2.3.2. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche

Transcription

Université de Carthage
THESE DE DOCTORAT
Réalisée au sein de
Ecole Supérieure des Communications de Tunis
Pour l’obtention du titre de
Docteur en Technologies de l’Information et de la
Communication
Préparée par
Mondher DHAOUADI
Intitulée
Conception et optimisation des antennes RFID
UHF en vue d'améliorer la fiabilité des systèmes
RFID
Soutenue le 19/12/2014 devant le jury
Président
M. Neji Youssef
Professeur à SUPCOM de Tunis
Rapporteur
M. Fabien Ndagijimana
Professeur à l’UJF de Grenoble, France
Rapporteur
M. Mohsen Machhout
Maître de Conférences à la F.S. de Monastir
Examinateur
M. Lotfi Osman
Maître de Conférences à SUPCOM de Tunis
Directeur de thèse
M. Adel Ghazel
Professeur à SUPCOM de Tunis
Co-Directeur_1
M. Mohamed Mabrouk
Maître-Assistant, HDR, à l’ISETCOM de Tunis
Co-Directeur_2
M. Tan-Phu Vuong
Professeur à l’INP de Grenoble, France
Travail réalisé dans le cadre d'une collaboration entre GRESCOM (LR-11-11-TIC) de
SUPCOM de Tunis et l'IMEP-LAHC (UMR-5130, CNRS-INPG-UJF-Université de
Savoie), Grenoble, France
.
Remerciements
J’aimerais d’abord exprimer toute ma gratitude à Monsieur Adel GHAZEL, Professeur à
l’Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SUPCOM), pour m’avoir accueilli au sein
du laboratoire GRESCOM (LR-11-TIC-2).
Je remercie vivement Monsieur Mohamed MABROUK, Maitre-Assistant, Habilité
Universitaire, à l’Institut Supérieur des Etudes Technologiques en Communications
(ISETCOM) de Tunis, pour son suivi et son soutien lors de la réalisation de ce travail. Qu’il
trouve ici l’expression de ma profonde reconnaissance, pour les encouragements, les conseils
et la confiance qu’il m’a toujours témoignés.
Je tiens à remercier Monsieur Tan Phu VUONG Professeur à Grenoble INP, de m’avoir
donné l’opportunité de faire des expérimentations au sein de l'IMEP-LAHC et pour ses
conseils, sa compréhension, sa sagesse et son soutien.
Je tiens à exprimer également mes remerciements à Monsieur Neji Youssef, Professeur à
SUPCOM de Tunis, pour l’intérêt porté à mes travaux et m’avoir fait l’immense honneur de
présider le jury de ma thèse.
J’adresse toute ma reconnaissance à Monsieur Fabien Ndagijimana, Professeur à l’UJF de
Grenoble et à Monsieur Mohsen Machhout, Maître de Conférences à la F.S. de Monastir, qui
ont cordialement accepté d’être rapporteurs de ce travail.
Je remercie vivement Monsieur Lotfi Osman, Maître de Conférences à SUPCOM de Tunis,
pour m’avoir fait l’honneur de bien vouloir participer au jury de cette thèse.
Je remercie aussi tous les chercheurs, Seniors et Juniors, du laboratoire GRESCOM pour leurs
aides, leurs soutiens et leur esprit de groupe. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde
reconnaissance.
Enfin, je garde une place toute particulière pour toute ma famille. Je les remercie pour leur
amour sincère et leur soutien sans faille au cours de ces années.
Table des matières
Table des illustrations................................................................................................................ iv
Liste de tableaux ......................................................................................................................... x
Introduction générale.................................................................................................................. 1
CHAPITRE 1. LA TECHNOLOGIE RFID ............................................................................... 3
1.1. Bref historique ..................................................................................................................... 4
1.2. Systèmes RFID .................................................................................................................... 5
1.2.1. Lecteurs RFID .............................................................................................................. 5
1.2.2. Tags RFID .................................................................................................................... 7
1.2.3. Principe de fonctionnement d’un système RFID .......................................................... 9
1.2.4. Couplage Tag/lecteur RFID........................................................................................ 11
1.2.4.1. Techniques de couplage RFID en champ proche................................................. 12
1.2.4.2. Techniques de couplage RFID en champ lointain ............................................... 14
1.3. Fréquences et normes des systèmes RFID ........................................................................ 15
1.3.1. Différentes bandes de fréquences ............................................................................... 15
1.3.2. Normalisation ............................................................................................................. 18
1.4. Application de la technologie RFID.................................................................................. 19
1.5. Avantages et inconvénients de la technologie RFID......................................................... 20
1.5.1. Avantages de la technologie RFID ............................................................................. 20
1.5.2. Limites de la technologie RFID................................................................................. 21
1.6. Paramètres d’une antenne RFID ....................................................................................... 26
1.6.1. Les paramètres circuits ............................................................................................... 26
1.6.2. Les paramètres de rayonnement ................................................................................. 28
1.7. Conception et simulation d'antennes pour Tags RFID en UHF ........................................ 32
1.7.1.. Méthodologies de conception d’antennes .................................................................. 32
1.7.2 Exemples de conception d’antennes Tags ................................................................... 34
1.8. Conclusion ........................................................................................................................ 39
Bibliographie du chapitre 1 ...................................................................................................... 40
CHAPITRE 2. ANTENNE RFID-UHF EN CHAMP PROCHE ET LOINTAIN ................... 43
2.1. Communication RFID en champ lointain ......................................................................... 44
i
2.1.1. Formule de Friis.......................................................................................................... 44
2.1.2. Coefficient de transmission en puissance ................................................................... 46
2.1.3. Surface équivalente radar pour les systèmes passifs des Tags RFID en UHF ........... 51
2.2. Communication RFID-UHF en champ proche ................................................................. 56
2.2.1. Champ proche en RFID .............................................................................................. 56
2.2.2. La technologie RFID-UHF en Champ proche ............................................................ 59
2.2.2.1. Antennes pour lecteurs RFID-UHF champ proche .............................................. 59
2.2.2.2. Antennes pour lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ........................ 62
2.2.2.3. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain............................. 62
2.3. Antennes pour Tags et lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain......................... 63
2.3.1. Adaptation d’impédance des antennes de Tags RFID-UHF ...................................... 63
2.3.2. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain .................................. 70
2.3.2.1. Antenne Patch avec deux types d’adaptation ....................................................... 70
2.3.2.2. Analyse électromagnétique d’une antenne Tag RFID-UHF en champ proche ... 77
2.3.3. Antenne large bande pour la communication RFID en champ proche et lointain ..... 79
2.3.3.1. Conception de l’antenne proposée ....................................................................... 79
2.3.3.2. Distribution et analyse du champ magnétique du Tag ......................................... 83
2.3.3.3. Caractérisation de l’antenne Tag.......................................................................... 84
2.3.4. Antenne Tag pour des applications RFID-UHF en champ proche et lointain............ 91
2.3.4.1. Conception de l’antenne proposée ....................................................................... 91
2.3.4.2. Caractérisation de l’antenne méandre .................................................................. 84
2.3.5. Antennes magnétiques pour systèmes RFID UHF en champ proche ......................... 96
2.3.5.1. Antenne méandre avec configuration T-match .................................................... 96
2.3.5.2. Antenne méandre à couplage inductif.................................................................. 98
2.3.5.3. Mesures des antennes ......................................................................................... 100
2.3.6. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ............................ 103
2.3.6.1. Antenne circulaire pour Lecteur RFID-UHF...................................................... 103
2.3.6.2 Antenne à charge capacitive pour Lecteur RFID-UHF ....................................... 106
2.4. Conclusion ....................................................................................................................... 110
Bibliographie du chapitre 1 .................................................................................................... 111
CHAPITRE 3. ANTENNES RFID-UHF A POLARISATION CIRCULAIRE ET
ENVIRONNEMENT METALLIQUE .................................................................................. 114
PARTIE-1. SYSTEMES RFID ET ENVIRONNEMENT METALLIQUE .......................... 115
3.1.Tag RFID-UHF sur des surfaces métalliques.................................................................. 116
ii
3.2.Effets des surfaces métalliques sur les antennes Tag RFID-UHF................................... 118
3.3.Effets d’une plaque métallique sur notre antenne Tag avec configuration T-match ....... 120
3.4. Conception et réalisation d'antennes Tags RFID-UHF à proximité d’une surface
métallique ............................................................................................................................... 123
3.4.1. Antenne Tag RFID-UHF à couplage à capacitif .................................................. 123
3.4.2. Antenne Tag RFID-UHF avec un stub court-circuité .......................................... 124
3.4.3. Antenne Tag RFID-UHF avec un stub ouvert d’adaptation ................................ 128
3.4.4. Antenne à fente pour Tag RFID-UHF ................................................................. 133
PARTIE-2. ANTENNES POUR LECTEURS RFID-UHF A POLARISATION
CIRCULAIRE ........................................................................................................................ 141
3.5. Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 915 MHz ......................... 144
3.5.1Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF sur la bande RFID-UHF
européenne (865 MHz-868MHz) .................................................................................... 142
3.5.1.1 Géométrie de notre antenne Lecteur ............................................................... 143
3.5.1.2Résultats des simulations et de mesure ........................................................... 144
3.5.2Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire sur la bande RFID-UHF américaine
(902MHz-928MHz) ........................................................................................................ 149
3.5.2.1 Géométrie de notre antenne Lecteur ............................................................... 149
3.5.2.2 Résultats des simulations et de mesure ........................................................... 150
3.6 Antenne Tag RFID-UHF à polarisation circulaire ........................................................... 153
3.6.1 Antenne PIFA à polarisation circulaire avec et sans plaque métallique................. 153
3.6.1.1 Conception de l’antenne PIFA ............................................................................ 154
3.6.1.2Résultats des simulations et de mesure ............................................................... 156
3.7 Conclusion ........................................................................................................................ 168
Bibliographie du chapitre 3 .................................................................................................... 169
Conclusion Générale .............................................................................................................. 171
iii
Table des illustrations
Figure 1. 1. (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [1.9] et (2) Antenne AN620 [1.10] ....................... 6
Figure 1. 2. Lecteur RFID à main IP30 [1.11] ........................................................................... 6
Figure 1.3. Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP) .............................................................. 8
Figure 1.4. Exemple de Tags RFID en HF (“Tag-it HF-I” de Texas Instrument) [1.16]........... 9
Figure 1.5. Tags RFID en UHF commercialisé, (1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas
Instruments) [1.17] (2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [1.18] ................................................ 9
Figure 1. 6. Fonctionnement général d’un système RFID ....................................................... 10
Figure 1. 7. Échange de données entre un Lecteur et un Tag RFID [1.19] .............................. 11
Figure 1. 8. Les zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice ................................. 11
Figure 1. 9. Communication "lecteur/Tag"dans un système RFID à couplage inductif [1.25] 14
Figure 1. 10. Rayonnement électromagnétique en champ lointain [1.26] ............................... 15
Figure 1. 11. Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés
pour les applications RFID [1.25] ............................................................................................ 16
Figure 1. 12. Prévision de l’évolution du marché de la RFID [1.30] ....................................... 20
Figure 1.13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie mobile GSM 23
Figure 1. 14. Coefficient de réflexion pour la meilleur utilisation ........................................... 25
Figure 1. 15. Diagramme de rayonnement d’une antenne classique en coordonnées polaires 29
Figure 1. 16. Méthodologie de conception d’antenne .............................................................. 34
Figure 1. 17. Géométrie de l’antenne dipôle RFID .................................................................. 35
Figure 1. 18. Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence .......... 35
Figure 1. 19. Impédance d’entrée Z a de l’antenne dipôle........................................................ 39
Figure 1. 20. Diagramme de rayonnement en 3D de l’antenne dipôle ..................................... 36
Figure 1. 21. Géométrie de l’antenne Tag repliée .................................................................... 37
Figure 1. 22. Impédance d’entrée et coefficient de reflexion de l’antenne repliée .................. 37
Figure 1. 23. Diagramme de rayonnement ............................................................................... 36
Figure 1. 24. Géométrie de l’antenne RFID commercialisé ANL-9640-Squiggle .................. 38
Figure 1. 25. Coefficient de réflexion de l’antenne ANL-9640-Squiggle ............................... 40
Figure 1. 26. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle ..................... 40
Figure 2. 1. Circuit équivalent du Tag RFID ........................................................................... 47
Figure 2. 2. Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID .................... 48
Figure 2. 3. Circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID............................. 49
Figure 2. 4. Circuits équivalents de l'impédance d'entrée de la puce ...................................... 51
Figure 2. 5. Schéma équivalent de Thévenin du Tag RFID ..................................................... 54
Figure 2. 6. Boucle de conduction par couplage magnétique (a) ; circuit équivalent pour une
boucle de conduction par couplage magnétique (b)[1.25]. ...................................................... 57
Figure 2. 7. Configuration de l'antenne boucle segmentée [2.20]. ........................................... 60
Figure 2. 8. Configuration de l'antenne cadre segmentée [2.21]. ............................................. 61
Figure 2. 9. Photo du prototype d'antenne pour lecteur RFID-UHF [2.23] ............................. 61
Figure 2. 10. Exemples d'adaptation de la configuration en (a) T-match, (b) par couplage
inductif à proximité de boucle, et (c) par la configuration en fentes imbriquées [2.34]. ........ 64
iv
Figure 2. 11. Géométrie de l'antenne proposée : (a) Vue de dessus (b) Vue de côté ............... 65
Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée .................................... 66
Figure 2. 13. Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée ........................................... 66
Figure 2. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D, (b) 3D .................... 67
Figure 2. 15. Impédance d'entrée de la puce NXP (partie réelle et imaginaire) en fonction de :
(a) la fréquence avec P = -2,6 dBm (b) la puissance d'entrée à 915 MHz [2.46].................... 68
Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre en fonction de W1 ..................... 68
Figure 2. 17. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de W1........................ 69
Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1 .................. 69
Figure 2. 19. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1 ......................... 70
Figure 2. 20. Structure d’antenne Tag avec configuration T-match ........................................ 71
Figure 2. 21. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne ............................. 72
Figure 2. 22. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF ................... 73
Figure 2. 23. Structure d’antenne à couplage inductif ............................................................. 73
Figure 2. 24. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne à couplage inductif
.................................................................................................................................................. 74
Figure 2. 25. Distribution de champ magnétique de l’antenne à couplage inductif ................. 74
Figure 2. 26. Structure d’antenne bi-bande pour un Tag en configuration T-match ................ 73
Figure 2. 27. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée .............. 75
Figure 2. 28. Gain de l’antenne proposée................................................................................. 76
Figure 2. 29. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF ................... 79
Figure 2. 30. Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté .. 77
Figure 2. 31. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre............... 78
Figure 2. 32. Distribution du champ électrique de l’antenne méandre .................................... 78
Figure 2. 33. Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre ................................. 79
Figure 2. 34. Antenne méandre proposée ................................................................................. 80
Figure 2. 35. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre ................................................... 80
Figure 2. 36. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre adapté à deux impédances
différentes ................................................................................................................................. 81
Figure 2. 37. Coefficient de réflexion de Tag avec variation de L3 ......................................... 81
Figure 2. 38. Coefficient de réflexion du Tag pour différentes valeurs de L1.......................... 82
Figure 2. 39. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre ...................................... 83
Figure 2. 40. Distribution de courant de l’antenne à 867 MHz (z = 0 mm) ............................. 83
Figure 2. 41. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono-statique ......... 84
Figure 2. 42. Tag RFID-UHF réalisé ....................................................................................... 84
Figure 2. 43. Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100) ............................................. 85
Figure 2. 44. Équipements du banc de mesures ....................................................................... 85
Figure 2. 45. Mesure de la portée du Tag en chambre anéchoïque .......................................... 86
Figure 2. 46. Réponse du Tag reçu à 867 MHz........................................................................ 86
Figure 2. 47 Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et champ lointain en
fonction de la Fréquence .......................................................................................................... 87
Figure 2. 48. Puissance minimale reçue avec changement de repère ...................................... 88
Figure 2. 49. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 868 MHz ............................. 89
Figure 2. 50. Banc de mesures expérimentales au sein du bâtiment ........................................ 89
v
Figure 2. 51. Puissance minimum en fonction de la distance dans un système RFID ............. 90
Figure 2. 52. Antenne méandre du Tag RFID-UHF ................................................................ 92
Figure 2. 53. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée .............. 92
Figure 2. 54. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne proposée ..................................... 93
Figure 2. 55. Antenne Tag RFID-UHF réalisée ....................................................................... 93
Figure 2. 56. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne proposée 93
Figure 2. 57. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et lointain .................... 94
Figure 2. 58. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 880 MHz .............................. 95
Figure 2. 59. Puissance minimum en fonction de la distance .................................................. 95
Figure 2. 60. Géométrie de l’antenne méandre proposée ......................................................... 96
Figure 2. 61. Réalisation de l’antenne méandre proposée........................................................ 96
Figure 2. 62. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre............... 97
Figure 2. 63. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre ...................................... 97
Figure 2. 64. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à 910 MHz
.................................................................................................................................................. 98
Figure 2. 65. Réalisation de l’antenne méandre à couplage inductif ....................................... 98
Figure 2. 66. Coefficient de réflexion et impédance de l’antenne à couplage inductif ............ 99
Figure 2. 67. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b) .............................................. 99
Figure 2. 68. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à couplage
inductif à 910 MHz ................................................................................................................ 100
Figure 2. 69. Puissance mesurée minimale reçue par les deux Tags en champ proche et
lointain .................................................................................................................................... 100
Figure 2. 70. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque .... 101
Figure 2. 71. Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de θ à 890 MHz ..... 102
Figure 2. 72. Puissance minimale d’activation et RSSI en fonction de la distance ............... 102
Figure 2. 73. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et (b) le prototype réalisé...................... 103
Figure 2. 74. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch ...................................................... 104
Figure 2. 75. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch avec variation de R ...................... 104
Figure 2. 76. Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90° . 105
Figure 2. 77. Diagramme de rayonnement mesuré 2 D (a) et gain simulé de l'antenne Patch (b)
................................................................................................................................................ 105
Figure 2. 78. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche ................................... 106
Figure 2. 79. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b)...................... 107
Figure 2. 80. Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive ................................ 107
Figure 2. 81. Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation de W3 ............................. 108
Figure 2. 82. Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne à 876 MHz
................................................................................................................................................ 108
Figure 2. 83. Banc de mesures expérimentales de Lecteur .................................................... 109
Figure 3. 1. Photo du prototype d'antenne Tag avec plan de masse [3.8] .............................. 116
Figure 3. 2. Photo du prototype d'antenne Tag pour surface métallique [3.15] ..................... 117
Figure 3. 3. Photo du Tag RFID sur métal et son application [3.19] ..................................... 117
Figure 3. 4. Interférences destructives (a) ou constructives (b) pour une plaque métallique
................................................................................................................................................ 119
vi
Figure 3. 5. Tag RFID placé à proximité d’une plaque métallique ........................................ 120
Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique.............. 121
Figure 3. 7. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre avec plaque métallique 121
Figure 3. 8. Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=83 mm de plaque métallique ...... 122
Figure 3. 9. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne à une distance de D=83 mm de
plaque métallique ................................................................................................................... 122
Figure 3. 10. Géométrie de l’antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le
prototype réalisé (b) ............................................................................................................... 124
Figure 3. 11. Tag RFID avec un stub court-circuité sur une plaque métallique .................... 124
Figure 3. 12. Coefficient de réflexion de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique .. 125
Figure 3. 13. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ........ 126
Figure 3.14. Diagramme de rayonnement de l’antenne sans (a) ou avec (b) la plaque
métallique ............................................................................................................................... 127
Figure 3. 15. Gain de l’antenne à couplage capacitif sans (a) ou avec (b) la plaque métallique
................................................................................................................................................ 127
Figure 3. 16. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance............................. 128
Figure 3. 17. Géométrie de l’antenne Tag à couplage capacitif avec un stub ouvert
d’adaptation ............................................................................................................................ 128
Figure 3. 18. Coefficient de réflexion de l’antenne sans ou avec la plaque métallique ......... 129
Figure 3. 19. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ........ 130
Figure 3. 20. Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert sans ou avec la
plaque métallique avec une variation de l’angle ĳ à 915 MHz .............................................. 130
Figure 3. 21. Gain de l’antenne Tag à couplage capacitif sans (a) ou avec (b) la plaque
métallique ............................................................................................................................... 131
Figure 3. 22. Puissance minimale reçue par les deux types de Tags en champ lointain ........ 131
Figure 3. 23. Antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation sous test .................................. 132
Figure 3. 24. Puissance minimum en fonction de la distance avec et sans la plaque métallique
................................................................................................................................................ 132
Figure 3. 25. Géométrie de l’antenne à fente ......................................................................... 134
Figure 3. 26. Languette de court-circuit de l’antenne à fente ................................................ 134
Figure 3. 27. Antenne Tag RFID à fente réalisé .................................................................... 134
Figure 3. 28. Coefficient de réflexion de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique
................................................................................................................................................ 135
Figure 3. 29. Impédance d’entrée de l’antenne à fente (a) (b) sans ou avec la plaque
métallique ............................................................................................................................... 135
Figure 3. 30. Coefficients de réflexions simulés pour différentes valeurs de L1 ................... 136
Figure 3. 31. Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans (a) ou avec (b) la plaque
................................................................................................................................................ 137
Figure 3. 32. Gain de l’antenne à fente sans (a) ou avec (b) la plaque métallique................. 137
Figure 3. 33. Mesure de la portée du Tag avec plaque métallique en chambre anéchoïque .. 138
Figure 3. 34. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en
fonction de la fréquence ......................................................................................................... 138
Figure 3. 35. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en
champ proche ......................................................................................................................... 139
vii
Figure 3. 36. Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du
Tag en fonction de l’angle ș ................................................................................................... 140
Figure 3. 37. Puissance minimales mesurée en fonction de ș à 917 MHz ............................. 140
Figure 3. 38 Géométrie de l’antenne du Lecteur à polarisation circulaire : (a) vue de dessus,
(b) vue de dessus .................................................................................................................... 143
Figure 3. 39. Réalisation de l’antenne Lecteur à polarisation circulaire: (a) vue de dessous. (b)
vue de dessus. ......................................................................................................................... 143
Figure 3. 40. Banc de mesure de S11 de l’antenne à polarisation circulaire ........................... 144
Figure 3. 41. Coefficient de réflexion simulé et mesuré de l’antenne Lecteur ...................... 145
Figure 3. 42. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ĳ=ș=0° ....................... 146
Figure 3. 43. Rapport Axial de l’antenne Lecteur en fonction de ș à 868 MHz pour différentes
valeurs de l’angle ĳ ................................................................................................................ 146
Figure 3. 44. Diagrammes de rayonnement de l’antenne Lecteur proposée en 2D (a) et 3D (b)
................................................................................................................................................ 146
Figure 3. 45. Tag RFID UHF ALN-9654 ............................................................................... 147
Figure 3. 46. Banc des mesures de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour
différentes positions de l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°. .................................. 147
Figure 3. 47. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de
l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°. ........................................................................ 148
Figure 3. 48. Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire : (a) vue de dessus, (b) vue de
dessous. .................................................................................................................................. 149
Figure 3. 49. Antenne réalisée à polarisation circulaire alimentée par couplage : (a) vue de
dessus. (b) vue de dessous. ..................................................................................................... 150
Figure 3. 50. Coefficient de réflexion simulé et mesuré de l’antenne à polarisation circulaire
................................................................................................................................................ 151
Figure 3. 51. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ĳ=ș=0° ....................... 151
Figure 3. 52. Rapport Axial de l’antenne en fonction ș à 915 MHz pour différentes valeurs de
ĳ.............................................................................................................................................. 152
Figure 3. 53. Diagrammes de rayonnement 2D (a) et 3D (b)................................................. 152
l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°. ........................................................................ 153
Figure 3. 55. Antenne Tag PIFA à polarisation circulaire ..................................................... 155
Figure 3. 56. Géométrie de l’antenne Tag PIFA : (a) vue de dessus, (b) vue de côté. ........... 155
Figure 3. 57. Réalisation de l’antenne Tag PIFA ................................................................... 156
Figure 3. 58. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique .... 156
Figure 3. 59. Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec et sans la plaque métallique : (a)
Parties réelles, (b) Parties imaginaires. .................................................................................. 157
Figure 3.60. Diagramme de rayonnement de l’antenne PIFA sans (a) ou avec (b) la plaque :
métallique en fonction de l’angle à 915 MHz ........................................................................ 158
Figure 3. 61. Gain de l’antenne PIFA sans (a) ou avec (b) la plaque : métallique................. 158
Figure 3. 62. Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs
de l’angle ĳ=0° et 0° ș 360° .............................................................................................. 159
Figure 3. 63. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction ĳ=90° et ș =230° ............. 159
viii
Figure 3. 64. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique
................................................................................................................................................ 160
Figure 3. 65. Puissance minimale d’activation de l’antenne PIFA, avec et sans la plaque
métallique, en champ proche et lointain ................................................................................. 160
Figure 3. 66. Distribution de champ électrique (a) sans plaque (b) avec plaque ................... 161
Figure 3. 67. Réponse du Tag PIFA recue par le Lecteur à 900 MHz ................................... 161
Figure 3. 68. Mesure de la puissance minimale d’activation en déplaçant verticalement notre
Tag PIFA ................................................................................................................................ 162
Figure 3. 69. . Puissance minimale d’activation en fonction de la position du Tag............... 162
Figure 3. 70. Mesure de la puissance minimale d’activation avec orientation du Lecteur RFID
................................................................................................................................................ 163
Figure 3 71. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance verticale de Tag PIFA
................................................................................................................................................ 163
Figure 3. 73. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert .................................. 165
Figure 3. 74. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu de
l’antenne PIFA avec plaque métallique en fonction de la distance ........................................ 165
Figure 3. 75. Puissance minimale d’activation et RSSI de l’antenne PIFA en position
horizontale et avec plaque métallique en fonction de la distance .......................................... 166
Figure 3. 76. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA ...................................................... 167
ix
Liste de tableaux
Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués en
fonction de la région [27]. ........................................................................................................ 16
Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID ....... 18
Tableau 1. 3. Influence des matériaux sur le signal radio ........................................................ 23
Tableau 1. 4. Les largeurs de bande RFID ............................................................................... 25
Tableau 2. 1. Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonction
de la fréquence [2.11] ............................................................................................................... 49
Tableau 2. 2. Exemples de puces RFID-UHF disponibles dans le marché aujourd'hui ........... 50
Tableau 2. 3 Paramètre de l’antenne Tag ................................................................................. 65
Tableau 2. 4. Paramètre de l’antenne Patch ............................................................................. 71
Tableau 2. 5. Paramètre de l’antenne de Tag à couplage inductif ........................................... 74
Tableau 2. 6. Paramètre de l’antenne de Tag ........................................................................... 75
Tableau 2. 7. Paramètre de l’antenne Tag ................................................................................ 77
Tableau 2. 8. Paramètre de l’antenne méandre proposée ......................................................... 80
Tableau 2. 9. Paramètre de l’antenne Tag RFID-UHF ............................................................ 92
Tableau 2. 10. Paramètre de l’antenne méandre Tag RFID-UHF ............................................ 96
Tableau 2. 11. Paramètre de l’antenne à charge capacitive ................................................... 106
Tableau 3. 1. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub court-circuité .................................. 124
Tableau 3. 2. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation ......................... 128
Tableau 3. 3. Paramètre de l’antenne Tag à fente .................................................................. 133
Tableau 3. 4. Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour
différentes valeurs de L1 ......................................................................................................... 136
Tableau 3. 5. Paramètre de l’antenne du Lecteur ................................................................... 143
Tableau 3. 6. Paramètre de l’antenne à polarisation circulaire .............................................. 149
Tableau 3. 7. Dimensions du Tag PIFA ................................................................................. 155
Tableau 3. 8. Déplacements du Tag PIFA ............................................................................. 166
x
Liste des acronymes
RFID : Radio Frequency IDentification
NFC : Near Field Communication
UHF : Ultra High Frequency
HF: High Frequency
LF : Low Frequency
IFF : Identity Friend or Foe
HFSS : High Frequency Structure Simulator
ISM : Industrial Scientific Medical
FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum
ETSI : European Telecommunications Standards Institute
LBT : Listen Before Talk
ISO : International Organization for Standardization
EPCglobal : Electronic Product Code
EIRP : Effective Isotropic Radiated Power
ERP : Effective Radiated Power
AR : Axial Ratio
PIFA : Planar Inverted F Antenna
RSSI: Received Signal Strength Indicator
Introduction générale
La technologie RFID connaît depuis plus d’une dizaine d’années un grand essor dans de
très nombreux domaines. La technologie RFID trouve ses utilisations dans la gestion des
stocks, la logistique, la localisation des biens et des personnes, la gestion documentaire, la
traçabilité des produits alimentaires et du bétail, les transports ou la lutte contre la
contrefaçon. Les systèmes RFID sont généralement composés d’un Lecteur "Reader" et une
étiquette "Tag". Les Tags passifs utilisant une puce et une antenne sont les plus répandus
et sont ceux qui ont la plus grande progression. Cet intérêt vient de leur faible coût et de leur
durée de vie quasiment "illimitée". Comme chaque nouvelle technologie, la RFID présente
quelques limites, qui ne semblent toutefois pas diminuer son intérêt par rapport aux solutions
concurrentes ou complémentaires. Une des limitations concernant surtout les Tags et leur
sensibilité à l’environnement. Ces Tags ont montré des problèmes dans leur fonctionnement à
courtes distances et avec les types de polarisation d’antennes adaptées aux applications RFID.
C’est pourquoi, la plus grande partie de ces travaux de thèse porte sur les Tags RFID passifs
et particulièrement sur l’étude des antennes pouvant être utilisées dans des Tags ayant un bon
niveau de fiabilité. Cette fiabilité est obtenue lorsque l’ensemble du Tag renvoie au Lecteur
les informations qu’il a demandées indépendamment de leurs positions et de leur
environnement.
Ce mémoire de thèse est alors organisé comme suit :
Dans le premier chapitre, nous présentons le contexte général et les domaines d'application de
la technologie RFID-UHF. Nous avons mis en évidence le principe physique du système
RFID. Nous avons rappelé l’historique de la technologie RFID puis les différentes
composantes d’une chaîne de communication RFID. Nous avons décrit ensuite les principes
de fonctionnements et les caractéristiques de cette technologie RFID ainsi que la
communication entre ses composantes (Tag/Lecteur). Nous attirons l’attention sur les
avantages et les inconvénients de cette technologie RFID. Nous avons présenté ensuite les
différents paramètres utilisés dans la conception d’antennes et permettant de les comparer
entre elles. Nous avons terminé ce premier chapitre par les simulations des différentes
antennes prototypes Tags par un outil de simulation électromagnétique.
Nous avons consacré le deuxième chapitre à la conception d'antennes Tags et Lecteurs pour
les applications RFID-UHF en champs proche et lointain. Nous avons étudié également
1
l'adaptation entre l'impédance d’entrée de l’antenne et l’impédance de la puce RFID. Nous
avons optimisés les structures d’antennes que nous avons conçues pour qu’elles permettent
d’avoir une amplitude du champ magnétique suffisante et une bonne adaptation d’impédance.
Pour obtenir une lecture "complète" des informations en champ proche et lointain.
Dans un souci d’équilibre entre les chapitres, nous avons réparti le troisième chapitre en deux
parties. Nous avons consacré la première partie à l’étude d’antennes Tags pour l'identification
des objets métalliques, alors que nous avons présenté nos résultats de conception d’antennes
Tags et Lecteurs à polarisation circulaire dans la seconde partie.
Nous avons alors proposé des prototypes d’antennes Tags avec et sans plaque métallique.
Nous avons simulé et réalisé une antenne avec un stub d’adaptation court-circuité et une autre
antenne avec un stub en circuit ouvert. Ces deux antennes ont un bon fonctionnement en
contact d’une surface métallique (300×300 mm2). Nous avons réalisé une antenne Tag à fente
avec un plan de masse. Elle fonctionne correctement avec et sans la présence de la plaque
métallique. Nous avons présenté dans cette première partie du chapitre les résultats des
mesures des différentes antennes que nous avons réalisées.
En ce qui concerne la conception d’antennes Tags et Lecteurs à polarisation circulaire, nous
avons proposé deux antennes prototypes pour Lecteurs à polarisation circulaire fonctionnant
dans la bande RFID-UHF Européenne et Américaine. Nous avons présenté dans cette seconde
partie du chapitre notre antenne Tag PIFA à polarisation circulaire ayant comme substrat l’air
que nous avons réalisée et testée. En étant entièrement collée à un mur métallique de
300×300 mm2, elle fonctionne correctement avec une portée de lecture de 18 m en espace
libre. Ce prototype Tag PIFA fonctionne dans des positions verticale, horizontale et en
environnement métallique ce qui est d’un grand intérêt par exemple dans les containers.
Finalement, dans la conclusion nous avons rappelé l’ensemble de nos travaux dans cette thèse
et nous avons présenté les perspectives que nous envisageons d’améliorer la fiabilité des
antennes RFID-UHF que nous avons étudiées.
2
CHAPITRE 1
LA TECHNOLOGIE RFID
L'IDentification par ondes RadioFréquences, connue sous l’acronyme RFID (Radio
Frequency Identification), est une technologie intelligente, performante, flexible et convient à
des opérations de lecture automatiques. La RFID est une méthode d'identification qui utilise
les ondes radio fréquences pour lire les données contenues dans des dispositifs appelés
étiquettes ou Tags RFID. Elle combine des avantages non disponibles avec d'autres
technologies d'identification comme les codes à barres. La RFID peut être fournie en lecture
seule ou en lecture et écriture, sans contact. Elle peut fonctionner sous une variété de
conditions environnementales, permet de stocker une quantité d'information cryptée et
sécurisée. La technologie RFID est utilisée pour surveiller, identifier et suivre des objets, des
animaux ou des personnes à distance en utilisant les ondes radio. Les Tags RFID sont plus
chères que les codes-barres, mais le rapport bénéfice-coût est généralement bon.
Avec le développement de cette technologie, la RFID UHF (Ultra High Frequency 840 MHz
à 960 MHz) est en pleine croissance, notamment grâce au développement des Tags passifs
faibles coûts. Cette technologie des Tags UHF passifs dont la puissance émise est de l’ordre
de 2 W permet d’atteindre des distances de lecture d’environ une dizaine de mètre [1.1].
Dans ce chapitre nous mettrons en évidence le principe physique du système RFID. Nous
passons en revue l’historique de la RFID puis nous décrivons les différentes composantes
d’une chaîne de communication RFID. Nous décrivons aussi les principes de fonctionnement
et les caractéristiques de cette technologie RFID ainsi que la communication entre Lecteur et
Tag. Les avantages et les inconvénients de la technologie RFID, les différents paramètres
d’antennes sont rappelés. Des simulations de différents prototypes d’antennes Tags sont
montrées.
3
1.1 Bref historique
Généralement, la technologie d'IDentification par RadioFréquence RFID est véritablement
née durant la Seconde Guerre mondiale. Les Allemands, les Japonais, les Américains et les
Britanniques ont tous utilisé un radar qui avait pour rôle d'envoyer un signal questionnant les
Tags placés sur les avions afin de distinguer les alliés des ennemis. On peut considérer que
le premier système sécurisé d'identification ami-ennemi IFF (Identity : Friend or Foe) fût la
première forme d'utilisation de la technologie RFID [1.2]. Les années 1950 ont été l’ère de
l'exploration des techniques RFID et l'évolution technique de la radio et radar dans les années
1930 et 1940. L’identification à distance a été proposée par Stockman (Stockman, 1948) dans
son article de référence [1.3] publié en 1948. Il démontre que par l'alternance de la charge de
l'antenne du Tag, il est possible de faire varier la quantité de puissance réfléchie (appelée
aussi "modulation de charge d'antenne") et par conséquent avoir une modulation.
Les activités commerciales de la RFID ont commencé dans les années 1960. Des
sociétés industrielles, comme Sensormatic Electronics, ont développés des technologies
de surveillance électronique d'articles (EAS) pour lutter contre le vol de marchandises [1.4].
