EP1066584A1 - Dispositif pour creer un champ magnetique tournant dans l'espace en vue d'alimenter des etiquettes electroniques sans contact - Google Patents

Dispositif pour creer un champ magnetique tournant dans l'espace en vue d'alimenter des etiquettes electroniques sans contact

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EP1066584A1
EP1066584A1 EP99907697A EP99907697A EP1066584A1 EP 1066584 A1 EP1066584 A1 EP 1066584A1 EP 99907697 A EP99907697 A EP 99907697A EP 99907697 A EP99907697 A EP 99907697A EP 1066584 A1 EP1066584 A1 EP 1066584A1
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magnetic field
antennas
space
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currents
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Richard Kalinowski
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Gemplus Card International SA
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    • H04B5/24—Inductive coupling
    • H04B5/26—Inductive coupling using coils
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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Definitions

  • the invention relates to the field of contactless electronic labels which are used to identify products by subjecting them to the electromagnetic field of a read or read / write device, the magnetic component of the electromagnetic field being detected by a tuned circuit antenna. whose inductive winding is planar. It relates more particularly to improvements to the device for reading or reading / writing such electronic tags in order to supply them regardless of the orientation in the space of the inductive winding of the tuned circuit of the antenna. To this end, the invention provides for creating, by the reading or reading / writing device, a magnetic field rotating in space.
  • the electronic tags are produced using microcircuits arranged substantially along a plane in which are wound some turns carrying out the inductive winding of the tuned circuit of the antenna.
  • the radiation pattern of such antennas is not omnidirectional because they are not sensitive to the lines of force of a magnetic field which would be coplanar but have a maximum sensitivity to the lines of force which would be orthogonal to the plane of the turns of the winding. .
  • these labels have any orientation in space with respect to the magnetic field emitted by the reading or reading / writing device and this is the case. likewise the plane of the turns of the winding so that certain labels may not be coupled or little coupled to the transmitting antenna and this results in an absence of supply or an insufficient supply of the corresponding labels.
  • the object of the present invention is therefore to produce a device for emitting an electromagnetic field which makes it possible to supply the electronic tags and therefore to communicate with them whatever the orientation in space of the antenna of the 'label, and therefore the position of the product, relative to the emission device. This object is achieved by creating a magnetic field rotating in space using three orthogonal antennas which are supplied by amplitude and phase controlled currents.
  • the invention therefore relates to a device for creating a magnetic field rotating the space with a view to feeding contactless electronic labels, characterized in that it comprises:
  • FIG. 1 schematically represents two windings of orthogonal antennas creating orthogonal magnetic fields as well as their vector composition
  • FIG. 4 is a block diagram of a device according to one invention for obtaining a magnetic field rotating in space.
  • a turn 10 supplied by a current Ix represents an antenna Ax which creates a magnetic field Hx oriented along an axis PX; similarly, a turn 12 supplied by a current ly represents an antenna Ay which creates a magnetic field Hy oriented along an axis PY.
  • the magnetic fields Hx and Hy are also orthogonal and located in the plane of Figure 1.
  • the vector composition of these two magnetic fields Hx and Hy gives a resulting field Hr (x, y). This vector composition shows that a variation in the amplitude of one of the vectors representing Hx and Hy affects the amplitude and the direction of the resulting field Hr (x, y).
  • a third antenna Az (not shown) constituted by a planar winding supplied by a current Iz and arranged in the plane of FIG. 1 will create a magnetic field Hz directed perpendicular to the plane defined by the vectors Hx and Hy. As shown in the vector diagram in Figure 2, the magnetic field vector Hz will be combined with the vector Hr (x, y) to create a resulting magnetic field Hr (x, y, z). If, at the same time as the sinusoidal modulation of pulsation w.
  • control of the amplitude and of the phase of the components Hx, Hy and Hz allows the control of the amplitude and of the direction in space of the resulting vector Hr (x, y, z).
