FR2991799A1 - Adaptation d'un circuit d'antenne pour terminal de communication en champ proche - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'adaptation d'un circuit d'antenne comprenant au moins un premier élément capacitif (C1) et un élément inductif (L1) en série, et au moins un deuxième élément capacitif (C2) dont une première électrode (B) est connectée entre le premier élément capacitif et l'élément inductif, dans lequel une information représentative du potentiel de ladite première électrode est appliquée sur la deuxième électrode (C) de ce deuxième élément capacitif.

Description

B11758 - 12-R000-0275 1 ADAPTATION D'UN CIRCUIT D'ANTENNE POUR TERMINAL DE COMMUNICATION EN CHAMP PROCHE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les communications radiofréquence et, plus particulièrement, les communications en champ proche basées sur un couplage électromagnétique à faible distance entre un terminal et un transpondeur. La présente invention concerne plus précisément l'adaptation en fréquence d'un circuit oscillant d'un terminal. Exposé de l'art antérieur Les systèmes à transpondeurs électromagnétiques utilisés dans les communications en champ proche sont désormais bien connus. On les trouve, par exemple, dans des dispositifs portables (téléphones intelligents ou Smartphones, tablettes tactiles, etc...) qui sont équipés de dispositifs de communication en champ proche (NFC - Near Field Communication). Le fonctionnement de tels systèmes est basé sur l'émission d'un rayonnement radiofréquence par un terminal ou lecteur pour communiquer, et le cas échéant téléalimenter, un transpondeur présent dans le champ du terminal. Le terminal et le transpondeur sont chacun équipés d'un circuit oscillant (antenne plus élément capacitif) et sont généralement accordés sur une même fréquence (typiquement 13,56 MHz pour la norme NFC).

B11758 - 12-R000-0275 2 Une difficulté réside dans le fait que les composants utilisés pour former les circuits oscillants subissent des dérives non seulement liées à des tolérances de fabrication mais également à des variations de température.

Ce problème est particulièrement sensible pour les terminaux qui doivent générer le champ électromagnétique. En effet, la technologie des circuits intégrés limite à quelques volts l'excursion de tension susceptible d'être fournie. Pour générer une tension supérieure, il faudrait passer à l'utili- sation de composants monolithiques de puissance, ce qui n'est pas souhaitable. Une conséquence est que la résonnance doit être générée à l'extérieur du circuit intégré pour pouvoir atteindre une excursion de quelques dizaines de volts (typiquement de l'ordre de 30 volts). Il en découle que les éléments capacitifs ne peuvent pas être intégrés. Or, avec des composants discrets, les dispersions atteignent généralement de l'ordre de 10% et au mieux de l'ordre de 5%. De telles tolérances se reportent sur la fréquence de résonnance. Aujourd'hui, les terminaux sont le plus souvent réalisés avec des éléments capacitifs ajustables. Le réglage de l'élément capacitif est effectué lors d'une opération de test ou de maintenance. Toutefois, cela ne permet pas de compenser d'éventuelles dérives en fonctionnement liées, par exemple, à des variations de température.

Un désaccord entre les circuits oscillants du transpondeur et du terminal est particulièrement important dans la mesure où l'accord conditionne la qualité de la transmission et notamment la distance à laquelle un transpondeur doit se trouver d'un terminal pour qu'une communication puisse s'opérer.

Résumé Un mode de réalisation de la présente invention vise à proposer un circuit d'adaptation d'antenne pour un terminal de génération d'un champ électromagnétique.

