FR2777141A1 - Transpondeur - Google Patents
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Abstract
L'invention à pour but d'augmenter la distance entre un lecteur et un transpondeur sans augmenter la puissance d'émission du lecteur, de réduire la surface d'antenne nécessaire à leur fonctionnement, et de résoudre des problèmes de conceptions de ces transpondeurs. L'invention propose pour cela un transpondeur intégrant un circuit oscillant supplémentaire au circuit oscillant principal.
Description
Transpondeur. L'invention concerne un transpondeur. Plus particulièrement,
l'invention s'intéresse à une amélioration de la détection et/ou des communications
entre un transpondeur et un lecteur.
Par transpondeur, il faut comprendre, dans le cadre
de la description qui va suivre, tout appareil
d'identification utilisant une détection ou une communication à l'aide d'un champ électromagnétique. Les différents appareils peuvent être par exemple des cartes à puce ou des étiquettes électroniques. Dans la présente demande, on s'intéresse plus particulièrement aux transpondeurs électromagnétiques comportant une bobine connectée à un condensateur ou à un circuit intégré ou à
d'autres composants électroniques.
Par lecteur, il faut comprendre, dans le cadre de
la description qui va suivre, un dispositif
émetteur/récepteur muni d'une antenne qui crée un champ électromagnétique à une fréquence donnée. L'antenne du dispositif permet également de moduler le champ électromagnétique et de mesurer des variations du champ électromagnétique. L'antenne du lecteur est généralement
constituée d'une ou plusieurs bobines.
Le système lecteur-transpondeur fonctionne de manière plus ou moins complexe suivant le type de transpondeur utilisé. Le principe général de fonctionnement consiste en l'émission d'un champ électromagnétique de fréquence donnée. Lorsqu'un transpondeur entre dans le champ électromagnétique, il est alors alimenté et il réagit. La réaction du transpondeur provoque une variation du champ
électromagnétique qui est détectée par le lecteur.
Pour les systèmes les plus simples, le transpondeur étant par exemple constitué d'une bobine et d'un condensateur, l'ensemble forme un circuit oscillant accordé sur la fréquence du champ électromagnétique. La présence du transpondeur dans le champ fait résonner le circuit oscillant et provoque une modification du champ qui est détectable par le lecteur. Ces systèmes, très simples, sont couramment utilisés comme anti-vol dans les magasins. Pour les systèmes les plus complexes, le transpondeur comporte par exemple un circuit intégré connecté à une bobine, la bobine et le circuit intégré formant entre autre un circuit résonant accordé. La présence du transpondeur dans le champ électromagnétique alimente le circuit intégré qui module le champ
électromagnétique pour signaler sa présence au lecteur.
Puis, un dialogue peut s'effectuer entre le transpondeur
et le lecteur par modulation du champ électromagnétique.
Ces systèmes sont connus sous le nom de carte à puce sans contact ou étiquettes électroniques et sont utilisés pour
de nombreuses applications.
Un problème majeur des systèmes à transpondeur et lecteur est de fournir au transpondeur l'énergie nécessaire à son fonctionnement avec un rendement maximum tout en réduisant la puissance de rayonnement du lecteur sans réduire les distances de transmission entre
l'antenne et le transpondeur.
Ce problème se réduit à une simple question de sensibilité du lecteur lorsque l'on utilise des transpondeurs résonnants car le phénomène de résonnance se produit pratiquement indépendamment de l'amplitude du
champ électromagnétique.
Pour les transpondeurs à circuit intégré, le problème devient très complexe car le champ électromagnétique sert d'une part à alimenter le circuit intégré et d'autre part de fréquence porteuse pour établir un communication mono ou bi-directionnelle entre le transpondeur et le lecteur. En effet, l'utilisation de ce champ magnétique pour ces deux usages entre en contradiction. Pour pouvoir alimenter le circuit intégré, il faut que l'on récupère une tension qui soit comprise entre une tension minimum de fonctionnement et une tension maximale de destruction du circuit intégré. Pour s'affranchir de la variation de la distance entre le transpondeur et l'antenne, il est connu que l'on peut augmenter la puissance d'émission de l'antenne. Pour obtenir un bon rendement, on sait qu'il est possible d'accorder la bobine du transpondeur et l'antenne du lecteur pour
obtenir une résonnance avec le champ électromagnétique.