Dans les années 1970, des institutions universitaires, des laboratoires de recherche, des
entreprises et des chercheurs indépendants ont travaillé tous à développer la technologie
RFID. Parallèlement, plusieurs applications étaient destinées à l’identification des animaux,
au suivi des véhicules et des processus industriels. Les années 1980 ont été la décennie des
applications de la technologie RFID. L'invention du circuit intégré a représenté un progrès
important pour les Tags passifs car celui-ci permettait d’avoir une grande diversité de types de
Tags. Un brevet américain pour un Tag passif avec mémoire a été accordé à Mario Cardullo
en 1973 [1.5]. L’abréviation RFID a été utilisée pour la première fois dans un brevet déposé
par Charles Walton en 1983 [1.6]. La commercialisation a eu un intérêt variable dans
différentes parties du monde. Les plus grands intérêts aux États-Unis étaient pour le transport
et l'accès du personnel, tandis que les pays européens étaient intéressés par des systèmes
d’identification à courte portée pour le suivi des animaux, des applications industrielles et
commerciales. L'augmentation de l'utilisation commerciale de la technologie RFID a suscité
un besoin de normes, qui a conduit à de nombreuses standardisations et normalisations des
équipements de systèmes RFID dans les années 1990. La plupart des normes ont été menées
par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et la Commission électrotechnique
internationale (CEI). Au cours des années 1990, la recherche et le développement n'ont pas
4
ralenti avec de nouveaux développements de la technologie RFID. Pour les Livres consacrés
spécifiquement à la technologie RFID, Klaus Finkenzeller a écrit l'un des premiers en 1999
[1.7]. Cependant, en 2004 en raison de l'état des normes et des capacités limitées de
production des Tags, les fabricants d'étiquettes RFID ont été incapables de répondre au
volume de la demande dans les délais souhaités. Alors, des normes ont encore évolué (ISO
18000...) et la capacité des processus de production a été développée. Aujourd’hui, après des
années de développement et de recherche, la technologie RFID vit une étape majeure de son
développement mais il reste encore d’autres problèmes à résoudre comme les coûts de
fabrication, fonctionnement en champ proche des Tag RFID en UHF ainsi que les
performances des Tag dans différents types d'environnement…
1.2. Systèmes RFID
Un système RFID se compose toujours de deux composantes: Le Tag qui est situé sur l'objet à
identifier et le Lecteur qui a pour rôle d'identifier cet objet via le Tag. Les systèmes RFID
permettent la lecture et l'écriture à distance et sans contact des données d'un Tag RFID.
1.2.1. Lecteurs RFID
Un Lecteur RFID est un appareil qui est utilisé pour interroger le Tag RFID. Le Lecteur joue
le rôle d'émetteur et de récepteur. Le Lecteur comporte une antenne, en émission, qui émet
des informations par ondes radio alors que le Tag répond en renvoyant ses données. Le
Lecteur utilise son antenne, en réception, pour recueillir les données reçues à partir du Tag. Il
transmet ensuite ces données à un ordinateur pour traitement. La communication d’un
système RFID est basée sur le principe de la relation Maître-Esclave, où le Lecteur RFID joue
le rôle de Maître et le Tag celui d’esclave [1.7]. Le Lecteur RFID communique "uniquement"
avec les Tags qui sont dans son champ de lecture.
Les Lecteurs ont plusieurs formes et tailles, ils fonctionnent sur différentes fréquences, et
peuvent offrir une large gamme de fonctionnalités. Actuellement, de nombreuses applications
s'appuient sur des dispositifs de lecture fixes. Les Lecteurs peuvent être en position
stationnaire dans un magasin ou une usine, ou intégrés dans des appareils ou dispositifs
électroniques, et dans les véhicules. Les Lecteurs RFID peuvent également être intégrées dans
les appareils mobiles de poche. Le fabricant de téléphone cellulaire Nokia propose déjà des
fonctionnalités RFID de lecture dans certains de leurs téléphones cellulaires. Le kit Mobile
5
RFID Nokia est le premier téléphone GSM intégré offre de produits avec une capacité de
lecture RFID [1.8]. Nous présentons ci-dessous les différents types de lecteurs RFID. La série
FX7400 de Lecteurs RFID [1.9] de Motorola (figure 1.1) est bien adaptée à des applications
telles que la gestion des stocks de vente au détail dans tout environnement. Il est important de
noter qu’il a un faible encombrement et de bonnes performances. La figure 1.2 présente les
Lecteurs à main IP30 [1.11] du fabricant Intermec qui occupe désormais la première place
des Lecteurs à main RFID. Ces Lecteurs sont destinés aux secteurs industriels, publics, des
biens de consommation.
(1)
(2)
Figure 1. 1. (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [1.9] et (2) Antenne AN620 [1.10]
Figure 1. 2. Lecteur RFID à main IP30 [1.11]
6
Le choix du Lecteur RFID est primordial, il doit se faire selon la fréquence des Tags RFID et
la distance de lecture souhaitée. Les Lecteurs RFID dont la distance de lecture est de
quelques centimètres sont appelés "Lecteurs RFID de proximité" ou "Lecteur RFID en champ
proche". Les Lecteurs dont les portées sont de plusieurs centaines de centimètres sont
dénommés les Lecteurs longue portée. Pour augmenter la portée du Lecteur jusqu’à une
vingtaine de mètres, la puissance nécessaire pour réveiller le Tag doit être importante. Un
certain nombre de facteurs peuvent influer sur la distance à laquelle un Tag peut être lu (la
distance de lecture). Ceux-ci sont la fréquence utilisée pour l'identification, le gain de
l'antenne, l'orientation et la polarisation des antennes du Lecteur et du Tag, ainsi que le
placement de Tag sur l'objet à identifier auront tous un effet sur la distance de lecture du
système RFID.
L'échange de données entre le Lecteur RFID et le Tag utilise différents types de modulation et
de codage. Le Lecteur utilise la modulation de porteuse pour envoyer des informations à un
ou plusieurs Tags. C’est soit l’amplitude, soit la phase, soit la fréquence de l’onde porteuse
qui sera modulée. Les modulations les plus couramment utilisées sont la modulation
d’amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) [1.12], la modulation de phase PSK (Phase Shift
Keying) et la modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Key).
1.2.2. Tags RFID
Le Tag RFID se compose d’un circuit intégré, appelé puce RFID, connecté à une antenne et
assemblés dans un boîtier compact et robuste. Le boitier est structuré de façon à permettre au
Tag RFID d’être attaché à l’objet à suivre.
Les Tags sont de deux types :
Les Tags RFID sans puce sont des Tags RFID à bas coût sans utilisation de puce RFID,
appelés Chipless RFID Tag [1.13]. Un système RFID EAS Tags sont généralement trouvés
dans les magasins comme système antivol. Les étiquettes EAS sont appelées « Tag RFID 1
bit » car ils sont uniquement conçus pour communiquer un bit d'information correspondant à
leur présence. Si le Tag RFID est présent et actif, alors cela signifie que l'objet n'est pas passé
à la caisse. Les Tags RFID sans puce ont pour but de réduire le coût de réalisation des Tags
RFID avec puce. Ces Tags ne représentent aujourd'hui qu'une très faible part du marché car
cette technologie présente plusieurs inconvénients comme la faible capacité de stockage dans
7
un Tag sans puce par rapport à la capacité d’enregistrement dans des puces RFID et pas
possible d’écrire de données à distance, seule la lecture d’un identifiant est possible [1.14].
Les Tags RFID à puce se divisent en trois catégories : actif, semi-passif et passif. Les Tags
actifs contiennent une batterie interne et ne dépendent pas du signal du Lecteur pour générer
une réponse. La source d'alimentation est utilisée pour faire fonctionner la puce et à diffuser
un signal vers un Lecteur. En conséquence, le Tag actif peut être lu à des grandes distances,
avec des distances de lecture allant jusqu'à 100 mètres. Les Tags actifs peuvent être soit en
lecture seule ou en lecture/écriture, permettant ainsi la modification de données par le Lecteur.
Les Tags actifs permettent une plus grande compacité de stockage qui peut atteindre 8Ko. Ces
Tags sont très chers, avec des prix allant de 20 $ à plus de 100 $ l’unité. Les Tags
semi-passifs sont préalimentés et utilisent une batterie pour alimenter la puce qui permet au
Tag d’être alimenté de manière constante. Ils communiquent par l'alimentation à partir du
signal reçu du Lecteur. Ces Tags RFID semi-passifs peuvent fonctionner correctement dans
différents environnements. Les Tags actifs et semi-actifs sont utilisés pour le suivi des
marchandises de grande valeur qui doivent être captés sur de longues distances, comme les
chemins de fer, ils ont coût plus cher que les Tags passifs. Les Tags RFID passifs sont
similaires aux Tags semi-actifs mais n'ont pas de batterie. Ils sont alimentés par le Lecteur,
qui envoie des ondes électromagnétiques induisant un courant dans l'antenne du Tag. Nous
présentons à la figure 1.3 les composantes d'un Tag RFID passif (substrat FR4, antenne en
cuivre, puce (chip)) qui nous avons réalisé à l’IMEP de Grenoble en juin 2013. La puce et
l'antenne constituent le Tag RFID et sont assemblés sur un support physique (substrat) [1.15].
Substrat
Puce (IC)
Antenne
Figure 1.3. Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP)
Les Tags passifs sont les plus utilisés actuellement. Ils fonctionnent aux fréquences
HF (13.56 MHz) et représentés à la figure 1.4, et aux fréquences UHF (840-960 MHz) et sont
représentés à la figure 1.5.
8
Figure 1.4. Exemple de Tags RFID en HF (“Tag-it HF-I” de Texas Instrument) [1.16]
(a)
(b)
Figure 1.5. Exemples des Tags RFID en UHF commercialisé : (1) Tag RI-UHF-00C01-03
(Texas Instruments) [1.17] ; (2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [1.18]
1.2.3. Principe de fonctionnement d’un système RFID
Un système d'IDentification par ondes RadioFréquences se compose de deux éléments
principaux : un Tag et un Lecteur. Le Tag contient toutes les données relatives à l'objet qui
l'identifie de façon unique. Les données, stockées dans une puce électronique,"chip", peuvent
être lues grâce à une antenne qui reçoit et transmet des signaux radio vers et depuis le Lecteur
ou interrogateur. Le Lecteur, fixe ou tenu à la main, est le dispositif qui est en charge de la
lecture des Tags RFID situés dans son champ de lecture et capable de convertir les ondes
radio du Tag en un signal numérique qui peut être transféré à un PC. La figure 1.6 décrit le
fonctionnement général d’un système d’identification par radiofréquence.
9
Figure 1. 6. Fonctionnement général d’un système RFID
Dans un système RFID-UHF passif, le fonctionnement peut être divisé en 3 étapes :
1- Une station de base (Lecteur) transmet un signal modulé à une fréquence déterminée
vers un ou plusieurs Tags situés dans son champ de lecture. Ce signal contient les
instructions et l’énergie nécessaire pour alimenter le Tag.
2- Le Tag est "réveillé" par le signal émis par le Lecteur et se met dans un état d’attente
des requêtes à venir du Lecteur. Or, parallèlement à l’envoi des données, le Lecteur
doit continuer à assurer l’alimentation du Tag. Alors, un compromis doit être trouvé
lors de la mise en forme du signal envoyé par un Lecteur afin d’assurer ces deux
fonctions (temps de transmission, type de modulation et de codage…) [1.19].
3- Le Tags répond à cette interrogation en modulant sa surface radar équivalente (Radar
Cross Section- RCS) pour moduler le signal réfléchi. Afin de transmettre un signal
rétro-modulé, le Tag modifie la quantité d’énergie réfléchie en faisant varier la charge
aux bornes de son antenne. La communication entre un Tag et un Lecteur est
perturbée essentiellement par des signaux modulés en ondes continues (CW mode:
continuous wave) qui permet la télé-alimentation de la puce RFID. Cette technique
utilisée principalement en champ lointain est une technique dite de rétro-modulation
"backscattering" [1.20], permettant au Tag d’envoyer au Lecteur les informations
stockées dans sa mémoire. La figure 1.7 illustre le signal transmis sur le lien montant
(Lecteur vers Tag) qui contient l'onde continue (CW) et les commandes modulées.
Durant le lien descendant (Tag vers Lecteur), les données sont renvoyées pendant
l'une des périodes d'onde continue où l'impédance du Tag module le signal
rétrodiffusé.
10
Figure 1. 7. Échange de données entre un Lecteur et un Tag RFID [1.19]
1.2.4. Couplage Tag/Lecteur RFID
Dans un système RFID la communication est basée sur deux modes d’interaction
fondamentalement différents. Le premier mode correspond à un couplage en champ proche de
type inductif ou bien capacitif. Le deuxième correspond à un couplage électromagnétique en
champ lointain. Les deux modes peuvent transférer suffisamment d'énergie à un Tag à
distance pour garantir son opération généralement entre 1 m W et 10 W, selon le type du Tag.
Le type de couplage dépend de l'application visée et aura une incidence sur le choix de la
fréquence pour le système RFID [1.21].
En général, en s’éloignant d’une antenne, on peut distinguer trois zones différentes [1.7] : La
zone de champ proche réactif, la zone des champs proches (zone de Rayleigh et zone de
Fresnel) et la zone des champs lointains (zone de Fraunhofer). La figure 1.8 présente les
zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice.
Figure 1. 8. Les zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice
11
La région de champ proche réactif est définie comme étant la partie de la région de champ
proche entourant immédiatement l'antenne dans lequel c’est le champ réactif qui prédomine et
qui contient la majeure partie ou la quasi-totalité de l'énergie stockée. C’est une région où les
champs électrique E et magnétique H ne sont pas orthogonaux et se situe à une distance de
l’antenne inférieure à λ / 2π (0.16 Ȝ) [1.22].
La région du champ proche radiatif (zone de Fresnel) est une région intermédiaire entre la
région de champ proche (zone de Rayleigh) et la zone du champ lointain. Dans cette région, le
diagramme d'antenne prend sa forme, mais n'est pas totalement formée, et les mesures de gain
de l'antenne varie avec la distance. La zone de Fresnel se situe à des distances de l’antenne
situées entre D2 / 2λ et 2D2 / λ [1.22] avec D la plus grande dimension de l’antenne et Ȝ est la
longueur d’onde.
La zone de champ lointain (zone de Fraunhofer) est la région la plus éloignée de l'antenne et
se situe à une distance de l’antenne supérieure à 2D2 / λ . La distribution du champ sous forme
d’une onde plane est essentiellement indépendante de la distance de l'antenne.
1.2.4.1. Techniques de couplage RFID en champ proche
Au cours des dernières années, il y a eu un intérêt croissant de la recherche dans les systèmes
de communication de proximité "near communication", et cette technologie émergente a été
déployée dans diverses applications. Par exemple, les technologies RFID basses fréquences
(ou LF entre 125 kHz et 134,2 kHz) et hautes fréquences (ou HF à 13.56 MHz) ont été
largement utilisées dans le contrôle d'accès et de billetterie des transports publics. Afin de
concevoir et d'optimiser les systèmes de communication en champ proche avec succès, il est
essentiel d'étudier le couplage d'antenne qui se produit lorsque les antennes sont placées en
étroite proximité. Le couplage de proximité pour un système RFID peut être un couplage
inductif ou bien capacitif.
9 Couplage capacitif
La Radio-identification à couplage capacitif est utilisée pour de très courtes distances où un
couplage RFID à proximité est nécessaire. Le couplage électrostatique ou capacitif est le
passage de l'énergie électrique à travers un diélectrique. Un système RFID à couplage
capacitif utilise des effets capacitifs où les antennes interagissent avec un champ électrique et
assurant ainsi la liaison entre le Tag et le Lecteur. Le couplage capacitif utilise les armatures
12
(des électrodes) du condensateur afin d’assurer la liaison requise [1.23]. La capacité entre le
Lecteur et la carte fournir un condensateur par l'intermédiaire de laquelle un signal peut être
transmis. Le couplage capacitif fonctionne mieux lorsque les cartes à puce sont insérées dans
un Lecteur. Un signal AC généré par le Lecteur est capté et rectifiée dans le Tag RFID et
utilisée pour alimenter le Tag. Là encore, les données sont réaccordées pour le Lecteur RFID
en modulant la charge.
Dans ces systèmes à couplage inductif, c'est la distribution des charges plutôt que des
courants qui détermine l'intensité du champ et par conséquent la force de couplage. Comme la
force de couplage dépend de la quantité de charges accumulées, les systèmes basés sur un
couplage capacitif sont beaucoup moins utilisés que les systèmes à couplage inductif.
9 Couplage inductif
Dans les systèmes RFID en champ proche, les systèmes à couplage inductif sont plus utilisés
que les systèmes à couplage capacitif. Par exemple, les fabricants de téléphones portables ont
embarqués des Tags RFID passifs dans les mobiles pour les applications de communication
en champ proche ou NFC (Near Field Communication). Une carte RFID comprend un circuit
d'amélioration capable d’assurer un couplage inductif avec un Lecteur RFID et améliorer ainsi
la distance de lecture et d'écriture utilisable de la carte RFID [1.24]. En termes de
fonctionnement, le couplage inductif est le transfert d'énergie d'un circuit à l'autre par
l'intermédiaire de la mutuelle inductance entre les deux circuits.
Dans un système RFID à couplage inductif, Les bobines à la fois du Lecteur et du Tag se
comportent comme des antennes. Un Tag comprend généralement une puce et une antenne
bobinée. Lorsque le Tag est placé assez proche du Lecteur RFID, l’antenne bobinée du
Lecteur génère un champ magnétique fort qui pénètre dans le Tag, une tension Ui est générée
dans la bobine de l’antenne du Tag par induction. Cette tension est redressée et sert comme
source d'alimentation pour la puce. Un condensateur Cr est connecté en parallèle avec
l'antenne du Lecteur, fonctionnant avec l'inductance équivalente de l'antenne-bobine sous
forme d’un circuit résonnant parallèle à une fréquence de résonance qui est celle de la
fréquence d'émission du Lecteur. Ainsi la bobine de l'antenne du Tag et le condensateur C1
forment un circuit résonnant accordé à la fréquence d'émission du Lecteur [1.25]. La figure
1.9 montre le système de communication entre le Lecteur et le Tag dans un système RFID à
couplage inductif.
13
Figure 1. 9. Communication "lecteur/Tag" dans un système RFID à couplage inductif [25]
L’avantage du couplage magnétique est qu’il est peu sensible aux perturbations externes et est
facilement modélisable. L’inconvénient majeur réside dans la limitation en termes de portée
typiquement de 0 à 1,5 m, le champ magnétique décroissant en 1/d3 et l’énergie captée en
1/d6. Le choix du meilleur type de couplage RFID dépend donc du type d'application visé et
des performances recherchées.
1.2.4.2. Techniques de couplage RFID en champ lointain
Le couplage capacitif est utilisé pour de très courtes distances, alors que le couplage RFID
inductif des plages un peu plus longues et le couplage RFID à rétrodiffusion est utilisé lorsque
de longues distances (10 mètres et plus) sont nécessaires. En champ lointain, et pour des
distances supérieures à environ la longueur d'onde de la source, le couplage est plutôt radiatif
ou électromagnétique (figure 1.10). La RFID se comporte comme un vrai émetteur-récepteur
radio qui transmet des ondes radio à des Tags RFID et reçoit d’autres ondes réfléchies.
Figure 1. 10. Rayonnement électromagnétique en champ lointain [1.26]
14
Les dimensions des antennes RFID capables de créer des champs électriques sont de l'ordre
de la demi-longueur d'onde (pour une fréquence de 900 MHz, la taille de l'antenne est alors
d'environ 17 cm). Le principe de la téléalimentation est que le Lecteur alimente le Tag passif
présent dans son champ de lecture par le champ électromagnétique qu’il émet. La densité
d’énergie du signal rayonné décroît avec l’inverse du carré de la distance entre le Lecteur et le
Tag [1.26]. Ainsi, les systèmes RFID passifs peuvent être utilisés seulement à des distances
allant jusqu'à une dizaine de mètres pour les fréquences autour de 500 MHz. Pour les
applications longue portée, il est nécessaire d’utiliser les Tags RFID actifs qui possèdent leur
propre source d’énergie et peuvent atteindre 150 m.
1.3. Fréquences et normes des systèmes RFID
1.3.1. Différentes bandes de fréquences
L’évolution de la technologie RFID est fortement tributaire de la fréquence radio qu’utilise le
système. La fréquence de fonctionnement peut affecter considérablement la distance de
lecture, la taille et le type d'antenne, l'interopérabilité, c.-à-d. la capacité que possède le
système RFID à fonctionner avec d'autres systèmes existants, la vitesse d'échange de données
et les performances des antennes sur différentes surfaces. La fréquence d’une onde propagée
peut également être calculée par l’équation (1.1) :
f =
c
λ
(1.1)
avec : f : la fréquence de l'onde (en Hertz); c : la vitesse de l'onde (en m/s); λ : la longueur
d'onde (en mètres).
Il est nécessaire de s'assurer que les systèmes RFID coexistent et n'interfèrent pas avec les
systèmes radio existants, tels que les téléphones portables, la radio, la télévision et à proximité
des services de téléphonie mobile (police, services de sécurité, de l'industrie). Pour
la
technologie RFID, il n’est possible d’utiliser que les bandes de fréquences qui ont été
réservées spécialement aux applications industrielles, scientifiques ou bien encore médicales,
appelées les bandes ISM (Industrial Scientific Medical). En plus des fréquences ISM,
l'ensemble des gammes de fréquences inférieures à 135 kHz (en Amérique) et à 400 kHz (au
Japon) sont également disponibles pour les applications RFID fonctionnant en champ proche.
15
La figure 1.11 montre le principal spectre de fréquences disponibles pour les applications
RFID.
Figure 1. 11. Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés pour
les applications RFID [1.25]
Les systèmes RFID utilisent généralement quatre plages de fréquences 125 KHz (bande BF,
Basses Fréquences), 13,56 MHz (bande HF, Hautes Fréquences), 840-960 MHz (bande UHF,
Ultra Hautes Fréquences), 2,45 GHz (bande RF/micro-onde). La bande des fréquences UHF
est destinée aux applications RFID-UHF. La fréquence utilisée est fonction de la disponibilité
des différents pays : Chine: 840-845 MHz et 920-925 MHz ; Europe: 865-868 MHz ;
États-Unis: 902-928 MHz ; Japon: 952-954 MHz. Pour les basses, moyennes et hautes
fréquences, le couplage entre le Tag et le Lecteur est un couplage inductif (champ proche).
Pour les ultra et super hautes fréquences, le couplage radiatif (ou champ lointain) est appliqué.
Au niveau mondial, les bandes de fréquences des systèmes RFID UHF sont réparties selon les
régions. Le Tableau suivant détermine les bandes de fréquences et les puissances allouées à la
RFID-UHF pour ces régions [Tableau1.1] :
Région
Bande de fréquence
Division 1
869,4 à 869,65 MHz
865 à 868 MHz
865,6 à 867,6 MHz (Tunisie)
865,6 à 868 MHz
902 à 928 MHz
(Afrique-Europe)
Division 2
(Amérique)
Puissances maximales d'émissions
autorisées
500 mW ERP
100 mW ERP - LBT
2 W ERP - LBT (10 canaux de 200 kHz)
500 mW ERP
4 W EIRP - FHSS (80 canaux de 325 kHz)
4 W EIRP
4 W EIRP
(Asie-Océanie)
1 W EIRP
2 W EIRP
Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales des fréquences RFID-UHF et spectres alloués pour chaque
Division 3
Japon : 952 à 954 MHz
Corée : 908,5 à 914 MHz
Australie : 915 à 928 MHz
China : 917 à 922 MHz
région [1.27].
16
Les puissances maximales d'émissions autorisées sont calculées différemment des Etats-Unis
et en Europe. La puissance maximale disponible pour les applications RFID est exprimée soit
en termes d’EIRP (Puissance Rayonnée par une antenne Isotrope) ou ERP (Puissance
Effective Rayonnée). Cette puissance est régulée par les autorités gouvernementales et ne doit
pas dépasser une certaine valeur maximum. Aux Etats-Unis, l’unité est le Watt, mais la
puissance est calculée en EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), alors qu’en Europe
elle est calculée en ERP (Effective Radiated Power). L’ERP se rapporte à une antenne dipôle
et non à un émetteur isotrope (1.2) :
PEIRP=1.64 PERP
(1.2)
En Tunisie, la puissance effective rayonnée autorisée par l’ANF est égale à 2W ERP ce qui
est équivalent à 3.2 EIRP pour une bande de fréquence située entre 865.6 et à 867.6 MHz
[1.1].
La réglementation aux Etats-Unis est définie par la Partie 15 de la réglementation de la FCC
(Federal Communication Commition) [1.28]. Cette réglemention couvre la gamme des
fréquences de 9 kHz à plus de 64 GHz et traite de la production des champs
électromagnétiques par de faible puissance et un minimum de puissance des émetteurs. Plus la
génération accidentelle de champs électromagnétiques (rayonnement parasite) par des
appareils électroniques tels que les récepteurs radio et de télévision ou les systèmes
informatiques. Cette réglementation autorise une puissance de transmission maximale de 1W
avec une antenne de gain maximum de 6 dBi (correspondant à 4W EIRP) [1.28]. La
communication utilise un étalement de spectre par saut de fréquence (ou FHSS, pour
Frequency Hopping Spread Spectrum) sur 80 canaux pour rende le signal transmis résistant
aux interférences et plus difficile à intercepter.
En Europe, l’European Telecommunications Standards Institute (ETSI) est chargé de
proposer des règlements dans le domaine des télécommunications. La RFID est classée "Short
Range Device". En septembre 2004, l'ETSI a publié la réglementation EN 302-208 qui
concerne la compatibilité électromagnétique et le spectre radioélectrique (ERM) des systèmes
RFID fonctionnant dans la bande 865.6 MHz à 867.6 MHz avec des niveaux de puissance
allant jusqu'à 2 W ERP [1.29]. Cette norme fournit 10 canaux RFID-UHF ayant une bande
passante de 200 kHz. Ils sont considérés comme étant des canaux de "grande" puissance et
peuvent propager une puissance de sortie maximale de 2 W. D’autre part, l’Europe a choisi
d’introduire la réglementation LBT (Listen Before Talk = Ecouter Avant de Parler) [1.27] qui
17
signifie qu’un interrogateur doit détecter d'abord son environnement radio avant de
commencer une transmission. La procédure de rétrodiffusion utilisée par les Tags qui sont
situés dans le même canal que la signalisation "Lecteur-Tag " nécessite les systèmes
européens LBT. Le premier problème de ce système est qu’au maximum dix Lecteurs peuvent
fonctionner simultanément au sein d'un même environnement. L’autre problème est que
« Ecouter Avant de Parler » nécessite un matériel spécial qui rend les lecteurs plus cher.
Certains Lecteurs ont cinq ports, car un port supplémentaire (Ecouter Avant de Parler) est
ajouté.
1.3.2. Normalisation
Les objectifs de la normalisation et de la réglementation ont pour but d'assurer la protection
des données sensibles, la facilite d'utilisation, la garantie des libertés ainsi que la protection la
santé. Les normes existantes pour la technologie RFID ont été établies pour couvrir quatre
domaines clés des applications RFID tels que les normes d'interface-air pour la
communication de données Tag vers Lecteur, le contenu des données et le codage, la
conformité des systèmes RFID et l'interopérabilité entre les applications et les systèmes
RFID.
Plusieurs organismes de normalisation sont impliqués dans le développement et la définition
des technologies de RFID, comme l’ISO (International Organization for Standardization) et
EPCglobal
(Electronic
Product
Code),
l’ETSI
et
la
Commission
Fédérale
des
Communications (FCC) aux USA. Les normes suivantes pour la technologie RFID ont été
élaborées dans un certain nombre de secteurs (tableau 1.2) :
Références principales
Intitulé
ISO 11784, ISO 11785, ISO 14223
IDentification RadioFréquence des animaux
ISO 10536, ISO 14443, ISO 15693
cartes d'identité - carte à circuit intégré sans contact cartes de proximité
ISO 18000
Identification sans contact des articles
Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID
Le système EPC a pour vocation de devenir l’architecture mondiale permettant
l’harmonisation des échanges de données. Les années 1990 ont vu l'acceptation de la RFID
comme un facteur important dans la gestion de la chaîne d'approvisionnement, ce qui a permis
une nouvelle série d'activités de normalisation. En 2004, la norme ISO 18000 est apparue
18
pour l’ensemble du monde de la RFID. Aussi le groupement EPCglobal a produit un standard
pour pousser rapidement l'utilisation des technologies RFID. Ce standard, dénommé EPC
Class-1 Generation-2 (ISO 18000-6c) définit l’interface entre un lecteur RFID et un Tag dans
la bande UHF. Les normes ISO 18000-x pour la standardisation des systèmes RFID
définissent les normes relatives aux protocoles de communication (interface-air) ont pour
désignation [1.30]:
9 ISO 18000-1 : Vocabulaire
9 ISO 18000-2 : Fréquences de communications inférieures à 135 KHz
9 ISO 18000-3 : Fréquence de fonctionnement à 13,56 MHz
9 ISO 18000-4 : Fréquence de 2,45 GHz
9 ISO 18000-5 : Fréquence de 5,8 GHz
9 ISO 18000-6 : Fréquences UHF comprises entre 860 et 960 MHz
9 ISO 18000-7 : Fonctionnement à 433 MHz
1.4. Application de la technologie RFID
Aujourd'hui, l'utilisation des systèmes RFID se développe rapidement. Nous pouvons trouver
cette technologie dans diverses applications RFID de tous les jours qui peuvent être classées
dans deux catégories :
-
Communication RFID en champ proche NFC (Near Field Communication) : le paiement
par téléphone portable ou d'une carte bancaire, lecture d’articles de marchandises
emballées, contrôle d'accès (badges d'entreprise, clefs de voiture, titres de transport...),
-
Communication RFID en champ lointain FFC (Far Field Communication) tels que la
gestion de la chaîne d'approvisionnement, la gestion des biens, les contrôles d'accès et le
suivi et à la traçabilité de produits.
Selon le cabinet IDTechEx [1.31], en 2013, le marché de la RFID a atteint 7,77 Milliards de
dollars et 6,96 milliards de dollars en 2012 contre 4,93 milliards en 2007. Le marché de la
RFID est en pleine explosion et les estimations prédisent un volume de ventes de l’ordre de
8.89 milliards de dollars en 2014. Selon le directeur général de IDTechEx, au début de 2014,
26 milliards de Tags RFID ont été vendus contre seulement 6 milliards en 2013. Ceci est
obtenu grâce au développement de Tags bas coûts (< 0,001 $). Compte tenu de la de la très
forte croissance pour le marché de la RFID et compte tenu de cet énorme potentiel, IDTechEx
prévoit que le marché de la RFID va progresser pour atteindre 27,31 milliards de dollars en
19
2024, et sera donc presque triplé en 10 ans. La figure 1.12 présente les prévisions en 2013 et
en 2018 du marché de la RFID.
Figure 1. 12. Prévision de l’évolution du marché de la RFID [1.30]
La demande pour les Tags actifs et passifs, ainsi qu’aux lecteurs, les logiciels et les services,
augmentera dans l'ensemble, en raison de diverses applications. La RFID est clairement une
technologie qui va jouer un rôle majeur dans presque tous les secteurs, y compris les systèmes
UHF passifs pour le marché des vêtements de détail, qui a encore du chemin à faire avec la
technologie RFID, la pénétration étant seulement d’environ 7 % du marché en 2014.
1.5. Avantages et inconvénients de la technologie RFID
1.5.1. Avantages de la technologie RFID
La RFID se trouve parmi les techniques d’identification automatique (ou Auto-ID- Automatic
IDentification) les plus utilisées dans plusieurs domaines. Cette technologie RFID présente
plusieurs avantages comme :
9 Fonctionnement sans contact et sans champ de vision.
9 Très Longue portée de lecture (Tag actif), même dans des environnements
hostiles et sévères ;
9 Tag passif moins cher que le Tag actif qui contient une pile. Le prix d’un Tag est
un critère important de sélection pour les utilisateurs ;
9 Suivi des personnes, des objets et des équipements en temps réel ;
20
9 Tags RFID pouvant être lus à une bonne vitesse, même dans des conditions
difficiles, et dans la plupart des cas, répondent en moins de 100 ms ;
9 Diminution du taux d’erreurs de saisie ou de transmission ;
9 Tags pouvant être lus par-tout selon l’emballage (sac, film, plastic…) et dans les
environnements difficiles où les codes à barres ou d'autres technologies de
lecture optique ne servent à rien ;
9 Tags RFID insensibles à des substances telles que la poussière, la peinture, le
frottement et l'humidité ;
9 Tags RFID pouvant avoir une durée de vie d’une dizaine d'années avec la
possibilité de subir de modification des données de plus d'un million de fois au
cours de ces années ;
9 Possibilité de lire et différencier les Tags RFID de plusieurs objets
simultanément (anticollision) ;
9 Grande capacité de stockage de données de Tags RFID (plusieurs kilo-octets),
contrairement aux codes à barres dont la capacité est très limitée (une dizaine de
chiffres ou de lettres) ;
9 La RFID est utilisée contre le vol en magasin et la contrefaçon ;
9 Tags passifs pouvant être implantés dans un corps humain pour identifier (n°
d'identification) des individus ;
La RFID n'est sûrement pas capable de remplacer complètement le code à barres traditionnel.
Les deux technologies coexistent les unes et les autres dans l'avenir et seront utilisées selon
l'application. Les avantages d'un système RFID est la vitesse de balayage, la durée de vie et la
grande immunité contre les bruits parasites et les environnements.
1.5.2. Limites de la technologie RFID
La RFID est une technologie d'avenir qui présente plusieurs avantages, mais avec les
nombreuses applications, cette technologie a néanmoins des limites. Dans ce qui suit, nous
rappelons les limites que la technologie RFID peut présenter.
9 Coûts des Tags RFID
Bien que les Tags passifs soient moins coûteux que les systèmes de codes à barres, les Tags
actifs sont chers en raison de leur complexité. Les Tags actifs comportent une pile qui
augmente le coût du Tag. Les Systèmes RFID sont très chers. Ils nécessitent du matériel, des
logiciels, de l'architecture et de la gestion. La clé pour des systèmes efficaces est la gestion.
21
Cela signifie que la recherche, la planification, la conception, la mise en œuvre, les essais
expérimentaux et le développement du système sont tous essentiels à la réussite.
9 Absence de normes et standards universels
A l’heure actuelle, il n'y a pas de normes conventionnelles réelles dans le monde entier pour
la RFID. Il y a des bandes de fréquences définies et des lignes directrices en matière RF, mais
les normes et les règles de fonctionnement sont différentes d’un pays à l’autre.
9 Interférence des ondes RF
Le phénomène de collision se produit lorsque de nombreux Tags sont présents dans une zone
confinée. Ces Tags se trouvant dans le champ d'un même Lecteur créant ainsi des conflits
dans le sens du dialogue Tag-vers-Lecteur et risquent de brouiller la communication. Nous
notons trois types collisions Tags-vers-Lecteur, Lecteur-vers-Tag et Lecteur-vers-Lecteur.
Dans le cas d’une collision Tag-vers-Interrogateur, un grand nombre de Tags, de différents
fournisseurs, doivent être lus rapidement et si des millions de Tags sont utilisés, on doit
supposer à un certain moment il y aura plus d’un Tag dans la zone d’interrogatoire du
Lecteur. Les Lecteurs RFID utilisent différents canaux pour minimiser la collision [1.32]. Des
logiciels anti-collision ont été utilisés comme "Supertag" par British Technology Group. Cette
technologie est disponible aujourd'hui, mais il faudra la finalisation des normes des Tags
intelligents pour la robustesse complète. Les Lecteurs RFID utilisent des circuits intégrés
(ASICs de Texas Instrument ou de STMicroelectronics) moins chers, plus performants et
supportant plusieurs protocoles comme celui d’anticollision [1.33].
9 Perturbations
La plupart des Tags RFID se "comportent" bien dans l'espace libre, mais une fois attaché à
différents matériaux subissent une dégradation de leurs performances. Cette perte est due aux
physiques et géométriques qui sont critiques pour les structures d'antenne. L’eau et différents
matériaux peuvent être à l’origine d’absorption ou de réflexion des ondes électromagnétiques
ce qui peut dégrader les performances du Tag et ne lui permet pas de recevoir l'énergie
nécessaire à son fonctionnement [Tableau1.2].
22
Caractéristiques/
125 à 135 KHz
13.56 MHz
860 à 960 MHz
2.45 GHz
Fréquences
(BF)
(HF)
(UHF)
(micro-ondes)
Perturbation
Perturbation
Atténuation
Atténuation
Influence de l’eau
Aucune
Atténuation
Atténuation
Perturbation
Influence du corps
humain
Aucune
Atténuation
Atténuation
Perturbation
Influence du métal
Tableau 1.3. Influence des matériaux sur le signal radio
Le fonctionnement des Tags RFID peut être altéré dans des environnements métalliques. Ceci
est contraignant pour la technologie RFID dans surtout le domaine de production métallique.
