FR2815176A1 - Antenne spirale d'emission et/ou reception a coupures - Google Patents

Antenne spirale d'emission et/ou reception a coupures Download PDF

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Abstract

Antenne d'émission et/ ou de réception d'ondes électromagnétiques (10) du type comprenant un fil disposé en spirale dans un plan, ladite spirale comportant au moins deux spires; l'antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une coupure (12) dans le but de diminuer la capacité inter-spires. Une telle antenne est utilisée dans un système de communication sans contact dans lequel un lecteur transmet des signaux électromagnétiques à un objet portable (carte ou ticket) de manière à pouvoir identifier le possesseur de l'objet portable lorsque ce dernier transmet en retour des signaux d'identification vers ledit lecteur.

Description

<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne de façon générale les antennes d'émission et/ou réception d'ondes électromagnétiques du type spirale et en particulier une antenne spirale d'émission et/ou réception à coupures.
Dans les domaines où il est nécessaire d'utiliser des antennes d'émission/réception d'ondes électromagnétiques échangées avec un objet portable possédé par un utilisateur, il est de plus en plus nécessaire de prévoir des antennes relativement importantes pour pouvoir s'adapter au volume de fonctionnement de l'objet portable. Ainsi en est-il dans la technologie de la communication sans contact où l'objet portable de l'utilisateur est une carte ou un ticket disposant d'une antenne destinée à recevoir les signaux électromagnétiques en provenance d'un lecteur et à transmettre d'autres signaux électromagnétiques vers le lecteur de façon à obtenir l'accès à une zone à accès contrôlé. Les signaux électromagnétiques permettent non seulement la communication entre le lecteur et l'objet portable mais également la téléalimentation de l'objet portable par le phénomène physique de l'induction magnétique.
Il y a une tendance à augmenter le volume de fonctionnement de l'objet portable de manière à faciliter le passage des utilisateurs qui n'ont plus à viser une zone particulière et également afin de détecter facilement l'objet portable porté par l'utilisateur (dans une poche par exemple) dans le but général de détecter les fraudes et/ou de contrôler les entrées/sorties (cas du portique mains libres). Cette augmentation du volume de fonctionnement a pour conséquence d'augmenter les dimensions de l'antenne émettrice et d'augmenter la distance de fonctionnement entre l'antenne émettrice et l'objet portable. L'augmentation de la distance de fonctionnement peut être réalisée en augmentant la puissance fournie à l'antenne mais cela implique une augmentation de la consommation électrique, mais également en
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augmentant le nombre de spires. En effet, le champ magnétique rayonné est proportionnel au nombre de spires lorsque celles- ci sont parcourues par un même courant.
Cependant, l'augmentation du nombre de spires implique alors une capacité parallèle inter-spires due au couplage capacitif entre deux spires parallèles de l'antenne. Plus cette capacité est grande, plus son impédance est faible à une fréquence de fonctionnement donnée. En conséquence, une part très importante du courant est dissipée par cette capacité au lieu de s'écouler dans l'antenne. En outre, il se produit des interférences par couplage capacitif entre les spires, résultant du changement de phase lorsque la longueur de l'antenne dépasse le quart de la longueur d'onde et surtout lorsqu'elle approche de la demi-longueur d'onde, ce qui se produit lorsque l'antenne atteint environ llm à la fréquence de fonctionnement de 13,56 MHz actuellement utilisée.
C'est pourquoi le but de l'invention est de réaliser une antenne d'émission et/ou réception de type spirale dans laquelle il n'y a pas dissipation du courant par la capacité inter-spires quelles que soient les dimensions des spires de l'antenne.
L'objet de l'invention est donc une antenne d'émission et/ou réception d'ondes électromaghnétiques du type comprenant un fil disposé en spirale dans un plan, ladite spirale comportant au moins deux spires, cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une coupure du fil d'antenne dans le but de diminuer la capacité interspires.
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 représente une antenne spirale à trois spires permettant la mise en oeuvre de l'invention,
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la figure 2 représente le circuit électronique équivalent à l'antenne illustrée sur la figure 1.
- la figure 3 représente l'antenne de la figure 1 dans laquelle une coupure a été faite, la figure 4 représente le circuit électronique équivalent à l'antenne illustrée sur la figure 3, - la figure 5 représente schématiquement les brins de l'antenne avec coupure intervenant dans la capacité parallèle de la partie d'antenne située d'un côté de la coupure, - la figure 6 représente schématiquement les brins de l'antenne avec coupure intervenant dans la capacité parallèle de la partie d'antenne située de l'autre côté de la coupure, - la figure 7 représente schématiquement les brins de l'antenne avec coupure intervenant dans la capacité série se trouvant entre les deux parties de l'antenne, et - la figure 8 représente le circuit série équivalent à l'antenne illustrée sur la figure 3.
L'antenne 10 qui est illustrée sur la figure 1 peut être utilisée comme antenne émettrice dans un système de communication sans contact où chaque utilisateur possède une carte (ou un ticket) disposant également d'une antenne. Des signaux électromagnétiques transmis par l'antenne d'un lecteur telle que l'antenne 10 sont captés par l'antenne de la carte de l'utilisateur et celle-ci retransmet vers l'antenne 10 d'autres signaux électromagnétiques contenant des données permettant l'accès à l'utilisateur d'une zone à accès contrôlé.
Comme expliqué précédemment, l'antenne 10 peut avoir des dimensions relativement importantes et comporter un nombre important de spires si on désire bénéficier d'un important volume de fonctionnement. L'antenne 10 pouvant être représentée par le circuit électronique de la figure 2, la capacité parallèle C entre les spires devient très importante par rapport à la self-induction L de l'antenne. Si û) est la
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Figure img00040001

