autre de la frequence Fo d'une valeur inferieure a 6Mhz. 3 - Antenne booster selon la revendication 2, caracterisee en ce que les valeurs de L1, C1, L2, C2 sont choisies de maniere que foi soit sensiblement &gale a 12,7 Mhz et que f02 soit sensiblement egale a 14,4 Mhz. 4 - Antenne booster selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que ledit premier circuit resonnant (Li, comporte sur une premiere face une self inductance de valeur L1 composee de 1 a 10 spires metalliques sensiblement au format dit ID1 de la norme ISO 14443, et une capacite de valeur C1 composee de deux armatures metalliques positionnees en regard l'une de l'autre sur les deux faces de l'antenne booster. 5 - Antenne booster selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que ledit second circuit resonnant (L2, C2) comporte sur une premiere face une self inductance de valeur L2 composee de 1 a 20 spires 30 metalliques et dont le centre de gravite correspond sensiblement au centre de 10 gravite de ('antenne du module electronique d'une carte a puce a fonctionnement sans contact, et une capacite de valeur C2 compos& de deux armatures metalliques positionnees en regard l'une de l'autre sur les deux faces de ('antenne booster. 5 6 - Carte a puce, caracterisee en ce qu'elle comporte une antenne booster selon l'une quelconque des revendications precedentes, et un module microelectronique pourvu d'une puce microelectronique connect& a une antenne de module. 10