Pour pouvoir effectuer des communications, il faut moduler le champ électromagnétique en fréquence et/ou en amplitude. Cependant, l'homme du métier sait que lorsque la puissance du champ électromagnétique émis par l'antenne est trop important, alors le lecteur devient moins sensible aux variations provoquées par une modulation faite par le transpondeur. Cela est du à un problème de rapport signal sur bruit bien connu dans le domaine des transmissions. Il est également connu de l'homme de métier, que l'augmentation de la puissance d'émission du champ électromagnétique crée un échauffement dans le circuit intégré qui peut entraîner sa destruction partielle, temporaire, totale ou
définitive.
Il est encore connu que lorsque la bobine du transpondeur est accordée sur la même fréquence que l'antenne lecteur (qui est de préférence la fréquence de transmission pour avoir un bon rendement d'émission) il existe des trous de communication. Ce problème important peut intervenir tout au long de la distance normale de fonctionnement et non pas hors des limites prévues. En effet, en fonction du couplage transpondeur lecteur, les variations de charge induites par le transpondeur sur l'antenne lecteur, sont égales lorsqu'il agit, ou n'agit pas sur le champ électromagnétique. Il en découle que le
lecteur ne peut pas décoder pas le message.
De plus, si la bobine du transpondeur est accordée sur la fréquence du champ électromagnétique, alors une modulation du signal se traduit par une fluctuation importante de la tension d'alimentation du circuit intégré (cela peut provoquer des variations de l'ordre d'un facteur 10 sur la tension aux bornes du circuit intégré). Cette énorme dynamique de tension provoque des dysfonctionnements dans les régulateurs de tension dont la fonction est de maintenir une tension stable dans les
circuits internes de la puce.
Bien évidemment, d'autres paramètres entrent en jeu tel que la taille de l'antenne du lecteur, la taille de la bobine du transpondeur, le nombre d'antennes sur le lecteur, etc... Ces paramètres ne sont pas pris en compte dans la présente demande car il dépendent d'autres contraintes notamment de dimensionnement qui sont liées à
l'application que l'on fait du système.
Dans l'état de la technique, on surmonte les problèmes précédemment cités en utilisant des transpondeurs à circuit intégré qui fonctionnent avec des rendements énergétiques relativement peu élevés, la bobine étant non accordée sur la fréquence du champ électromagnétique. Il en résulte certaines limitations
sur les distances de fonctionnement.
Pour pouvoir augmenter la distance entre lecteur et transpondeur tout en gardant un bon fonctionnement et sans augmenter la puissance d'émission du lecteur, l'invention propose de rajouter un deuxième circuit oscillant qui peut être accordé sur une fréquence voisine du (ou égale au) champ électromagnétique, de telle sorte que la modulation du champ effectué par le transpondeur
soit mieux détectée par l'antenne du lecteur.
L'invention, particulièrement bien adaptée pour les transpondeurs à bobine et circuit intégré, s'applique à tout type de transpondeur électromagnétique utilisant une bobine. L'invention a pour objet un transpondeur comportant un premier circuit oscillant pour interagir avec un champ électromagnétique à une fréquence dite de travail, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième circuit oscillant couplé électromagnétiquement au premier circuit oscillant, les premier et deuxième circuits oscillants étant électriquement indépendants l'un de l'autre. L'ajout d'au moins un circuit oscillant supplémentaire dans le transpondeur présente de nombreux avantages qui permettent d'éliminer tout ou partie des problèmes cités précédemment. En effet, dans ce cas, le circuit oscillant du transpondeur principal peut être choisi non accordé sur la fréquence du champ électromagnétique, son couplage fort avec le circuit oscillant supplémentaire assurant son alimentation et la transmission du message vers le lecteur. Les grandes dynamiques de tension citées dans les paragraphes précédents s'en trouvent absorbées par le circuit oscillant supplémentaire et non pas dans le circuit
intégré du transpondeur principal.
De la même manière, le problème des trous de communication est résolu, par l'ajout du deuxième circuit oscillant. Il introduit une constante électrique sous forme d'impédance permettant de décaler géographiquement la zone o se produisent les trous de communications à une distance non utilisée par le système (par exemple loin de l'antenne lecteur), o dans des conditions
opératoires (puissance d'émission) non utilisées.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de
la description qui va suivre, la description faisant
référence aux dessins annexés parmi lesquels: les figures la et lb représentent un premier mode de réalisation d'un transpondeur selon l'invention, les figures 2a et 2b représentent un deuxième mode de réalisation d'un transpondeur selon l'invention, les figures 3a et 3b représentent un troisième mode
de réalisation d'un transpondeur selon l'invention.
Les figures la et lb représentent un transpondeur à circuit intégré réalisé au format "Patch", soit 35 mm par mm. La figure la montre une première face d'un support 1 de circuit imprimé et la figure lb représente une
deuxième face du même support 1 de circuit imprimé.