pulsation utilisée (m=2f), l'impédance due à la capacité devient bien moins grande que l'inductance de l'antenne selon la formule
Figure img00040002

-- < L. m C. m
Figure img00040003

Au pire, l'antenne proprement dite est court-circuitée par la capacité inter-spires et il ne passe quasiment plus de courant dans l'antenne. Le champ magnétique émis étant proportionnel au courant circulant dans l'antenne, il est peu important et on aboutit alors au résultat inverse de celui qu'on voulait obtenir.
Pour pallier cet inconvénient, l'idée-mère de l'invention est d'effectuer une ou plusieurs coupures du brin d'antenne. Une coupure telle que la coupure 12 effectuée dans l'antenne illustrée sur la figure 3, est en fait une interruption franche du brin d'antenne de plusieurs mm et pouvant atteindre plusieurs cm.
Le circuit électronique équivalent à l'entenne comportant une coupure devient alors le circuit représenté sur la figure 4 où la partie située avant la coupure est équivalente à une inductance LI en parallèle avec la capacité inter-spires Cl, et la partie située après la coupure est équivalente à une inductance L2 en parallèle avec la capacité inte-spires C2, les deux parties étant relièes par une capacité série C3.
Les capacités Cl, C2 et C3 sont dues aux couplages capacitifs entre certains des brins de l'antenne tel qu'illustré sur les figures 5,6 et 7. Ainsi, la capacité parallèle Cl, est due au couplage capacitif entre les deux brins 14 et 14'et la capacité parallèle C2 est due au couplage capacitif entre les brins 16'et 16", les brins 18'et 18"et enfin les brins 20'et 20". Quant à la capacité série
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C3, elle est due au couplage capacitif entre les brins 16 et 16', les brins 18 et 18', les brins 20 et 20'et les brins 14' et 14".
Chaque coupure effectuée dans l'antenne permet donc d'obtenir de part et d'autre de la coupure des couples Li, Ci de plus faibles valeurs que le coupe L, C de l'antenne sans coupure. Donc à première vue, on pourrait penser que plus le nombre de coupures augmente, plus les couples L, C ont des valeurs faibles favorisant le courant dans les inductances. En fait, il est judicieux de prévoir un nombre de coupures correspondant à la résonance série de l'antenne, ce qui correspond au maximum de courant dans l'antenne et sur les spires. L'exemple de détermination du nombre de spires qui suit permettra de mieux comprendre l'invention.
Tout d'abord, il faut bien comprendre que les coupures réalisées dans l'antenne ont pour but de diminuer fortement les valeurs de L et de C pour chaque coupe L, C, se trouvant d'un côté ou de l'autre d'une coupure. Dans ce cas,
Figure img00050001

l'impédance due à la capacité est nettement supérieure à l'inductance, soit dans le cas de la simple coupure :
Figure img00050002

Llco < -LClco
Figure img00050003

Si col est la pulsation correspondant à la résonance de la cellule Ll, Cl on a :
Figure img00050004

0) 11= 1 et col > co =L1C1 "
Figure img00050005

Par conséquent cette cellule est équivalente à une inductance de valeur Lleq
Figure img00050006

Lleq= j. (ù
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Figure img00060001
Figure img00060002

donc on a bien Lleq > 0 car ro1 > ro
Figure img00060003

De la même façon, on a pour la cellule L2, C2,
Figure img00060004

C2 C2co
Figure img00060005

Si ù) 2 est la pulsation correspondant à la résonance de la cellule L2, C2, on a :
Figure img00060006

ro2L 1 L22
Figure img00060007

La cellule L2, C2 est équivalente à une inductance de valeur L2eq :
Figure img00060008

L2eq= L2 ou L2eq= L2 i-fYl [Lto2j
Figure img00060009

donc on a bien : L2eq > 0 car m2 > m
Figure img00060010

Par conséquent, lorsque la fréquence de résonance propre de chaque cellule est nettement supérieure à la fréquence du courant qui traverse l'antenne, le courant est plus important dans les spires que celui qui s'écoule par les capacités inter-spires. Plus cette fréquence de résonance propre de chaque cellule augmente, plus le courant augmente dans les spires. Ceci se produit lorsqu'on augmente le nombre de coupures.
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Figure img00070001
Cependant, un nombre de coupures trop important risque de rendre impossible l'accord de l'inductance équivalente de l'antenne avec la capacité de coupure équivalente de l'antenne.
Soit N coupures également réparties sur l'antenne, on peut alors supposer que l'antenne a été divisée en N+1 cellules identiques soit :
Figure img00070002

