WO1998019361A1

WO1998019361A1 - Antenne de champ magnetique blindee en circuit imprime

Info

Publication number: WO1998019361A1
Application number: PCT/FR1997/001925
Authority: WO
Inventors: Patricia Lamata D'angelo; Yves Le Nevez; Pierre André COLLET; Philippe Porte
Original assignee: Gemplus S.C.A.
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1998-05-07
Also published as: EP0934610A1; CA2270197A1; US6215455B1; FR2755303A1; JP2001502832A

Abstract

La présente invention concerne une antenne de champ magnétique blindée comportant au moins une spire d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique disposé autour dudit élément. La spire (3a) est réalisée en circuit imprimé sur une carte en matériau isolant (4a). Le blindage est constitué d'une part, de deux anneaux ouverts (5a, 6a), réalisés en circuit imprimé et disposés respectivement sur une carte inférieure (9a) et une carte supérieure (10a) en matériau isolant, lesdites cartes étant assemblées en enserrant la spire et, d'autre part, d'une pluralité de vias métalliques (7a, 8a) reliant les bords des deux anneaux à travers lesdites cartes, lesdits vias étant répartis de part et d'autre de la spire.

Description

Antenne de champ magnétique blindée en circuit im primé.

La présente invention concerne une antenne de cham p magnétique blindée du type com portant au moins une spire d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique disposé autour dudit élément.

Elle concerne en particulier une antenne destinée à être utilisée en association avec un lecteur de cartes à puce du type sans contact.

On connaît notamment deux sortes d'antennes du type ci-dessus. L'une, appelée com m unément câble coaxial , est flexible, le blindage étant constitué d'une tresse métallique disposée autour d'un fil conducteur gainé de plastique; l'autre comprend un blindage constitué d'un tube rigide métallique par exem ple en cuivre disposé autour d'un fil conducteur également gainé de plastique

La réalisation de ces antennes a l' inconvénient de nécessiter des opérations manuelles, coûteuses et non reproductibles de façon fidèle telles qu' une opération de découpe du fil coaxial ou du tube en cuivre à la bonne longueur, de découpe du blindage au m ilieu de la boucle à l'opposé de l'emplacement d'une connexion de raccordement à un appareil, puis des opérations de soudage de l'antenne à un connecteur et à un système d'accord en fréquence.

En outre, du fait de leur conception et des opérations manuelles qu'elles requièrent , il a été constaté que de telles antennes présentaient des disparités de caractéristiques magnétiques entre elles. Les inventeurs en ont déduit qu'elles n'étaient pas suffisamment reproductibles géométriquement. Des disparités de caractéristiques peuvent également exister dans une antenne lorsque celle-ci est soum ise à des chocs ou vibrations mécaniques qui la font évoluer géométriquement. Ces disparités ont pour conséquence dans le prem ier cas de rendre inadapté un système d'accord en fréquence à réglage très fin prévu pour équiper une série d'antennes.

Dans l'autre cas, ces disparités ont pour conséquence de dérégler l'antenne par rapport à un ajustage en fréquence effectué pendant la fabrication ou après celle-ci à l'aide du système d'accord en fréquence associé.

Ce type d'antenne utilisé en environnement métallique nécessite d'associer un élément en ferrite et un écran métallique disposé en dessous de manière à lui assurer une immunité à rencontre des perturbations de cham p magnétique environnantes.

En raison de sa fragilité, l'élément céram ique doit être protégé des vibrations et des chocs pouvant se produire contre l'antenne ou l'écran. Il est donc nécessaire d'assurer un assemblage de l'ensemble qui protège l'élément cassant.

Actuellement, l'antenne et l'élément en céram ique sont noyés dans de la résine. Cela a l'inconvénient d'être peu commode et coûteux à mettre en oeuvre. En outre, l'antenne obtenue n'est pas reproductible géométriquement. La présente invention vise à pallier les inconvénients exposés ci-dessus.

L' invention a donc pour objectif de concevoir une antenne reproductible, stable géométriquement et à faible coût. L'invention a également pour objectif de concevoir une antenne apte à être utilisée dans un environnement métallique qui soit insensible aux vibrations et aux chocs et dont la conception permette une fabrication aisée, reproductible et économ ique.

A cet effet, selon un mode de réalisation préféré, l'invention a pour objet une antenne de cham p magnétique blindée comportant au moins une spire d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique disposé autour dudit élément.