Alors, pour résoudre ce problème des travaux de recherches et de développement sont menés
pour une technologie "RFID on Metal". Nous revenons sur cet aspect dans le chapitre 3 où
nous avons testé des antennes Tags RFID à proximité de métaux.
La conception des systèmes RFID doit être effectuée pour tenir compte des problématiques
pour la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM). L’opération de détection d’un signal par un
système RFID peut être dégradée par une communication GSM (figure 1.13) [1.34]. Pour
l’aspect CEM, des mesures sont nécessaires à fin d’identifier les sources de perturbation GSM
et minimiser ainsi leurs effets sur le système RFID [1.35].
Figure 1.13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie mobile GSM
900MHz [1.34].
9 Champs proche
En champ proche, le coût de fabrication des Tags RFID-HF est sensiblement plus élevé qu’en
UHF. Il est plus intéressant d’utiliser la RFID-UHF passive pour plusieurs applications
23
"champ proche". Il apparaît aujourd’hui que l’une des limitations des Tags RFID-UHF est
qu’ils ne fonctionnent pas correctement à courtes distances. Dans ce travail, nous avons
consacré une partie pour analyser les causes de ces limites et avons proposé de nouvelles
structures d’antennes RFID-UHF fonctionnant simultanément en champs proche et lointain.
9 Sensibilité
La puissance seuil d’alimentation Pth est un paramètre important pour un Tag RFID [1.36].
C'est la puissance minimale reçue nécessaire pour activer la puce RFID. Plus elle est petite,
plus la distance à laquelle le Tag peut être détecté est longue. La sensibilité de la puce est
principalement déterminée par l’architecture et le processus de fabrication [1.37]. Aujourd'hui
la sensibilité typique d'une puce RFID est de -20 dBm comme puissance minimale de
communication RF et de -17 dBm comme puissance minimale de programmation RF [1.38].
La sensibilité du Lecteur est un autre paramètre important qui détermine le niveau minimum
du signal de Tag que le Lecteur peut détecter. La sensibilité de la réception du Lecteur RFID
est d'environ -80 dBm [1.39].
9 Gain de l’antenne
Le gain est un paramètre important d’une antenne. La distance de fonctionnement maximale
qui permet de communiquer avec le Tag est plus élevée dans la direction du gain maximum
qui est fondamentalement limité par la fréquence de l'opération et de la taille du Tag.
9 Limitation de largeur de bande
En général, une bande passante sur laquelle une bonne adaptation d’impédance est obtenue
dans le cas d'une impédance de charge complexe RC parallèle. Selon Bode et Fano [1.40,
1.41], la limitation fondamentale de l'adaptation d'impédance est donnée ci-dessous (1.3):
∞
1
π
³ ln Γ dω ≤ RC
(1.3)
0
Où Γ est le coefficient de réflexion de la charge ; R et C sont la résistance et la capacité de la
charge.
L’équation (1.3) place une limite maximale de l'intégrale à π /(RC) . Afin d'utiliser
complètement la limite donnée de π /(RC) sur une largeur de bande désirée de pulsation (∆ω)
24
, Γ devrait être égale à l'unité le long de la bande excepté la largeur de bande (∆ω) . Ceci
signifie une désadaptation maximale en dehors de (∆ω) (figure.1.14).
Γ
1
Γ ∆ω
ω
ω1
ω2
∆ω
Figure 1.14 : Coefficient de réflexion pour la meilleure une utilisation
A partir de la figure 1.14, l'équation (1.3) devient (1.4) :
Γ ∆ω ≥ e
−
1
2 ∆f RC
(1.4)
L’équation (1.4), nous montre que pour une charge donnée RC , il y aura un compromis entre
la largeur maximale de la bande et le transfert maximum de puissance à la charge.
En appliquant la limite de Bode-Fano, les largeurs de bande RFID pour les pays européens,
les Etats-Unis d'Amérique (Etats-Unis) et le Japon sont rappelées dans le tableau 1.4
ci-dessous :
Pays
Europe
USA
Japon
Fréquences en
MHz
Début
865,0
902,0
950,0
Largeur de bande
en MHz
Fin
868,0
928,0
956,0
3,0
26,0
6,0
Tableau 1. 4. Les largeurs de bande RFID
25
1.6. Paramètres d’une antenne RFID
1.6.1. Les paramètres circuits
Les principaux paramètres d’une antenne se calassent en deux catégories : les paramètres
circuits et les paramètres de rayonnement. Les paramètres de l’antenne du comportement
"circuit" sont le coefficient de réflexion, l’impédance d'entrée, le rapport d’ondes stationnaires
et la bande passante. Les paramètres "rayonnement" sont le diagramme de rayonnement, la
directivité, le gain, l’efficacité et la polarisation de l’antenne.
9 Impédance d’entrée
L’impédance d’entrée ( Z a ) est définie comme étant le rapport de la tension à l’entrée sur le
courant d’entrée de l’antenne (1.5) :
Za =
Va
= Ra + j.Xa = RR + RP + j.Xa
Ia
(1.5)
La partie réelle de Z a est la somme de la résistance de rayonnement ( R R ) et de la résistance
des pertes ( R P ) par effet joule. L’énergie dissipée par R R correspond à l’énergie rayonnée
par l’antenne. L’énergie dissipée par R P correspond quant à elle aux pertes par conduction,
des métallisations et du diélectrique et aux pertes d’onde de surface de l’antenne. La partie
imaginaire représente l’énergie qui est stockée dans la région du champ proche. Si
l’adaptation n’est pas réalisée, les ondes subissent des réflexions vers la source et donnant
naissance à des ondes stationnaires caractérisées par le Rapport d'Ondes Stationnaires. La
quantité de puissance qu'une antenne rayonne dépend du courant qui lui entre. La puissance
maximale est rayonnée quand ce courant maximum.
9 Rapport d'Ondes Stationnaires (ROS)
Une onde stationnaire est le résultat d’un défaut d'adaptation d'impédance entre l’impédance
de la ligne de transmission et l'impédance de l’antenne. La désadaptation d’impédance
engendre des ondes réfléchies, ce qui produit le phénomène d'interférences entre ces ondes et
les ondes incidentes. Si les ondes incidentes et réfléchies sont en phase alors on obtient une
26
tension maximale ( Vmax ). Si ces deux ondes sont en opposition de phase, donc l'amplitude
résultante est une tension minimale ( Vmin ).
V max = V directe + V réfléchie
(1.6)
V min = V directe − V réfléchie
(1.7)
Le rapport d'ondes stationnaires ( ROS) ou VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) en
anglais est défini par la relation suivante (1.8):
ρ=
Vmax 1 + Γ
=
Vmin 1 − Γ
(1.8)
Les valeurs minimales de ce rapport d’onde stationnaire correspond à une antenne à une
adaptée à l’impédance réelle d’une ligne de transmission Z 0 (généralement 50 ou 75 ).
On définit alors le coefficient de réflexion d’une antenne ī par (1.9) :
Γ=
Vréflèchie Z a − Z 0
=
Vdirecte Z a + Z 0
(1.9)
Z a est l’impédance d'entrée de l’antenne (charge), et Z 0 est l’impédance caractéristique de la
ligne de transmission.
Si Z a < Z 0 Ù-1 ≤ Γ <0, Γ =-1 quand la ligne est court-circuitée.
Si Z a > Z 0 Ù0< Γ <+1, Γ =0 quand la ligne est adaptée, pour Γ = +1 la ligne est en circuit
ouvert.
Le coefficient de réflexion S11 est en déciBel (dB) et toujours de signe négatif car le
coefficient de réflexion est toujours inférieur à 1.
S11 = 20. log(Γ)
(1.10)
La charge peut être une impédance complexe, alors on définit le coefficient de réflexion en
puissance Γ * par (1.11) [1.43] :
Γ* =
Z c − Z *a
Zc + Za
(1.11)
27
Γ * est le rapport entre la puissance réfléchie par une charge et la puissance totale maximum
pouvant lui être transmise. Si la charge complexe est conjuguée à l’impédance de l’antenne
*
( Z c = Z *a ), donc le maximum de la puissance lui est transmis ( Γ = 0).
Le rapport de la puissance absorbée par la charge à la puissance directe fournie par l'émetteur
est déterminé par la formule (1.12) :
Pa
2
2
= T = 1− Γ
Pd
(1.12)
Avec Pa : la puissance absorbée par la charge
Pd : la puissance directe fournie par l'émetteur
T : le coefficient de transmission
Le ROS est toujours supérieur ou égal à 1, La valeur maximale du ROS généralement
admise pour la sécurité du matériel est de 2 ce qui donne un S11 inférieur ou égale à -10dB. Le
ROS indique si le système est adapté en impédance ou pas. Pour améliorer le ROS, il faut
adapter l'impédance de la charge et l'impédance de la ligne, soit en remplaçant la ligne (stub,
ligne quart d'onde…), soit en agissant au niveau de l'antenne (gamma-match,
oméga-match...).
9 Bande passante d’une antenne :
La bande passante (BP) peut être considérée comme étant la plage de fréquences, de part et
d'autre d'une fréquence centrale (généralement la fréquence de résonance pour un dipôle), où
un signal peut être transmis. La largeur de bande où S11 −10 dB correspond à 90% de la
puissance transmise. En-dehors de cette bande, la puissance émise par l'antenne diminue.
1.6.2. Les paramètres de rayonnement
9 Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement est une représentation graphique de la densité de puissance
d’une antenne dans l'espace. L’énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement
dans l'espace libre avec des directions qui sont privilégiées plus que d’autres, ce qui
représente plusieurs lobes de rayonnement. La figure 1.15 montre que le maximum de gain est
28
obtenu dans le lobe principal et en pratique l’antenne envoie toujours une partie d’énergie
dans une mauvaise direction, ce qui engendre des lobes secondaires avant ou arrières. Il est
impossible d’éliminer complètement ces lobes mais l’important qu’ils soient les plus réduits
possible puisqu’ils correspondent à une énergie gaspillée. De même, il existe des lobes
secondaires arrière mineurs représentés par un rapport "avant-arrière" de quelques décibels.
Le lobe arrière est particulièrement important puisqu’il présente l’énergie transmise ou reçue
de la direction opposée à l’axe du lobe principal.
L'une des principales caractéristiques d'un diagramme de rayonnement d’une antenne est la
largeur du faisceau du lobe principal, c'est à dire, l'étendue angulaire. L’angle d'ouverture du
diagramme d’une antenne à -3 dB est un paramètre important puisqu'il permet de définir les
deux directions du lobe principal pour lesquelles la puissance rayonnée vaut la moitié (-3 dB)
de la puissance maximale dans la direction la plus favorable, ainsi l’angle θ caractérise aussi la
directivité de l’antenne.
Figure 1. 15. Diagramme de rayonnement d’une antenne classique en coordonnées polaires
9 Directivité et Gain
La capacité d'une antenne à concentrer l'énergie dans une direction angulaire étroite (un
faisceau directif) est décrite en termes de gain d'antenne. Deux définitions relatives du gain
d'une antenne sont utilisées : le gain directif et le gain en puissance. Le premier s'appelle
29
habituellement la directivité, alors que le second s'appelle souvent le gain. Il est important que
la distinction entre les deux soit clairement comprise.
Une antenne est dite directive si toute l’énergie rayonnée est concentrée sur une faible surface,
qui se trouve ainsi éclairée plus fortement. La directivité ou gain directif est définie comme
étant l’intensité de rayonnement maximum par rapport à l'intensité de rayonnement moyenne.
L'intensité d’un rayonnement moyenne (une source isotrope) est égale à toute la puissance
rayonnée par l'antenne divisée par l’angle solide 4ʌ dans n’importe quelle direction
donnée [1.22]:
I max
I max
Directivité= intensité de rayonnement maximum ( direction donnée) =
= 4π
I0
PT
intensité de rayonnement moyenne (toutes les directions)
(1.13)
Une antenne est directive si l'angle d'ouverture d’une antenne est faible. Sinon, si l’ouverture
angulaire est grande, l’antenne a une faible résolution angulaire et ne permet pas d'éliminer
les signaux indésirables du signal utile.
Cette définition ne tient pas compte des pertes par dissipation dans l'antenne, mais seulement
la concentration de puissance apparente rayonnée. Par définition, le gain d'une antenne est le
rapport entre l'intensité de puissance rayonnée dans une direction donnée et l'intensité de
rayonnement qui serait obtenue si la puissance acceptée par l'antenne était rayonnée de
manière isotropique. L'intensité de rayonnement correspondant à la puissance isotropique
rayonnée est égale à la puissance d’entrée acceptée par l'antenne PE divisée par 4ʌ :
G = 4π
I(θ, ϕ)
Intensité de puissance rayonnée dans la direction (θ, ϕ)
= 4π
PE
puissance totale d ' entrée(acceptée)
(1.14)
Le gain de l'antenne dépend de sa conception. Des antennes d’émission sont conçues pour un
rendement élevé en rayonnant l'énergie, et des antennes de réception sont conçues pour un
rendement élevé en gagnant de l'énergie. Les antennes de réception directionnelles
augmentent le gain d'énergie dans la direction favorisée et réduisent la réception du bruit et
des signaux non désirés dans d'autres directions.
Quelques antennes sont fortement directionnelles, c'est-à-dire beaucoup d'énergie est
propagée dans certaines directions et pas dans d'autres. Le gain d’une antenne est lié
directement à sa directivité alors que pour avoir un gain élevé l’antenne doit avoir un
diagramme de rayonnement directif en concentrant l'énergie rayonnée dans un lobe principal),
30
et réciproquement. Si l’on veut qu’une antenne rayonne plus d’énergie vers une autre antenne,
il faut qu’elle rayonne moins aux autres. Quand la direction n'est pas énoncée, le gain en
puissance est déduit de la directivité maximale (direction du rayonnement maximum), de
même le gain dépend du rendement η de l’antenne (1.15) [1.22]:
G(θ, ϕ) = η × D(θ, ϕ)
Avec η =
(1.15)
puissance effectivem ent rayonnée
=
puissance fournie par l' émeteur
puissanceeffectivement rayonnée
puissanceeffectivement rayonnée + somme des pertes
Le rendement η est déterminé par les pertes dues à une mauvaise adaptation de l’antenne, aux
pertes par effet Joule, aux pertes diélectriques, aux pertes par défaut d’isolement, aux pertes
par rayonnement indésirables et aux pertes dans les obstacles environnants…
9 Efficacité
L’efficacité totale
e 0 d’une antenne est utilisée pour prendre en compte les pertes à l’entrée de
l’antenne et les pertes liées aux conducteurs. Elle est égale au rapport entre la puissance
rayonnée ( PR ) et la puissance d’alimentation ( PA ). Les pertes peuvent proviennent des
réflexions provenant d’une mauvaise adaptation de l’antenne et aux propriétés intrinsèques
des matériaux qui la constituent (conducteur, diélectrique). L'efficacité globale est
généralement écrite [1.22] :
e0 =
Le terme
er
PR
= e r .e c .e d
PA
(1.16)
est l’efficacité de réflexion provenant de la désadaptation à l’entrée de l’antenne,
et s’exprime comme (1.17):
§ Z −Z
0
e r = 1 − S = ¨1 − a
¨ Za + Z 0
©
2
11
Les termes
ec
et
e d sont
2
·
¸ (sans dimension)
¸
¹
(1.17)
les efficacités qui prennent en compte les pertes provenant
respectivement des conducteurs et des diélectriques. Ces deux quantités sont général obtenues
31
de façon expérimentale. Comme elles ne peuvent pas être distinguées, elles sont combinées
ensemble pour donner l’efficacité du conducteur-diélectrique
e cd
ou efficacité du
rayonnement. Les pertes diélectriques sont négligeables en général devant les pertes dans les
conducteurs. Cette efficacité est déterminée par la puissance rayonnée, divisée par la
somme de la puissance rayonnée et de la puissance liée aux pertes :
e cd =
PR
PR + PP
(1.18)
D’où l’équation (1.16) devient (1.19):
2
e 0 = e r e cd = e cd (1 − Γ )
(1.19)
La relation entre le gain d’une antenne et sa directivité est donc donnée par (1.20):
G (θ, ϕ) = e cd D (θ, ϕ)
(1.20)
L’efficacité de rayonnement d'une antenne est utilisée pour lier le gain et la directivité. Ainsi,
une antenne théorique efficace à 100% (ecd=1) aura un gain égal à sa directivité. L’efficacité
d’une antenne est un paramètre important permettant de résumer la manière selon laquelle le
signal est transmis, ce qui est très important dans le cas des systèmes RFID.
1.7 Conception et simulation
RFID en UHF
d'antennes
pour
Tags
1.7.1. Méthodologies de conception d’antennes
La phase de conception d'une antenne, à l'aide d'un logiciel adapté, est une étape
incontournable dans un souci de gain de temps et d'optimisation de structures aux paramètres
désirés. Il en existe plusieurs logiciels commerciaux pour la simulation électromagnétique tel
que HFSS de la compagnie Ansoft et Microwave Studio de CST. Dans nos méthodologies de
conception et d’optimisation, nous utilisons le logiciel HFSS [1.45]. HFSS s’appuie sur la
méthode numérique fréquentielle des éléments finis (FEM : Finite Element Method) pour
calculer les paramètres de l'antenne. L’utilisation d’un tel logiciel demande beaucoup
d’expérience afin de simuler et d’optimiser nos prototypes d’antennes. La méthodologie de
32
conception d’antennes que nous avons mise en oeuvre est illustrée sur la figure 1.16. Plusieurs
étapes sont nécessaires :
9 Une fois l'application de la technologie RFID est sélectionnée, la définition des
matériaux diélectriques et conducteurs est nécessaire.
9 La définition des conditions limites : Plusieurs types de conditions limites peuvent être
définis dont un mur électrique ou un espace ouvert. Il est également possible de définir
des symétries électriques ou magnétiques permettant de diviser le domaine de calcul et
donc de diminuer le temps de calcul.
9 La définition du port d’alimentation : Deux types de ports sont disponibles dont le port
guide d’onde utilisé pour alimenter les lignes microstrips ou coplanaires et les câbles
coaxiaux, ainsi que le port discret adapté aux structures des Tags nécessitant des
sources discrètes (dont les puces RFID).
9 La définition de la plage de fréquence : Afin d’optimiser les temps de calcul de
structures résonantes, il faut exclure du domaine de calcul les fréquences de résonance
des modes supérieurs.
9 La définition du maillage : Plus le nombre de maille est importante plus le temps de
calcul est élevé. Cependant un nombre de maille trop faible peut générer des résultats
erronés.
9 Effectuer une étude paramétrique : Afin d’identifier des paramètres géométriques de
l’antenne pouvant améliorer les propriétés désirées, il est possible de lancer une étude
paramétrique qui permettra de voir l’influence d’un paramètre sur les propriétés de
l’antenne.
9 Exporter la structure pour le prototypage une fois que les caractéristiques voulues sont
obtenues.
33
Sélectionnez l'application RFID
Caractérisation des matériaux :
Substrat ; Conducteur
Définir les conditions limites et éventuelles
symétries
Définir le port d’alimentation (Puce RFID)
Définir la plage de fréquence
Mailler la structure
Réaliser la simulation
Réaliser une étude paramétrique
Non
Les résultats de l’optimisation répondent aux
cahiers des charges ?
Oui
Réaliser le prototypage
Figure 1. 16. Méthodologie de conception d’antenne
1.7.2. Exemples de conception d’antennes Tags
L’antenne la plus simple à étudier pour un Tag RFID est l’antenne dipôle. La longueur de
l’antenne dipôle est environ une demi-longueur d’onde (Ȝ/2). L’antenne doit être adaptée à
une puce RFID d’impédance complexe Z c . Nous utilisons une puce NXP UCODE de valeur
Z c = (22 − j193)Ω [44]. Avant de calculer les dimensions du Tag, les valeurs de la constante
diélectrique relative ε r et l'épaisseur H du substrat de l’antenne doivent être connues. La
fréquence de conception est de 868 MHz, le substrat est le FR4 ayant une permittivité
ε r = 4.4 et l’épaisseur du substrat H = 1.6 mm. Pour F=868 MHz, la longueur L de l’antenne
34
est presque λ / 2 = 172 mm (figure 1.17). Les dimensions du prototype de l’antenne dipôle sont :
Wsub=20 mm ; Lsub= 200 mm ; W1=7 mm ; L1=94 mm ; L2=34 mm.
Figure 1. 17. Géométrie de l’antenne dipôle RFID
Le premier résultat de simulation est celui de coefficient de réflexion S11 sur une plage de
fréquences de 0.8 GHz à 1.0 GHz (figure 1.18). L’antenne résonne à 868 MHz et présente un
coefficient de réflexion de -49.9 dB.
XY Plot 1
HFSSDesign1
$162)7
-15.00
Curve Info
-20.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
-25.00
dB(S(1,1))
-30.00
-35.00
-40.00
Name
m1
X
Y
0.8680 -49.9968
-45.00
m1
-50.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 1.18. Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence
La figure 1.19 représente les parties réelle (Ra) et imaginaire (Xa) de l'impédance de l'antenne,
et l’adaptation de l’antenne est jugée comme étant très bonne et son impédance
Z a = (23.2 − j192.8)Ω .
35
XY Plot 4
HFSSDesign1
$162)7
300.00
Name
250.00
X
Y
m1
0.8680 23.2180
m2
0.8680 192.8365
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
m2
200.00
Y1
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
150.00
100.00
50.00
m1
0.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
Figure 1.19. Impédance d’entrée
0.93
0.95
0.98
1.00
Z a de l’antenne dipôle
Nous présentons ci-dessous la figure 1.20, le diagramme de rayonnement de cette antenne
dipôle RFID en 3D. Cette antenne présente un gain maximum de 2.76 dB.
Figure 1. 20. Diagramme de rayonnement en 3D de l’antenne dipôle
L’inconvénient majeur de cette structure d’antenne dipôle est sa taille (20*200 mm2). Cette
grande taille est en fait un désavantage important pour ce prototype dans les conceptions de
Tag RFID. Il existe des techniques de miniaturisation dont celle du repliement afin d’obtenir
une antenne dipôle modifiée et miniaturisée. Nous présentons dans ce qui suit une antenne
miniaturisée (85×22 mm2) [47] avec repliement. Cette antenne Tag est été réalisée avec un
substrat de type PET ayant une permittivité ε r = 3.2 et l’épaisseur de substrat H = 0.05 mm .
L’ensemble des paramètres de notre antenne Tag sont : LS=85mm, L1=22.5mm, L2=22mm,
L3=3mm, L4=34mm, WS=22mm, W1=5mm, W2=3mm, W3=1mm, W9=15mm, W10=5mm,
W11=2mm. La géométrie de l’antenne patch miniaturisée est représentée sur la figure 1.21.
36
Figure 1.21. Géométrie de l’antenne Tag repliée
Les résultats de simulation de cette antenne sont présentés sur la figure 1.22. L’adaptation de
l’antenne est très bonne avec un coefficient de réflexion de -35,3 dB à 914,3 MHz et une
impédance d’entrée de Z a = (16,2 − j196,3)Ω ainsi qu’une bande passante large de 360 MHz.
(b)
(a)
Figure 1. 22. Impédance d’entrée et coefficient de réflexion de l’antenne repliée.
Cette antenne présente un gain maximum de 1.72 dB (figure 1.23). Si on compare l’antenne
dipôle à l’antenne miniaturisée, nous constatons que la taille est réduite mais l’antenne
miniaturisée sera moins efficace avec une diminution au niveau du gain.
Figure 1. 23 Diagrammes de rayonnement
37
Nous avons aussi simulé un Tag RFID-UHF commercialisé de type ANL-9640-Squiggle de
Alien Technology ® [1.48]. Cette antenne "Squiggle" a été conçue avec une puce Alien Higgs
3 EPC Class 1 Gen 2 d’impédance Z c = ( 26 − j163)Ω (figure 1.24). Le substrat industriel
utilisé est le polyester ( H = 50µm , εr = 3.2 , tgδ = 0.003 ). Les dimensions globales de l’antenne
sont 98.18×12.31 mm2.
(a)
(b)
Figure 1. 24. Géométrie de l’antenne RFID commercialisé ANL-9640-Squiggle :
(a) HFSS ; (b) Datasheet [1.46]
La figure 1.25 montre le coefficient de réflexion obtenu pour cette antenne. Une adaptation de
-39.0 dB est obtenue à la fréquence de 940 MHz.
XY Plot 1
HFSSDesign1
-15.00
$162)7
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-20.00
dB(S(1,1))
-25.00
Name
X
Y
m1
0.9400 -39.0333
m2
1.1600 -28.3307
m2
-30.00
-35.00
m1
-40.00
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
Freq [GHz]
1.05
1.10
1.15
1.20
Figure 1. 25. Coefficient de réflexion de l’antenne ANL-9640-Squiggle
La figure 1.26 présente le diagramme de rayonnement de cette antenne en 2 D et 3D.
38
Radiation Pattern 2
-30
HFSSDesign1
Curve Info
m1
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Theta='90deg'
30
-1.00
Name
m1
Phi
Ang
360.0000 -0.0000
$162)7
0
Mag
-7.00
1.0012
-60
60
-13.00
-19.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 1. 26. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle :
(a) Diagrammes de rayonnement en 2D (b) Diagrammes de rayonnement en 3D
Nous avons conçu dans cette partie, différentes prototypes d'antennes Tags RFID avec une
bonne adaptation d’impédance entre les antennes du Tags RFID UHF et l’impédance
complexe conjuguée d’une puce RFID.
1.8. Conclusion
Nous avons tout d'abord présenté, dans ce chapitre, le principe physique du système
RFID-UHF. Pour l’introduire, nous avons rappelé l’historique de la RFID puis nous avons
décrit les différentes composantes d’une chaîne de communication RFID. Nous avons ensuite
brièvement présenté les avantages et les inconvénients de la technologie RFID-UHF. Nous
nous sommes ensuite penchés sur la conception des Tags RFID UHF passifs sous le logiciel
ANSYS HFSS.
39
Bibliographie du chapitre 1
[1.1]
[1.2]
[1.3]
[1.4]
[1.5]
[1.6]
[1.7]
[1.8]
[1.9]
[1.10]
[1.11]
[1.12]
[1.13]
[1.14]
[1.15]
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42
CHAPITRE 2
ANTENNE RFID-UHF EN CHAMP PROCHE
ET LOINTAIN
Les identifications d’objets utilisant les ondes radio (RFID) sont des systèmes basés sur la
technologie d'identification bidirectionnelle à distance et sans contact. Ce type d’application
permet d’extraire des informations stockées dans des Tags RFID. Le principe de
fonctionnement des Tags RFID consiste à rétrodiffuser des informations par modulation afin
d’assurer une communication totale avec les Lecteurs. En UHF, les Tags RFID fonctionnent
en champ proche et en champ lointain avec des performances supérieures à celles des Tags
RFID en HF en termes de simplicité de conception et de fabrication, faible coût et meilleur
distance de lecture.
Dans le cas d’une polarisation linéaire, généralement très utilisée dans les applications RFID
en UHF, le Lecteur émet des ondes électromagnétiques qui, une fois captées par l'antenne de
Tag, alimentent et réveillent la puce contenant les informations. Une des limitations qui
apparait dans les systèmes RFID d’aujourd'hui, est qu'ils ne fonctionnent pas bien à courtes
distances (quelques centimètres maximum). Cette problématique de communication en champ
proche est due à une insuffisance du champ magnétique produit par l’antenne du Lecteur et
Tag ainsi qu’une mauvaise adaptation d’impédance au niveau du Tag. Il est donc important de
concevoir de nouvelles structures d’antennes pouvant fonctionner correctement dans ces
communications en champ proche.
Plusieurs travaux traitant la conception d’antennes en champs proche et lointain ont été
publiés [2.1, 2.2] et ont surtout porté sur les parties des Lecteurs. Dans ce chapitre, nous
présentons la conception d’antennes Tag et Lecteur pour applications RFID en champs proche
et lointain. Nos structures d’antennes sont optimisées et permette d’améliorer l’amplitude du
champ magnétique ainsi qu’une bonne adaptation d’impédance, ce qui abouti à une lecture
"satisfaisante" des informations en champ proche et lointain.
43
2.1. Communication RFID en champ lointain
2.1.1. Formule de Friis
Dans un système RFID, la distance de lecture est limitée par la distance maximale à laquelle
le Tag peut recevoir assez de puissance pour son activation, et la distance maximale à laquelle
le Lecteur peut détecter ce signal rétrodiffusé. Lorsque la puissance d'émission est fixe, la
distance de lecture maximale du système RFID est principalement limitée par le gain de
l'antenne et la fréquence de fonctionnement. La distance de lecture est également sensible à
l’orientation du Tag, aux propriétés des objets auxquels le Tag est attaché, et à
l'environnement de propagation. Supposons que l'énergie RF capturée par le Tag peut être
totalement re-rayonnée dans l'espace. La densité de puissance incidente Sinc à une distance d
où le Tag est placé, est exprimée comme suit (2.1) :
S inc
où
PTLecteur .G Lecteur
=
4 πd 2
(2.1)
PTLecteur : Puissance transmise par le Lecteur RFID (Watt)
G Lecteur : Gain de l’antenne du Lecteur (sans unité)
d : la distance entre le Tag et le Lecteur
La puissance reçue par le Tag PRTag est égale au produit de la densité de puissance émise par le
Lecteur et la surface effective de l’antenne du Tag A e _ Tag .
PRTag = Sinc.Ae _ Tag.χ
(2.2)
λ2
.G Tag
4π
(2.3)
A e _ Tag =
avec
Alors la puissance reçue au niveau du Tag RFID est donnée par l’équation de Friis (2.4) :
2
Tag
R
P
où
§ λ · P Lecteur
=¨
G Lecteur G Tag χ
¸ R
© 4π d ¹
(2.4)
PRTag : Puissance reçue au niveau du Tag RFID (Watt)
44
G Tag : Gain de l’antenne du Tag (sans unité)
λ : Longueur d’onde dans l'espace libre (m)
et
χ : Coefficient d’adaptation de polarisation entre l'antenne du lecteur et l'antenne du Tag
La polarisation de l'antenne du Tag doit être adaptée à l'antenne du Lecteur afin de maximiser
la distance de lecture. Ceci est caractérisé par le coefficient d’adaptation de polarisation. Si les
deux antennes sont parfaitement polarisées,
χ peut être 0 ou 1,0 dB. En général, dans la
majeure partie du champ lointain, l'antenne du Lecteur est polarisée circulairement tandis que
l'antenne Tag est polarisée linéairement. Par conséquent χ peut être 0.5 ou -3 dB. L’antenne
du Tag polarisée circulairement du Tag est préférable pour quelques applications spécifiques
car le signal peut être augmenté de 3,0 dB et l'orientation du Tag est aléatoire. La portée de
l’antenne "read range" en anglais est la distance communication maximale entre le Tag et le
Lecteur. La distance maximale de lecture est obtenue quand
PTTag
est égale au seuil
Tag
(threshold) de puissance de la puce Pseuil (2.5) [2.3] :
Lecteur
.G Lecteur .G Tag .T.χ
λ PT
d=
Tag
4π
p seuil
avec T le coefficient de transmission en puissance et
(2.5)
Tag
Pseuil
est le seuil d’activation minimum
de la puce RFID.
La densité de puissance réfléchie
Sréf est exprimée comme suit (2.6) :
S réf =
PT
Tag
.G Tag
4 .π.d 2
(2.6)
Ainsi, la puissance reçue par le lecteur est (2.7) :
Lecteur
R
P
λ2
= G Lecteur . .S réf .χ
4π
(2.7)
Avec σ est la surface équivalente radar (RCS)
La puissance reçue au niveau du Lecteur RFID est déterminée par l’équation (2.8) :
45
4
Lecteur
R
P
Lecteur
T
=P
.G
2
Lecteur
.G
2
Tag
§ λ ·
.¨
¸ .χ.σ
© 4πd ¹
(2.8)
Nous pouvons identifier dans (2.8) la Puissance Isotrope Rayonnée Effective PIRE (Effective
Isotropic Radiated Power : EIRP) (2.9):
PEIRP = PTLecteur G Lecteur
(2.9)
La PIRE est la puissance rayonnée par rapport à une antenne isotrope pour laquelle GLecteur= 1.
Cette niveau de puissance est fixé par les autorités gouvernementales et ne doit pas dépasser
une certaine valeur maximum [2.4]. Par exemple en Tunisie, la puissance effective rayonnée
est égale à 3.2 W EIRP avec une bande de fréquence située à 865.6-867.6 MHz.
4
Alors
§ λ ·
PRLecteur = PEIRP .G Lecteur .G Tag .¨
¸ .χ.σ
© 4πd ¹
(2.10)
Quand la puissance reçue est égale à la sensibilité du Lecteur, la distance maximale de lecture
pour la liaison de rétro-modulation est exprimée par (2.11) [2.3]:
d rétrodiff
λ
=
4π
4
2
χσ
PTLecteur G 2Lectuer G Tag
Lecteur
Pseuil
(2.11)
Lecteur
est la sensibilité (plus petit signal qu’un lecteur peut détecter) du récepteur du
Avec Pseuil
Lecteur.
2.1.2. Coefficient de transmission en puissance
Dans les systèmes RFID, l’adaptation d'impédance entre l'antenne et la puce lors de la
conception du Tag RFID est primordiale. Cette adaptation d'impédance peut être caractérisée
par le coefficient de réflexion ou de transmission en puissance qui détermine la performance
du Tag RFID. Nous analysons ci-dessous le coefficient de transmission en puissance et son
effet sur le fonctionnement du Tag.
Soit le circuit équivalent du Tag RFID représenté à la figure 2.1, où Z a = R a + jX a est
l'impédance complexe de l’antenne et Z c = R c + jX c est l’impédance complexe de la puce
[2.5]. La source de tension représente une tension du circuit RF entre les bornes de l'antenne
46
de réception. Pour que la puce puisse réponde, l'antenne doit être bien adaptée à la puce du
point de vue seuil de puissance minimum.
Figure 2. 1. Circuit équivalent du Tag RFID
Le coefficient de réflexion complexe est défini par (2.12) :
Z a − Z*c
Γ=
Za + Zc
(2.12)
avec 0 ≤ Γ ≤ 1 ; alors
2
§ Ra
X + Xc ·
2
2
¨¨ + j a
¸ −1
(R a − R c ) + j(X a + X c )
[Ra + j(X a + X c )] − R c
2
R c ¸¹
=
Γ =
© Rc
(2.13)
(R a + R c ) + j(X a + X c )
[R a + j(X a + X c )] + R c =
§ Ra
Xa + Xc ·
¸¸ + 1
¨¨ + j
R
R
c
¹
© c
Soit
X + Xc
Ra
+j a
= r + jy = Za
Rc
Rc
(2.14)
L'impédance d'antenne peut être normalisée à la partie réelle de l'impédance de la puce parce
qu'une antenne Tag RFID est habituellement adaptée aux données de la puce RFID.
D’où
Za − 1
Γ =
Za + 1
2
2
(2.15)
La quantité de puissance Pc qui peut être absorbée par la puce est (2.16) [2.6] :
47
2
Pc = Pa (1 − Γ ) = Pa T
(2.16)
2
Où Pa est la puissance disponible maximum de l'antenne et T = 1 − Γ est le coefficient de
transmission en puissance.
La figure 2.2 présente la transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID.
Figure 2. 2. Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID
Dans le cas d’une adaptation entre l’antenne et la puce, le coefficient de transmission en
puissance est donné par l’équation (2.17) [2.7]:
T=
4R c R a
Zc + Za
2
,0 ≤ T ≤1
(2.17)
Le coefficient de transmission T caractérise directement le degré d'adaptation d'impédance
entre la puce et l'antenne. Dans le cas de la conservation de l’énergie rien ne se perd, rien ne
crée, tout se transforme, on peut écrire (2.18) :
2
T + Γ =1
(2.18)
Les deux impédances Z a et Z c sont liées à la fréquence. De plus, l'impédance Z c de la puce
peut varier avec la puissance absorbée [2.8]. Les ondes électromagnétiques reçues par le Tag
ont pour effet de changer l’impédance de la puce, et ce changement d’impédance, entre deux
états Z 1c et Z c2 , provoque une modulation du signal rétrodiffusé lui permettant de ce propager
du Tag vers le Lecteur. La figure 2.3 présente le circuit équivalent du Tag communicant avec
le Lecteur RFID.
