AS P - Ecole supérieure des communications de Tunis

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
M. Adel Ghazel
Professeur à SUPCOM de Tunis
Co-Directeur_1
M. Mohamed Mabrouk
Maître-Assistant, HDR, à l’ISETCOM de Tunis
Co-Directeur_2
M. Tan-Phu Vuong
Professeur à l’INP de Grenoble, France
Travail réalisé dans le cadre d'une collaboration entre GRESCOM (LR-11-11-TIC) de SUPCOM de
Tunis et l'IMEP-LAHC (UMR-5130, CNRS-INPG-UJF-Université de Savoie), Grenoble, France.
Remerciements
J’aimerais d’abord exprimer toute ma gratitude à Monsieur Adel GHAZEL, Professeur à
l’Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SUPCOM), pour m’avoir accueilli au sein
du laboratoire GRESCOM (LR-11-TIC-2).
Je remercie vivement Monsieur Mohamed MABROUK, Maitre-Assistant, Habilité
Universitaire, à l’Institut Supérieur des Etudes Technologiques en Communications
(ISETCOM) de Tunis, pour son suivi et son soutien lors de la réalisation de ce travail. Qu’il
trouve ici l’expression de ma profonde reconnaissance, pour les encouragements, les conseils
et la confiance qu’il m’a toujours témoignés.
Je tiens à remercier Monsieur Tan Phu VUONG Professeur à Grenoble INP, de m’avoir
donné l’opportunité de faire des expérimentations au sein de l'IMEP-LAHC et pour ses
conseils, sa compréhension, sa sagesse et son soutien.
Je 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, 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
i
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
ii
Table des matières
Introduction générale............................................................................................................................... 1
Chapitre 1 ................................................................................................................................................ 3
La technologie RFID ................................................................................................................................. 3
1.1. Introduction ...................................................................................................................................... 3
1.2 Bref historique ................................................................................................................................... 4
1.3. Systèmes RFID ................................................................................................................................. 5
1.3.1. Lecteurs RFID ............................................................................................................................. 5
1.3.2. Tags RFID ................................................................................................................................... 7
1.3.4 Couplage Tag/lecteur RFID ....................................................................................................... 10
1.3.4.1 Techniques de couplage RFID en champ proche .............................................................................. 12
1.3.4.2 Techniques de couplage RFID en champ lointain ............................................................................. 14
1.4. Fréquences et normes des systèmes RFID ..................................................................................... 15
1.4.1 Différentes bandes de fréquences ............................................................................................ 15
1.4.2 Normalisation ........................................................................................................................... 18
1.4. Application de la technologie RFID ............................................................................................... 19
1.5. Avantages et inconvénients de la technologie ................................................................................ 20
RFID ...................................................................................................................................................... 20
1.5.1 Avantages de la technologie RFID ............................................................................................ 20
1.7. Paramètres d’une antenne RFID ..................................................................................................... 26
1.7.1. Les paramètres circuits ............................................................................................................ 26
1.7.2. Les paramètres de rayonnement ............................................................................................. 29
1.8. Conception et simulation d'antennes pour Tags RFID en UHF ..................................................... 33
Chapitre 2 .............................................................................................................................................. 43
Antenne RFID-UHF en champ proche et lointain ................................................................................. 43
2.1. Introduction .................................................................................................................................... 43
2.2. Communication RFID en champ lointain....................................................................................... 44
2.2.1. Formule de Friis ....................................................................................................................... 44
2.2.2. Coefficient de transmission en puissance ................................................................................ 46
2.3. Communication RFID-UHF en champ proche............................................................................... 56
2.3.1. Champ proche en RFID ............................................................................................................ 57
2.3.2. La technologie RFID-UHF en Champ proche ............................................................................ 60
iii
2.3.2.1. Antennes pour lecteurs RFID-UHF champ proche ........................................................................... 60
2.3.2.2. Antennes pour lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain .................................................... 64
2.3.2.3. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain .......................................................... 65
2.4. Antennes pour Tags et lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ...................................... 65
2.4.1. Adaptation d’impédance des antennes de Tags RFID-UHF ..................................................... 66
2.4.2. Antennes pour Tags RFID-UHF en champ proche et lointain.................................................. 74