Pour le mode de réalisation décrit, le support 1 est un matériau isolant ayant une bonne caractéristique diélectrique et une épaisseur par exemple d'environ jm. De nombreux plastiques connus de l'homme du métier
conviennent à cette application.
Sur la première face du support 1, il est collé une puce 2 en circuit intégré ayant au moins deux bornes de contact. Une première borne de la puce 2 est connectée électriquement à une première borne d'une première bobine 3 réalisée sur support 1 à l'aide d'un matériau conducteur (par exemple de l'aluminium) qui a été gravé selon une méthode connue par l'homme du métier. Une deuxième borne de la puce 2 est connectée électriquement à une deuxième borne de ladite bobine 3. La bobine 3 est fermée par l'intermédiaire d'un conducteur électrique 4 gravé sur la deuxième face du support 1 et de première et deuxième bornes d'interconnexion 5 et 6 qui établissent chacune un contact électrique entre les deux faces du
support 1.
Le circuit électrique constitué de la bobine 3 et de la puce 2 forme entre autre un premier circuit oscillant accordé sur une première fréquence (le circuit intégré comportant en interne un condensateur d'accord qui fait partie du premier circuit oscillant). Ce premier circuit oscillant sert d'une part à recevoir un champ électromagnétique pour alimenter la puce 2 et d'autre part d'antenne de communication pour le transpondeur de
manière à interagir sur le champ électromagnétique.
Le circuit décrit aux deux paragraphes précédents correspond à un circuit connu de transpondeur. Ce circuit peut être remplacé par de nombreux circuits comportant au moins un circuit oscillant. Pour l'invention, la première fréquence est éloignée de la fréquence du champ électromagnétique de manière à ce que le premier circuit oscillant soit désaccordé par rapport à la fréquence du champ électromagnétique. Préférentiellement, la première fréquence est choisie pour être supérieure ou égale à 1,5 fois la fréquence du champ électromagnétique. On préférera également que la première fréquence soit inférieure à 3 fois la fréquence du champ électromagnétique. Une deuxième bobine 7 est réalisée également par gravure d'un matériau conducteur sur la première face du support 1. La deuxième bobine 7 est placée sur le support 1 de manière à entourer la première bobine 3 de façon à favoriser le couplage électromagnétiquement entre les première et deuxième bobines 3 et 7. Une première borne de la deuxième bobine 7 est connectée à une première armature 8 d'un condensateur. La première armature 8 est réalisée sur la première face du support 1 par gravure d'un matériau conducteur. Une deuxième borne de la deuxième bobine 7 est connectée à un troisième plot d'interconnexion 9 qui établit un contact électrique entre les deux faces du support 1. Le troisième plot 9 est connecté, sur la deuxième face du support 1, à une deuxième armature 10 du condensateur. La deuxième armature 10 est réalisée par gravure d'un matériau conducteur sur la deuxième face du support 1. Les première et deuxième armatures 8 et 10 sont placées en vis-à-vis l'une de l'autre respectivement sur les première et deuxième face du support 1 afin de former le condensateur, le matériau isolant étant utilisé comme diélectrique. Pour obtenir un transpondeur fini, le support 1 est
par exemple recouvert sur chaque face d'un film isolant.
La deuxième bobine 7 et le condensateur forment un deuxième circuit oscillant accordé sur une deuxième fréquence. Dans l'invention, la deuxième fréquence doit être une fréquence voisine de la fréquence du champ électromagnétique. Par fréquence voisine, il faut comprendre, une fréquence égale à la fréquence du champ électromagnétique à plus ou moins 20 % pour une fréquence de travail comprise entre 10 et 40 MHz, ou une fréquence égale à la fréquence du champ électromagnétique à plus ou moins 3 % pour une fréquence de travail comprise entre et 150 kHz. Toute modulation réalisée par la puce agit sur le flux traversant la deuxième bobine 7 et donc sur le courant circulant dans le deuxième circuit oscillant qui réagit lui même sur le champ électromagnétique favorisant ainsi une meilleure
réception au niveau d'un lecteur.
Dans un exemple de réalisation préféré, la fréquence du champ électromagnétique est de 13,56 MHz, la première fréquence est de 20,34 MHz (c'est à dire 1,5 fois la fréquence du champ), et la deuxième fréquence est
de 13,56 MHz (c'est à dire égal à la fréquence du champ).
Ceci afin de diminuer les dynamiques de tensions trop importantes et d'éviter les variations de tension dues à la modulation du champ par le circuit intégré. Des essais ont montré qu'avec de tels accords, on avait une augmentation de 70 % de la distance d'utilisation par rapport à un transpondeur de l'état de la technique équivalent et sans avoir de trous de communication gênants. De très nombreuses variantes de l'invention sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple complémentaire, une variante présentant des
améliorations est représentée sur les figures 2a et 2b.