48
Figure 2. 3. Circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID
Pour obtenir le maximum de transfert de puissance entre l'antenne et la puce du Tag, le
principe d’adaptation d’impédance impose que l’impédance de l'antenne doit être le conjugué
*
de l'impédance complexe de la puce Z c = Z a .
L'onde électromagnétique délivrée par le Lecteur, "réveille" le Tag RFID et provoque un
changement d'état d'impédance de la puce. Ceci a pour effet de créer une désadaptation
d'impédance entre l'antenne et la puce créant à son tour une réflexion "indésirable" mais qui
s’avère utile pour la communication entre les deux. Ces deux états d’impédances différentes
permettent de moduler le signal rétrodiffusé par le Tag et de se propager ainsi du Tag vers le
Lecteur. Le premier état d'impédance Z 1c , correspondant à l’adaptation avec l’antenne, permet
à celle-ci de collecter la puissance en provenance du Lecteur. Le second état d’impédance Z c2
correspond à la désadaptation et permet de renvoyer l’information au Lecteur. De plus, et
compte tenu du caractère capacitif de la majorité des puces RFID, l’impédance de notre puce
est non linéaire et varie en fonction de la fréquence F et la puissance d'entrée P appliquée à la
puce. Ceci nécessite de nouvelles méthodes qui permettent la détermination de l'impédance de
la puce RFID-UHF de différentes manières [2.9]. Par exemple, pour la puce NXP UCODE
G2iL et G2iL+ la variation de l’impédance est comme suit [2.11]:
Fréquences (MHz)
Impédances ( Ω )
866
25-237j
915
23-224j
953
21-216j
Tableau 2. 1. Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonction de la
fréquence [2.11]
49
Alors, pour mesurer l’impédance d’entrée de cette puce RFID, il faut appliquer une technique
qui fait appel à un calibrage en réflexion de type OSL (Open, Short, Load). Cette procédure
de mesure, a été introduite dans [2.10]. Il faut utiliser un analyseur de réseau vectoriel (VNA)
et des circuits réalisés sur substrat FR4. L’analyseur de réseau doit être calibré en utilisant ce
calibrage OSL faisant intervenir un court-circuit, un circuit ouvert et une charge adaptée
[1.30]. A l’aide d’un VNA d’impédance caractéristique Z 0 =50 ȍ, le coefficient de réflexion
S11 est mesuré à l’entrée de l’antenne ce qui permet de déterminer l’impédance d’entrée de la
puce Z c .
Zc = −Z0
S11 + 1
S11 − 1
(2.19)
De même, il est possible de mesurer l’impédance des puces par l’utilisation d’une station de
mesure sous pointes. Mais il faut tenir compte de l’impédance parasite apportée par le
packaging et par la technique de fixation.
La tendance actuelle et future sur la RFID consiste à la mise en œuvre de puces RFID-UHF
de petites tailles avec une grande mémoire d’utilisation et un seuil de puissance minimum,
selon les spécifications de la norme EPC Class 1 Gen 2. Ce marché a été principalement
contrôlé par le fabricant Impinj, jusqu'en 2006. Aujourd'hui, le marché des puces RFID-UHF
est partagé par Impinj et d'autres entreprises comme NXP Semi-conducteur de Philips., Alien
Technologie et Texas Instrument. Le tableau 2.2 montre quelques exemples de puces
RFID-UHF les plus utilisées disponibles sur le marché aujourd'hui.
Puce RFID
Puissance minimum de fonctionnement
Rc (ȍ)
Cc (pF)
(dBm)
Alien Higgs 4
-18.5
1500
0.85
Alien Higgs 3
-18
1500
0.85
NXP UCODE
-15
1385
1.16
Impinj Monza 5
-17.8
1800
0.825
Impinj Monza 4
-17.4
1650
1.21
G2XM/ G2XL
Tableau 2. 2. Exemples de puces RFID-UHF disponibles dans le marché aujourd'hui
50
•
Modèle électrique équivalent de la puce RFID
L’impédance de la puce RFID est une expression complexe où la partie réelle est une
résistance et la partie imaginaire est une capacité. La partie réelle Rc de l'impédance de la
puce varie de quelques centaines d’ohms selon les configurations de puces. La partie
imaginaire Xc est négative à cause de l'effet capacitif de la puce et varie comme suit
− 600 Ω < X c < −100 Ω [2.12]. Ainsi une antenne inductive est exigée pour réaliser une
adaptation d’impédance. Le modèle équivalent électrique de l'impédance de la puce peut être
représenté par une résistance et une réactance (capacité) en série ou en parallèle. La figure 2.4
présente le circuit équivalent en parallèle et en série de l'impédance d'entrée de puce.
Figure 2. 4. Circuits équivalents de l'impédance d'entrée de la puce
Pour concevoir des antennes RFID, il faut tout d’abord disposer de la valeur de l’impédance à
l’entrée de l’antenne. Comme nous l’avons vu précédemment, l’antenne RFID doit avoir une
valeur d’impédance égale au conjugué de l’impédance qui lui est présentée pour obtenir le
maximum de transfert d’énergie pour alimentant la puce RFID. Dans le cas d’un circuit
équivalent parallèle Zc = R c // X c avec X c =
−j
−j
.
=
Cω 2πFr C
2.1.3. Surface équivalente radar pour les systèmes passifs des Tags RFID en
UHF
La Surface Equivalente Radar (SER) du Tag RFID est un paramètre important qui détermine
la puissance du signal modulé et re-réfléchi par l’antenne du Tag vers le Lecteur. Elle
caractérise la capacité d’un Tag à rayonner l'énergie électromagnétique reçue du Lecteur. Ils
existent deux modes de rétrodiffusion de la SER des cibles interrogées, appelés "mode de
structure" et "mode d’antenne". Ces deux modes définissent la SER totale d’une cible [2.13].
51
La SER de l’antenne σ est alors défini par : σ = σ struct+ σ ant.
•
Equations de SER en mode structure
La surface équivalente radar σ est une mesure de puissance re-rayonnée par une cible dans
une direction donnée quand celle-ci est illuminée par une onde incidente. La SER d’un objet
est définie comme suit (2.20) [2.14]:
1 2πRE struct
πRE ant
σ=
− (1 − Γ )
Einc
Einc
π
2
(2.20)
a
Où R : la distance entre l'antenne du Lecteur et l’antenne du Tag ;
Estruct : le champ électrique du mode structure vers l'antenne du Lecteur (court-circuit) ;
Einc : le champ électrique incident vers l'antenne du Tag ;
Γa : le coefficient de réflexion de l’antenne du Tag ;
Eant : la force du champ électrique du mode antenne vers l'antenne du Lecteur ;
Le champ électrique E est lié à la densité de puissance S (2.21):
E = 2η0S
(2.21)
avec η 0 est l'impédance de l’onde dans le vide.
alors l’expression de SER devient (2.22):
S
S
1
σ = 2πR struct − (1 − Γa )πR ant
S inc
Sinc
π
2
(2.22)
Pour calculer la SER en mode antenne, nous considérons une autre définition de SER [2.14]:
σ = lim 4 ʌR 2
R →∞
Sréf
Sinc
2
(2.23)
Sréf est la densité de puissance réfléchie et Sinc est la densité de puissance incidente, avec :
52
Tag
Sréf =
Sinc =
et
PT .GTag
(2.24)
4πR 2
PT
Lecteur
.GLecteur
4πR 2
(2.25)
La puissance transmise (re-rayonnée) par le Tag est exprimée par (2.26):
PT
Tag
= PR
Tag
.K .
K = 1 − Γ*
avec
(2.26)
2
(2.27)
Où Γ * est le coefficient de réflexion modifié défini par [2.15]:
*
Z − Za
Γ = c
Za + Zc
*
K=
alors
4R a
(2.28)
2
Za + Zc
(2.29)
2
Donc l’expression de SER devient [2.15, 2.16] :
2
σ = Ae _ Tag . GTag . K =
λ2 .G tag .R a
π Za + Z c
2
2
(2.30)
Nous remarquons qu’à partir de l’équation (2.29), la modulation de l’impédance de la puce
entraîne une variation de la surface équivalente radar du Tag entrainant à son tour une
modulation du signal réfléchi vers le Lecteur.
•
Equations de SER en mode antenne
Un Tag situé dans la zone de rayonnement de l'antenne du Lecteur capte la puissance de
l'onde incidente puis en délivre une partie vers la puce d’impédance de charge Z c . Le reste de
la puissance est re-rayonné dans l'espace par l’antenne du Tag. La partie réelle de l’impédance
de l’antenne est divisée en deux parties : la résistance de rayonnement R r et la résistance des
pertes par effets joules de l’antenne R L . La figure 2.5 représente le circuit équivalent de
l’antenne du Tag.
53
Figure 2. 5. Schéma équivalent de Thévenin du Tag RFID
Lorsqu'une onde arrive à l’entrée de l'antenne, la puissance incidente génère un courant I dans
le circuit. Le courant I est déterminé par le quotient de la tension incidente de l’antenne du
Tag sur la série des différentes impédances (2.31) :
I=
V
V
=
Z a + Z c (R r + R L + R c ) + j(X a + X c )
(2.31)
Où I et V sont les expressions générales complexes de la tension et du courant.
La puissance fournie par l'antenne à la puce est (2.32) :
2
Tag
R
P
V eff R c
2
= I eff R c =
(R r + R L + R C ) 2 + (X a + X c ) 2
(2.32)
L’ouverture effective de l’antenne du Tag A e _ Tag est le quotient de la puissance reçue par la
densité de puissance émise Sin (2.33).
2
A e _ tag =
V eff R c
Tag
R
P
=
Sin
Sin [(R r + R L + R c ) 2 + (X a + X c ) 2 ]
(2.33)
Dans le cas, d’une adaptation entre l’antenne et la puce, c'est à dire Rc = R r + R L et X a = −X c .
L’ouverture effective maximum de l’antenne du Tag est obtenue par (2.34) :
A emax
_ tag =
V eff
2
4Sin R c
(2.34)
54
Puisque R a = R r + R L une partie de la puissance sera dissipée sous forme de chaleur (2.35):
2
(2.35)
PL = I eff R L
La puissance re-rayonnée dans l'espace par l'antenne est la suivante (2.36):
2
V eff R r
2
PTTag = I eff R r =
( R r + R L + R c ) 2 + (X a + X c ) 2
(2.36)
La SER en mode antenne peut être définie comme le rapport de la puissance re-rayonnée par
la densité de puissance émise Sin (2.37) :
2
σ ant
V eff R r
P Tag
= T =
Sin
Sin [(R r + R L + R c ) 2 + (X a + X c ) 2 ]
(2.37)
Quand l'antenne fonctionne avec un maximum de transfert de puissance et sans pertes, c'est-àdire R L = 0 , R r = R c et X a = −X c , nous avons (2.38) :
σ ant =
V eff
2
(2.38)
4Sin R r
max
Dans le cas d’adaptation d’impédance où R r = R c , σant = Ae _ Tag
(2.39)
Ceci veut dire que seulement la moitié de toute la puissance correspondante à l'onde incidente
est fournie à la résistance R c , l'autre moitié est re-rayonnée dans l'espace par l'antenne du Tag.
Quand l'antenne est court-circuitée avec ( R c = 0 et X c = −X a ), la SER du mode antenne est
exprimée par (2.40) et est 4 fois plus grande que son ouverture effective maximale.
max
σ ant
=
V eff
2
Sin R r
= 4A emax
− Tag
(2.40)
Pour le cas d’un circuit ouvert ( Z c → ∞ ) la SER est nulle (2.41) :
min
σ ant
=0
Zc →∞
(2.41)
55
La SER en mode antenne peut prendre ainsi des valeurs allant de 0 à 4A emax
selon
_ Tag
l’impédance Z c . La SER avec antenne court-circuitée est 4 fois plus grande qu’avec une
antenne adaptée. Cette propriété est utilisée pour la transmission des données du Tag au
lecteur dans des systèmes RFID avec rétro-modulation du signal.
2.2. Communication RFID-UHF en champ proche
La communication en champ proche est consiste à faire fonctionner le système RFID-UHF
sur de courtes distances et en présence de différents objets de manière aussi fiable qu’un
système RFID LF/HF. Dans la plupart des cas, les Tags RFID-UHF ne fonctionnent pas à des
courtes distances et nécessite une grande puissance de sortie de Lecteur RFID pour un
fonctionnement en champ proche [2.18]. Certaines applications nécessitent que la zone de
lecture soit située à courte portée et le Lecteur RFID peut involontairement détecter d'autres
Tags présentes dans la région du champ lointain. Ci-dessous, nous décrivons plusieurs
solutions pour les systèmes RFID-UHF en champ proche et surtout nos propres solutions que
nous avons proposées pour la communication RFID-UHF en champ proche.
2.2.1. Champ proche en RFID
Comme tous les systèmes de communication sans fil, la RFID se base sur la propagation
électromagnétique pour assurer un bon fonctionnement entre le Lecteur et le Tag. En champ
proche, le champ électromagnétique est situé dans la région à proximité de l’antenne dans
laquelle les champs varient considérablement d’un point à l’autre et n’ont donc pas les
caractéristique d’une d’onde plane. Dans cette région, le champ est presque uniquement
magnétique puisque la composante électrique est très faible. Ceci engendre un couplage
inductif en zone de champ proche. Pour les antennes électriquement petites, cette distance est
définie par la relation suivante (2.42) :
d champ _ proche =
λ
2π
(2.42)
Les systèmes RFID en champ proche fonctionnent par couplage magnétique ou bien couplage
inductif à 125-148 kHz et 13,56 MHz, pour des applications à courtes distances (jusqu’à
50 cm). Les Tags HF utilisent des antennes magnétiques ayant la forme d’une bobine
purement inductive d’inductance L qui joue le rôle de l’antenne. Elle est reliée à une puce,
contenant l’information et une capacité C permettant de faire résonner le circuit LC à la
56
fréquence désirée. Lorsque le circuit entre en résonance LC, la fréquence de résonance du
système RFID est (2.43) :
Fr =
1
2π L C
(2.43)
Dans un système RFID, le couplage inductif se base sur la boucle de conduction
L1
parcourue par un courant variable dans le temps i 1 ( t ) qui serait l'antenne d'émetteur du
Lecteur (figure 2.6). La boucle L 2 représente l’antenne du Tag avec R 2 est la résistance de
bobine de l'antenne du Tag et R L représente la résistance de charge.
Figure 2. 6. Boucle de conduction par couplage magnétique (a) ; circuit équivalent pour une boucle
de conduction par couplage magnétique (b) [1.25].
En champ proche, c’est la composante du champ magnétique qui contribue le plus dans
l’apport d’énergie. Le champ d’induction magnétique B peut être déterminé par la loi de
Biot-Savart qui décroit rapidement avec la distance en 1/r3 (2.44) :
&
& µ 0 .I d l .&r
dB =
4π r 3
(2.44)
Ainsi on définit l’intensité du champ d’induction magnétique B à la distance x du centre de la
bobine (x=0) (2.45) [1.25] :
B=
µ 0 .I.N.r 2
2 (r 2 + x 2 ) 3
(2.45)
57
Avec I : courant circulant dans la bobine ;
N : nombre de spires de la bobine ;
r : rayon de la bobine ;
x : distance de la perpendiculaire au centre de la bobine ;
La relation liant le champ d’induction magnétique B à l’intensité du champ magnétique H
(2.46) :
B = µ 0 .µ r .H = µ.H
(2.46)
On peut ainsi écrire l’expression du champ magnétique par (2.47) :
H=
I.N.r 2
2 (r 2 + x 2 ) 3
(2.47)
La mutuelle inductance est une description quantitative de l'accouplement de flux de deux
boucles conductrices. Nous pouvons définir le coefficient de couplage K par (2.48) :
K=
M
,0 ≤ k ≤1
L 1 .L 2
(2.48)
Ce coefficient varie entre :
9 K=0 : découplage total, les bobines n’ont aucune interaction entre elles.
9 K=1 : couplage total, transformateur parfait.
Une approximation peut être réalisée dans le cas où le système est constitué de deux bobines
plates parfaitement alignées, espacées d’une distance x et ayant rTag ≤ rLecteur (2.49) :
K (x ) ≈
2
2
rTag
.rlecteur
2
rTag .rlecteur .( x 2 + rlecteur
)3
(2.49)
En raison du lien fixe entre le coefficient de couplage K et l'inductance mutuelle M, et en
raison du rapport M = M12 = M12 , la formule s'applique également aux antennes émettrices qui
sont plus petites que les antennes réceptrices de Tag avec rTag ≥ rlecteur (2.50) [1.25] :
58
k (x ) ≈
2
2
rTag
.rlecteur
2
rTag .rlecteur .( x 2 + rTag
)3
(2.50)
Le couplage total K ( x ) = 1 (100 %) est réalisé si la distance entre les deux bobines est nulle
(x = 0) et les rayons d'antenne sont identiques ( rTag = rLecteur ). Dans ce cas les deux bobines
sont dans le même lieu et elles sont exposées exactement au même flux magnétique ψ . Dans
la pratique les Tag couplés inductivement fonctionnent avec des coefficients de couplage
pouvant être inférieurs à 0,01 (% 1%) [1.25].
2.2.2. La technologie RFID-UHF en Champ proche
Un système RFID-UHF fonctionne à la fois en champ proche et en champ lointain.
Actuellement, la technologie RFID-UHF est considérée comme étant une solution possible
d’identification en champ proche. Le système RFID UHF passif apporte plusieurs
améliorations en champ proche par rapports aux RFID-LF / HF comme la capacité de détecter
des marqueurs à courte et à longue portées. La vitesse de détection UHF est plus rapide qu’en
HF et le coût de fabrication des tags est sensiblement moins élevé que les Tags HF. Un test de
cette technologie RFID-UHF, pour l'identification des produits pharmaceutiques tout au long
de leurs chaînes d'approvisionnement a montré qu’elle peut offrir des performances
d'identification significativement supérieures que la RFID-HF passives [2.17]. La RFID-UHF
fonctionne en champ proche sur de courtes distances et sur différents objets. Elle fonctionne
en champ lointain par les ondes électromagnétiques (EM) et communique en champ proche
par couplage électrique (capacitif) ou magnétique (inductif).
2.2.2.1. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF champ proche
Pour les Lecteurs RFID-UHF champ proche, le couplage inductif est préférable pour la
plupart des applications, puisque la plupart de l'énergie réactive est stockée dans le champ
magnétique. Le système RFID avec couplage inductif est capable de fonctionner à proximité
immédiate des métaux et des liquides mais il est affecté par l'environnement d'objets à haute
perméabilité magnétique.
Depuis de nombreuses années, les antennes boucle "classiques", sensibles en réception au
champ magnétique, ont été utilisés comme antennes pour lecture RFID LF / HF car leurs
antennes cadres dite "magnétiques" sont capables de produire un champ magnétique fort et
uniforme dans la région autour de l'antenne. Toutefois, lorsque la fréquence de
59
fonctionnement de l'antenne augmente jusqu’en UHF, le périmètre de l'antenne en boucle
devient comparable à la longueur d'onde guidée. Cette antenne ne peut pas produire un champ
magnétique uniforme puisque le courant circulant le long de la boucle présente une inversion
de phase et s’annule le long de la circonférence. La conséquence est que l'antenne produit un
champ magnétique relativement faible dans certaines régions de l'antenne boucle qui dégrade
la fiabilité de détection des Tags RFID.
Le défi de conception de l'antenne Lecteur RFID-UHF en champ proche est de s'assurer que
le courant est en phase et constant le long de l’antenne boucle, pour que la distribution de
champ magnétique soit fort et uniforme dans la région de champ proche. Un certain nombre
de techniques ont été présentées pour la conception d’antennes Lecteur RFID-UHF en champ
proche, permettant d’avoir une distribution uniforme du champ magnétique dans la zone
d'interrogation.
La technique de segmentation est la plus utilisée dans la conception d’antenne Lecteur
RFID-UHF champ proche. Chaque segment génère un champ magnétique individuel. Ces
segments sont disposés de telle sorte que les champs magnétiques individuels sont cumulés,
pour former un champ magnétique total utilisé pour lire les Tags RFID. En segmentant
l’antenne boucle, son périmètre devient supérieur à la longueur d'onde guidée afin d’avoir une
répartition uniforme du courant et obtenir ainsi la distance de lecture souhaitée. Les antennes
segmentées ont été construits pour fonctionner à la fréquence de résonance souhaitée tout en
assurant un bon couplage magnétique [2.19]. Dans l’article de X. Qing et al. [2.20], les
auteurs présentent la conception d’antenne cadre électriquement large avec une taille globale
de 160×180×0,5 mm3 à la bande UHF avec une distribution de champ magnétique uniforme
pour les applications RFID (figure 2.7).
Figure 2. 7. Configuration de l'antenne boucle segmentée [2.20].
60
En conservant le principe de segmentation, en 2010, de X. Qing et al. [2.21] ont présenté une
antenne large bande segmentée, avec la capacité de produire un champ magnétique fort
(figure 2.8).
Figure 2. 8. Configuration de l'antenne cadre segmentée [2.21].
X. Li, et al. [2.22] ont présentés une configuration d’antenne avec deux dipôles imprimés sous
forme d’une structure en boucle qui fournit bonne performance magnétique dans le champ
proche. Le Lecteur présenté dans [2.23] utilise une antenne électriquement large à double
boucle pour Lecteur RFID-UHF. L'antenne proposée est composé d'une boucle principale et
une boucle parasite dans lequel les boucles sont réalisées en utilisant des lignes segmentées
Figure 2. 9. Photo du prototype d'antenne pour lecteur RFID-UHF [2.23]
Enfin en 2014, de nouveaux travaux [2.24, 2.25] ont présentés d’autres solutions pour la
communication RFID-UHF en champ proche avec une répartition du champ magnétique forte
et uniforme dans une large zone d'interrogation.
61
2.2.2.2. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain
Afin d'identifier efficacement les Tags dans le système RFID-UHF champ proche, un champ
magnétique fort et uniforme produit par l'antenne du Lecteur est nécessaire. D’autres
applications RFID nécessitent la communication en champ proche et en champ lointain. Bien
que plusieurs travaux ont été effectués sur les antennes de Lecture RFID-UHF en champ
proche, nous trouvons à peine des publications sur la conception de l'antenne du Lecteur pour
les opérations en champ proche et lointain à la même fréquence simultanément. Les exigences
d'antenne pour le système RFID en champ proche sont différentes de ceux du système de
RFID en champ lointain. Une antenne qui propose la distribution de champ magnétique
uniforme dans la région de champ proche tout en fournissant une performance souhaitée de
rayonnement en champ lointain est souhaitable pour réduire les coûts, augmenter la flexibilité
et simplifie la complexité du système RFID. Des brevets [2.26, 2.27] ont été publiés par
Oliver qui a proposé des antennes boucles segmentées fonctionnant en champ proche et
lointain. En 2011, B. Shrestha et al. [2.28] proposent une antenne patch inclus à l'intérieur
d’une boucle segmentée fonctionnant simultanément en champ proche et lointain. La
technique de la boucle segmentée est mise en œuvre pour le fonctionnement en champ proche,
alors que l’antenne Patch est inclus à l'intérieur de la boucle pour le fonctionnement en champ
lointain. Finalement, les auteurs [2.29] ont proposé une antenne dipôle compacte repliée avec
un résonateur en anneau fendu (Split Ring Resonator : SRR) pour les applications RFID-UHF
mobile.
2.2.2.3. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain
Une des limitations qui apparait dans le fonctionnement des Tags RFID-UHF d’aujourd'hui,
est qu'ils ne fonctionnent pas bien à courtes distances (champ proche). Il est donc important
de concevoir de nouvelles antennes Tags RFID-UHF pouvant fonctionner correctement dans
ces communications en champ proche. Plusieurs travaux traitant de la conception d’antennes
en champs proche et lointain ont été publiés et ont surtout porté sur les parties des Lecteurs.
Cependant, peu de papiers traitent des antennes Tags fonctionnant en champ proche et
lointain. Dans [2.30-2.31], les auteurs présentent la conception d'antennes pour Lecteur et Tag
RFID en champ proche. Ces antennes RFID opérant dans le champ proche sont plus fiables
dans de nombreuses applications RFID où la distance de lecture n'est pas le facteur important.
Dans [2.32], les auteurs ont proposé deux antennes compactes pour Tag RFID-UHF basées
sur un résonateur répartiteur en forme d’anneau (SRR). Ces antennes fonctionnant en champ
62
proche ont un faible gain de -4.0 dB, une largeur de bande étroite de 13.0 MHz et une
distance de lecture de l’ordre de 50 cm
2.3. Antennes pour Tags et Lecteurs RFID-UHF en champ
proche et lointain
Pour assurer un bon fonctionnement en champ proche, la portée dépend de l'intensité du
champ magnétique produit par l'antenne du Lecteur, de la taille et de l'orientation du Tag, de
la sensibilité du récepteur de l’interrogateur et du Tag. Pour un bon fonctionnement en champ
lointain, le gain, la polarisation et l'orientation des antennes du Lecteur et du Tag ainsi que la
sensibilité du Lecteur et du Tag déterminent la distance de Lecture. Il est important d’étudier
les performances des antennes du Lecteur et du Tag pour aboutir à une meilleure
communication aussi bien en champ proche qu’en champ lointain.
La performance du Tag RFID pour des opérations en champ proche et lointain dépend de la
tolérance sur la fréquence de résonance du Tag qui est causée par la déviation de la self
inductance (L) et la capacité (C) constituant l’antenne. En outre, pour l'application de Tag
RFID-UHF en champ proche, la déviation de fréquence a une grande influence sur l'intensité
du champ magnétique minimum (Hmin) qui peut affecter la détection de Tag à l'intérieur ou à
l'extérieur de la limite de la région de champ proche. Par conséquent, les valeurs de tolérance
des composants utilisés dans la technologie de Tag RFID-UHF comme la condensateur,
l’inductance, et la puce RFID doivent être réduits au minimum afin d'optimiser l'intensité du
champ magnétique minimum.
Comme nous l’avons vu la communication en champ proche nécessite un champ magnétique
fort et uniforme mais nécessite aussi une bonne adaptation d’impédance du Tag. L’adaptation
est très importante pour des applications RFID-UHF en champ proche et lointain car la
distance de fonctionnement dépend en grande partie de la quantité d’énergie qu’un Tag est
capable de récupérer du Lecteur pour bien fonctionner.
2.3.1. Adaptation d’impédance des antennes de Tags RFID-UHF
Le maximum de puissance fournie à la charge est donc obtenu lorsque l’adaptation
d’impédances entre le Tag e la puce est réalisée et plusieurs techniques y ont été utilisées
[2.33, 2.34]. Dans [2.34], les auteurs présentent des techniques d'adaptation d'impédance, par
T-mach, par couplage à proximité de boucle où la puce est adaptée à l'antenne à travers une
63
boucle de couplage inductif, et par la configuration en fentes imbriquées où la puce est
adaptée
par
des
fentes
Tags à proximité de métaux
qui
sont
[2.35].
généralement
Cependant,
la
utilisées
plupart
pour
des
concevoir
Tags
des
RFID-UHF
commercialisées sont à base des antennes dipôles utilisant la configuration T-match [2.36,
2.37]. Ce type d’adaptation est largement utilisé dans les Tags RFID-UHF car il permet
l’adaptation entre la puce et l'antenne de Tag à la fréquence désirée au moyen d'une structure
simple et fiable, sans entraîner une augmentation importante du coût du Tag et de sa taille.
Des exemples de différentes antennes sont représentés sur la figure. 2.10.
(a)
(b)
(c)
Figure 2. 10. Exemples d'adaptation de la configuration en (a) T-match, (b) par couplage
inductif à proximité de boucle, et (c) par la configuration en fentes imbriquées [2.34].
Des applications RFID-UHF nécessitent souvent des Tags de petite taille, car ils seront
généralement attachés à des objets ayant aussi des tailles réduites. Ensuite, l'antenne Tag doit
être miniaturisée sans dégradation de ses performances. La taille de l'antenne et la fréquence
de fonctionnement imposent des limites sur le gain maximal réalisable et la bande passante et
ainsi que sur l’efficacité de l’antenne [2.38]. Il faut donc un compromis entre la
miniaturisation de l’antenne et son gain, son efficacité et sa bande passante pour éviter la de
dégrader ses performances. Une réduction du gain de l'antenne Tag réduit nécessairement la
distance de lecture. Une des techniques qui est utilisée pour la miniaturisation est celle par
repliement pour avoir des antennes méandres [2.39] ou à fentes. Pour d’autres applications où
la miniaturisation de la RFID n'est pas obligatoire, la miniaturisation n’est pas toujours le
critère le plus important pour de meilleures performances de Tag RFID-UHF.
64
Dans notre étude [2.40], nous avons adapté l’antenne à deux valeurs d’impédance de la puce
NXP UCODE G2XL [2.41]. Ces deux valeurs sont l’impédance mesurée de la puce et
l’impédance donnée par le constructeur sur sa notice. L’impédance de la puce est non-linéaire,
varie en fonction de la fréquence et de la puissance reçue, et varie ainsi entre deux états
d’impédances différentes Z1c et Z c2 .
9 Antenne adaptée à l’impédance de la notice du constructeur de la puce
La structure de l'antenne Tag RFID-UHF qui nous proposons est représentée à la figure 2.11.
Notre antenne est constituée d'une petite boucle d’adaptation et une antenne dipôle méandre.
(a)
(b)
Figure 2. 11. Géométrie de l'antenne proposée : (a) Vue de dessus (b) Vue de côté
L'antenne est conçue sur un substrat polyester (PET) d’épaisseur H = 50 µ m , de constante
diélectrique relative ε r = 3, 2 , et de tangente des pertes tan δ = 0.003 ). La taille globale est
de 77 × 14 mm2. L'épaisseur des métallisations d'aluminium est de 9µm . La fréquence de
fonctionnement du Tag est 915 MHz dans la bande UHF. Les paramètres d’optimisation de
l'antenne sont regroupés dans le tableau 2.3.
Variable
L1
L2
L3
L4
L5
L6
W1
W2
W3
W4
W5
(mm)
21
21
15
73
3,5
2
8
9,5
8,5
1
0,5
Tableau 2. 3 Paramètre de
l’antenne Tag
65
La structure de l'antenne que nous avons proposée est optimisée pour une puce du Tag ayant
Datasheet
une impédance donnée par la fiche technique Z c
= (22 − j193)Ω à une fréquence de
résonance de 915 MHz. Pour transmettre la puissance maximale de l'antenne à la puce,
l'impédance de l'antenne doit être le conjugué de celle de la puce, c’est à dire
Za = (22 + j193)Ω . Comme l'impédance la puce RFID est capacitive, l’impédance
conjuguée doit être inductive. Nous avons conçue notre antenne en utilisant l'outil de
simulation électromagnétique Ansoft HFSS [2.42] qui nous a permis de calculer le coefficient
de réflexion, le gain de l'antenne et son impédance d’entrée. Nous avons obtenu le coefficient
de réflexion de 48,6 dB à la fréquence de 913 MHz (figure 2.12). La figure 2.13 montre les
parties réelles et imaginaires de l'impédance Za = (22.1 + j194.4)Ω . Nous remarquons que
l’antenne Tag est bien adaptée à l’impédance de la puce permettant d’avoir de bonnes
performances du Tag.
XY Plot 3
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
m2
-10.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
m3
-15.00
Name
-20.00
X
Y
m1
0.9131 -48.6863
m2
0.6455 -10.1572
m3
0.9636 -9.7005
d B(S(1,1 ))
-25.00
-30.00
Name
Delta(X)
Delta(Y)
Slope(Y)
InvSlope(Y)
d( m2,m3)
0.3182
0.4567
1.4353
0.6967
-35.00
-40.00
-45.00
m1
-50.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
225.00
Curve Info
200.00
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
m2
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
Name
175.00
X
Y
m1
0.9131 22.1185
m2
0.9131 194.4295
150.00
Y1
125.00
100.00
75.00
50.00
25.00
m1
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 13. Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée
66
Notre antenne présente un gain de 1.21 dB à la fréquence de 915 MHz. La figure 2.14 montre
le diagramme de rayonnement 2D et 3D d’antenne Tag.
Radiation Pattern 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
Curve Info
0
-30
max(dB(GainTotal))
Freq='0.915GHz'
30
-1.00
-7.00
-60
60
-13.00
-19.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 2. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D
(b) 3D
9 Antenne adaptée à l’impédance mesurée de la puce NXP GX2L
L'impédance de la puce n'est pas constante, elle varie en fonction de la fréquence et de la
puissance reçue par la puce. Ses parties réelles et imaginaires ont été mesurées en fonction de
la puissance pour une fréquence fixe de 915 MHz et en fonction de la fréquence pour une
puissance fixe de -2,6 dBm [2.43]. La figure 2.15 montre les parties réelle et imaginaire de
l'impédance d'entrée de la puce NXP GX2L mesurées en fonction de la puissance (figure
2.15a) et de la fréquence (figure 2.15b).
67
.
Figure 2. 15. Impédance d'entrée de la puce NXP (partie réelle et imaginaire) en fonction de :
(a) la fréquence avec P = -2,6 dBm (b) la puissance d'entrée à 915 MHz [2.43]
Une procédure de calibrage OSL a été utilisée pour extraire les valeurs mesurées de
l'impédance de la puce, qui est Z cMesuré = (25.6 − j147.79)Ω .
L’impédance de l'antenne du Tag RFID doit être adaptée à l'impédance mesurée de la puce
pour assurer un bon transfert d’énergie. Une boucle rectangulaire d'adaptation est utilisée pour
ajuster le coefficient de transmission de puissance entre l'antenne du Tag et la puce. Les deux
figures 2.16 et 2.17 montrent les variations du coefficient de réflexion et celles de l'impédance
d’entrée de l'antenne en fonction du largueur W1. Notre antenne est optimisée pour W1=6 mm
et avec des pertes par réflexion de 41,7 dB à la fréquence de 923 MHz.
XY Plot 3
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-8mm'
-10.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7.5mm'
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7mm'
-15.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6.5mm'
m6
-20.00
dB(S(port,port))
Name
-25.00
-30.00
X
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6mm'
Y
m1
0.9232 -41.7075
m2
0.9131 -30.5071
m3
0.8980 -24.7801
m4
0.8727 -23.2779
m5
0.8374 -22.4991
m6
0.9131 -19.5135
m5
m4
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-5.5mm'
m3
m2
-35.00
-40.00
m1
-45.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre en fonction de W1
68
XY Plot 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
140.00
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
220.00
Curve Info
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-8mm'
Curve Info
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-8mm'
120.00
Name
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7.5mm'
Y
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-7.5mm'
Name
180.00
m1
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7mm'
0.9232 25.0321
160.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6mm'
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-6mm'
m1
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-5.5mm'
140.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-5.5mm'
60.00
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-7mm'
Y
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-6.5mm'
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6.5mm'
80.00
X
0.9232 145.4125
i m ( Z ( p o r t,p o r t) )
r e ( Z ( p o r t,p o r t) )
X
m1
100.00
200.00
120.00
40.00
100.00
m1
20.00
80.00
60.00
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
0.60
0.70
0.80
Freq [GHz]
0.90
1.00
Freq [GHz]
Figure 2. 17. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de W1
A partir du résultat, nous pouvons voir que par la diminution de la taille de la boucle,
l'impédance (parties réelles et imaginaires) de l'antenne diminue. Les caractéristiques
d'impédance montrent que la résistance et la réactance de l'impédance d'entrée de l'antenne
varient autour de la valeur conjuguée d’impédance d'entrée de la puce. Cette antenne peut être
facilement réglée par ajustement des dimensions pour avoir une meilleure adaptation à la
réactance capacitive de la puce. La longueur L1 peut être modifiée aussi pour obtenir une
résistance et la réactance optimale. Les variations du coefficient de réflexion de l'antenne du
Tag en fonction de L1 sont montrées à la figure 2.18. Alors si L1 augmente, la fréquence de
résonnance diminue par exemple si L1=20 mm, la fréquence égale à 948.5 MHz et si
L1=25 mm, la fréquence égale à 887.9 MHz. La résistance et la réactance sont contrôlées
aussi par simple ajustement de L1 (figure 2.19).