Elle est caractérisée en ce que la spire est réalisée en circuit imprimé sur une carte en matériau isolant, telle une carte de circuit imprimé et en ce que ledit blindage est constitué d'une part, de deux anneaux ouverts, réalisés en circuit im primé, et disposés respectivement sur une carte inférieure et une carte supérieure en matériau isolant, lesdites cartes étant assemblées en enserrant la spire, et d'autre part, d'une pluralité de vias métalliques répartis de part et autre de la spire, lesdits vias reliant les bords des deux anneaux à travers lesdites cartes. Ces vias sont de préférence répartis uniformément. Grâce à une telle conception, l'antenne est très rigide, donc très stable géométriquement comparativement aux antennes de l'art antérieur.

Selon un autre mode de réalisation, pour une raison de d'efficacité aux basses fréquences ledit blindage est constitué d'une part, de deux anneaux ouverts, réalisés en circuit imprimé, et disposés respectivement sur un support annulaire inférieur et un support annulaire supérieur en matériau isolant, lesdits supports enserrant la spire, et d'autre part, de deux films métalliques reliant les bords des deux anneaux de part et d'autre de la spire, lesdits films étant déposés sur les tranches du support annulaire. Grâce aux caractéristiques des deux modes de réalisation ci-dessus, l'antenne peut être fabriquée à l'échelle industrielle par la technique du circuit imprimé Cette technique parfaitement maîtrisée permet d'assurer une bonne reproductibilité de ses caractéristiques géométriques Cela peut se faire à moindre coût puisque la fabrication fait appel à des outils de production généralement standardisés et automatisés

En outre, cette conception permet de changer le format de l'antenne très facilement puisque la plupart des opérations sont automatisées

L'invention a également pour objet un dispositif à antenne de champ magnétique com portant une antenne à circuit im primé selon l' invention, une couche de ferrite, un écran métallique, deux feuillets souples disposés respectivement entre l'antenne et la couche de ferrite d'une part, et entre la couche de ferrite et l'écran métallique d'autre part Ces feuillets peuvent com porter un adhésif sur leur faces pour faciliter l'assemblage La conception de ce dispositif par assemblage de couches diverses a l'avantage d'adapter l'antenne très facilement à un environnement métallique soum is à des vibrations ou des chocs mécaniques.

Selon d'autres caractéristiques préférées, le dispositif peut comporter des moyens de serrage pour assembler et serrer ensemble, la couche de ferrite, les feuillets souples et l'écran métallique

Grâce à ces dispositions, on peut assembler facilement les éléments entre eux, les démonter éventuellement et contrôler la distance les séparant Selon d'autres caractéristiques préférées, le dispositif comporte des moyens pour maintenir la ferrite à distance de l'antenne et maintenir l'écran à distance de la ferrite.

Grâce à ces dispositions, on assure également la reproductibilité des paramètres géométriques du dispositif.

D'autres caractéristiques et avantages de l' invention ressortiront de la description qui suit, faite uniquement à titre d'exem ple nullement lim itatif, en se référant aux dessins ci- annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une antenne conforme à un prem ier mode de réalisation;

- la figure 2 représente une antenne conforme à un autre mode de réalisation;

- la figure 3 est une coupe transversale de l'antenne de la figure 1 selon A-A, illustrant sa section;

- la figure 4 est une coupe transversale de l'antenne conforme à la figure 3, celle-ci étant en cours d'assem blage;

- la figure 5 est une coupe transversale de l' antenne de la figure 2 selon B-B , i llustrant sa section ; - la figure 6 est une coupe transversale de l' antenne conforme à la figure 5, celle-ci étant en cours d'assemblage;

- la figure 7 représente des cartes de circuit im primé utilisées pour la réalisation de l'antenne avec em placement d'un circuit complémentaire; - la figure 8 représente les constituants de l'antenne de la figure 2;

- la figure 9 représente une vue de dessus détaillée de l'antenne conforme à la figure 2.

- la figure 10 représente une vue décom posée illustrant l'assemblage des différents constituants du dispositif à antenne conforme à l' invention. Aux figures 1 et 2, on voit respectivement un prem ier et un second mode de réalisation d'une antenne conforme à l' invention. On va décrire d'abord le prem ier mode à l'appui des figures 1 , 3 et 4. Selon un prem ier mode, l'antenne présente une forme générale en boucle et com porte une section A-A rectangulaire.

Cette section contribue à renforcer sa stabilité géométrique.

De préférence la boucle est circulaire comme dans l'exemple. Conformément à l'invention, l'antenne de champ magnétique blindée comporte au moins une spire 3b d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique 5b, 6b,

7b, 8b disposé autour dudit élément.

