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Compte : KAIS Feltekh
Identifiant : gkqwy9
2%
Titre : Rapport_these_mondher_dhaouadi.pdf
Dossier : Dossier par défaut
Commentaires : Non renseigné
Similitudes partie 1 :
Chargé le :16/10/2014 14:07
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INFORMATIONS DÉTAILLÉES
Titre : Rapport_these_Mondher_Dhaouadi.pdf
Description : Dossier par défaut
Analysé le : 16/10/2014 14:16
Identifiant : firw18
Chargé le : 16/10/2014 14:07
Type de chargement : Remise manuelle des travaux
Nom du fichier : Rapport_these_Mondher_Dhaouadi.pdf
Type de fichier : pdf
Nombre de mots : 13964
Nombre de caractères : 93633
TOP DES SOURCES PROBABLES- PARMI 15 SOURCES PROBABLES
1.
hal.archives-ouvertes.fr/.../PDF/M_Delphine070306.pdf
2.
www.supcom.mincom.tn/.../upload/1402480572.pdf
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3.
www.fp7-aspire.eu/.../rfid/rfid_history_standards_french
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4.
hal.archives-ouvertes.fr/.../PDF/KAIS_Feltekh.pdf
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5.
www.ies.univ-montp2.fr/.../28-vena-arnaud/66-publications
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6.
www.vtvt.ece.vt.edu/.../papers/07comm.pdf
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SIMILITUDES TROUVÉES DANS CE DOCUMENT/CETTE PARTIE
Similitudes à l'identique : 3 %
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Similitudes supposées : <1 %
Similitudes accidentelles : <1 %
Sources très probables - 15
Sources accidentelles- 44 Sources
Sources peu probables - 18
Sources ignorées - 0 Sources
SOURCES TRÈS PROBABLES
15 Sources
1.
hal.archives-ouvertes.fr/.../PDF/M_Delphine070306.pdf
2.
Similitude
1%
<1%
www.supcom.mincom.tn/.../upload/1402480572.pdf
<1%
<1%
3.
www.fp7-aspire.eu/.../rfid/rfid_history_standards_french
<1%
<1%
4.
www.citc-eurarfid.com/.../technologies/rfid.html
<1%
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5.
hal.archives-ouvertes.fr/.../PDF/KAIS_Feltekh.pdf
<1%
<1%
6.
www.ee.washington.edu/.../2011/rfid_final.pdf
<1%
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7.
www.ies.univ-montp2.fr/.../28-vena-arnaud/66-publications
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<1%
8.
www.filrfid.org/.../article-3372359.html
<1%
<1%
9.
www.slideshare.net/.../ADDNB/rfid-couts-et-materiels
<1%
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10.
www.motorolasolutions.com/.../RFID+Readers/FX7400_FR-FR
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<1%
11.
fr.wikipedia.org/.../wiki/Courants_porteurs_en_ligne
<1%
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12.
www.vtvt.ece.vt.edu/.../papers/07comm.pdf
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<1%
13.
www3.imperial.ac.uk/.../1/3697911.PDF
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14.
sardes.inrialpes.fr/.../files/06-Abdellatif-PhD.pdf
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15.
ieeexplore.ieee.org/.../xpls/abs_all.jsp
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SOURCES PEU PROBABLES
18 Sources
Similitude
1.
www.mds-identification.fr/.../technologie-rfid.php
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2.
www.thesame-innovation.com/.../Fichier/Dossier%20rfid.pdf
<1%
<1%
3.
biblio.univ-annaba.dz/.../Etude-et-impl%C3%A...-P-learnings-x.pdf
<1%
<1%
4.
www.eurasip.org/.../RFID2008/modular_UHF.pdf
<1%
<1%
5.
tel.archives-ouvertes.fr/.../PDF/these.pdf
<1%
<1%
6.
scholar.google.com/.../citations
<1%
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7.
ieeexplore.ieee.org/.../4359079/06068263.pdf
<1%
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8.
www.few.vu.nl/.../M/rfid-paper.pdf
<1%
<1%
9.
tel.archives-ouvertes.fr/.../PDF/tel-00009409.pdf
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<1%
10.
sardes.inrialpes.fr/.../old_from_ion/01-DePalma-PhD.pdf
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<1%
11.
infoscience.epfl.ch/.../files/05201297.pdf
<1%
<1%
12.
centaur.reading.ac.uk/.../1/SSE_conference_2008.doc
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13.
www.ccilb.be/.../Repository/Le_livre_blanc_de_la_RFID.PDF
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<1%
14.
scholar.google.com/.../citations
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<1%
Page 2
15.
ieeexplore.ieee.org/.../xpl/mostRecentIssue.jsp
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16.
www.jpier.org/.../PIERB/pier.php
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<1%
17.
ieeexplore.ieee.org/.../xpls/abs_all.jsp
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18.
conseils-thermiques.org/.../contenu/les_ponts_thermiques.php
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SOURCES ACCIDENTELLES
44 Sources
Similitude
1.
www.tpdsci.com/.../tpc/RIQtzFsdImDatFig.php
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2.
lcis.grenoble-inp.fr/.../nouvelle-famille-d...trique-457382.kjsp
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3.
ilo.org/.../lang--fr/index.htm
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4.
cadmus.eui.eu/.../12975/LAW_2009_14.pdf
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<1%
5.
users.polytech.unice.fr/.../ep_unsa_elec4_tp_e..._Antennes_2014.pdf
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<1%
6.
www.theseus.fi/.../47230/Odunmbaku_Abdulakeem.pdf
<1%
<1%
7.
fr.wikipedia.org/.../wiki/Antenne_radio%C3%A9lectrique
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<1%
8.
www.elciudadano.gob.ec/.../lamerique-latine-l...ravail-des-enfants
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<1%
9.
communication.revues.org/.../2748
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<1%
10.
biblio.univ-annaba.dz/.../09/Benchiheub-Slimane.pdf
<1%
<1%
11.
www.cvvq.net/.../le-vol-a-voile/le-planeur
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<1%
12.
multifonctionnalite.cirad.fr/.../reunion/mapar_1partie.doc
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<1%
13.
www.lapresse.ca/.../01-4775724-facture...lasses-bondees.php
<1%
<1%
14.
www.ocol-clo.gc.ca/.../html/dpr_rmr_2012_13_f.php
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<1%
15.
spie.org/.../samples/PM184errata.pdf
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<1%
16.
www.linux-france.org/.../systeme/ch24s03.html
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17.
www.ilo.org/.../publication/wcms_108397.pdf
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18.
pdg.lbl.gov/.../rpp2014-rev-search...-compositeness.pdf
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<1%
19.
ec.europa.eu/.../consultation_socia...ation-paper_fr.pdf
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20.
www.schema-electrique.be/.../antenne.fr
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21.
fr.wikipedia.org/.../wiki/Diagramme_de_rayonnement
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22.
www-en.fh-ooe.at/.../fhooe_hgb_lvliste_englisch_ss14.pdf
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23.
www.theses.ulaval.ca/.../29434/29434.pdf
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<1%
24.
forums.futura-sciences.com/.../501771-probleme-le...ique-un-point.html
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25.
hypertecsystemes.com/.../fr/index.php
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26.
fr.wikipedia.org/.../wiki/Religion_au_Canada
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27.
www.docteur-grenier-de-cardenal.fr/.../chirurgie_silhouette_cou.html
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28.
secs.oakland.edu/.../Holographic%20Appl...n%20Laboratory.pdf
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29.
www.cetic.be/.../pdf/rapport-jerome-jonckers-eid.pdf
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30.
www.crdp-montpellier.fr/.../04b0038/04b0038.pdf
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31.
fr.wikipedia.org/.../wiki/Arr%C3%AAt_de_r%C3%A8glement
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32.
ieeexplore.ieee.org/.../5969118/05969722.pdf
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33.
www.forestpeoples.org/.../le-financement-de-...s-contradictoires-
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34.
safemm.free.fr/.../bulletins/Safemm_bulletin_2003-2004.pdf
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Page 3
35.
f5zv.pagesperso-orange.fr/.../RM08a/RM08a01.html
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36.
www.ijesit.com/.../Issue%204/IJESIT201304_65.pdf
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37.
economie.jeuneafrique.com/.../15418-en-mauritani...-cash-est-roi.html
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38.
www.releases.gov.nl.ca/.../edu/0731n06_fr.aspx
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39.
cres.revues.org/.../110
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40.
www.tropicaflore.com/.../content/eclairage-des-plantes.html
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41.
www.libellules.ch/.../dotclear/index.php
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42.
www.marxists.org/.../08/er4.htm
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43.
www.lapresse.ca/.../01-4798709-un-ete-...mog-a-montreal.php
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44.
www.focommerce.com/.../categorie-11512231.html
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SOURCES IGNORÉES
0 Source
Similitude
TEXTE EXTRAIT DU DOCUMENT
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 ../../2014 devant le jury Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Directeur de thèse Co-Directeur_1 Co-Directeur_2
M. Neji Youssef M. Fabien Ndagijimana M. Mohsen Machhot M. Fethi Choubani M. Adel Ghazel M. Mohamed Mabrouk M. Tan-Phu
Vuong Professeur à SUPCOM de Tunis Professeur à l’UJF de Grenoble, France Maître de Conférences à la FS de Monastir
Professeur à SUPCOM de Tunis Professeur à SUPCOM de Tunis Maître-Assistant, HDR, à l’ISETCOM de Tunis 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 conance 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 remercie vivement les membres de Jury de 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,
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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.
Résumé
Dans ce travail de thèse qui porte sur la conception et l’optimisation des antennes RFID-UHF en vue d'améliorer la fiabilité des
systèmes RFID, nous avons conçu , réalisé et testé des prototypes d’antennes Tags et Lecteurs pour applications RFID en champs
proche et lointain. Nous avons effectué des comparaisons entre des structures d’antenne Tag à couplage inductif et avec la
configuration T-match. Nous avons simulé un prototype d’antenne méandre sur un nouveau substrat industriel en plastique (PET ou
Polyester). Nous avons aussi conçu et réalisé un prototype d’antenne Tag miniature d’une taille globale de 68×19.7 mm2 fonctionnant
aussi bien en champ proche qu’en champ lointain dans la bande RFID-UHF (865.0 – 868.0 MHz) adoptée en Europe et en Tunisie.
Nous avons caractérisé cette antenne en chambre anéchoïque avec laquelle nous avons obtenu des portées de lecture de 18 cm en
champ proche et 60 cm en champ lointain. En espace libre, ce Tag peut atteindre une distance de lecture de 15 m pour une puissance
d'émission de 25.0 dBm avec une antenne cornet en émission. En ce qui concerne le “Lecteur”, nous avons conçu, réalisé et testé
deux antennes “Lecteur”, l’une en boucle et l’autre Patch circulaire. Nous avons montré leur bon fonctionnement en champ proche.
Lorsqu’un Tag RFID sans plan de masse est placé à proximité d’une surface métallique, la dégradation de la performance du Tag
RFID est inévitable. C’est pourquoi nous avons proposé des prototypes d’antennes Tags pour l'identification des objets métalliques.
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 réalisé aussi une antenne Tag PIFA ayant comme substrat l’air.
En étant entièrement collée sur un mur métallique de 300×300 mm2, elle fonctionne correctement avec un gain de 3,5 dB et une portée
de lecture de 18 m en espace libre. Ce prototype PIFA fonctionne en position verticale, horizontale et en environnement métallique tel
qu’un container. Nous avons aussi simulé et réalisé deux antennes pour Lecteurs RFID à polarisation circulaire fonctionnant dans la
bande RFID-UHF aux États-Unis et en Europe.
Mots clés
Antenne, UHF, Tag, RFID, champ proche, champ lointain, antenne en contact avec une surface métallique, Lecteur à polarisation
circulaire
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
Introduction générale
La RFID est une technologie majeure qui connaît depuis plus d’une dizaine d’années un essor considérable en termes d’applications
dans de très nombreux domaines. Le marché de la traçabilité regroupe un grand nombre de familles de Tags. Ces Tags comprennent
une étiquette comportant une antenne, une partie où l’information est codée (généralement à l’aide d’une puce de silicium) ainsi qu’une
batterie (Tag actif) ou non (Tag passif). D’un point de vue applicatif, les Tags passifs utilisent une puce et une antenne, sont les plus
recherchés pour la mise en ouvre de solutions RFIDisées. Cet intérêt découle de leur faible cout et 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 de ces Tags est leur sensibilité à l’environnement, les
problèmes rencontrés dans leur fonctionnement à courte distances et les types de polarisation d’antennes adaptées aux applications
RFID. Le premier objectif de cette thèse est donc de concevoir, optimiser et réaliser des antennes Tags RFID fonctionnant en champ
proche et lointain. Le deuxième objectif est de concevoir et réaliser des antennes Tags RFID pour l'identification des objets métalliques.
Le troisième est d’étudier la conception d'antennes prototypes à polarisation circulaire pour Lecteurs RFID-UHF. Le présent mémoire
est structuré en quatre chapitres : Dans le premier chapitre, nous présentons le contexte général et le domaine d'application de la
technologie RFID-UHF. Nous souhaitons mettre en évidence le principe physique du
système RFID. Nous rappellerons tout d’abord l’historique de la RFID puis les différentes composantes d’une chaîne de communication
RFID, nous décrirons 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 la technologie
RFID. Nous présentons ensuite les différentes paramètres d’antennes, permettant de les comparer les unes aux autres. Nous
terminons ce chapitre par les simulations des différents prototypes d’antennes de Tags par un outil de simulation électromagnétique.
Le second chapitre est consacré à la conception d'antennes de Tags et Lecteurs pour les applications RFID-UHF en champs proche et
lointain. Nous y étudions également l'adaptation
1
d'impédance entre l'impédance d’entrée de l’antenne et l’impédance de la puce RFID. Nos structures d’antennes sont suffisamment
optimisées permettant ainsi d’améliorer l’amplitude du champ magnétique ainsi qu’une bonne adaptation d’impédance, ce qui aboutit à
une lecture « satisfaisante » des informations en champ proche et lointain. Le troisième chapitre est entièrement dédié aux antennes
Tags pour l'identification des objets métalliques. Nous avons alors proposé des prototypes d’antennes Tags avec et sans plaque
métallique. Nous avons simulé et réalisé une antenne avec un stub court-circuité et une autre antenne avec un stub ouvert. Ces deux
antennes ont de bon fonctionnement en contact d’une surface métallique (300×300m2). Nous avons réalisé aussi une antenne Tag à
fente avec un plan de masse. Elle fonctionne correctement avec et sans le plaque métallique. Nous présentons ainsi les résultats de
mesures des différentes antennes réalisées. Le quatrième chapitre concerne la conception d’antennes de Tags et Lecteurs à
polarisation circulaire. Nous proposons 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 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
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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. Finalement, la conclusion synthétisera l’ensemble des travaux de cette thèse et présentera les perspectives
envisagées en vue d’améliorer la fiabilité des antennes RFID-UHF présentées dans ce manuscrit.
2
Chapitre 1
La technologie RFID
1.1 Introduction L'identification par radiofréquence, mieux connu comme la RFID, est une technologie intelligente qui est très
performante, flexible et convient bien pour des opérations automatiques. La RFID est une méthode d'identification automatique qui
utilise les ondes radio 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 fourni en lecture
seule ou en lecture/écriture, sans contact, peut fonctionner sous une variété de conditions environnementales, permet de stocker une
grande quantité d'information et fournit un haut niveau de sécurité. La technologie RFID est utilisée pour surveiller, identifier et suivre
des objets, des animaux et 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 favorable. Avec le développement de la technologie RFID, la RFID UHF
(Ultra High Frequency 860 MHz à 960 MHz) est en plein croissance, notamment grâce au développement des Tags passifs faibles
coûts. Cette technologie des Tags UHF passifs avec une puissance émise de l’ordre de 2 W permet d’atteindre une distance de lecture
d’environ une dizaine de mètre [1]. Au cours de ce chapitre nous souhaitons mettre en évidence le principe physique du système RFID.
Nous rappellerons tout d’abord l’historique de la RFID puis les différentes composantes d’une chaîne de communication RFID, nous
décrirons 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 la technologie RFID. Nous
présentons ensuite les différentes paramètres d’antennes, permettant de les comparer les unes aux autres. Nous terminons ce chapitre
par
3
les simulations des différents prototypes d’antennes de Tags par un outil de simulation électromagnétique. 1.2 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 utilisé tous un radar qui avaient 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 [2]. Les
années 1950 ont été une
ère historique de l'exploration de la technique RFID suivre 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 [3] en 1948. Il défend que par l'alternance de la charge de l'antenne de Tag, il est possible de faire varier la quantité de
puissance réfléchie (aussi appelé modulation de charge d'antenne ) et par conséquent avoir une modulation. Les activités
commerciales ont commencé dans les années 1960. Des sociétés industrielles ont développés les technologies de surveillance
électronique d'articles (EAS) pour lutter contre le vol de marchandises [4]. Dans les années 1970, les institutions universitaires, des
laboratoires de recherche, des établissements universitaires, des entreprises et des chercheurs indépendants ont travaillé tous à
développer la technologie RFID. Parallèlement, des applications destinées étaient pour l’identification des animaux, suivi des véhicules,
et les suivis de processus industriels. Les années 1980 ont été la décennie avec une pleine application de la technologie RFID.
L'invention du circuit intégré représenté un progrès important sur l’usage des Tags passifs, le circuit intégré permettrait d’avoir une
grande diversité de types de Tags. Un brevet américain pour un Tag passif avec de la mémoire a été accordée à Mario Cardullo en
1973 [5]. L’abréviation RFID a été utilisée pour la première fois dans un brevet déposé par Charles Walton en 1983 [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 d’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 activités de la standardisation et de la normalisation des
équipements de systèmes RFID dans les années 1990. La plupart des normes ont été
4
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'a pas ralenti avec de nouveaux développements de la technologie RFID. Les Livres
ont commencé à apparaître consacrés spécifiquement à la technologie RFID. Klaus Finkenzeller a écrit l'un des premiers en 1999 [7].
Cependant, en 2004 en raison de l'état des normes et des capacités limitées de production de Tag, les fabricants d'étiquettes RFID ont
été incapables de répondre au volume de la demande dans le délai souhaité. Alors, des normes sont évoluées encore (ISO 18000...) et
la capabilité des processus de production sont développées. 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, champ proche de RFID Tag en UHF, performance de Tag dans différents types d'environnement… 1.3 Systèmes RFID
Un système RFID se compose toujours de deux composants: Le Tag qui est situé sur l'objet à identifier et le lecteur qui a pour rôle
d'identifier ce Tag. Systèmes RFID permettent la lecture et l'écriture à distance et sans contact de données d'un Tag. 1.3.1 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 (émetteur) qui émet des ondes radio alors le Tag répond en renvoyant ses données. Le lecteur utilise
son antenne (récepteur) attachée pour recueillir les données reçues à partir de Tag. Il transmet ensuite ces données à un ordinateur
pour traitement. La communication de système RFID est basée sur le principe de relation Maître-Esclave, où le lecteur RFID joue le
rôle de Maître et le Tag celui d’esclave [7]. Le lecteur RFID communique juste avec des Tags qui sont dans son champ de lecture. Les
lecteurs peuvent prendre plusieurs formes et tailles, fonctionnent sur de nombreuses fréquences différentes, 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. 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.
Page 6
cellulaire Nokia propose déjà des fonctionnalités RFID de lecture dans certains de leurs téléphones cellulaires.
5
le kit Mobile RFID Nokia est le premier téléphone GSM intégré offre de produits avec une capacité de lecture RFID [8]. Nous
présentons ci-dessous les différents types de lecteurs RFID. La série FX7400 de lecteurs RFID [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 au sein duquel il est important
d'enregistrer des performances et un faible encombrement. La figure 1.2 présente les lecteurs à main IP30 [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 : Lecteur RFID : (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [9] ; (2) Antenne AN620 [10]
Figure 1.2 : Lecteur RFID à main IP30 [11] Le choix du lecteur RFID s'avère primordial, ce choix doit se faire selon la fréquence des
Tags RFID et la distance de lecture souhaitée. Les Lecteurs RFID dont les distance de lecture à quelques centimètres sont dénommés
les lecteurs RFID de proximité oubien lecteur RFID
6
en champ proche. Les Lecteurs dont les portées à plusieurs centaines de mètres sont dénommés les lecteurs longue portée. Pour
augmenter la portée du lecteur (jusqu’à 20 m), la puissance nécessaire pour réveillé le Tag doit être plus importante. Un certain
nombre de facteurs peuvent influer sur la distance à laquelle un Tag peut être lu (la plage de lecture). La fréquence utilisée pour
l'identification, le gain de l'antenne, l'orientation et la polarisation de l'antenne du lecteur et l'antenne 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 l'étiquette peut utiliser différents types de modulation et de codage. Le lecteur utilise la modulation de porteuse pour envoyer des
informations à un ou plusieurs tags. Soit l’amplitude, soit la phase, soit la fréquence de l’onde porteuse serait modulée. Les
modulations les plus couramment utilisées sont : La modulation d’amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) qui est la plus utilisé [12], La
modulation de phase PSK (Phase Shift Keying) et la modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Key). 1.3.2 Tags RFID
Le Tag RFID se compose d’un circuit intégré, aussi appelé puce RFID, connecté à une antenne [6] dans un boîtier compact et robuste.
L’emballage est structuré de façon à permettre au Tag RFID d’être attaché à l’objet à suivre. Les tags peuvent être de deux types : Le
Tag RFID sans puce : ce sont des Tags RFID à bas coût sans l'utilisation de la puce RFID, couramment connues sous la dénomination
Chipless RFID Tag [13]. Aussi EAS Tags sont généralement trouvés dans les magasins comme système antivol. Étiquettes EAS sont
souvent appelés Tag RFID 1 bit . La raison de ceci est simplement qu'ils sont uniquement conçus pour communiquer un bit
d'information, c'est à dire leur présence. Si le Tag RFID est présente et active, alors cela signifie que l'objet n'a pas été à la caisse. Les
Tags RFID sans puce ont pour but de diminuer 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 [14]. Le Tag RFID avec puce : Ces Tags RFID
se divisent en trois catégories : actif, semi-passif, passif. Les Tags actifs contiennent une batterie interne et ne dépendent pas de signal
de lecteur pour générer une réponse. La source d'alimentation est utilisé pour faire fonctionner la puce et à diffuser un signal à un
lecteur. En conséquence, le Tag actif peut être lu à de plus
7
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 $ par Tag. Les Tags semi-passifs
sont pré alimentés, ils 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 de lecteur. Ces Tags RFID semi-passifs peuvent fonctionner correctement dans
différents environnements. Les Tags actifs et semi-passifs sont utiles pour le suivi des marchandises de grande valeur qui doivent être
numérisés sur de longues distances, comme le chemin de fer, mais ils coûtent plus cher que les Tags passifs. Les Tags RFID passifs
sont très similaires aux Tags semi-passifs mais n'ont pas de batterie. Au lieu de cela, ils sont alimentés par le lecteur, qui envoie des
ondes électromagnétiques qui induisent un courant dans l'antenne de Tag. Nous présentons sur la figure 1.3 les composants d'un Tag
RFID passif (substrat FR4, antenne en cuivre, puce (chip)). La puce et l'antenne constituent le Tag RFID et sont fixés ensemble sur un
support physique (substrat) [15]. Substrat Puce (IC) Antenne
Figure 1.3 : Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP) Les Tags passifs, qui sont les plus utilisées actuellement, sont les Tags HF (13.56
MHz) représentés à la figure 1.4 et les Tags UHF (860-960 MHz) représentés à la figure 1.5
Figure 1.4 : Tags RFID en HF (Tag-it HF-I de Texas Instrument) [16]
8
(1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas Instruments) [17] (2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [18] Figure 1.5 : Tags RFID en UHF
commercialisé 1.3.3 Principe de fonctionnement d’un système RFID Un système d'IDentification par RadioFréquence 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 situées dans son champ de lecteur et capable de convertir les ondes radio de 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.
Figure 1.5 : 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 une ou plusieurs Tags situées
dans son champ de lecture. Ce signal contient les instructions et l’énergie nécessaire pour alimenter le Tag.
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9
2- Le Tag est « réveillé » par le signal émis par le lecteur et se mettre dans un état d’attente des données 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…) [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: Carrier Wave mode) qui permet la télé-alimentation de la puce RFID. Cette technique
principalement utilisée en champ lointain est une technique dite de rétro-modulation « backscattering » [20]. Ainsi, le Tag envoi au
lecteur ces 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. Sur le lien descendant (Tag vers lecteur), les données sont renvoyées
pendant l'une de périodes d'onde continue où l'impédance du Tag module le signal rétrodiffusé.
Figure 1.7 : Échange de données entre un lecteur et un Tag RFID [19].
1.3.4 Couplage Tag/lecteur RFID La communication dans un système RFID est basée sur deux modes d’interaction fondamentalement
différents. Le premier mode correspond à un couplage en champ proche de nature inductif ou bien capacitif et le deuxième correspond
à un couplage en champ lointain de nature électromagnétique. Les deux modes peuvent transférer suffisamment d'énergie à un tag à
distance pour garantir son opération généralement entre 1 m W à 10 W, selon le type de
10
Tag. Le type de couplage dépend de l'application visée et aura une incidence sur le choix de la fréquence pour le système RFID. En
général, en s’éloignant d’une antenne, on peut distinguer trois zones différentes : 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 La région de champ proche réactif est définie comme la partie
de la région de champ proche entourant immédiatement l'antenne dans lequel le champ réactif prédomine et qui contient la majeure
partie ou la quasi-totalité de l'énergie stockée. C’est une région où les champs électriques E et magnétiques H ne sont pas
orthogonaux et se situe à une distance de l’antenne inférieure à
/2
(0.16 ), (valable pour les petites antennes où D << ) [22].
La région de champ proche radiatif (zone de Fresnel) est une région intermédiaire entre la région de champ proche (zone de Rayleigh)
et la zone de 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. Cette zone se situe à des distances de l’antenne entre
D 2 / 2 et 2 D 2 / [22], avec D la plus grande dimension de l’antenne et 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 2 D 2 / . La distribution de champ sous forme d’une onde plane est essentiellement indépendante de la distance
de l'antenne.