B11758 - 12-R000-0275 3 Un autre mode de réalisation de la présente invention vise à proposer une adaptation ne modifiant pas l'élément inductif de l'antenne. Un autre mode de réalisation de la présente invention 5 vise à proposer une solution s'adaptant automatiquement aux dérives en fonctionnement. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, on prévoit un procédé d'adaptation d'un circuit d'antenne comprenant au moins un premier élément capacitif et un 10 élément inductif en série, et au moins un deuxième élément capacitif dont une première électrode est connectée entre le premier élément capacitif et l'élément inductif, dans lequel une information représentative du potentiel de ladite première électrode est appliquée sur la deuxième électrode de ce deuxième 15 élément capacitif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une image du signal présent sur ladite première électrode est appliquée sur ladite deuxième électrode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 ladite information est en phase avec le signal présent sur la première électrode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite information est une tension proportionnelle à la tension présente sur la première électrode. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé est adapté à un circuit d'antenne comportant deux premiers éléments capacitifs et deux deuxièmes éléments capacitifs, les deux premiers éléments capacitifs étant en série avec l'élément inductif et chaque deuxième élément capacitif 30 ayant une première électrode connectée entre l'élément inductif et l'un des premiers éléments capacitifs, et une information représentative du potentiel de chaque première électrode étant appliquée sur des deuxièmes électrodes respectives des deuxièmes éléments capacitifs.

B11758 - 12-R000-0275 4 On prévoit également un circuit d'antenne pour terminal de génération d'un champ électromagnétique adapté à la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 le circuit comporte un pont diviseur résistif entre ladite ou chaque première électrode et la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le point milieu dudit pont diviseur résistif est relié, par l'intermédiaire d'un amplificateur, à ladite ou chaque deuxième 10 électrode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le point milieu du pont diviseur résistif est appliqué sur une première borne d'une porte logique de type Ou-Exclusif dont une seconde borne reçoit une information représentative du signal 15 appliqué au circuit d'antenne et dont la sortie fournit une information relative au déphasage entre les deux électrodes du premier élément capacitif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite information relative au déphasage est convertie en une 20 tension appliquée sur ladite ou chaque deuxième électrode. On prévoit en outre un terminal de génération d'un champ électromagnétique comportant un circuit d'antenne tel que ci-dessus. Brève description des dessins 25 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente, de façon très schématique, un 30 exemple de système de communication à transpondeur électromagnétique ; la figure 2 est une représentation schématique d'un terminal équipé d'un circuit d'antenne usuel ; la figure 3 est un schéma électrique d'un mode de 35 réalisation du circuit d'antenne ; B11758 - 12-R000-0275 les figures 4A, 4B et 4C illustrent, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du circuit de la figure 3 ; la figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un circuit d'adaptation d'antenne ; et 5 la figure 6 représente un autre mode de réalisation adapté à une émission différentielle. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures dont les chronogrammes ont été tracés sans respect d'échelle. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, les communications entre un terminal et un transpondeur électromagnétique n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les transmissions habituelles. De plus, la réalisation pratique des éléments inductifs des antennes n'a pas non plus été détaillée, les modes de réalisation décrits étant là encore compatibles avec les terminaux habituels.

La figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple de système de transmission en champ proche. Un terminal 1 de génération d'un champ électromagnétique destiné à des communications en champ proche peut être constitué par un dispositif fixe 1, par exemple un lecteur ou valideur de titre de transport, une borne de contrôle d'accès, etc. Il peut également s'agir d'un dispositif mobile équipé d'un dispositif de génération d'un champ électromagnétique. Un transpondeur électromagnétique susceptible de 30 communiquer avec le terminal 1 est, par exemple, un dispositif 2 de type téléphone intelligent ou Smartphone, tablette tactile, etc., ou une carte à puce sans contact 3. De plus en plus souvent, des dispositifs portables 2 de type Smartphone sont susceptibles de fonctionner à la manière 35 d'un transpondeur (mode carte) et communiquer avec un terminal, B11758 - 12-R000-0275 6 ou à la manière d'un terminal (mode lecteur) et communiquer avec une carte sans contact 3 ou avec un autre Smartphone. Il ne s'agit là que d'exemples et les modes de réalisation qui vont être décrits s'appliquent plus généralement 5 à tout type de terminal. Le fonctionnement des systèmes de communication en champ proche est connu et ne sera pas détaillé plus avant. La figure 2 est un schéma électrique simplifié d'un terminal usuel de génération d'un champ électromagnétique par 10 exemple du type de la borne 1 de la figure 1. Un ou plusieurs circuits intégrés 12 intègrent des circuits électroniques (symbolisés par un bloc 14) de génération des signaux à émettre et de traitement des signaux reçus. Pour une transmission, un signal S à transmettre est envoyé par le circuit 14 à un 15 amplificateur 16 dont une sortie attaque un circuit d'antenne 20 externe au circuit intégré 12. Le circuit d'antenne 20 constitue un circuit oscillant formé d'un premier élément capacitif Cl en série avec un élément inductif Li entre la sortie d'amplificateur 16 et la masse, et d'un second élément capacitif C2 en 20 parallèle sur l'élément inductif Li. L'élément inductif Li est l'antenne du dispositif (le plus souvent un enroulement conducteur) et son extrémité libre est, dans l'exemple de la figure 2, connectée à la masse. Dans une réalisation différentielle, l'antenne Li (et le condensateur C2) relie deux 25 éléments capacitif Cl respectivement affectés à chacune des voies. Lorsque le circuit d'antenne est accordé, l'amplitude du signal dans l'antenne (point B) est maximale. La télé-alimentation à destination des transpondeurs est maximale et la 30 différence de phase entre les points A (sortie de l'amplificateur 16) et B est de 900. Ce déphasage est apporté par les éléments capacitifs Cl et C2. Les éléments capacitifs Cl et C2 ont des valeurs de plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de picofarads. Ces 35 valeurs sont susceptibles de varier d'un terminal à un autre B11758 - 12-R000-0275 7 suite à des dispersions de fabrication et, pour un même terminal, en cours de fonctionnement, par exemple sous l'influence de la température. En cours de fonctionnement, il peut également se 5 produire que la valeur de l'inductance soit modifiée par des facteurs environnementaux, ce qui provoque là encore un désaccord du circuit d'antenne. A ce jour, les adaptations possibles de la valeur capacitive du circuit d'antenne sont effectuées en utilisant une 10 capacité C2 variable. Cela permet, lors de tests en fin de fabrication, d'ajuster la résonnance du circuit d'antenne. Toutefois, une telle capacité variable n'est pas intégrable. De plus, un ajustement de la valeur du condensateur en fin de fabrication ne résout pas le problème des dérives en cours de 15 fonctionnement. La figure 3 est une représentation d'un mode de réalisation d'un circuit d'antenne 4. Selon ce mode de réalisation, l'électrode de l'élément capacitif C2, opposée au point B, n'est pas connectée à la masse 20 mais est connectée à une borne C dont un circuit 5 fixe un niveau de tension. Le rôle du circuit 5 est de faire varier le potentiel du point C en fonction des variations de potentiel au point B. En d'autres termes, la tension appliquée au point C est variable (en pratique à la fréquence du signal dans l'antenne), 25 image du potentiel au point B. De préférence, le signal appliqué au point C est en phase avec le signal au point B. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 3, le circuit 5 comporte un amplificateur différentiel 52 monté en suiveur dont la borne de sortie est connectée au point C et dont 30 une entrée non inverseuse (+) est connectée au point milieu 54 d'un pont diviseur résistif comprenant deux résistances 56 et 58 en série entre le point B et la masse. La borne inverseuse (-) de l'amplificateur 52 est connectée à sa sortie. Le rôle du pont résistif 56, 58 est d'atténuer 35 l'excursion de tension au niveau de l'amplificateur 52. En B11758 - 12-R000-0275 8 effet, la variation de potentiel au point B peut atteindre plusieurs dizaines de volts, ce qui est trop pour l'amplificateur 52. En fait, le circuit 5 recopie au point C, en l'atténuant, le signal présent au point B. Cela permet de compenser automatiquement un éventuel défaut d'adaptation du circuit d'antenne qui se traduit par un déphasage différent de 90 degrés entre les points A et B, que l'origine de ce défaut d'adaptation provienne de l'élément inductif Li ou des éléments capacitifs Cl et C2. La résistance 58 est, de préférence, une résistance variable comme on le verra par la suite. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent le fonctionnement du circuit d'antenne de la figure 3. Ces figures représentent respectivement des exemples d'allures de signaux aux points A, B et C. Le signal au point A (figure 4A), correspond, par exemple, à un signal alternatif à la fréquence de 13,56 MHz généré par les circuits du terminal. Pour simplifier la représentation, on suppose que ce signal n'est pas modulé en amplitude.

