FR2808127A1

FR2808127A1 - Antenne de lecteur d'un systeme d'emission/reception sans contact

Info

Publication number: FR2808127A1
Application number: FR0005429A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Morand
Original assignee: ASK SA
Current assignee: ASK SA
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2001-10-26
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: AU2001254891A1; IL152170A; IL152170A0; CN1224134C; FR2808127B1; EP1290756A1; KR20020090235A; TW554569B; JP2003532318A; CN1425210A; BR0110197A; HK1056793A1; WO2001082411A1

Abstract

Antenne de lecteur dans un système d'identification ou d'accès à une zone d'accès contrôlé comprenant un lecteur destiné à détecter des signaux électromagnétiques de réponse en provenance d'un objet portable sans contact tel qu'une carte de type ISO ou un ticket jetable (46), les signaux électromagnétiques de réponse étant émis par une antenne (48) située dans l'objet portable en réponse à la réception de signaux électromagnétiques émis par l'antenne de lecteur lorsque le possesseur de l'objet portable présente l'objet portable devant le lecteur. L'antenne comprend une pluralité K de groupes de spires disposés en série (40, 42, 44), chaque groupe de spires n étant écarté du groupe de spires n-1 par une distance Dn-1 supérieure à une distance prédéfinie et comportant un nombre de spires Nn supérieur au nombre de spires Nn-1 du groupe de spires n-1 avec n variant de 2 à K.

Description

La présente invention concerne les systèmes d'émission/réception utilisant un lecteur destiné à détecter des signaux électromagnetiques émis par un objet portable sans contact présenté son possesseur devant le lecteur en réponse à des signaux électromagnétiques émis par une antenne se trouvant dans le lecteur, et a trait plus particulièrement à une antenne de lecteur d'un système d'émission/réception sans contact.

Les objets portables utilisés pour l'identification de leur possesseur ou pour accès à des zones à accès contrôlé telles que les réseaux transport public comme la RATP ou la SNCF utilisent de plus en plus la technique dite sans contact par opposition aux objets classiques (cartes ou tickets) avec contact. Ces derniers doivent en effet être insérés dans un lecteur pour réaliser le contact permettant de contrôler la validite du support. Avec le temps, il y a encrassement des balais du lecteur qui entraîne souvent une difficulté pour obtenir le contact obligeant alors l'usager à s'y reprendre plusieurs fois et donc une perte de temps non négligeable.

L'échange d'informations entre un objet sans contact et le lecteur s'effectue de manière générale par couplage électromagnétique à distance entre une première antenne logée dans l'objet portable sans contact et une deuxième antenne située dans lecteur. L'objet est muni par ailleurs, d'un module electronique comportant la première antenne connectée à pastille semi-conductrice ou puce qui contient, entre autres, une partie radiofréquence (RF), une mémoire dans laquelle sont stockées les informations à fournir au lecteur et les fonctions logiques nécessaires pour élaborer les informations à émettre et traiter les informations reçues. Dans le domaine de l'accès à des zones à accès contrôlé telles qu'un réseau de transport public, existe deux groupes usagers, les usagers permanents les usagers occasionnels. Pour le premier groupe, la carte à puce sans contact format ISO est la solution la plus adaptée dans la mesure où le prix de revient de la carte réparti sur la totalité des voyages effectués sur une longue période restera toujours faible pour l'usager. Mais le prix de revient de la carte devient exorbitant par rapport au coût du voyage pour le deuxième groupe composé d'usagers occasionnels qui achèteraient une carte pour un seul voyage.

I1 existe donc, en même temps que la carte au format ISO, des tickets portables faisant l'objet de la demande de brevet français n 9908802, de format réduit par rapport à la carte ISO et jetables contrairement à cette dernière. Leur format réduit entraîne évidemment la réduction de la surface de l'antenne se trouvant sur le ticket, ce qui implique une énergie de fonctionnement plus élevée pour ces tickets que pour les cartes de format ISO.

Dans la mesure où le lecteur est appelé à fonctionner aussi bien avec des cartes de format ISO qu'avec des tickets jetables, il est nécessaire que l'énergie fournie par ledit lecteur soit suffisante lorsque l'objet sans contact qui lui est présenté est un ticket jetable. Une antenne de lecteur classique composée de plusieurs spires pourra s'avérer suffisante pour un objet sans contact de la taille d'une carte de format ISO mais insuffisante pour un objet sans contact de la taille d'un ticket.