11
1.3.4.1 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 en champ proche, et cette technologie émergente a été déployée dans diverses applications. Par
exemple, les technologies RFID basses fréquences (ou LF, 125 kHz-134,2 kHz) et hautes fréquences (ou HF, 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
placés en étroite proximité. Le couplage de proximité pour un système RFID peut être un couplage inductif oubien capacitif. Couplage
capacitif La Radio-identification à couplage capacitif est utilisée pour de très courtes distances où un couplage RFID à proximité est
nécessaire. Couplage électrostatique ou capacitif est le passage de l'énergie électrique à travers un diélectrique. Un système RFID
avec 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. La portée d'émission en couplage capacitif est très limitée. Le couplage capacitif fonctionne mieux lorsque les
cartes à puce sont insérées dans un lecteur. Le couplage capacitif utilise les armatures (des électrodes) du condensateur afin d’assurer
la liaison requise [23]. La capacité entre le lecteur et la carte fournir un condensateur par l'intermédiaire de laquelle un signal peut être
transmis. Le 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. Un dipôle est une antenne adaptée aux systèmes de couplage
capacitif puisque le champ électrique domine le champ magnétique. Dans ces systèmes, 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 utilisée que les systèmes de
couplage inductif Couplage inductif Dans les systèmes RFID en champ proche, les systèmes de couplage inductif sont beaucoup plus
largement disponibles que les systèmes de couplage capacitif. Par exemple, les fabricants
12
de téléphones portables sont embarqués des Tags RFID passifs dans les appareils mobiles pour les applications NFC (Near Field
Communication ou communication en champ proche) aussi une carte mémoire RFID comprend un petit dispositif inductif capable de
couplage inductif avec un lecteur RFID [24]. En termes de fonctionnement, le couplage inductif est le transfert d'énergie d'un circuit à
l'autre par l'intermédiaire de l'inductance mutuelle entre les deux circuits. Dans un système RFID de couplage inductif, Les bobines à la
fois de lecteur et de tag se comportent comme des antennes. Un Tag comprend généralement une puce et une antenne-bobine. Parce
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fois de lecteur et de tag se comportent comme des antennes. Un Tag comprend généralement une puce et une antenne-bobine. Parce
que la longueur d'onde de la gamme de fréquence utilisée (BF (<135 kHz: 2400m), HF (13,56 MHz : 22,12 m)) est plusieurs fois
supérieure à la distance entre l'antenne du lecteur et le transpondeur, le champ électromagnétique peut être considérée comme un
champ magnétique alternatif simple. Lorsque le Tag est placé assez proche de lecteur RFID, la bobine du lecteur génère un champ
magnétique fort qui pénètre dans la bobine de Tag, une tension Ui est générée dans la bobine d'antenne de 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
de lecteur, la capacité étant sélectionnée de sorte que cela fonctionne avec l'inductance de l'antenne-bobine pour former un circuit
résonnant parallèle avec une fréquence de résonance qui correspond à la fréquence d'émission du lecteur. La bobine d'antenne du
Tag et le condensateur C1 forment un circuit résonnant accordé à la fréquence d'émission du lecteur [25]. La figure 1.9 présente le
système de communication entre le lecteur et le Tag dans un système RFID à couplage inductif.
Figure 1.9 : Communication lecteur/Tag dans un système RFID à couplage inductif [25]
13
Pour permettre à des données d'être transmis à partir de Tag au lecteur, les circuits de Tag modifient la charge sur l’enroulement, et
ceci peut être détecté par le lecteur à la suite du couplage mutuel. L'efficacité du transfert de puissance entre l'antenne de bobine du
lecteur et de Tag est proportionnel à la fréquence de fonctionnement, le nombre d'enroulements, la surface entourée par la bobine
d'antenne, l'angle des deux bobines par rapport à l'autre, et la distance entre les deux bobines. Le choix du meilleur type de couplage
RFID dépendra très étroitement de type d'application visé et les performances recherchées. 1.3.4.2 Techniques de couplage RFID en
champ lointain Le couplage capacitif est utilisé pour de très courtes distances, le couplage RFID inductif pour des plages un peu plus
longs et le couplage RFID à rétrodiffusion est normalement utilisé lorsque de longues distances (10 mètres et plus) sont nécessaires.
En champ lointain, à une distance supérieure à environ la longueur d'onde de la source, le couplage est de nature radiatif ou
électromagnétique (Figure 1.10). Alors la RFID se comporte comme un vrai émetteur-récepteur radio qui transmet des ondes radio à
des Tags RFID et reçoit les ondes radio réfléchies.
Figure 1.10 : Rayonnement électromagnétique en champ lointain [26] Les dimensions des antennes RFID capables de créer des
champs électriques sont de l'ordre de demi-longueur d'onde (pour une fréquence de 900 MHz, la taille de l'antenne est d'environ 0,166
m). Avec le principe de téléalimentation, le lecteur alimente le Tag passif présent dans son champ de lecture à travers le champ
électromagnétique émis. La densité d’énergie du signal rayonné décroît avec l’inverse du carré de la distance entre le lecteur et le Tag
[26]. Ainsi, les systèmes RFID passifs peuvent être utilisés seulement à des distances allant jusqu'à 10 mètres pour les fréquences
autour de 500 MHz. Cette distance de lecture diminue
14
fortement lorsque la fréquence augmente (moins d'un mètre à 2,5 GHz). Au-delà de ces fréquences et pour les applications à longue
portée, il est nécessaire d’utiliser les Tags RFID actifs qui possèdent leur propre source d’énergie et peuvent atteindre 150 m. 1.4
Fréquences et normes des systèmes RFID 1.4.1 Différentes bandes de fréquences L’évolution de la technologie RFID est fortement
tributaire de la fréquence radio qui utilise le système. La fréquence de fonctionnement peut affecter considérablement la distance de
lecture, la taille et le type d'antenne, l'interopérabilité c-a-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 des différentes surfaces. La fréquence
d’une onde propagée peut également être calculée par l’équation :
f=
avec :
c
Eq.1-1
f
: la fréquence de l'onde (en Hertz);
c : la vitesse de l'onde (en mètre par seconde);
: la longueur d'onde (en mètres)
La nécessité 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).
La nécessité de faire preuve de prudence à ce qui concerne des autres services de radio restreint considérablement la gamme de
fréquences de fonctionnements appropriés disponibles pour un système RFID. 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), c'est à dire pour des applications industrielles, scientifiques et médicales à
haute fréquence. En plus des fréquences ISM, l'ensemble de gammes de fréquence inférieure à 135 kHz (en Amérique) et 400 kHz (au
Japon) sont également disponibles pour les applications RFID fonctionnant en champ proche. La figure 1.11 montre le principal spectre
de fréquences disponibles pour les applications RFID.
15
Figure 1.10 : Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés pour les applications RFID [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 micro-onde). La bande de fréquence
UHF est destiné aux applications RFID-UHF. La fréquence est 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
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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 le couplage inductif (ou champ proche). Pour les ultra et super hautes
fréquences, le couplage radiatif (ou champ lointain) est appliqué. Au niveau mondial, les bandes de fréquences de système RFID UHF
sont répartis selon les régions. Le Tableau suivant détermine les bandes de fréquences et les puissances allouées à la RFID UHF en
fonction de ces régions [Tableau1.1] :
Région Bande de fréquence 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)
Division 1 (Afrique-Europe) Division 2 (Amérique) Division 3
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
Japon : 952 à 954 MHz 4 W EIRP Corée : 908,5 à 914 MHz 4 W EIRP (Asie-Océanie) Australie : 915 à 928 MHz 1 W EIRP China : 917
à 922 MHz 2 W EIRP Tableau1.1 : Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués en fonction de la région [27].
16
Les puissances maximales d'émissions autorisées sont calculées de manières différentes aux 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 calculé en EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) alors qu’en Europe
calculé en ERP (Effective Radiated Power). ERP se rapporte à une antenne dipôle plutôt qu'à un émetteur isotrope (Eq.1-2) :
PEIRP=1.64 PERP Eq.1-2
Par exemple en Tunisie, la puissance effective rayonnée est égale à 2W ERP ce qui est équivalent à 3.2 EIRP avec une bande de
fréquence située à 865.6-867.6 MHz [1]. La réglementation aux Etats-Unis est définie par la Partie 15 de la réglementation d’une
agence indépendante du gouvernement des États-Unis FCC (Federal Communication Commition) [28]. Ce règlement couvre la gamme
de fréquence de 9 kHz à plus de 64 GHz et traite de la production volontaire de 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 récepteurs de radio et de télévision ou des 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) [28]. La
communication utilise un étalement de spectre par saut de fréquence (ou FHSS, pour Frequency Hopping Spread Spectrum) sur 80
canaux pour rend le signal transmis très résistant aux interférences et plus difficile à intercepter. Au niveau européen, c'est l’organisme
ETSI ((European Telecommunications Standards Institute) , c’est-à-dire l’Institut européen des normes de télécommunications, se
charge de proposer les règlements européen du domaine des télécommunications. La RFID se classe dans ce qu'on appelle les 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) de matériel RFID fonctionnant dans la bande de fréquence 865.6 MHz à 867.6 MHz avec des niveaux
de puissance allant jusqu'à 2 W ERP [29]. Cette norme fournit 10 canaux RFID-UHF avec une bande passante de 200 kHz. Ces
canaux sont des canaux de grande puissance et peuvent fonctionner avec une puissance de sortie maximale de 2 W. D’autre part,
l’Europe a choisi d’introduire la réglementation LBT (Listen
17
Before Talk = écouter avant de parler) [27]. Cette réglementation signifie qu’un interrogateur doit détecter d'abord son environnement
radio avant de commencer une transmission. Un Tag de rétrodiffusion est situé dans le même canal que la signalisation « lecteur-Tag
». Cette procédure nécessite les systèmes européens LBT. Un problème de ce système est cependant que seul un nombre maximum
de dix lecteurs peuvent fonctionner simultanément au sein d'un environnement. Un autre problème est que « écouter avant de parler »
nécessite un matériel spécial qui rend les lecteurs plus cher. 1.4.2 Normalisation Les objectifs de la normalisation et de la
réglementation sont d'assurer l’interopérabilité des équipements, la protection des données sensibles, la facilite d'utilisation, de garantir
les libertés ainsi que de protéger la santé. Les normes existantes de normes pour la technologie RFID ont été produites pour couvrir
quatre domaines clés des applications RFID tel que les normes d'interface-air pour la communication de données Tag vers lecteur, le
contenu des données et le codage, la conformité (test des systèmes RFID) et de l'interopérabilité entre les applications et les systèmes
RFID. Il y a plusieurs organismes de normalisation impliqués dans le développement et la définition des technologies de RFID, y
compris l’ISO (International Organization for Standardization) et EPCglobal (Electronic Product Code), l’Institut européen des normes
de télécommunications (ETSI) et la Commission Fédérale des Communications (FCC). Des normes pour la technologie de RFID ont
été élaborées dans un certain nombre de secteurs, y compris le suivant : Références principales ISO 11784, ISO 11785, ISO 14223
ISO 10536, ISO 14443, ISO 15693 Intitulé Identification radiofréquence des animaux cartes d'identité - carte à circuit intégré sans
contact cartes de proximité ISO 18000 Identification sans contact des articles
Tableau1.2 : 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 incité une nouvelle série d'activités de normalisation.
En 2004, la norme ISO 18000 est apparue pour l’ensemble du monde de la RFID. Aussi le groupement EPCglobal a produit un
standard
18
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 (air-interface) ont pour désignation [30]: ISO 18000-1 : le vocabulaire
ISO 18000-2 : pour des fréquences de communications inférieures à 135 KHz ISO 18000-3 : pour une fréquence de fonctionnement à
13,56 MHz ISO 18000-4 : pour une fréquence de 2,45 GHz ISO 18000-5 : pour une fréquence de 5,8 GHz ISO 18000-6 : pour des
fréquences UHF comprises entre 860 et 960 MHz ISO 18000-7 : pour un fonctionnement à 433 MHz
1.4 Application de la technologie RFID
Aujourd'hui, l'utilisation de systèmes RFID se développe rapidement. Alors, nous pouvons trouver cette technologie dans diverses
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Aujourd'hui, l'utilisation de systèmes RFID se développe rapidement. Alors, nous pouvons trouver cette technologie dans diverses
applications de tous les jours. Les applications de la technologie RFID peuvent être classées dans deux catégories :
Applications de la communication RFID en champ proche NFC (Near Field Communication) tels que le paiement par téléphone
portable ou d'une carte bancaire, la lecture des articles de marchandises emballées, contrôle d'accès (badges d'entreprise, clefs de
voiture, cartes de transport...), Applications de la 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 [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, 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
vendues contre seules 6 milliards qui ont été vendus en 2013. Ceci grâce au développement de tags faibles coûts (< 0,001 $). Nous
entrons dans une période de très forte croissance pour le marché de la RFID. Compte tenu de cet énorme potentiel, IDTechEx prévoit
que nous entrons dans une période de très forte croissance et que le marché de la RFID devrait progresser pour atteindre 27,31
milliards de dollars en 2024, et
19
donc sera presque triplé en 10 ans. La Figure 1.11 présente les prévisions en 2013 et en 2018 du marché de la RFID.
Figure 1.11 : Prévision de l’évolution du marché de la RFID [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. 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 adressable 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 : La RFID
fonctionne sans contact et ne nécessite pas de champ de vision. Très Longue portée de lecture (Tag active), même dans des
environnements difficiles. Le Tag passif coûte moins cher que le Tag actif car ceci contient une pile. Le prix d’un Tag est un critère
important de sélection pour les utilisateurs. Le suivi des personnes, des objets et des équipements en temps réel. Tags RFID peuvent
être lues à une vitesse remarquable, même dans des conditions difficiles, et dans la plupart des cas, répondent en moins de 100 ms.
20
Une diminution du taux d’erreurs de saisie ou de transmission. Les Tags peuvent être lus par tout un certain nombre d’emballage (sac,
film, plastic…) et dans les environnements difficiles où les codes à barres ou d'autres technologies de lecture optique ne serviraient à
rien du tout. Les Tags RFID sont insensibles à des substances telles que la poussière, la peinture, le frottement et l'humidité. Les Tags
RFID peuvent avoir une durée de vie de dizaines d'années avec la possibilité de subir de modification de données de plus d'un million
de fois au cours de ces années. La possibilité de lire et différencier les Tags RFID de plusieurs objets simultanément (anticollision).
Une grande capacité de stockage de données de Tags RFID (plusieurs kilos octets), contrairement aux codes à barres dont la capacité
est très limitée à une dizaine de chiffres ou de lettres. La RFID est utilisée contre le vol en magasin, ou la contrefaçon. Des Tags
passifs peuvent être implantés dans un corps humain identifier (n° d'identification) des individus. pour
La RFID n'est sûrement pas capable de remplacer complètement le code à barres traditionnel. Au contraire, les deux technologies
existent parallèlement les uns aux autres dans l'avenir et seront utilisés en fonction de l'application. Les avantages décisifs d'un
système RFID est la vitesse de balayage, durée de vie et de haute immunité contre les bruits parasites vis-à-vis les influences
environnementales.
6.2 Limites de la technologie RFID La RFID est une technologie d'avenir qui présente plusieurs avantages mais avec des multitudes
d'applications cette technologie a néanmoins des limites. Dans ce qui suit, nous rappelons les limites que la technologie RFID peut
présenter.
Prix 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
21
augmente le coût du Tags. Les Systèmes RFID sont très chers. C'est inévitable car ils nécessitent du matériel, des logiciels, de
l'architecture et de la gestion. La clé pour des systèmes efficaces est la gestion. Cela signifie que la recherche, la planification, la
conception, la mise en œuvre, les essais, expérimente et le développement du système sont tous essentiels à la réussite. Manque de
normes et standards universels Relative à plusieurs technologies, 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 pour chaque pays. Les centres d'enseignement et les programmes gouvernementaux d'aide et de
soutien pour les entreprises n'existent plus. Il y a des centres commerciaux RFID mais ce sont sans doute moins impartial, indépendant
et donc proposer des solutions sélectionnées. Interférence des ondes RF Le phénomène de collision se produit lorsque de
nombreuses Tags sont présentes 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. Les collisions peuvent être classées en
trois types collision Tags vers lecteur, collision lecteurs vers Tag et collisions lecteurs vers lecteurs. Dans le cas de collision Tags vers
interrogateur, un grand nombre de Tags, de multiples fournisseurs, doivent être lues rapidement et si des millions de Tags sont utilisés,
il doit supposer à un certain moment qu'il y aura plus d’un Tag dans la zone interrogatoire de lecteur. Pour ce problème, les lecteurs
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il doit supposer à un certain moment qu'il y aura plus d’un Tag dans la zone interrogatoire de lecteur. Pour ce problème, les lecteurs
RFID utilisent différents canaux pour minimiser la collision [32]. Des logiciels d’anti-collision ont été utilisé comme logiciel Supertag
autorisé par British Technology Group. Cette technologie est facilement disponible aujourd'hui, mais il faudra la finalisation des normes
des Tags intelligentes pour la robustesse complète. Aussi, les lecteurs RFID utilisent des circuits intégrés (ASICs de Texas Instrument
ou de STMicroelectronics) moins chers, plus performants et supportent plusieurs nombre de protocoles comme l’anticollision [33].
Perturbations La plupart des étiquettes RFID se comportent bien dans l'espace libre, mais subit la dégradation de performance une fois
attaché à différents matériaux. Cette perte est parce que les caractéristiques matérielles affectent les propriétés critiques d'antenne
telles que
22
la constante diélectrique de substrat et la tangente diélectrique de perte, l'efficacité de rayonnement, le diagramme de rayonnement, et
l'impédance de l’antenne. De même les ondes radio peut être perturbée par la présence de certains matériaux comme l’eau et le métal
car l’eau absorbe l'énergie fournit et à proximité des métaux, il y a le phénomène de réflexion de l'énergie ce qui dégrade les
performances du Tag et ne le permet plus de recevoir l'énergie nécessaire à son fonctionnement [Tableau1.2]. Caractéristiques/
Fréquences Influence du métal Influence de l’eau Influence du corps humain Aucune Aucune Atténuation Atténuation Atténuation
Atténuation Perturbation Perturbation 125 à 135 KHz (BF) Perturbation 13.56 MHz (HF) Perturbation 860 à 960 MHz (UHF) Atténuation
2.45 GHz (micro-ondes) Atténuation
Tableau1.2 : Incidence des matériaux sur le signal radio Le fonctionnement des Tags RFID peut être atténué dans des environnements
métalliques. Ce peut être gênant pour la réussite de la technologie RFID dans le domaine de production métallique. Alors, pour
résoudre ce problème des recherches avancent pour développer la technologie « RFID on Metal ». Ce thème sera traité dans le
chapitre 3 où notre travail se focalise sur des antennes Tags RFID à proximité des métaux. Aussi, La conception des systèmes RFID
présente des problématiques pour la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM). Par exemple l’opération de détection de signal par un
système RFID est dégradée par une communication GSM (Figure 1.12) [34]. Du point de vue CEM, il faut faire des mesures à fin
d’identifier les sources perturbatrices GSM et minimiser ainsi leurs effets sur le système RFID [35].
23
Figure 1.12: Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie mobile GSM 900MHz [34]. Champs proche En champ
proche le coût de fabrication des tags RFID HF est sensiblement plus élevé qu’en UHF. C’est pourquoi, il est plus intéressant d’utiliser
la RFID UHF passive pour certaines applications « champ proche ». Il apparaît aujourd’hui que l’une des limitations des Tags
RFID-UHF est qu’ils ne fonctionnent pas à courtes distances. C’est pourquoi, dans ce mémoire, nous avons apporté une contribution
au développement d’antennes RFID-UHF fonctionnant en champs proche et lointain. Sensibilité Le seuil d’alimentation Pth est la
limitation de Tag la plus importante [36]. C'est le minimum de puissance reçue nécessaire pour activer la puce RFID. Plus il est petit,
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 [37]. Aujourd'hui la sensibilité typique d'une puce RFID est -20 dBm comme puissance minimale de
communication RF et -17 dBm comme puissance minimale de programmation RF [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
peut être d'environ -80 dBm [39]. Gain de l’antenne : Le gain est un paramètre important décrivant les performances d’une antenne. La
distance de fonctionnement maximale qui permet de communiquer avec le Tag est plus élevée dans la
24
direction du gain maximum qui est fondamentalement limité par la fréquence de l'opération et de la taille de Tag. Limitation de largeur
de bande : Il existe une limite générale sur la bande passante sur laquelle une bonne adaptation d’impédance peut être obtenue dans
le cas d'une impédance de charge complexe RC parallèle. Selon Bode et Fano [40,41], la limitation fondamentale sur l'adaptation
d'impédance prend la forme (Eq.1-2):
ln d RC
0
1
Eq.1-2
Avec est le coefficient de réflexion de la charge. R et C est la résistance et la capacité, respectivement. L’équation (Eq.1-2) place une
limite maximum sur l'intégrale à /(RC ) . Afin d'utiliser complètement la limite donnée de /(RC ) pour une largeur de bande désirée de
pulsation
( ) , devrait être l'unité le long de la bande excepté la largeur de bande ( ) .Ceci
signifie une désadaptation maximal en dehors de ( ) (Figure.1-10).
1
1
Page 12
1
2
Figure 1.12 : Coefficient de réflexion pour la meilleure une utilisation.
Basé sur le cas montré dans Figure 1.12, l'équation (Eq.1-2) devient (Eq.1-3) :
e
1 2 f RC
Eq.1-3
25
De l’équation (Eq.1-3), nous pouvons observer que pour une charge donnée RC il y aura un compromis entre la largeur de bande
maximum et le transfert maximum de puissance à la charge. Si l'adaptation doit être obtenue pour satisfaire une certaine valeur de (et
par conséquent, une quantité de transfert de puissance), la largeur de bande peut devoir être réduite. D'une part, si l'adaptation doit
être obtenue plus qu'une certaine largeur de bande donnée, la quantité de transfert de puissance à la charge peut être compromise. En
appliquons 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 suivant les indications dans le tableau 1.3 ci-dessous : pays Fréquence en MHz Commencer Terminer 865 868 902 928
950 956 Tableau 1.3 : Les largeurs de bande RFID largeur de bande en MHZ 3 26 6
Europe USA Japon
2 Paramètres d’une antenne RFID
7.1 Les paramètres circuits On peut classer les principaux paramètres d’une antenne en deux catégories : les paramètres circuits et les
paramètres de rayonnement. Les principaux paramètres de l’antenne qui traduisent son comportement comme circuit sont le coefficient
de réflexion, l’impédance d'entrée, le rapport d’ondes stationnaires, et la bande passante. Les paramètres de rayonnement sont le
diagramme de rayonnement, la directivité, le gain, l’efficacité et la polarisation de l’antenne.
Impédance d’entrée L’impédance d’entrée ( Z a ) est définie comme le rapport de la tension d’entrée sur le courant à l’entrée de
l’antenne (Eq.1-4):
26
Za =
Va = Ra + j.X a = RR + RP + j.X a Ia
Eq.1.4
La partie réelle est la somme de la résistance de rayonnement ( RR ) et de la résistance des pertes ( RP ). L’énergie dissipée par RR
correspond à l’énergie rayonnée par l’antenne. L’énergie dissipée par RP correspond quant à elle aux pertes de conduction, aux pertes
diélectriques 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 les conditions d’adaptation ne sont pas satisfaisantes, les ondes subissent des réflexions vers la source, donnant
naissance à des ondes stationnaires, caractérisées par le Rapport d'Ondes Stationnaires (voir plus loin). La quantité de puissance
qu'une antenne rayonne dépend de la quantité de courant qui entre dans elle. La puissance maximum est rayonnée quand il y a un
courant maximum. Il faut que l'impédance soit réduite au minimum quand l'antenne est résonnée de sorte que son impédance soit
résistance pure. De même, pour une bonne adaptation d’impédance c.-à-d. un transfert maximum de puissance entre la ligne et
l'antenne il faudrait que la résistance des pertes ( RP ) soit nulle ainsi que la résistance de rayonnement ( RR ) a eu une valeur égale à
l'impédance caractéristique de la ligne. 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'interférence entre ces ondes et les ondes incidentes. Si les ondes
incidentes et réfléchies sont en phase alors on obtient une tension maximale ( Vmax ). Si ces deux ondes seront en opposition de
phase donc l'amplitude résultante est une tension minimale ( Vmin ).
Vmax = Vdirecte + Vréfléchie Vmin = Vdirecte Vréfléchie
Eq.1-5 Eq.1-6
Le rapport d'ondes stationnaires ( ROS ) ou VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) en anglais est défini par la relation suivante
(Eq.1-7):
27
=
Vmax 1 + = Vmin 1
Eq.1-7
Page 13
Pour minimiser le rapport d’onde stationnaire, l’antenne est 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 par (Eq.1-8) : = Vréflèchie Vdirecte =
Za Z0 Za + Z0
Eq.1-8
Où Z a : impédance d'entrée de l’antenne (charge) et Z 0 : impédance caractéristique de la ligne de transmission. -1 <0, =-1 donc la
ligne est en court-circuit 0< <+1, =0 donc la ligne est adapté et pour = +1 est en circuit ouvert
Si Z a < Z 0 Si Z a > Z 0
Le coefficient de réflexion S11 est en décibel et toujours de signe négatif car le coefficient de réflexion est toujours inférieur à 1.
S11 = 20. log()
Eq.1-9
La charge peut être une impédance complexe, alors on définit le coefficient de réflexion en puissance * par (Eq.1-10) [43] : * =
* Zc Za Zc + Za
Eq.1-10
* 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 ( Zc
= Z a* ), donc le maximum de la puissance lui est transmise ( * = 0).
Le rapport de la puissance absorbée par la charge à la puissance directe fournie par l'émetteur est déterminé par la formule (Eq.1-11):
Pa =T Pd
2
=1
2
Eq.1-11
28
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 égal ou supérieur à 1, La valeur maximale du ROS généralement admise pour la sécurité du matériel est 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...). 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 et les niveaux de réactance peuvent être trop élevés pour un fonctionnement
satisfaisant. 7.2 Les paramètres de rayonnement
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 ont
privilégiées plus que d’autres, ceci représente les lobes de rayonnement. Comme l’indique la Figure 2.4, le maximum de gain s’effectue
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 ou parasites. Il est impossible d’éliminer complètement ces lobes mais l’important qu’ils soient les plus réduits
possible puisqu’ils correspondant à une énergie gaspillée. De même, il existe des lobes secondaires 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 faisceau principal.
29
L'une des principales caractéristiques d'un diagramme d'antenne est la largeur du faisceau du lobe principal, c'est à dire, l'étendue
angulaire. L’angle d'ouverture 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 maximum dans la direction la plus favorable,
ainsi l’angle caractérise la directivité de l’antenne.
Figure 1.13: Diagramme de rayonnement d’une antenne classique en coordonnées polaires
Directivité et Gain La capacité d'une antenne de concentrer l'énergie dans une région angulaire étroite (un faisceau directif) est décrite
en termes de gain d'antenne. Deux différents définitions mais relatives de gain d'antenne sont gain directif et gain en puissance.
L'ancien s'appelle habituellement la directivité, alors que ce dernier 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 surface plus faible, qui
se trouve ainsi éclairée plus fortement. La directivité (gain directif) est définie comme intensité de rayonnement maximum relativement
à l'intensité de rayonnement moyenne. L'intensité de rayonnement moyenne (une source isotrope) est égale à toute la puissance
Page 14
à l'intensité de rayonnement moyenne. L'intensité de rayonnement moyenne (une source isotrope) est égale à toute la puissance
rayonnée par l'antenne divisée par 4 dans n’importe quelle direction donnée [22]: Directivité=
I I intensité de rayonnement maximum( direction donnée) = max = 4 max Eq.1-12 intensité de rayonnement moyenne (toutes les
directions) I 0 PT
30
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
résolution angulaire faible et ne permet pas alors d'éliminer les signaux indésirables de signal utile. Notez que cette définition (Eq.1-4)
ne comporte pas de pertes dissipatives dans l'antenne, mais seulement la concentration de puissance apparente rayonnée. Gain (gain
de puissance) fait entraîner des pertes de l'antenne et est défini en termes de puissance d’entrée acceptée par l'antenne à PE plutôt
que la puissance rayonnée PT. 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 4 (Eq.1-13): G = 4 Intensité de puissance rayonnée dans la direction ( , ) I ( , ) = 4 puissance totale d '
entrée(acceptée) PE Eq.1-13
Le gain de l'antenne dépend de sa conception. Des antennes de transmission 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 propagées dans
certaines directions et pas dans d'autres. Le gain d’une antenne est lié directement à sa directivité alors pour avoir un gain élevé
l’antenne doit avoir un diagramme de rayonnement directif en concentrant l'énergie rayonnée dans un lobe principal), et
réciproquement. Si l’on veut qu’une antenne envoie plus d’énergie vers une autre antenne, il faut qu’elle envoie moins aux autres.