2.4.2.1. Antenne Patch avec deux types d’adaptation ................................................................................. 74
2.4.2. Analyse électromagnétique d’une antenne Tag RFID-UHF en champ proche ................................... 78
2.4.3 Antenne large bande pour la communication RFID en champ proche et lointain.................... 81
2.4.3.1 Conception de l’antenne proposée .................................................................................................. 81
2.4.3.3 Mesures de l’antenne ....................................................................................................................... 85
2.4.4 Antenne de Tag UHF pour des applications RFID en champ proche et lointain ....................... 91
2.4.4.1 Conception de l’antenne proposée .................................................................................................. 92
2.4.5 Antennes magnétiques pour les systèmes RFID UHF en champ proche ................................... 97
2.4.5.1 Antenne méandre avec configuration T-match ............................................................................... 97
2.4.5.2 Antenne méandre à couplage inductif ............................................................................................. 99
2.4.5.3 Mesures des antennes ................................................................................................................... 101
2.5. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ............................................... 104
2.5.1 Antenne circulaire pour lecteur RFID-UHF .............................................................................. 104
2.5.2 Antenne à charge capacitive pour lecteur RFID-UHF ............................................................. 107
Chapitre 3 ............................................................................................................................................ 115
La technologie RFID en environnement métallique............................................................................ 115
3.1. Introduction .................................................................................................................................. 115
3.2. Effets des surfaces métalliques sur les antennes Tag RFID-UHF ................................................ 118
3.3. Effets d’une plaque métallique sur notre antenne Tag avec configuration T-match .................... 120
3.4. Conception et réalisation d'antennes Tags RFID-UHF à proximité d’une surface métallique..... 122
3.4.1. Antenne Tag RFID-UHF à couplage à capacitif ...................................................................... 122
3.4.2. Antenne Tag RFID-UHF avec un stub court-circuité .............................................................. 123
3.4.3. Antenne Tag RFID-UHF avec un stub ouvert d’adaptation ................................................... 128
3.4.4. Antenne à fente pour Tag RFID-UHF ..................................................................................... 133
Chapitre 4 Antennes pour Lecteurs RFID-UHF à polarisation circulaire ........................................... 143
4.1. Introduction.................................................................................................................................. 143
4.2. Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 915 MHz ...................................... 143
4.2.1 Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire .............................................................................. 143
4.2.1. Résultats des simulations et de mesure ........................................................................................... 144
iv
4.2.2 Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 868 MHz ................................... 149
4.2.2.1 Géométrie de l’antenne à 868 MHz ............................................................................................... 149
4.2.2.2 Résultats des simulations et de mesure ......................................................................................... 150
4.3 Antenne Tag RFID-UHF à polarisation circulaire ........................................................................... 154
4.3.1 Antenne PIFA à polarisation circulaire avec et sans plaque métallique ................................. 154
4.3.1.1 Géométrie de l’antenne PIFA ......................................................................................................... 155
4.3.1.2 Résultats des simulations et de mesure ......................................................................................... 156
Bibliographie du chapitre 4 ................................................................................................................. 168
Conclusion Générale............................................................................................................................ 169
v
Table des illustrations
Figure 1. 1. Lecteur RFID : (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [9] ; (2) Antenne AN620 [10] ................... 6
Figure 1. 2. Lecteur RFID à main IP30 [11] ........................................................................................... 6
Figure 1. 3. Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP)........................................................................... 8
Figure 1. 4. Tags RFID en HF (Tag-it HF-I de Texas Instrument) [16].................................................. 8
Figure 1. 5. Tags RFID en UHF commercialisé, (1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas Instruments) [17]
(2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [18] ................................................................................................. 9
Figure 1. 6. Fonctionnement général d’un système RFID....................................................................... 9
Figure 1. 7. Échange de données entre un lecteur et un Tag RFID [19]. .............................................. 10
Figure 1. 8. Les zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice............................................... 11
Figure 1. 9. Communication "lecteur/Tag" dans un système RFID à couplage inductif [25] ............... 13
Figure 1. 10. Rayonnement électromagnétique en champ lointain [26] ................................................ 14
Figure 1. 11. Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés pour les
applications RFID [25] .......................................................................................................................... 16
