EP3035439B1

EP3035439B1 - Antenne pour dispositif électronique

Info

Publication number: EP3035439B1
Application number: EP15182376.2A
Authority: EP
Inventors: Pierre Rizzo
Original assignee: STMicroelectronics Rousset SAS
Current assignee: STMicroelectronics Rousset SAS
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN205194822U; EP3035439A1; CN105720351B; US10020580B2; US20160181696A1; CN105720351A; FR3030908B1; FR3030908A1

Description

Domaine

La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques et, plus particulièrement, les dispositifs utilisant une antenne de communication radiofréquence ou de transfert d'énergie.

Exposé de l'art antérieur

De plus en plus de dispositifs électroniques sont des dispositifs dits "communicants". Pour la plupart, la communication s'effectue en radiofréquence, que ce soit de façon passive (étiquette électronique équipée uniquement de composants passifs) ou active (étiquette ou dispositif électronique équipé d'un ou plusieurs circuits actifs).
En particulier, les dispositifs de type téléphone mobile sont le plus en plus souvent équipés d'une fonction de communication en champ proche (NFC - Near Field Communication) permettant à des circuits électroniques du téléphone de communiquer sans fil et sans contact avec des dispositifs similaires, des étiquettes électroniques, des lecteurs adaptés, etc. Le téléphone est alors généralement équipé d'une interface de communication entre une antenne et ses circuits. Cette interface est généralement dénommée tête radiofréquence ou tête (de communication) sans contact (CLF - Contact Less Front end) . Une ou plusieurs antennes sont alors connectées à cette tête RF pour les communications radiofréquences.
Dans de tels dispositifs, et plus généralement dans tout dispositif électronique équipé d'une antenne de communication RF et/ou de transfert d'énergie, l'intégration de l'antenne (ou des antennes) dans le dispositif conditionne les performances de celles-ci, donc de la communication et/ou du transfert d'énergie.
Le document US 2008/0150693 décrit une antenne à boucles multiples pour lecteur RFID, un lecteur RFID et un système RFID.
Le document US 2011/0068385 décrit un dispositif semiconducteur. Le document US2011/287715A1 décrit une antenne formée d'un enroulement plan, ladite antenne étant placée en regard d'une ouverture formée dans un plan conducteur.

Résumé

Un mode de réalisation vise à pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs électroniques équipés d'antenne(s) de communication radiofréquence et/ou de transfert d'énergie.
Un mode de réalisation vise à proposer une nouvelle solution d'intégration d'une antenne dans un dispositif électronique.
Un mode de réalisation vise une solution particulièrement adaptée à une antenne destinée à être connectée à une tête de communication radiofréquence d'un dispositif électronique.
Un mode de réalisation vise une solution particulièrement adaptée à l'intégration d'une antenne dans un environnement métallique.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif selon la revendication 1.

Brève description des dessins

Ces 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 schématique et sous forme de blocs, un exemple d'architecture de dispositif électronique du type auquel s'appliquent les modes de réalisation qui vont être décrits ;
les figures 2A, 2B et 2C illustrent un exemple de disposition usuelle d'une antenne au niveau d'un plan métallique d'un dispositif électronique ;
la figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'une antenne ;
la figure 4 représente, de façon schématique et partielle, un mode de réalisation d'un dispositif électronique intégrant une antenne du type de celle de la figure 3 ;
les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation d'une antenne ;
la figure 6 représente une variante d'un mode de réalisation d'un réseau d'adaptation entre une antenne et une tête radiofréquence ; et
la figure 7 est une vue, à rapprocher de celle de la figure 2A, d'un capot métallique d'un dispositif électronique.

Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la génération et l'exploitation des communications émises ou captées par l'antenne décrite n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles. De plus, le reste du dispositif électronique intégrant une antenne n'a pas n'ont plus été détaillé, les modes de réalisation décrits étant, là encore, compatibles avec le reste des éléments constitutifs des dispositifs électroniques intégrant une ou plusieurs antennes de communication radiofréquence ou de transfert d'énergie. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence aux termes « environ », « approximativement » ou « de l'ordre de », cela signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Dans la présente description, on se réfère plus particulièrement à un exemple d'application à un dispositif électronique de type téléphone mobile équipé de fonctions de communication en champ proche. Toutefois, tous ce qui va être décrit s'applique plus généralement à tout autre dispositif électronique intégrant une antenne de communication radiofréquence ou de transfert d'énergie devant être placée dans un environnement métallique.
La figure 1 représente, de façon schématique et sous forme de blocs, un exemple d'architecture de dispositif électronique du type auquel s'appliquent les modes de réalisation qui vont être décrits.
Il s'agit, par exemple, d'un téléphone mobile équipé de fonctions de communication en champ proche. Les circuits électroniques 1 (ICs) du dispositif sont susceptibles d'échanger des signaux (liaison 12) avec une tête 2 d'émission-réception radiofréquence (CLF) constituant une interface entre ces circuits 1 et une antenne 3. Un réseau d'adaptation 4 (MATCHING), constituant un circuit d'accord en fréquence et d'adaptation d'impédance, est intercalé entre les entrées-sorties radiofréquences 21 de la tête 2 et l'antenne 3. L'antenne est généralement constituée d'un enroulement conducteur plan.
Le fonctionnement d'une telle architecture est connu et ne sera pas détaillé, les modes de réalisation décrits ne modifiant pas le fonctionnement en termes de génération et d'exploitation des signaux par les différents éléments.
Il arrive que la position de l'antenne dans le dispositif soit en regard d'une plaque métallique (typiquement un élément d'un boîtier du dispositif comme la coque d'un téléphone mobile). On est alors conduit à pratiquer une ouverture dans cet élément métallique et à placer l'enroulement plan constituant l'antenne dans cette ouverture.
Les figures 2A, 2B et 2C illustrent un exemple de disposition usuelle au niveau d'un plan métallique 5' d'un dispositif électronique. La figure 2A représente schématiquement le plan métallique 5'. La figure 2B représente un exemple d'enroulement conducteur plan constituant l'antenne 3. La figure 2C représente le schéma électrique équivalent de l'ensemble.
Dans cet exemple, on souhaite placer l'antenne 3 sous la coque métallique du téléphone mobile constituant le plan métallique 5'. L'enroulement 3 est alors placé, au moins partiellement, à l'intérieur d'une ouverture 52' du plan métallique pour permettre la communication radiofréquence et faire passer les lignes de champ au travers de l'antenne. On tire profit de la présence d'une ouverture généralement présente à d'autres fins, par exemple pour une caméra électronique, un microphone, un capteur de luminosité, etc. Les deux extrémités 32 et 34 de l'enroulement 3 sont connectées au réseau d'adaptation 4 (figure 1). Cette connexion s'effectue par fils isolés et/ou par pistes conductrices déposées sur une couche isolante (non représentée) recouvrant, au moins partiellement, la face interne de la plaque 5' .
La présence du plan métallique perturbe la communication et, afin d'éviter les conséquences néfastes des courants de Foucault (eddy currents), on est contraint de réaliser une fente 54' dans le plan métallique 5', de sorte que l'ouverture 52' débouche, par la fente 54', dans un bord du plan métallique 5'.
La nécessité d'une fente 54' complique la réalisation et n'est généralement pas souhaitée. De plus, cela fragilise le capot ou boîtier métallique.
La figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'une antenne. Cette figure représente un schéma équivalent à rapprocher de la figure 2C.
Selon ce mode de réalisation, l'antenne 3 est formée d'un enroulement plan placé dans une ouverture 52 d'un plan métallique 5. A la différence de la figure 2C, le contour de l'ouverture 52 est fermé, c'est-à-dire que l'ouverture 52 ne débouche pas dans un des bords du plan 5. Une autre différence est qu'une des extrémités, par exemple l'extrémité externe 34, de l'enroulement formant l'antenne 3 est connectée au plan métallique 5 qui est lui-même destiné à être connecté à la masse du dispositif électronique. En outre, l'enroulement 3 est entièrement contenu dans l'ouverture.
L'inventeur s'est aperçu que, de façon surprenante, en connectant électriquement une extrémité de l'antenne au plan de masse qui l'entoure, on réduit considérablement les perturbations dues aux courants de Foucault et on améliore les performances de l'antenne, y compris si l'ouverture dans laquelle est placée l'antenne présente un contour fermé.
La figure 4 représente, de façon schématique et partielle, un mode de réalisation d'un dispositif électronique intégrant une antenne du type de celle de la figure 3.
On retrouve les circuits électroniques 1 (ICs) du dispositif, susceptibles d'échanger des signaux (liaison 12) avec une tête 2 d'émission-réception radiofréquence (CLF) constituant une interface entre ces circuits 1 et une antenne 3. Un réseau d'adaptation 4 (MATCHING), constituant un circuit d'accord en fréquence et d'adaptation d'impédance, est intercalé entre les entrées-sorties radiofréquences de la tête 2 et l'antenne 3. Dans l'exemple de la figure 4, on suppose une tête 2 comportant deux bornes de réception Rx et deux bornes d'émission Tx, de signaux de mode différentiel.