Quand la direction n'est pas énoncée, le gain en puissance est déduit de la directivité maximum (direction du rayonnement maximum),
de même le gain dépend du rendement de l’antenne (Eq.1-14) [22]:
G(, )= ×D(, )
Eq.1-14
avec
=
puissance effectivement rayonnée puissance effectivement rayonnée = puissance fournie par l ' émeteur puissance effectivement
rayonnée + somme des pertes
31
Le rendement 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… Efficacité L’efficacité totale e0 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 être dues aux
réflexions provenant d’une mauvaise adaptation de l’antenne et aussi des propriétés intrinsèques des matériaux qui la constituent
(conducteur, diélectrique). Généralement l'efficacité globale peut être écrite (Eq.1-15) [22] :
e0 =
PR = er .ec .ed PA
Eq.1-15
Le terme er est l’efficacité de réflexion provenant de la désadaptation à l’entrée de l’antenne, et s’exprime comme (Eq.1-16):
Z Z0 e r = 1 S = 1 a Za + Z0
2 11
2
(sans dimension)
Eq.1-16
Les termes ec et ed sont les efficacités qui prennent en compte
les pertes provenant
respectivement des conducteurs et des diélectriques. Ces deux quantités sont en général obtenues de façon expérimentale et comme
elles ne peuvent pas être distinguées, elles sont combinées ensemble pour donner l’efficacité du conducteur-diélectrique ecd ou
efficacité du rayonnement. Les pertes diélectriques sont en général négligeables 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
(Eq.1-17):
Page 15
(Eq.1-17):
ecd =
PR PR + PP
Eq.1-17
D’où l’équation (Eq.1-15) devient (Eq.1-18):
e0 = er ecd = ecd (1 )
2
Eq.1-18
32
La relation entre le gain d’une antenne et sa directivité est donc donnée par (Eq.1-19) : G ( , ) = ecd D( , ) Eq.1-19
L’efficacité de rayonnement d'antenne est employée pour lier gain et 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. Polarisation Il existe trois types de
polarisations : la polarisation linéaire, la polarisation circulaire et la polarisation elliptique. La direction de polarisation d'une antenne est
définie comme étant la direction du champ électrique (E-field). Plusieurs antennes existants sont linéairement polarisés, en général,
verticalement (V) ou horizontalement (H); bien 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 dans la transmission qui peut aller de 20 à 40dB. 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 RHCP, le vecteur champ électrique apparaît à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu comme une onde
de recul à partir du point d'observation. Pour LHCP, le champ électrique fait une rotation anti-horaire. Ces définitions de RHCP et
LHCP peuvent être illustrés avec les mains, en pointant le pouce dans la direction de propagation et recourber les doigts dans la
direction apparente de rotation E-vecteur. Par réciprocité, une antenne conçue pour émettre une polarisation particulière sera
également recevoir la même polarisation. Avec la polarisation circulaire, le lecteur peut communiquer avec un Tag même si celle-ci est
polarisé linéairement, alors quelques soit la polarisation de Tag RFID et du lecteur, ces derniers peuvent communiquer entre eux.
Enfin, la polarisation elliptique est obtenue lorsque la grandeur du champ électrique varie entre sa position verticale et horizontale, le
champ électrique décrit ainsi une ellipse dans le temps. Une analyse claire des polarisations peut être trouvée dans [43].
33
8. Conception et simulation d'antennes pour Tags RFID en UHF
L’antenne la plus simple à étudier pour Tag RFID est l’antenne dipôle. La longueur de l’antenne dipôle est environ une demie du
longeur d’onde. L’antenne doit être adaptée à une puce RFID d’impédance complexe Z c . Nous utilisent une puce NXP UCODE de
valeur
Z c = (22 j193) [44]. Avant de calculer les dimensions du Tag, les valeurs de la
constante diélectrique relative r et l'épaisseur H du substrat d'antenne doivent être connues. La fréquence de conception est à 868
MHz, le substrat est le FR4 ayant une permittivité
r = 4.4 et l’épaisseur de substrat H = 1.6 mm . La simulation ainsi que l’optimisation de
cette antenne ont été réalisées avec le logiciel HFSS d'Ansoft qui utilise la méthode des éléments finis [45]. Pour f=868 MHz, la
longueur L de l’antenne est presque / 2 = 172 mm. Les dimensions du prototype d'antenne dipôle sont : Wsub=20 mm ; Lsub= 200
mm ; W1=7 mm ; L1=94 mm ; L2=34 mm.
Figure 1.14: Géométrie de l’antenne dipôle RFID Le premier résultat de simulation est le coefficient de réflexion S11 sur une plage de
fréquences de 0.8 GHz à 1 GHz (Figure 1.15). L’antenne résonne à 868 MHz et présente un
coefficient de réflexion de -49.9 dB.
XY Plot 1
-15.00
HFSSDesign1
ANSOFT
Curve Inf o
-20.00
dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
Page 16
-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 1.14: Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence
34
La Figure 1.15 représente les parties réelle et imaginaire de l'impédance de l'antenne. L’adaptation de l’antenne est très bonne avec
l’impédance d’entrée de l’antenne
Z a = (23.2 j192.8) .
XY Plot 4
300.00
HFSSDesign1
ANSOFT
Name
X
Y
250.00
m1 m2
0.8680 23.2180 0.8680 192.8365 Curve Info m2 im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep
200.00
Y1
150.00
100.00
50.00
m1
0.00 0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 Freq [GHz] 0.93 0.95 0.98 1.00
Figure 1.15: Impédance d’entrée Z a de l’antenne dipôle Nous présentons ci-dessous un ROS ou VSWR de 0.055. Le ROS informe sur
la qualité de l’antenne dipôle à transmettre le signal dans une bande passante souhaitée.
XY Plot 5
3.00
HFSSDesign1
Curve Inf o
Page 17
Curve Inf o
ANSOFT
dB(VSWR(1)) Setup1 : Sw eep
2.50
Name m1 X Y 0.8680 0.0550
2.00 dB(VSWR(1))
1.50
1.00
0.50
m1
0.00 0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 Freq [GHz] 0.93 0.95 0.98 1.00
Figure 1.16: ROS de l’antenne dipôle Nous présentons ensuite le diagramme de rayonnement de cette antenne dipôle RFID en 3D sur
la Figure 1.17. Cette antenne présente un gain maximum de 2.76 dB.
35
Figure 1.17: Diagramme de rayonnement en 3D de l’antenne dipôle L’inconvénient majeur de cette structure d’antenne dipôle est son
taille (20*200 mm2). Cette 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 modifié et miniaturisé. Nous présentons dans
ce qui suit une antenne miniaturisée Tag RFID commercialisée de type ANL-9640-Squiggle de Alien Technology ® [46]. Cette antenne
« Squiggle » a été conçue avec une puce Alien Higgs 3 EPC Class 1 Gen 2 d’impédance Z c = ( 26 j163) . Pour des raisons
économiques, le substrat utilisé est de type polyester ( H = 50 µm , r = 3.2 , tg = 0.003 ). La dimension globale de l’antenne est
12.31*98.18 mm2.
(a) HFSS
(b) Datasheet [46] Figure 1.17: Géométrie de l’antenne RFID commercialisé ANL-9640-Squiggle La Figure 1.18 présente le coefficient
de réflexion obtenu pour cette antenne. On peut voir sur cette figure qu’une adaptation à -39 dB à la fréquence de 940 MHz est
obtenue.
36
XY Plot 1
-15.00
HFSSDesign1
Curve Inf o
ANSOFT
dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep1
-20.00
-25.00 dB(S(1,1))
Name m1 m2 X Y m2
0.9400 -39.0333 1.1600 -28.3307
-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 1.18: Coefficient de réflexion de l’antenne ANL-9640-Squiggle La Figure 1.19 présente le diagramme de rayonnement de cette
antenne en 2 D et 3D.
Radiation Pattern 2
0 -30
Page 18
m1
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
30
-1.00
Name m1 Phi Ang Mag 1.0012
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Theta='90deg'
360.0000 -0.0000
-7.00 -60 -13.00 60
-19.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
(a) Diagrammes de rayonnement en 2D
(b) Diagrammes de rayonnement en 3D Figure 1.19: Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle
37
Bibliographie
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Antenne AN620-Motorola, lien :
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Pillin, C.Dehollain and M. Declercq, “Read Range Limitation in IF-Based Far-Field RFID Using ASK Backscatter Modulation”, Research
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Coding Technique,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 59, No 12, pp. 3356-3364, December 2011. [14] A.
Vena, B. Sorli, S. Tedjini, E. Perret, L. Ukkonen, “Conception de tags et capteurs RFID sans puce brodés sur textile”, Journées
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38
[15] Daniel Dobkin, “RF in RFID: Passive RFID UHF in Practice”, Newnes, 2008. [16] Tag-it™ HF-I Plus Transponder
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[17] Tag RFID RI-UHF-00C01-03 (Texas Instruments), lien:
http://www.digikey.com/product-detail/en/RI-UHF-00C01-03/481-1078-6-ND/2505846, 24 juillet 2014. [18] Alien Squiggle RFID Tag,
lien : http://www.alientechnology.com/tags/squiggle/,24 juillet 2014. [19] J.-P. Curty, N. Joehl, C. Dehollain, and M. J. Declercq,
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Propagation Magazine, 212 – 218, Dec. 2006. [21] P. Harrop, “Near eld UHF vs. HF for item level tagging,” IDTechEx article, lien:
http://www.lsdna.co.in/download/near_field_uhf_vs_hf_for_item_level_tagging.pdf [22] C.A. Balanis, Antenna Theory– Analysis and
Design , John Wiley & Sons, 3rd edition, 2005. [23] D. Finn, Capacitive coupling of an rfid tag with a touch screen device acting as a
reader , U.S. Patent 2, 013,027, 126, 5. 8 avr. 2013. [24] S. Narendra, P. Tadepalli, S. Chakraborty, “Small RFID card with integrated
inductive element”, US 7961101 B2, 2008. [25] K. Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart
Cards,Radio Frequency Identification and Near-Field Communication, 3rd Edition, John Wiley & Sons, june 2010. [26] H. Chabanne, P.
Urien, J. Susini, RFID and the Internet of Things , ISTE - John Wiley & Sons, 2011. [27] A. Ghiotto, T. P. Vuong, S. Tedjini, K. Wu, La
Compatibilité Electromagnétique des Systèmes RFID UHF Passifs , Journée scientifique du CNFRS / URSI 2008, Paris, 20 Mai 2008.
Page 19
Compatibilité Electromagnétique des Systèmes RFID UHF Passifs , Journée scientifique du CNFRS / URSI 2008, Paris, 20 Mai 2008.
[28] Federal Communications Commission, Title 47, telecommunication, chapter 1, Part 15, radio frequency devices, 1 Oct. 2001. [29]
Normalisation RFID – Situation 2007. Juillet - 2007. Pôle Traçabilité – France, Lien :
http://www-igm.univmlv.fr/~dr/XPOSE2007/mmadegar_rfid/documents/Normalisation RFID-Situation 2007.pdf
39
Chapitre 2
Antenne RFID-UHF en champ proche
2.1 RFID en UHF
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 débit, de vitesse de transfert et de temps 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 (champ proche). 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. Donc, il est donc important de concevoir de nouvelles antennes 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 [2.1, 2.2] et ont surtout porté sur les parties des lecteurs. Dans ce chapitre, nous présentons des conceptions
d’antennes Tag et lecteur pour applications RFID en champs proche et lointain. Nos structures d’antennes sont suffisamment
optimisées permettant ainsi d’améliorer l’amplitude du champ magnétique ainsi qu’une bonne adaptation d’impédance, ce qui aboutit à
une lecture « satisfaisante » des informations en champ proche et lointain. 1.1 Communication RFID en champ lointain
40
1.1.1 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 de Tag, les propriétés des
objets à laquelle le Tag est attachée, et l'environnement de propagation. Supposons que l'énergie RF capturé 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 :
Sinc =
où
PT
lecteur
PT
lecteur
.Glecteur 4d 2
Eq.2-1
: Puissance transmise par le lecteur RFID (Watt)
Glecteur : Gain de l’antenne du lecteur (sans unité) d : la distance entre le Tag et le lecteur La puissance reçue par le Tag
PR
Tag
est égale au produit de la densité de puissance émise par
le lecteur et l’ouverture effective de l’antenne du Tag Ae
Tag .
PR = Sinc.Ae
Tag
Tag
Eq.2-2
Page 20
Eq.2-2
avec
Ae
Tag
2 = .GTag 4
Eq.2-3
Alors la puissance reçue au niveau du Tag RFID est donnée par l’équation de Friis (Eq.1-4)
PR
où
Tag
Tag
= 4d
2
PT
lecteur
G lecteur GTag
Eq.2-4
PR : Puissance reçue au niveau du Tag RFID (Watt)
Gtag : Gain de l’antenne du Tag (sans unité)
41
: Longueur d’onde dans l'espace libre (m)
et
: 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, peut être 0 ou 1dB. En
générale, dans la majeure partie de champ lointain, l'antenne du lecteur est polarisée circulairement tandis que l'antenne Tag est
polarisée linéairement, par conséquent peut être 0.5 ou -3 dB. L’antenne polarisée circulairement du Tag est préférable pour quelques
applications spécifiques car le signal peut être augmenté de 3dB et l'orientation du Tag est aléatoire. La porté de l’antenne oubien read
range en anglais est la distance communication maximale entre le Tag et le lecteur. La distance maximale de lecture est obtenue
quand (threshold) de puissance de la puce Pseuil (Eq.2-5) [2.3].
Tag
PTTag
est égale au seuil
d= 4
PTlecteur .Glecteur .Gtag T
Tag pseuil
Eq.2-5
avec T le coefficient de transmission en puissance et de la puce RFID.
Tag Pseuil
est le seuil d’activation minimum
La densité de puissance réfléchie Sréf est exprimée comme suit :
S réf
Page 21
P .GTag = T 4 R 2
Tag
Eq.2-7
Ainsi, la puissance reçue par le lecteur est
PRlecteur = Ae
Tag
S r = Sr G
lecteur
2 4
Eq.2-8
La puissance reçue au niveau du lecteur RFID est déterminée par l’équation (Eq.2-9):
2 2 PRlecteur = PT lecteur Glecteur GTag
4d
4
Eq.2-9
Nous pouvons identifier dans (Eq.2-8) la Puissance Isotrope Effective Rayonnée (Eq.2-10) :
42
PEIRP
=P T
lecteur
G lecteur
Eq.2-10
EIRP est la puissance rayonnée par une antenne isotrope. Cette puissance est régulée 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 EIRP avec
une bande de fréquence située à 865.6-867.6 MHz.
alors
P
lecteur R
= PEIRP
Glecteur GTag
2
4d
4
Eq.2-11
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 (Eq.2-12) [2.3]:
d rétrodiff
=4
Page 22
4
2 2 PTlecteur Glectuer GTag lecteur Pseuil
Eq.2-12
lecteur Avec est la surface équivalente radar et Pseuil est la sensibilité (plus petit signal qu’un
lecteur peut recevoir) du récepteur du lecteur. 1.1.2 Coefficient de transmission en puissance L’adaptation d'impédance dans la
conception du Tag RFID entre l'antenne et la puce est d'importance primordiale dans les systèmes RFID. Cette adaptation
d'impédance peut être caractérisée par le coefficient de transmission en puissance qui détermine la performance du Tag RFID. Nous
analysons 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, où Z a = Ra + jX a est l'impédance complexe de l’antenne et Z c = Rc + jX c est l’impédance complexe de la
puce [2.5]. La source de tension représente une tension du circuit RF sur les bornes de l'antenne de réception. Pour que la puce
réponde, l'antenne doit être bien adaptée à la puce du point de vue seuil de puissance minimum.
43
Figure 2.1 : Circuit équivalent du Tag RFID Le coefficient de réflexion complexe est défini par (Eq.2-13) :
=
avec 0
1 ; alors
* Za Zc Z a + Zc
Eq.2-13
=
2
( Ra Rc ) + j ( X a + X c ) [ Ra + j ( X a + X c )] Rc = ( Ra + Rc ) + j ( X a + X c ) [ Ra + j ( X a + X c )] + Rc
2
2
Ra Xa + Xc
1 R + j Rc c Eq.2-14 = Ra Xa + Xc +1 R + j Rc c
2
Soit
Ra X + Xc +j a = r + jy = Z a Rc Rc
Eq.2-15
L'impédance d'antenne peut être normalisée à la partie réelle de l'impédance de la puce parce qu'une antenne du Tag RFID est
habituellement adaptée au donné de la puce RFID.
D’où
Z a 1 = Z a +1
2
2
Eq.2-16
La quantité de puissance Pc qui peut être absorbée par la puce est (Eq.2-17) [2.6] :
Pc = Pa (1 ) = PaT
2
Eq.2-17
Où Pa est la puissance disponible maximum de l'antenne et T est le coefficient de transmission en puissance.
44
La Figure 2.2 présente la transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID. Antenne du Tag
Pc
Page 23
Sin
Pa
Paref
Puce
Figure 2.2: Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID Le coefficient de transmission en puissance est donné
dans le cas d’une adaptation entre l’antenne et la puce par l’équation (Eq.2-18) [2.7]:
T
=
4 Rc Ra Zc + Za
2
,0 1
Eq.2-18
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 (Eq.2-19) :
T + =1
2
Eq.2-19
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
1 états Z c et Z c2 , provoque une modulation du signal rétrodiffusé lui permettant de ce propager
de Tag vers le lecteur. La Figure présente le circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID.
45
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 l'étiquette 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
1 lecteur. Le premier état d'impédance Z c , 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 dont l'impédance varie en fonction de la fréquence f et la puissance d'entrée P appliquée à la puce, ce
qui nécessite des 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) 866
Impédances ( ) 25-237j
46
915 953
23-224j 21-216j
Tableau 2.1 :Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonction de la fréquence [2.11] Alors, pour mesurer
l’impédance d’entrée de cette puce RFID, il faut appliquer une technique qui fait appel à un calibrage 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 un calibrage de type 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, 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 .
Page 24
Zc=Z0.
S11 + 1 S11 1
Eq.2-20
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De même, il est possible de mesurer l’impédance des puces par l’utilisation d’une 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 des puces RFID-UHF de petites tailles avec un grand 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 la 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 des puces RFID-UHF les plus utilisés disponibles
sur le marché aujourd'hui. Puce RFID Puissance minimum de fonctionnement (dBm) Alien Higgs 4 Alien Higgs 3 -18.5 -18 1500 1500
0.85 0.85 Rc () Cc (pF)
47
NXP UCODE G2XM/ G2XL Impinj Monza 5 Impinj Monza 4
-15
1385
1.16
-17.8 -17.4
Page 2
-17.8 -17.4
1800 1650
0.825 1.21
Tableau 2.2 Exemples de puces RFID-UHF disponibles dans le marché aujourd'hui • Modèle électrique équivalent de la puce RFID
Les impédances de puce RFID sont des valeurs complexes où la partie réelle est la résistance et la partie imaginaire est la capacité.
La partie réelle Rc de l'impédance de la puce varie en quelques centaines d’ohms selon la configuration de puce. La partie imaginaire
Xc est négatif dû à l'effet capacitif du puce et varie entre 600 < X c < 100 [2.12], ainsi une antenne inductive est exigée pour avoir
une meilleure adaptation d’impédance. Le modèle équivalent électrique de l'impédance de la puce peut être modelé par une résistance
et une réactance (capacité) reliées en série ou en parallèle. Fig.2 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 faire la conception des antennes RFID, il faut connaître tout
d’abord la valeur de l’impédance qui est présentée à l’entrée de l’antenne. Comme nous l’avons vu préalablement, l’antenne RFID doit
avoir une valeur d’impédance égale au conjugué de l’impédance qui lui est présentée afin que se produise le maximum de transfert
d’énergie pour alimenter la puce
48
RFID.
Xc =
Dans
le
cas
d’un
circuit
équivalent
en
série
Z c = Rc // X c
avec
j j . = c 2f r c
1.1.3 Surface équivalente radar pour les systèmes passifs des Tags RFID en UHF La SER (Surface Equivalente Radar) du Tag RFID
est un paramètre important qui détermine la puissance du signal modulé et ré-réfléchi par l’antenne du Tag vers le lecteur. Elle
caractérise la capacité d’un Tag à rayonner l'énergie électromagnétique reçue du le lecteur. La distance maximale pour la
communication rétro-modulée est proportionnelle à la surface équivalente radar (SER) du Tag RFID. Ils existent deux modes de
rétrodiffusion de la SER des cibles interrogées, appelés « mode de structure » et « mode d’antenne » [2.13]. Ces deux modes
définissent la SER totale d’une cible. Le premier est une mode structure. La répartition de l’onde rétro-modulée se produit parce que
l'antenne est d'une forme, d'une taille, et d'un matériel donnés. La SER de mode de structure n’est pas vue par l’interrogateur comme
une surface géométrique de l’antenne. Elle est indépendante du fait que l'antenne est spécifiquement conçue pour transmettre ou
recevoir l'énergie RF. C’est une référence de base de son équation définissant la SER lorsqu’une antenne est fermée sur un
court-circuit. Le second mode est une mode antenne, la répartition de l’onde rétro-modulée qui doit se faire directement avec une
antenne conçue pour rayonner ou recevoir l'énergie RF avec un diagramme de rayonnement spécifique (Fig.3-4). D’où La SER de
l’antenne peut être défini par : =
struct+
ant. Bien que le
concept est de diviser la SER en deux composantes soit simples et facilement saisi, il convient noter qu'il n'y a aucune définition
formelle de ces modes de répartition de l’onde re-rayonnée. •
Equations de SER en mode structure
La surface équivalente radar 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 (Eq.2-21) [2.14]:
=
1 2REstruct REant (1 a ) Einc Einc
2
Page 3
2
Eq.2-21
Où R : la distance entre l'antenne du lecteur et l’antenne du Tag.
49
Estruct : le champ électrique du mode structure vers l'antenne du lecteur (court-circuit). Einc : le champ électrique incident vers
l'antenne du Tag. a : le coefficient de réflexion de l’antenne du Tag. Eant : la force du champ électrique du mode antenne vers
l'antenne du lecteur. Les deux limites de l'équation ci-dessus (Eq.2-20) s'appellent mode structure et mode antenne. Le champ
électrique E est lié à la densité de puissance S (Eq.2-22): E = 2 0 S Avec 0 est l'impédance de l’onde dans le vide. Alors l’expression
de SER devient (Eq.2-23):
S S = 2R struct (1 a )R ant S inc S inc 1
2
Eq.2-22
Eq.2-23
La SER en mode structure peut être facilement calculée à partir du cas court-circuité dans lequel la rétro-modulation du mode antenne
est égale à zéro. Pour calculer la SER totalement réfléchie et la SER en mode antenne, nous considérons une autre définition de SER
(Eq.2-24):
S réf S inc 2
= lim
R
4R2
Eq.2-24
avec Sréf est la densité de puissance réfléchie et Sinc est la densité de puissance incidente De même, la puissance transmise
(re-rayonnée) par le Tag est exprimée par :
PT
avec
Tag
= PR
Tag
.K
Eq.2-25 Eq.2-26
K=1 *
2
Où * est le coefficient de réflexion modifié défini par [2.15]:
50
Z Za = c Z a + Zc
*
*
Eq.2-27
alors
K=
4 Ra
22
Za + Zc
Page 4
Za + Zc
Eq.2-28
finalement [2.16]
= Ae
Tag . GTag . K =
2 .Gtag 2 .Ra 2 Za + Zc
2
Eq.2-29
Nous remarquons qu’à partir de l’équation (Eq.2-28), la modulation de la charge 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. Le facteur k nous donne accès à la
puissance rerayonnée par le tag. Il apparaît clairement qu’il y a une influence de l’adaptation
d’impédance entre l’antenne et la charge sur la surface équivalente radar [2.16]. Si l'impédance d'antenne est purement réelle,
l'antenne court-circuitée re-rayonne en arrière quatre fois plus de puissance que l’antenne adaptée. Une antenne adaptée re-rayonne
la même quantité de puissance qu’elle a reçue puisqu’il n’y a pas de pertes par réflexion.
•
Equations de SER en mode antenne
Un Tag situé dans le domaine de rayonnement de l'antenne du lecteur capte la puissance de l'onde incidente puis 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 Rr et la résistance des pertes de l’antenne RL .
La Figure 2.5 représente le circuit équivalent de l’antenne du Tag
Figure 2.5 : Schéma équivalent de Thévenin du Tag RFID
51
Lorsqu'une onde arrive aux bornes de l'antenne, la puissance incidente génère un courant I dans le circuit. Le courant I déterminé par
le quotient de la tension induite V au niveau de l’antenne du Tag et la connexion en série des différentes impédances (Eq.2-30) :
I=
V V = Z a + Z c ( Rr + RL + Rc ) + j ( X a + X c )
Eq.2-30
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
(Eq.2-31) :
PRTag = I eff Rc =
2
V eff Rc ( Rr + RL + RC ) 2 + ( X a + X c ) 2
2
Eq.2-31
L’ouverture effective de l’antenne du Tag Ae
tag est le quotient de la puissance reçue par la densité de puissance émise S in (Eq.2-32).
Ae
tag
V eff Rc P Tag = R = S in S in [( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 2 ]
2
Eq.2-32
Si nous avons une adaptation parfaite entre l’antenne et la puce, Rc = Rr + RL et X a = X c L’ouverture effective maximum de
l’antenne du Tag est obtenue par (Eq.2-33):
Aemax =
Page 5
tag
V eff
2
4S in Rc
Eq.2-33
Puisque Ra = Rr + RL une partie de la puissance sera dissipée comme chaleur (Eq.2-34):
PL = I eff RL
La puissance re-rayonnée dans l'espace par l'antenne est la suivante (Eq.2-35):
2
Eq.2-34
PTTag = I eff Rr =
2
V eff Rr ( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 2
2
Eq.2-35
La SER en mode antenne peut être définie comme le rapport de la puissance re-rayonnée par la densité de puissance émise S in
(Eq.2-36).