  • the diagram in FIG. 3 makes it possible to determine the values of the magnetic fields Hx, Hy and Hz as a function of the value of the field Hr (x, y, z) represented by the vector OH of the angle between the vector Hr (x, y) and the vector Hx and the angle ⁇ between the vector Hr (x, y, z) and the vector Hr (x, y).
  • Hx
  • sin ⁇ .cos ⁇ Hz
  • the device for generating a vector H is represented by the functional diagram of FIG. 4 and consists in controlling the amplitude of the currents Ix, ly and Iz at the carrier frequency F Q which supply the antennas Ax, Ay and Az respectively.
  • the current Icos ⁇ t of the oscillator is multiplied respectively by cos ⁇ (t) .cos ⁇ (t), in the multiplier circuit 50, by sin ⁇ (t) .cos / 3 (t ) in the multiplier circuit 48, by sin3 (t) in the multiplier circuit 46.
  • the sino- (t) and cos ⁇ (t) values are obtained respectively by circuits 30 and 32 from the values of the function (t).
  • the values of sin; 8 (t) and cos / 3 (t) are obtained respectively by circuits 24 and 26 from the values of the function ⁇ (t).
  • the multiplier circuits 34 and 36 respectively carry out the multiplications sin ⁇ (t) .cos / 3 (t) and cos ⁇ (t) .cos3 (t) whose results are applied to the multiplier circuits 48 and 50 respectively.
  • the functions ⁇ (t) and? (t) can be continuous or discrete functions of time.
  • the functions of the elements described in connection with Figure 4 are preferably performed by computer means such as a microprocessor. As indicated above, if ⁇ (t) and / 3 (t) are sinusoidal functions of time, the end of the vector OH will describe a sphere.
  • point H will describe an ellipsoid of revolution, which makes it possible to favor certain directions of the magnetic field.
  • the three elongations can be modified so that the magnetic field vector Hr (x, y, z) has different values according to the directions of space. The modifications of these elongations can be obtained by inserting a circuit for this purpose on the terminal of output of multipliers 46, 48 and 50, which amounts to modifying the value of I.
  • the invention has been described with a constant phase looparia, but the invention can be implemented with a phase ⁇ which is variable over time in a continuous or discrete manner. Similarly, the elongations can be variable over time in a continuous or discrete manner and this independently between the antennas.

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Abstract

L'invention concerne le domaine des étiquettes électroniques sans contact utilisées pour identifier les produits auxquels elles sont associées et, plus particulièrement, au dispositif pour alimenter de telles étiquettes quelle que soit leur orientation dans l'espace en créant un champ magnétique tournant. Pour obtenir un tel champ magnétique tournant, le dispositif de l'invention comprend trois antennes (Ax, Ay et Az) planaires disposées dans trois plans orthogonaux de manière à créer trois champs orthogonaux suivant les axes d'un trièdre rectangle. Ces antennes sont alimentées par des courants (Ix, Iy, Iz) en phase à la fréquence porteuse haute fréquence et modulés en amplitude par des fonctions du temps (α(t), β(t)) qui peuvent être des fonctions sinusoïdales de fréquences différentes.

Description

DISPOSITIF POUR CREER UN CHAMP MAGNETIQUE TOURNANT DANS
L'ESPACE EN VUE D'ALIMENTER DES ETIQUETTES
ELECTRONIQUES SANS CONTACT
L' invention concerne le domaine des étiquettes électroniques sans contact qui sont utilisées pour identifier des produits en les soumettant au champ électromagnétique d'un dispositif de lecture ou de lecture/écriture, la composante magnétique du champ électromagnétique étant détectée par une antenne à circuit accordé dont 1 ' enroulement inductif est planaire. Elle concerne plus particulièrement des perfectionnements au dispositif de lecture ou de lecture/écriture de telles étiquettes électroniques pour alimenter ces dernières quelle que soit 1 ' orientation dans 1 * espace de 1 ' enroulement inductif du circuit accordé de l'antenne. A cet effet, l'invention prévoit de créer, par le dispositif de lecture ou de lecture/écriture, un champ magnétique tournant dans l'espace.