Les figures 2a et 2b représentent respectivement des première et deuxième faces d'un support 11 similaire
au support 1 mais par exemple au format carte de crédit.
Sur la première face du support 11 on a placé une puce 12 reliée à une première bobine 13 formant un premier circuit oscillant. Sur la deuxième face, il est gravé une deuxième bobine 14 couplée électromagnétiquement à la première bobine 13. La deuxième bobine 14 est connectée à des première et deuxième armatures 15 et 16 placées respectivement sur les première et deuxième faces du support 11. Pour obtenir un transpondeur fini, le support 2 ainsi réalisé est par exemple moulé dans une carte en
plastique d'environ 1 mm d'épaisseur.
Sur la deuxième face du support 11, on a collé un noyau 17 fait d'un matériau ferromagnétique afin d'augmenter le couplage entre les première et deuxième bobines 13 et 14. Ce noyau 17 apporte un coefficient de
couplage supplémentaire entre les deux bobines 13 et 14.
Dans l'exemple représenté il n'est pas nécessaire car on a déjà un bon couplage en utilisant deux bobines
réalisées sur un même support de faible épaisseur.
Toutefois si l'on utilise un support plus épais ou deux supports distincts, il peut être nécessaire dans certains
cas de rajouter un noyau.
Sur la première face du support 11, on effectue le contact électrique entre la première armature 15 et la
deuxième bobine 14 par l'intermédiaire d'un fusible 18.
Le fusible 18 est réalisé par exemple à l'aide d'une gravure fragilisée d'un matériau conducteur, la fragilisation pouvant se faire à l'aide d'une piste de faible largeur sur un endroit du conducteur reliant la deuxième bobine 14 à la première armature 15. Si l'application du transpondeur ne nécessite pas un circuit
plat, tout type de fusible peut être utilisé.
L'utilisation d'un fusible permet d'avoir un transpondeur fonctionnant à des distances différentes suivant l'état du fusible: de l'ordre de quelques dizaines de centimètres à quelques millimètres. Pour détruire le fusible et rompre le circuit oscillant, on soumet le transpondeur à un champ magnétique important pour créer un fort courant dans le circuit oscillant. On peut par exemple avoir une étiquette électronique permettant d'une part d'identifier un produit dans un dispositif de protection contre le vol lorsque le fusible est en état de fonctionnement, et d'autre part de n'être lisible qu'au contact de l'antenne lecteur lorsque le
fusible est grillé.
Un troisième mode de réalisation préféré du transpondeur est représenté sur les figure 3a et 3b. Les figures 3a et 3b représente le support 1 des figures la et lb dans lequel le premier circuit oscillant est remplacé par une unique puce en circuit intégré 19, le circuit intégré 19 comportant le premier circuit oscillant, la première bobine étant réalisée par masquage sur la puce. L'utilisation d'un tel circuit intégré 19 permet d'éviter d'avoir à réaliser toute connexion de puce lors du processus de fabrication. Il suffit de coller le circuit intégré 19 comportant le premier circuit oscillant sur ou au centre de la deuxième bobine 7 du deuxième circuit oscillant, l'important étant que la
puce soit à proximité du deuxième circuit oscillant.
Les modes de réalisation préférés du transpondeur répondent à des applications particulières dans lesquelles il est nécessaire que le transpondeur soit de faible épaisseur. C'est pour cela que l'on utilise des bobines réalisées par gravure sur un même support, les première et deuxième bobines servant en plus de radiateur au support pour absorber les puissances superflues au fonctionnement. Il est évident que tout type de bobine est utilisable en fonction des différentes applications qui imposent la forme extérieure du transpondeur. De
même, tout type de condensateur est utilisable.
Dans la présente description, il a été montré un
transpondeur à circuit intégré car c'est pour ce type de transpondeur que l'invention présente le plus d'avantages. Il est toutefois possible d'appliquer l'invention à tout type de transpondeur à bobine. Pour les transpondeurs de type résonnant on peut rajouter le circuit oscillant en le couplant avec le circuit oscillant déjà existant pour augmenter les degrés de liberté dans la conception. On peut ainsi utiliser deux circuits oscillants couplés ensemble sur deux fréquences différentes, la résultante des deux fréquences d'accord des deux circuits oscillants étant la fréquence du champ magnétique, ceci afin d'autoriser une plus grande
tolérance sur la valeur des inductances de transpondeur.