Leq1=Leq2=.... =Leq (N+l)
Figure img00070003

Si Cci est la capacité de coupure (ou capacité série) de la coupure i, on a alors N capacités de coupures identiques :
Figure img00070004

Ccl=Cc2=.... =CcN=Cc
Figure img00070005

Si C est la capacité inter-spires de chaque cellule et Cant la capacité inter-spires totale de l'antenne et en admettant en première approximation, que la capacité de coupure entre deux cellules est égale à la capacité interspires de chaque cellule soit Cc=C, on a :
Figure img00070006

Cc= Cant 2N+1
Figure img00070007

On peut donc admettre que le circuit électronique équivalent à l'antenne à N coupures également réparties est celui représenté sur la figure 8, avec :
Figure img00070008

Leq= (N+l) Leql Ceq=Cc N Cant N (2N+1)
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Figure img00080001

Si m2 est la pulsation correspondant à la résonance série de l'antenne représentée sur la figure 8, et si Lant est l'inductance totale de l'antenne on a :
Figure img00080002

Leq. Ceq. o=l (N+I). (2. ]- avec Leq= (N+l). Leql et Ceq= 1
Figure img00080003

Leql. Cant. cor ~ [ (2. N+I). N] (1) ,. Cant.. rJËM (1,
Figure img00080004

On a vu que Leql pouvait s'écrire :
Figure img00080005

L1 t-U'Cl. 2)
Figure img00080006
Figure img00080007

[Lant. (2. N+l)] (N+l (2. N+1)-Lant. Cant. mr
Figure img00080008

en utilisant la relation (1), N vérifie :
Figure img00080009

r [Lant (2. N+l)] J [ (2. N+l). NJ (N+1). (2. N+l)-Lant. Cant. (or\'' [ (N+l). Cant. or'
Figure img00080010

soit : N. (N+l). (2. N+l)-2. N. Lant. Cant. r2-Lant. Cant. r2=0
Figure img00080011

soit : N2+N- (LantCantror2) =0
Figure img00080012

Donc : N- 2 avec A= (l+4. Lant. Cant. r2)
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Figure img00090001
Figure img00090002

Ainsi, si on considère une antenne d'émission fonctionnant à 13, 56 MHz, on peut calculer le nombre de coupures à effectuer pour obtenir la résonance série de l'antenne, on trouve : N=3, 444.
On peut donc prendre N=3 ou N=4 coupures.
Avec N=3, ont peut calculer la proportion de courant passant dans les spires et de courant dissipé par la capacité inter-spires :
Figure img00090003

une capacité inter-spires de valeur Cl=---Cl= 1. 1017 x 10-l' 2. N+l
Figure img00090004

une inductance de valeur à la pulsation wr LI= Ll = 8. 64 x 10-6 R
Figure img00090005

le courant passant dans les spires est de : CLmrj 7f---LL. r1 (CI. cor) 1 IL = 0. 611 (soit 61% du courant total dans l'antenne)
Figure img00090006

le courant passant dans la capacité inter-spires est de IC (LI. ro) rr-i.. r1 LCl. or J IC= 0. 389 (soit 39% du courant total de l'antenne)

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Antenne d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques (10) du type comprenant un fil disposé en spirale dans un plan, ladite spirale comportant au moins deux spires ; ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une coupure (12) dans le but de diminuer la capacité inter-spires.
2. Antenne d'émission et/ou de réception (10) selon la revendication 1, dans laquelle le fil disposé en spirale a une longueur au moins égale au quart de la longueur d'onde desdites ondes électromagnétiques.
3. Antenne d'émission et/ou de réception selon la revendication 2 dans laquelle lesdites coupures sont également réparties de manière à former des portions égales dudit fil de part et d'autre de chaque coupure.
4. Antenne d'émission et/ou de réception selon la revendication 3, comportant trois coupures également réparties.
5. Application de l'antenne selon l'une des revendications
1 à 4, à l'antenne du lecteur dans un système de communication sans contact dans lequel un lecteur transmet des signaux électromagnétiques à un objet portable (carte ou ticket) de manière à pouvoir identifier le possesseur dudit objet portable lorsque ce dernier transmet en retour des signaux d'identification vers ledit lecteur.
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6. Application selon la revendication 5, dans laquelle ledit système de communication sans contact est un système d'accès à une zone à accès contrôlé, en particulier une zone d'accès à un réseau de transport public.
7. Application selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle lesdits signaux électromagnétiques ont une fréquence de
13,56 MHz.
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