Les étiquettes électroniques sont réalisées à l'aide de microcircuits disposés sensiblement suivant un plan dans lequel sont bobinées quelques spires réalisant l'enroulement inductif du circuit accordé de l'antenne. Le diagramme de rayonnement de telles antennes n'est pas omnidirectionnel car elles ne sont pas sensibles aux lignes de force d'un champ magnétique qui seraient coplanaires mais ont une sensibilité maximale aux lignes de force qui seraient orthogonales au plan des spires de l'enroulement.
Or, ces étiquettes ont une orientation quelconque dans 1 ' espace par rapport au champ magnétique émis par le dispositif de lecture ou lecture/écriture et il en est de même du plan des spires de l'enroulement de sorte que certaines étiquettes peuvent ne pas être couplées ou peu couplées à l'antenne émettrice et il en résulte une absence d'alimentation ou une alimentation insuffisante des étiquettes correspondantes.
Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé d'utiliser trois antennes orthogonales qui sont commutées en séquence afin d'orienter séquentiellement le vecteur champ magnétique dans l'une des trois directions définies par les axes d'un trièdre rectangle. Ce dispositif à trois antennes orthogonales représente un progrès sensible par rapport au dispositif d'émission à antenne unique mais ne garantit pas que toutes les étiquettes ont été "illuminées" à un instant donné de manière optimale pour aboutir à une même probabilité de succès de communication. Le but de la présente invention est donc de réaliser un dispositif d'émission d'un champ électromagnétique qui permet d'alimenter les étiquettes électroniques et donc de communiquer avec elles quelle que soit l'orientation dans l'espace de l'antenne de l'étiquette, et donc de la position du produit, par rapport au dispositif d'émission. Ce but est atteint en créant un champ magnétique tournant dans l'espace à l'aide de trois antennes orthogonales qui sont alimentées par des courants d ' amplitude et de phase contrôlées.
L'invention concerne donc un dispositif pour créer un champ magnétique tournant l'espace en vue d'alimenter des étiquettes électroniques sans contact, caractérisé en ce qu'il comprend :
- trois antennes planaires disposées dans trois plans orthogonaux de manière à créer trois champs magnétiques orthogonaux dirigés suivant les axes d'un trièdre rectangle, et
- des moyens pour alimenter respectivement les trois antennes par des courants en phase à la fréquence porteuse FQ et modulés en amplitude par des fonctions du temps de manière à obtenir un vecteur champ magnétique qui prend toutes les directions dans
1 ' espace en fonction du temps.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement deux enroulements d'antennes orthogonales créant des champs magnétiques orthogonaux ainsi que leur composition vectorielle,
- la figure 2 est un diagramme montrant la composition vectorielle de trois champs magnétiques orthogonaux, - la figure 3 est un diagramme montrant le volume décrit par la résultante vectorielle de trois champs magnétiques orthogonaux selon l'invention, et
- la figure 4 est un schéma fonctionnel d'un dispositif selon 1 ' invention pour obtenir un champ magnétique tournant dans l'espace.
Sur la figure 1, une spire 10 alimentée par un courant Ix représente une antenne Ax qui crée un champ magnétique Hx orienté selon un axe PX ; de même, une spire 12 alimentée par un courant ly représente une antenne Ay qui crée un champ magnétique Hy orienté selon un axe PY. Comme les plans des spires sont orthogonaux et perpendiculaires au plan de la figure 1, les champs magnétiques Hx et Hy sont également orthogonaux et situés dans le plan de la figure 1. La composition vectorielle de ces deux champs magnétiques Hx et Hy donne un champ résultant Hr(x,y) . Cette composition vectorielle montre qu'une variation de l'amplitude de l'un des vecteurs représentant Hx et Hy se répercute sur l'amplitude et la direction du champ résultant Hr(x,y). Ainsi, une modulation sinusoïdale de pulsation v-^ en quadrature des deux vecteurs Hx et Hy créera un champ Hr(x, y) d'amplitude constante tournant à cette même pulsation w-, dans le plan défini par les vecteurs Hr et Hy.
