FR3076373A1 - Antenne amelioree pour carte a puce sans contact - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne 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 fréquences f01, f02, comportant un premier circuit résonnant (L1,C1) présentant un pic de résonnance de fréquence foi et un second circuit résonnant (L2,C2) présentant un pic de résonnance de fréquence f02 , caractérisée en ce que les deux circuits résonnants ne sont pas électriquement connectés entre eux et sont couplés électro magnétiquement entre eux par un facteur de couplage K faible, inférieur à 20 %.
Description
L'invention concerne les antennes du type de celles utilisées pour les cartes à puce à fonctionnement sans contact et 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 dit ID1, dite antenne ID1, destinée à être couplée électro magnétiquement avec un lecteur externe, et une antenne concentrateur (encore désigné 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 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 antenne booster, l'antenne ID1, l'antenne concentrateur, et la capacité ajustable permettant d'ajuster la fréquence de résonnance de l'ensemble.
L’antenne booster précitée est couplée 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.
La demande du marché évolue vers des modules de taille de plus en plus réduite, en particulier pour des raisons de coût, ce qui laisse de moins en moins de place pour l'antenne du module, et modifie les caractéristiques de fonctionnement radiofréquence de l'ensemble constitué par l'antenne booster et l'antenne du module.
Par ailleurs, la performance du système d'antennes est également sensible à la valeur de 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 résonnance 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 système d'antennes du corps de carte. Dans le pire des cas, le produit, qu'il s'agisse notamment d'une carte à puce sans contact ou d'un passeport électronique, peut ne pas répondre aux normes en vigueur (ISO 14443 et 10373-6).
Pour résoudre une partie de ces problématiques, on connaît dans l’état de la technique une antenne booster utilisant un concentrateur résonnant, qui présente un double pic de résonnance, et une antenne booster à triple pic de résonnance. Ces structures seront rappelées plus loin en référence aux figures 1 et 2. Mais aucune de ces architectures ne permet de concevoir, avec les valeurs admissibles d'inductances et de capacités compatibles avec une réalisation dans le domaine des cartes à puce, une antenne booster possédant deux fréquences de résonnance latérales à environ 12,7 Mhz et 14,4 Mhz centrées autour d'une fréquence centrale de 13,56 Mhz.
Buts de l'invention
Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une structure améliorée d’antenne booster, notamment pour le corps d'une carte à puce sans contact ou pour un passeport électronique, qui soit dépourvue des inconvénients précités.
Un autre but de l'invention est de proposer une architecture d'antenne booster qui permette d'obtenir deux pics de résonance latéraux proches d'une fréquence de résonance centrale de 13,56 Mhz, et décalés de part et d'autre d'une valeur inférieure à 6 Mhz, par exemple 0,848 Mhz, tout en utilisant des valeurs d'inductances et de capacités compatibles avec la fabrication d'antennes pour cartes à puce ou de passeports électroniques.
Résumé de l'invention
La solution au problème posé consiste en une antenne booster dont l'antenne au format ID1 et l'antenne concentrateur sont séparés et ne sont pas électriquement connectés, contrairement aux architectures connues décrites plus haut.
Grâce à cette approche, les antennes l'IDl et concentrateur deviennent faiblement couplés d’un point de vue électromagnétique et il est possible d'obtenir une résonnance pour la raie latérale basse de signal (12.7MHz), et une résonnance pour la raie latérale haute (14.4MHz), autour d’une raie de télé-alimentation à 13,56 Mhz.
L’invention a donc pour objet une antenne booster 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 signal de données de fréquences foi, fo2, comportant un premier circuit résonnant (Li,Ci) présentant un pic de résonnance de fréquence foi et un second circuit résonnant (L2,C2) présentant un pic de résonnance de fréquence f02, caractérisée en ce que les deux circuits résonnants ne sont pas électriquement connectés entre eux et sont couplés électro magnétiquement entre eux par un facteur de couplage K faible, inférieur à 20 %.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les valeurs de Li, Ci, L2, C2 sont choisies de manière que les fréquences de résonnance foi et f02 soient décalées de part et d'autre de la fréquence Fo de la porteuse d'une valeur inférieure à 6Mhz.