Une solution à ce problème consisterait à introduire un champ élevé à l'intérieur de l'antenne en ajoutant à celle- ci une petite boucle constituée de quelques spires et destinée à augmenter au maximum la composante normale du champ magnétique émis dans la zone de la petite boucle. Malheureusement, une telle antenne présenterait une difficulté ergonomique dans la mesure où elle ne fonctionnerait correctement, en présence d'un ticket jetable, que dans la zone de la petite boucle. En outre, la composante normale du champ magnétique créé par la petite boucle à l'intérieur de l'antenne de lecteur est en opposition de phase avec le champ créé par les spires de l'antenne, ce qui a pour conséquence un trou de fonctionnement significatif pour une carte de format ISO lorsqu'elle est en regard de la petite boucle.

C'est pourquoi, le but principal de l'invention est une antenne de lecteur dans un système d'identification ou d'accès sans contact permettant d'utiliser indifféremment comme objet portable une carte de format ISO aussi bien qu'un ticket jetable.

L'objet de l'invention est donc une antenne de lecteur dans un système d'identification ou d'accès à une zone d'accès contrôlé comprenant un lecteur destiné à détecter des signaux électromagnétiques de réponse en provenance d'un objet portable sans contact tel qu'une carte de type ISO ou un ticket 'etable, ces signaux étant émis par une antenne située dans l'objet portable en réponse à la réception de signaux électromagnétiques émis par l'antenne de lecteur lorsque le possesseur de l'objet portable présente l'obj portable devant le lecteur. L'antenne comprend une pluralite K de groupes de spires disposés en série, chaque groupe spires n etant écarté du groupe de spires n-1 par distance 1 supérieure à une distance prédéfinie et comportant un nombre de spires Nn supérieur au nombre de spires Nn_1 du groupe de spires n-1 avec n variant de 2 à K.

Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description detaillée qui suit en référence aux dessins joints dans lesquels la figure 1 représente schématiquement une antenne lecteur classique à plusieurs spires avec l'indication la valeur de la composante normale du champ magnétique à différents endroits de l'antenne. Par la suite, l'expression champ magnétique s'appliquera en fait à la composante du champ magnétique normale au plan de l'antenne ; la figure 2 représente une antenne de lecteur selon 1 invention composée de deux groupes de spires.

la figure 3 représente l'emplacement des brins verticaux des spires d'une antenne de lecteur selon l'invention comportant trois groupes de spires, la figure 4 est un diagramme représentant la valeur champ magnétique en tout point distant de x d' métallique infiniment long dans lequel circule un courant électrique, les figures 5A, 5B, 5C sont des diagrammes représentant respectivement les valeurs du champ magnétique généré par groupe de spires extérieur, du champ magnétique généré le groupe de spires intérieur et le champ magnétique résultant, la figure 6 est un exemple de diagramme représentant le champ magnétique généré par une antenne de lecteur comportant un seul groupe de spires périphérique, la figure 7 est un exemple de diagramme représentant le champ magnétique généré par une antenne de lecteur comportant plusieurs groupes de spires remplissant les conditions de l'invention, et la figure 8 est un exemple de diagramme représentant le champ magnétique généré par une antenne de lecteur comportant plusieurs groupes de spires mais ne remplissant pas les conditions de l'invention. Comme illustré sur la figure 1, une antenne classique 10 comportant une pluralité de spires 12, 14, fournit un champ magnétique variable selon l'endroit où se trouve. Ainsi, dans la zone intérieure aux spires, cette valeur est positive alors qu'à l'extérieur des spires, champ est négatif. Au point milieu entre deux spires si on fait abstraction du champ magnétique dû aux autres parties des spires faible du fait qu'il décroît de façon inverse à la distance, le champ magnétique est nul puisque c'est la résultante d'un champ positif dû à un brin spire et un champ négatif de même valeur absolue dû à autre brin de spire.