Dans l'exemple, l'antenne com porte un seul élément 3b plat et m ince en cuivre, disposé au centre d'une structure tubulaire de section rectangulaire 5b, 6b, 7b, 8b. L'élément 3b est pris en sandwich entre deux anneaux 9b, 12b en matériau isolant de section rectangulaire 1 0b, 9b de préférence de même épaisseur. En l'occurrence, le matériau isolant est du verre époxy. De part et d'autre de l'élément 3b, entre les deux anneaux 9b, 12b on peut trouver un autre isolant tel de l'air, ou un adhésif assemblant les deux anneaux.

Selon une variante un des deux anneaux 12b est constitué de deux anneaux 4b et 10b reliés ensemble (fig.4), par exemple par collage.

Le blindage tubulaire quant à lui, est constitué d'un film m ince métallique, par exemple un film de cuivre de 35 μm .

A la figure 1 , on voit que l'anneau du blindage est ouvert.

Il présente une discontinuité 17b formant un entrefer nécessaire au bon fonctionnement de l'antenne conformément à un enseignement connu, ledit entrefer étant disposé à l'opposé des points de connexion 14b de l'antenne de sorte que les branches du blindage ont rigoureusement la même longueur

Aux figures 3 et 4, on voit que l'antenne comporte au moins deux supports isolants annulaires un prem ier support supérieur 4b comportant la spire 3b sur une de ses faces parallèles, une portion 6b du blindage étant sur l'autre face, et un deuxième support inférieur 9b com portant uniquement une portion 5b du blindage Une fois les deux supports annulaires assem blés par exemple par collage, leur tranche 1 1 reçoit une métallisation 7b, 8b qui relie les portions 6b, et 8b de chaque côté de l'élément La métallisation peut être effectuée par tout procédé de dépôt de couche m ince par exem ple par pulvérisation ou dépôt chim ique

Ces éléments métalliques et les supports sont avantageusement des éléments de circuit im primés En conséquence, on com prend que la réalisation du blindage mette en oeuvre la technique de fabrication des circuits imprimés

Selon une variante, seule la spire 3b est réalisée dans un premier temps, les films métalliques 5b à 8b étant réalisés ensemble dans un deuxième temps, par exemple par pulvérisation On va décrire maintenant un autre mode de réalisation préféré à l'appui des figures 2, 5, 6

Selon ce mode, l'antenne 1 présente une forme générale continue et en bloc ce qui lui assure une très bonne stabilité géométrique Elle est constituée de plusieurs cartes en matériau isolant, trois à la figure 2 ou deux de préférence aux figures 5 et 6.

De la même manière que précédem ment, elle com porte une spire d'un élément métallique 3a et un blindage tubulaire métallique 5a, 6a, 7a, 8a disposé autour dudit élément.

La spire est identique à la spire de l'exemple précédent. Par contre, il y a des différences dans le support et les parois latérales du blindage. Les supports sont des cartes continues tandis que les parois latérales sont constituées, d'une pluralité de vias métalliques 7a et 8a reliant les deux anneaux 5a et 6a.

Ces vias ou traverses sont répartis de part et d'autre de la spire 3a le long de celle-ci (figure 9). De préférence, ces vias sont espacés d'une distance la plus petite possible de manière à être efficaces aux basses fréquences. Dans l'exem ple, cette distance est égale à 2, 5 mm , le diamètre des vias étant de 0, 5 m m ; cette distance confère à l'antenne un bon rapport efficacité/solidité dans cet exem ple, qui est relatif à la lecture de cartes à puce sans coπctact. Les vias traversent les cartes 9a, 12a et relient électriquement les bords latéraux des anneaux métalliques du blindage.

Comme précédemment, on peut réaliser la carte 12a portant la spire à partir de deux cartes distinctes 4a, 1 0a (figure 6) assemblées par collage ultérieurement ou bien à partir d'une seule carte 12a, tandis que l'autre carte 9a porte uniquement une portion inférieure du blindage 5a.

Comme précédemment, on voit à la figure 6, selon un mode de réalisation préféré, que l'on réalise d'abord la spire 3a et l'anneau 6a sur une même carte en circuit im primé 12a, tandis que l'on réalise l'autre anneau également en circuit imprimé sur une autre carte.

Ces cartes 9a et 12a sont ensuite assemblées par exemple par collage. Dans une dernière opération, on vient percer des orifices tout le long des bords latéraux des anneaux métalliques dans lesquels l'on réalise des vias 7a, 8a comme ceux employées couram ment dans la réalisation des circuits im primés. Ces vias peuvent être rem placés par toute sorte d'élément métallique allongé assurant la même fonction de liaison électrique, par exemples des rivets creux ou pleins.