De préférence, les valeurs de Li, Ci, L2, C2 sont choisies de manière que foi soit sensiblement égale à 12,7 Mhz et que fo2 soit sensiblement égale à 14,4 Mhz.
Selon un mode de réalisation de l'antenne booster, ledit premier circuit résonnant (Li, Ci) comporte sur une première face une self inductance de valeur Ll composée de 1 à 10 spires métalliques sensiblement au format dit ID1 de la norme ISO 14443, et une capacité de valeur Cl composée de deux armatures métalliques positionnées en regard l'une de l'autre sur les deux faces de l'antenne booster.
Selon un mode de réalisation de l'antenne booster, ledit second circuit résonnant (L2, C2) comporte sur une première face une self inductance de valeur L2 composée de 1 à 20 spires métalliques et dont le centre de gravité correspond sensiblement au centre de gravité de l'antenne du module électronique d'une carte à puce à fonctionnement sans contact, et une capacité de valeur C2 composée de deux armatures métalliques positionnées en regard l'une de l'autre sur les deux faces de l'antenne booster.
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 le schéma électrique équivalent d'une antenne booster à concentrateur résonnant conforme à l'état de la technique;
- la figure 2 représente le schéma électrique équivalent d'une antenne booster à triple pic de résonnance, conforme à l'état de la technique;
- la figure 3 représente une antenne booster conforme à l'invention;
- la figure 4 représente le schéma électrique équivalent de l'antenne booster de la figure 3.
Description détaillée
On décrira l'invention en référence à la terminologie habituelle des 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.
La figure 1 rappelle le schéma électrique équivalent d'un concentrateur résonnant. Il génère deux pics de résonnance, aux fréquences données par les formules suivantes:
L2 C2 + U C\ + L2 G + -f ((^2^2 + LkCk + L2Cf)2 + 4LiC1L2C2 _ 1 1^2^-2 + CiCj + L2G + y/((^2^-2 3“ U G F C2C1)z-4L1C1Z,2C2) '02 ~2ttJ ZLi^LzCz
Les composants Ll, L2, Cl, C2 ont des valeurs compatibles avec une réalisation sur une carte à puce. Ainsi, les valeurs de Ll, L2 doivent être comprises entre 300 nano Henry et 7 micro Henry, et les valeurs de Cl, C2 doivent être comprises entre 10 et 500 picofarad.
Or dans certaines réalisations de cartes à puce sans contact correspondant à la norme ISO 14443, on a besoin d'avoir un pic de résonnance central positionné à F0 = 13,56 Mhz, correspondant à l'énergie, et deux pics de résonnance latéraux positionnés à F0 +/- 848 Khz, à savoir environ à 12,7 Mhz et 14,4 Mhz, correspondant au signal.
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 +foi et Fo - fo2 correspondent à l'énergie disponible pour la transmission des données qui modulent la porteuse.
Avec les valeurs permises pour Ll, L2, Cl, C2, lorsqu'on fige par exemple foi à 12,7 Mhz, on s'aperçoit que f02 ne peut pas être inférieure à 30,7 Mhz, ce qui est très supérieur à l'objectif de 14,4 Mhz.
La figure 2 rappelle le schéma électrique équivalent d'un concentrateur à triple pic de résonnance. Il génère trois pics de résonnance, aux fréquences données par les formules suivantes:
<7 = avec
CiL2
27(L1C1L2C2L3C3)3
En procédant comme précédemment, on fige le premier pic de résonnance à 12,7 Mhz, le second pic de résonnance à 13,56 Mhz et on fait varier les valeurs Ll, L2, L3, Cl, C2, C3 dans les limites admissibles précitées dans le domaine des cartes à puce.
On s'aperçoit alors que le troisième pic de résonnance f03 ne peut pas être inférieur à 21 Mhz, ce qui est à nouveau bien supérieur à l'objectif de 14,4 Mhz.
Comme aucune solution mathématique n'est possible avec les architectures des figures 1 et 2, il faut trouver une autre architecture d'antenne booster, à même de rapprocher les pics de résonnance latéraux à 848 Khz de part et d'autre d'une fréquence centrale de 13,56 Mhz.