champ magnétique variable est un inconvénient majeur pour la génération des signaux électromagnétiques émis par l'antenne. En effet, la surface du lecteur devant lequel est présenté l'objet portable se présente généralement sous la forme d'un carré (ou d'un rectangle) dont le coté mesure de 15cm à 20cm. Si l'antenne est trop au centre de cette surface, il existe alors une zone extérieure spires dans laquelle le champ magnétique est négatif. Si par contre les spires de l'antenne se trouvent à la périphérie de la surface du lecteur, le champ magnétique est bien positif sur toute surface du lecteur (intérieure à l'antenne), mais plus s'éloigne des spires, plus le champ magnétique, inversement proportionnel à la distance, décroît. I1 existe alors une zone morte au centre de la surface. n'y aura donc pas suffisamment d'énergie reçue par l' portable si ce dernier est présenté devant cette zone. outre, la solution consistant à augmenter énormément nombre de spires pour accroître le champ magnétique n' pas viable dans la mesure où la surface occupée par les spires augmente et donc également les zones où le champ magnétique est nul. La solution que fait l'objet de l'invention consiste donc à utiliser une antenne formée d'une pluralité de groupes de spires en série 1 à n, chaque groupe de spires n-1 étant intérieur au groupe de spires n. Un exemple de realisation est illustré aussi sous forme de deux groupes la figure 2 dans lequel le premier groupe spires 20 comprend 2 spires carrées et le deuxième groupe comprend 4 spires carrées séparées de l'autre groupe par distance D. Si on considère la figure 3 représentant les brins verticaux gauches de trois groupes de spires successifs 40, 44, le champ magnétique généré par le groupe de spires est négatif à l'extérieur, c'est à dire à gauche du groupe 40. Par contre, la présence d'un groupe spires 42 entourant le groupe de spires 40 permet la géneration d'un champ magnétique positif à l'intérieur des spires et en particulier dans l'intervalle entre le groupe 40 et le groupe 42.

De façon générale, le champ magnétique induit par un métallique de largeur lm dans lequel passe un courant I a valeur représentée par la courbe illustrée sur la figure 4. Au milieu du fil métallique, le champ magnétique est nul. Puis il augmente très rapidement pour atteindre une valeur à peu près constante selon l'expression suivante si l'origine des abscisses se trouve au milieu du fil

Puis la valeur de H décroît en fonction inverse de l'abscisse selon l'expression suivante

La valeur du champ généré par un groupe de N spires est donc

H=0 <SEP> pour <SEP> x=0
<tb> H=Ki.# <SEP> pour <SEP> 0 < x_ <SEP> lm
<tb> H <SEP> = <SEP> K2 <SEP> NI <SEP> pour <SEP> x <SEP> > <SEP> L
<tb> 27cx Revenant à la figure 3, la valeur du champ généré par chaque groupe de spires 40 ou 42, dans l'espace séparant les deux groupes peut être représentée respectivement par courbes illustrées sur les figures 5A et 5B pour lesquelles origine des abscisses est prise au point milieu des spires groupe 42. On notera que le champ (H1) généré intérieur des spires du groupe 42 (Fig. 5A) est positif alors que le champ (-H2) généré à l'extérieur des spires du groupe 40 (Fig. 5B) est négatif.

La valeur (HR) du champ résultant dans l'espace entre les groupes 40 et 42 est alors la somme algébrique des champs illustrés sur les figures 5A et 5B. La valeur de ce champ illustrée sur la figure 5C est donc FL = E - Hz Comme on le constate, cette valeur du champ résultant est d'abord positive, puis négative à partir d'une distance du groupe de spires 42. Si la différence entre D1 et , pour laquelle le champ résultant est négatif, n'est pas tres importante et bien inférieure à la plus petite dimension l'antenne se trouvant sur un ticket jetable, ceci n'a une importance primordiale dans la mesure où la valeur champ moyen reçu par le ticket reste positive et doit être supérieure à une valeur minimale suffisante pour garantir le fonctionnement du ticket. Il est toutefois possible de reduire cette zone à 0 en choisissant la distance separant les deux groupes de spires égale à D1', ce permet d'avoir un champ toujours positif dans l'espace entre les deux groupes de spires. Pour ceci, la condition est que la valeur absolue maximale du champ négatif -H2 soit inférieure ou égale à la valeur absolue minimale champ positif +H1 ; c'est à dire approximativement