XY Plot 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
-10.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='20mm'
-15.00
Name
d B (S (p o rt,p o rt))
-20.00
-25.00
X
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
Y
m1
0.9384 -49.5482
m2
0.9232 -39.7034
m3
0.9485 -38.8358
m4
0.9131 -36.5527
m5
0.9030 -32.9617
m6
0.8879 -30.5322
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='23mm'
-30.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='24mm'
m6
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='25mm'
m5
-35.00
m4
m3
m2
-40.00
-45.00
m1
-50.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1
69
1.10
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
160.00
Curve Inf o
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
m2
140.00
Name
120.00
X
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
Y
m1
0.9384 26.0494
m2
0.9384 148.7315
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='23mm'
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='24mm'
100.00
Y1
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='25mm'
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='20mm'
80.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
60.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
40.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
m1
20.00
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 19. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1
Nous remarquons que l’adaptation d’impédance est obtenue avec Za = (25,03 + j145,4)Ω à
938,4 MHz pour L1 = 23 mm, et W1 = 6 mm. Les diverses technologies de fabrication des
puces, font qu’il y a une différence entre l'impédance publiée par le constructeur et celle
mesurée. De même l’impédance de la puce peut varie d’une méthode de mesure à une autre.
Quelque soit l’impédance mesuré, l’adaptation peut être obtenue en changeant L1 et W1.
2.3.2. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et
lointain
Pour les applications RFID-UHF, la communication en champ proche nécessite un champ
magnétique fort avec une distribution uniforme. Une bonne conception d’antenne est de
maintenir le courant le long de ses bords à la même grandeur et à la même phase. Comme
nous l’avons vu (§2.3.1), l’adaptation est obtenue par une configuration "T-match" ou bien
par un couplage inductif [2.44]. Dans ce qui suit, nous montrons les performances des
antennes que nous avons conçues et caractérisées en champ proche avec ces deux
configurations d’adaptation.
2.3.2.1. Antenne Patch avec deux types d’adaptation
Dans ce travail [2.45], nous nous sommes fixés pour objectif l'amélioration des performances
de notre antenne Tag RFID-UHF en champ proche. Pour avoir un champ magnétique
suffisant d’antenne Tag RFID en champ proche, nous avons donc utilisé la configuration
T-match avec une surface rayonnante rectangulaire ou bien circulaire. Dans ce cas, les ondes
électromagnétiques sont rayonnées par l'antenne avec le couplage inductif. Celui-ci génère
70
une discontinuité de champ magnétique et électrique entre la boucle d’adaptation et l’élément
rayonnant.
La structure d’antenne Tag RFID avec un plan de masse, que nous avons proposée, basée sur
ce couplage et adaptation en T, montrée à la figure 2.20.
Figure 2. 20. Structure d’antenne Tag avec configuration T-match
Dans notre étude, nous avons choisi le substrat polyéthylène d’épaisseur H=1,57 mm dont les
de permitivité ε r = 2,25 et de tan δ = 0,01. L’adaptation de notre antenne a été réalisée avec
une puce ayant une impédance Z c = (12 − j155)Ω . La fréquence de résonance de notre
antenne Tag RFID-UHF est de 900 MHz. Les dimensions optimisées de notre antenne Patch
rectangulaire sont regroupés dans le tableau 2.4.
Variable
A
B
C
d
E
(mm)
112
120
83
27
9
Tableau 2. 4. Paramètre de l’antenne Patch
La figure 2.21, ci-dessous, montre le coefficient de réflexion et l’impédance d’entrée de notre
antenne. Son adaptation est bonne avec S11 = -25,3 dB à 900 MHz avec une impédance
Z a = ( 28 .2 − j160 .2)Ω et une bande passante étroite de 32 MHz.
71
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
15.00
Name
10.00
m1
X
0.9000
HFSSDesign1
5000.00
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
Y
XY Plot 2
Ansoft Corporation
Curve Info
4000.00
-25.3933
Name
X
Y
Curve Info
m1
0.9000
28.2414
m2
0.9000
160.2959
im(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
re(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
5.00
0.00
2000.00
-5.00
Y1
d B ( S (L u m p P o r t1 ,L u m p P o rt1 ) )
3000.00
BP=32 MHz
1000.00
-10.00
m2
m1
0.00
-15.00
-1000.00
-20.00
-2000.00
m1
-25.00
-30.00
-3000.00
0.70
0.75
0.80
0.85
Freq [GHz]
0.90
0.95
1.00
0.70
0.75
0.80
0.85
Freq [GHz]
0.90
0.95
1.00
Figure 2. 21. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne
La figure 2.22 montre la différence de distribution du champ magnétique proche de notre
antenne Tag alimentée par couplage inductif et avec la configuration T-match. Nous
constatons que le maximum de champ magnétique de l’antenne à couplage inductif (figure
2.22a) est de l’ordre de 8A/m et localisé juste autour de la boucle rectangulaire
d’alimentation. Alors que le champ magnétique de l’antenne avec configuration T-match
(figure 2.22b) est plus élevé (de l’ordre de 20A/m) par rapport à l’antenne à couplage inductif
et réparti sur toute l’antenne.
(a)
72
(b)
Figure 2. 22. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF :
(a) avec une alimentation à couplage inductif ; (b) en configuration T-match
Nous avons proposé une autre structure d’antenne Tag [2.46] à couplage inductif, montrée à la
figure 2.23.
Figure 2.23. Structure d’antenne Tag à couplage inductif
Le substrat que nous avons utilisé est le FR4 d’épaisseur H = 0,8 mm, de permittivité relative
ε r = 4,4 et de tanδ = 0.02. Sa taille globale est de 108×106.4 mm2. Les dimensions de
l’antenne Patch rectangulaire à couplage inductif sont données en mm dans le tableau 2.5.
73
Variable Wsub
Lsub
W
L
L1
L2
L3
W1
108
106,4
88
24,7
32
14
14
43
(mm)
Tableau 2.5. Paramètre de l’antenne Tag à couplage inductif
Cette antenne Patch avec plan de masse a été adaptée à une puce Philips (NXP UCODE)
d’impédance Zc = (22 − j193)Ω . Les pertes d’insertions ainsi que l’impédance d’entrée de
l’antenne sont représentées à la figure 2.24. Nous pouvons voir que S11=–32,1 dB à la
fréquence de 866,66 MHz avec Z a = (12 ,56 − j195 ,01) Ω .
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
XY Plot 2
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
500.00
-5.00
Curve Info
Curve Info
X
Y
m1
866.6667
-32.1241
Name
X
Y
m1
866.6667
12.5672
m2
866.6667
195.0187
Setup1 : Sw eep1
Setup1 : Sw eep1
400.00
-15.00
300.00
Y1
d B (S(L u m p P o rt1 ,L u m p Po rt1 ))
-10.00
Setup1 : Sw eep1
Name
-20.00
m2
200.00
-25.00
100.00
-30.00
m1
m1
-35.00
800.00
850.00
900.00
Freq [MHz]
950.00
0.00
800.00
850.00
900.00
950.00
Freq [MHz]
Figure 2. 24. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne à couplage inductif
Le champ magnétique de notre antenne à couplage inductif, est non uniforme et non réparti
sur la surface de l’antenne (figure 2.25).
Figure 2.25. Distribution du courant de l’antenne à couplage inductif
74
Nous avons proposé une autre structure d’antenne Tag RFID-UHF [2.47] avec un plan de
masse basée sur une adaptation en T, montrée à la figure 2.26. Nous avons choisi le substrat
FR4 d’épaisseur H=0,8 mm, de permittivité relative ε r = 4,4 et de tanδ = 0.02. Les dimensions
optimisées pour de l’antenne Patch rectangulaire sont données en mm dans le tableau 2.6.
Variable Wsub
94
(mm)
Lsub
W
L
L1
L2
L3
L4
L5
W1
W2
W3
76,7
84
25
37
10,3
7,5
7
3
39
43
19,5
Tableau 2.6. Paramètre de l’antenne Tag
Figure 2.26. Structure d’antenne bi-bande pour un Tag en configuration T-match
Nous avons optimisé cette antenne pour qu’elle soit adaptée à une puce Philips (NXP
UCODE) d’impédance Zc = (22 − j193)Ω . Cette adaptation est obtenue et confirmée par les
résultats du coefficient de réflexion et de l’impédance d’entrée de l’antenne qui sont montrés
à la figure 2.27.
XY Plot 3
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
XY Plot 2
Ansoft Corporation
-5.00
HFSSDesign1
400.00
-10.00
Name
X
Y
m1
0.8687
-29.2943
m2
0.9318
-35.8041
Curve Info
Setup1 : Sw eep1
350.00
300.00
Name
X
Y
Curve Info
m1
0.8687
27.5230
m2
0.8687
181.2872
Setup1 : Sw eep1
m3
0.9318
15.7177
m4
0.9318
193.3640
Setup1 : Sw eep1
250.00
-20.00
Y1
d B (S (L u m p Po rt1 ,L u m p P o rt1 ))
-15.00
200.00
m4
m2
-25.00
150.00
m1
-30.00
100.00
-35.00
m2
50.00
m1
m3
-40.00
0.00
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
0.75
Freq [GHz]
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
Freq [GHz]
.
Figure 2. 27. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée
75
Nous remarquons que notre antenne présente une double résonance. La première se situe à
868,7 MHz où le coefficient de réflexion S11=-29,2 dB et Z a = ( 27 ,5 − j181, 2)Ω . La seconde
est à 931,8 MHz avec S11=-35,8 dB et Z a = (15 .7 − j193 ,3)Ω . Le gain de cette antenne est
représenté à la figure 2.28. Ce gain est très faible de -6.9 dB, dû à la présence du plan de
masse.
Figure 2.28. Gain de l’antenne proposée
Le champ magnétique de cette antenne, avec la configuration T-match, est fort et uniforme
par rapport à l’antenne à couplage inductif (figure 2.29).
(a)
(b)
Figure 2.29. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF :
(a) Champ magnétique avec couplage inductif ; (b) Champ magnétique avec configuration
T-match
76
2.3.2.2. Analyse électromagnétique d’une antenne Tag RFID-UHF en
champ proche
Nous nous sommes intéressés à l’analyse électromagnétique d’une antenne méandre miniature
devant fonctionner dans un Tag RFID-UHF en champ proche. Ces travaux ont été présentés
dans [2.48]. Les antennes méandre sont très utilisées dans les applications RFID-UHF car
elles permettent d’avoir des structures d’antennes miniaturisées.
Nous présentons dans ce qui ce suit une nouvelle antenne miniature avec des tailles de
38 × 18 × 0,05 mm3. L'antenne est conçue sur un substrat flexible de type polyester (PET)
d’épaisseur H = 50µm , de constante diélectrique relative εr = 3,2 et de tangente de pertes
tan δ = 0.003 . Les dimensions détaillées du prototype d'antenne Patch rectangulaire sont
données en mm dans le tableau 2.7.
Variable Wsub
(mm)
18
Lsub
L1
L2
W1
W2
W3
38
13,9
6,95
1
1,08
2
Tableau 2. 7. Paramètre de l’antenne Tag
La géométrie de l’antenne méandre miniaturisée est représentée à la figure 2.30.
Figure 2. 30. Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté
L'antenne a été conçue en utilisant une puce NXP UCODE d’impédance Z c = ( 22 − j193)Ω .
L'impédance de l'antenne doit alors être l’impédance complexe conjuguée de celle de la puce,
c’est à dire Z a = (22 + j193)Ω pour transmettre le maximum de puissance entre l'antenne et la
puce. Les pertes d’insertions ainsi que l’impédance d’entrée de l’antenne sont représentées à
la figure 2.31. Nous pouvons voir que S11=–23 dB à la fréquence de 900 MHz avec
Z a = ( 21,04 − j182 ,8)Ω .
77
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
XY Plot 3
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
250.00
-5.00
Curve Info
Name
X
Y
Curve Info
Name
X
Y
m1
0.9000
-31.4280
Setup1 : Sw eep1
m1
0.9000
21.0407
m2
0.9000
182.8947
im(Z(LumpPort1,Lu
Setup1 : Sw eep1
re(Z(LumpPort1,Lum
Setup1 : Sw eep1
-10.00
200.00
150.00
Y1
m2
-15.00
-20.00
100.00
-25.00
50.00
-30.00
m1
m1
-35.00
0.50
0.75
1.00
Freq [GHz]
1.25
1.50
0.00
0.50
0.75
1.00
Freq [GHz]
1.25
1.50
Figure 2. 31. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre
Afin d'analyser la totalité de la distribution du champ électromagnétique de l’antenne Tag
RFID-UHF, le champ électrique est simulé et montré à la figure 2.32 illustrant la distribution
du champ électrique de l'antenne méandre. Le champ électrique est plus fort à proximité de la
source (puce) et diminue rapidement en s’éloignant de la puce.
Figure 2. 32. Distribution du champ électrique de l’antenne méandre
La figure 2.33 montre la distribution du champ magnétique simulé de notre antenne méandre
en champ proche.
78
Figure 2. 33. Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre
Nous constatons que le champ magnétique au niveau de la boucle rectangulaire d’adaptation
n'a pas la même grandeur que celle de l’élément rayonnant mais elle est réduite
progressivement. La tension induite crée un courant induit qui génère un champ magnétique.
La diminution du champ magnétique produit une distribution de champ non uniforme, ce qui
peut constituer un obstacle pour des applications RFID en champ proche.
2.3.3.Antenne large bande pour la communication RFID en
champ proche et lointain
Dans cette partie, nous présentons la conception d’une nouvelle antenne Tag RFID UHF
passive pour les communications en champ proche et lointain. Cette antenne est modifiée par
rapport à l’antenne du paragraphe (§ 2.3.1) puisque elle sera adaptée à une nouvelle puce et
optimisée pour le fonctionnement en champ proche. La bande passante minimale mesurée de
l’antenne du Tag est de 140 MHz. Elle couvre entièrement la bande UHF (820-960 MHz).
Dans nos simulations, nous avons utilisé successivement l’impédance de la puce donnée par
le fabricant dans sa fiche technique "Data Sheet" et celle de son impédance mesurée.
2.3.3.1
Conception de l’antenne proposée
A. Utilisation de la puce 1 : Impédance donnée dans la fiche technique "Data Sheetet"
La structure que nous proposons pour l’antenne Tag est montrée à la figure 2.34. Notre
structure est composée d'une boucle rectangulaire d’adaptation alimentant un dipôle méandre
progressif.
79
Figure 2.34. Antenne méandre proposée
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.8. L'antenne
est simulée sur un substrat Rogers® Duroid RT/5880 d’épaisseur H = 0.787 mm, de constante
diélectrique relative ε r = 2.2 et de tangente des pertes tan δ = 0.009 , avec une taille globale de
77×14 mm2.
Variable
Variable
L1
W1
L
W
L
W
L
W
L
W
L
W
L
W
L
W
L
W
(mm)
(mm)
L1
L1
Tableau 2. 8. Paramètre de l’antenne méandre proposée
La puce utilisée dans cette conception est de type Alien Higgs-3 RFID IC [2.49]. Les valeurs
fixes de sa résistance et de sa capacité parallèles, données par la fiche technique, sont de
1500 et 0,85 pF. Tout d'abord, nous avons optimisé notre structure d'antenne à une
fréquence de résonance de 868 MHz en utilisant ces valeurs fixes d’impédance, c'est à dire
Z cDataSheet = (30 .4 − j208 ) Ω . Ceci nous permet de voir que l’impédance de l’antenne doit
être Z a = (30.4 + j208)Ω pour permettre un transfert maximum de puissance de l’antenne
vers la puce. Le coefficient de réflexion simulé dans ce cas est représenté à la figure 2.35, où
nous notons que S11=-14,2 dB à 867,7 MHz.
L 1 = '2 4 .6 m m ' L 3 = '1 6 m m '
-6
S11 (dB)
-8
-1 0
-1 2
-1 4
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1 ,0
1 ,1
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2.35. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre
80
B. Utilisation de la puce 2 : Impédance mesurée
Dans ce cas, où nous utilisons une impédance mesurée de la puce, celle-ci est différente
puisque elle a été modifiée par la fréquence et la puissance reçue par la puce. Une procédure
de calibrage OSL est utilisée pour extraire les valeurs d'impédance de cette puce. L'impédance
mesurée [2.50] de la puce est alors de ZcMesurée = (26 − j163)Ω . Les paramètres S11 de
notre antenne méandre adapté à deux impédances différentes sont représentés sur la
figure 2.36. L'utilisation de l’impédance mesurée permet d'obtenir une bonne adaptation
d'impédance avec S11=-21,9 dB à 867,7 MHz.
A n te n n e a d ap té e à l'im p é da n ce à l'im p é da n ce d u d a ta sh e e t
A n te n n e a d ap té e à l'im p é da n ce à l'im p é da n ce m e su ré e
-6
-8
S11 (dB)
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
-24
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0,9
1 ,0
1 ,1
F ré qu en ce (G H z )
Figure 2.36. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre adapté à deux impédances différentes
Du fait que cette impédance est différente de celle de la première puce 1, nous avons réajusté
la boucle rectangulaire pour obtenir l’adaptation entre l'antenne et cette puce pour un meilleur
transfert de puissance. Pour cela, nous avons maintenu constante L1=24.6 mm et avons fait
varier L3. Nos résultats de simulation représentés à la figure 2.37, montrent que le meilleur
coefficient de réflexion obtenu est de 38,3 dB à la fréquence de 852,5 MHz et pour L3=19mm.
-5
-1 0
S11 (dB)
-1 5
-2 0
L 3 = '1 2 m m '
L 3 = '1 4 m m '
L 3 = '1 6 m m '
L 3 = '1 8 m m '
L 3 = '1 9 m m '
-2 5
-3 0
-3 5
-4 0
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1 ,0
1 ,1
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2. 37. Coefficient de réflexion de Tag avec variation de L3
81
Comme l’adaptation d’impédance, et donc le coefficient de réflexion, dépend fortement des
différents paramètres géométriques de l’antenne, nous avons aussi fixé L3=19mm et fait varier
L1. Nos résultats de simulations, représentés à la figure 2.38, montrent qu’un meilleur
coefficient de réflexion de 37,7 dB est obtenu à la fréquence de 857,6 MHz pour L1=24mm et
l’impédance correspondante est de 26.09 + j158.7 . Comme nous travaillons dans la bande
Européenne RFID (865-868MHz), nous étions obligés de faire un compromis en réajustant
L3=16 mm et nous avons pu obtenir ainsi un meilleur coefficient de réflexion de 21,9 dB à la
fréquence de 867,7 MHz.
-5
S11 (dB)
-10
-15
-20
L1='18mm' L3='19mm'
L1='20mm' L3='19mm'
L1='22mm' L3='19mm'
L1='24mm' L3='19mm'
L1='24.6mm' L3='19mm'
L1='24.6mm' L3='16mm'
-25
-30
-35
-40
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Fréquence (GHz)
Figure 2. 38. Coefficient de réflexion du Tag pour différentes valeurs de L1
Pour minimiser les incertitudes dues au processus de fabrication, aussi bien de la puce que de
l’antenne du Tag, et celles dues à la proximité d’objets métalliques, liquides ou corps
humains, qui peuvent modifier le comportement fréquentiel de notre système RFID et altérer
son fonctionnement, il est toujours préférable d’avoir une antenne Tag couvrant toute la bande
RFID-UHF afin d’assurer, tout au moins, un fonctionnement partiel. C’est pourquoi, nous
avons fait en sorte pour que la conception de notre antenne vise des pertes par réflexion
meilleures que 10 dB à la fréquence de travail. Ainsi nous avons pu obtenir un S11 ≥ 10dB sur
environ 155 MHz autour de 868 MHz, c'est-à-dire de l’ordre de 17,8%, entre 730 et 885MHz.
L’antenne méandre présente un gain de 1,5 dB. Son diagramme de rayonnement 3D de
l’antenne est représenté à la figure 2.39.
82
Figure 2. 39. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre
2.3.3.2. Distribution et analyse du champ magnétique du Tag
La distribution de courant de notre
notr antenne est représentée à la figure 2.40..
Figure 2.40. Distribution de courant de l’antenne à 867 MHz (z = 0 mm)
Les antennes Tag utiliséess pour des communications en champ lointain (FFC) ne
n peuvent pas
forcément bien fonctionner en champ proche (NFC). Néanmoins, ceci peut être obtenu
ob
en
concevant des structures d’antennes Tag permettant de générer et de rayonner un champ
magnétique important suffisant.
sant. Dans un premier cas (§ 2.3.2.2),
2.3
), nous avons utilisé une
structure d’antenne concentrant la majorité du champ
champ magnétique au niveau de la boucle
d’alimentation et diminue progressivement en s’éloignant
s’éloi
du centre.
La structure d’antenne que nous proposons
pro
dans ce travail (figure 2.40)) permet d’avoir un
champ magnétique bien intense le long des parties méandre.
méandre. A partir de nos simulations
s
de la
distribution du champ, nous notons que l’intensité du champ est de l’ordre de 0.086 A/m au
centre de l’antenne, et atteint
int les 150 A/m. Ceci a beaucoup d’intérêt aussi bien en réception
qu’en émission.
83
2.3.3.3. Caractérisation de l’antenne Tag
9 Mesures de l’antenne
antenne en chambre anéchoïque
anéc
Nous avons schématisé le banc de mesures expérimentales
expériment
en chambre
mbre anéchoïque à la figure
2.41.. Nous avons caractérisé le Tag en champ proche et en champ lointain. Il s’agit d’un
système mono-statique
statique utilisant la même antenne de lecture pour émettre et recevoir à la fois
les informations en provenance
rovenance du Tag. La liaison « Lecteur-Tag-L
Lecteur » que nous
proposons doit respecter une distance maximale
maximal Dmax au delà de la quelle l’activation n’est
plus possible. En d’autres termes
terme le Tag est ainsi activé jusqu’à Dmax.
Nous avons placé le Tag à différentes
différe
distances de l'antenne du Lecteur,
ecteur, en la déplaçant dans
des régions proches et lointaines. Nous avons utilisé
utili le générateur des signaux vectoriels
Agilent E4438C ESG (50 kHz-6
kHz GHz) en tant qu’émetteur
eur et récepteur. Le Lecteur
L
envoie un
signal pour activer le Tag et décode les données reçues
reçues de la puce. Ceci nous a permis de
déterminer
iner la puissance de sortie du Lecteur
Lecteur minimale requise pour activer le Tag en fonction
fonc
de la fréquence. La réponse du Tag
Tag est reçue sur un oscilloscope HP Agilent 54855A
Infiniium.
Figure 2.41. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration
configurat
mono
mono-statique
Notre antenne prototype que nous avons réalisée
réalisé est montrée la figure 2.42
42, elle est adaptée à
l'impédance de la puce mesurée ZcMesurée = (26 − j163)Ω .
Figure 2.42. Tag RFID-UHF réalisé
84
Les antennes ont été fabriquées par procédé LDS-LPKF (Laser Direct Structuring) en utilisant
la machine à graver LPKF (protomat S100) (figure 2.43) [2.51].
.
Figure 2.43. Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100)
Pour nos mesures, nous avons utilisé un système de lecture composé d’une antenne cornet
standard polarisée linéairement et ayant un gain de 6 dB dans la bande 800-1000 MHz. Nous
avons utilisé un circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réception.
Nous avons effectué toutes nos mesures à l’aide d’un support mobile permettant à notre
antenne Tag de tourner sur 360 degrés en réception. Le banc de mesure est représenté à la
figure 2.44.
Figure 2.44. Équipements du banc de mesures
La photographie du notre banc de mesures expérimentales pour mesurer la portée de notre
antenne Tag en chambre anéchoïque est représentée à la figure 2.45.
85
Figure 2.45. Mesure de la portée du Tag en chambre anéchoïque
Les requêtes reçues par notre Tag à 867 MHz sont montrées à la figure 2.46.
Figure 2.46. Réponse du Tag reçu à 867 MHz
Les Tags standards en champ proche, comme celui commercialisé par la société Impinj
[2.22], fonctionnent pour des lectures à courtes distance (3,7 cm). En outre, pour la
communication RFID-UHF, de nombreuses applications ont besoin d’une distance de lecture
plus loin. Notre antenne est conçue pour bien fonctionner en champ lointain, et présente de
bonnes performances en champ proche grâce à son couplage inductif.
Nous avons mesuré la puissance minimale envoyée par le Lecteur et nécessaire pour activer
notre Tag. La figure 2.47 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag
aussi bien en champ proche qu’en champ lointain. C’est qu’à partir de cette puissance
minimale que nous considérons que notre Tag est fiable car il s’agit d’un seuil minimal de
puissance à partir du-quel notre Tag a renvoyé des requêtes en réponse visible.
86
Puissance minimum d'activation (dBm)
M e s u re e n c h a m p lo in ta in (d = 6 0 c m )
M e s u re e n c h a m p p ro c h e (d = 1 8 c m )
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
800 820 840 860 880 900 920 940 960 980
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2. 47. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et champ lointain en fonction
de la Fréquence
Les résultats de mesure de puissance reçue, montrés à la figure 2.47, confirment nos résultats
obtenus et montrés à la figure 2.38. En effet la bande passante, pour laquelle notre Tag a bien
répondu en renvoyant des requêtes, est large puisqu’elle couvre les fréquences de 820 à 960
MHz, et correspond à la bande des dispositifs RFID en UHF. D’après la figure 2.44, la
puissance minimale nécessaire pour renvoyer une réponse correcte à 867 MHz, à une requête
du Lecteur et à une distance d=60cm (champ lointain), est d'environ 2,84dBm. La puissance
minimale requise pour que notre Tag réponde en champ proche à 868 MHz est de l’ordre de
-6,68 dBm à une distance de 18 cm pour une orientation parallèle et une visibilité directe avec
notre Tag.
D’habitude, les antennes Tag sont caractérisées toutes seules, sans puce. Dans notre travail,
nous avons considéré que notre Tag à caractériser est composé de l’ensemble antenne et puce
assemblées. Ceci a un intérêt majeur puisque c’est la situation du fonctionnement réel du Tag.
Dans celui-ci, l’assemblage de la puce à l’antenne n’est pas sans modifier les performances du
Tag puisque l’impédance de la puce est variable en fonction de la fréquence, et ceci peut donc
modifier la bande passante de l’ensemble du Tag.
Généralement, le cas idéal est celui où la bande passante d’une antenne correspond à la bande
de fréquence où le transfert de puissance du générateur vers l’antenne est maximal. Ceci est
obtenu quand il y a adaptation d’impédance entre les deux. Ainsi, la bande passante est
définie quand le coefficient de réflexion à l’entrée de l’antenne est meilleur que 10.0 dB.
87
On décalant l’extrémum de la courbe de la puissance minimale reçue par le Tag à 0 dB (figure
2.48). Nous avons relevé une bande passante à 3 dB de 38 MHz. Pour une réflexion mesurée
meilleure que 10 dB, nous avons relevé une bande passante de 120 MHz proche de la bande
passante simulée qui est de 155 MHz (§ 2.3.3.1B). Cette différence est acceptable puisque nos
mesures ont été faites en champ lointain (D=60 cm) et en mesurant la puissance reçue par
l’antenne Tag et non la puissance réfléchie à son entrée comme dans le cas de nos simulations
et dans les mesures en réflexions standards.
M e s u re e n c h a m p lo in t a in (d = 6 0 c m ))
14
12
120 M H z
10
8
6
38 M Hz
4
2
0
800
820
840
860
880
900
920
940
960
980
F r é q u e n c e (M H z )
Figure 2. 48. Puissance minimale reçue avec changement de repère
Pour un fonctionnement en champ lointain, le gain, la sensibilité du Tag, l'orientation des
antennes du Tag et du Lecteur déterminent la distance nécessaire à la lecture. La figure 2.49
montre la puissance minimale reçue par le Tag et émise par le Lecteur en fonction de l’angle
θ à 868 MHz mesurée à d = 60 cm et ϕ = 0° . En champ lointain de l'antenne du Lecteur, la
puissance minimale mesurée émise par le Lecteur est de l’ordre de 2,5 dBm à 868 MHz
lorsque l’angle est θ = 70° .
88
Mesure de la puissance minimale(d=60 cm)
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
90
120
60
150
30
180
0
210
330
240
300
270
Puissance minimum d'activation (f=868 MHz)
Figure 2.49. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 868 MHz
9 Caractérisation de l'antenne en espace libre
Pour vérifier les performances du Tag RFID-UHF en champ proche et en champ lointain, le
dispositif ThingMagic M6E de lecture RFID [2.52] a été utilisé avec une antenne cornet et en
espace libre pour détecter notre prototype d’antenne Tag. Ce module de lecture RFID a une
capacité de transmission jusqu'à 31,5 dBm pour la bande RFID-UHF de l'Europe (de 865,6 à
867,6 MHz). Nous avons mesuré la portée de lecture de notre antenne Tag
au sein du bâtiment et la a configuration de test est montrée à la figure 2.50.
Figure 2. 50. Banc de mesures expérimentales au sein du bâtiment
La figure 2.51 montre le minimum de puissance nécessaire pour activer notre Tag RFID-UHF
en fonction de la distance à 867 MHz.
89
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
D is ta n c e (m )
Figure 2. 51. Puissance minimum en fonction de la distance dans un système RFID
Pour avoir une meilleure communication, il est extrêmement important de s'assurer que le Tag
passif est situé dans une zone de lecture du Lecture. Ceci est possible en utilisant la valeur
l’indicateur de puissance du signal reçu RSSI (Received Signal Strength Indicator). La
localisation du Tag est effectuée en mesurant RSSI puisque une mesure de celui-ci indique
la force du signal reçu calculé par le chip RFID. Nous pouvons estimer ainsi la distance du
Tag par rapport au Lecteur. Si cet indicateur augmente alors la distance entre le Tag et le
Lecteur diminue. Si cette distance augmente, la surface apparente de l'antenne Tag diminue,
ce qui se traduit par un accroissement de l'atténuation. Un Tag est fiable quand une valeur
RSSI assez élevé a été atteinte avec une puissance d’émission faible du Lecteur.
Pour une puissance d'émission de 25.5 dBm avec une polarisation linéaire, la distance de
lecture maximale mesurée de notre antenne Tag atteint 12.5 m pour la bande RFID-UHF
européenne avec RSSI=-60 dBm. La portée de notre antenne en champ proche est de 40 cm
avec une puissance émise de 4 dBm et RSSI=-41 dBm. Nous constatons que la valeur RSSI
augmente lorsque le Tag se rapproche du Lecteur et diminue quand le Tag se déplace loin du
Lecteur. Cependant, utiliser le RSSI comme estimateur de distance induit des erreurs de
précision à cause des fluctuations inhérentes au canal de transmission (interférences, multitrajets, etc.).
Les mesures que nous avons effectuées en champ proche et en champ lointain dans la
chambre anéchoïque et au sein du bâtiment montrent que notre Tag RFID-UHF que nous
avons conçu fonctionne aussi bien en champ proche qu’en champ lointain.
90
2.3.4. Antenne Tag pour des applications RFID-UHF en champ
proche et lointain
Afin de réussir à concevoir un système RFID-UHF champ proche, il est important d'étudier le
couplage d'antenne entre le Lecteur et le Tag. Si l'antenne Tag est petite, le champ magnétique
généré par l'antenne du Lecteur est à peine perturbé par le Tag et le coefficient de couplage
[2.18] est proportionnel à :
2
2
C ∝ F2 .NTag
.STag
.B2 .α
(2.51)
Où F est la fréquence, NTag est le nombre de spires de l’antenne bobine du Tag, STag est la
surface de la section transversale (cross-section area), B est la densité du champ magnétique à
créé par l’antenne du lecteur et α représente les pertes de défaut d’alignement entre les
antennes (misalignment loss).
La relation (2.51) indique que le couplage avec la bobine du Tag dans un système RFID-UHF
en champ proche dépend de la densité du champ magnétique généré par l'antenne du Lecteur
RFID. De plus, le couplage entre le Tag et le Lecteur dépend du nombre de spires de l'antenne
bobine de Tag. La conception de l'antenne du Tag RFID a une grande influence sur la
conservation du champ magnétique. Le champ magnétique est en relation avec le nombre de
spires, le diamètre, la forme et la longueur de l'antenne du Tag. Une antenne Tag avec un fort
champ magnétique permet d'améliorer le couplage magnétique et la fiabilité des
communications en champ proche dans les systèmes RFID-UHF.
Dans notre étude [2.53], nous nous sommes penchés sur un nouveau prototype d’antenne pour
Tag RFID-UHF en champ proche et lointain.
2.3.4.1. Conception de l’antenne proposée
La structure que nous avons proposée pour l’antenne Tag est montrée à la figure 2.52. Le
substrat que nous avons utilisé est le Rogers® Duroid RT/5880 d’épaisseur H = 0,787 mm, de
permittivité relative εr = 2,2 et de tan δ = 0,009 . Sa taille globale est de 68×19.7 mm2.
91
Figure 2. 52. Antenne méandre du Tag RFID-UHF
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.9.
Variable
(mm)
L1
0,7
L
17,6
L
,3
L
4,9
W1
7,6
W2
15,7
Lsub
68
Wsub
19,7
Tableau 2.9. Paramètre de l’antenne Tag RFID-UHF
La puce que nous avons utilisée dans cette conception est du type Alien Higgs-3 RFID IC.
Les valeurs fixes de sa résistance et de sa capacité parallèles sont de 1500 et 0,85 pF. Nous
avons optimisé notre antenne avec l’impédance mesurée de cette puce ZcMesurée = (26 − j163)Ω .
Nous avons pu obtenir ainsi un coefficient de réflexion de 31,9 dB à la fréquence de 880 MHz
(figure 2.53) avec une impédance d’entrée de notre antenne Za = (26,4 − j171,4)Ω .
-12
-14
Impédance (ohms)
-16
S11 (dB)
-18
-20
-22
-24
-26
-28
-30
-32
-34
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
Partie imaginaire de l'impédance(ohms)
Partie réelle de l'impédance(ohms)
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1,00
Fréquence (GHz)
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (GHz)
Figure 2.53. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée
L’antenne Tag que nous avons proposée présente un gain de 1,55 dB. Le diagramme de
rayonnement 3D de l’antenne est représenté à la figure 2.54.
92
.
Figure 2. 54. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne proposée
Notre antenne prototype que nous avons réalisée est montrée la figure 2.55.
Figure 2.55. Antenne Tag RFID-UHF réalisée
Les simulations de la distribution du champ magnétique et du courant de notre antenne à
880 MHz sont présentés aux figures 2.56a et b, respectivement. Le courant est intense sur la
ligne en méandres de notre antenne du Tag proposée. Nous notons que le courant est de
l’ordre de 27,6 A/m et le champ magnétique est de l’ordre 34,2 A/m. Ceci a beaucoup
d’intérêt aussi bien en réception qu’en émission.
(a)
(b)
Figure 2. 56. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne proposée
93
2.3.4.2. Caractérisation de l’antenne méandre
Pour vérifier le fonctionnement en champ proche et lointain de notre antenne proposée, nous
avons effectué la même étude expérimentale qui est similaire à celle présentée précédemment
(§ 2.3.3.3). Nous avons mesuré la puissance minimale envoyée par le Lecteur pour activer
notre Tag. La figure 2.57 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag
aussi bien en champ proche qu’en champ lointain. En effet la bande passante pour laquelle
notre Tag a bien répondu en renvoyant des requêtes, est large puisqu’elle couvre les
fréquences de 860 à 960 MHz. La puissance minimale requise pour lire le Tag à 900 MHz est
d'environ -12,6 dBm en champ proche (d=18 cm) et 2,8 dBm en champ lointain (d=65 cm).
M e s u re e n c h a m p lo in ta in (d = 6 5 c m )
M e s u re e n c h a m p p ro c h e (d = 1 8 c m )
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-1 0
-1 2
-1 4
860
880
900
920
940
960
Figure 2. 57. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et lointain
La figure 2.58 montre la puissance minimale nécessaire pour activer le Tag en fonction de
l’angle θ à 880 MHz mesurée à d = 65 cm et. ϕ = 0 ° En champ lointain, l'antenne du
Lecteur, la puissance minimale mesurée reçue par le Tag et émise par le Lecteur est de l’ordre
de 1,9 dBm à 880 MHz lorsque l’angle est θ = 60° .
94
Mesure de la puissance minimale (d=65cm)
90
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
120
60
30
150
180
0
330
210
240
300
270
Puissance minimum d'activation (f=880 MHz)
Figure 2. 58. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 880 MHz
Les performances du Tag RFID en champ proche et en champ lointain ont été mesurées
au sein du bâtiment à l’aide de dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID.
La figure 2.59 montre le minimum de puissance nécessaire pour activer notre Tag en fonction
de la distance dans notre système RFID-UHF.