En fonction des formes imposées, des coûts de fabrication, et des technologies utilisables, il est tout à fait possible d'avoir un transpondeur utilisant des premier et deuxième circuits oscillants placés à une certaine distance l'un de l'autre. La position des deux circuits oscillants peut assurer un couplage électromagnétique plus ou moins important en fonction de la position de l'un par rapport à l'autre (l'un à coté de l'autre, l'un derrière l'autre, etc...), les deux circuits oscillants n'étant pas nécessairement liés entre
eux par un même support.
De plus, il est possible de réaliser un transpondeur utilisant plusieurs deuxièmes circuits, un intérêt étant par exemple de pouvoir utiliser plusieurs
fréquences de champ électromagnétique avec une même puce.
Claims (15)
1. Transpondeur comportant un premier circuit oscillant (2 à 6, 12, 13, 19) pour interagir avec un champ électromagnétique à une fréquence dite de travail, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième circuit oscillant (7 à 10, 14 à 16, 18) couplé électromagnétiquement au premier circuit oscillant, les premier et deuxième circuits oscillants étant
électriquement indépendants l'un de l'autre.
2. Transpondeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que une fréquence de résonnance du transpondeur résultant du couplage des premier et deuxième circuits oscillants est voisine de ou égale à la
fréquence de travail.
3. Transpondeur selon l'une des revendications 1 ou
2, caractérisé en ce que le premier circuit oscillant (2 à 6) est désaccordé par rapport à la fréquence de travail tandis que le deuxième circuit oscillant (7 à 10) est accordé sur une fréquence voisine à ou égale à la
fréquence de travail.
4. Transpondeur selon l'une des revendications 3,
caractérisé en ce que le premier circuit oscillant (2 à 6) est accordé à une fréquence qui est supérieure à 1,5 fois la fréquence de travail et qui est inférieure à 3
fois la fréquence de travail.
5. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que le premier circuit oscillant (2 à 6, 12, 13, 19) comporte une puce en circuit intégré (2,
12, 19).
6. Transpondeur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une partie du premier circuit oscillant (2 à 6, 12, 13) est intégré dans une puce (2, 12)
7. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que le premier circuit oscillant est intégré dans une puce (19), la puce (19) étant fixée à
proximité du deuxième circuit oscillant (7 à 10).
8. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
7, caractérisé en ce que le deuxième circuit oscillant (14 à 16, 18) comporte un fusible (18).
9. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
8, caractérisé en ce que le premier circuit oscillant (2 à 6, 12, 13, 19) comporte une première bobine (3, 13) réalisée sur une surface d'un matériau isolant (1, 11,
19).
10. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
9, caractérisé en ce que le deuxième circuit oscillant (7 à 10, 14 à 16, 18) comporte une deuxième bobine (7, 14)
réalisée sur une surface d'un matériau isolant (1, 11).
11. Transpondeur selon l'une des revendications 1 à
, caractérisé en ce que les premier et deuxième circuits oscillants (7 à 10, 19) sont réalisés sur des
supports distincts (1, 19).
12. Transpondeur selon les revendications 9 et 10,
caractérisé en ce que les première et deuxième bobines (3, 7) sont réalisées sur une même surface d'un même matériau (1) et positionnées de manière à partager une partie substantielle du flux qui traverse chacune
desdites bobines.
13. Transpondeur selon les revendications 9 et 10,
caractérisé en ce que les première et deuxième bobines (13, 14) sont réalisées sur deux surfaces d'un même matériau (11) et positionnées de manière à partager une partie substantielle du flux qui traverse chacune
desdites bobines.
14. Transpondeur selon l'une des revendications 12
ou 13, caractérisé en ce que le deuxième circuit oscillant (7 à 10, 14 à 16, 18) comporte un condensateur formé par une première armature (8, 15) sur une première surface du matériau isolant (1, 11) et par une deuxième armature (10, 16) sur une deuxième surface du matériau isolant (1, 11), les deux armatures étant en vis-à-vis l'une de l'autre, le matériau isolant étant utilisé comme diélectrique.
15. Transpondeur selon l'une des revendications 9 à
14, caractérisé en ce que le transpondeur comporte un élément (17) en un matériau ferromagnétique pour effectuer le couplage entre les première et deuxième bobines.
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| FR9804593A FR2777141B1 (fr) | 1998-04-06 | 1998-04-06 | Transpondeur |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR9804593A FR2777141B1 (fr) | 1998-04-06 | 1998-04-06 | Transpondeur |
Publications (2)
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Family
ID=9525183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9804593A Expired - Fee Related FR2777141B1 (fr) | 1998-04-06 | 1998-04-06 | Transpondeur |
Country Status (1)
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| FR (1) | FR2777141B1 (fr) |
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