Figure 1. 12. Prévision de l’évolution du marché de la RFID [30] ....................................................... 20
Figure 1. 13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie mobile GSM ........... 24
Figure 1. 14. Diagramme de rayonnement d’une antenne classique en coordonnées polaires.............. 30
Figure 1. 15. Géométrie de l’antenne dipôle RFID ............................................................................... 34
Figure 1. 16. Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence........................ 34
Figure 1. 17. Impédance d’entrée Z a de l’antenne dipôle..................................................................... 35
Figure 1. 18. ROS de l’antenne dipôle .................................................................................................. 35
Figure 1. 19. Diagramme de rayonnement en 3D de l’antenne dipôle .................................................. 36
Figure 1. 20. Géométrie de l’antenne RFID commercialisé ANL-9640-Squiggle ................................ 38
Figure 1. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne ANL-9640-Squiggle ............................................. 38
Figure 1. 22. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle .................................. 39
Figure 2. 1. Circuit équivalent du Tag RFID......................................................................................... 47
Figure 2. 2. Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID ................................. 48
Figure 2. 3. Circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID .......................................... 49
Figure 2. 4. Circuits équivalents de l'impédance d'entrée de la puce ................................................... 51
Figure 2. 5. Schéma équivalent de Thévenin du Tag RFID .................................................................. 54
Figure 2. 6. Boucle de conduction par couplage magnétique (à gauche) ; circuit équivalent pour une
boucle de conduction par couplage magnétique (à droite)[1.25]. ......................................................... 58
Figure 2. 7. Configuration de l'antenne boucle segmentée [2.20]. ........................................................ 62
Figure 2. 8. Configuration de l'antenne cadre segmentée [2.21]. .......................................................... 62
Figure 2. 9. Photo du prototype d'antenne pour lecteur RFID-UHF [2.23] ........................................... 63
Figure 2. 10. 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]........................................ 67
Figure 2. 11. Géométrie de l'antenne proposée : (a) Vue de dessus (b) Vue de côté ............................ 68
Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée ................................................. 69
Figure 2. 13. Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée ........................................................ 69
Figure 2. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D (b) 3D .............................. 70
Figure 2. 15. Impédance d'entrée de la puce NXP (partie réelle et imaginaire) en fonction de : (a) la
fréquence avec P = -2,6 dBm (b) la puissance d'entrée à 915 MHz [2.46] ........................................... 71
Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de W1 .............................. 72
Figure 2. 17. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de W1 ..................................... 72
Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1 ................................ 73
vi
Figure 2. 19. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1 ...................................... 73
Figure 2. 20. Structure d’antenne Tag avec configuration T-match ...................................................... 74
Figure 2. 21. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne........................................... 75
Figure 2. 22. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF ................................. 76
Figure 2. 23. Structure d’antenne bi-bande pour un Tag en configuration T-match ............................. 76
Figure 2. 24. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne bi-bande ............................ 77
Figure 2. 25. Gain de l’antenne bi-bande du Tag .................................................................................. 77
Figure 2. 26 Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté ................ 78
Figure 2. 27. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre ............................ 79
Figure 2. 28. ROS de l’antenne méandre .............................................................................................. 79
Figure 2. 29 Distribution du champ électrique de l’antenne méandre................................................... 80
Figure 2. 30. Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre ............................................... 80
Figure 2. 31. Antenne méandre proposée .............................................................................................. 81
Figure 2. 32. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre ................................................................. 82
Figure 2. 33. Coefficient de réflexion de Tag avec variation de L3....................................................... 83
Figure 2. 34. Coefficient de réflexion du Tag pour différentes valeurs de L1 ....................................... 83
Figure 2. 35 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre .................................................... 84
Figure 2. 36. Distribution de courant de l’antenne à 867 MHz (z = 0 mm) .......................................... 84
Figure 2. 37. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono-statique ...................... 86
Figure 2. 38. Tag RFID-UHF réalisé..................................................................................................... 86
Figure 2. 39. Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100) .......................................................... 86
Figure 2. 40. Équipements du banc de mesures .................................................................................... 87
Figure 2. 41. Mesure de la portée du Tag en chambre anéchoïque ....................................................... 87
Figure 2. 42. Partie de la réponse de Tag reçu à 867 MHz ................................................................... 87
Figure 2. 43. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et champ lointain en fonction de