Soit encore K@.MD,. - < KZ.NJm@ En première approximation si on admet que deux coefficients K1 et K2 sont égaux, ont obtient N@.D. < N2.1,@@ lml étant forcément inférieur à D1, on voit donc que cette inégalité pourra être vérifiée en choisissant des valeurs adéquates de N1 et N2 telles que

ou de façon générale entre deux groupes de spires consécutifs n et n-1

On doit noter que le champ positif généré par groupe de spires s'ajoute au champ positif généré par groupe de spires à l'intérieur des spires, mais de façon moindre dans la mesure où le champ s'affaiblit lorsqu'on s'éloigne des spires 42. De la même façon, un groupe de spires 44 entoure le groupe de spires 42. Le champ magnétique positif généré par le groupe de spires 44 à l'intérieur spires compense donc le champ magnétique négatif créé par groupe de spires 42 dans la zone située entre les deux groupes de spires (mais également le champ négatif généré par le groupe 40), ce qui permet de créer un champ positif dans cette zone ou au moins un champ moyen positif si le nombre spires est suffisamment important. On doit noter que champ magnétique positif généré par le groupe de spires 44 ajoute au champ positif généré par le groupe 42 à intérieur des spires 42 et également au champ positif généré par le groupe 40 à l'intérieur des spires 40, mais de plus en plus faiblement étant donnée la distance de plus en plus grande.

De façon récurrente, une pluralité de groupes de spires comportant un nombre de spires de plus en plus important peut être disposée autour des groupes précédents jusqu'à couvrir toute la surface du lecteur destinee à l'antenne. Toutefois, un paramètre détermine le nombre de groupes de spires de l'antenne, c'est la distance entre les groupes. Cette distance D1 entre les groupes 40 et 42 D2 entre les groupes 42 et 44 doit être optimisée. Elle doit pas être trop petite pour éviter l'accumulation des champs magnétiques aux environs du point milieu comme on l'a mentionné précédemment en référence à la figure 1. Mais cette distance ne doit pas être trop importante pour que le champ magnétique positif soit suffisant pour compenser le champ magnétique négatif créé par le groupe de spires précédent à l'extérieur de ses spires.

I1 existe un paramètre déterminant conditionne également la structure de l'antenne selon l'invention, c'est fait que le ticket jetable doit recevoir champ moyen positif en tout point du lecteur et en particulier lorsqu'il trouve au dessus d'un groupe de spires pour lequel le champ généré est nul. I1 faut donc que le plus petit côté de l'antenne du ticket soit plus grand que la largeur de chaque groupe de spires comme illustré sur la figure 3 où la largeur de l'antenne 48 sur le ticket 46 est plus grande que la largeur totale du plus large groupe de spires 44. Sachant le nombre de spires augmente pour chaque groupe au fur à mesure que l'on se dirige vers la périphérie de l'antenne, il est donc impératif que la largeur de metal des spires diminue au fur et à mesure que l'on passe d' groupe à un groupe plus grand pour que la largeur du groupe de spires soit toujours inférieure à la plus petite dimension de l'antenne sur le ticket. Par conséquent, en plus des inégalités suivantes s'appliquant à l'exemple illustré sur la figure 2

on doit également vérifier les inégalités Iml J 1m2 > Im3 Toujours en respectant les inégalités énoncees ci- dessus, est clair que plus on augmente le nombre de spires un groupe extérieur, par exemple N3, plus peut augmenter la distance séparant ce groupe du groupe intérieur immédiat, par exemple D2.

On doit noter que la distance d séparant deux spires dans chaque groupe de spires doit être la plus petite possible c'est à dire la distance minimale autorisée dans la fabrication des spires. De façon générale, cette distance d est un ordre de grandeur inférieur à la distance D. En d'autres termes, le rapport entre la distance D et la distance d doit être supérieur à un rapport optimal prédéterminé. Par conséquent, si la largeur interspire a une valeur donnée d, cela signifie que la distance D devra être supérieure à une valeur prédédéfinie.