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Distance (m )
Figure 2. 59. Puissance minimum en fonction de la distance
Pour une puissance d'émission de 25 dBm avec une polarisation linéaire, la plage de lecture
maximale mesurée de l'antenne de Tag atteint 15 m pour la bande UHF RFID européenne
avec RSSI=-65 dBm. La portée mesurée en champ proche est d'environ 46 cm avec un niveau
de puissance d'émission de 5 dBm avec RSSI=-49 dBm. Notre antenne prototype Tag est très
prometteuse pour les applications RFID en champ proche et lointain.
95
2.3.5. Antennes magnétiques pour systèmes RFID UHF en champ
proche
2.3.5.1. Antenne méandre avec configuration T-match
Cette antenne méandre avec adaptation en T que nous présentons ici a été adaptée à
l’impédance mesurée ZcMesurée = (26 − j163)Ω de la puce Alien Higgs-3 RFID IC. Le substrat
qui a été choisi dans la conception de cette antenne est du type FR4 d’épaisseur H=0,8 mm,
une constante diélectrique ε r = 4,4 et de tan δ = 0 .02 . La géométrie de cette antenne est
représentée à la figure 2.60. Les dimensions en mm de notre antenne sont présentées dans le
tableau 2.10.
Variable L1
(mm)
11,5
L2
5
L3
6
L4
20
L5
2
L6
29
W1
W2
W3
Lsub
Wsub
2
3
7
77
17
Tableau 2.10. Paramètre de l’antenne méandre de Tag RFID-UHF
Figure 2. 60. Géométrie de l’antenne méandre proposée
La photo de notre antenne méandre est représentée à la figure 2.61.
Figure 2. 61. Réalisation de l’antenne méandre proposée
Le coefficient de réflexion ainsi que l’impédance d’entrée de notre antenne sont représentés à
la figure 2.62. Nous pouvons voir que S11 qui a été obtenu après optimisation avec
l’impédance de l’antenne Z a = (27,04 − j161,6)Ω , est de -42,5 dB à la fréquence de 910 MHz.
96
XY Plot 1
HFSSDesign1
XY Plot 2
$162)7
-10.00
HFSSDesign1
250.00
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
-15.00
$162)7
Curve Info
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Name
200.00
-20.00
X
Y
m1
0.9100 27.0468
m2
0.9100 161.6603
m2
Name
m1
Y
150.00
0.9100 -42.5687
Y1
d B ( S ( 1 ,1 ) )
-25.00
X
-30.00
100.00
-35.00
50.00
-40.00
m1
m1
-45.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
.
Figure 2. 62. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre
L’antenne méandre proposée présente un gain de 1,78 dB. Le diagramme de rayonnement 3D
de l’antenne est représenté à la figure 2.63.
Figure 2.63. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre
Les simulations de la distribution du champ magnétique et du courant de l'antenne à 910 MHz
sont présentées aux figures 2.64a et 2.64b, respectivement. Le champ magnétique est intense
et uniforme sur la partie méandre de l'antenne de Tag proposée.
97
1.20
(a)
(b)
Figure 2.64. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à 910 MHz
2.3.5.2. Antenne méandre à couplage inductif
A partir de la première antenne méandre avec configuration T-match, nous avons réalisé une
seconde antenne à couplage inductif. La structure et les dimensions de cette antenne sont les
mêmes que l’antenne avec T-match. L’antenne réalisée est montrée à la figure 2.65.
Figure 2. 65. Réalisation de l’antenne méandre à couplage inductif
Les résultats de simulation de cette antenne sont présentés à la figure 2.66. L’adaptation de
l’antenne est très bonne avec S11=–55,2 dB à la fréquence de 910 MHz. Elle est obtenue après
optimisation avec l’impédance de l’antenne Z a = ( 25 ,1 − j162 , 4 ) Ω .
98
XY Plot 1
HFSSDesign1
-10.00
XY Plot 2
$162)7
HFSSDesign1
250.00
Curve Info
$162)7
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Name
-20.00
200.00
X
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Y
m1
0.9100 25.1173
m2
0.9100 162.4455
m2
Name
-30.00
Y
150.00
0.9100 -55.2833
Y1
d B ( S ( 1 ,1 ) )
m1
X
-40.00
100.00
-50.00
50.00
m1
m1
-60.00
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
.
Figure 2. 66. Coefficient de réflexion et impédance de l’antenne à couplage inductif
Les diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne sont représentés à la figure 2.67
avec un maximum de gain de 1,79 dB.
Radiation Pattern 1
Name
m1
Phi
Ang
Mag
360.0000 -0.0000 1.7994
-30
HFSSDesign1
$162)7
0
Curve Info
m1
max(dB(GainTotal))
Freq='0.915GHz'
30
0.00
-5.00
-60
60
-10.00
-15.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 2. 67. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
Les simulations de la distribution du champ magnétique et de courant de l'antenne à 910 MHz
sont présentées aux figures 2.68a et 2.68b, respectivement.
99
1.20
(b)
(a)
Figure 2. 68. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à couplage
inductif à 910 MHz
Le champ magnétique est réparti sur la quasi-totalité de la partie méandre de notre antenne à
couplage inductif. Ce champ est légèrement moins intense que celui de l’antenne avec
configuration T-match. Par exemple le champ est de l’ordre de 48,8 A/m pour l’antenne avec
configuration T-match alors qu’il est de 32,7 A/m pour l’antenne avec couplage inductif.
2.3.5.3. Mesures des antennes
Afin de comparer les performances en champ proche et lointain de nos deux antennes à
configuration T-match et à couplage inductif, nous présentons, dans la figure 2.69 ci-dessous,
une comparaison de la puissance minimale nécessaire pour activer nos deux Tags aussi bien
en champ proche (18 cm) qu’en champ lointain (65 cm).
A n tenn e
A n tenn e
A n tenn e
A n tenn e
à cou pla ge induc tif e n ch am p pro che (d= 18 cm )
av ec T -m atc h e n ch am p lointain (d =6 5 cm )
à cou pla ge induc tif e n ch am p pro che (d= 18 cm )
av ec T -m atc h e n ch am p lointain (d =6 5 cm )
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
850
8 60
870
8 80
89 0
9 00
91 0
920
9 30
940
9 50
96 0
9 70
F réq u en ce (M H z)
Figure 2. 69. Puissance mesurée minimale reçue par les deux Tags en champ proche et lointain
Nous superposé les quatre courbes du champ proche (18 cm) et champ lointain (65 cm) sur la
même figure pour mieux comparer les deux antennes.
100
La figure 2.70 montre le principe de mesure, en chambre anéchoïque, de la puissance
d’activation de notre antenne avec configuration T-match en champ proche.
Figure 2. 70. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque
Les résultats de mesure de la puissance reçue, montrés à la figure 2.69, confirment nos
résultats de simulation de la distribution de champs magnétiques montrés à la figure 2.68. La
puissance minimale nécessaire pour activer le Tag à couplage inductif en champ lointain est
légèrement plus élevée que la puissance minimale nécessaire pour réveiller l’antenne avec
configuration T-match. Par exemple à 910 MHz, cette puissance est de l’ordre de 3,1 dBm
pour l’antenne avec configuration T-match alors que le Tag à couplage inductif a besoin de
3,8 dBm pour son activation. En champ proche, l’antenne à couplage inductif a besoin de
-10,6 dBm alors que l’antenne avec T-match a besoin de -10,2 dBm pour son activation à
910 MHz. Globalement, ces deux antennes, sans plan de masse, présentent presque les mêmes
performances en champ proche et lointain contrairement aux antennes de Tags RFID-UHF,
avec plan de masse, qui ont été présentées au § 2.3.2.
La figure 2.71 montre la puissance minimale nécessaire pour réveiller les deux Tags en
fonction de l’angle θ à 890 MHz mesurée à d = 65 cm et ϕ = 0° . En champ lointain de
l'antenne du Lecteur, la puissance minimale mesurée est presque la même pour les deux Tags,
de l’ordre de 2,1 dBm pour le Tag à couplage inductif et 2,06 dBm pour le Tag avec T-match
lorsque l’angle est θ = 140 ° .
101
Puissance minimale d'activation de l'antenne à couplage inductif (d=65cm; f=890 MHz)
Puissance minimale d'activation de l'antenne en T-match (d=65cm; f=890 MHz)
90
3,4
120
60
3,2
3,0
2,8
30
150
2,6
2,4
2,2
2,0
2,0
180
0
2,2
2,4
2,6
330
210
2,8
3,0
3,2
240
3,4
300
270
Figure 2.71. Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de θ à 890 MHz
Les performances du Tag avec configuration T-match en champ proche et en champ lointain
ont été caractérisées au sein du bâtiment. La figure 2.72 montre la puissance minimale
nécessaire pour activer notre Tag et l’indicateur de puissance du signal reçu RSSI en fonction
de la distance dans le système RFID-UHF.
-35
32
30
-40
28
26
-45
24
-50
22
20
-55
18
16
-60
14
12
-65
10
-70
8
6
-75
4
2
Indicateur de puissance du signal reçu(RSSI)
Puissance minimale permettant l'activation du Tag(dBm)
Indicateur de puissance du signal reçu RSSI (dBm)
-80
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Distance (m)
Figure 2. 72. Puissance minimale d’activation et RSSI en fonction de la distance
Pour une puissance émise de 18.5 dBm, la portée mesurée de notre Tag atteint 17 m pour la
bande RFID-UHF européenne avec RSSI=-64 dBm. En champ proche notre Tag fonctionne
bien avec des puissances inférieures à 5 dBm.
102
2.3.6. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF en champ proche et
lointain
Comme nous l’avons vu la communication en champ proche nécessite un fort et uniforme
champ magnétique pour le lecteur RFID. Ainsi, nous nous intéresserons dans cette partie à la
conception d’antennes pour lecteurs RFID-UHF qui fonctionnent en champ proche qu’en
champ lointain.
2.3.6.1. Antenne circulaire pour Lecteur RFID-UHF
Durant cette étude, notre antenne pour Lecteur RFID-UHF est un Patch de forme circulaire.
Celui-ci est formé d'un substrat FR4 d’épaisseur H=1,6 mm sur lequel est déposé un plan de
masse d'un côté et la forme circulaire conductrice (cuivre) de l'autre. La géométrie de notre
antenne est représentée à la figure 2.73 et ses paramètres sont : R = 46 mm, L = 31 mm,
W = 4 mm, G = 2 mm.
(a)
(b)
Figure 2.73. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et (b) le prototype réalisé
La figure 2.74 montre un bon accord entre le coefficient mesuré et simulé de notre antenne
patch circulaire. Pour notre antenne Lecteur RFID optimisée et adaptée, nous avons obtenu un
coefficient de réflexion mesuré de -30 dB à 920 MHz et une bande passante de 16,1 MHz
(911,9 à 928 MHz), qui ne couvre pas totalement la bande RFID de l’Amérique du Nord
(902-928 MHz).
103
0
-5
S11 (dB)
-10
-15
Simulation (HFSS)
Mesure
-20
-25
-30
-35
800
850
900
950
1000
Fréquence (MHz)
Figure 2.74 Coefficient de réflexion de l’antenne Patch
En faisant varier le rayon R de l'antenne proposée, nous pouvons ajuster la fréquence de
résonance de 840 à 960 MHz. La figure 2.75 représente le coefficient de réflexion simulé de
notre antenne en fonction du rayon R.
0
-5
S11 (dB)
-10
-15
-20
-25
R=44 mm
R=45 mm
R=46 mm
R=47 mm
R=48 mm
R=49 mm
-30
-35
-40
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (MHz)
Figure 2.75. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch avec variation de R
A partir de ces résultats, nous pouvons voir que le coefficient de réflexion dépend du rayon R
de l’antenne donc de sa taille. En faisant varier le rayon R, l'antenne peut résonner sur
plusieurs bandes RFID-UHF (Europe, Amérique du Nord, Chine, etc).
Nous avons simulé la surface de distribution de courant de l'antenne à 920 MHz qui est
montrée aux figures 2.76a et 2.76b, respectivement. Nous observons que le courant a une
amplitude plus forte au centre de notre antenne patch. Par la suite, ce courant diminue
progressivement en s'éloignant du centre de l'antenne. Nous pouvons voir que notre antenne
offre une distribution suffisante du champ magnétique et elle est alors adaptée aux
applications RFID en champ proche.
104
(a)
(b)
Figure 2.76. Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec (a) ϕ = 0° et (b) ϕ = 90°
La figure 2.77 représente les diagrammes de rayonnement 2D mesuré en chambre anéchoïque
et le gain 3D simulé de l'antenne Patch.
(a)
(b)
Figure 2.77. Diagramme de rayonnement mesuré 2 D (a) et gain simulé de l'antenne Patch (b)
L’antenne du Lecteur à faible gain a été principalement utilisée dans les systèmes RFID-UHF
en champ proche. Les gains maximum mesurés et simulés de notre antenne sont
respectivement -0,1 dB et -0,14 dB. Les résultats montrent une concordance entre les résultats
simulés et mesurés.
En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les performances en champ proche de cette
antenne prototype avec le Tag en configuration T-match, qui a été présenté au §2.3.5.1. La
105
figure 2.78 montre la puissance minimale nécessaire pour activer le Tag en champ proche
avec une distance de 9 cm.
Mesure en champ proche (d=9 cm)
4
3
2
1
0
-1
910
915
920
925
930
935
940
Fréquence (MHz)
Figure 2. 78. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche
Dans la figure.2.78, nous remarquons que l’antenne Patch fonctionne entre 910 et 940 MHz
avec une augmentation de la puissance si la fréquence augmente.
2.3.6.2. Antenne à charge capacitive pour Lecteur RFID-UHF
Dans ce suit nous présentons une antenne compacte avec deux bras en forme de C [2.54]
fonctionnant dans la bande UHF pour des applications RFID-UHF en champ proche.
L'antenne que nous avons conçue est composée d’un dipôle replié chargé capacitivement
d’une façon circulaire [2.55] par deux bras en forme de C. La charge capacitive est composée
d'un espace étroit entre les deux bras de l'antenne et a pour effet d'augmenter la longueur
électrique de la structure de l’antenne. L’antenne est fabriquée sur le substrat FR4 d’épaisseur
H=1,6mm avec une taille globale de 40 × 36 mm2. La structure que nous proposons pour cette
antenne de Lecteur RFID est montrée à la figure 2.79 ainsi que le prototype réalisé. Les
dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.11.
Variable
L1
L
W1
W
W3
W4
R1
R
R3
R4
R5
R6
(mm)
40
6,12
36
1
0,46
2
4,8
9
12,5
13,9
15
16
Tableau 2.11. Paramètre de l’antenne à charge capacitive
106
(a)
(b)
Figure 2.79. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype
prototy réalisé (b)
La figure 2.80 montre un bon accord entre les allures du coefficient de réflexion mesuré et
simulé de notre antenne. Nous obtenons un coefficient
coefficie de réflexionn mesuré de -15,6 dB à
870 MHz avec une bande passante de 10,5 MHz (965 à 975,5 MHz) qui couvre la bande
RFID-UHF européenne.
2
0
-2
S11 (dB)
-4
-6
-8
-1 0
-1 2
-1 4
M e s u re
s im u la tio n (H F S S )
-1 6
-1 8
800
850
900
950
1000
F ré q u e n c e ( M H z )
Figure 2. 80. Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive
La charge capacitive à l'intérieur de l'antenne repliée
replié avec deux bras en C formés dans le
centre de l'antenne, permet de réduire la fréquence
uence de résonance et augmenter la longueur
électrique de la structure. La figure
f
2.81 représente le coefficient de réflexion simulé de notre
antenne en fonction de W3. Avec
A
la variation de W3, l'antenne peut fonctionner sur plusieurs
bandes RFID-UHF
UHF (l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine,
ine, etc).
107
2
0
-2
-4
S11 (dB)
-6
-8
-1 0
-1 2
-1 4
-1 6
-1 8
W 3 = 0 ,4 m m
W 3 = 0 ,4 5 m m
W 3 = 0 ,7 m m
W 3 = 1 ,2 m m
-2 0
0,8 0
0 ,85
0,9 0
0,9 5
1 ,00
F ré q ue n c e (M H z )
Figure 2.81. Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation
variatio de W3
Des simulations de la surface de distribution de courant
courant et de champ magnétique de l'antenne
à 876 MHz sont montrées aux figures
f
2.82a et b, respectivement. On observe que le champ
magnétique est fort et uniforme sur la totalité de l’antenne (47,1A/m).
(a)
(b)
Figure 2.82. Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne à 876 MHz
En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les performances en champ proche de cette
antenne prototype avec le Tag en configuration T-match
T
(§2.3.5.1).
.5.1). L’antenne de Lecteur
L
RFID-UHF a une distance de lecture maximale de 7 cm à 870 MHz. Nous
N
avons mesuré
l’antenne du Lecteur
ecteur avec le Tag configuration
conf
T-match
match en champ proche et en champ
lointain au sein du bâtiment. Le banc de mesure du Tag est illustré à la figure
igure 2.83.
2.8
108
Figure 2.83. Banc de mesures expérimentales de Lecteur
La figure 2.84 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag et RSSI en
fonction de la distance.
Puissance minimale permettant l'activation du Tag(dBm)
-30
30
28
-40
26
24
22
-50
20
18
16
-60
14
12
10
-70
8
6
4
-80
2
0
0
2
32
4
Distance (m)
Figure 2.84. Puissance minimale d’activation et RSSI en fonction de la distance
Nous constatons que notre antenne prototype à charge capacitive fonctionne bien en champ
proche et en champ loitain avec une portée maximale de 3 m avec une puissance émise de
28,8 dBm et RSSI=-74 dBm.
109
2.4. Conclusion
Dans ce chapitre nous avons exposé 'un couplage magnétique en champ proche le couplage
Tag RFID / Lecteur RFID en champ proche. Nous avons présenté plusieurs prototypes
d’antennes Tags RFID-UHF fonctionnant en champ proche et lointain. Nous avons également
abordé les méthodes de mesure, permettant par la pratique de valider les résultats obtenus en
simulation. Finalement, nous avons illustré ce chapitre en montrant deux antennes pour
Lecteurs RFID-UHF avec une distribution du champ magnétique fort et uniforme sur la
totalité des antennes et pouvant alors être dédiées aux communications RFID en champ
proche.
110
[2.1]
[2.2]
[2.3]
[2.4]
[2.5]
[2.6]
[2.7]
[2.8]
[2.9]
[2.10]
[2.11]
[2.12]
[2.13]
[2.14]
[2.15]
[2.16]
[2.17]
[2.18]
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[2.40] UCODE G2XM and UCODE G2XL (TSOOP8 Package Specification) from December
2007, http://www.nxp.com/ .
[2.41] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, T.P. Vuong, D.Hamzaoui and A. Ghazel " Chip
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[2.42] ANSYS HFSS software, lien : http://www.ansys.com/Products/
[2.43] Daiki, Chaabane, Perret,Tedjini, Aguili, “RFID Chip Impedance Measurement for UHF
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[2.44] H. H. W. Son and C.S. Tyo, “Design of RFID tag antennas using an inductively
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[2.45] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, S. Tedjini and A. Ghazel "Magnetic antenna for near-field
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[2.46] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, S. Tedjini and A. Ghazel "Magnetic feeding for UHF
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[2.47] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, S. Tedjini and A. Ghazel "Influence of Magnetic
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[2.48] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, S. Tedjini and A. Ghazel " ELECTROMAGNETIC
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[2.49] Higgs™ 3 UHF RFID Tag IC, lien: http://www.alientechnology.com/ wpcontent/
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[2.50] J.-H Cho,H.-W. Son, S.-H Jeong, W.-K Choi, C.-W.Park, “A Flexible, Wideband RFID
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[2.51] LPKF ProtoMat® S100, lien: http://www.lpkfusa.com/protomat/s100.htm
[2.52]
Mercury6e
(M6e)
embedded
UHF
RFID
reader
http://www.thingmagic.com/embedded-rfid-readers/mercury6e.
module,
lien:
[2.53] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, T.P. Vuong, A.C. de Souza and A. Ghazel " UHF Tag
antenna for near-field and far field RFID applications", The 15th annual IEEE
Wireless and Microwave Technology Conference ,WAMICON 2014, June 6, 2014,
Florida, USA.
[2.54] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, T.P. Vuong, A.C. de Souza and A. Ghazel, "A
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Radio Wireless Week, RWW 2015, 25 - 28 January, 2015, San Diego, California, USA.
[2.55] Kang, J. J., D. J. Lee, C. C. Chen, J. F.Whitaker, and E. J. Roth-well, “Compact mobile
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characterization,” Proc.IEEE Int. Conf. RFID, USA , Apr. 2008, pp. 81-88.
113
CHAPITRE 3
ANTENNES RFID-UHF A
POLARISATION CIRCULAIRE ET
ENVIRONNEMENT METALLIQUE
L’objectif du travail présenté ci-après dans ce troisième et dernier chapitre est d’étudier la
capacité d'un système RFID à fonctionner de manière générale et de façon fiable dans un
environnement métallique, et d’étudier en particulier la polarisation circulaire des antennes
Tags et Lecteurs RFID en UHF. Dans la première partie nous avons montré nos résultats de
simulation et de réalisation d’une antenne Tag avec un stub d’adaptation court-circuité et une
autre antenne avec un stub ouvert. Nous avons réalisé une antenne Tag à fente qui fonctionne
correctement avec et sans la plaque métallique. Nous avons présenté dans cette partie les
résultats expérimentaux des mesures des différentes antennes que nous avons réalisées. Dans
la seconde partie de ce chapitre, nous avons présenté les résultats de la conception d’antennes
Tags et Lecteurs à polarisation circulaire. Nous avons proposé deux antennes prototypes pour
Lecteurs à polarisation circulaire fonctionnant dans les bandes RFID-UHF Européenne et
Américaine. Nous avons surtout présenté une antenne PIFA pour Tag à polarisation circulaire,
avec et sans la plaque métallique, ayant comme substrat l’air que nous avons réalisée et testée.
114
CHAPITRE 3
PARTIE-1
SYSTEMES RFID ET
ENVIRONNEMENT METALLIQUE
Tous les Tags que nous venons de présenter, nous les avons caractérisés dans la chambre
anéchoïque de l’IMEP, donc dans un environnement sourd et parfait. Aussi bien dans nos
simulations et nos caractérisations, nous avons placé nos Tags placé tous seuls et éloignés de
tout autre objets. En pratique, ces Tags peuvent être collés sur différents objets, incorporés
dans des produits et même implantés dans des organes vivants comme les animaux ou encore
un humain [3.1]. Certains matériaux posent des défis à l'étiquetage RFID passif, comme l’eau
qui est aussi conductrice avec une forte absorption du champ EM [3.2]. Le corps humain
empêche souvent la communication car est constitué d’environ 80 % d’eau [3.3]. Dans la
bande UHF qui est très sensible aux métaux, les conditions de fonctionnement sont loin d’être
parfaites de nombreux problèmes apparaissent comme l’absorption et les réflexions d’ondes
liées aux conditions d’environnement métalliques. Les Tags RFID traditionnel contiennent à
la fois un circuit intégré (puce RFID) et une antenne pour diffuser des informations. Cela
fonctionne bien pour la plupart des matériaux mais les surfaces métalliques ont tendance à
interférer avec les antennes Tags les rendant moins fiables. Lorsque l'antenne Tag est près
d'un métal, l'efficacité et la distance de lecture sont réduites. Son coefficient de réflexion, son
adaptation d'impédance, sa directivité et son gain sont affectés et même, dans certains cas, le
Tag RFID-UHF sera totalement désadapté et dysfonctionnant.
115
3.1 Tag RFID-UHF sur des surfaces métalliques
Plusieurs antennes du type Patch [3.4, 3.5] ou antennes du type PIFA (Planar Inverted-F
Antenna) [3.6, 3.7] en utilisant la surface métallique comme un plan de masse ont été
proposées pour améliorer les performances des antennes Tags RFID en présence d’objets
métalliques. Cependant, la plupart de ces antennes sont reliées à un plan de masse par
l'intermédiaire d’une languette métallique ou bien des trous qui rendent le coût de fabrication
des Tags très supérieur à celui des simple Tags. Les trous engendrent d’importantes pertes
ainsi qu’un fonctionnement instable et variable des antennes Tags.
Dans l’article de B. Yu et al. [3.8], les auteurs présentent la conception d’antenne Patch avec
deux plans de court-circuit (figure 3.1). L'antenne est alimentée par couplage inductif entre la
boucle d'alimentation et le deux éléments symétriques rayonnants. Elle comporte un substrat
de type FR4 avec une couche de mousse (Foam) entre le plan de masse et le substrat. Cette
couche de mousse permet l’isolation entre le plan de masse et l’antenne puisqu’elle va
absorber une partie de l'énergie RF. Cette couche de mousse rend le Tag RFID très épais avec
un coût de fabrication plus cher.
Figure 3. 1. Photo du prototype d'antenne Tag avec plan de masse [3.8]
Un autre concept développé par J.-S. Kim et al. [3.9] utilise deux antennes PIFA à base de
céramique. Dans [3.10], les auteurs ont proposé une nouvelle conception d'antenne Tag
planaire en E-inversé monté sur objets métalliques. D’autres travaux [3.11, 3.12, 3.13] ont été
proposés pour des antennes à bande large afin d’éviter la largeur de bande étroite des antennes
Tags. Cependant, les grandes tailles des antennes Tags RFID, en particulier en épaisseur, sur
un objet métallique présentent certains problèmes courants rencontrés dans certaines
applications, telles que le suivi de rouleaux dans l'industrie de l'acier. En générale, les Tag
116
RFID métallique doit être inférieure à 5,0 mm d'épaisseur en raison de l'espace limité dans
certains applications. Par conséquent, des Tags RFID-UHF minces sur un objet métallique
sont souhaitables. Dans [3.14, 3.15], les auteurs ont proposé une solution à base de Surface
Haute Impédance HIS (High Impedance Surface) permettant de réduire l'interférence de l'effet
de surface métallique puisque les surfaces à haute impédance sont des métamatériaux qui
annulent les ondes de surface. En outre, les trous de l'antenne proposée (figure 3.2) peuvent
augmenter le processus de fabrication, ainsi la production coûtent plus cher que certains Tags
RFID pour surfaces métalliques.
Figure 3. 2. Photo du prototype d'antenne Tag pour surface métallique [3.15]
D'autre part, il existe plusieurs applications RFID à proximité des métaux dans le domaine
industriel tels que le suivi des dispositifs médicaux, identification du véhicule, des ordinateurs
portables, la fabrication industrielle, les pipelines de pétrole et de gaz et de nombreux autres
secteurs de l'industrie. La figure 3.3 présente un prototype d’antenne Tag sur métal et une de
ces applications [3.16]. Avec les récents développements dans la technologie RFID, les
applications possibles de Tag RFID-UHF sur métal sont toujours limitées par leur portée.
(a)
(b)
Figure 3. 3. Photo du Tag RFID sur métal (a) et son application (b) [3.16]
117
3.2 Effets des surfaces métalliques sur les antennes Tag
RFID-UHF
Les antennes Tags RFID-UHF à proximité des métaux sont complexes en raison de
mécanisme de communication Lecteur-Tag dans un environnement métallique. Les Tags
RFID passifs n'ont pas de source d'énergie interne. Ils reçoivent tous de l'énergie nécessaire
pour son fonctionnement à partir du rayonnement électromagnétique émis par le lecteur. Le
point le plus important affecte l'efficacité de rayonnement de Tag afin d'obtenir suffisamment
d'énergie pour activer la puce. Lorsque les Tags RFID sont attachés à des objets métalliques,
les ondes électromagnétiques incidentes reflètent totalement de la surface métallique avec une
inversion de phase. L'onde réfléchie annule l'onde incidente et réduit ainsi l'énergie nécessaire
pour activer le Tag.
En présence d’un objet métallique, les composantes du champ électromagnétique ne sont pas
tous présents à proximité de la surface métallique. Il n'y a que la composante normale de
champ électrique et la composante tangentielle du champ magnétique. Par conséquent, les
performances du Tags RFID-UHF qui dépend dans sa fonctionnement de la composante
tangentielle du champ électrique et la composante normale du champ magnétique,
vont fortement se dégrader lorsqu'il est attaché directement ou près de surfaces métalliques.
Ce résultat s'inscrit dans le cadre de la théorie des conditions aux limites concernant les
frontières métalliques discutées dans [3.17]. La plupart des conceptions d'antennes Tags sont
basées sur les antennes dipôles, qui sont excités par champ électrique tangentielle. Si ces
antennes se trouvent sur une plaque de métal ou sont placé parallèlement à la plaque à une
faible distance, elles sont totalement désadaptées en raison du manque de champ électrique
tangentiel.
Le placement de Tag RFID à proximité d'une surface métallique entraine le changement des
paramètres d'antenne Tag tels que le coefficient de réflexion, l'impédance d'entrée, directivité,
diagramme de rayonnement, la bande passante et également l'efficacité.
Une antenne Tag est un dipôle électrique qui subir un changement significative dans son
impédance lorsqu'il est placé à proximité d'une surface métallique. Des études sur les
variations de l'impédance d'une antenne dipôle replié à différentes distances d'une plaque
métallique sont également présentées dans [3.18]. Le diagramme de rayonnement et le gain
du Tag sont affectés aussi en présence des métaux [3.19]. Les réflexions des champs
électromagnétiques causés par la surface métallique peuvent changer la concentration des
118
champs à proximité de l'antenne et conduisent donc à la modification de la directivité. Ces
changements dans la directivité et le diagramme de rayonnement dépendront bien entendu de
la forme et la taille de la structure métallique et également la distance de séparation de
l'antenne et le métal [3.20].
Pour traiter le problème d’antenne Tag sur métal, l’insertion d’une distance d’un quart d'onde
entre une antenne et le métal est une solution possible. La raison est que quand une antenne
est placée à un quart d’onde d’un plan métallique, les ondes qui se dirigent vers ce plan
réflecteur subissent une variation de phase de ʌ/2 avant d’arriver sur le métal. L’onde
électromagnétique se reflète par le métal avec un changement de phase d’angle Ɏ qui se
produit en raison de la condition aux limites de métal, de sorte que le champ électrique
tangentiel de l'onde incidente sur la surface de métal est totalement annulé par l'onde
réfléchie, ainsi une antenne qui dépend de ce champ électrique tangentiel ne fonctionne pas
bien à proximité de la surface métallique. Après la réflexion sur le métal, les ondes subissent
de nouveau une variation de phase de ʌ/2, soit une variation de phase totale égale à 2ʌ. Avec
espacement de Ȝ/4 entre l'antenne et le métal, le changement de phase causé par le métal sera
annulé. L’onde réfléchie sur la surface métallique, lorsque celui-ci est placé à un quart de
longueur d’onde, s’additionne en phase avec l’onde directe. On obtient alors des ondes
constructives au lieu d’ondes destructives (figure 3.4).
(a)
(b)
Figure 3. 4. Interférences destructives (a) ou constructives (b) pour une plaque métallique
119
3.3 Effets d’une plaque métallique sur notre antenne Tag
avec configuration T-match
Pour évaluer les dégradions des performances du notre Tag RFID-UHF, nous avons placé une
surface métallique (150*150 mm2) à 3 mm de notre antenne Tag avec configuration T-match
présenté dans le chapitre 2 (§ 2.3.5.1) (figure 3.5).
Figure 3. 5. Tag RFID placé à proximité d’une plaque métallique
Nous constatons une modification de l’impédance d’entrée de l’antenne Tag qui est
Z a = (0,78 − j155 ,07 ) Ω à 910 MHz au lieu d’une impédance d’antenne sans métal
Z a = (27,04 − j161,6)Ω . Nous remarquons une diminution de la partie réelle de
l’impédance, engendrant une désadaptation d’impédance entre l’antenne et la puce (figure
3.6).
120
XY Plot 2
HFSSDesign1
250.00
$162)7
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
200.00
Name
Y
0.9100 0.7896
m2
0.9100 155.0732
m2
Y1
150.00
X
m1
100.00
50.00
m1
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique
Le gain de l'antenne avec configuration T-match a subi aussi une réduction de 22,35 dB par
rapport au gain de cette antenne, sans plaque métallique, qui présente un gain de 1,78 dB
(figure 3.7).
Figure 3. 7. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne Tag avec plaque métallique
Nous avons ensuite placé notre Tag à une distance équivalente à un quart d’onde d=83 mm
( ≈ λ / 4 ). Nous avons obtenu un bon coefficient de réflexion de 43,4 dB à la fréquence
900 MHz avec une impédance d’antenne Za = (27,15 − j163,5)Ω (figure 3.8). Le gain de notre
Tag est alors 3,6 fois supérieur à celui du Tag sans plaque métallique, et atteint 6,44 dB.
121
XY Plot 2
HFSSDesign1
250.00
$162)7
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
200.00
Name
Y
0.9000 163.5235
m2
0.9000 27.1573
m3
0.9100 154.8992
m4
0.9100 27.1673
m1
m3
Y1
150.00
X
m1
100.00
50.00
m2 m4
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
Figure 3. 8. Impédance d’entrée de l’antenne Tag placée à d=83 mm de plaque métallique
Figure 3. 9. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne à une distance de d=83 mm de plaque
métallique
La séparation par un espacement quart d'onde entre le Tag et l’objet métallique permet de
maintenir et même d’améliorer les performances du Tag RFID-UHF. Cet espacement de
83 mm est trop grand pour certaines applications RFID. Il est préférable de concevoir des
Tags avec plan de masse pour l’identification des objets métalliques. Les Tags RFID avec
plan de masse ne sont pas sensibles à la proximité de métaux mais c’est l’adaptation
d’impédance entre la puce et l’antenne avec plan de masse qui est altérée. Il est plus difficile
d’adapter une puce RFID avec une antenne sans plan masse qu’avec une autre avec plan de
masse puisque dans cette dernière la continuité du plan de masse est importante.
122
3.4 Conception et réalisation d'antennes Tags RFID-UHF
à proximité d’une surface métallique
3.4.1 Antenne Tag RFID-UHF à couplage à capacitif
Lorsqu’un Tag RFID sans plan de masse est placé à proximité d’une surface métallique, la
dégradation de la performance de Tag RFID est inévitable. Cette dégradation est
principalement causée par une désadaptation d'impédance due à au couplage capacitif entre la
surface métallique et l'antenne. L’adaptation d’une puce RFID capacitive avec l’antenne est
généralement réalisée à l’aide d’une boucle rectangulaire ou bien circulaire à caractère
inductif. Le rajout d’un plan de masse à ce Tag, dégrade l’adaptation et altère sa fiabilité. Le
Tag RFID-UHF standard perd la quasi-totalité de son adaptation.
Comme nous l'avons cité ci-dessus, la technologie RFID-UHF sur métal est basée sur des
antennes Patch ou des antennes PIFA utilisant la surface métallique comme un plan de masse.
La fabrication des ces Tags est complexe car elle nécessite des languettes métalliques et des
trous pour assurer l’adaptation d’impédance, ce qui augmente le coût élevé de réalisation.
Pour des Tags RFID à bas coût, il faut utiliser des antennes planaires et faciles à réaliser. Une
des techniques les moins coûteuses et les plus faciles à réaliser pour adapter la puce RFID
utilise un stub ouvert d’adaptation dont la longueur approximative L est calculée [3.21] à
l’aide de la relation (3.1) :
L=
λ
§−Z ·
tan−1 ¨ 0 ¸
2π
© X ¹
(3.1)
avec Z0 : l'impédance caractéristique du stub ouvert d'adaptation et X : la réactance de
l'antenne.
Des structures d’antennes Patch RFID adaptées avec un stub ouvert ou court-circuité ont été
rapportées dans [3.22], avec un montage sur des objets métalliques. Dans [3.23], une antenne
méandre à couplage capacitif montée sur une surface métallique est présentée. Cette antenne à
couplage capacitif est bien adaptée à la puce en utilisant un stub court-circuité avec le plan de
masse. Cette antenne présente un gain de -3.8 dB sans plaque métallique et de -6 dB avec une
plaque métallique. Cette chute au niveau du gain entraine une dégradation dans la plage de la
lecture de l’antenne lorsqu’elle est placée sur une grande plaque métallique. Pour cela, nous
nous sommes intéressés à la conception de deux antennes prototypes à couplage capacitif qui
sont adaptées par un stub ouvert et par un stub court-circuité.
123
3.4.2 Antenne Tag RFID-UHF avec un stub court-circuité
La géométrie de l’antenne avec un stub court-circuité et le prototype réalisé sont présentés à la
figure 3.10. Elle est constituée de deux éléments rayonnants avec un stub court-circuité, situé
au dessus d’un plan de masse. La puce est de type Alien Higgs-3 RFID d’impédance mesurée
Z cMesurée = (26 − j163)Ω est court-circuitée avec le plan de masse par un trou métallisé
de rayon R=0,5 mm. Le substrat utilise dans la conception de cette antenne est le FR4
d’épaisseur H=1,6 mm, de permittivité relative ε r = 4, 4 et de tan δ = 0 , 02 .