Avantageusement, la pluralité de vias constitue une paroi ajourée du blindage au même titre qu'une tresse d'un coaxial; elle assure donc une fonction sim ilaire. Par la rigidité et la stabilité géométrique des cartes de circuit imprimé on obtient une antenne particulièrement stable et reproductible.

Avantageusement, on réalise l'em placement 14a de la connexion ainsi que l'emplacement du circuit d'accord 1 3a sur le même support que celui de l'antenne.

La figure 7, illustre les métallisations réalisées sur trois cartes 10a, 4a et 9a en circuit im primé. Au moins trois métallisations sont nécessaires: une métallisation pour l'anneau supérieur du blindage 6a et pour des éléments de circuit complémentaires 1 3a tels que l'em placement d'un circuit d'accord 14a et d'un connecteur 15a, une autre métallisation 3a pour la spire, et une dernière pour l'anneau 6a et les éléments de circuit complémentaires 1 3a ci-dessus.

Ainsi, il est possible de créer l'antenne et ses éléments de circuit électrique com plémentaires en trois opérations d'impression. Il suffit, par la suite de venir assembler les trois cartes réalisées séparément, de placer les vias sur la carte de manière automatisée, puis le connecteur et les composants du circuit d'accord comportant au moins une capacité variable à ajustage très fin. La carte peut com porter des orifices 16a permettant d' introduire ultérieurement des inserts métalliques tels des entretoises.

Grâce à la m ise en oeuvre d'un procédé de fabrication largement répandue, il est possible de produire à échelle industrielle facilement et rapidement un telle antenne. En outre, il est également facile de changer de format selon les applications envisagées.

La figure 8 illustre les trois cartes de circuit imprimé 4a,

9a, 1 0a obtenues ici sans l'em placem ent du circuit d'accord. Par contre, elles com portent respectivement un anneau 5a avec un em placement 14a pour recevoir un connecteur, une spire 3a, et un anneau 6a avec un autre em placement 14a,

Sur la figure 9, on voit que les vias 7a, 8a sont répartis le long des bords de l'anneau et que celui-ci comporte un entrefer 17a, disposé diamétralement opposé aux points de connexion 14a.

A la figure 10, un dispositif à antenne 30 à champ magnétique com porte une antenne à circuit imprimé 2. Dans l'exemple, il s'agit de l'antenne conforme à l' invention . Sur cette figure l'antenne est équipée de son circuit d'accord 23 et d'un connecteur 24.

Le dispositif 30 com porte également un blindage à I 'aide d'un matériau apte à canaliser les ondes électromagnétiques tel que par exemple une plaque de ferrite 18 constituée d'un ensem ble de barreaux de ferrite plats 1 9 disposés l'un contre l'autre et un écran aux ondes électromagnétiques tel qu'une plaque d'acier 20.

L'ensem ble ferrite et l'écran sont disposés successivement en dessous de l'antenne 2 sur la figure 1 0, ils doivent être intercalés entre l'antenne et l'environnement métallique. Une telle disposition permet d' isoler l'antenne d'un environnement métallique qui pourrait la perturber.

Selon l'invention, l'ensemble ferrite 1 8 est isolé de l'antenne 2 de l' invention à l'aide d'un feuillet 21 d'un matériau compressible amagnetique apte à amortir les vibrations mécaniques ou les chocs. Le même m atériau, sous forme d'un feuillet ou d'une couche 22, est disposé entre l'écran 20 et l'ensem ble ferrite. Le matériau peut être com pact tel du caoutchouc ou en mousse à base de Néoprène. Dans l'exemple, on a utilisé des feuillets en mousse

Néoprène comportant avantageusement des faces adhésives de manière à faciliter le montage.

Ainsi, il est possible d'assem bler différents éléments cassants tels que la ferrite ou de la céram ique avec un élément de circuit imprimé tel que l'antenne 2 de l' invention.

Le dispositif à antenne 30 peut comporter également des moyens d'ajustage en distance 25 permettant de maîtriser plus précisément les distances entre les différentes couches constituées par l'antenne en circuit imprimé, la ferrite et l'écran. Elle peut également com porter des moyens de serrage 26, 27 permettant de contrôler l'amortissement et le serrage des couches entre elles.