La figure 3 représente une vue en plan d'un mode de réalisation de l'antenne booster selon l'invention. Deux circuits RLC sont positionnés sur un substrat S, par exemple au format ISO 7816 des cartes à puce.
Le premier circuit RLC est celui d'une antenne au format dit ID1 et comporte une inductance L1 en série ou en parallèle avec une capacité Cl. La capacité Cl présente deux armatures en regard, une sur chaque face du substrat.
Le second circuit RLC est celui d'une antenne concentrateur destinée à être placée en face des spires d'une antenne de module électronique d'une carte à puce sans contact. Il comporte une inductance L2 en série ou en parallèle avec une capacité C2. La capacité C2 est réalisée par deux armatures en regard, une sur chaque face du substrat.
Selon l'invention, il est crucial que les deux circuits RLC soient déconnectés d'un point de vue électrique, et simplement couplés faiblement d'un point de vue électromagnétique avec un facteur de couplage K faible, par exemple inférieur à 20%.
Dans ces conditions, les pics de résonance peuvent être rapprochés suffisamment, à moins de 6 Mhz, et de préférence à moins de 1 Mhz d'une valeur centrale Fo de 13,56 Mhz.
Les inductances Ll, L2 sont comprises entre 300 nano Henry et 7 micro Henry, et les valeurs de Cl, C2 sont comprises entre 10 et 500 picofarad.
Dans ces conditions, les fréquences de résonnance de cette antenne booster, qui s'écrivent comme ci-dessous:
peuvent prendre les valeurs respectives recherchées de 12,7 Mhz et 14,4 Mhz.
La figure 4 représente alors le schéma électrique équivalent d'une carte à puce sans contact utilisant une antenne booster (L1C1, L2C2) selon l'invention, couplée fortement d'un facteur K' avec l'antenne d'un module équivalent à un circuit Ro,l_o Co.
Avantages de l'invention
En définitive, l'invention répond aux buts fixés.
Elle propose une conception particulière d'antenne booster en deux parties présentant des pics de résonance à environ 12,7 Mhz et environ 14,4 Mhz.
Claims (5)
1 - Antenne booster 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 signal de données de fréquences fOi, fo2, comportant un premier circuit résonnant (Li,Ci) présentant un pic de résonnance de fréquence foi et un second circuit résonnant (L2,C2) présentant un pic de résonnance de fréquence f02 , caractérisée en ce que les deux circuits résonnants ne sont pas électriquement connectés entre eux et sont couplés électro magnétiquement entre eux par un facteur de couplage K faible, inférieur à 20 %.
2- Antenne booster selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de Li, Ci, L2, C2 sont choisies de manière que les fréquences de résonnance foi et fo2 soient décalées de part et d'autre de la fréquence Fo d'une valeur inférieure à 6Mhz.
3 - Antenne booster selon la revendication 2, caractérisée en ce que les valeurs de Li, Ci, L2, C2 sont choisies de manière que foi soit sensiblement égale à 12,7 Mhz et que f02 soit sensiblement égale à 14,4 Mhz.
4 - Antenne booster selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier circuit résonnant (Li, Ci) comporte sur une première face une self inductance de valeur L1 composée de 1 à 10 spires métalliques sensiblement au format dit ID1 de la norme ISO 14443, et une capacité de valeur Cl composée de deux armatures métalliques positionnées en regard l'une de l'autre sur les deux faces de l'antenne booster.
5 - Antenne booster selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit second circuit résonnant (L2, C2) comporte sur une première face une self inductance de valeur L2 composée de 1 à 20 spires métalliques et dont le centre de gravité correspond sensiblement au centre de gravité de l'antenne du module électronique d'une carte à puce à fonctionnement sans contact, et une capacité de valeur C2 composée de deux armatures métalliques positionnées en regard l'une de l'autre sur les deux faces de l'antenne booster.
5 6 - Carte à puce, caractérisée en ce qu'elle comporte une antenne booster selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un module microélectronique pourvu d'une puce microélectronique connectée à une antenne de module.
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2017
- 2017-12-31 FR FR1701413A patent/FR3076373B1/fr active Active
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