52
ant
V eff Rr P Tag = T = S in S in [( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 2 ]
2
Eq.2-36
Si l'antenne fonctionne dans une condition maximum de transfert de puissance et sans pertes, c'est-à-dire RL = 0 , Rr = Rc et X a = X
c dans ce cas (Eq.2-37):
ant =
V eff
2
4S in Rr
Eq.2-37
alors dans le cas d’une adaptation d’impédance où Rr = Rc :
ant = Aemax
Tag
Eq.2-38
Ceci suggère que seulement la moitié de toute la puissance de l'onde incidente soit fournie à la résistance Rc , l'autre moitié est
re-rayonnée dans l'espace par l'antenne du Tag. Quand l'antenne est court-circuitée avec Rc = 0 et X c = X a , la SER du mode
antenne est exprimée par (Eq.2-39):
max ant =
V eff
2
S in Rr
= 4 Aemax Tag
Page 6
= 4 Aemax Tag
Eq.2-39
Dans la condition de court-circuit, la SER est 4 fois plus grandes que son ouverture effective maximale. Pour le cas, où le circuit est en
circuit ouvert, Z c , le courant dans le circuit est nul (Eq.2-40):
min ant = 0 Z
c
Eq.2-40
La SER en mode antenne peut prendre ainsi n'importe quelle valeur désirée dans une gamme allant de 0 à 4 Aemax selon les valeurs
de l’impédance Z c . En particulier, la SER avec antenne
tag court-circuitée est idéalement 4 fois plus grande que la SER avec antenne adaptée. Cette propriété est utilisée pour la transmission
de données du Tag au lecteur dans des systèmes RFID avec rétro-modulation du signal. 1.2 Communication RFID-UHF en champ
proche
53
Le concept de base de la RFID-UHF en champ proche est de faire fonctionner le système RFID-UHF sur de courtes distances et sur
différents objets de manière aussi fiable que LF/HF RFID [8]. Dans la plupart des cas, les Tags RFID-UHF ne fonctionnent pas à courte
distance oubien nécessite grande puissance de sortie de lecteur RFID pour son fonctionnement en champ proche [2.18]. De même,
certaines applications nécessitent que la zone de lecture doive être à courte portée. Mais la région de champ n'est pas localisée donc
le lecteur RFID peut involontairement détecter d'autres Tags présentes dans la région de champ lointain. Cidessous, nous décrivons
plusieurs solutions pour les systèmes RFID-UHF en champ proche ainsi que nos solutions proposés pour la communication RFID-UHF
en champ proche. 1.2.1 Champ proche en RFID
Comme touts les systèmes de communication à distance, la RFID se base sur l’électromagnétisme pour permettre 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 donc n’ont pas un caractère d’onde plane. Dans cette
région, le champ est presque uniquement magnétique puisque la composante électrique est très faible. Ce qui engendre un couplage
inductif dans le champ proche. Pour les antennes électriquement petites, cette distance est définie par la relation suivante (Eq.2-41):
d champ
proche =
2
Eq.2-41
Les systèmes RFID en champ proche fonctionne par couplage magnétique oubien couplage inductif à 125-148 kHz et 13,56 MHz, pour
des applications courte distance (jusqu’à 50 cm). Les Tags HF utilisent des antennes magnétiques sous forme d’une bobine inductive
d’inductance L qui joue le rôle d’antenne, relié avec une puce contenant l’information et enfin d’une capacité C permettant de faire
résonner le circuit LC à la fréquence désiré. Lorsque le circuit entre en résonance LC, la fréquence de résonance du système RFID est
(Eq.2-42):
fr =
12LC
Eq.2-42
Le couplage inductif dans un système RFID se base sur la boucle de conduction L1 parcourue par un courant variable dans le temps i1
(t ) qui serait l'antenne d'émetteur du lecteur (Figure
54
2.6).
La boucle L2 représente l’antenne du Tag avec R2 est la résistance de bobine de
l'antenne du Tag et RL représente la résistance de charge.
Figure 2.6 : Boucle de conduction
par couplage magnétique (à gauche) ; circuit
équivalent pour une boucle de conduction par couplage magnétique (à droite)[1.25]. En champ proche, c’est la composante du champ
magnétique qui contribue le plus à l’apport d’énergie. Le champ d’induction magnétique B peut être déterminé par la célèbre loi de
Biot-Savart (Eq.2-43):
rr r µ 0 .I dl .r dB = 4 r 3 alors le champ magnétique décroit rapidement avec la distance en 1/r3. Ainsi on définit l’intensité du champ
d’induction magnétique B à la distance x du centre de la bobine (x=0) (Eq.3-50) [1.25]: B=
Page 7
Eq.2-43
µ 0 .I .N .r 2
2 (r 2 + x 2 ) 3
Eq.2-44
Avec I : courant qui circule dans la bobine. N : nombre de tours de la bobine. r : rayon de la bobine. x : distance de la perpendiculaire
au centre de la bobine
55
En s’appuyant sur la relation liant le champ d’induction magnétique B avec l’intensité du champ magnétique H (Eq.2-45): B = µ 0 .µ r .H = µ
.H On peut ainsi définir le champ magnétique par (Eq.2-46): H= I .N .r 2 2 (r 2 + x 2 ) 3 Eq.2-45
Eq.2-46
L'inductance mutuelle est une description quantitative de l'accouplement de flux de deux boucles conductrices. Nous pouvons définir le
coefficient de couplage k par (Eq.2-47).
K=
M L1 .L2
,0 k 1
Eq.2-47
Ce coefficient varie entre : k=0 : découplage total, les bobines n’ont aucune interaction entre elles. 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
2 2 rTag .rlecteur 2 rTag .rlecteur .( x 2 + rlecteur ) 3
rTag rlecteur (Eq.2-48):
Eq.2-48
k ( x)
En raison du lien fixe entre le coefficient de couplage k et l'inductance mutuelle M, et en
1 raison du rapport M = M 12 = M 2 , la formule s'applique également aux antennes émettrices qui
sont plus petites que les antennes réceptrices de Tag avec rTag
rlecteur (Eq.2-49) [1.25]:
Eq.2-49
k ( x)
2 2 rTag .rlecteur 2 rTag .rlecteur .( x 2 + rTag ) 3
Le coefficient de couplage k ( x ) = 1 (100%) , est réalisé si la distance entre les deux bobines est zéro (x = 0) et les rayons d'antenne
sont identiques ( rtag = rlecteur ), parce que dans ce cas les deux bobines sont dans le même lieu et elles sont exposées exactement
au même flux
56
magnétique . Dans la pratique, cependant, les systèmes de Tag inductivement couplés fonctionnent avec les coefficients de couplage
qui peuvent être inférieurs à 0,01 (p 1%) [1.25]. 1.2.2 La technologie RFID-UHF en Champ proche
Le système RFID-UHF fonctionne à la fois en champ proche et en champ lointain. Actuellement, la technologie RFID-UHF en champ
proche reçoit beaucoup d'attention comme une solution possible d’identification en champ proche. Le système RFID UHF passif en
champ proche apporte plusieurs améliorations par rapports à la basse et haute fréquence (LF / HF RFID) comme la capacité à détecter
des marqueurs à courte et longue portée, la vitesse de détection est plus rapide qu’en HF, les dimensions des Tags UHF sont
miniaturisés avec des dimensions inferieures au 16*1 cm2, le coût de fabrication des tags est sensiblement moins élevé que les Tags
HF aussi avec les Tags UHF on peut assurer un bon suivi des objets ou des biens de consommation. Un test de cette technologie,
pour l'identification des produits pharmaceutiques tout au long de leurs chaînes d'approvisionnement, montre qu’elle offre des
performances d'identification significativement supérieure que les systèmes RFID-HF passifs [2.17]. La RFID-UHF en champ proche
fonctionne sur de courtes distances et sur différents objets. Elle fonctionne en champ lointain par les ondes électromagnétiques (EM) et
communique en champ proche à travers le champ électrique (couplage capacitif) oubien le champ magnétique (couplage inductif).
1.2.2.1 Antennes pour lecteurs RFID-UHF champ proche Pour les lecteurs RFID-UHF champ proche, le système de 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 de métaux et des liquides mais il est affecté par
Page 8
système RFID avec couplage inductif est capable de fonctionner à proximité immédiate de 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 en LF / HF car ces antennes cadres
dite magnétique sont capables de produire un champ magnétique intense et uniforme dans la région autour de l'antenne. Toutefois,
lorsque la fréquence de fonctionnement de l'antenne s'élève à la bande UHF, le périmètre de l'antenne en boucle devient comparable à
la longueur d'onde de fonctionnement, ainsi l'antenne ne peut pas produire un champ magnétique uniforme puisque le courant circulant
le long de la boucle
57
dispose d'inversion de phase et le courant s’annule le long de la circonférence. En conséquence, l'antenne produit un champ
magnétique relativement faible dans certaines régions de l'antenne boucle ce qui dégrade la fiabilité de détection des Tags RFID. Le
défi de conception de l'antenne pour le lecteur RFID-UHF en champ proche est de s'assurer que le courant est en phase et presque de
même grandeur le long de l’antenne boucle, afin de produire une distribution de champ magnétique fort et uniforme dans la région de
champ proche. Un certain nombre de techniques ont été présentés pour la conception des antennes pour lecteur RFID-UHF en champ
proche, qui permet une distribution uniforme du champ magnétique dans une zone d'interrogation adéquate. La technique le plus utilisé
dans la conception d’antenne pour lecteur RFID-UHF champ proche est la segmentation. 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 qui peut être utilisé pour lire les Tags RFID.
En segmentant l’antenne boucle, le périmètre de l'antenne devient important et supérieur à la longueur d'onde de fonctionnement 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. L'antenne
comporte des sections de lignes couplées multiples et un circuit d'adaptation (Figure 2.6). Ils ont utilisés une petite séparation S entre
les lignes couplées. Cette séparation est préférable puisque elle offre un couplage électromagnétique fort et provoque moins
d'atténuation du courant le long de la ligne. Les sections de ligne de couplage segmentées fournissent un très faible retard de phase
entre les sections adjacentes de sorte que le courant circulant le long des lignes segmentées est gardé dans une seule direction.
Autrement dit, la distribution de courant sur la boucle segmentée est en phase. Par conséquent, l'antenne cadre segmenté produit une
distribution de champ magnétique uniforme, même si la boucle est électriquement large.
58
Figure 2.7 : Configuration de l'antenne boucle segmentée [2.20]. En conservant le principe de segmentation, en 2010, de X. Qing et al.
[2.21] ont présentés une antenne large bande segmentée, imprimé un substrat de type FR4, avec une taille globale de 175×180×0,5
mm3. En outre, l'intensité du champ magnétique de l'antenne diminue
lorsque la taille de l’antenne augmente. L'antenne cadre segmenté proposée a démontré la capacité de produire une forte champ
magnétique dans la région de champ proche de l'antenne (Figure 2.8)., même si le périmètre de l’antenne est supérieure à deux fois
longueurs d'onde de fonctionnement, ce qui est très prometteur pour les applications RFID en champ proche.
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. Elle fournit
une gamme de lecture de 37 mm et une largeur de bande de 220 MHz (750-970MHz), qui peut couvrir toute la bande RFID-UHF.
L’antenne présente aussi un faible gain de -20 dBi en champ lointain qui est souhaitable pour l’application champ proche pure. 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
59
une boucle parasite dans lequel les boucles sont réalisées en utilisant des lignes segmentées avec des condensateurs répartis.
L'introduction de la boucle parasite dans la région centrale a significativement élargi la zone d'interrogation de l'antenne proposée. Elle
a démontré la capacité de produire une distribution de champ magnétique fort et uniforme dans la région de champ proche de
l’antenne avec le périmètre de la zone interrogation jusqu'à 250 mm × 250 mm ainsi le meilleur taux de lecture est atteint à une
distance de 19 mm.
Figure 2.8 : Photo du prototype d'antenne pour lecteur RFID-UHF [2.23] Un autre concept développé par J. Pakkathillam et al. [2.24]
utilise une antenne fractale basée sur le principe de la distance variable de courant de sens inverse (variable distance opposite
direction current (VDODC)). L'antenne fonctionne à 897 MHz avec une bande passante de 101 MHz. Cette antenne donne une
distance de lecture de 9,5 cm (sans obstacles) pour une puissance d'entrée de 13 dBm. Dans [2.25], l’auteur a réalisé une antenne
bracelet obtenue en enroulant une ligne segmentée sur 2 tours. Cette antenne, bas coût avec un substrat PET de 50 µm d’épaisseur,
pour lecteur RFID-UHF fonctionnant en champ proche et pouvant être intégrées directement sur un vêtement. Enfin en 2014, de
nouveaux travaux [2.26] [2.27] ont présentés d’autres solutions pour la communication RFID-UHF en champ proche. L’antenne de
lecteur présenté dans [2.26] utilise des un circuit imprimé multicouche comprenant un diviseur de puissance à quatre voies et un
réseau de dipôles. L'antenne proposée a une taille compacte de 96 mm × 96 mm× 2 mm3, et elle résonance à 842 MHz. Le champ
magnétique fourni par l'antenne proposée est forte, ainsi le lecteur peut identifier le Tag dans la zone désirée avec une très faible
puissance d'émission de 17 dBm. Les auteurs proposent un design d’antenne basé sur des bandes parallèles double-face (double-side
parallel-strip line (DSPSL)) [2.27]. Cette antenne présente une répartition du champ magnétique forte et uniforme dans une large zone
d'interrogation. Les distances de lecture maximum sont de 200 mm et 70 mm lorsque la puissance d'entrée est de 30 à 17 dBm,
respectivement.
60
1.2.2.2 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
Page 9
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 [2.28]
[2.29] ont été publiés par Oliver qui a proposé des antennes boucles segmentées fonctionnant en champ proche et lointain. En 2011,
B. Shrestha et al. [2.30] 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. Les capacités de lecture de l'antenne sont
jusqu'à 9 cm en champ proche et 6 m en champ lointain. Dans [2.31], les auteurs ont réalisés une antenne boucle segmenté supportée
par plaque métallique qui a montré une distribution de champ magnétique uniforme dans la région de champ proche, et des
caractéristiques acceptables de rayonnement en champ lointain. Les sections de ligne segmentées sont capables de fournir un très
faible retard de phase entre les sections adjacentes, de sorte que le courant circulant le long de la boucle segmentée est maintenue
dans une seule direction alors que le périmètre de l'antenne cadre segmenté est comparable à la longueur d'onde de fonctionnement.
Par conséquent, l'antenne proposée est capable de produire la distribution de champ magnétique uniforme, même si la boucle est
électriquement large. L'addition de la plaque métallique améliore le rayonnement de l’antenne en champ lointain. L'antenne peut être
facilement adaptée à 50 , et donc avoir une bonne adaptation d'impédance peut être réalisée en reliant l'entrée de l'antenne à un
connecteur SMA directement sans circuit d'adaptation supplémentaire. Finalement, les auteurs ont proposé une antenne dipôle
compacte repliée avec un résonateur en anneau fendu (Split Ring Resonator : SRR) [2.32] pour les applications RFID-UHF mobile.
Cette antenne, avec un format compact de 31 x 31mm2, fonctionne en champ proche et en champ lointain. L’antenne
61
proposée a une forte distribution de courant de surface avec un gain convenable de 2.0 dBi en champ lointain et une largeur de bande
étroite de 31.0 MHz. La portée de lecture en champ proche peut atteindre 48 mm avec un niveau de puissance de transmission 20
dBm, ainsi la distance de lecture maximale en champ lointain est de 1,05 m avec un niveau de puissance de transmission de 20 dBm.
1.2.2.3 Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain Une des limitations qui apparait pour les 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 pou 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 traitant des antennes de Tags fonctionnant en champ proche et lointain. Dans [2.33] [2.34], une étude
présente la conception d'antenne pour lecteur et Tag RFID en champ proche. Le concept de couplage électrique entre l'antenne du
lecteur et de Tag est utilisé pour la communication 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 [2.35], 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 proche ont un faible gain de -4.0 dB en champ lointain et une largeur de bande étroite de 13.0 MHz. La distance
de lecture est d’environ 50 cm dans un environnement comme l'eau avec un lecteur RFID en champ proche d’un gain de -20 dB.
2. Antennes pour Tags et lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain
Pour assurer le fonctionnement en champ proche, la portée dépend de l'intensité du champ magnétique produit par l'antenne du
lecteur, la taille et l'orientation du Tag, et la sensibilité de du récepteur de l’interrogateur et de Tag. Pour un fonctionnement en champ
lointain, le gain, la polarisation et l'orientation des antennes du lecteur et de Tag et de la sensibilité du lecteur et de Tag déterminent la
distance de lecture. Par conséquent, il est important d’étudier la performance de l'antenne du lecteur et de Tag pour aboutir à une
meilleure communication en champ proche qu’en champ lointain.
62
La performance de Tag RFID pour des opérations en champ proche et lointain dépend de la tolérance sur la fréquence de résonance
de 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 fort et uniforme champ magnétique mais nécessite aussi une bonne adaptation
d’impédance au niveau du Tag. L’adaptation est l’un des plus importants des applications RFID-UHF en champ proche et lointain car la
distance de fonctionnement dépende en grande partie de la quantité d’énergie qu’un Tag est capable de récupérer de lecteur pour
réussir à fonctionner. 2.1 Adaptation d’impédance des antennes de Tags RFID-UHF Comme nous l’avons montré plus haut, on
obtiendra le maximum de puissance fournie dans la charge lorsque l’on réalisera la condition d’adaptation conjuguée entre les
impédances du Tag et la puce. Dans la littérature, plusieurs techniques ont été utilisé pour la réalisation de conjugué correspondant
afin d’avoir l’adaptation souhaité [2.36] [2.37]. Dans [2.37], les auteurs présentes plusieurs techniques pour réaliser l'adaptation
d'impédance complexe, comme l’adaptation par T-mach, par couplage à proximité de boucle où la puce est adaptée à l'antenne à
travers d'une boucle à couplage inductif, et par la configuration en fentes imbriquées où la puce est adaptée par des fentes qui
généralement utilisés pour concevoir des Tags à proximité de métal [2.38]. Cependant, la plupart des Tags RFID-UHF commerciales
sont basées sur les antennes dipôles en utilisant la configuration T-match [2.39], [2.40]. 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 désiré au moyen d'une structure simple
et fiable, sans entraîner une augmentation importante du coût de Tag et de la taille. Des exemples de différentes techniques sont
représentés sur la Fig. 2.18.
63
(a)
(b)
(c)
Figure 2.9 : Exemples d'adaptation de la configuration en (a) T-mach, (b) par couplage inductif à proximité de boucle, et (c) par la
Page 10
Figure 2.9 : Exemples d'adaptation de la configuration en (a) T-mach, (b) par couplage inductif à proximité de boucle, et (c) par la
configuration en fentes imbriquées [2.37]. Souvent, des applications UHF-RFID nécessitent des Tags de petites tailles, car ils ont à être
attachés à des objets avec des tailles réduites. Ensuite, l'antenne de Tag doit être miniaturisée sans dégradation inacceptable de ces
performances. Depuis taille de l'antenne et la fréquence de fonctionnement imposent des limites sur le gain maximal réalisable et la
bande passante et l’efficacité de l’antenne [2.41], d’où il faut avoir un compromis entre la miniaturisation de l’antenne et le gain,
l’efficacité et la bande passante pour éviter la dégradation de performance de l’antenne. C’est évidant qu’une réduction du gain de
l'antenne de Tag implique une dégradation de la distance de lecture. La technique le plus utilisé pour la miniaturisation est par
repliement pour avoir des antennes méandres [2.42] oubien par l’insertion de fentes. Pour d’autres applications où la miniaturisation de
la RFID n'est pas obligatoire, la miniaturisation peut être évitée afin d'obtenir de meilleures performances de Tag. Dans notre étude
[2.43], nous avons essayé d’adapter l’antenne à deux valeurs de l’impédance de la puce NXP UCODE G2XL [2.44]. Ces deux valeurs
sont l’impédance mesurée de la puce et l’impédance du datasheet donnée par le constructeur et comme nous l'avons indiqué plus
haut, l’impédance de la puce est non-linéaire, varie en fonction de la
1 fréquence et la puissance reçue et varie ainsi en deux états d’impédances différentes Z c et Z c2
. Antenne adaptée à l’impédance du datasheet de la puce
64
La structure de l'antenne du Tag RFID-UHF proposée est représentée sur la Figure 2.10. Notre antenne est constituée d'une petite
boucle d'alimentation oubien d’adaptation de forme rectangulaire et une antenne dipôle méandre en utilisant la configuration T-Match.
(a)
(b) Figure 2.10 : Géométrie de l'antenne proposée : (a) Vue de dessus (b) Vue de côté L'antenne est simulée avec un substrat de type
polyester (PET) (épaisseur : H = 50 µ m , constante diélectrique relative : r = 3.2 , et tangente perte : tan = 0.003 ) avec une taille
globale de 77 × 14 mm2. L'épaisseur de la couche d'aluminium est 9 µm . La fréquence de fonctionnement de Tag se trouve dans la
bande UHF à 915 MHz. Les paramètres de l'antenne sont les suivants: L1 = 21mm, L2 = 21mm, L3 = 15mm, L4 = 73mm, L5 = 3,5 mm,
L6 = 2mm, W1 = 8mm, W2 = 9,5 mm, W3 = 8.5mm, W4 = 1mm, W5 = 0,5 mm. Tout d'abord la structure de l'antenne proposée est
optimisée pour une puce de Tag avec une
datasheet = (22 j193) à une fréquence de résonance de impédance de fiche la technique Z c
915 MHz. Pour transmettre la puissance maximale entre l'antenne et la puce, l'impédance de l'antenne doit être le conjugué
correspondant à Z a = ( 22 + j193) . L'impédance la puce RFID est fortement capacitive, en général l’impédance conjuguée est
principalement inductive. L'antenne a été conçue en utilisant l'outil de simulation électromagnétique HFSS Ansoft [2.45] qui nous a
permis de calculer le coefficient de réflexion, le gain d'antenne et
65
l'impédance d’entrée. Le coefficient de réflexion est obtenu -48,6 dB à la fréquence de 913 MHz (Figure 2.11). La Figure 2.12 montre
les caractéristiques d'impédance de l'antenne proposée sous forme de deux parties réelle et imaginaire de l'impédance d'entrée avec
Z a = (22.1 + j194.4) . Alors nous remarquons que l’antenne du Tag est bien adaptée à
l’impédance du circuit électronique, dans le but d’atteindre de bonnes performances de Tag.
Ansoft LLC
-5.00
m3
XY Plot 3
m2
HFSSDesign1
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep1
-10.00
-15.00
Name m1 X Y 0.9131 -48.6863 0.6455 -10.1572 0.9636 -9.7005
-20.00
m2 m3
d B (S (1 ,1 ))
-25.00
Name d(m2,m3) Delta(X) 0.3182 Delta(Y) 0.4567 Slope(Y) 1.4353 InvSlope(Y) 0.6967
-30.00
Page 11
-30.00
-35.00
-40.00
-45.00
m1
-50.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
Figure 2.11 : Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée
Ansoft LLC
225.00
Curve Info im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep1 re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep1 Name X Y
XY Plot 2
HFSSDesign1
200.00
m2
175.00
m1 m2
0.9131 22.1185 0.9131 194.4295
150.00
125.00 Y1 100.00 75.00 50.00 25.00
m1
0.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
Figure 2.12 : Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée L'antenne présente, à la fréquence 915 MHz, un gain de 1.21 dB. La
Figure 2.13 montre le diagramme de rayonnement 2D et 3D de l’antenne de Tag.
66
Ansoft LLC
Radiation Pattern 1
0 -30 -1.00 30
HFSSDesign1
Curve Info max(dB(GainTotal)) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
-7.00 -60 -13.00 60
-19.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
(a)
(b) Figure 2.13 : Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D Antenne adaptée à l’impédance mesurée de la puce
L'impédance de la puce n'est pas une valeur constante, et il est variable en fonction de la fréquence et de la puissance reçue par la
puce. La partie réelle et imaginaire de l'impédance d'entrée de la puce par rapport à la puissance pour une fréquence fixe de 915 MHz
Page 12
puce. La partie réelle et imaginaire de l'impédance d'entrée de la puce par rapport à la puissance pour une fréquence fixe de 915 MHz
et par rapport à la fréquence pour une puissance fixe de -2,6 dBm a été mesurée par [2.46]. La Figure 2.14 montre la partie réelle et
imaginaire de l'impédance d'entrée de la puce commerciale NXP GX2L en fonction de la puissance (Figure 2.14a) et fonction de la
fréquence (Figure 2.14b). (b) 3D
67
Figure 2.14 : 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] L'impédance mesurée a été fait pour deux configurations: la fréquence fixe et la puissance
variable Z c ( f 1, p) et pour la puissance variable et la fréquence fixe Z c ( f , p1) . Une procédure de calibrage SOL est utilisée pour
extraire des valeurs d'impédance de la puce, donc la valeur de l’impédance mesurée est Z c
Mesuré i
i
= (25.6 j147.79) .
L'antenne du Tag RFID doit être adaptée à l'impédance mesurée afin d'obtenir une bonne récupération d’énergie. Une petite boucle
rectangulaire d'adaptation est utilisée pour ajuster le coefficient de transmission de puissance entre l'antenne de Tag et de la puce. Les
deux Figures (Figure 2.15 et Figure 2.16) montrent le changement de coefficient de réflexion et l'impédance d’entrée de l'antenne avec
la variation du paramètre W1. On remarque alors que l’antenne est bien optimisée avec W1=6 mm ainsi le coefficient de réflexion est
obtenu -41,7 dB à la fréquence de 923 MHz.
68
Ansoft LLC
-5.00
XY Plot 3
HFSSDesign1
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' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w
1='-6.5mm' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-6mm' m3 dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-5.5mm'
-15.00
m6
-20.00 dB(S(port,port))
Name m1 m2 m3 m4 m5 m6 X Y m5 m4 0.9232 -41.7075 0.9131 -30.5071 0.8980 -24.7801 0.8727 -23.2779 0.8374 -22.4991 0.9131
-19.5135 m2
-25.00
-30.00
-35.00
-40.00
m1
-45.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
Figure 2.15 : Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de W1
Ansoft LLC
140.00
Curve Info
XY Plot 1
HFSSDesign1
Ansoft LLC
220.00
Page 13
XY Plot 2
HFSSDesign1
Curve Info im(Z(port,port)) Setup1 : Sweep1 w 1='-8mm'
120.00
re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-8mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-7.5mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w
1='-7mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-6.5mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 w 1='-6mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw
eep1 w 1='-5.5mm'
200.00
im(Z(port,port)) Setup1 : Sweep1 w 1='-7.5mm' Name X Y im(Z(port,port)) Setup1 : Sweep1 w 1='-7mm' im(Z(port,port)) Setup1 :
Sweep1 w 1='-6.5mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sweep1 w 1='-6mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sweep1 w 1='-5.5mm'
Name
X
Y
180.00
100.00
m1
0.9232 25.0321
m1
0.9232 145.4125
160.00 i m ( Z ( p o r t,p o r t) )
m1
re ( Z ( p o r t,p o r t))
80.00
140.00
60.00
120.00
40.00
100.00
m1
20.00
80.00
0.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
60.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
Figure 2.16 : 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 varie 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
l'impédance capacitive de la puce. La longueur L1 peut être modifiée aussi pour obtenir une résistance et la réactance optimale. Le
coefficient de réflexion de l'antenne de Tag est significativement affecté par la variation de L1 comme il est montré dans la Figure 2.15.
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 peut être contrôlé par simple ajustement est représentée sur la
Figure 2.16.
69
Ansoft LLC
Page 14
-5.00
XY Plot 1
HFSSDesign1
-10.00
Curve Info dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='20mm'
-15.00
Name m1 m2 m3 m4 m5 m6 X Y 0.9384 -49.5482 0.9232 -39.7034 0.9485 -38.8358 0.9131 -36.5527 0.9030 -32.9617 0.8879 -30.5322
m6 m5
dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='21mm' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='22mm' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1
L1='23mm' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='24mm' dB(S(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='25mm' m4 m2 m3
-20.00 d B(S (p o rt,p o rt))
-25.00
-30.00
-35.00
-40.00
-45.00
-50.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90
m1
1.00
1.10
Figure 2.15 : Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1
Ansoft LLC
160.00
m2
XY Plot 2
HFSSDesign1
Curve Info im(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='21mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='22mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sw
eep1 L1='23mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='24mm' im(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='25mm'
140.00
Name m1 X Y
0.9384 26.0494 0.9384 148.7315
120.00
m2
100.00
Y1
80.00
re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='20mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 L1='21mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1
L1='22mm' re(Z(port,port)) Setup1 : Sw eep1 m1
60.00
40.00
20.00
Page 15
20.00
0.00 0.60 0.70 0.80 Freq [GHz] 0.90 1.00 1.10
Figure 2.16 : Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1 On peut voir que la bonne impédance peut être obtenue
(25,03 + j145.4 à 938.4 MHz) avec L1 = 23 mm, et W1 = 6 mm. En raison de la diversité technologique de fabrication de la puce, il y a
une divergence entre l'impédance de constructeur et l'impédance mesuré. De même l’impédance de la puce varie d’une méthode de
mesure à l’autre. Donc quelques l’impédance mesuré, l’adaptation sera obtenue en changeant simplement deux paramètres de
l’antenne L1 et W1. L'antenne présente de bonnes caractéristiques comme un faible coût, de petite taille, et une grande flexibilité. Les
résultats présentés permettent de mieux comprendre des règles de conception utiles pour la conception d’un Tag bien adapté en UHF.