Les bornes Rx et les bornes Tx de la tête 2 sont destinées à être connectées aux extrémités de l'enroulement de l'antenne, par l'intermédiaire du réseau d'adaptation 4. Ce réseau d'adaptation 4 comporte au moins un élément capacitif en série entre chaque borne Rx ou Tx et l'extrémité de l'enroulement à laquelle cette borne doit être reliée. Par exemple, des condensateurs Cs sont intercalés entre les bornes Tx et les extrémités 32 et 34 et des condensateurs Crx sont intercalés entre les bornes Rx et les extrémités 32 et 34. En outre un élément capacitif Cp relie généralement les extrémités 32 et 34 entre elles. Les condensateurs du réseau 4, et notamment le condensateur Cp, participent à l'accord en fréquence du circuit oscillant comportant l'antenne 3, à la fois en mode lecteur (génération d'un champ) en adaptant l'impédance de sortie vue des bornes Tx à l'impédance de l'antenne, et en mode carte ou réception en adaptant l'impédance pour présenter un circuit résonant ayant une fréquence de résonance proche de la fréquence de la porteuse.
Alors que l'on pourrait penser préjudiciable de connecter une des extrémités de l'enroulement 3 à la masse car cela introduirait une composante de mode commun dans les signaux reçus ou émis par la tête 2, la présence au niveau du réseau d'adaptation 4 de condensateurs série, entre chaque borne du circuit 2 et l'extrémité 32 ou 34 à laquelle cette borne est reliée, filtre cette composante de mode commun qui serait autrement apportée par la masse.
Les deux extrémités 32 et 34 de l'enroulement 3 sont connectées au réseau d'adaptation 4 par fils isolés 42 et/ou par pistes conductrices déposées sur une couche isolante (non représentée) recouvrant, au moins partiellement, la face interne de la plaque 5.
Les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation d'une antenne 3.
La figure 5A illustre la réalisation d'une antenne 3 sous la forme d'un enroulement plan circulaire entouré par un tronçon conducteur 5, également circulaire. Dans l'exemple de la figure 5A, l'extrémité externe de l'enroulement 3 est connectée au tronçon 5.
La figure 5B illustre le cas d'un enroulement conducteur plan 3 de forme carrée, placé dans une ouverture 52, elle-même de forme carrée, réalisée dans un plan métallique 5. Dans l'exemple de la figure 5B, l'extrémité interne de l'enroulement 3 est connectée au tronçon 5.
La figure 6 représente une variante d'un mode de réalisation d'un réseau d'adaptation 4' entre une antenne 3 et une tête radiofréquence. Il s'agit, par exemple, d'un cas où les modes émission et réception sont chacun associés à une antenne distincte.
Dans cet exemple, on suppose que l'antenne ne sert qu'à recevoir des données et à renvoyer des données par modulation de charge (mode émulation carte). Le réseau 4' comporte alors un condensateur Crx entre chaque borne Rx et l'extrémité 32 ou 34 de l'antenne à laquelle la borne doit être reliée et un condensateur Cp reliant les deux extrémités 32 et 34 de l'antenne.
La figure 7 est une vue, à rapprocher de celle de la figure 2A, d'un capot métallique d'un dispositif électronique.
Comme il ressort de cette figure 7, l'ouverture 52 (ici circulaire), par exemple pour une caméra électronique, un microphone, un capteur de luminosité, etc., dans laquelle est placée l'antenne 3 (non représentée en figure 7) présente un contour fermé et ne débouche pas dans un des bords du capot 5.
A titre d'exemple particulier de réalisation, l'enroulement 3 présente un diamètre externe ou s'inscrit dans un diamètre compris entre environ 5 et environ 20 mm et le centre de l'enroulement présente un diamètre ou s'inscrit dans un diamètre compris entre 2 et 5 mm.
Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'il est désormais possible d'associer une antenne à un dispositif équipé d'une paroi métallique.
Un autre avantage est qu'il n'est pas nécessaire d'interrompre la continuité électrique d'un tel environnement métallique autour de l'antenne, celle-ci pouvant désormais être entourée d'un plan de masse.
Les performances d'une antenne ainsi réalisée sont considérablement améliorées.
Ainsi, l'inventeur a pu réaliser les mesures comparatives suivantes. Une antenne de 6 mm de diamètre inscrite dans une ouverture carrée de 10 mm de côté présente un niveau de rétromodulation à 3 cm de l'antenne d'un lecteur de test de 3 à 4 fois supérieur au niveau obtenu pour une même antenne dont l'extrémité externe de l'enroulement n'est pas connectée au plan de masse.
Selon un autre exemple d'application, une antenne réalisée avec une connexion d'une extrémité à un plan de masse est formée en face arrière (généralement métallique) d'un écran plat à cristaux liquide et connectée à la masse de celui-ci.
Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la forme du plan métallique entourant l'antenne et auquel elle est connectée dépend des applications et de la forme du dispositif électronique dans lequel l'antenne est intégrée. De même, la forme de l'ouverture réalisée dans le plan métallique dépend des applications et différentes variantes sont possibles pourvu que cette ouverture soit fermée, c'est-à-dire qu'elle ne débouche pas dans un des bords du plan. Par ailleurs, on pourra prévoir d'autres constitutions de réseau d'adaptation 4, pourvu de respecter une isolation du mode commun entre les bornes du circuit 2 d'émission et/ou réception et les extrémités 32 et 34 de l'enroulement formant l'antenne 3. En outre, les modes de réalisation décrits sont particulièrement adaptés à des circuits réalisant une rétromodulation active, c'est-à-dire ne se contentant pas de moduler la charge de l'antenne mais participant à lui fournir une énergie. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

