WO2002031911A1 - Antenne d"emission et/ou de reception a coupures - Google Patents

Antenne d"emission et/ou de reception a coupures Download PDF

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Sébastien MORAND
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/27—Spiral antennas

Definitions

  • the present invention relates generally to antennas for transmitting and / or receiving electromagnetic waves of the spiral type and in particular to a spiral antenna for transmitting and / or receiving with breaks.
  • the object of the invention is to produce a transmitting and / or receiving antenna of the spiral type in which there is no dissipation of the current by the inter-turn capacity whatever the dimensions of the turns of
  • the object of the invention is therefore an antenna for transmitting and / or receiving electromaghnetic waves of the type comprising a wire arranged in a spiral in a plane, said spiral comprising at least two turns, this antenna being characterized in that it includes at least one cut of the antenna wire in order to decrease the interspire capacity.
  • FIG. 1 shows a spiral antenna with three turns allowing the implementation of the invention
  • FIG. 2 shows the electronic circuit equivalent to the antenna illustrated in Figure 1.
  • FIG. 3 represents the antenna of FIG. 1 in which a cut has been made
  • FIG. 4 represents the electronic circuit equivalent to the antenna illustrated in FIG. 3,
  • FIG. 5 diagrammatically represents the strands of the antenna with cutoff intervening in the parallel capacitance of the antenna part situated on one side of the cutoff,
  • FIG. 6 schematically represents the strands of the antenna with cutoff intervening in the parallel capacitance of the antenna part situated on the other side of the cutoff
  • FIG. 7 schematically represents the strands of the antenna with cutoff intervening in the serial capacitance located between the two parts of the antenna
  • FIG. 8 represents the series circuit equivalent to the antenna illustrated in FIG. 3.
  • the antenna 10 which is illustrated in FIG. 1 can be used as a transmitting antenna in a contactless communication system where each user has a card (or a ticket) also having an antenna. Electromagnetic signals transmitted by the antenna of a reader such as the antenna 10 are picked up by the antenna of the card of the user and the latter retransmits to the antenna 10 other electromagnetic signals containing data allowing access to the user of a zone with controlled access.
  • the antenna 10 can have relatively large dimensions and include a large number of turns if it is desired to benefit from a large operating volume.
  • the antenna itself is short-circuited by the inter-turn capacitance and there is almost no current passing through the antenna.
  • the magnetic field emitted being proportional to the current flowing in the antenna, it is not very important and one then ends up with the opposite result of that which one wanted to obtain.
  • the parent idea of the invention is to make one or more cuts in the antenna strand.
  • a cut such as the cut 12 made in the antenna illustrated in FIG. 3, is in fact a frank interruption of the antenna strand of several mm and possibly reaching several cm.
  • the electronic circuit equivalent to the antenna comprising a cut-off then becomes the circuit represented in FIG. 4 where the part situated before the cut-off is equivalent to an inductance L1 in parallel with the capacitance inter-turns Cl, and the part located after the cut is equivalent to an inductance L2 in parallel with the capacity inte-turns C2, the two parts being connected by a series capacity C3.
  • Capacities C1, C2 and C3 are due to the capacitive couplings between some of the strands of the antenna as illustrated in FIGS. 5, 6 and 7.
  • the parallel capacitance Cl is due to the capacitive coupling between the two strands 14 and 14 'and the parallel capacitance C2 is due to the capacitive coupling between the strands 16' and 16 ", the strands 18 'and 18" and finally the strands 20' and 20 ".
  • the serial capacity C3 it is due to the capacitive coupling between the strands 16 and 16 ', the strands 18 and 18', the strands 20 and 20 'and the strands 14' and 14 ".
  • Each cut in the antenna therefore makes it possible to obtain, on both sides of the cut, the couples Li, Ci
  • the cuts made in the antenna are intended to greatly reduce the values of L and C for each cut L, C, being on one side or the other of a cut.
  • the impedance due to the capacitance is much higher than the inductance, i.e. in the case of simple breaking:
  • the cell L2, C2 is equivalent to an inductance of value L2eq:
  • IL 0.611 (i.e. 61% of the total current in the antenna)