70
2.1 Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain La communication en champ proche nécessite une distribution de
champ magnétique fort et uniforme pour les applications RFID-UHF. La clé de la conception d’antenne est de garder le courant le long
de l’antenne dans la même grandeur et en phase. Comme nous l’avons vu, l’adaptation est obtenue par la configuration T-mach oubien
par couplage inductif [2.47]. Alors nous étudions les performances d’antennes en champ proche avec ces deux types d’adaptation.
2.1.1 Antenne Patch avec deux types d’adaptation Dans ce travail [2.48], nous nous concentrons sur l'amélioration des performances
de l'antenne de Tag RFID-UHF en champ proche. Pour avoir un bon champ magnétique de l’antenne du Tag RFID en champ proche, il
est nécessaire d'utiliser la configuration T-match avec un élément rayonnant de surface conductrice généralement rectangulaire oubien
circulaire. Les ondes électromagnétiques peuvent être dispersées par l'antenne avec couplage inductif, car cette méthode de
l'adaptation/alimentation génère une discontinuité de champ magnétique et électrique entre la boucle d’adaptation et l’élément
rayonnant. Nous avons proposé une structure d’antenne Tag RFID avec un plan de masse basée sur un couplage et adaptation en T,
montrée à la Figure 2.17.
a
b
Puce e c d
Figure 2.17 : Structure d’antenne Tag avec configuration T-match Dans notre étude, nous avons choisi le substrat de type polyéthylène
d’épaisseur H=1.57 mm dont les caractéristiques sont r = 2.25 et tan = 0.01 . L’adaptation de l'antenne a été réalisée avec une puce
ayant une impédance Z c = (12 j155) . Les dimensions
optimisées pour de l’antenne Patch rectangulaire sont : a=112mm, b=120mm, c=83mm, d=27mm, e=9mm. La fréquence de résonance
de l’antenne Tag RFID-UHF est de 900 MHz.
71
La Figure 2.18, ci-dessous, présentent le coefficient de réflexion et l’impédance d’entrée de l’antenne. L’adaptation de l’antenne est
très bonne avec S11=-25.3 dB à 900 MHz et
Z a = (28.2 j160.2) , ainsi l’antenne présente une bande passante étroite de 32 MHz.
Ansoft Corporation
15.00
XY Plot 1
Curve Info Name m1 X 0.9000 Y -25.3933
HFSSDesign1
Ansoft Corporation
5000.00
Name m1 X 0.9000 0.9000 Y 28.2414 160.2959
XY Plot 2
Curve Info
HFSSDesign1
10.00
dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
4000.00
m2
im(Z(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 re(Z(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
5.00
Page 16
5.00
3000.00
0.00
d B ( S ( L u m p P o r t1 ,L u m p P o r t1 ) )
BP=32 MHz
2000.00
-5.00
Y1
-10.00
1000.00
0.00
-15.00
m2 m1
-1000.00
-20.00
-25.00
m1
-2000.00
-30.00 0.70 0.75 0.80 0.85 Freq [GHz] 0.90 0.95 1.00
-3000.00 0.70 0.75 0.80 0.85 Freq [GHz] 0.90 0.95 1.00
Figure 2.17 : Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne
La Figure 2.18 montre la différence de distribution de champ magnétique proche de l’antenne du Tag alimentée par couplage inductif et
celle de la configuration T-match. Nous constatons que le maximum de champ magnétique de l’antenne à couplage inductif (a) est de
l’ordre de 8A/m et localisé juste autour de la boucle rectangulaire d’alimentation. Le champ magnétique de l’antenne en configuration
T-match (b) est élevé (de l’ordre de 20A/m) par rapport à l’antenne à couplage inductif, et réparti sur toute l’antenne.
(a) Champ magnétique de l’antenne utilisant une alimentation à couplage inductif
72
(b) Champ magnétique de l’antenne en configuration T-match
Figure 2.18 : Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF
Nous avons proposé une autre structure d’antenne bi-bande pour un Tag RFID-UHF [2.49] avec un plan de masse basée sur une
adaptation en T, montrée à la Figure 2.19. Nous avons choisi le substrat de type FR4 d’épaisseur H=0,8 mm dont les caractéristiques
sont r = 4,4 et
tan = 0.02 . Les dimensions optimisées pour de l’antenne Patch rectangulaire sont :
Wsub=94mm, Lsub=76.7mm, W=84mm, L=25mm, L1=37mm, L2=10.3, L3=7.5mm, L4=7mm,
L5=3mm, W1=39mm, W2=43mm, W3=19.5mm.
Figure 2.17 : 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 Z c = (22 j193) . Cette
adaptation est confirmée par les résultats
73
de simulation du coefficient de réflexion et de l’impédance d’entré de l’antenne qui sont montrés à la Figure 2.18.
Ansoft Corporation
-5.00
Page 17
Name m1 X 0.8687 0.9318 Y -29.2943 -35.8041 Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 Name X 0.8687 0.8687
0.9318 0.9318 Y 27.5230 181.2872 15.7177 193.3640 Curve Info im(Z(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
re(Z(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 m1 m2 m3
XY Plot 3
HFSSDesign1
Ansoft Corporation
400.00
XY Plot 2
HFSSDesign1
-10.00
m2
350.00
300.00 -15.00 d B (S (L u m p Po rt1 ,L u m p P o rt1 ))
m4
250.00 -20.00 Y1 200.00
m2 m4
-25.00 150.00
m1
-30.00 100.00
-35.00
m2
50.00
m1 m3
-40.00 0.75 0.80 0.85 Freq [GHz] 0.90 0.95 1.00
0.00 0.75 0.80 0.85 Freq [GHz] 0.90 0.95 1.00
Figure 2.18 : Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne bi-bande Nous remarquons alors que notre antenne
présentent une double résonance la première avec S11=-29,2 dB à 868,7 MHz et Z a = ( 27,5 j181,2) aussi la seconde avec
S11=-35,8 dB à 931,8 MHz et Z a = (15.7 j193,3) . Le gain de cette antenne est représenté sur la Figure 2.19. On observe que le gain
pour l’antenne est très faible de -6.9 dB, ce qui est dû au plan de masse.
Figure 2.19 : Gain de l’antenne bi-bande du Tag Similaire au prototype d’antenne précédant, le champ magnétique de l’antenne en
configuration T-match présente un champ magnétique fort et uniforme par rapport à l’antenne à couplage inductif.
74
(a) Champ magnétique à couplage inductif
(b) Champ magnétique de l’antenne en T-match
Figure 2.20 : Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF
2.1.2 Analyse électromagnétique d’une antenne Tag RFID-UHF en champ proche Nous nous sommes intéressés à l’analyse
électromagnétique d’une antenne méandre miniature pour Tag RFID-UHF en champ proche. Ces travaux ont été présentés dans
[2.50]. Les antennes méandre sont très populaires dans les applications RFID-UHF puisque ces types d’antennes sont très efficaces
dans la miniaturisation d’antennes. Une nouvelle antenne miniature est présentée avec une taille de 38 × 18 × 0,05 mm3. L'antenne est
simulée à l'aide d’un substrat flexible de type polyester (PET). Les dimensions détaillées du prototype d'antenne sont: L1 = 13.9mm, L2
= 6.95mm, W1 = 1mm, W2=1.08mm et W3 = 2mm. La géométrie de l’antenne méandre miniaturisée est représentée sur la Figure
2.21.
Figure 2.21 : Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté 75
L'antenne a été conçue en utilisant une puce NXP UCODE d’impédance Z c = ( 22 j193) . L'impédance de l'antenne doit être le
complexe conjugué de l’impédance qui correspondant à
Page 18
Z c = (22 + j193) afin de transmettre la puissance maximale entre l'antenne et la puce. Les
pertes d’insertions ainsi que l’impédance d’entrée l’antenne sont représentées sur la Figure 2.22. On peut voir sur cette figure que
S11=–23 dB à la fréquence de 900 MHz est obtenue après optimisation avec l’impédance de l’antenne Z a = ( 21,04 j182,8) .
Ansoft Corporation
-5.00
Name m1 X 0.9000 Y -31.4280 Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
XY Plot 1
HFSSDesign1
Ansoft Corporation
250.00
Name m1 m2 X 0.9000 0.9000 Y 21.0407 182.8947
XY Plot 3
HFSSDesign1
Curve Info im(Z(LumpPort1,Lu Setup1 : Sw eep1 re(Z(LumpPort1,Lum Setup1 : Sw eep1
-10.00 200.00
m2
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
-15.00 150.00
-20.00
Y1 100.00 50.00
m1 m1
-25.00
-30.00
-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 2.22 : Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre
Notre antenne méandre est conçue pour être adaptée à l’impédance de la puce afin de minimiser le rapport d'onde stationnaire (ROS)
ou Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). La Figure 2.23 représente le rapport d'onde stationnaire avec ROS est égale à 0,46 dB.
Ansoft Corporation
8.00
XY Plot 4
HFSSDesign1
Page 19
HFSSDesign1
7.00
Name m1
X 0.9000
Y 0.4662
Curve Inf o dB(VSWR(LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
6.00
d (V W (Lu p ort1)) B S R mP
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
m1
0.00 0.50
0.75
1.00 Freq [GHz]
1.25
1.50
Figure 2.23 : ROS de l’antenne méandre
76
Afin d'analyser le champ électromagnétique de l’antenne Tag RFID-UHF, la répartition du champ électrique est simulée dans le plan
horizontal. La Figure 2.24 illustre la distribution du champ électrique de l'antenne méandre. Le champ électrique est plus fort à
proximité de la source (puce) et diminuent rapidement en s’éloignant de la puce.
Figure 2.24 : Distribution du champ électrique de l’antenne méandre
La Figure 2.25 montre la répartition de champ magnétique simulée de l'antenne méandre en champ proche.
Figure 2.24 : Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre 77
On constate que le champ magnétique au niveau de la boucle rectangulaire d’adaptation n'est pas de 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.
Ainsi, la force du champ magnétique diminue avec la diminution du courant. La diminution du champ magnétique produit une
distribution de champ qui n'est pas uniforme, ce qui est un obstacle pour les applications RFID en champ proche.
2.1.3 Antenne large bande pour la communication RFID-UHF en champ proche et lointain
Dans ce travail, nous présentons la conception d’une nouvelle antenne Tag RFID UHF passive pour les communications en champ
proche et lointain. Cette antenne est légèrement modifiable par rapport à l’antenne du paragraphe 2.1 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 et celle de son impédance mesurée. 2.1.3.1 Conception de l’antenne proposée A.
Utilisation de la puce 1 : Impédance donnée dans la fiche technique La structure que nous proposons pour l’antenne Tag est montrée à
la Figure 2.25. L'antenne est composée d'une boucle rectangulaire d’adaptation, alimentant un dipôle méandre progressif.
Figure 2.25 Antenne méandre proposée Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.3.
L'antenne est simulée sur un substrat Rogers® Duroid RT/5880 d’épaisseur H = 0.787 mm, de constante diélectrique relative r = 2.2 et
de tangente de pertes tan = 0.009 , avec une taille globale de 77×14 mm2. Variable
(mm)
L1 24.6
L2 21
L3 16
Page 20
L3 16
L4 73
L5 1
L6 2
L7 2.5
L8 2.5
L9 3
L10 3.5
78
L11 2
Variable
(mm)
W1
9.5
W2
7.5
W3
6
W4
6.5
W5
7
W6
7.5
W7
1
W8
0.5
W9
0.5
Tableau 2.3 Paramètre de l’antenne méandre proposée La puce utilisée dans cette conception est de type Alien Higgs-3 RFID IC
[2.51]. 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 la structure de l'antenne, à une fréquence de résonance de 868 MHz, en utilisant ces valeurs fixes
d’impédance, c'est à dire
Z cdatasheet = (30 .4 j 208 ) . Ceci nous permet de voir que l’impédance de l’antenne doit
être Z a = (30.4 + j 208) 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 2.26, où nous notons un S11 de 14,2 dB à 867,7 MHz.
L 1 = '2 4 .6 m m ' L 3 = '1 6 m m ' -6 -8
S (dB)
-1 0 -1 2 -1 4 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0 1 ,1
11
Page 21
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2.26 Coefficient de réflexion de l'antenne méandre 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
[2.52] de la puce est alors de Z c
Mesuré
= (26 j163) . 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 Tag pour un meilleur transfert de puissance. Pour cela, nous avons maintenu constante L1=24.6 mm et nous avons fait
varier L3. Nos résultats des simulations, représentés à la Figure 2.27, montrent que le meilleur coefficient de réflexion obtenu est de
38,3 dB à la fréquence de 852,5 MHz et pour L3=19mm.
79
-5 -1 0 -1 5
S11 (dB)
-2 0 -2 5 -3 0 -3 5 -4 0 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 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 ' 1 ,0 1 ,1
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2.27 Coefficient de réflexion de Tag avec variation de L3 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
des simulations, représentés à la Figure 2.28, 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 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
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'
S11 (dB)
1,1
Fréquence (GHz)
Figure 2.28 : 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 dues à la proximité d’objets métalliques, liquides ou corps humains, qui
peuvent modifier le comportement fréquentiel de notre système RFID et altérer son
80
fonctionnement, il est toujours préférable d’avoir une antenne Tag couvrant toute la bande ment, UHF RFID, c'est-à-dire de 860 à 960
MHz, afin d’assurer tout au moins un fonctionnement dire partiel. C’est pourquoi, nous avons fait en sorte pour que la conception de
notre anten vise antenne 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 dire 17,8%, entre 730 c'est-à-dire et 885MHz. L’antenne méandre présente un
gain de 1,5 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de l’antenne est représenté à la Figure 2.29.
Figure 2.29 : Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre 2.1.3.2 Distribution et analyse du champ magnétique du Tag La
distribution de courant de notr antenne est représentée à la Figure 2.30. notre .
Figure 2.30 Distribution de courant de l’antenne à 867 MHz (z = 0 mm) L’intérêt des systèmes RFID en UHF est qu’ils peuvent aussi
être utilisés dans des applications de communications en champ proche. Les antennes Tag util utilisés pour des
81
communications en champ lointain (FFC) ne peuvent pas forcément bien fonctionnés en champ proche (NFC). Néanmoins, ceci peut
être obtenu en concevant des structures d’antennes Tag permettant de générer et de rayonner un champ magnétique important
suffisant. Dans un premier cas (§ 2.1.2), nous avons utilisé une structure d’antenne concentrant la majorité du champ magnétique au
niveau de la boucle d’alimentation et diminue progressivement en s’éloignant du centre. La structure d’antenne que nous proposons
dans ce travail (figure 8) permet d’avoir un champ magnétique bien intense le long des parties méandre. A partir de nos simulations de
la distribution de champ, nous notons que l’intensité du champ est de l’ordre de 0.086 A/m au centre de l’antenne, et attient les 150
A/m. Ceci à beaucoup d’intérêt aussi bien en réception qu’en émission des informations échangées entre notre antenne Tag et le
lecteur. 2.1.3.3 Mesures de l’antenne Mesures d'antenne en chambre anéchoïque Nous avons schématisé le banc de mesures
expérimentales en chambre anéchoïque à la Figure 2.31. Nous avons caractérisé le Tag en champ proche et champ lointain. Il s’agit
d’un système mono-statique utilisant la même antenne de lecture pour émettre et recevoir à la fois les informations en provenance du
Tag. La liaison « lecteur-Tag-lecteur » que nous proposons doit respecter une distance maximal Dmax au delà de la quelle l’activation
n’est plus possible. En d’autre terme le Tag est ainsi activé jusqu’à Dmax. Nous avons placé le Tag à différentes distances de l'antenne
du lecteur, en la déplaçant dans des régions proches et lointaines. Nous avons utilisé le générateur de signaux vectoriels Agilent
Page 22
du lecteur, en la déplaçant dans des régions proches et lointaines. Nous avons utilisé le générateur de signaux vectoriels Agilent
E4438C ESG (50 kHz-6 GHz) en tant qu’émetteur et récepteur. Le lecteur envoie un signal pour activer le Tag et décode les données
reçues de la puce. Ceci nous a permis de déterminer la puissance de sortie du lecteur minimale requise pour activer le Tag en fonction
de la fréquence. La réponse du Tag est reçue sur un oscilloscope HP Agilent 54855A Infiniium.
82
Figure 2.31 Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono mono-statique Le prototype de notre antenne que nous
avons réalisé est montré la Figure 2.32, il est adapté à l'impédance de la puce mesurée Z c
Mesuré
= (26 j163) .
Figure 2.32 Tag RFID-UHF réalisé Les antennes ont été fabriqués par procédé LDS LDS-LPKF (Laser Direct Structuring) en utilisant la
machine à graver LPKF (protomat S100) (Figure 2.33) [2.53].
Figure 2.33 Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100 S100) Pour nos mesures, nous utilisons un système de lecture composé
d’une antenne cornet standard polarisée linéairement, et ayant un gain de 6 dB dans la bande 800 800-1000 MHz. Nous utilisons un
circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réception. Nous
83
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 2.34.
Figure 2.34 Équipements du banc de mesures La photographie du notre banc de mesures expérimentales pour mesurer de la portée
de notre antenne Tag en chambre anéchoïque est représenté à la Figure 2.35.
Figure 2.35 Mesure de la portée du Tag en chambre anéchoïque Les requêtes reçues par notre Tag à 867 MHz sont montrées la
Figure 2.36.
Figure 2.36 Partie de la réponse de Tag reçu à 867 MHz
84
Les Tags standard en champ proche, comme celui commercialisés par la société Impinj [2.22], fonctionnent pour des lectures à courtes
distance (3,7 cm). En outre, pour la communication en champ proche, de nombreuses applications ont besoin d’une distance de lecture
plus loin. Notre antenne est conçue pour bien fonctionner dans le champ lointain, aussi l’antenne présente de bonnes performances
par couplage inductif en champ proche. Nous avons mesuré la puissance minimale envoyée par le lecteur et nécessaire pour activer
notre Tag. La Figure 2.37 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 c’est un seuil minimal de
puissance à partir du quel notre Tag à renvoyé des requêtes en réponse visible.
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 Puissance minimum d'activation (dBm)
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2.37 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 2.37, confirment nos résultats obtenus et montrés à la Figure 2.28. En effet la bande
passante pour laquelle notre Tag à 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 2.37, 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.
85
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, 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 10.0dB. On
décalant l’extremum de la courbe de la puissance minimale reçue par le Tag à 0 dB (Figure 2.38). Nous avons relevés 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 (§ 2.1.3.1B). 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.
Puissance minimum d'activation (dBm)
M e s u re en c h am p lo in ta in (d = 6 0 c m ))
14 12
Page 23
14 12
120 M Hz
10 8 6 4 2 0 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980
38 M Hz
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2.38 Puissance minimale reçue avec changement de repère Pour un fonctionnement en champ lointain, le gain, la sensibilité de
Tag, l'orientation des antennes du Tag et du lecteur déterminent la distance nécessaire à la lecture. La Figure 2.39 montre la puissance
minimale, reçue par le Tag et émise par le lecteur, en fonction de l’angle
86
à 868 MHz mesurée à d = 60 cm et = 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 = 70° .
M esure de la puissance m inimale(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
90 120 150 60 30
180
0
210 240 270 300
330
Puissance m inim um d'activation (f=868 M Hz)
Figure 2.39 Puissance minimales mesurée en fonction de à 868 MHz Mesures d'antenne en espace libre Pour vérifier les
performances du Tag RFID en champ proche et en champ lointain, le dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID [2.54] a été utilisé
avec l’antenne cornet dans l’espace libre pour détecter notre prototype d’antenne Tag. Ce module de lecteur RFID prend en charge la
capacité de transmettre jusqu'à 31,5 dBm pour la bande UHF RFID de l'Europe (de 865,6 à 867,6 MHz). La portée de lecture de
l'antenne de Tag a été mesurée dans un milieu ouvert. La configuration de test pour tester le Tag est illustrée à la Figure 2.40.
Figure 2.40 : Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert
87
Figure 2.41 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag RFID-UHF en fonction de la distance dans le système
RFID.
Puissance minimum d'activation (dBm)
30
25
20
15
10
5
0 0 2 4 6 8 10 12 14
D is ta n c e (m )
Figure 2.41 Puissance minimum en fonction de la distance dans un système RFID Pour une puissance d'émission de 25.5 dBm avec
une polarisation linéaire, la distance de lecture maximale mesurée de l'antenne de Tag atteint 12.5 m pour la bande UHF RFID
européenne avec une sensibilité mesurée du récepteur de -60 dBm. La portée choisie en champ proche est 40 cm avec un niveau de
puissance de transmission de 4 dBm et la mesure de la puissance en réception du signal reçu (RSS : Received Signal Strength) du
Tag est -41 dBm. Alors les mesures que nous avons effectués en champ proche et en champ lointain dans la chambre anéchoïque
oubien en espace libre montrent que notre le Tag RFID-UHF qui nous avons conçu fonctionne aussi bien en champ proche qu’en
champ lointain avec un minimum de puissance. 2.1.4 Antenne de Tag UHF pour des applications RFID 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 de Tag est petit, le champ magnétique généré par l'antenne du lecteur est à peine perturbé par le Tag, et le
coefficient de couplage est proportionnel à [2.18]:
Page 24
2 2 C f 2 NTag STag B 2
Eq.2-50
88
Où f est la fréquence, N Tag est le nombre de spires de l’antenne bobine du Tag, S Tag est l’air de la section transversale
(cross-section area), B est la densité de champ magnétique à l’emplacement de Tag crée par l’antenne du lecteur et est la perte de
défaut d’alignement d’antenne (misalignment loss). La formule (Eq.2-50) indique que le couplage avec une 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 de nombre de spires de l'antenne bobine de Tag. La conception de l'antenne du Tag RFID a
une grande influence sur la conservation ou l'amélioration 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 de Tag avec un fort champ magnétique permet
d'améliorer le couplage magnétique et la fiabilité des communications en champ proche et souhaité par conséquent dans les systèmes
RFID-UHF en champ proche. Dans notre étude [2.55], nous nous concentrons sur un nouveau prototype d’antenne pour Tag
RFID-UHF en champ proche et lointain. 2.1.4.1 Conception de l’antenne proposée La structure que nous proposons pour l’antenne Tag
est montrée à la Figure 2.42. Le substrat utilisé ici est du Rogers® Duroid RT/5880 d’épaisseur H = 0,787 mm avec
r = 2,2 et
tan = 0,009 , avec une taille globale de 68×19.7 mm2.
Figure 2.42 Antenne méandre de Tag RFID-UHF Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.4.
Variable
(mm)
L1 L2 L3 L4 W1 W2 Lsub Wsub 20,7 17,6 6,3 4,9 7,6 15,7 68 19,7 Tableau 2.4 Paramètre de l’antenne de Tag RFID-UHF
89
La puce utilisée dans cette conception est de 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 cette antenne avec l’impédance mesurée de la puce Z cMesurée = (26 j163)
. Nous avons pu obtenir ainsi un coefficient de réflexion de 31,9 dB à la fréquence de 880 MHz (Figure 2.43) avec une impédance
d’entrée de l’antenne Z a = ( 26,4 j171,4) .
-12 -14
180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,70 0,75 0,80
Partie imaginaire de l'impédance(ohms) Partie réelle de l'impédance(ohms)
-18
S11 (dB)
-20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 -34 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
Impédance (ohms)
-16
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (GHz)
Fréquence (GHz)
Figure 2.43 Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée L’antenne de Tag proposé présente un gain de 1,55
dB. Le diagramme de rayonnement 3D de l’antenne est représenté à la Figure 2.44.
.
Figure 2.44 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne
Le prototype de notre antenne de Tag RFID que nous avons réalisé est montré la Figure 2.45.
90
Figure 2.45 Antenne de Tag RFID-UHF réalisé Les simulations de la distribution du champ magnétique et de courant de l'antenne à
880 MHz sont présentés dans les Figures 2.46a et b, respectivement. Il est clair que le courant est intense sur la ligne en méandres de
Page 25
880 MHz sont présentés dans les Figures 2.46a et b, respectivement. Il est clair que le courant est intense sur la ligne en méandres de
l'antenne de Tag proposée.
(a)
(b)
Figure 2.46 Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne proposée
Pour vérifier le fonctionnement en champ proche et lointain de l’antenne proposée, l'étude expérimentale est similaire à celle présentée
précédemment (§ 2.1.3). Nous avons mesuré la puissance minimale envoyée par le lecteur afin d’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. En effet la bande
passante pour laquelle notre Tag à 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).
91
Puissance minimum d'activation (dBm)
Mesure en champ lointain (d=65 cm) Mesure en champ proche (d=18 cm)
6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Figure 2.47 Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et lointain La Figure 2.48 montre la puissance minimale nécessaire
pour activer le Tag en fonction de l’angle
à 880 MHz mesurée à d = 65 cm et = 0° . En champ lointain de 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 = 60° .
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
150
30
180
0
210
330
240 270
300
Puissance minimum d'activation (f=880 MHz)
Figure 2.48 Puissance minimales mesurée en fonction de à 880 MHz Les performances du Tag RFID en champ proche et en champ
lointain ont été mesurées en espace libre à l’aide de dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID.
92
Figure 2.49 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag en fonction de la distance dans le système RFID-UHF.
Puissance minimum d'activation (dBm)
30
25
20
15
10
5
Page 26
5
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Distance (m )
Figure 2.49 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 une sensibilité
mesurée du récepteur de -65 dBm. La portée mesurée en champ proche est d'environ 46 cm avec le niveau de puissance d'émission
de 5 dBm et la mesure de la puissance en réception du signal reçu est -49 dBm. Alors notre prototype d'antenne de Tag est trouvé très
prometteur pour les applications RFID en champ proche et lointain. 2.1.5 Antennes magnétiques pour les systèmes RFID UHF en
champ proche 2.1.5.1 Antenne méandre avec configuration T-match Cette antenne méandre avec adaptation en T que nous
présentons ici a été adaptée à l’impédance mesurée de la puce Alien Higgs-3 RFID IC. Le substrat qui a été choisi dans la conception
de cette antenne est de type FR4 d’épaisseur H=0,8 mm dont les caractéristiques sont r = 4,4 et tan = 0.02 . La géométrie de cette
antenne est représentée sur la Figure 2.50. Les paramètres de notre antenne sont présentés en mm dans le tableau 2.5. Variable L1
(mm) 11,5 L2 5 L3 6 L4 20 L5 2 L6 29 W1 2 W2 3 W3 7 Lsub 77 Wsub 17
Tableau 2.5 Paramètre de l’antenne méandre de Tag RFID-UHF
93
Figure 2.50 Géométrie de l’antenne méandre proposée La réalisation de cette antenne méandre est représentée sur la Figure 2.51.