Dispositif électronique comportant :
un plan métallique (5) comportant une ouverture (52) ; et

une antenne de communication radiofréquence ou de transfert d'énergie, réalisée sous la forme d'un enroulement conducteur plan (3),

dans lequel l'enroulement plan (3) est placé dans ladite ouverture (52), une des deux extrémités (32, 34) de l'enroulement plan étant connectée directement au plan métallique (5) qui entoure l'enroulement plan sans interruption,
l'ouverture du plan métallique étant destinée à recevoir une caméra, un microphone ou un capteur de luminosité.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le plan métallique (5) est destiné à être connecté à la masse.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'extrémité connectée au plan (5) est l'extrémité externe (34) de l'enroulement.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'enroulement (3) s'inscrit dans un diamètre externe compris entre environ 5 et environ 20 mm.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le centre de l'enroulement (3) s'inscrit dans un diamètre compris entre 2 et 5 mm.
Circuit radiofréquence comportant :
un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ;

une tête radiofréquence (2) ; et

un réseau d'adaptation (4) pourvu, entre chaque extrémité de l'enroulement (32, 34) et une borne du circuit, d'un premier élément capacitif (Cs, Crx).
Circuit selon la revendication 6, dans lequel le réseau d'adaptation (4) comporte en outre un deuxième élément capacitif (Cp) reliant les deux extrémités (32, 34) de l'enroulement (3).
Dispositif électronique intégrant un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 et/ou un circuit radiofréquence selon la revendication 6 ou 7.
Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le plan métallique (5) est un capot de téléphone mobile.