Dans l'exem ple, le dispositif à antenne 30 comporte des briquettes entretoises 25 en un m atériau plus dense que la mousse par exem ple dix fois plus dense et donc dix fois moins com pressible sous la même pression, celui-ci étant disposé latéralement entre l'écran d'acier 20 et le circuit im primé 2 de manière à maintenir une distance sensiblement constante entre eux. Les briquettes 25 peuvent comporter des orifices pour permettre le passage des moyens de serrage ci-après. Le dispositif à antenne comporte de préférence des moyens d'assemblage et de serrage constitués dans l'exemple par quatre vis 26 et écrous correspondants 27 disposés aux quatre angles de l'antenne 2, les écrous étant fixés solidairement sur l'écran. En variante, on peut utiliser des douilles 27 qui ont la fonction d'écrou et d'entretoise. Ainsi en serrant les vis complètement on a toujours le même écartement et la même com pression des feuillets. L'antenne 2 peut comporter également des inserts métalliques annulaires 28 qui servent à la fois de rondelle pour les vis 26 et qui ont une fonction d'entretoise pour la carte de circuit im primé.

Le cas échéant, l'antenne peut com porter une semelle 29 en matériau amagnetique souple tel que du caoutchouc sur laquelle l'antenne complète pourra prendre appui tout en étant isolée des vibrations du support d'accueil.

Grâce à ces caractéristiques, l'antenne est stable géométriquement, puisqu'elle n'est pas perturbable par les chocs ou vibrations. En outre, les éléments cassants étant protégés, elle offre une excellente résistance mécanique . D'autre part, I l est possible de la fabriquer simplement par assemblage et ce de manière reproductible.

Dans cette application, les capacités réglables du circuit d'accord peuvent être également choisies avec un réglage très fin.

Claims

REVEN D I CATIONS

1 . Antenne ( 2) de champ magnétique blindée com portant au moins une spire (3a) d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique (5a, 6a, 7a, 8a) disposé autour dudit élément, caractérisée en ce que la spire (3a) est réalisée en circuit imprimé sur une carte en matériau isolant (4a) et en ce que ledit blindage est constitué d'une part, de deux anneaux ouverts (5a, 6a), réalisés en circuit im primé et disposés respectivement sur une carte inférieure (9a) et une carte supérieure ( 1 0a) en m atériau isolant, lesdites cartes (9a, 1 0a) étant assemblées en enserrant la spire, et d'autre part, d'une pluralité de vias métalliques (7a, 8a) reliant les bords des deux anneaux (5a, 6a) à travers lesdites cartes, lesdits vias étant répartis de part et autre de la spire.

2. Antenne de champ magnétique blindée com portant une spire (3b) d'un élément métallique et un blindage tubulaire métallique (5b, 6b, 7b, 8b) disposé autour dudit élément, caractérisée en ce que la spire (3b) est réalisée en circuit im primé sur un prem ier support annulaire en matériau isolant (4b), et en ce que ledit blindage est constitué d'une part, de deux anneaux métalliques ouverts (5b, 6b), réalisés en circuit imprimé respectivement sur un support annulaire inférieur (9b) et un support annulaire supérieur (10b) en matériau isolant, lesdits supports enserrant la spire et d'autre part, de deux film s métalliques (7b, 8b) reliant les deux anneaux de part et autre de la spire, lesdits films métalliques étant déposés sur les tranches ( 1 1 ) des supports annulaires.

3. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la spire (3a) et un desdits anneaux (5a, 6a) sont disposés sur une carte commune ( 12a).

4. Antenne selon la revendication 2 , caractérisée en ce que la spire (3b) et un desdits anneaux sont disposés sur un support annulaire com mun ( 12b).

5. Antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les vias (7a, 8a) sont espacés d'une distance égale à environ 1 , 5 m m .

6. Antenne selon la revendication 1 , 3 ou 5, caractérisée en ce que la carte de circuit im primé com porte également un emplacement ( 1 3a, 14a) pour un système d'accord (23) et pour une connexion (24).

7. Dispositif (30) à antenne à champ m agnétique com portant une antenne à circuit imprimé (2) selon l'une des revendications précédentes, une couche de ferrite ( 1 8), un écran métallique (20), deux feuillets souples (21 , 22) disposés respectivement entre l'antenne (2) et la couche de ferrite d'une part, et entre la couche de ferrite et l'écran métallique d'autre part.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il com porte des moyens de serrage (26, 27) pour assem bler et serrer ensemble l'antenne (2), la couche de ferrite ( 18), les feuillets souples (21 , 22) et l'écran (20).

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'elle comporte des entretoises (25, 27) pour maintenir la ferrite ( 1 8) à distance de l'antenne (2) et maintenir l'écran (20) à distance de la ferrite ( 18).