(b)
(a)
Figure 3. 10. Géométrie de l’antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le
prototype réalisé (b)
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 3.1.
Variable
(mm)
Lsub
90
Wsub
50
W1
2
W2
13
W3
2
W4
15
W5
5
W6
6
Ls
79
Tableau 3. 1. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub court-circuité
Pour comparer les performances de notre Tag à proximité des métaux, nous avons placé
l’antenne au centre d’une plaque métallique. La figure 3.11 montre notre Tag avec un stub
court-circuité placé sur une plaque métallique de 300 x 300 mm2.
Figure 3. 11. Tag RFID avec un stub court-circuité sur une plaque métallique
124
En présence de la plaque métallique, notre Tag bi-bande a subit une légère dégradation au
niveau du coefficient de réflexion. Notre antenne sans plaque métallique résonne bien à deux
fréquences. La première fréquence est de 895 MHz avec S11=–51,28 dB et la seconde
fréquence est de 941 MHz avec S11=–44,2 dB. Avec la plaque métallique, l’antenne résonne à
897 MHz avec S11=–40,75 dB et la seconde fréquence est de 943 MHz avec S11=–32,99 dB.
Les coefficients de réflexion avec ou sans la plaque métallique sont représentées à la figure
3.12. Notre Tag présente une large bande pour l'antenne placée soit au sein du bâtiment soit
sur plaque métallique.
T a g R F ID s a n s p la q u e m é ta lliq u e
2
T a g R F ID a v e c p la q u e m é ta lliq u e ( 3 0 0 * 3 0 0 m m )
-1 0
-1 5
-2 0
11
S (dB)
-2 5
-3 0
-3 5
-4 0
-4 5
-5 0
-5 5
860
880
900
920
940
960
Figure 3. 12. Coefficient de réflexion de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique
La comparaison des impédances simulées de l'antenne avec ou sans plaque métallique
confirme la bonne adaptation de l'antenne à la puce RFID avec une faible variation des
impédances dans les deux cas. Nous remarquons qu'à la première fréquence de résonance de
895MHz, l'impédance d'entrée Z a = ( 25,77 + j163,45)Ω . À la seconde fréquence de
résonance de 941 MHz, l'impédance d’entrée est de Z a = ( 27 ,01 + j163,05)Ω . Pour
l’antenne avec la plaque métallique, l'impédance d'entrée est de Z a = ( 22,04 + j163,64) Ω à
897 MHz et de Z a = (31,65 + j166 ,42 ) Ω à la fréquence de résonance 943 MHz. Nous
présentons ci-dessous, les parties réelles (figure 3.13a) et imaginaires (figure 3.13b) de
l'impédance de l'antenne sans ou avec la plaque métallique.
125
100
80
60
40
20
0
860
880
900
920
940
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal)
Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal)
Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal)
Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)
220
200
180
160
140
120
100
960
Fréquence (MHz)
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
(b)
(a)
Figure 3. 13. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique : (a) Parties
réelles, (b) Parties imaginaires
Les diagrammes de rayonnement de l’antenne avec ou sans la plaque métallique pour
différentes valeurs de l’angle ϕ est représenté à la figure 3.14. Nous constatons que les
diagrammes de rayonnement s’améliorent avec la présence de plaque métallique. Afin de
confiner le champ électromagnétique dans une certaine direction, le diagramme de
rayonnement de l’antenne avec la plaque métallique présente une ouverture angulaire à -3 dB
(environ 50°) plus étroite comparée à celle de l’antenne sans la plaque métallique (environ
100°). Pour ϕ = 0° , nous obtenons le meilleur diagramme de rayonnement de l’antenne avec
ou sans la plaque métallique. Nous présentons à la figure 3.15, les gains simulés de l’antenne
avec ou sans la plaque métallique. Les gains maximums de l’antenne, avec ou sans la plaque
métallique, sont de -2,57 dB et -6,13 dB, respectivement. Ces résultats montrent un gain de
3,56 dB lorsque notre antenne Tag est placée sur la plaque métallique. L’augmentation du
gain avec la plaque métallique entraine l’augmentation de la portée de notre Tag avec la
plaque métallique.
126
Radiation Pattern 6
Radiation Pattern 6
HFSSDesign1
m1
0
-30
Name
Theta
Ang
Mag
m1
360.0000 -0.0000 -6.1341
m2
180.0000 180.0000 -9.7637
HFSSDesign1
0
Curve Info
30
-7.60
dB(GainTotal)
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-9.20
dB(GainTotal)
-60
60
Curve Info
m1
Name
Theta
Ang
Mag
-6.00
dB(GainTotal)
-12.00
dB(GainTotal)
-30
m1
360.0000 -0.0000 -2.5733
m2
180.0000 180.0000 -18.2949
30
-60
60
-10.80
dB(GainTotal)
-18.00
dB(GainTotal)
-12.40
dB(GainTotal)
-24.00
dB(GainTotal)
-90
90
dB(GainTotal)
-90
90
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-120
120
-150
dB(GainTotal)
m2
dB(GainTotal)
m2
dB(GainTotal)
-120
dB(GainTotal)
120
-150
150
dB(GainTotal)
150
-180
-180
(b)
(a)
Figure 3. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne sans (a) ou avec (b) la plaque métallique
avec variation de l’angle
ϕ
à 915 MHz
(a)
(b)
Figure 3. 15. Gain de l’antenne à couplage capacitif sans (a) ou avec (b) la plaque métallique
En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les performances de notre Tag RFID sans ou avec
la plaque métallique. La figure 3.16 montre la puissance minimale nécessaire pour activer le
Tag en fonction de la distance. La portée de l’antenne avec plaque métallique peut atteindre
environ 4 m pour une puissance d’émission de 31,5 dBm, alors que celle de l’antenne sans
plaque métallique atteint une distance de lecture de 2,3 m avec une puissance d’émission de
28,5 dBm. Notre Tag RFID-UHF utilise les ondes électromagnétiques réfléchies par la plaque
métallique comme des ondes constructives afin d’améliorer ses performances en terme de
gain et de distance de lecture, en assurant un bon coefficient de réflexion avec la plaque
métallique (S11=–40,75 dB à 897 MHz et S11=–32,99 dB à 943 MHz).
127
Puissance minimale d'activation (dBm)
T a g s a n s p la q u e m é ta lliq u e
2
T a g a v e c p la q u e m é ta lliq u e (3 0 0 * 3 0 0 m m )
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
2 ,5
3 ,0
3 ,5
4 ,0
4 ,5
D is ta n c e (m )
Figure 3. 16. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
3.4.3 Antenne Tag RFID-UHF avec un stub ouvert d’adaptation
La géométrie de l’antenne avec un stub ouvert est montrée à sur la figure 3.17. Elle est
identique à l’antenne avec un stub court-circuité sauf que le trou de court-circuit a été
remplacé par un stub ouvert d’adaptation.
Figure 3. 17. Géométrie de l’antenne Tag à couplage capacitif avec un stub ouvert d’adaptation
Les dimensions en mm de l'antenne avec un stub d’adaptation sont données dans le tableau 3.2.
Variable
(mm)
Lsub
90
Wsub
50
W1
2
W2
13
W3
2
W4
15
W5
5
W6
6
W7
47
L1
22
L2
4
Ls
79
Tableau 3. 2. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation
128
Nous avons placé l’antenne avec un stub ouvert d’adaptation au centre d’une plaque
métallique (300 x 300 mm2) pour déterminer les performances de notre Tag. Notre Tag
bi-bande présente un bon coefficient de réflexion même en présence de plaque métallique.
Notre Tag sans plaque métallique résonne à deux fréquences. La première fréquence de
résonnance est de 899 MHz et S11=–32,07 dB. À la seconde fréquence de 934 MHz,
S11=–55,08 dB. Avec la plaque métallique, l’antenne résonne à 904 MHz, S11=–41,94 dB.
A la seconde fréquence de 937 MHz, S11=–38,82 dB. Les coefficients de réflexion avec ou
sans la plaque métallique sont représentées sur la figure 3.18. Notre Tag avec ou sans la
plaque métallique a une large bande de 90 MHz (870MHz-960 MHz) avec S11-15 dB.
Tag RFID UHF sans plaque métallique
2
Tag RFID UHF avec plaque métallique (300* 300 mm )
-10
S11 (dB)
-20
-30
-40
-50
-60
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 18. Coefficient de réflexion de l’antenne sans ou avec la plaque métallique
La figure 3.19 présente une comparaison des impédances simulées de l'antenne (parties réelles
(figure 3.19a) et imaginaires (figure 3.19b)) avec ou sans plaque métallique. Nous
remarquons qu'à la première fréquence de résonance de 899 MHz, l'impédance d'entrée est de
Z a = ( 29 , 2 + j156 ,15 ) Ω et à la seconde fréquence de 934 MHz, l'impédance d’entrée est de
Z a = ( 25 , 2 + j162 , 46 ) Ω . Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée est
de Z a = ( 26 , 28 + j160 ,71) Ω à 904 MHz et à la fréquence de résonance de 937 MHz,
l'impédance d’entrée est de Z a = ( 28 ,75 + j163 , 49 ) Ω .
129
Pa rtie réelle de l'im pé da nce(Ta g sans m étal)
Pa rtie réelle de l'im pé da nce(Ta g a vec m é tal)
70
60
50
40
30
20
10
0
860
880
900
920
940
Partie im aginaire de l'im pédance(Tag sans m étal)
Partie im aginaire de l'im pédance(Tag avec m étal)
240
220
200
180
160
140
120
100
960
860
880
Fréquence (M Hz)
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
Figure 3. 19. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique
Le prototype d’antenne avec un stub court-circuité a des diagrammes de rayonnement qui
s’améliorent en présence de la plaque métallique. Le meilleur diagramme de rayonnement
dans les deux cas avec et sans la plaque métallique est obtenu lorsque l’angle ϕ = 0° . La
figure 3.21 présente les gains simulés de l’antenne avec et sans la plaque métallique. Les
gains maximums de l’antenne, avec ou sans la plaque métallique, sont de -2,93 dB et de
-5,74 dB, respectivement. Les résultats montrent un gain de 2,81 dB lorsque notre Tag
RFID-UHF est placé sur la plaque métallique. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne
avec ou sans la plaque métallique pour différentes valeurs de l’angle ϕ sont représentés à la
figure 3.20.
Radiation Pattern 6
HFSSDesign1
Radiation Pattern 6
$162)7
Name
-30
m1
30
Curve Info
-6.40
Name
Theta
Ang
dB(GainTotal)
Mag
-8.80
m1
360.0000 -0.0000 -5.7417
m2
180.0000 180.0000 -11.5361 -60
HFSSDesign1
Theta
Ang
Mag
m1
360.0000 -0.0000 -2.9348
m2
180.0000 180.0000 -20.0349
m1
-90
90
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
-14.00
dB(GainTotal)
30
-21.00
dB(GainTotal)
-28.00
dB(GainTotal)
-60
60
dB(GainTotal)
-13.60
-7.00
-30
dB(GainTotal)
60
-11.20
-90
dB(GainTotal)
90
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
m2
-120
120
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
m2
-120
dB(GainTotal)
120
dB(GainTotal)
-150
150
-150
-180
150
-180
(b)
(a)
Figure 3. 20. Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert, sans (a) ou avec (b) la
plaque métallique, avec une variation de l’angle
$162)7
Curve Info
0
0
ϕ à 915 MHz
130
(b) avec plaque métallique
(a) sans plaque métallique
Figure 3. 21. Gain de l’antenne Tag à couplage capacitif sans (a) ou avec (b) la plaque métallique
Pour vérifier le fonctionnement des deux antennes Tags proposées, nous avons mesuré en
chambre anéchoïque, la puissance minimale envoyée par le Lecteur pour activer le Tag. Nous
présentons à la figure ci-dessous (figure 3.22), une comparaison des puissances minimales
nécessaires pour activer les deux Tags, d’une antenne avec un stub court-circuité et une autre
antenne avec stub ouvert d’adaptation, en champ lointain (d=65 cm). La puissance minimale
nécessaire pour activer le Tag avec stub ouvert d’adaptation est de 14,8 dBm à 910 MHz,
alors que le Tag avec un stub court-circuité a besoin de 14,5 dBm pour son activation à
900 MHz.
Mesure en champ lointain_open stub (d=65 cm))
Mesure en champ lointain_short stub (d=65 cm))
26
24
22
20
18
16
14
840
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 22. Puissance minimale reçue par les deux types de Tags en champ lointain
131
Pour déterminer la portée de lecture des Tags RFID au sein du bâtiment, le dispositif
ThingMagic M6E de lecture RFID a été utilisé avec l’antenne cornet pour détecter nos
antennes prototypes Tags. La photo de l’antenne Tag sous test, avec stub ouvert d’adaptation,
est illustrée à la figure 3.23.
Figure 3. 23. Antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation sous test
La figure 3.24 montre la puissance minimale nécessaire pour activer nos Tags RFID-UHF en
fonction de la distance en espace libre. Nous avons rassemblé les quatre courbes des antennes
avec un stub ouvert d’adaptation et un stub court-circuité, avec et sans la plaque métallique,
sur la même figure pour mieux comparer les deux antennes.
34
32
30
28
26
24
22
20
18
Tag
Tag
Tag
Tag
16
14
12
sans
avec
sans
avec
plaque
plaque
plaque
plaque
m étallique
m étallique
m étallique
m étallique
(open
(short
(short
(open
stub)
stub)
stub)
stub)
10
8
0,2
0,3
0,4
0,5
0,8
0,9
1
1,5
2
2,3
3
4
4,2
--
Distance (m)
Figure 3. 24. Puissance minimum en fonction de la distance avec et sans la plaque métallique
Pour une puissance d'émission de 31.5 dBm et une polarisation linéaire, la distance maximale
de lecture mesurée de l'antenne du Tag avec stub ouvert d’adaptation sur plaque métallique
atteint 4.2 m. La portée du Tag avec stub ouvert d’adaptation sans plaque métallique est de
132
2,3 m avec un niveau de puissance de transmission de 31,2 dBm. La même portée de 2,3 m
peut être atteinte par l'antenne Tag avec un stub court-circuité sans une plaque métallique.
Nous pouvons avoir une distance de lecture de 4 m avec une antenne à stub court-circuité
avec plaque métallique et pour une puissance d’émission de 31,5 dBm.
Les résultats des simulations et de mesures montrent que les deux antennes à couplage
capacitif, avec un stub court-circuité ou avec stub ouvert d’adaptation, ont presque les mêmes
performances à côté de la plaque métallique. Le Tag à couplage capacitif avec un stub courtcircuité est complexe à réaliser à cause du trou métallisé et qui a aussi un coût élevé par
rapport au Tag RFID standard. La structure d'antenne avec stub ouvert d’adaptation pourrait
être fabriquée à bas coût. C’est une bonne solution d'antenne plane pour Tag RFID-UHF sur
surface métallique.
3.4.4 Antenne à fente pour Tag RFID-UHF
Nous nous sommes également intéressés à un autre type d’adaptation d’antenne Tag
RFID-UHF avec plan de masse. Ce type d’adaptation est basé sur une fente. Pour une simple
antenne Patch, le rajout des fentes sur l’élément rayonnant permet de faire apparaître plusieurs
fréquences de résonance. Pour l’antenne Tag RFID, une fente permet de réaliser l’adaptation
de l’impédance d’entrée de l’antenne à l’impédance de la puce. L’antenne Tag RFID-UHF
que nous avons réalisée est inspirée de [3.24], où les auteurs ont proposé une antenne flexible
montable sur des surfaces métalliques. Cette antenne présente une large bande passante à -3
dB de 70 MHz et un faible gain de -2,7 dBi à cause des pertes ohmiques élevées du substrat
en PVC utilisé.
Notre prototype d’antenne Tag à fente d’adaptation a été simulé sur un substrat Taconic TLY
ayant une permittivité de 2.2 et une épaisseur H=0.76 mm. Les métallisations de l’antenne
sont en cuivre d’épaisseur t =18 µm. La géométrie de cette antenne est représentée sur la
figure 3.25. Les dimensions géométriques de l'antenne sont données dans le tableau 3.3.
Variable
(mm)
Lsub
114
Wsub
46
W1
2
W2
3
W3
6
W4
8
L1
36.5
L2
4
Tableau 3. 3. Paramètre de l’antenne Tag à fente
133
Figure 3. 25. Géométrie de l’antenne à fente
Notre antenne à été court-circuitée par une languette métallique de dimension (6×0,76 mm2).
Languette de court-circuit
Figure 3. 26. Languette de court-circuit de l’antenne à fente
Le prototype de notre antenne Tag à fente que nous avons réalisé est montré la figure 3.27.
Figure 3. 27. Antenne Tag RFID à fente réalisée
134
Nous voulons que l’antenne avec objet métallique garde les même performances que sans,
pour que la lecture des informations soit toujours complète et non partielle. La figure 3.28
montre les coefficients de réflexion avec et sans la plaque métallique. Pour une antenne à
fente optimisée et adaptée, nous obtenons un coefficient de réflexion de -51,7 dB à 918 MHz
sans plaque métallique et de -39,5 dB à 916 MHz avec plaque métallique. Nous constatons
ainsi que notre Tag reste bien adapté avec la présence de surface métallique.
A n te n n e à fe n te s a n s p la q u e m é ta lliq u e
2
A n te n n e à fe n te a v e c p la q u e m é ta lliq u e (3 0 0 * 3 0 0 m m )
20
10
S11 (dB)
0
-1 0
-2 0
-3 0
-4 0
-5 0
-6 0
860
880
900
920
940
960
Figure 3. 28. Coefficient de réflexion de l’antenne à fente avec et sans la plaque métallique
La figure 3.29 présente une comparaison des impédances simulées de l'antenne à fente
(parties réelles (figure 3.29a) et imaginaires (figure 3.29b)) avec et sans plaque métallique.
Pour l’antenne avec plaque métallique, l'impédance d'entrée est de Z a = ( 25,15 + j162 ,9)Ω à
Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal)
Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal)
800
600
400
200
0
860
880
900
920
Fréquence (MHz)
(a)
940
960
918 MHz et avec une plaque métallique, Z a = ( 25,51 + j159 ,57 )Ω à 916 MHz.
Partie im aginaire de l'im pédance(Tag sans m étal)
Partie im aginaire de l'im pédance(Tag avec m étal)
400
200
0
-200
-400
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
(b)
Figure 3. 29. Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans (a) ou avec (b) la plaque métallique
135
Pour adapter notre Tag dans différentes plages de fréquence RFID, il suffit juste de varier la
longueur L1 de la fente. La figure 3.30 montre les coefficients de réflexion simulés pour
différentes valeurs de L1. Pour ces différentes valeurs, le tableau 3.4 donne les fréquences de
résonance et les niveaux du coefficient de réflexion en entrée correspondants.
L s = '2 5 m m '
L s = '3 0 m m '
L s = '3 5 m m '
L s = '3 7 .5 m m '
L s = '4 0 m m '
L s = '4 5 m m '
L s = '5 0 m m '
20
15
10
5
0
S11 (dB)
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
860
880
90 0
920
9 40
960
F ré qu e n ce (M H z )
Figure 3. 30. Coefficients de réflexions simulés pour différentes valeurs de L1
Pour différentes valeurs de L1, le tableau 3.4 donne les fréquences de résonance et les
coefficients de réflexion correspondants à l’entrée.
L1
25
30
35
37,5
40
45
50
Fréquence de résonance (MHz)
957
941
925
918
910
894
879
Coefficient de réflexion (dB)
-27,41 -32,31 -37,08 -51,79 -39,73 -34,96 -32,66
Tableau 3. 4. Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différentes
valeurs de L1
Nous remarquons alors que la fréquence de résonnance de l’antenne diminue normalement
avec l’augmentation de longueur L1. La conception de l'antenne Tag proposée présente un
moyen simple et facile pour adapter l'impédance de l'antenne à n’importe quelle impédance de
la puce RFID.
La figure 3.31 montre les diagrammes de rayonnement de l’antenne à fente, avec ou sans la
plaque métallique, pour différent valeur de l’angle ϕ . Nous constatons que les diagrammes de
rayonnement s’améliorent en présence de plaque métallique. Le diagramme de rayonnement
de l’antenne avec la plaque métallique présente une ouverture angulaire à -3 dB d’environ 55°
qui est plus étroite comparée à celle de l’antenne sans la plaque métallique (environ 90°).
136
Pour ϕ = 0° et θ = 20, nous obtenons un gain de l’antenne, sans la plaque métallique, de
-1,77 dB. Nous présentons, à la figure 3.32, les gains simulés de l’antenne avec et sans la
plaque métallique. Le gain maximum de l’antenne, avec la plaque métallique, est de 1,42 dB
et de 1,75 dB pour l’antenne sans plaque métallique. Les résultats montrent un gain de 3,1 dB
lorsque notre antenne est placée sur la plaque métallique. L’augmentation du gain avec plaque
métallique engendre l’augmentation de la distance de lecture de l’antenne avec la surface
métallique.
Radiation Pattern 3
Radiation Pattern 3
HFSSDesign1
0
Name
Theta
Ang
Mag
-30
m1
360.0000 -0.0000 -2.0209
m2
180.0000 180.0000 -6.3283
m3
20.0000 20.0000 -1.7738
m1
HFSSDesign1
0
m1
m3
Name
30
Curve Info
-3.20
dB(GainTotal)
-6.40
Ang
Mag
-30
360.0000 -0.0000
m2
180.0000 180.0000 -14.5527
1.4222
30
dB(GainTotal)
60
-19.00
-12.80
-27.00
90
dB(GainTotal)
-60
-9.60
-90
Curve Info
-3.00
-11.00
dB(GainTotal)
60
-60
Theta
m1
-90
90
m2
m2
-120
-150
120
150
-120
120
-150
150
-180
-180
(a)
(b)
Figure 3. 31. Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans (a) ou avec (b) la plaque
métallique avec variation de l’angle ϕ à 915 MHz
(a)
(b)
Figure 3. 32. Gain de l’antenne à fente sans (a) et avec (b) la plaque métallique
137
Nous avons essayé alors de vérifier les performances de ce prototype d’antenne à fente avec et
sans plaque métallique. La photographie du notre banc de mesures expérimentales en chambre
anéchoïque est représenté à la figure 3.33.
Figure 3. 33. Mesure de la portée du Tag avec plaque métallique en chambre anéchoïque
Nous avons mesuré la puissance minimale nécessaire pour l’activation du Tag. La figure 3.34
montre cette puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag avec ou sans la plaque
métallique et avec une distance de séparation entre le Lecteur et notre Tag est d=65 cm.
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Tag RFID UHF sans plaque métallique (d=65 cm)
Tag RFID UHF avec plaque métallique (d=65 cm)
908 910 912 914 916 918 920 922 924 926 928 930 932 934 936 938 940 942
Fréquence (MHz)
Figure 3. 34. Puissance minimale reçue par le Tag avec et sans la plaque métallique en fonction de
la fréquence
138
D’après la figure 3.34, la puissance minimale nécessaire pour renvoyer une réponse correcte à
916 MHz, à une distance d=65 cm, est d'environ 7,5 dBm. La puissance minimale requise
pour que notre Tag, avec plaque métallique, réponde à 917 MHz est de l’ordre de 3,5 dBm.
Ainsi notre Tag fonctionne bien sur la surface métallique et reçoit moins de puissance que
l’antenne sans plaque. L’inconvénient de ce Tag, avec et sans plaque métallique, est qu’il ne
répond pas entre 919 et 920 MHz avec d=65 cm. Nous avons essayé de rapproché note Tag de
Lecteur à une distance d=1cm. D’après la figure 3.35, nous constatons que notre Tag
fonctionne bien sur toute la bande UHF.
Tag R FID U H F sans plaque m étallique (d=1 cm )
Tag R FID U H F avec plaque m étallique (d=1 cm )
25
20
15
10
5
0
-5
-10
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 35. Puissance minimale reçue par le Tag avec et sans la plaque métallique en champ
proche
En champ proche, notre antenne avec plaque métallique est plus performante car elle a besoin
de -9,5 dBm pour son activation à 915 MHz, alors que sans plaque métallique elle nécessite et
a besoin d’un puissance minimum de -4 dBm à 915 MHz.
Nous faisons varier notre Tag en fonction de l’angle Ʌ et déterminons ainsi la puissance
minimale, reçue par le Tag et émise par le lecteur, pour différent orientation du notre Tag
(figure 3.36).
139
Figure 3. 36. Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du Tag
en fonction de l’angle Ʌ
La figure 3.37 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag en fonction de
l’angle θ à 917 MHz, mesurée à une distance d = 65 cm.
Mesure de la puissance minimale(d=65 cm; f=917 MHz)
90
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
120
60
Tag RFID sans plaque métallique (d=65 cm)
Tag RFID avec plaque métallique (d=65 cm)
30
150
180
0
330
210
240
300
270
Figure 3. 37. Puissance minimales mesurée en fonction de
θ à 917 MHz
Nous constatons que notre Tag ne répond pas pour toute orientation. Notre Tag avec plaque
métallique répond avec les angles 0°Ʌ70° et 280°Ʌ350° et une puissance minimale
d’activation mesurée de 3,5 dBm pour Ʌ=0°. Notre Tag sans plaque métallique répond avec
les angles 0°Ʌ50° et 290°Ʌ350° avec une puissance minimale d’activation mesurée de
7,8 dBm pour Ʌ=350°. Ces résultats confirment les bonnes performances du notre Tag à fente
sur la surface métallique, par rapport au Tag sans plaque métallique, au niveau de puissance
minimale nécessaire d’activation et d’orientation possible du Tag.
140
PARTIE-2
ANTENNES POUR LECTEURS
RFID-UHF A POLARISATION
CIRCULAIRE
Il existe trois types de polarisations : linéaire, circulaire et elliptique. La direction de
polarisation d'une antenne est définie comme étant la direction du champ électrique E.
Plusieurs antennes existantes sont linéairement
polarisées verticalement (V) ou
horizontalement (H) malgré le fait que ces désignations impliquent une référence au sol.
Selon les antennes et les conditions de propagation, l’antenne d’émission et l’antenne de
réception doivent avoir la même polarisation, sinon on a une perte de puissance en
transmission. Certaines antennes pour lecteurs RFID utilisent une polarisation circulaire afin
de détecter des Tags, quel que soit le positionnement de celui-ci par rapport au Lecteur. Dans
ce cas, la direction du champ électrique E varie avec le temps à un point d'observation fixe.
Deux sens de polarisation circulaire (CP) sont possibles, une polarisation circulaire droite
(Right Hand Circular Polarisation : RHCP) et une polarisation circulaire gauche (Left Hand
Circular Polarisation LHCP). Pour la RHCP, le vecteur champ électrique paraît tourner dans
le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu à partir du point d'observation. Pour la
LHCP, le champ électrique fait une rotation anti-horaire. Une antenne conçue pour émettre
une polarisation particulière saura également recevoir la même polarisation. Avec la
polarisation circulaire, le lecteur peut communiquer avec un Tag même si celui-ci est polarisé
linéairement, alors que quelque soit la polarisation du Tag RFID et du lecteur, ces derniers
peuvent communiquer entre eux. La polarisation circulaire n’est rien d’autre qu’un cas
particulier d’une polarisation elliptique. La polarisation elliptique est obtenue lorsque la
grandeur du champ électrique varie entre ses positions verticale et horizontale, le champ
électrique décrit ainsi une ellipse dans le temps. Une analyse détaillée des polarisations peut
être consultée dans [3.25].
141
La nature de la polarisation (linéaire, circulaire ou elliptique) est étroitement liée au mode
fondamental généré et donc à la position du point d’alimentation. Par exemple, nous pouvons
créer une polarisation circulaire dans une antenne microruban de plusieurs façons. Une
première solution consiste à l’alimenter de deux côtés différents avec des signaux déphasés de
π / 2 . D’autres techniques permettent d’obtenir le même effet avec un seul signal d’entrée
(alimentation sur la diagonale). Dans tous les cas, il s’agit toujours de créer deux modes de
résonance l’un près de l’autre de sorte que le champ émis soit polarisé circulairement. Le
choix d’une technique plutôt qu’une autre dépend bien évidemment des performances
souhaitées en termes de bande passante en polarisation circulaire. En effet, cette bande
passante sera plus élevée dans le cas d’un système à deux accès mais sa réalisation sera alors
plus complexe (coupleur hybride, déphaseur π / 2 , etc.) [3.26].
La polarisation circulaire (PC) est très intéressante pour avoir une bonne communication
RFID à proximité des métaux. Aujourd'hui, les Tags RFID à polarisation circulaire ont
focalisé beaucoup d'attention puisque la grande majorité des antennes du Lecteur sont conçues
avec PC. Des travaux [3.27, 3.28, 3.29] ont été proposés montrant des antennes Tags
RFID-UHF à polarisation circulaire bien fonctionnant à coté des métaux. Mais ces antennes
Tags ont présenté des gains faibles de -15 dB à -7 dB et une faible distance de lecture entre 3
et 4 m par rapport à ces dimensions.
3.5 Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID
UHF à 915 MHz
Les antennes pour Lecteur RFID-UHF que nous avons réalisée est inspirée de [3.30], où les
auteurs ont proposé une antenne Lecteur à polarisation circulaire alimentée par couplage avec
une ligne d'alimentation microruban 50ȍ.
3.5.1 Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF
sur la bande RFID-UHF européenne (865 MHz-868MHz)
L’objectif de cette section est d’étudier la faisabilité d’une antenne à polarisation circulaire
pour Lecteur RFID fonctionnant dans la bande RFID-UHF européenne (865-868 MHz). Nous
étudions une antenne à fente circulaire avec arc métallique en forme de C, gravée au centre
d’un plan de masse rectangulaire de dimensions 98×98 mm2. L’arc métallique en forme de C
est relié au bord de la fente circulaire avec un angle Į . La fente circulaire est
alimentée par couplage avec une simple ligne d'alimentation microruban 50ȍ. Le diélectrique,
142
entre la ligne microstrip d’alimentation par couplage et le plan de masse, est de type FR4, sa
permittivité relative est de 4,4 et son épaisseur est de 1,6 mm. La métallisation de l’antenne
est en cuivre d’épaisseur t =17 ȝm.
3.5.1.1
Géométrie de notre antenne Lecteur
La configuration de notre antenne Lecteur proposée est représentée à la figure 3.38.
(b)
(a)
Figure 3. 38. Géométrie de l’antenne du Lecteur à polarisation circulaire : (a) vue de dessus,
(b) vue de dessous.
Les dimensions géométriques des différents paramètres sont données au tableau 3.5.
Variable
Lsub
L1
Wsub
W1
W
W3
R1
R
R3
(mm)
98
70
98
2,8
7
61
35
28
30
Tableau 3. 5 Paramètre de l’antenne du Lecteur
L’antenne réalisée à polarisation circulaire est représentée à la figure 3.39.
(a)
(b)
Figure 3. 39. Réalisation de l’antenne Lecteur: (a) vue de dessous. (b) vue de dessus.
143
3.5.1.2
Résultats des simulations et de mesure
Nous avons effectué la mesure du coefficient de réflexion de l’antenne à l’aide d’un analyseur
vectoriel des réseaux AGILENT 8720ES (0.04-20 GHz) et le banc expérimental est montré à
la figure 3.40.
Figure 3. 40 Banc de mesure de S11 de l’antenne à polarisation circulaire
9 Coefficient de réflexion et rapport axial (RA)
La figure 3.41 montre les coefficients de réflexion mesuré et simulé de notre antenne. Le
coefficient de réflexion simulé est de -19,54 dB à 867,5 MHz. Les coefficients de réflexion
mesurés sont S11=-17,86 dB à 882,5 MHz et S11=-19,65 dB à 906,5 MHz. La bande passante à
-10dB est de 82,5 MHz et varie expérimentalement entre 864,5 MHz et 947 GHz, soit une
bande relative centrée à 868 MHz de 9.5%. En simulation, c’est entre 851 MHz et 929 MHz,
soit une bande passante relative de 8,98%. Nous observons un décalage de S11 d’environ
15 MHz entre la simulation et la mesure. Nous pensons que ce décalage est dû à
l’alimentation par le couplage par proximité qui crée une discontinuité entre la ligne
microruban et l’élément rayonnant.
144
S im ulation (H F S S )
M esure
0
-2
-4
S11 (dB)
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
800
850
900
950
1000
Fréquence (M H z)
Figure 3. 41 Coefficient de réflexion simulé et mesuré de l’antenne Lecteur
La polarisation circulaire est obtenue dans la direction normale à l’antenne avec ĳ=ș=0°. La
figure 3.42 montre le rapport axial (RA) en fonction de la fréquence dans la direction
optimale d’obtention de la polarisation circulaire (ĳ=ș=0°).
Rapport axial (dB)
7
6
5
4
3
2
1
0
855
860
865
870
875
880
885
Figure 3. 42. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ĳ=ș=0°
Pour un rapport axial inférieur à 3 dB, la bande passante simulée vaut 11,2 MHz (863,4 MHz874,6 MHz) soit 1,29 %. La polarisation circulaire de cette antenne à polarisation circulaire
couvre donc toute la bande RFID UHF européenne. Nous avons ensuite fixé la fréquence à
F=868 MHz et fait varier l’angle 0°ĳ360°. La figure 3.43 montre le rapport axial en
fonction de l’angle ș à 868 MHz pour différentes valeurs de ĳ.
145
XY Plot 3
HFSSDesign1
70.00
$162)7
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
60.00
dB(AxialRatioValue)
50.00
d B (A xia lR a tio V a lu e )
Name
40.00
X
dB(AxialRatioValue)
Y
m1
40.0000 2.8358
m2
140.0000 3.0360
m3
220.0000 3.0360
m4
320.0000 2.8358
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
30.00
dB(AxialRatioValue)
20.00
dB(AxialRatioValue)
10.00
m2
m1
m3
m4
0.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Theta [deg]
Figure 3. 43. Rapport Axial de l’antenne Lecteur en fonction de ș à 868 MHz pour différentes
valeurs de l’angle ĳ
Nous observons que quelques soit l’angle ĳ, la polarisation circulaire à 868 MHz n’est
obtenue que pour des intervalles précis de l’angle ș, soit 0°ș40° ; 140°ș220° et
320°ș360°.
En faisant déplacer et varier les dimensions de la ligne d’alimentation, nous avons pu ajuster
la fréquence de résonance et la qualité de la polarisation circulaire sur la plage de fréquence
désirée. Cependant, les résultats étaient satisfaisants sur une largeur de bande trop étroite
(11,2 MHz).
9 Diagrammes de rayonnement
Les diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne à polarisation circulaire sont
représentés à la figure 3.45 et montrent un maximum de gain de 3 dB à ĳ=0° et ș=170° et un
gain de 2,73 dB à ĳ=0° et ș=0°.
Radiation Pattern 2
Name
Theta
Ang
Mag
HFSSDesign1
170.0000 170.0000 3.0049
m2
360.0000 -0.0000
2.7345
-30
$162)7
Curve Info
0
m1
m2
dB(GainTotal)
30
2.00
dB(GainTotal)
0.00
-60
dB(GainTotal)
60
-2.00
dB(GainTotal)
-4.00
dB(GainTotal)
-90
90
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-120
120
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
m1
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 3. 44. Diagrammes de rayonnement de l’antenne Lecteur proposée en 2D (a) et 3D (b)
146
9 Résultats des mesures
En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les performances de ces prototype d’antenne à
polarisation circulaire avec un Tag RFID UHF ALN-9654, à polarisation linéaire,
fonctionnant entre 840 et 960 MHz et commercialisé par la société Alien Technology [3.31].
(figure 3.45)
Figure 3. 45. Tag RFID UHF ALN-9654
Nous avons testé le Tag ALN-9654, qui est placé verticalement, dans deux positions de notre
antenne du Lecteur avec ĳ=0° et ĳ=90°. La figure 3.46 montre la méthode de mesure de la
puissance d’activation du Tag RFID UHF ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne
du Lecteur.
(a)
(b)
Figure 3. 46. Banc des mesures de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour différentes
positions de l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°.