Une troisième antenne Az (non représentée) constituée d'un enroulement planaire alimenté par un courant Iz et disposé dans le plan de la figure 1 créera un champ magnétique Hz dirigé perpendiculairement au plan défini par les vecteurs Hx et Hy. Comme le montre le diagramme vectoriel de la figure 2, le vecteur champ magnétique Hz se composera avec le vecteur Hr(x, y) pour créer un champ magnétique résultant Hr(x, y, z) . Si, en même temps que la modulation sinusoïdale de pulsation w.^ en quadrature des champs magnétiques Hx et Hy, on réalise une modulation sinusoïdale de pulsation w2 du champ magnétique Hz, cette dernière provoquera la rotation du plan contenant les vecteurs Hx et Hy à cette même pulsation 2 et il en résultera un vecteur résultant Hr(x, y, z) qui prendra toutes les directions dans 1 ' espace.
Ainsi, le contrôle de l'amplitude et de la phase des composantes Hx, Hy et Hz permet le contrôle de l'amplitude et de la direction dans l'espace du vecteur résultant Hr(x, y, z) .
Le diagramme de la figure 3 permet de déterminer les valeurs des champs magnétiques Hx, Hy et Hz en fonction de la valeur du champ Hr(x, y, z) représentée par le vecteur OH de l'angle entre le vecteur Hr (x, y) et le vecteur Hx et l'angle β entre le vecteur Hr(x, y, z) et le vecteur Hr(x, y) .
Les valeurs Hx, Hy et Hz selon les axes x'x, y'y et z'z sont alors définies par : Hx = |0Hx| cosα.cos3 Hy ≈ |0Hy| sinα.cosβ Hz = |0Hz| sin/3
Le contrôle des angles α et β entre O et 2τr aura pour résultat de générer un vecteur résultant OH d'origine O dont l'extrémité H pourra se situer en un point quelconque de la sphère de centre 0 et de rayon | OH| dans le cas où a et β sont des fonctions sinusoïdales du temps. En donnant une valeur particulière à chaque élongation |0Hx|, |0Hy| et |0Hz| de chacune des composantes Hx, Hy et Hz, le point H décrira cette fois non plus une surface sphérique mais une surface quelconque, un ellipsoïde par exemple, ce qui aura pour intérêt de favoriser une direction préférentielle dans certains cas d'application.
Les valeurs des angles α et β et des élongations |0Hx| , |0Hy| et |0Hz| seront choisies pour que le vecteur résultant prenne toutes les valeurs et les directions souhaitées. Le dispositif pour générer un vecteur H est représenté par le schéma fonctionnel de la figure 4 et consiste à contrôler l'amplitude des courants Ix, ly et Iz à la fréquence porteuse FQ qui alimentent respectivement les antennes Ax, Ay et Az. Le dispositif comprend un oscillateur 20 à la fréquence FQ, soit une pulsation Ω = 27tF0 , qui fournit un courant IcosΩt à des boucles de phase 40, 42 et 44 associées respectivement aux antennes Az, Ay et Ax. Ces boucles de phase maintiennent un déphasage Φ de référence 6
fourni par un circuit 38 de manière que tous les courants Ix, ly et Iz soient strictement en phase. Pour obtenir ces courants Ix, ly et Iz, le courant IcosΩt de l'oscillateur est multiplié respectivement par cos α(t).cos β (t) , dans le circuit multiplicateur 50, par sinα(t) .cos/3 (t) dans le circuit multiplicateur 48, par sin3(t) dans le circuit multiplicateur 46. Les valeurs sino-(t) et cosα(t) sont obtenues respectivement par les circuits 30 et 32 à partir des valeurs de la fonction (t) .