Figure 2.51 Réalisation de l’antenne méandre proposée Le coefficient de réflexion ainsi que l’impédance d’entrée l’antenne sont
représentées sur la Figure 2.52. On peut voir sur cette figure que S11=–42,5 dB à la fréquence de 910 MHz est obtenue après
optimisation avec l’impédance de l’antenne Z a = ( 27,04 j161,6) .
XY Plot 1
-10.00
Curve Info
HFSSDesign1
ANSOFT
XY Plot 2
250.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
-15.00
dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep Name X Y
200.00
-20.00
Name X Y
m1 m2
0.9100 27.0468 0.9100 161.6603 m2
d B ( S ( 1 ,1 ) )
-25.00
m1
0.9100 -42.5687
150.00
-30.00
-35.00
Y1 100.00 50.00
Page 27
Y1 100.00 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 1.20
Figure 2.52 : Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre
94
L’antenne méandre proposée présente un gain de 1,78 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de l’antenne est représenté à la Figure
2.53.
.
Figure 2.53 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre
Les simulations de la distribution du champ magnétique et de courant de l'antenne à 910 MHz sont présentés dans les Figures 2.54a et
b, respectivement. Le champ magnétique est intense et uniforme sur la partie méandre de l'antenne de Tag proposée.
(a)
(b)
Figure 2.54 Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne méandre à 910 MHz 2.1.5.2 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 même que l’antenne avec T-match. L’antenne réalisée est
illustrée sur la Figure 2.55.
95
Figure 2.55 Réalisation de l’antenne méandre à couplage inductif Les résultats de simulation de cette antenne sont présentés sur la
Figure 2.56. L’adaptation de l’antenne est très bonne avec S11=–55,2 dB à la fréquence de 910 MHz est obtenue après optimisation
avec l’impédance de l’antenne Z a = ( 25,1 j162,4) .
XY Plot 1
-10.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
XY Plot 2
250.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
Name X Y
im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep
-20.00
200.00
m1 m2
0.9100 25.1173 0.9100 162.4455 m2
-30.00 d B ( S ( 1 ,1 ) )
Name m1
Page 28
Name m1
X
Y
0.9100 -55.2833
150.00
-40.00
Y1 100.00 50.00
m1
m1
-50.00
-60.00 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 1.20
Figure 2.56 : 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 2.57 avec un maximum de gain de 1,79 dB.
Radiation Pattern 1
Name m1 Phi Ang Mag
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
0
m1
360.0000 -0.0000 1.7994
-30 0.00
30
max(dB(GainTotal)) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
-5.00 -60 -10.00 60
-15.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
(a)
Figure 2.57 : Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
(b)
96
Les simulations de la distribution du champ magnétique et de courant de l'antenne à 910 MHz sont présentés dans les Figures 2.58a et
b, respectivement.
(a)
Page 29
(b)
Figure 2.58 Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à couplage inductif à 910 MHz Le champ magnétique
est réparti sur presque toute la partie méandre de l'antenne à couplage inductif. Ce champ est légèrement moins intense par rapport au
champ magnétique 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 et 32,7 A/m pour l’antenne avec couplage inductif. 2.1.5.3 Mesures des antennes Afin de comparer les
performances en champ proche et lointain de deux antennes avec configuration T-match et à couplage inductif, nous présentons, dans
le figure ci-dessous (Figure 2.59), une comparaison de la puissance minimale nécessaire pour activer les deux Tags aussi bien en
champ proche (18 cm) qu’en champ lointain (65 cm).
Puissance minimum d'activation (dBm)
A nte n ne A nte n ne A nte n ne A nte n ne
6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -1 0 -1 2 850 860 870 880 890 900
à co up la ge ind uc tif en c ha m p p ro ch e (d= 1 8 cm ) av ec T -m a tc h en c ha m p lointa in (d = 65 c m ) à co up la ge ind uc tif en
c ha m p p ro ch e (d= 1 8 cm ) av ec T -m a tc h en c ha m p lointa in (d = 65 c m )
910
920
930
940
950
960
970
F ré q u e n c e (M H z)
Figure 2.59 Puissance minimale reçue par les deux Tags en champ proche et lointain
97
Nous avons rassemblé les quatre courbes de champ proche (18 cm) et champ lointain (65 cm) sur la même figure pour mieux
comparer les deux antennes. La Figure 2.60 présente la méthode de mesure, dans la chambre anéchoïque, de puissance d’activation
d'antenne avec configuration T-match en champ proche.
Figure 2.60 Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque Les résultats de mesure de puissance reçue,
montrés à la Figure 2.59, confirment nos résultats de simulations des champs magnétiques montrés à la Figure 2.58. La puissance
minimale nécessaire pour activer le Tag à couplage inductif est légèrement élevé en champ lointain par rapport au puissance minimale
nécessaire pour réveiller l’antenne avec configuration T-match, par exemple à 910 MHz, la puissance est de l’ordre de 3,1 dBm pour
l’antenne avec configuration T-match mais le Tag avec couplage inductif a besoin de 3,8 dBm pour son activation. En champ proche,
l’antenne à couplage inductif est plus performante car elle 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 présenté
dans (§ 2.1). La Figure 2.61 montre la puissance minimale nécessaire pour réveiller les deux Tags en fonction de l’angle
à 890 MHz mesurée à d = 65 cm et = 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 = 140 ° .
98
Puissance minimale d'activation de l'antenne à couplage inductif (d=65cm) Puissance minimale d'activation de l'antenne en T-match
(d=65cm)
90 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 240 270 300 210 330 180 0 150 30 120 60
Puissance minimum d'activation (f=890 MHz)
Figure 2.61 Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de à 890 MHz Les performances du Tag avec configuration
T-match en champ proche et en champ lointain ont été mesurées en espace libre. Figure 2.62 montre la puissance minimum
nécessaire pour activer notre Tag et la puissance en réception du signal reçu (RSS : Received Signal Strength) en fonction de la
distance dans le système RFID-UHF.
Puissance m inim ale perm ettant l'activation du Tag(dBm ) Sensibilité m esurée du récepteur (dBm )
Puissance minimum d'activation (dBm)
Page 30
Puissance minimum d'activation (dBm)
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
-40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80
Distance (m)
Figure 2.62 Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS : Received Signal Strength) en fonction de
la distance
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
-35
99
Pour une puissance d'émission de 18.5 dBm, la portée mesurée de notre Tag atteint 17 m pour la bande RFID-UHF européenne avec
une sensibilité mesurée du récepteur de -64 dBm. En champ proche notre Tag fonctionne bien avec des puissances inférieures à 5
dBm. 2.2 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. 2.2.1 Antenne circulaire pour lecteur
RFID-UHF En première étape, nous avons fait le choix d'étudier une antenne pour lecteur RFID-UHF, en commençant par la forme la
plus simple qui est le patch circulaire. Il est formé d'un substrat FR4 d’épaisseur H=1,6mm sur lequel est déposé un plan de masse
d'un côté et une forme conductrice (cuivre) de l'autre. La géométrie de cette antenne est représentée sur la Figure 2.63. Les
paramètres de notre antenne sont : R = 46 mm, L = 31 mm, W = 4 mm, G = 2 mm.
(a)
(b)
Figure 2.63 Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) La Figure 2.64 montre un bon accord entre le coefficient
mesuré et simulé de l'antenne patch circulaire. Pour une antenne patch pour lecteur RFID optimisée et adaptée, nous obtenons un
coefficient de réflexion mesuré de -30 dB à 920 MHz. Avec une bande passante de 16,1 MHz (911,9 à 928 MHz), qui couvre la bande
RFID de l’Amérique du Nord (902-928 MHz).
100
0 -5 -10
S11 (dB)
-15 -20 -25 -30 -35 800 850 900 950
Simulation (HFSS) Mesure
1000
Fréquence (MHz)
Figure 2.64 Coefficient de réflexion de l’antenne Patch
En faisant varier le rayon R, l'antenne proposée peut fournir une fréquence ajustable de 840 MHz à 960 MHz. La figure 2.65 représente
le coefficient de réflexion simulé de l'antenne avec variation de rayon R.
0 -5 -10
S11 (dB)
-15 -20 -25 -30 -35 -40 0,80 0,85 0,90 0,95
R=44 mm R=45 mm R=46 mm R=47 mm R=48 mm R=49 mm
1,00
Fréquence (MHz)
Figure 2.65 Coefficient de réflexion de l’antenne Patch avec variation de R
A partir de ces résultats, on peut voir que le coefficient de réflexion peut être affecté par la variation de rayon R. En faisant varier le
paramètre de la structure, l'antenne peut fonctionner sur plusieurs bandes RFID-UHF (Europe, Amérique du Nord, Chine, etc). Des
simulations de la surface de distribution de courant de l'antenne à 920 MHz sont présentés dans les Figures 2.66a et b,
respectivement. On observe que le courant dispose d'amplitude plus forte au centre de l'antenne patch. Par la suite, le courant diminue
progressivement dans la direction en s'éloignant du centre de l'antenne. Nous pouvons voir
101
que l'antenne peut fournir une distribution de champ magnétique fort et suffisante au sein de la zone d'intégration et peut être adapté
Page 31
que l'antenne peut fournir une distribution de champ magnétique fort et suffisante au sein de la zone d'intégration et peut être adapté
pour les applications RFID en champ proche.
(a)
(b)
Figure 2.66 Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec =0° (a) et =90° (b) La Figure 2.67 représente les diagrammes de
rayonnement en 2D, mesuré dans la chambre anéchoïque avec le gain 3D simuléde l'antenne Patch.
(a)
(b)
Figure 2.67 Diagramme de rayonnement mesuré en 2 D et gain simulé de l'antenne Patch L’antenne du lecteur à faible gain a été
principalement utilisée, qui est utilisé dans les systèmes RFID-UHF en champ proche. Les maximum gains, mesurés et simulés, de
notre antenne sont -0,1 dB et -0,14 dB, respectivement. Les résultats montrent une bonne concordance entre les résultats simulés et
mesurés.
102
En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les performances en champ proche de cette prototype d’antenne Patch avec le Tag en
configuration T-match, déjà présenté dans (§2.1.5.1). La Figure 2.68 montre la puissance minimale nécessaire pour activer le Tag
aussi en champ proche avec une distance de 9 cm.
Puissance minimum d'activation (dBm)
Mesure en champ proche (d=9 cm)
4
3
2
1
0
-1 910 915 920 925 930 935 940
Fréquence (MHz)
Figure 2.68 Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche Enfin nous remarquons que l’antenne Patch fonctionne entre 910
MHz et 940 Mhz avec une augmentation de la puissance si la fréquence augmente. 2.2.2 Antenne à charge capacitive pour lecteur
RFID-UHF Nous présentons, ci-dessous, une antenne compacte avec deux bras en forme de C fonctionnant dans la bande UHF pour
les applications RFID-UHF en champ proche. L'antenne conçue est composé d’un dipôle replié à charge capacitive d’une façon
circulaire [2.56] avec 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 d'antenne. L’antenne est fabriqué avec le substrat FR4 d’épaisseur
H=1,6mm avec une taille globale de 40 × 36 mm2. La structure que nous proposons pour l’antenne de lecteur RFID est montrée à la
Figure 2.69 ainsi que le prototype réalisé. Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.6.
Variable (mm) L1 40 L2 6,12 W1 36 W2 1 W3 0,46 W4 2 R1 4,8 R2 9 R3 12,5 R4 13,9 R5 15 R6 16
Tableau 2.6 Paramètre de l’antenne à charge capacitive
103
(a)
(b)
Figure 2.69 Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) La Figure 2.70 montre un bon accord entre le coefficient
mesuré et simulé de notre antenne. Nous obtenons un coefficient de réflexion mesuré de -15,6 dB à 870 MHz avec une bande ous
MHz, passante de 10,5 MHz (965 à 975,5 MHz), qui couvre la bande RFID-UHF européenne. UHF
2 0 -2 -4
S11 (dB)
-6 -8 -1 0 -1 2 -1 4 -1 6 -1 8 800 850 900
M e s u re s im u la tio n (H F S S )
950 1000
F ré q u e n c e ( M H z )
Figure 2.70 Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive
Page 32
Figure 2.70 Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive
Une charge capacitive est à l'intérieur de l'antenne replié avec deux bras en C formés dans le centre de l'antenne, ce qui réduit la
fréquence de résonance et augmentant la longueur électrique de la structure. La F Figure 2.71 représente le coefficient de réflexion
simulé de l'antenne avec variation de W3. Alors avec la variation de W3, l'antenne peut fonctionner sur plusieurs bandes RFID-UHF
(l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine, etc).
104
2 0 -2 -4 -6
S11 (dB)
-8 -1 0 -1 2 -1 4 -1 6 -1 8 -2 0 0,8 0 0 ,85 0,9 0 0,9 5 1 ,00
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
F ré q ue n c e (M H z )
Figure 2.71 Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation de W3
Des simulations de la surface de distribution de courant et de champ magnétique de l'antenne distribution à 876 MHz sont présentés
dans les Figures 2.72a et b, respectivement. On observe que le és 2.72a champ magnétique est fort et uniforme sur la totalité de
l’antenne.
(a)
(b)
Figure 2.72 Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne on à 876 MHz En chambre anéchoïque, nous avons
essayé de vérifier les performances en champ proche de , cette prototype d’antenne avec le Tag en configuration T match, déjà
présenté dans T-match, (§2.1.5.1). L’antenne de lecteur RFID UHF présente une distance de lecture maximale de 7 RFID-UHF cm à
870 MHz. En espace libre, nous avons mesuré l’antenne du lecteur avec le Tag configuration T-match en champ proche et en champ
lointain. La configuration de test pour amp tester le Tag est illustrée à la F Figure 2.73.
105
Figure 2.73 : Banc de mesures expérimentales de lecteur dans un milieu ouvert Figure 2.74 montre la puissance minimum nécessaire
pour activer notre Tag en T-match et la puissance en réception du signal reçu en fonction de la distance.
Puissance minimale permettant l'activation du Tag(dBm) Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)
32 -30
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Puissance minimum d'activation (dBm)
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 -80 -70 -60 -50 -40
Distance (m)
Figure 2.73 Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu en fonction de la distance Nous constatons alors
que se prototype d’antenne à charge capacitive fonctionne bien en champ proche et en champ loitain avec une portée maximale de 3
m avec RSS=-74 dBm.
106
1. Technologie RFID en environnement métallique
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fr.wikipedia.org/.../wiki/Courants_porteurs_en_ligne
<1%
<1%
2.
iscte.academia.edu/.../JorgeCosta
<1%
<1%
3.
www.gmp.ch/.../pdf/EV7215.pdf
<1%
<1%
4.
ieeexplore.ieee.org/.../xpl/mostRecentIssue.jsp
<1%
<1%
5.
www.researchgate.net/.../links/0c96052aba093db468000000
<1%
<1%
6.
dl.acm.org/.../citation.cfm
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7.
lss.fnal.gov/.../conf/Conf-01-436.pdf
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www.hoyaoptics.com/.../pdf/O54.pdf
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9.
eprints2.utem.edu.my/.../1/ICCCE2010.pdf
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www.vdwdesign.com/.../RFID%20Tag%20Readi...ive%20Packages.pdf
<1%
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11.
www.academia.edu/.../Broadband_UHF_RFID...-Body_Applications
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<1%
12.
patentimages.storage.googleapis.com/.../pdfs/US20070249483.pdf
<1%
<1%
13.
opensiuc.lib.siu.edu/.../cgi/viewcontent.cgi
<1%
<1%
SOURCES IGNORÉES
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Similitude
TEXTE EXTRAIT DU DOCUMENT
La pluparts des Tags que nous avons traités dans le chapitre précédant fonctionnent dans un environnement parfait. Dans nos
simulations et mesures, les Tags sont placés tous seuls mais réellement ces Tags peuvent être collés sur des différents objets,
incorporés dans des produits et même implantés dans des organismes vivants comme les animaux ou encore l’être humain [3.1].
Certains matériaux posent des défis à l'étiquetage RFID passive, par exemple l’eau est un conducteur avec forte absorption du champ
[3.2] et le corps humain empêche souvent la communication puisque il comprend environ 80 % d’eau [3.3]. Aussi, la bande UHF est
Page 2
[3.2] et le corps humain empêche souvent la communication puisque il comprend environ 80 % d’eau [3.3]. Aussi, la bande UHF est
très sensible aux métaux. Les conditions de fonctionnement sont loin d’être parfaites et il en résulte de nombreux problèmes comme
l’absorption et les réexions d’ondes liées aux conditions d’environnement métalliques. Les Tags RFID traditionnelles, sans plan de
masse, contiennent à la fois un circuit intégré (puce RFID) et une antenne pour diffuser de l'information. Bien que cela fonctionne bien
pour la plupart des matériaux, les surfaces métalliques ont tendance à interférer avec les antennes des Tags et les amener à ne pas
être fiables. Lorsque l'antenne de Tag est près d'un métal, l'efficacité et la distance de lecture sont réduites ainsi que son coefficient de
réflexion, son adaptation d'impédance, la directivité et le gain sont affectés et même, dans des cas, le Tag RFID-UHF sera totalement
désadapté donc pas de fonctionnement. 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 partie de surface métallique comme un plan de masse ont été proposé pour améliorer les
performances d’antennes Tags RFID avec les objets métalliques. Cependant, la plupart de ces antennes sont relié 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 supérieure à celle des
simple Tags, ainsi que les trous engendrent beaucoup des pertes avec le fonctionnement instable/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 avec une taille
globale de 50×47,5×3 mm3 (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 (0,6 mm) avec une couche de mousse (Foam) de permittivité
r = 1.1 et d’épaisseur 2.4 mm entre le plan de masse et le
107
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. [2.9] utilise
deux antennes PIFA à base de céramique. L'antenne Tag, embarqué dans un objet métallique, fonctionne de manière satisfaisante
avec une distance de lecture de plus de 3 m lorsque le Tag est juste incorporé dans un objet métallique. Dans [3.10], les auteurs ont
proposé une nouvelle conception d'antenne Tag planaire en E-inversé monté sur objets métalliques. La bande passante obtenue peut
atteindre 123 MHz (13,7%) dans la bande UHF avec une distance de lecture mesurée d'environ 2,5 m lorsque l’antenne est montée sur
une plaque métallique de dimension (300*300 mm2) et 1,5 m avec une plaque métallique de dimension (75*22 mm). D’autres travaux
[2.11] [2.12] ont été proposés pour des antennes à bande large afin d’éviter la largeur de bande étroite des antennes Tags. En 2011,
J.-H. Lu et al. [3.13] ont proposé une antenne avec largeur de bande de 112 MHz (12,5%) pour la bande UHF qui est de 850 à 962
MHz avec une distance de lecture importante de 5,2 m. 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 RFID métallique doit être inférieure à 4,0 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], les auteurs ont proposé une solution à base de Surface Haute Impédance (« High Impedance Surface » ou HIS)
permettant de réduire l'interférence de
108
l'effet de surface métallique puisque les surfaces à haute impédance sont des métamatériaux qui annulent les ondes de surface. Ce
mince Tag, avec une taille globale de 65×20×1,5 mm3, présente une distance de lecture maximale de Tag RFID placée à 1 mm prés
d’un objet métallique est d'environ 3,1 m. En 2009, S.-L. Chen [3.15] a essayé de miniaturisé l’antenne présidente pour atteindre une
dimension globale de 32×18×3,2 mm3 avec une distance de lecture maximale de Tag placée à 1 mm prés d’un objet métallique
d'environ 1,5 m. On remarque alors que la miniaturisation d’antenne dégrade les performances de Tag même si que l’épaisseur de Tag
augmente de 1,5 mm à 3,2 mm. 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] La polarisation circulaire (PC) est très utile pour avoir une
bonne communication RFID à proximité des métaux. Aujourd'hui, les Tags RFID à polarisation circulaire ont attiré beaucoup d'attention
puisque la grande majorité des antennes du lecteur conçu avec CP, ce qui provoque une différence de polarisation entre le lecteur et le
Tag. Des travaux [3.16] [3.17] [3.18] ont été proposés pour avoir des antennes Tags RFID-UHF à polarisation circulaire fonctionnant
bien à coté des métaux. Mais ces antennes Tags ont présenté des gains faibles de -15 dB à presque -7 dB et par suite une faible
distance de lecture, par rapport à ces dimensions, entre 3 et 4 m. 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. Cette antenne est conçu dans le standard EPCglobal Class 1
Génération 2 (ou C1 Gen2), ISO 18000-6C et présente une dimension globale de 54×54×10 mm3 avec une
109
portée supérieur à 3 m [3.19]. Avec les récents développements dans la technologie RFID, les applications possibles de Tag
RFID-UHF sur métal sont limités toujours par leur portée.
Figure 3.3 Photo du Tag RFID sur métal et son application [3.19] 1.1 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 Tags RFID-UHF qui dépend
dans sa fonctionnement de la composante tangentielle du champ électrique et la composante normale du champ magnétique, vont
souffrir d’une grandes dégradation des performances 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 [3.20]. La plupart
des conceptions d'antennes Tag 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
Page 3
110
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, 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 [3.21]. La variation de la partie réactive de l'impédance de l'antenne conduire à la modification de la fréquence de
résonance. Cette variation de la fréquence de résonance entraine une désadaptation, donc la distance de lecture va se dégrader. De
plus, la variation de l'impédance de l'antenne de l'étiquette peut également affecter la bande passante. Le diagramme de rayonnement
et le gain du Tag sont affectés aussi en présence des métaux [3.22]. Les réflexions des champs électromagnétiques causés par la
surface métallique peuvent changer la concentration des champs à proximité de l'antenne et conduisent donc à la modification de la
directivité. Des mesures dans une chambre anéchoïque du diagramme de rayonnement de l'antenne [3.23] ont montré que quand une
antenne omnidirectionnelle a été placée près d’une boîte métallique cylindrique à une séparation d'environ 50 mm, le gain de l'antenne
subi une réduction de près de 20 dB par rapport au gain lorsque l'antenne était dans l'espace libre et une réduction de 10 à 12 dB
lorsque la distance de séparation entre 100 à 150 mm. 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. Pour traiter le problème d’antenne Tag sur métal, l’insertion d'un espace d’un quart d'onde entre une antenne et le métal sera
une solution possible. La raison de ceci 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 /2 avant d’arriver sur le métal. L’onde électromagnétique se reflète
par le métal avec un changement de phase d’angle 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
111
de nouveau une variation de phase de /2 soit une variation de phase totale égale à 2. Avec l’espace 4 entre l'antenne et le métal, le
changement de phase d’angle 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 des ondes destructives. 1.2 Effets d’une plaque métallique sur
notre antenne Tag avec configuration T-match Pour vérifier les dégradions des performances de Tag RFID-UHF, nous ajoutons une
surface métallique (150*150 mm2) à une distance de 3 mm de l’antenne méandre avec configuration T-match présenté dans le
chapitre 2 (parag. 2.1.5.1). Nous constatons donc une modification au niveau de l’impédance d’entrée de l’antenne Tag qui sera Z a =
(0,78 j155,07) à 910 MHz au lieu de l’impédance de l’antenne sans métal Z a = ( 27,04 j161,6) . On remarque alors une chute au
niveau de partie réelle de l’impédance, ce qui engendre une désadaptation d’impédance entre l’antenne et la puce (Figure 3.4).
XY Plot 2
250.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep
200.00
Name m1 m2
X 0.9100
Y 0.7896 m2
150.00 Y1
0.9100 155.0732
100.00
50.00
m1
0.00 0.60 0.70 0.80 0.90 Freq [GHz] 1.00 1.10 1.20
Figure 3.4 : Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique Le gain de l'antenne subi aussi une réduction de
22.35 dB par rapport au gain de l’antenne méandre qui présente un gain de 1,78 dB sans plaque métallique (Figure 3.5).
112
Figure 3.5 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre avec plaque métallique
Page 4
Figure 3.5 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre avec plaque métallique
Nous avons ensuite placé notre Tag à une distance équivalent à un quart d’onde D=82 mm. Nous avons obtenu ainsi un bon
coefficient de réflexion S11=–43,4 dB à la fréquence 900 MHz avec l’impédance de l’antenne Z a = ( 27,15 j163,5) . Le gain de notre
Tag attient 6,44 dB et ainsi augmente 3,5 fois par rapport au Tag sans plaque métallique.
XY Plot 2
250.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
im(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep re(Z(1,1)) Setup1 : Sw eep
200.00
Name m1 m2 m3 X Y m1 m3 0.9000 163.5235 0.9000 27.1573 0.9100 154.8992 0.9100 27.1673
150.00 Y1
m4
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 3.4 : Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=82 mm de plaque métallique
113
Figure 3.6 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne à une distance de D=82 mm de
plaque métallique L’insertion d'un espace d’un quart d'onde entre le Tag et le métal maintient et même augmente la performance de
Tag RFID-UHF mais cette espace de 82 mm est trop grande pour certaines applications RFID. C’est mieux alors de conçu des Tags
avec plan de masse pour l’identification des objets métalliques. Les Tags RFID avec plan de masse ne sont pas sensibles à proximité
de métaux mais le problème réside au niveau de l’adaptation d’impédance entre la puce et l’antenne avec plan de masse. C’est un peu
difficile d’adapter la puce RFID avec une antenne sans plan masse qu’avec une autre avec plan de masse.
2. Conception
et réalisation d'antennes Tags RFID-UHF à proximité
d’une surface métallique
2.1 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 une capacité parasite entre la surface métallique et l'antenne. En
général, l’adaptation d’une puce RFID de nature capacitive avec l’antenne est basée sur une boucle rectangulaire oubien circulaire
d’adaptation de nature inductive. On ajoutant un plan de masse à ce Tag, ce type d’adaptation ne sera plus fiable. On aura ainsi une
désadaptation presque totale de Tag RFID-UHF standard. Comme nous l'avons cité ci-dessus, la technologie RFID-UHF sur métal est
basée sur des antennes Patch ou des antennes PIFA en utilisant la surface métallique comme un plan de masse. La fabrication des
ces Tags est complexe car elles sont basées sur des
114
languettes métalliques ou bien des trous pour assurer l’adaptation d’impédance, ce qui donne un coût élevé de fabrication. Pour avoir
des Tags RFID à faible coût, il suffit d’utilisé des antennes planes et faciles à réalisés. La technique le moins coûteuse et la plus facile
à réaliser pour adapter la puce est basée sur un stub ouvert d’adaptation. La longueur approximative L de stub ouvert utilisée pour
adapter l’impédance de la puce peut être calculée comme suit [3.24]: L
tan
éq 3.1
avec Z0 : l'impédance caractéristique de stub ouvert d'adaptation. X : la réactance de l'antenne. Nous avons donc cherché dans la
littérature scientifique, des antennes RFID avec un stub ouvert d’adaptation. Nous avons ainsi retenu la structure présentée dans
[3.25], une antenne Patch adaptée à la puce par deux types d’adaptation, un stub ouvert et un stub court-circuité, monté sur des objets
Page 5
[3.25], une antenne Patch adaptée à la puce par deux types d’adaptation, un stub ouvert et un stub court-circuité, monté sur des objets
métalliques. Dans [3.26], une antenne méandre à couplage capacitif montable sur une surface métallique est présentée. Cette antenne
méandre à couplage capacitif est bien adaptée à la puce en utilisant un stub court-circuité au plan de masse. Cette antenne présente
un gain de -3.8 dB sans plaque métallique et -6 dB avec plaque métallique. Cette chute au niveau de gain entraine ainsi une
dégradation dans la plage de lecture de l’antenne lorsqu’elle est placée sur une grande plaque métallique. Pour cela, nous nous
sommes concentrés sur la conception de deux prototypes d’antennes à couplage capacitif qui sont adaptées par deux différents types
d’adaptation, un stub ouvert et un stub court-circuité, et présente un gain élevé à proximité d’une plaque métallique. 2.1.1 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 sur la
Figure 3.7. Elle est constituée de deux éléments rayonnant avec un stub court-circuité, situé au dessus d’un plan de masse. La puce
Alien Higgs-3 RFID d’impédance mesurée
Z cMesuré = (26 j163) est court-circuitée vers le plan de masse par un trou métallisé
de rayon R=0,5 mm. Le substrat qui a été choisi dans la conception de cette antenne est de type FR4 d’épaisseur H=1,6 mm dont les
caractéristiques sont r = 4,4 et tan = 0.02 .