En l'absence de correction (partie gauche des figures), le potentiel du point C est à la masse (0 volt) et on assiste alors à un déphasage y entre les signaux présents aux points A et B (sur l'antenne). En supposant un désaccord, ce déphasage y est différent de 90 degrés.

En partie droite de la figure 4C, le signal au point C est une copie du signal au point B, atténué par le pont diviseur 56 et 58. Il en découle une compensation du déphasage. Le déphasage entre les signaux aux points A et B devient alors de 90 degrés.

Dans un mode de réalisation simplifié, la correction opérée par le circuit de la figure 3 suffit. Toujours dans un mode de réalisation simplifié, la valeur de la résistance variable 58 est choisie pour, lors des essais, obtenir le bon déphasage avec le signal à la fréquence 35 de travail du système (dans l'exemple 13,56 MHz). Cela permet, B11758 - 12-R000-0275 9 entre autres, de compenser le léger déphasage introduit par le retard apporté par l'amplificateur 52 dans la propagation des signaux. Dans un mode de réalisation simplifié, ce déphasage 5 est négligé et l'utilisation de résistances apporte déjà une amélioration car les résistances ajustables peuvent être intégrées. En pratique, on se trouve en présence d'autres sources de déphasage, par exemple, provenant d'une dérive des éléments 10 capacitifs ou d'une perturbation environnementale de l'antenne. De préférence, la valeur de la résistance 58 est alors adaptée en cours de fonctionnement. Cette adaptation s'effectue alors de préférence régulièrement, dans une phase d'étalonnage, déclenchée automatiquement (par exemple périodiquement) ou par 15 un opérateur. Le signal de commande de cette résistance variable provient préférentiellement d'une mesure du déphasage entre les points A et B convertie, par le circuit 14, en en signal CTRL de commande de la valeur de la résistance variable 58 (par exemple, 20 un niveau de tension). Divers moyens de réaliser une résistance variable intégrée sont envisageables (transistor MOS, par exemple), ainsi que pour mesurer le déphasage entre les points A et B. La figure 5 représente partiellement un circuit 25 d'adaptation 5N selon un autre mode de réalisation. On prévoit de générer le potentiel à appliquer au point C au moyen d'un amplificateur différentiel à gain réglable 51, monté en suiveur, dont la sortie est reliée au point C et qui exploite une information liée au déphasage entre les points 30 A et B. Par exemple, un circuit de mesure de ce déphasage est constitué d'une porte logique 53 de type Ou-Exclusif (XOR) dont une première entrée est connectée directement au point A et dont une seconde entrée est connectée au point milieu 55 d'un pont diviseur résistif constitué de deux résistances 57 et 59 de 35 valeur fixe en série entre le point B et la masse. La sortie de B11758 - 12-R000-0275 10 la porte 53 est envoyée au circuit 14 et donne une information sur la valeur du déphasage. Le circuit fournit alors une consigne de gain à l'amplificateur 51 en fonction de ce déphasage. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur 51 est reliée au point milieu 55 et sa sortie est rebouclée sur son entrée inverseuse. La consigne de gain peut, le cas échéant (en fonction de la nature de l'amplificateur) être une consigne numérique. La figure 6 représente, de façon schématique, un autre mode de réalisation adapté à un émetteur différentiel. Par rapport au mode de réalisation de la figure 3, une deuxième voie constituée d'un amplificateur 16' et d'un élément capacitif Cl' en série relie le circuit 14' à l'extrémité B' de l'antenne Li, opposée à son extrémité B. Un second élément capacitif C2' relie le point B' à la sortie d'un circuit 5' similaire au circuit 5. Le fonctionnement du mode de réalisation différentiel se déduit du fonctionnement exposé en relation avec les modes de réalisation de mode commun. La variante numérique de la figure 5 peut également s'appliquer au mode différentiel en mesurant le déphasage entre les points A' et B'. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'il est désormais possible de réaliser un circuit d'antenne auto-adaptatif de façon particulièrement simple. En particulier, ce circuit peut désormais être intégré et ne nécessite aucun élément capacitif de valeur variable. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des outils et composants de même usuels. Parmi les variantes envisageables, on peut prévoir de remplacer les pont résistifs par des ponts diviseurs capacitifs. Par ailleurs, la correction apportée au point C pourra être inversée, c'est-à-dire négative au lieu de positive (cela revient à inverser l'allure de la B11758 - 12-R000-0275 11 partie droite de la figure 4C). En outre, le dimensionnement des composants est à la portée de l'homme du métier en fonction de l'application et notamment de la fréquence de fonctionnement du système.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'adaptation d'un circuit d'antenne comprenant au moins un premier élément capacitif (Cl) et un élément inductif (L1) en série, et au moins un deuxième élément capacitif (C2) dont une première électrode (B) est connectée entre le premier élément capacitif et l'élément inductif, dans lequel une information représentative du potentiel de ladite première électrode est appliquée sur la deuxième électrode (C) de ce deuxième élément capacitif.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une 10 image du signal présent sur ladite première électrode (B) est appliquée sur ladite deuxième électrode (C).
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite information est en phase avec le signal présent sur la première électrode (B). 15
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite information est une tension proportionnelle à la tension présente sur la première électrode (B).
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 4, adapté à un circuit d'antenne comportant deux premiers éléments capacitifs (Cl, Cl') et deux deuxièmes éléments capacitifs (C2, C2'), les deux premiers éléments capacitifs étant en série avec l'élément inductif (L1) et chaque deuxième élément capacitif ayant une première électrode (B, B') connectée 25 entre l'élément inductif et l'un des premiers éléments capacitifs, dans lequel une information représentative du potentiel de chaque première électrode est appliquée sur des deuxièmes électrodes respectives (C, C') des deuxièmes éléments capacitifs. 30
6. 6. Circuit d'antenne pour terminal de génération d'un champ électromagnétique adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.B11758 - 12-R000-0275 13
7. 7. Circuit selon la revendication 6, comportant un pont diviseur résistif (56, 58 ; 57, 59) entre ladite ou chaque première électrode (B, B') et la masse.
8. 8. Circuit selon la revendication 7, dans lequel le 5 point milieu (54) dudit pont diviseur résistif (56, 58) est relié, par l'intermédiaire d'un amplificateur (52), à ladite ou chaque deuxième électrode (C, C').
9. 9. Circuit selon la revendication 8, dans lequel le point milieu (55) du pont diviseur résistif (57, 59) est 10 appliqué sur une première borne d'une porte logique (53) de type Ou-Exclusif dont une seconde borne reçoit une information représentative du signal appliqué au circuit d'antenne et dont la sortie fournit une information relative au déphasage entre les deux électrodes (.A., B ; A', B') du premier élément capacitif 15 (Cl, Cl').
10. 10. Circuit selon la revendication 9, dans lequel ladite information relative au déphasage est convertie en une tension appliquée sur ladite ou chaque deuxième électrode (C, C'). 20
11. 11. Terminal de génération d'un champ électromagnétique comportant un circuit d'antenne conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 10.