Grâce aux groupes successifs de spires tels décrit ci-dessus, on peut obtenir un champ suffisant lecteur aussi bien pour une carte que pour un ticket jetable. En outre, cette disposition permet d'obtenir champ relativement uniforme sur toute la surface du lecteur qui ne dépasse pas une valeur prédéterminée du champ au-delà des normes applicables aux objets sans contact. Ceci est démontré par les trois exemples suivants illustrés sur les figures 5, 6 et 7 où l'origine des abscisses est située au centre du lecteur et pour lesquels on a consideré que - le ticket jetable comporte une antenne forme carrée 2cm x 2cm, - lecteur a pour dimensions 20cm x 20cm, - champ minimal à générer pour la carte de 0,8A/m - champ minimal pour le ticket jetable de 2A/m, - valeur du champ à ne pas dépasser est 7,5A/m, - courant circulant dans les spires est 50MA. 1. Dans le premier cas illustré sur la figure 6, le lecteur dispose d'une antenne simple formée de 4 spires concentriques à la périphérie du lecteur dont la largeur métal est de Imm et l'interspire également de lmm.

constate que le champ maximum est 15A/m à la périphérie, donc supérieur au seuil admissible. Par contre, vers le centre du lecteur, le champ n'est que de 0,8A/m donc suffisant pour la lecture d' carte mais insuffisant pour la lecture d'un ticket jetable. 2. Dans le deuxième cas illustré sur la figure 7, l'antenne du lecteur est formée selon l'invention, de trois groupes de spires - un premier groupe de 2 spires de dimensions 6cm x 6cm, largeur de métal 0,3cm et une largeur interspire de 1mm, - un deuxième groupe de 4 spires de dimensions 17cm x 17cm, de largeur de métal 0,3cm et une largeur interspire de 0, 1mm, un troisième groupe de 6 spires de dimensions 20cm x 20cm, de largeur de métal lmm et une largeur interspire de 0, lmm.

On s'aperçoit que le champ minimal est de 2A/m donc suffisant pour la lecture d'un ticket jetable d'une carte, et que le champ maximal est de 7,5A/m et donc égal seuil à ne pas dépasser. 3. Dans le troisième cas illustré sur la figure 8, l'antenne du lecteur est similaire à celle du deuxième cas excepté que pour le troisième groupe de spires, la largeur de métal est égale à 0,3cm au lieu de on s'aperçoit que le champ devient négatif dans l'espace situé entre le deuxième groupe et le troisième groupe, ceci étant dû au fait que la largeur de métal n'a été diminuée dans le troisième groupe de spires alors le nombre de spires est plus grand que celui du deuxième groupe.

Claims

REVENDICATIONS 1. Antenne de lecteur dans un système d'identification ou d'accès à une zone d'accès contrôlé comprenant un lecteur destiné à détecter des signaux électromagnétiques de reponse en provenance d'un objet portable sans contact tel 'une carte de type ISO ou un ticket jetable, lesdits signaux électromagnétiques de réponse étant émis par une antenne située dans l'objet portable en réponse à la réception de signaux électromagnétiques émis par ladite antenne de lecteur lorsque le possesseur de l'objet portable presente ledit obj portable devant ledit lecteur ; ladite antenne étant caractérisée en ce 'elle comprend pluralité K de groupes de spires (20, 24) disposés série, chaque groupe de spires n étant écarté du groupe spires n-1 par une distance Dn_1 supérieure une valeur prédéfinie et comportant un nombre de spires Nn supérieur au nombre de spires N,_1 du groupe de spires n-1 avec n variant de 2 à K.
2. Antenne de lecteur selon la revendication dans laquelle ladite pluralité de groupes de spires correspond à un nombre de groupe de spires suffisant pour que l'antenne recouvre toute la surface dudit lecteur devant lequel est présente ledit objet portable.
3. Antenne de lecteur selon la revendication 2, comportant trois groupes de spires (40, 42, 44.).
4. Antenne de lecteur selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle chacune des dimensions de l'antenne située dans ledit objet portable est supérieure à la largeur des spires constituant n'importe lequel desdits groupes.
5. Antenne de lecteur selon l'une revendication 1 à 4 dans laquelle l'inégalité suivante vérifiée ente deux groupes de spires (40, 42, 44) n et -1 consécutifs

Où lm(n-1) est la largeur des fils métalliques composant les spires du groupe n-1.
6. Antenne de lecteur selon l'une revendications 1 à 5, dans laquelle le rapport D,-,/d supérieur à une valeur prédéterminée pour toute valeur de n allant de 2 à K, d étant la valeur prédéfinie de la largeur entre deux spires adjacentes.
7. Antenne de lecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit lecteur a pour dimensions 20cm x 20cm et ledit ticket jetable comporte une antenne (48) de dimensions 2cm x 2cm.