115
(a)
(b)
Figure 3.7 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 la performance de notre Tag à proximité des
métaux, nous avons placé l’antenne au centre d’une plaque métallique. La figure 3.8 présente notre Tag avec un stub court-circuité
placé sur une plaque métallique (300 x 300 mm2).
Figure 3.8 Antenne Tag RFID avec un stub court-circuité sur une plaque métallique En présence de plaque métallique, notre Tag
bi-bande a subit une légère dégradation au niveau de coefficient de réflexion. Notre antenne sans plaque métallique résonne bien à
deux fréquences, la première fréquence à 895 MHz avec S11=–51,28 dB, la seconde fréquence à
116
941 MHz avec S11=–44,2 dB. Avec la plaque métallique, l’antenne résonne à 897 MHz avec S11=–40,75 dB, la seconde fréquence à
943 MHz avec S11=–32,99 dB. Les coefficients de réflexion avec ou sans la plaque métallique sont représentées sur la Figure 3.9.
Notre Tag présente aussi une bande large pour l'antenne placée dans l'espace libre ou sur la plaque métallique.
-1 0 -1 5 -2 0 -2 5
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 )
S (dB)
-3 0 -3 5 -4 0 -4 5 -5 0 -5 5 860 880 900 920 940 960
11
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 3.9 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 avec la puce RFID avec une faible variation en
impédances entre les deux cas. Nous remarquons qu'à la première fréquence de résonance 895MHz, l'impédance d'entrée Z a = (
25,77 + j163,45) tandis qu'à la seconde fréquence de résonance 941 MHz, l'impédance d’entrée Z a = ( 27,01 + j163,05) . Pour
l’antenne avec la plaque métallique, l'impédance d'entrée Z a = ( 22,04 + j163,64) à 897 MHz et à la fréquence de résonance 943 MHz,
l'impédance d’entrée Z a = (31,65 + j166,42) . Nous présentons ci-dessous, les parties réelles (Figure 3.10a) et imaginaires
l'impédance de l'antenne sans ou avec la plaque métallique. (Figure 3.10b) de
Page 6
l'impédance de l'antenne sans ou avec la plaque métallique. (Figure 3.10b) de
117
100
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
80
200
180
60
160
40
140
20
120
0 860 880 900 920 940 960
100 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
Figure 3.10 Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique Les diagrammes de rayonnement de l’antenne
avec ou sans la plaque métallique avec différent valeur de l’angle
est représenté à la Figure 3.11. Nous constatons que les
diagrammes de rayonnement s’améliorent en présence de plaque métallique. Pour = 0° , on obtient le meilleur diagramme de
rayonnement dans les deux conditions. Nous présentons, Figure 3.12, les Gains simulés de l’antenne avec ou sans la plaque
métallique. Les maximum gains de l’antenne, sans ou avec la plaque métallique, sont -6,13 dB et -2,57 dB, respectivement. Les
résultats montrent un gain de 3,56 dB lorsque notre antenne Tag est placée sur la plaque métallique. L’augmentation du gain avec
plaque métallique entraine ainsi l’augmentation de la distance de lecture de l’antenne avec un stub court-circuité.
Radiation Pattern 6
m1 0
HFSSDesign1
Radiation Pattern 6
0
m1 Name m1 m2 Theta Ang Mag Curve Info
HFSSDesign1
-30
Name m1 m2 Theta Ang Mag
30 -7.60
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Page 7
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Phi='10deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Phi='30deg'
-30 -6.00
30
360.0000 -0.0000 -2.5733 180.0000 180.0000 -18.2949
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
360.0000 -0.0000 -6.1341 180.0000 180.0000 -9.7637
-9.20 60 -10.80
-12.00 -60 -18.00 60
-60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='40deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
-12.40
-24.00
-90
90
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='40deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
-90
90
m2
m2
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
-120
120
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-120
120
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-150 -180
150
-150 -180
150
(a) Sans plaque métallique avec variation de l’angle à 915 MHz
(b) Avec plaque métallique
Figure 3.11 Diagramme de rayonnement de l’antenne sans ou avec la plaque métallique
118
(a) Sans plaque métallique
(b) Sans plaque métallique
Figure 3.12 Gain de l’antenne à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique En chambre anéchoïque, nous avons vérifié les
performances de notre Tag RFID sans ou avec la plaque métallique. La Figure 3.13 montre la puissance minimale nécessaire pour
Page 8
performances de notre Tag RFID sans ou avec la plaque métallique. La Figure 3.13 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 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 alors les ondes électromagnétiques réfléchis par le plaque métallique comme des
ondes constructive afin d’améliorer son performance en terme de gain et de distance de lecture, en assurant un bon coefficient de
réflexion avec la plaque métallique.
Puissance minimum d'activation (dBm)
34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 0,0 0,5 1,0 1,5
Tag sans plaque m étallique 2 Tag avec plaque m étallique (300* 300 m m )
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Distance (m)
Figure 3.13 Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
119
2.1.2 Antenne Tag RFID-UHF avec un stub ouvert d’adaptation La géométrie de l’antenne avec un stub ouvert est présentée sur la
Figure 3.14. Elle est identique à l’antenne avec un stub court-circuité sauf que le trou métallisé a été éliminé et remplacé par un stub
ouvert d’adaptation.
Figure 3.14 Géométrie de l’antenne Tag à couplage capacitif avec un stub ouvert d’adaptation Les dimensions géométriques de
l'antenne avec un stub d’adaptation sont données en mm 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 Nous avons placé l’antenne avec un stub ouvert
d’adaptation au centre d’une plaque métallique (300 x 300 mm2) pour déterminer la performance 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 à 899 MHz avec S11=–32,07 dB, la seconde fréquence à 934 MHz avec S11=–55,08 dB. Avec la
plaque métallique, l’antenne résonne à 904 MHz avec S11=–41,94 dB, la seconde fréquence à 937 MHz avec S11=–38,82 dB. Les
coefficients de réflexion avec ou sans la plaque métallique sont représentées sur la Figure 3.15. Notre Tag présente aussi une bande
large pour l'antenne placée dans l'espace libre ou sur la plaque métallique.
120
Tag RFID UHF sans plaque métallique 2 Tag RFID UHF avec plaque métallique (300* 300 mm )
-10
Page 9
-20
S11 (dB)
-30
-40
-50
-60 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Figure 3.15 Coefficient de réflexion de l’antenne sans ou avec la plaque métallique La Figure 3.16 présente une comparaison des
impédances simulées de l'antenne (parties réelles (Figure 3.16a) et imaginaires (Figure 3.16b)) avec ou sans plaque métallique. Nous
remarquons qu'à la première fréquence de résonance 899 MHz, l'impédance d'entrée
Z a = (29,2 + j156,15) ainsi à la seconde fréquence 934 MHz, l'impédance d’entrée Z a = (25,2 + j162,46) . Pour l’antenne avec une
plaque métallique, l'impédance d'entrée Z a = (26,28 + j160,71) à 904 MHz et à la fréquence de résonance 937 MHz, l'impédance
d’entrée Z a = ( 28,75 + j163,49) .
Partie réelle de l'impédance (ohms)
70
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
P artie rée lle d e l'im pé da nce(T ag san s m é tal) P artie rée lle d e l'im pé da nce(T ag a vec m éta l)
Partie im aginaire de l'im pédance(Tag sans m étal) Partie im aginaire de l'im pédance(Tag avec m étal)
240 220 200 180 160 140 120 100 860 880 900 920 940 960
60
50
40
30
20
10
0 860 880 900 920 940 960
Fréquence (M Hz)
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
Figure 3.16 Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique
121
Similaire que le prototype d’antenne avec un stub court-circuité, nous constatons que les diagrammes de rayonnement s’améliorent en
présence de la plaque métallique. Le meilleur diagramme de rayonnement dans les deux cas est obtenu lorsque l’angle = 0° . La
Figure 3.18 présente les Gains simulés de l’antenne avec ou sans la plaque métallique. Les maximum gains de l’antenne, sans ou
avec la plaque métallique, sont -5,74 dB et -2,93 dB, respectivement. Les résultats montrent un gain de 2,81 dB lorsque notre Tag
RFID-UHF est placée sur la plaque métallique. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne avec ou sans la plaque métallique avec
différent valeurs de l’angle sont représentés à la Figure 3.17.
Radiation Pattern 6
0
Name Theta Ang Mag
HFSSDesign1
Page 10
ANSOFT
Radiation Pattern 6
0
m1 m1 m2 360.0000 -0.0000 -2.9348 180.0000 180.0000 -20.0349
HFSSDesign1
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
ANSOFT
-30
m1
30
-6.40
Name m1 m2 Theta Ang Mag
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-30 -7.00 -14.00 -60 -21.00 -28.00
30
360.0000 -0.0000 -5.7417 180.0000 180.0000 -11.5361 -60
-8.80 60 -11.20 -13.60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='10deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='30deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='40deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
-90
90
-90
90
m2
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
m2
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
-120
120
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='80deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-120
120
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptiv e Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-150 -180
150
-150 -180
Page 11
-150 -180
150
(a) Sans plaque métallique
(b) Avec plaque métallique
Figure 3.17 Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert sans ou avec la plaque métallique avec une variation de l’angle
à 915 MHz
(a) Sans plaque métallique
(b) Sans plaque métallique
122
Figure 3.18 Gain de l’antenne Tag à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique Pour vérifier le fonctionnement de deux
antennes Tags proposée, nous avons mesuré en chambre anéchoïque, la puissance minimale envoyée par le lecteur afin d’activer le
Tag. Nous présentons, dans la figure ci-dessous (Figure 3.19), une comparaison de la puissance minimale nécessaire pour activer les
deux Tags, antenne avec un stub court-circuité et 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 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.
Puissance minimum d'activation (dBm)
26
Mesure en champ lointain_open stub (d=65 cm)) Mesure en champ lointain_short stub (d=65 cm))
24
22
20
18
16
14 840 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Figure 3.19 Puissance minimale reçue par les deux types de Tags en champ lointain Pour déterminer la portée des Tags RFID dans
l’espace libre, le dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID a été utilisé avec l’antenne cornet pour détecter nos prototypes d’antennes
Tags. Une photo de l’antenne Tag, avec stub ouvert d’adaptation, sous test est illustrée à la Figure 3.20.
123
Figure 3.20 Antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation sous test Figure 3.21 montre la puissance minimum nécessaire pour activer
ces 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.
Puissance minimum d'activation (dBm)
34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 0,9 1 1,5 2 2,3 3 4 4,2 -Tag Tag Tag Tag
sans avec sans avec
plaque plaque plaque plaque
m étallique m étallique m étallique m étallique
(open (short (short (open
stub) stub) stub) stub)
Distance (m)
Figure 3.21 Puissance minimum en fonction de la distance avec et sans la plaque métallique Pour une puissance d'émission de 31.5
dBm avec une polarisation linéaire, la distance de lecture maximale mesurée de l'antenne de Tag avec stub ouvert d’adaptation sur
plaque métallique atteint 4.2 m. La portée de l'antenne de Tag avec stub ouvert d’adaptation sans plaque métallique est 2,3 m avec un
Page 12
plaque métallique atteint 4.2 m. La portée de l'antenne de Tag avec stub ouvert d’adaptation sans plaque métallique est 2,3 m avec un
niveau de puissance de transmission de 31,2 dBm. Même portée de 2,3 m peut être atteint pour l'antenne Tag avec un stub
court-circuité sans une
124
plaque métallique et on peut avoir une distance de lecture de 4 m avec une antenne à stub court-circuité avec plaque métallique dont
la puissance en émission vaut 31,5 dBm. Les résultats des simulations et de mesures montrent que les deux antennes à couplage
capacitif, avec un stub court-circuité oubien avec stub ouvert d’adaptation, ont presque les mêmes performances à côté de la plaque
métallique. Le Tag à couplage capacitif avec un stub court-circuité est complexe à réalisé dû au trou métallisé et coûté aussi cher par
rapport au Tag RFID standard. La structure d'antenne avec stub ouvert d’adaptation pourrait être
fabriquée à moindre coût. C’est une bonne méthode de conception d'antenne plane pour Tag RFID-UHF sur surface métallique. 2.2
Antenne à fente pour Tag RFID-UHF Nous nous sommes également intéressés à un autre type d’adaptation d’une antenne Tag
RFID-UHF avec plan de masse. Ce type d’adaptation est basé sur une fente d’adaptation. Pour une simple antenne Patch, l’ajout des
fentes sur l’élément rayonnant permet de faire apparaître plusieurs fréquences de résonance. Pour l’antenne Tag RFID, une fente
permet 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 [3.27]. Dans [3.27], les auteurs ont proposé une antenne flexible montable sur des surfaces métalliques. Cette antenne
présente une bande passante large à 3 dB de 70 MHz et un faible gain de -2,7 dBi à cause de la perte ohmique élevée de substrat en
PVC utilisé. Notre prototype d’antenne Tag à fente d’adaptation a été simulée sur un substrat Taconic TLY d'une permittivité de 2.2 et
d’épaisseur H=0.76 mm. Les métallisations de l’antenne est en cuivre d’épaisseur t =18 µm. La géométrie de cette antenne est
représentée sur la Figure 3.22. Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm 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
125
Figure 3.22 Géométrie de l’antenne à fente Notre antenne à été court-circuité par une languette métallique de dimension (6×0,76
mm2).
Languette de courtFigure 3.23 Languette de court-circuit de l’antenne à fente Le prototype de notre antenne à fente de Tag que nous avons réalisé est
montré la Figure 3.24.
Figure 3.24 Antenne Tag RFID à fente réalisé
126
La Figure 3.25 montre les coefficients de réflexion avec ou 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 -39,5 dB à 916 MHz avec plaque
métallique. Nous constatons ainsi que notre Tag reste bien adapté malgré la présence de surface métallique.
20 10 0
Antenne à fente sans plaque métallique 2 Antenne à fente avec plaque métallique (300* 300 mm )
S11 (dB)
-10 -20 -30 -40 -50 -60 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Figure 3.25 Coefficient de réflexion de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique La Figure 3.26 présente une comparaison
des impédances simulées de l'antenne à fente (parties réelles (Figure 3.26a) et imaginaires (Figure 3.26b)) avec ou sans plaque
métallique. Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée Z a = ( 25,15 + j162,9) à 918 MHz et avec une plaque
métallique, Z a = ( 25,51 + j159,57) à 916 MHz.
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
Page 13
Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal) Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal) Partie réelle de l'impédance (ohms)
800
Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal) Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)
400
600
200
400
0
-200
200
-400
0
860
880
900
920
940
960
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
Figure 3.26 Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique
127
Pour adapter notre Tag dans différentes plages de fréquence RFID, il suffit juste de varier la longueur L1 de la fente. La figure 3.27
représente 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.
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 860 880 900 920 940 960
L s ='25m m' L s ='30 mm' L s ='35 mm' L s ='37.5 m m' L s ='40 mm' L s ='45 mm' L s ='50 mm'
S11 (dB)
Fréquence (MHz)
Figure 3.27 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 niveaux du coefficient de réflexion en entrée correspondants. L1 Fréquence de résonance (MHz)
Coefficient de réflexion (dB) -27,41 -32,31 -37,08 -51,79 -39,73 -34,96 -32,66 25 957 30 941 35 925 37,5 918 40 910 45 894 50 879
Tableau 3.4 Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différentes valeurs de L1 On remarque alors que
Page 14
Tableau 3.4 Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différentes valeurs de L1 On remarque alors que
la fréquence de l’antenne diminue 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 3.28 représente les
diagrammes de rayonnement de l’antenne à fente, avec ou sans la plaque métallique, avec différent valeur de l’angle
. Nous constatons que les diagrammes
de rayonnement s’améliorent en présence de plaque métallique. Pour = 0° , et = 20° , on
128
obtient un gain de l’antenne, sans la plaque métallique, de -1,77 dB. Nous présentons, Figure 3.29, les Gains simulés de l’antenne
avec ou sans la plaque métallique. Le maximum gain de l’antenne, avec la plaque métallique, est 1,42 dB et 1,75 dB pour l’antenne
sans plaque. 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 sur surface métallique.
Radiation Pattern 3
0
Name m1 m2 m3 Theta Ang Mag m1
HFSSDesign1
Radiation Pattern 3
0
m1 Name Theta Ang Mag 1.4222
HFSSDesign1
-30 -3.20
m3
30
360.0000 -0.0000 -2.0209 180.0000 180.0000 -6.3283 20.0000 20.0000 -1.7738
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-30 -3.00
30
m1 m2
360.0000 -0.0000
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
180.0000 180.0000 -14.5527
-6.40 -60 -9.60 60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-11.00 -60 -19.00 60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-12.80
-90
-27.00
-90
90
90
m2
-120
Page 15
m2
-120
120
120
-150
150 -180
-150 -180
150
(a) Sans plaque métallique
(b) Avec plaque métallique
Figure 3.28 Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique avec variation de l’angle à 915 MHz
(a) Sans plaque métallique
(b) Sans plaque métallique
Figure 3.29 Gain de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique
129
Nous avons essayé alors de vérifier les performances de cette 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 3.30.
Figure 3.30 Mesure de la portée du Tag avec plaque métallique en chambre anéchoïque Nous avons mesuré la puissance minimale
nécessaire pour activer notre Tag. La Figure 3.31 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag avec ou sans la
plaque métallique avec la distance de séparation entre le lecteur cornet et notre Tag est d=65 cm.
Puissance minimum d'activation (dBm)
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
T ag R FID UH F sans plaque m étallique (d=65 cm ) T ag R FID UH F avec plaque m étallique (d=65 cm )
908 910 912 914 916 918 920 922 924 926 928 930 932 934 936 938 940 942
Fréquence (MHz)
Figure 3.31 Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en fonction de la fréquence D’après la Figure 3.31,
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
130
répond pas entre 919 et 920 MHz avec d=65 cm. Nous avons essayé de rapproché note Tag de Lecteur à une distance d= 1 cm.
D’après la Figure 3.32, nous constatons que notre Tag fonctionne bien sur toute la bande UHF.
Puissance minimum d'activation (dBm)
25
T ag R FID U H F sans plaque m étallique (d=1 cm ) T ag R FID U H F avec plaque m étallique (d=1 cm )
20
15
10
5
0
-5
-10 860 880 900 920 940 960
Page 16
-10 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
Figure 3.32 Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en champ proche En champ proche, l’antenne
avec plaque métallique est plus performante car elle a besoin de -9,5 dBm pour son activation à 915 MHz alors que l’antenne sans
plaque métallique a besoin d’un minimum de puissance de -4 dBm à 915 MHz. Nous faisons varier notre Tag en fonction de l’angle et
déterminons ainsi la puissance
minimale, reçue par le Tag et émise par le lecteur, pour différent orientation du notre Tag (Figure 3.33).
Figure 3.33 Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du Tag en fonction de l’angle
131
La Figure 3.34 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag en fonction de l’angle à 917 MHz mesurée à une
distance d = 65 cm.
Mesure de la puissance minimale(d=65 cm)
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)
150
30
180
0
210
330
240 270
300
Puissance minimum d'activation (f=917 MHz)
Figure 3.34 Puissance minimales mesurée en fonction de à 917 MHz Nous constatons que notre Tag ne répond pas pour toute
orientation. Nous constatons que le Tag avec plaque métallique répond avec l’angle 0° 70° et 280° 350° avec une puissance minimale
d’activation mesurée de 3,5 dBm pour =0°. Le Tag sans plaque
métallique répond avec l’angle 0° 50° et 290° 350° avec une puissance minimale d’activation mesurée de 7,8 dBm pour =350°. Ces
résultats confirment l’amélioration des performances du notre Tag à fente sur la surface métallique au niveau de puissance minimale
nécessaire d’activation et d’orientation possible du Tag.
132
[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]
[3.17]
[3.18]
[3.19]
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Page 17
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antenna using two PIFAs embedded in metallic objects , Electron. Lett., vol. 44, no. 20, pp.1181 -1182 2008 J. H. Lu and K. T. Hung
Planar broadband mirrored-E antenna with slit for UHF band RFID tag on metallic objects , Electron. Lett., vol. 46, pp.1182 -1183,
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Mo, H. Zhang, and H. Zhou, “Broadband UHF RFID tag antenna with a pair of U slots mountable on metallic objects,” Electron. Lett.,
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133
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134
4.2 Antennes pour Lecteurs RFID-UHF à polarisation circulaire
4.2.1 Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 915 MHz
4.2.1.1 Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire L’objectif de cette section est de présenter une antenne à polarisation circulaire
pour Lecteur RFID fonctionnant dans la bande RFID UHF aux Etats-Unis (902-928 MHz). Nous étudions une antenne à fente circulaire
avec arc métallique en forme de C, gravé 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 de =45° à partir de l'axe y. La fente circulaire est alimentée par
couplage avec une simple ligne d'alimentation microruban 50 . Le diélectrique entre la ligne microstrip d’alimentation par couplage et le
plan de masse est de type FR4, sa permittivité relative vaut donc 4,4 et son épaisseur est de 1,6 mm. La métallisation de l’antenne est
en cuivre d’épaisseur t =17 µm. La configuration de l'antenne proposée est représentée sur la Figure 4.1.
(a) (b) Figure 4.1 : 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 dans le tableau 4.1. Variable (mm) Lsub 98 L1 69 Wsub 98 W1 2,8 W2 6,8
W3 49,8 R1 35 R2 28 R3 30
Tableau 4.1 Paramètre de l’antenne à polarisation circulaire
135
La réalisation de cette antenne à polarisation circulaire est représentée sur la Figure 4.2.
(a)
(b)
Figure 4.2 : Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire alimentée par couplage : (a) Vue de dessus. (b) Vue de dessous. 4.2.1.2
Résultats des simulations et de mesure La mesure du coefficient de réflexion de l’antenne a été faite à l’aide d’un analyseur vectoriel
de réseau AGILENT 8720ES (0,04-20GHz). La Figure 4.3 représente la mesure de S11 à l’aide de l’analyseur de réseau vectoriel.
Figure 4.3 : Mesure de S11 de l’antenne à polarisation circulaire
Coefficient de réflexion et rapport axial (RA) Les résultats de coefficient de réflexion mesuré et simulé de notre antenne sont présentés
sur la Figure 4.4. L’adaptation de l’antenne bi-bande est très bonne avec les coefficients des
136
réflexions mesurés de -31,86 dB à 911 MHz et -27,68 dB à 971 MHz, et une large bande passante de 129 MHz entre 885 à 1014 MHz.
Les coefficients des réflexions simulés sont de -45,37 dB à 902 MHz et -39,89 dB à 944 MHz avec une large bande passante de 121,5
Page 18
Les coefficients des réflexions simulés sont de -45,37 dB à 902 MHz et -39,89 dB à 944 MHz avec une large bande passante de 121,5
MHz entre 876,5 à 998 MHz. On observe alors un décalage et une atténuation entre la simulation et la mesure de S11. Nous pensons
que ce décalage et l’atténuation sont dus aux pertes diélectriques du substrat FR4 avec les réflexions des ondes dans l’environnement
de mesure. Nous pensons aussi que cette différence est issue de la précision de fabrication.
Sim ulation (H FSS) Mesure
0
-10
S11 (dB)
-20
-30
-40
-50 800 850 900 950 1000
Fréquence (M H z)
Figure 4.4 Coefficient de réflexion 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 et de l’angle . La polarisation circulaire en fonction de la fréquence est obtenue dans la direction normale à
l’antenne avec ==0°. La figure 4.5 montre le rapport axial (RA) en fonction de la fréquence dans la direction optimale d’obtention de la
polarisation circulaire.
6
Rapport axial (dB)
5
4
3
2
1
900
90 5
910
915
9 20
925
930
F réqu en ce (M H z)
Figure 4.5 Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ==0°
137
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 %. La
polarisation circulaire de cette antenne couvre donc quasiment la bande RFID UHF en Amérique. Nous avons ensuite fixé la fréquence
F=915 MHz et varié l’angle 0° 360°. Nous traçons, Figure 4.6, le rapport axial (RA) en fonction de l’angle à 915 Mhz pour différentes
valeurs de .
XY Plot 3
60.00
HFSSDesign1
Curve Info dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='290deg'
ANSOFT
Page 19
ANSOFT
50.00
dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='300deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Phi='310deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='320deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='330deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='340deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 :
LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='350deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='360deg' m1 m3 m4 m2
40.00 d B (Axia lR a tio V a lu e )
Name m1 m2 m3 m4
X
Y
40.0000 3.0601 320.0000 3.0601 140.0000 2.9840 220.0000 2.9840
30.00
20.00
10.00
0.00 0.00 125.00 Theta [deg] 250.00 375.00
Figure 4.6 : Rapport Axial de l’antenne en fonction à 915 Mhz pour différentes valeurs de On observe alors que , quelques soit l’angle
, la polarisation circulaire à 915 MHz n’est obtenue que pour des intervalles bien définie de l’angle soit 0° 40°, 140° 220° et 320°
360°. Diagrammes de rayonnement Les diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne proposée sont représentés à la Figure
4.7 avec un maximum de gain de 3,28 dB pour =0° et =170°.
Radiation Pattern 2
Name m1 m2 Theta Ang Mag 3.0230
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
0
m2
170.0000 170.0000 3.2811 360.0000 -0.0000
-30 2.00
30
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
0.00 -60 -2.00 60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='40deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='60deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='70deg'
dB(GainTotal)
-4.00
-90
90
-120
120
m1
-150 -180
150
(a) Figure 4.7 : Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
Page 20
(a) Figure 4.7 : Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
(b)
138
Résultats de mesure En chambre anéchoïque, nous avons essayé de vérifier les performances de cette 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 Alien Technology [4.1]. (Figure 4.8)
Figure 4.8 Tag RFID UHF ALN-9654 Nous avons testé l’antenne proposée dans deux positions de l’antenne avec =0° et =90°. La
Figure 4.9 présente la méthode de mesure de puissance d’activation du Tag RFID UHF ALN-9654 pour différentes positions de
l’antenne du Lecteur (=0° et =90°).
(a)
(b)
Figure 4.9 Mesure de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne : (a) =0° et (b) =90°. Les
résultats de mesure de puissance reçue, montrés à la Figure 4.10, confirment nos résultats de simulations de rapport axial (RA)
montrés à la Figure 4.5. Notre antenne fonctionne bien
139
dans les deux positions verticale (=0°) et horizontale (=90°). En position verticale, le Tag répond en champ proche (d=11 cm) de 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. En champ lointain (d=55 cm), le Tag en position verticale répond de 866 Mhz pour une puissance émise de 19 dBm
jusqu’à 960 Mhz pour une puissance émise de 17,2 dBm et en position horizontale 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 (909-928), mais avec des puissances émises très
élevées lorsque l’antenne est en position horizontale.