Les valeurs de sin;8(t) et cos/3(t) sont obtenues respectivement par les circuits 24 et 26 à partir des valeurs de la fonction β (t) . Les circuits multiplicateurs 34 et 36 réalisent respectivement les multiplications sinα(t) .cos/3 (t) et cosα(t) .cos3 (t) dont les résultats sont appliqués respectivement aux circuits multiplicateurs 48 et 50. Les fonctions α(t) et ?(t) peuvent être des fonctions continues ou discrètes du temps. Les fonctions des éléments décrits en relation avec la figure 4 sont de préférence réalisées par des moyens informatiques tels qu'un microprocesseur. Comme on l'a indiqué ci-dessus, si α(t) et /3(t) sont des fonctions sinusoïdales du temps, l'extrémité du vecteur OH décrira une sphère. Si, en plus, on modifie la valeur de deux des elongations ou modules | OHx| , |0Hy| ou |0Hz|, le point H décrira un ellipsoïde de révolution, ce qui permet de privilégier certaines directions du champ magnétique. Egalement, les trois elongations peuvent être modifiées de manière que le vecteur champ magnétique Hr(x, y, z) ait des valeurs différentes selon les directions de l'espace. Les modifications de ces elongations peuvent être obtenues en insérant un circuit à cet effet sur la borne de sortie des multiplicateurs 46, 48 et 50, ce qui revient à modifier la valeur de I.
L'invention a été décrite avec une boucle de phase Φ constante, mais l'invention peut être mise en oeuvre avec une phase Φ qui est variable au cours du temps de manière continue ou discrète. De même, les elongations peuvent être variables au cours du temps de manière continue ou discrète et ceci de manière indépendante entre les antennes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour créer un champ magnétique tournant dans l'espace en vue d'alimenter des étiquettes électroniques sans contact, caractérisé en ce qu'il comprend : - trois antennes (Ax, Ay, Az) planaires disposées dans trois plans orthogonaux de manière à créer trois champs orthogonaux (Hx, Hy, Hz) dirigés suivant les axes d'un trièdre rectangle, et
- des moyens (20 à 50) pour alimenter respectivement les antennes (Ax, Ay, Az) par des courants (Ix, ly, Iz) en phase à la fréquence porteuse haute fréquence (F0) et modulés en amplitude par des fonctions du temps (α(t), 3(t)) de manière à obtenir un vecteur champ magnétique (Hr(x, y, z) ) qui prend toutes les directions dans 1 • espace en fonction du temps .
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fonctions du temps (α(t), )3(t)) sont continues.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fonctions du temps (α(t), )8(t)) sont discrètes.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les fonctions (α(t)) et (/3(t)) sont des fonctions sinusoïdales de pulsations différentes (wlf w2) de sorte que l'extrémité du vecteur champ magnétique Hr(x,y,z) décrit une sphère.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que deux des modules des courants (Ix, ly, Iz) alimentant les antennes (Ax, Ay, Az) ont des valeurs différentes de sorte que l'extrémité du vecteur champ magnétique Hr(x, y, z) décrit un ellipsoïde.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les trois modules des courants (Ix, ly, Iz) alimentant respectivement les antennes (Ax, Ay, Az) ont des valeurs différentes de manière que le vecteur champ magnétique Hr(x, y, z) ait des valeurs différentes selon les directions de l'espace.
7. Dispositif selon la revendication précédente 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier les elongations (OHx, OHy, OHz) au cours du temps de manière continue ou discrète.
8. Dispositif selon l'une des revendications l à 7, caractérisé en ce que les courants (Ix, ly, Iz) alimentant les antennes (Ax, Ay, Az) sont fournis chacun par l'intermédiaire d'une boucle de phase (40, 42, 44) qui maintient les courants (Ix, ly, Iz) en phase.
9. Dispositif selon la revendication 8 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier la phase (Φ) des courants (Ix, ly, Iz) alimentant les antennes (Ax, Ay, Az) au cours du temps de manière continue ou discrète.
10. Dispositif selon l'une des revendications l à 6, caractérisé en ce que les moyens (20 à 50) sont réalisés à l'aide d'un microprocesseur.
EP99907697A 1998-03-27 1999-03-12 Dispositif pour creer un champ magnetique tournant dans l'espace en vue d'alimenter des etiquettes electroniques sans contact Ceased EP1066584A1 (fr)

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