147
Les résultats des mesures des puissances reçues, montrés à la figure 3.47, confirment ceux
que nous avons obtenus en simulations du rapport axial (RA) montrés à la figure 3.42. Le Tag
à polarisation linéaire répond bien dans les deux positions verticale (ĳ=0°) et horizontale
(ĳ=90°) de notre antenne Lecteur. En champ lointain (d=55 cm) et en position verticale de
l’antenne Lecteur, le Tag ALN-9654 répond à 866 MHz avec une puissance émise de
14,5 dBm jusqu’à 960 MHz pour une puissance émise de 15,6 dBm. En position horizontale
de notre antenne Lecteur, le Tag répond entre 870 et 960 MHz pour des puissances émises de
17,5 dBm et 20,6 dBm, respectivement.
La puissance minimale requise pour que notre Tag, à polarisation linéaire, réponde au Lecteur
est de 10,5 dBm à 920 MHz en position verticale et 10,8 dBm à 910 MHz en position
horizontale. Pour les deux positions de notre antenne du Lecteur (ĳ=0° et ĳ=90°), la
communication Lecteur-Tag est établie, ce qui confirme la polarisation circulaire de l’antenne
du Lecteur dans la bande (870-960 MHz) mais l’inconvénient est que cette bande de
fréquence est hors bande européenne (865-868 MHz).
Antenne
Antenne
Antenne
Antenne
30
25
avec
avec
avec
avec
l'angle
l'angle
l'angle
l'angle
phi=0° (d=11 cm )
phi=90° (d=11 cm)
phi=0° (d=55 cm )
phi=90° (d=55 cm)
20
15
10
5
0
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°.
En champ proche (d=11 cm), le Tag, en position verticale, répond à 860 MHz à une puissance
émise de 2,4 dBm jusqu’à 960 MHz pour une puissance émise de 1,8 dBm. En position
horizontale (ĳ=90°), le Tag répond entre 870 et 960 MHz pour des puissances émises de 5,5
et 4,8 dBm, respectivement.
La puissance minimale requise pour que le Tag ALN-9654 envoie sa réponse au Lecteur est
de l’ordre de -0,9 dBm à 920 MHz à une distance d=11 cm et en position horizontale de
l’ordre de -1,8 dBm à 910 MHz.
148
3.5.2 Antenne à polarisation circulaire sur la bande RFID-UHF
américaine (902MHz-928MHz)
Nous avons conçu une deuxième antenne du Lecteur avec des dimensions légèrement
différentes de la première au niveau de position de la ligne microstrip d’excitation et de la
longueur de l’arc métallique en C. Ces changements ont pour but d’avoir une antenne du
Lecteur RFID fonctionnant dans la bande RFID UHF américaine (902-928 MHz). L’arc
métallique en forme de C est relié au bord de la fente circulaire avec un angle de Į à
partir de l'axe Y. La fente circulaire est gravée au centre du plan de masse et permet le
couplage entre la ligne d'alimentation et l’antenne à fente.
3.5.2.1
Géométrie de notre antenne Lecteur
La configuration de l'antenne du Lecteur proposée est représentée à la figure 3.48.
(a)
(b)
Figure 3. 48. Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire : (a) vue de dessus, (b) vue de
dessous.
Les dimensions géométriques de l'antenne proposée sont données en mm au tableau 3.6.
Variable
Lsub
L1
Wsub
W1
W
W3
R1
R
R3
(mm)
98
69
98
2,8
6,8
49,8
35
28
30
Tableau 3. 6 Paramètres de l’antenne à polarisation circulaire
L’antenne réalisée à polarisation circulaire est représentée à la figure 3.49.
149
(a)
(b)
Figure 3. 49. Antenne réalisée à polarisation circulaire alimentée par couplage : (a) vue de dessus.
(b) vue de dessous.
3.5.2.2
9 Coefficient de réflexion et rapport axial (RA)
Les résultats du coefficient de réflexion mesuré et simulé de notre antenne sont montrés à la
figure 3.50. L’adaptation de l’antenne est très bonne avec des réflexions mesurées de
-31,86 dB à 911 MHz et de -27,68 dB à 971 MHz et une large bande passante de 129 MHz
entre 885 MHz et 1014 MHz. Les coefficients de réflexion simulés sont de -45,37 dB à
902 MHz et de -39,89 dB à 944 MHz avec une large bande passante de 121,5 MHz entre
876,5 à 998 MHz. Nous observons un décalage d’environ 9 MHz et une atténuation entre la
simulation et la mesure de S11 d’environ 13 dB. Nous pensons que ce décalage et l’atténuation
sont dus à l’alimentation par le couplage par proximité qui crée une discontinuité entre la
ligne microruban et l’élément rayonnant. Les réflexions des ondes dans l’environnement de
mesure (espace libre) entrainent à son tour une dégradation de coefficients de réflexion.
150
Sim ulation (HFSS)
M esure
0
S11 (dB)
-10
-20
-30
-40
-50
800
850
900
950
1000
Fréquence (M Hz)
Figure 3. 50. Coefficient de réflexion simulé et mesuré de l’antenne à polarisation circulaire
Pour avoir une antenne à polarisation circulaire, le rapport axial doit être inférieur à 3 dB. Le
rapport axial varie rapidement en fonction de la fréquence, de l’angle ĳ et de l’angle ș. La
polarisation circulaire en fonction de la fréquence est obtenue dans la direction normale à
l’antenne avec ĳ=ș=0°. La figure 3.51 montre le rapport axial (RA) en fonction de la
fréquence dans la direction optimale (ĳ=ș=0°) d’obtention de la polarisation circulaire.
Rapport axial (dB)
6
5
4
3
2
1
9 00
905
91 0
91 5
9 20
925
930
F ré qu en ce (M H z)
Figure 3. 51. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ĳ=ș=0°
Pour un rapport axial inférieur à 3 dB, la bande passante en polarisation circulaire vaut
15,8 MHz (907,3-923,1 MHz) soit 1,72 % de 915 MHz. La polarisation circulaire de cette
antenne couvre donc quasiment la bande RFID-UHF-USA. Nous avons ensuite fixé la
fréquence à F=915 MHz et fait varier l’angle 0° ĳ 360°. Nous avons tracée à la figure
3.52, le rapport axial (RA) en fonction de l’angle ș à 915 MHz pour différentes valeurs de ĳ.
151
XY Plot 3
HFSSDesign1
60.00
$162)7
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
50.00
Name
d B (Axia lR a tio V a lu e )
40.00
30.00
X
dB(AxialRatioValue)
Y
m1
40.0000 3.0601
m2
320.0000 3.0601
m3
140.0000 2.9840
m4
220.0000 2.9840
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
20.00
dB(AxialRatioValue)
10.00
m1
m3
m2
m4
0.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Theta [deg]
Figure 3. 52. Rapport Axial de l’antenne en fonction ș à 915 MHz pour différentes valeurs de ĳ
Nous observons alors que, quelque soit l’angle ĳ, la polarisation circulaire à 915 MHz n’est
obtenue que pour des intervalles de l’angle ș soit 0°ș40°, 140°ș220° et 320°ș360°.
Les diagrammes de rayonnement 2D et 3D de l’antenne proposée sont représentés à la figure
3.53 avec un maximum de gain de 3,28 dB pour ĳ=0° et ș=170°.
Radiation Pattern 2
Name
Theta
Ang
170.0000 170.0000 3.2811
m2
360.0000 -0.0000
3.0230
HFSSDesign1
0
Mag
m1
$162)7
Curve Info
m2
-30
dB(GainTotal)
30
2.00
dB(GainTotal)
0.00
-60
60
-2.00
dB(GainTotal)
-4.00
dB(GainTotal)
-90
90
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-120
120
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
m1
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 3. 53. Diagrammes de rayonnement 2D (a) et 3D (b)
9 Résultats de mesure
Les résultats de mesure de la puissance reçue, montrés à la figure 3.54. Notre antenne Lecteur
fonctionne bien dans les deux positions verticale (ĳ=0°) et horizontale (ĳ=90°). En champ
lointain (d=55 cm), le Tag en position verticale répond à 866 MHz pour une puissance émise
de 19 dBm jusqu’à 960 Mhz pour une puissance émise de 17,2 dBm. En position horizontale,
152
il répond entre 909 et 960 MHz pour des puissances émises de 21,5 et 28 dBm,
respectivement. La réponse du Tag, à polarisation linéaire, pour les deux positions de notre
antenne du Lecteur confirme la polarisation circulaire de celui-ci dans la bande
RFID-UHF-USA, mais avec des puissances émises très élevées lorsque l’antenne est en
position horizontale.
A n te n n e
A n te n n e
A n te n n e
A n te n n e
30
avec
avec
avec
avec
a n g le
a n g le
a n g le
a n g le
p h i= 0 ° (d = 1 1 c m )
p h i= 9 0 ° (d = 1 1 c m )
p h i= 0 ° (d = 5 5 c m )
p h i= 9 0 ° (d = 5 5 c m )
25
20
15
10
5
0
860
880
900
920
940
960
F ré q u e n c e (M H z)
l’antenne du Lecteur : (a) ĳ=0° et (b) ĳ=90°.
En champ proche (d=11 cm), le Tag, en position verticale, répond à 860 MHz pour une
puissance émise de 4 dBm jusqu’à 960 MHz pour une puissance émise de 0,8 dBm. En
position horizontale, le Tag ne répond pas sur toute la bande UHF mais il répond entre 907 et
960 MHz pour des puissances émises de 10,4 et 12 dBm, respectivement.
3.6 Antenne Tag RFID-UHF à polarisation circulaire
3.6.1 Antenne PIFA à polarisation circulaire avec et sans plaque
métallique
La conception d’une antenne à polarisation circulaire pour un Tag ou pour un Lecteur a
influence importante sur le transfert d’énergie entre deux antennes. Plusieurs applications
RFID-UHF nécessitent les des antennes Lecteurs RFID à polarisation circulaire pour
communiquer avec des Tags RFID-UHF à polarisation linéaire. L’antenne Tag à polarisation
linéaire est capable de recevoir des ondes polarisées circulairement mais avec des pertes de
153
3 dB [3.32] et la perte de tous les avantages liés à la polarisation circulaire au niveau de portée
du Tag, de la qualité et de la stabilité du signal. Il est préférable d’utiliser des antennes RFID
à polarisation circulaire en réception et en émission.
La distance de lecture est un paramètre important pour avoir de bonnes performances du Tag
RFID-UHF. L'amélioration des performances d’un Tag RFID-UHF consiste à avoir : un bon
gain de l'antenne Tag et une bonne adaptation d’impédance entre la puce et l'impédance
d’entrée de l’antenne aussi bien dans l'espace libre qu’en présence d’objets métalliques.
Actuellement le processus de conception des antennes Tags polarisées circulairement n’est
pas bien relayée par la littérature comme la conception d'antennes Lecteur à polarisation
circulaire. Les travaux [3.33, 3.34] montrent la conception d’antennes Tag à polarisation
circulaire pour augmenter la distance de lecture du Tag. C. Cho et al. [3.33] présentent un Tag
à polarisation circulaire avec un gain de 6 dBi et une distance de lecture de 8 m. Ce Tag
présente une bande passante étroite du rapport axial de 15 MHz en polarisation circulaire (PC)
avec de grandes dimensions de l’antenne Tag (189,6×127,9×21,6 mm3). Les auteurs [3.34]
ont proposé un Tag en boucle à polarisation circulaire avec une bande passante du rapport
axial en polarisation circulaire de 50 MHz (892-942 MHz). Ce Tag présente un gain de
2,95 dBi et une distance de lecture maximale mesurée de 16,3 m en utilisant un Lecteur RFID
avec polarisation circulaire et 12,9 m en utilisant un Lecteur RFID avec polarisation linéaire.
L’inconvénient de cette antenne Tag est qu’elle est sans plan de masse et ne fonctionne donc
pas bien à coté des surfaces métalliques.
3.6.1.1
Conception de l’antenne PIFA
L’objectif de cette section est de concevoir une antenne de type PIFA (Planar Inverted-F
Antenna) à polarisation circulaire pour Tag RFID-UHF devant fonctionner loin ou à
proximité d’objets métalliques. Notre prototype d’antenne PIFA, faible coût, a été simulé sur
un substrat "air" ayant une permittivité ε r
= 1 . Les métallisations de l’antenne sont en cuivre
d’épaisseur t =35 µm. L'antenne PIFA (figure 3.55) est constituée d'un élément rayonnant
métallique relié ou bien court-circuité à un plan de masse métallique. Contrairement à une
antenne PIFA classique, le court-circuit n’est pas réalisé sur toute la largeur de l’antenne
[3.35], mais à travers un court-circuit plan qui est une languette métallique de largeur Ws.
Notre structure d’antenne PIFA est optimisée pour fonctionner avec une puce Alien Higgs-3
RFID d’impédance mesurée Z cMesurée = ( 26 − j163)Ω à une fréquence de résonance de
154
915 MHz. Une fente en T dans l’élément rayonnant métallique l’adaptation entre l’impédance
de la puce et l’impédance d’entrée de l’antenne PIFA. La géométrie de cette antenne est
représentée sur la figure 3.56.
Figure 3. 55. Antenne Tag PIFA à polarisation circulaire
(a)
(b)
Figure 3. 56. Géométrie de l’antenne Tag PIFA : (a) vue de dessus, (b) vue de côté.
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données dans le tableau 3.7.
Variable
(mm)
W1
W2
L1
15
1
60
Tableau 3. 7 Dimensions du Tag PIFA
Lsub
82
Wsub
45
L2
19
L3
25
H
4
Nous avons réalisé cette antenne PIFA RFID qui est représentée à la figure 3.56.
155
Figure 3. 57. Réalisation de l’antenne Tag PIFA
3.6.1.2
9 Coefficient de réflexion et impédance d’entrée
Pour étudier les performances de notre Tag PIFA avec des objets métalliques, nous avons
placé l’antenne au centre d’une plaque métallique (300×300 m2). Les résultats de coefficients
de réflexion de l’antenne PIFA, avec ou sans la plaque métallique, sont montrés à la figure
3.58.
Antenne sans plaque métallique
2
Antenne avec plaque métallique (300* 300 mm )
10
S11 (dB)
0
-10
-20
-30
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (GHz)
Figure 3. 58. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique
En présence de plaque métallique, notre Tag PIFA a subit une légère dégradation au niveau
du coefficient de réflexion. Notre antenne PIFA RFID, sans plaque métallique, résonne à
156
899,7 MHz avec S11=–30,6 dB et avec plaque métallique résonne à 895 MHz avec
S11 = –28,4 dB (figure 4.21). Notre Tag présente aussi une bande passante large même sur une
plaque métallique. Notre antenne PIFA, sans plaque métallique, présente une large bande
passante de 109,3 MHz entre 817,2 et 926,5 MHz soit 12,14% de Fc=900 MHz. Avec plaque
métallique, l’antenne présente une large bande passante de 116,9 MHz entre 807,2 et
924,1 MHz soit 12,98% Fc=900 MHz.
La figure 3.59 présente une comparaison des impédances simulées de l'antenne (parties réelles
(figure 4.22a) et imaginaires (figure 4.22b)) avec ou sans plaque métallique. Nous
remarquons qu'à la fréquence de résonance 899,7 MHz, l'impédance d'entrée est de
Z a = (15,67 + j167 ,12 ) Ω . Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée est
de Z a = (12,82 + j167 ,47 )Ω à 895 MHz. Pour l’antenne Tag avec une plaque métallique
nous remarquons une petite variation de la partie réelle avec changement de la fréquence de
Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA sans métal)
Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA avec métal)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
travail, par rapport à l’antenne Tag sans une plaque métallique.
P a rtie im a g in a ire d e l'im p é d a n ce (T a g P IF A s a n s m é ta l)
P a rtie im a g in a ire d e l'im p é d a n ce (T a g P IF A a v e c m é ta l)
600
500
400
300
200
100
0
-1 0 0
-2 0 0
-3 0 0
-4 0 0
0
0 ,8 0
-100
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0 ,8 5
0 ,9 0
0 ,9 5
1 ,0 0
F réq u en ce (M H z)
Fréquence (MHz)
(b)
(a)
Figure 3. 59. Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec et sans la plaque métallique : (a) Parties
réelles, (b) Parties imaginaires.
Nous constatons que les diagrammes de rayonnement s’améliorent en présence de la plaque
métallique en présentant un diagramme de rayonnement plus directif par rapport à l’antenne
PIFA sans plaque métallique. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne en présence et
sans plaque métallique pour différentes valeurs de l’angle ϕ sont représentés à la figure 3.60.
La figure 3.61 montre les gains en 3D simulés de l’antenne avec et sans la plaque métallique.
Des gains maximum de l’antenne, sans et avec la plaque métallique, sont respectivement de
157
2,85 dB avec ϕ = 50° et de 4,36 dB avec ϕ = 40° . Les résultats montrent un gain de 1,51 dB
lorsque notre Tag RFID-UHF est placé sur la plaque métallique.
Radiation Pattern 3
HFSSDesign1
Radiation Pattern 6
$162)7
0
Name
Theta
Ang
Name
Mag
m1
360.0000 -0.0000 0.4395
m2
180.0000 180.0000 -0.2013
m3
310.0000 -50.0000 2.8523
-30
30
m1
1.00
m3
HFSSDesign1
0
-3.00
-60
Ang
Mag
Curve Info
m1
320.0000 -40.0000 4.3650
dB(GainTotal)
m2
360.0000 -0.0000 0.7545
m3
180.0000 180.0000 -15.5876
-7.00
-11.00
90
-30
m1
m2
Curve Info
30
dB(GainTotal)
0.00
dB(GainTotal)
-5.00
dB(GainTotal)
60
-90
Theta
-60
60
dB(GainTotal)
-10.00
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-15.00
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-90
dB(GainTotal)
90
m3
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-120
120
m2
-150
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
dB(GainTotal)
-120
150
120
-150
-180
150
-180
(b)
(a)
Figure 3. 60. Diagramme de rayonnement de l’antenne PIFA sans (a) ou avec (b) la plaque :
métallique en fonction de l’angle à 915 MHz
(a)
(b)
Figure 3. 61. Gain de l’antenne PIFA sans (a) ou avec (b) la plaque : métallique
9 Rapport axial
La figure 3.62 montre le rapport axial (RA) en fonction de la fréquence pour ĳ=0° et
différentes valeurs de θ . Nous constatons que ‫ ׊‬θ , RA>5 donc notre Tag PIFA n’est pas
158
$162)7
en polarisation circulaire pour ϕ = 0° et 0° ≤ θ ≤ 360° . Notre Tag est en polarisation
circulaire sauf pour ĳ=90° et θ = 230° à 900 MHz (figure 3.63). Pour un rapport axial
inférieur à 3 dB, la bande passante en polarisation circulaire vaut 119 MHz
(810-929 MHz) soit 13,2 %.
XY Plot 13
HFSSDesign1
35.00
$162)7
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='0deg'
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
30.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
25.00
dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
20.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
15.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
dB(AxialRatioValue)
10.00
5.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 3. 62. Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de
l’angle ĳ=0° et 0° ≤ θ ≤ 360°
XY Plot 12
HFSSDesign1
$162)7
10.00
Curve Info
8.75
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
7.50
dB(AxialRatioValue)
Name
6.25
X
Y
m1
0.8900 1.3208
m2
0.8100 2.9978
m3
0.9300 3.1205
m4
0.9000 1.4948
5.00
3.75
m3
m2
2.50
m1
m4
1.25
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 3. 63. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction ĳ=90° et θ = 230°
9 Résultats de mesure
Pour comparer les fonctionnements de l’antenne Tag PIFA, avec et sans plaque métallique,
nous avons mesuré en chambre anéchoïque la puissance minimale envoyée par le lecteur afin
159
d’activer notre Tag PIFA. La figure 3.64 présente la méthode de mesure, dans la chambre
anéchoïque, de la puissance d’activation d'antenne en présence d’une plaque métallique. Nous
présentons, à figure ci-dessous (figure 3.65), une comparaison des puissances minimales
nécessaires pour activer notre Tag, avec et sans plaque métallique, en champ proche (d=5 cm)
qu’en champ lointain (d=55 cm).
Figure 3. 64. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique
Tag
Tag
Tag
Tag
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-1 0
860
880
R
R
R
R
900
F ID
F ID
F ID
F ID
U
U
U
U
H
H
H
H
F
F
F
F
sans
avec
sans
avec
p la q u e
p la q u e
p la q u e
p la q u e
920
940
m
m
m
m
é t a l l iq u e
é t a ll i q u e
é t a l l iq u e
é t a ll i q u e
(d = 5 c m )
(d = 5 c m )
(d = 5 5 c m )
(d = 5 5 c m )
960
Figure 3. 65. Puissance minimale d’activation de l’antenne PIFA, avec et sans la plaque métallique,
en champ proche et lointain
Nous avons rassemblé les quatre courbes d’antenne PIFA, avec et sans la plaque métallique,
sur la même figure 3.65 pour mieux analyser notre comparaison. En champ proche, l’antenne
PIFA sans plaque métallique est plus performante car elle a besoin seulement de -9 dBm pour
son activation à 904 MHz alors que l’antenne PIFA avec plaque métallique nécessite un
minimum de puissance de 3,2 dBm à 904 MHz. En champ lointain (d=55 cm), l’antenne PIFA
sans plaque métallique a besoin de 4,8 dBm pour être activée à 900 MHz et 10,3 dBm à
160
890 MHz avec plaque métallique. Nous constatons que la puissance nécessaire pour
l’activation notre Tag PIFA augmente avec la présence de la plaque métallique contrairement
à nos résultats obtenus pour le Tag à fente, avec et sans plaque métallique, présenté dans
(§3.4.4). Cette mesure est confirmée par la simulation du champ électrique puisque le champ
électrique du Tag PIFA avec plaque métallique est légèrement plus faible par rapport au
champ électrique de Tag PIFA sans plaque métallique. Les simulations de la distribution du
champ électrique de l'antenne PIFA avec et sans plaque métallique à 900 MHz sont montrées
à la figure 3.66.
(a)
(b)
Figure 3. 66. Distribution de champ électrique (a) sans plaque (b) avec plaque
Les requêtes envoyées par notre Tag PIFA à 900 MHz sont montrées à la figure 3.67. La
portée maximale du Tag PIFA atteinte en chambre anéchoïque est de 3,6 m pour une
puissance émise de 17,1 dBm.
Figure 3. 67. Réponse du Tag PIFA recue par le Lecteur à 900 MHz
161
Nous effectuons une autre mesure en déplaçant verticalement (axe Oy) notre Tag PIFA par
rapport à la position de l’antenne cornet. Nous avons placé notre Tag à une distance d=55 cm
du Lecteur et nous avons fait varier la position verticale du Tag PIFA afin de déterminer la
meilleure position verticale du Tag où il répond avec un minimum de puissance émise
d’activation. La photographie de notre banc de mesures expérimentales pour déterminer la
position verticale de notre antenne Tag en chambre anéchoïque est montrée à la figure 3.68.
Figure 3. 68. Mesure de la puissance minimale d’activation en déplaçant verticalement notre Tag
PIFA
La figure 3.69 montre la puissance minimale nécessaire pour l’activation de notre Tag PIFA
en le déplaçant verticalement. Nous constatons que notre Tag répond avec un minimum de
puissance de 3.9 dBm avec une variation de la position verticale de h=10 cm. Notre Tag RFID
à besoin de 4,6 dBm pour son activation lorsque qu’il est aligné avec l’antenne cornet du
Lecteur (h=0 cm).
Tag sans plaque métallique avec Tx=0° (d=55 cm)
10
9
8
7
6
5
4
3
-30
-20
-10
0
10
20
30
Distance (direction verticale)
Figure 3. 69. Puissance minimale d’activation en fonction de la position du Tag
162
Nous avons changé l’orientation du l’antenne cornet d’un angle ϕ = 90° pour tester la
polarisation de notre Tag PIFA comme le montre la figure 3.70.
Figure 3. 70. Mesure de la puissance minimale d’activation avec orientation du Lecteur RFID
La figure 3.71 montre la puissance minimale nécessaire pour l’activation du Tag PIFA avec
avec une orientation ϕ = 90° . Nous remarquons que notre Tag répond entre 868 et 930 MHz
avec un minimum de puissance de 11 dBm à 900 MHz alors qu’il répond entre 866 et
960 MHz avec un minimum de puissance de 4,8 dBm à 900 MHz, si l’antenne cornet est en
position normale ( ϕ = 0° ). L’antenne Tag PIFA répond en polarisation verticale et
Puissance minimale d'activation (dBm)
horizontale à l’antenne cornet.
Tag PIFA avec Tx=0° (d=55 cm)
Tag PIFA avec Tx=90° (d=55 cm)
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 71. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
Les performances du Tag PIFA, avec et sans plaque métallique, ont été mesurées en espace
libre à l’aide du dispositif du lecture RFID ThingMagic M6E qui fonctionne dans la bande
163
européenne. La figure 3.72 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag
(position verticale) et RSSI en fonction de la distance dans le système RFID-UHF.
P u is s a n c e m in im a le d 'a c tiv a tio n d u T a g s a n s p la q u e m é ta lliq u e (d B m )
In d ic a te u r d e p u is s a n c e d u s ig n a l re ç u R S S I (d B m )
-5 4
-5 6
30
-5 8
28
-6 0
26
-6 2
24
-6 4
22
-6 6
20
-6 8
18
-7 0
16
-7 2
14
-7 4
12
0
2
4
6
8
32
10
D istance (m )
Figure 3. 72. Puissance minimale d’activation et RSSI en fonction de la distance
Pour une puissance maximale émise de 31,5 dBm avec une antenne cornet à polarisation
linéaire, la plage de lecture maximale mesurée de l'antenne PIFA, en position verticale, atteint
6,3 m avec une sensibilité mesurée du récepteur de -69 dBm. Pour les distances d=2 m et
d=5 m, notre Tag PIFA et l’antenne cornet ne sont pas parfaitement alignées car nous avons
déplacé le Tag à droite du l’antenne cornet d’environ 50 cm pour établir la communication
Lecteur-Tag.
Par la suite, nous avons ajouté une plaque métallique (300×300 mm2) à proximité de notre
Tag PIFA qui reste dans la même position verticale. Une photographie du banc de mesures
expérimentales dans un milieu ouvert est présentée à la figure 3.73. Nous montrons à la figure
3.74 la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag (en position verticale), avec
plaque métallique, et RSSI en fonction de la distance.
164
Figure 3. 73. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert
P u issa n ce m in im a le d 'a ctiv a tio n d u T a g a v e c p la q u e m é ta lliq u e (d B m )
In d ica te u r d e p u issa n ce d u sig n a l re çu R S S I (d B m )
-54
-56
30
-58
28
-60
26
-62
24
-64
22
-66
20
-68
18
-70
16
-72
14
-74
12
0
2
4
6
8
32
10
Distance (m)
Figure 3. 74. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu de l’antenne
PIFA avec plaque métallique en fonction de la distance
Nous observons à la figure 3.74 que la portée de l’antenne PIFA avec plaque métallique
atteint 9,6 m pour puissance émise de 31,5 dBm et RSSI= -73 dBm à 867.5 MHZ. Pour les
distances d=5 m, d=6 m, d=9 m, d=9.6 m, nous avons déplacé la position du Tag à droite du
l’antenne cornet d’environ 50 cm afin d’avoir une bonne détection du Tag. La portée du Tag
PIFA, avec plaque métallique, augmente alors de 3,3 m par rapport au Tag PIFA sans plaque
métallique.
Pour ce qui concerne la polarisation circulaire de l’antenne PIFA, nous avons incliné notre
Tag PIFA sur plaque métallique à ϕ = 45° . La portée du Tag PIFA augmente alors pour
atteindre 11 m avec RSSI= -72 dBm à 866.9 MHz. Nous avons incliné encore une fois notre
Tag PIFA à ϕ = 45° pour avoir une position horizontale du Tag ( ϕ = 90° ). Nous montrons à
la figure 3.75 que la portée de l’antenne PIFA, en position horizontale et avec plaque
165
métallique, peut atteindre une portée de 18 m pour une puissance émise de 30,5 dBm à 867
MHz et RSSI=-74 dBm.
34
-44
-46
-48
-50
-52
-54
-56
-58
-60
-62
-64
-66
-68
-70
-72
-74
-76
-78
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Puissance minimale d'activation du Tag en position horizontale avec une plaque métallique (dBm)
20
Distance (m)
Figure 3. 75. Puissance minimale d’activation et RSSI de l’antenne PIFA en position horizontale et
avec plaque métallique en fonction de la distance
De même que les autres mesures, nous avons besoin de déplacer notre Tag PIFA à droite de
l’antenne cornet pour activer notre Tag PIFA. Les déplacements du Tag PIFA sont montrés
dans le tableau 3.8 ci-dessous :
Puissance minimale
(dBm)
21
21
28,5
31.5
31.5
30.5
31.5
30.5
RSSI (dBm)
-64
-64
-73
-74
-75
-72
-74
-72
Distance (m)
2,6
3
8
10
13
15
18
18
Tableau 3. 8 Déplacements de Tag PIFA
Décalage du Tag
(cm)
55
30
50
30
30
70
0
50
Notre Tag PIFA a été détecté à 18 m, sans décalage, avec une puissance émise de 31,5 dBm et
avec une puissance de 30,5 dBm lorsque l’on décale notre Tag avec 50 cm. Nous constatons
que la puissance nécessaire d’activation devient plus faible lorsqu’on décale notre Tag PIFA à
droite de 50 cm. Nous pensons que l’inclinaison de diagramme de rayonnement de l’antenne
PIFA est dû à ce décalage (figure 3.60a). Le déplacement de 50 cm permet donc de corriger
cette inclinaison et d'assurer ainsi une meilleure communication Tag-Lecteur.
166
Nous constatons aussi qu’en utilisant une antenne cornet à polarisation linéaire, notre antenne
Tag PIFA fonctionne bien en position verticale et horizontale avec ou sans la plaque
métallique. Nous avons montré, par simulation, que notre Tag PIFA n’est pas polarisé
circulairement sauf si ϕ = 90° et θ = 230° Notre Tag PIFA a été détecté en chambre
anéchoïque malgré l’orientation du l’antenne cornet à ϕ = 90° et a été détecté en espace libre
malgré l’orientation du notre Tag PIFA à ϕ = 0° , ϕ = 45° et ϕ = 90° sans et avec défaut
d'alignement de la direction de polarisation qui est un décalage de 50 cm par rapport à
l’antenne cornet. Nous savons que l'alignement de la direction de polarisation n'est pas
nécessaire pour la polarisation circulaire. Nous pensons alors que notre Tag PIFA est à
polarisation circulaire autour de 900 MHz et cette polarisation n’est pas modifiée malgré la
présence de plaque métallique.
Pour augmenter la portée de notre Tag PIFA à 900 MHz, il est nécessaire d’utiliser un
dispositif du lecture RFID ThingMagic M6E qui fonctionne dans la bande américaine avec
une antenne Lecteur RFID-UHF à polarisation circulaire.
Une antenne PIFA peut être utilisée comme Lecteur ou bien Tag RFID-UHF. Nous avons
simulé et mesuré le coefficient de réflexion de notre Tag PIFA en adaptant l’impédance
d’entrée de l’antenne à 50 au lieu à l’impédance de la puce. Nous obtenons (figure 3.76) le
coefficient de réflexion de l’antenne simulé et mesuré en fonction de la fréquence.
Mesure
Simulation (HFSS)
2
0
-2
S11 (dB)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Fréquence (GHz)
Figure 3. 76. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA
167
Nous obtenons un coefficient de réflexion simulé de -5,45 dB à 1,007 GHz, alors que le
coefficient de réflexion mesuré est de -12,2 dB à 1,05 GHz. Cette antenne peut être utilisée
comme Lecteur si l’on adapte à la bande RFID-UHF souhaitée. L’augmentation de la
longueur L2 de la fente d’adaptation entraine la diminution automatique de fréquence de
résonance.
3.7 Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre la conception d'antennes Tags placées sur une surface
métallique ainsi que la conception des antennes Tags et Lecteurs à polarisation circulaire. Dans
une première partie, nous avons proposé une antenne avec un stub court-circuité et une
antenne avec un stub ouvert. Ces deux antennes fonctionnent bien en contact ou à proximité
des surfaces métalliques. Nous avons aussi réalisé un prototype d’antenne Tag à fente
fonctionnant correctement avec ou sans la plaque métallique. La deuxième partie de ce chapitre
est consacrée à la conception des antennes Tags et Lecteurs à polarisation circulaire. Nous avons
présenté la conception de deux prototypes d’antennes Lecteurs à polarisation circulaire
fonctionnant dans la bande RFID-UHF aux États-Unis et en Europe. Nous avons réalisé et
testé aussi une antenne Tag PIFA, faible coût, à polarisation circulaire ayant comme substrat
l’air. En étant entièrement collée sur un mur métallique de 300×300 mm2, elle fonctionne
correctement avec une portée de lecture de 18 m en espace libre. Ce prototype Tag PIFA
fonctionne en position verticale, horizontale et en environnement métallique tel qu’un
container.
168
[3.1]
[3.2]
[3.3]
[3.4]
[3.5]
[3.6]
[3.7]
[3.8]
[3.9]
[3.10]
[3.11]
[3.12]
[3.13]
[3.14]
[3.15]
[3.16]
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170
Conclusion Générale
Durant ces travaux de thèse qui ont duré un peu moins de cinq ans et dans les études de
faisabilité de toutes nos antennes prototypes, nous avons été confrontés à de nombreuses
difficultés dont l’une d’elles est la familiarisation avec les outils de simulation
électromagnétique dans ce domaine RF/Hyperfréquence. La seconde difficulté a été de
pouvoir disposer d’outils de réalisation et de caractérisation de nos antennes prototypes en
milieu sourd comme la chambre anéchoïque de l’IMEP de Grenoble qui a été mise à notre
disposition par le Professeur Tan Phu Vuong que nous remercions vivement.
Ainsi, nous avons pu étudier, réaliser et caractériser nos premières antennes prototypes Tags
que nous avons dédiées aux applications RFID-UHF en champ proche (quelques centimètres)
et lointain. Dans cette première partie, nous avons consacré nos efforts à l’aspect champ
proche où les antennes Tags RFID-UHF ne fonctionnent pas correctement. En effet, nous
avons pu conçu et réalisé quatre prototypes d’antennes avec une distribution du champ
magnétique uniforme et suffisante en intensité assurant ainsi un bon niveau de couplage entre
nos différents Tags et le Lecteur utilisé et garantissant ainsi un bon fonctionnement de ce
dispositif. Nous avons pu vérifier la fiabilité de nos Tags qui ont toujours renvoyé les requêtes
attendues. Nous avons attaché beaucoup d’attention à l’adaptation d’impédance entre toutes
nos antennes Tags et la puce que nous avons utilisée dans tous nos travaux (Alien Higgs 3
EPC Class 1 Gen 2) aussi bien en simulation qu’en mesure. C’est grâce à l’adaptation
d’impédance qui nous avons réalisé, que nous avons pu obtenir un bon niveau de fiabilité
caractérisé par de bonnes communications en champ proche entre nos Tags et le Lecteur. En
ce qui concerne la partie Lecteur, nous avons conçu et caractérisé deux prototypes d’antennes
(Patch circulaire et en boucle) dédiés au fonctionnement des Lecteurs en champ proche. Nous
avons ainsi obtenu pour le premier prototype d’antenne Patch un coefficient de réflexion
mesuré de -30 dB à 920 MHz. Quant à la seconde antenne en boucle à charge capacitive, nous
avons obtenu un coefficient de réflexion mesuré de -15,6 dB à 870 MHz. En espace libre, ce
prototype fonctionne en champ proche et lointain avec une portée maximale de 3 m pour une
puissance émise de 28,8 dBm.
Dans la deuxième partie de nos travaux, nous avons traité des prototypes d’antennes
fonctionnent bien tout en étant en contact avec des surfaces métalliques. Nous avons conçu
171
deux antennes Tags RFID à couplage capacitif, une antenne avec un stub court-circuité et une
autre avec un stub ouvert d’adaptation, avec et sans plaque métallique (300×300 m2). Nous
avons aussi simulé et réalisé une antenne à fente pour Tag RFID-UHF. D’après les résultats
des mesures, nous avons constaté que nos Tags fonctionnent bien avec et sans la plaque
métallique.
Dans la dernière partie nous avons pu réaliser deux nouvelles structures d’antennes à
polarisation circulaire pour Lecteur RFID à polarisation circulaire. Nous avons conçu et
réalisé une antenne Tag PIFA à polarisation circulaire pour l’identification d’objets
métalliques. Notre antenne Tag PIFA, en position horizontale et avec plaque métallique, a
atteint une grande portée de 18 m en espace libre pour une puissance émise de 30.5 dBm à
867.0 MHz.
172

2.3.2. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche

Transcription

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