Puissance minimum d'activation (dBm)
30
A n te n n e A n te n n e A n te n n e A n te n n e
avec avec avec avec
l'a n g le l'a n g le l'a n g le l'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 )
Figure 4.10 Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne du Lecteur : (a) =0° et (b) =90°.
4.2.2 Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 868 MHz
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 européenne (865-868 MHz). L’arc métallique en forme de C est relié au bord de la
fente circulaire avec un angle =38,85°. 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. 4.2.2.1 Géométrie de l’antenne à 868 MHz
140
La configuration de l'antenne du Lecteur proposée est représentée sur la Figure 4.11.
(a) (b) Figure 4.11 : Géométrie de l’antenne du Lecteur à polarisation circulaire : (a) vue de dessus, (b) vue de dessous. Les
dimensions géométriques des différents paramètres sont regroupées dans le tableau 4.2. Variable (mm) Lsub 98 L1 70 Wsub 98 W1
2,8 W2 7 W3 61 R1 35 R2 28 R3 30
Tableau 4.2 Paramètre de l’antenne à 868 MHz La réalisation de cette antenne à polarisation circulaire est représentée sur la Figure
Page 21
Tableau 4.2 Paramètre de l’antenne à 868 MHz La réalisation de cette antenne à polarisation circulaire est représentée sur la Figure
4.12.
(a)
(b)
Figure 4.12 : Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire à 868 MHZ: (a) Vue de dessus. (b) Vue de dessous. 4.2.2.2 Résultats
des simulations et de mesure
141
Coefficient de réflexion et rapport axial (RA) La Figure 4.13 montre les coefficients de réflexion mesuré et simulé de notre antenne. Le
coefficient de réflexion simulé vaut -19,54 dB à 867,5 MHz. Les coefficients des réflexions mesurés sont bi-bande avec S11=-17,86 dB
à 882,5 MHz et -19,65 dB à 906,5 MHz. La bande passante à -10dB varie en mesure entre 864,5 MHz et 947 GHz, soit une bande
relative de 9.5% et en simulation entre 851 MHz et 929 MHz, soit une bande passante relative de 8,98%. On observe de même un
écart de presque 15 MHz entre la simulation et la mesure de S11 causé par les tolérances de fabrication et de mesures.
0 -2 -4 -6
Simulation (HFSS) Mesure
S11 (dB)
-8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 800 850 900 950 1000
Fréquence (MHz)
Figure 4.13 Coefficient de réflexion de l’antenne à 868 MHz
La polarisation circulaire est obtenue dans la direction normale à l’antenne avec ==0°. La figure 4.14 montre le rapport axial (RA) en
fonction de la fréquence dans la direction optimale d’obtention de la polarisation circulaire.
7
Rapport axial (dB)
6 5 4 3 2 1 0 855 860 865 870 875 880 885
F ré q u e n c e (M H z )
142
Figure 4.14 Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction ==0° Pour un rapport axial inférieur à 3 dB, la bande passante
simulée vaut 11,2 MHz (863,4-874,6 MHz) soit 1,29 %. La polarisation circulaire de cette antenne à polarisation circulaire couvre donc
la bande RFID UHF européenne. Nous avons ensuite fixé la fréquence F=868 MHz et varié l’angle 0° 360°. La figure 4.15 montre le
rapport axial en fonction de l’angle à 868 Mhz pour différentes valeurs de .
XY Plot 3
70.00
HFSSDesign1
Curve Info dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='0deg'
ANSOFT
60.00
dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='10deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz'
Phi='20deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='30deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='40deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='50deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 :
LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='60deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='70deg'
50.00 d B (Ax ia lR a tio V a lu e )
Name m1 m2 m3 m4
X
Y
40.0000 2.8358 140.0000 3.0360 220.0000 3.0360 320.0000 2.8358
40.00
30.00
Page 22
30.00
20.00
10.00
m1 m2 m3 m4
0.00 0.00 125.00 Theta [deg] 250.00 375.00
Figure 4.15 : Rapport Axial de l’antenne en fonction à 868 Mhz pour différentes valeurs de l’angle On observe que, quelques soit
l’angle , la polarisation circulaire à 868 MHz n’est obtenue que pour des intervalles précise de l’angle soit 0° 40°, 140° 220° et 320°
360°. Diagrammes de rayonnement Les diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne à polarisation circulaire sont
représentés à la Figure 4.16 avec un maximum de gain de 3 dB avec =0° et =170° et un gain de 2,73 avec =0° et =0°.
Radiation Pattern 2
Name m1 m2 Theta Ang Mag 2.7345
HFSSDesign1
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz'
Phi='10deg'
ANSOFT
0 -30
m2
170.0000 170.0000 3.0049 360.0000 -0.0000
30
2.00
0.00 -60 -2.00 60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='30deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='40deg'
-4.00
-90
90
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='50deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='60deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.868GHz' Phi='70deg' dB(GainTotal)
-120
120
m1
-150 -180
150
143
(a)
(b)
Figure 4.16 : Diagrammes de rayonnement de l’antenne proposée en 2D (a) et 3D (b) Résultats de mesure Les résultats de mesure de
puissance reçue, montrés à la Figure 4.17, confirment nos résultats de simulations de rapport axial (RA) montrés à la Figure 4.14.
Notre antenne fonctionne bien dans les deux positions verticale (=0°) et horizontale (=90°). En position verticale, le Tag répond en
champ proche (d=11 cm) de 860 Mhz pour une puissance émise de 2,4 dBm jusqu’à 960 Mhz pour une puissance émise de 1,8 dBm.
En position horizontale (=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, en position verticale, envoie sa réponse au Lecteur est de l’ordre et 920 MHz à
une distance d=11 cm et de l’ordre de -1,8 dBm à 910 MHz en position horizontale. En champ lointain (d=55 cm), le Tag en position
verticale répond de 866 Mhz pour une puissance émise de 14,5 dBm jusqu’à 960 Mhz pour une puissance émise de 15,6 dBm et en
position horizontale répond entre 870 et 960 MHz pour des puissances émises de 17,5 et 20,6 dBm, respectivement. La puissance
minimale requise pour que le Tag, à polarisation linéaire, répond au Lecteur est 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, la communication Lecteur-Tag est fiable, ce
qui confirme la polarisation circulaire de l’antenne du Lecteur dans la bande (870-960 MHz) mais l’inconvénient que cette bande de
Page 23
qui confirme la polarisation circulaire de l’antenne du Lecteur dans la bande (870-960 MHz) mais l’inconvénient que cette bande de
fréquence est hors bande européenne (865-868 MHz).
Puissance minimum d'activation (dBm)
30
25
Antenne avec l'angle phi=0° (d=11 cm) Antenne avec l'angle phi=90° (d=11 cm) Antenne avec l'angle phi=0° (d=55 cm) Antenne avec
l'angle phi=90° (d=55 cm)
20
15
10
5
0 860 880 900 920 940 960
Fréquence (MHz)
144
Figure 4.17 Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne du Lecteur : (a) =0° et (b) =90°. 4.3
Antenne Tag RFID-UHF à polarisation circulaire 4.3.1 Antenne PIFA à polarisation circulaire avec et sans plaque métallique La
polarisation circulaire de l’antenne du Tag et l’antenne du Lecteur est un paramètre important dans la conception d’antenne car elle
aura une influence importante sur le transfert d’énergie entre deux antennes. Plusieurs applications RFID UHF nécessitent des
antennes du Lecteurs RFID à polarisation circulaire pour communiquer avec des Tags RFID UHF à polarisation linéaire. L’antenne du
Tag à polarisation circulaire est capable de recevoir des ondes polarisées linéairement mais avec une perte de 3 dB [4.2] ainsi que la
perte de tous les avantages liés à la polarisation circulaire au niveau de qualité et stabilité du signal. Il est vivement conseillé d’utilisé
des antennes RFID à polarisation circulaire en réception et en émission. La distance de lecture est un paramètre important pour avoir
des bonnes performances du Tag RFID-UHF. Afin d'améliorer la performance d’un Tag RFID-UHF, il doit satisfaire à deux conditions:
gain de l'antenne Tag et une bonne adaptation d’impédance entre la puce et l'impédance d’entrée de l’antenne. Les deux conditions
doivent être considérées non seulement dans l'espace libre, mais également sur des objets métalliques. Cependant, le processus
actuellement de conception des antennes Tags polarisées circulairement n’est pas bien établi dans la littérature que la conception
d'antennes pour Lecteurs à polarisation circulaire. Dans [4.3] [4.4], des travaux ont été réalisés sur la conception des antennes Tags à
polarisation circulaire pour augmenter la distance de lecture du Tag. Dans l’article de C. Cho et al. [4.3], les auteurs présentent un Tag
à polarisation circulaire avec un gain souhaitable 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 des grandes dimensions de l’antenne Tag de 189,6×127,9×21,6
mm3. Dans [4.4], les auteurs ont proposé un Tag en boucle à polarisation circulaire avec une bande passante d'impédance de 52 MHz
(895-947 MHz) et une bande passante du rapport axial en polarisation circulaire de 50 MHz (892-942 MHz). Ce Tag présente un gain
maximum 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.
145
L’inconvénient que cette antenne Tag est sans plan de masse donc ne fonctionne pas bien à coté de surface métallique. 4.3.1.1
Géométrie de l’antenne PIFA L’objectif de cette section est de présenter une antenne de type PIFA (Planar Inverted-F Antenna) à
polarisation circulaire pour Tag RFID-UHF avec et sans plaque métallique. Notre prototype d’antenne PIFA a été simulée sur un
substrat d’air d'une permittivité 1. Les
métallisations de l’antenne est en cuivre d’épaisseur t =35 µm. L'antenne PIFA (Figure 4.18) est constituée d'un élément rayonnant
métallique est 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 [4.5] mais à travers un court-circuit plan qui est une languette métallique de largeur
Ws. La structure de l'antenne PIFA proposée est optimisée avec une puce Alien Higgs-3 RFID d’impédance mesurée Z cMesuré = (26
j163) à une fréquence de résonance de 915 MHz. Une fente en T dans l’élément rayonnant métallique assure une bonne 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
4.19.
Figure 4.18 Antenne Tag PIFA à polarisation circulaire
146
(a)
(b)
Figure 4.19 Géométrie de l’antenne Tag PIFA : (a) vue de dessus, (b) vue de coté. Les dimensions géométriques de l'antenne sont
données dans le tableau 4.3. Variable
(mm)
Lsub 82
Wsub 45
Page 24
Wsub 45
W1 15
W2 1
L1 60
L2 19
L3 25
H4
Tableau 4.3 Paramètre de l’antenne Tag PIFA La réalisation de cette antenne PIFA RFID est représentée sur la Figure 4.20.
Figure 4.20 : Réalisation de l’antenne Tag PIFA 4.3.1.2 Résultats des simulations et de mesure Coefficient de réflexion et impédance
d’entrée Pour étudier la performance de notre Tag PIFA à proximité des métaux, 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
présentés sur la Figure 4.21.
147
Antenne sans plaque métallique 2 Antenne avec plaque métallique (300* 300 mm )
10
0
S11 (dB)
-10
-20
-30
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (MHz)
Figure 4.21 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 de coefficient de réflexion. Notre antenne
PIFA, sans plaque métallique, résonne à 899,7 MHz avec S11=–30,6 dB et avec plaque métallique résonne à 895 MHz avec
S11=–28,4 dB. Notre Tag présente aussi une bande passante large même sur une plaque métallique. L’antenne PIFA, sans plaque
métallique, présente une large bande passante de 109,3 MHz entre 817,2 à 926,5 MHz soit 12,14%. Avec plaque métallique, l’antenne
présente une large bande passante de 116,9 MHz entre 807,2 à 924,1 MHz soit 12,98%. La Figure 4.22 présente une comparaison
des impédances simulées de l'antenne (parties réelles (Figure 4.22a) et imaginaires remarquons qu'à la fréquence (Figure 4.22b)) avec
ou sans plaque métallique. Nous de résonance 899,7 MHz, l'impédance d'entrée
Z a = (15,67 + j167,12) . Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée Z a = (12,82 + j167,47) à 895 MHz.
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA sans métal) Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA avec métal)
6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 1 00 0 -1 00 -2 00 -3 00 -4 00 0,80
P artie im aginaire de l'im pédance(Tag P IFA sans m étal) P artie im aginaire de l'im pédance(Tag P IFA avec m étal)
Partie réelle de l'impédance (ohms)
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
0 ,85
0 ,90
0,95
Page 25
0,95
1,0 0
Fréquence (MHz)
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
148
Figure 4.22 Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque métallique Diagrammes de rayonnement 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 avec ou sans la
plaque métallique avec différent valeurs de l’angle sont représentés à la Figure 4.23. La Figure 4.24 présente les Gains en 3D simulés
de l’antenne avec ou sans la plaque métallique. Les maximum de gains de l’antenne, sans ou avec la plaque métallique, sont 2,85 dB
avec
= 50° et 4,36 dB avec = 40° , respectivement. Les résultats montrent un gain de 1,51 dB
lorsque notre Tag RFID-UHF est placée sur la plaque métallique.
Radiation Pattern 3
0
Name m1 m2 m3 Theta Ang Mag
HFSSDesign1
ANSOFT
Radiation Pattern 6
0
Name Theta Ang Mag m1 m2 m3 320.0000 -40.0000 4.3650 360.0000 -0.0000 0.7545 180.0000 180.0000 -15.5876
HFSSDesign1
ANSOFT
360.0000 -0.0000 0.4395 180.0000 180.0000 -0.2013 310.0000 -50.0000 2.8523 m3
-30
m1
30 1.00
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-30
m1
m2
30
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Phi='20deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='30deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz'
Phi='40deg'
0.00
-3.00 60 -7.00
-60
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='10deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-5.00 -60 -10.00 60
Page 26
-11.00
-15.00
-90
90
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='40deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='80deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-90
m3
90
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='50deg' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='60deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
-120
m2
120
-120
120
-150 -180
150
-150 -180
150
(c) Sans plaque métallique
(d) Avec plaque métallique
Figure 4.23 Diagramme de rayonnement de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque métallique avec une variation de l’angle à 915 MHz
149
(c) Sans plaque métallique
(d) Sans plaque métallique
Figure 4.24 Gain de l’antenne Tag avec ou sans la plaque métallique Rapport axial La figure 4.25 montre le rapport axial (RA) en
fonction de la fréquence pour =0° et différentes valeurs de . Nous constatons que en polarisation pour =0° et 0° pour =90° et RA>5
donc notre Tag PIFA n’est pas 360°. Notre Tag est en polarisation circulaire sauf
230° à 900 MHz (Figure 4.26). 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
35.00
HFSSDesign1
Curve Info dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='0deg'
ANSOFT
30.00
dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='10deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='20deg'
25.00 dB(AxialRatioValue)
dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='30deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='40deg'
dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='50deg' dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='60deg'
dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='70deg'
Page 27
dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='0deg' Theta='70deg'
20.00
15.00
10.00
dB(AxialRatioValue)
5.00 0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 Freq [GHz] 0.93 0.95 0.98 1.00
Figure 4.15 : Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de l’angle =0° et 0° 360°
150
XY Plot 12
10.00
HFSSDesign1
ANSOFT
8.75
Curve Info dB(AxialRatioValue) Setup1 : Sw eep Phi='90deg' Theta='230deg'
7.50
Name X Y m1 0.8900 1.3208 0.8100 2.9978 0.9300 3.1205 0.9000 1.4948
dB(AxialRatioValue)
6.25
m2 m3 m4
5.00
3.75
m2 m3
2.50
m4
m1
1.25 0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 Freq [GHz] 0.93 0.95 0.98 1.00
Figure 4.16 Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction =90° et
230°
Résultats de mesure Pour vérifier le fonctionnement de l’antenne PIFA, avec et sans plaque métallique, nous avons mesuré en
chambre anéchoïque la puissance minimale envoyée par le lecteur afin d’activer le Tag PIFA. La Figure 4.25 présente la méthode de
mesure, dans la chambre anéchoïque, de puissance d’activation d'antenne avec une plaque métallique. Nous présentons, dans la
figure ci-dessous (Figure 4.26), une comparaison de la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag, avec et sans plaque
métallique, en champ proche (d=5 cm) qu’en champ lointain (d=65 cm).
Figure 4.25 Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique
151
Puissance minimum d'activation (dBm)
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -1 0 860 880
Tag Tag Tag Tag
RRRR
F ID F ID F ID F ID
UUUU
Page 28
HHHH
FFFF
sans avec sans avec
p la q u e p la q u e p la q u e p la q u e
mmmm
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 )
900
920
940
960
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 4.26 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 pour mieux faire notre
comparaison. En champ proche, l’antenne PIFA sans plaque métallique est plus performante car elle a besoin de -9 dBm pour son
activation à 904 MHz alors que l’antenne PIFA avec plaque métallique a besoin d’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 son activation à 900 MHz et 10,3 dBm
à 890 MHz avec plaque métallique. Nous constatons que la puissance nécessaire d’activation du 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 le chapitre 3. Cette mesure est confirmée par simulation du champ électrique puisque le champ électrique de Tag PIFA avec
plaque métallique est légèrement 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 présentés dans les Figures 4.27.
152
Figure 4.47 Distribution de champ électrique (a) sans plaque (b) avec plaque
Les requêtes reçues par notre Tag PIFA à 900 MHz sont montrées à la Figure 4.27. La portée maximale de Tag PIFA qu’on peut
atteindre en chambre anéchoïque est 3,6 m pour une puissance émise de 17,1 dBm à 900 MHz.
Figure 4.27 Réponse de Tag PIFA reçu à 900 MHz Nous effectuons une autre mesure en déplaçant d’une façon verticale (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 de Lecteur et nous
avons varié la position verticale de Tag PIFA afin de déterminer la meilleur position verticale du Tag où il répond avec moins de
puissance émise d’activation. La photographie du notre banc de mesures expérimentales pour déterminer la position verticale de notre
antenne Tag en chambre anéchoïque est représenté à la Figure 4.28.
153
Figure 4.28 Mesure de la puissance minimale d’activation en déplaçant verticalement notre Tag PIFA La figure 4.29 montre la
puissance minimale nécessaire pour l’activation en déplaçant verticalement notre Tag PIFA. Nous constatons que notre Tag répond
avec un minimum de puissance de 3.9 dBm avec une variation verticale de h=10 cm. Notre Tag à besoin de 4,6 dBm pour son
activation lorsque qu’il est aligné avec l’antenne cornet (h=0 cm).
Puissance m inimum d'activation (dBm )
10
Tag sans plaque métallique avec Tx=0° (d=55 cm)
9
8
7
6
5
4
3 -30 -20 -10 0 10 20 30
Distance (direction verticale)
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Figure 4.29 Puissance minimale d’activation en fonction de la distance verticale de Tag PIFA
Nous avons changé l’orientation du l’antenne cornet d’un angle ! polarisation de notre Tag PIFA comme le montre la figure 4.30.
90° pour tester la
154
Figure 4.30 Mesure de la puissance minimale d’activation avec orientation de lecteur RFID La figure 4.30 montre la puissance
minimale nécessaire pour l’activation avec orientation du Tag PIFA avec ! 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 en position normale (! 0). L’antenne Tag PIFA répond en polarisation verticale et horizontale de
Puissance minimale d'activation (dBm)
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 860 880 900 920 940 960
l’antenne cornet.
Tag PIFA avec Tx=0° (d=55 cm) Tag PIFA avec Tx=90° (d=55 cm)
Fréquence (MHz)
Figure 4.31 Puissance minimale d’activation avec orientation de lecteur RFID Les performances du Tag PIFA, avec et sans la plaque
métallique, ont été mesurées en espace libre à l’aide de dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID qui fonctionne dans la bande
européenne. Figure 4.32 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag (position verticale) et la puissance en
réception du signal reçu (RSS : Received Signal Strength) en fonction de la distance dans le système RFID-UHF.
155
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 ) S e n s ib ilité m e s u r é e d u r é c e p te
ur(dBm)
-5 4 32
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Puissance minimum d'activation (dBm)
-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 10
D is ta n c e (m )
Figure 4.32 Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS : Received Signal Strength) en fonction de
la distance Pour une puissance d'émission maximale 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 -69dBm. Pour
les distances d=2 m, d=5 m, le Tag PIFA et l’antenne cornet ne sont pas parfaitement alignées car nous avons déplacé la position du
Tag à droite du l’antenne cornet d’environ 50 cm pour établir la communication Lecteur-Tag. Nous avons ajouté par la suite une plaque
métallique (300×300 mm2) à notre Tag PIFA qui reste de même en position verticale. Une photographie de Banc de mesures
expérimentales dans un milieu ouvert est présentée sur la figure 4.33. Nous présentons sur la figure 4.34 la puissance minimum
nécessaire pour activer notre Tag (en position verticale), avec plaque métallique, et la puissance en réception du signal reçu en
fonction de la distance.
Figure 4.33 : Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert
156
Puissance m inim ale d'activation du Tag avec plaque métallique(dBm ) Sensibilité m esurée du récepteur (dBm )
-54 32
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Puissance minimum d'activation (dBm)
-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 10
Distance (m)
Figure 4.32 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 sur la figure 4.32 que la portée de l’antenne PIFA avec plaque métallique atteint 9,6 m pour
puissance émise de 31,5 dBm avec une sensibilité mesurée du récepteur de -73 dBm. 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 de Tag PIFA, avec plaque métallique, augmente alors de 3,3 m par rapport au Tag PIFA sans plaque métallique. Nous nous
s'intéressons maintenant à la polarisation circulaire de l’antenne PIFA. Nous avons incliné notre Tag PIFA sur plaque métallique avec
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s'intéressons maintenant à la polarisation circulaire de l’antenne PIFA. Nous avons incliné notre Tag PIFA sur plaque métallique avec
un angle une fois notre Tag PIFA avec un angle 45°, la portée du Tag PIFA
augmente pour atteindre 11 m avec RSS= -72 dBm à 866.9 MHZ. Nous avons incliné encore 45° pour avoir une position horizontale du
Tag
(phi=90°). Nous montrons sur la figure 4.33 que la portée de l’antenne PIFA, en position horizontale et avec plaque métallique, peut
atteindre une grande portée de 18 m pour puissance émise de 30,5 dBm à 867 MHz avec une sensibilité mesurée du récepteur de -74
dBm.
157
Puissance minimale d'activation du Tag en position horizontale avec une plaque métallique (dBm) Sensibilité mesurée du récepteur
(dBm)
Puissance minimum d'activation (dBm)
34 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 20
-44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64 -66 -68 -70 -72 -74 -76 -78
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Distance (m)
Figure 4.32 Puissance minimale d’activation et RSS de l’antenne PIFA en position horizontale et avec plaque métallique en fonction de
la distance
De la même manière que les autres mesures, nous avons besoin de déplacer la position du Tag PIFA à droite du l’antenne cornet pour
activer notre Tag PIFA. Les déplacements de Tag PIFA sont résumés dans le tableau 4.1 ci-dessous : Puissance minimale (dBm) 21
21 28,5 31.5 31.5 30.5 31.5 30.5 RSS (dBm) Distance (m) Décalage du Tag (cm) 55 30 50 30 30 70 0 50
-64 2,6 -64 3 -73 8 -74 10 -75 13 -72 15 -74 18 -72 18 Tableau 4.1 Déplacements de Tag PIFA
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 on décale notre Tag avec 50 cm. Nous constatons ainsi que la puissance nécessaire d’activation devient plus basse qu’on
décale notre Tag PIFA à droite de 50 cm. Nous pensons que ce décalage est dû à l’inclinaison de diagramme de
158
rayonnement de l’antenne PIFA (Figure 4.23a) donc le déplacement de 50 cm permet de corrigé cette inclinaison et d'assurer ainsi une
meilleure communication Tag-Lecteur. Nous constatons donc qu’en utilisant une antenne cornet à polarisation linéaire notre antenne
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 pour ! 0° mais avec polarisation circulaire sauf si ! 90° et 230°. Notre Tag PIFA a été
90° et a été détecté en chambre anéchoïque malgré l’orientation du l’antenne cornet avec !
détecté en espace libre 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 alentours de 900 MHz et cette polarisation n’est pas changer malgré la présence
de plaque métallique. Une antenne PIFA peut être utilisé comme Lecteur ou bien un 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 de l’impédance de la puce. Nous
obtenons (Figure 4.21) le coefficient de réflexion de l’antenne simulé et mesuré en fonction de la fréquence.
2 0 -2 -4
Mesure Simulation (HFSS)
S11 (dB)
-6 -8 -10 -12 -14 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Fréquence (GHz)
Figure 4.21 Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA Nous obtenons un coefficient de réflexion simulé de -5,45 dB à 1,007 GHz, alors
que le coefficient de réflexion simulé est de -12,2 dB à 1,05 GHz. Cette antenne peut être utilisée comme Lecteur si on adapte
l’antenne à la bande RFID-UHF souhaité. L’augmentation de la longueur L2 de la fente d’adaptation entraine la diminution automatique
de fréquence de résonance.
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Conclusion Générale
Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse sont consacrés à la conception, l’optimisation et la réalisation d’antennes en vue
d'améliorer la fiabilité des systèmes RFID. La RFID est une méthode d'identification automatique qui utilise les ondes radio pour lire les
données contenues dans des Tags RFID. Comme chaque nouvelle technologie, la RFID présente quelques limites, qui ne semblent
toutefois pas diminuer son intérêt par rapport aux solutions concurrentes ou complémentaires (code-barres). Une des limitations de ces
Tags est les problèmes rencontrés dans leur fonctionnement en champ proche, leur sensibilité à l’environnement métallique et les
types de polarisation d’antennes adaptées aux applications RFID. Dans ce contexte notre étude s’est articulée autour de trois aspects :
la Conception, l’optimisation et la réalisation des antennes Tags RFID fonctionnant en champ proche et lointain ; la Conception et la
réalisation d'antennes de Tags RFID à coté d’une surface métallique ; l’étude et la conception d'antennes à polarisation circulaire pour
Lecteurs RFID UHF. Cette thèse est divisée en quatre chapitres. Le premier chapitre rappelle l’historique de la RFID puis les
différentes composantes d’une chaîne de communication RFID. Nous avons présenté les principes de fonctionnements et les
caractéristiques de cette technologie RFID. Nous avons aussi présenté des généralités sur les paramètres d’antennes (Coefficient de
réflexion, Impédance d’entrée, Gain…). Ces rappels ont permis nous l’espérons, de faciliter la compréhension des phénomènes mis en
évidence dans ce travail de thèse. Le deuxième chapitre a été dédié à la conception d’antennes en champs proche et lointain. Une des
limitations qui apparait dans les systèmes RFID UHF d’aujourd'hui, est qu'ils ne fonctionnent pas bien à courtes distances (champ
proche). 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.
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Donc, nous avons conçu des nouvelles antennes pouvant fonctionner correctement en champ proche et lointain tout en assurant une
bonne adaptation entre la puce et l’antenne RFID. Dans le troisième chapitre, nous avons traité des prototypes d’antennes fonctionnent
bien en contact des surfaces métalliques. Nous avons conçu deux antennes Tags RFID à couplage à capacitif, 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. Nous avons constaté, d'après les résultats des mesures, que ces Tags fonctionnent
bien avec et sans la plaque métallique. Finalement, dans le quatrième chapitre nous avons présenté la réalisation d’antennes à
polarisation circulaire. Ce chapitre présente tout d’abord deux nouvelles structures d’antennes pour Lecteur à polarisation circulaire. Il
aborde ensuite la conception et la réalisation d’une antenne Tag PIFA à polarisation circulaire pour l’identification d’objets métalliques.
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