Landscapes

  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Devices For Checking Fares Or Tickets At Control Points (AREA)

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

Antenne d'émission et/ou de réception à coupures
Domaine technique
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.
Etat de la technique 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.
11 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 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' ntenne atteint environ 11m à la fréquence de fonctionnement de 13,56 MHz actuellement utilisée.
Exposé de l'invention
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
1' 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 .
Description brève des figures 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 œuvre de l'invention, - 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.
Description détaillée de l' invention
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 ω est la pulsation utilisée (ω=2πf) , l'impédance due à la capacité devient bien moins grande que l'inductance de l'antenne selon la formule
<L.ω
C.ω
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 Ll 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 reliées 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 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, l'impédance due à la capacité est nettement supérieure à l'inductance, soit dans le cas de la simple coupure :
Llω<--J— . Cleo Si ωl est la pulsation correspondant à la résonance de la cellule Ll, Cl on a :
ωl 2TJcT et ωl>ω
Par conséquent cette cellule est équivalente à une inductance de valeur Lleq
Lleq=Zll
1 _(l-Ll.Cl.ω2) avec +jC.ω soit
Zlt j.Ll.ω Zlt j.Llω
Figure imgf000008_0001
donc on a bien Lleq>0 car ωl>ω
De la même façon, on a pour la cellule L2 , C2 ,
L2ω<-
C2ω
Si ω2 est la pulsation correspondant à la résonance de la cellule L2, C2, on a :
ω22= }_ et ω2>ω L2C2
La cellule L2, C2 est équivalente à une inductance de valeur L2eq :
Figure imgf000009_0001
donc on a bien : L2eq>0 car ω2>ω
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 .
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 1' antenne .
Soit N coupures également réparties sur l'antenne, on peut alors supposer que l'antenne a été divisée en N+l cellules identiques soit :
Leql=Leq2=....=Leq(N+l)
Si Cci est la capacité de coupure, (ou capacité série) de la coupure i, on a alors N capacités de coupures identiques :
Ccl=Cc2=....=CcN=Cc
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 imgf000010_0001
On peut donc admettre que le circuit électronique équivalent à l'antenne à N coupures également réparties est celui représenté sur la figure
Leq=(N+l>Leql
Ceq= Ce
N Cant
"N(2N+1)
Si ω2 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 :
Leq.Ceq.ω =l
(N+l).Leq
Figure imgf000010_0002
2=[(2.N+l).N]
Leql .Cant.ωr (N+l) :D
On a vu que Leql pouvait s ' écrire
Ll
Leql-(l-Ll.Cl.ωr2)
Figure imgf000010_0003
[Lant.(2.N+l)] eq (N+l).(2.N+ljμLant.Cant.ωr2
en utilisant la relation (1), N vérifie
[Lant.(2.N+l)] [(2.N+l).N] (N+l).(2.N+l)-Lant.Cant.ωr2 (N+l).Cant.ωr2
soit : N.(N+l).(2.N+l)-2.N.Lant.Cant.ωr2-Lant.Cant.ωr2=0
soit : N2+N-(Lant.Cant.ωr2)=0
Donc : avec Δ=(l+4.Lant.Cant.ωr2)
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0002
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 :
une capacité inter-spires de valeur
Cl=- C Cl= 1 . 1017 x 10 -11
2.N+1
une inductance de valeur à la pulsation wr
Ll=- L Ll = 8.64 x 10"
(N+lj le courant passant dans les spires est de
Figure imgf000012_0001
IL = 0.611 (soit 61% du courant total dans l'antenne)
le courant passant dans la capacité inter-spires est de
Figure imgf000012_0002
IC= 0.389 (soit 39% du courant total de l'antenne)

Claims

REVENDICATIONS
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.
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.
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.
Antenne d'émission et/ou de réception selon la revendication 3, comportant trois coupures également réparties .
pplication 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.
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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