la Fréquence .......................................................................................................................................... 88
Figure 2. 44. Puissance minimale reçue avec changement de repère .................................................... 89
Figure 2. 45 Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 868 MHz ........................................... 90
Figure 2. 46. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert .................................................. 90
Figure 2. 47. Puissance minimum en fonction de la distance dans un système RFID .......................... 91
Figure 2. 48. Antenne méandre de Tag RFID-UHF .............................................................................. 92
Figure 2. 49. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée ........................... 93
Figure 2. 50. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne .................................................................. 94
Figure 2. 51. Antenne de Tag RFID-UHF réalisé ................................................................................. 94
Figure 2. 52. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne proposée ............. 95
Figure 2. 53. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et lointain.................................. 95
Figure 2. 54. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 880 MHz .......................................... 96
Figure 2. 55. Puissance minimum en fonction de la distance................................................................ 96
Figure 2. 56. Géométrie de l’antenne méandre proposée ...................................................................... 97
Figure 2. 57. Réalisation de l’antenne méandre proposée ..................................................................... 97
Figure 2. 58. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre ............................ 98
Figure 2. 59. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre ................................................... 98
Figure 2. 60. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne méandre à 910 MHz
............................................................................................................................................................... 99
Figure 2. 61. Réalisation de l’antenne méandre à couplage inductif ..................................................... 99
Figure 2. 62. Coefficient de réflexion et impédance de l’antenne à couplage inductif ....................... 100
Figure 2. 63. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b) ......................................................... 100
vii
Figure 2. 64. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à couplage inductif à
910 MHz .............................................................................................................................................. 101
Figure 2. 65. Puissance minimale reçue par les deux Tags en champ proche et lointain .................... 101
Figure 2. 66. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque ................. 102
Figure 2. 67. Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de θ à 890 MHz .................. 103
Figure 2. 68. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :
Received Signal Strength) en fonction de la distance ......................................................................... 103
Figure 2. 69. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) ................................... 104
Figure 2. 70. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch ................................................................... 105
Figure 2. 71. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch avec variation de R ................................... 105
Figure 2. 72. Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec ϕ=0° (a) et ϕ=90° (b) .............. 106
Figure 2. 73. Diagramme de rayonnement mesuré en 2 D et gain simulé de l'antenne Patch ............. 106
Figure 2. 74. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche ................................................. 107
Figure 2. 75. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) ................................... 108
Figure 2. 76. Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive ............................................. 108
Figure 2. 77. Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation de W3........................................... 109
Figure 2. 78. Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne à 876 MHz ........ 109
Figure 2. 79. Banc de mesures expérimentales de lecteur dans un milieu ouvert ............................... 110
Figure 2. 80. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu en fonction de
la distance ............................................................................................................................................ 110
Figure 3. 1. Photo du prototype d'antenne Tag avec plan de masse [3.8] ........................................... 116
Figure 3. 2. Photo du prototype d'antenne Tag pour surface métallique [3.15] .................................. 117
Figure 3. 3. Photo du Tag RFID sur métal et son application [3.19] .................................................. 118
Figure 3. 4. Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique ........................... 120
Figure 3. 5. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre avec plaque métallique ............. 121
Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=82 mm de plaque métallique .................... 121
Figure 3. 7. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne à une distance de D=82 mm de plaque
métallique ............................................................................................................................................ 122
Figure 3. 8. Géométrie de l’antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le prototype
réalisé (b) ............................................................................................................................................. 124
Figure 3. 9. Antenne Tag RFID avec un stub court-circuité sur une plaque métallique ..................... 124
Figure 3. 10. Coefficient de réflexion de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ............... 125
Figure 3. 11. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ...................... 126
Figure 3. 12. Diagramme de rayonnement de l’antenne sans ou avec la plaque métallique ............... 126
Figure 3. 13. Gain de l’antenne à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique .................... 127
Figure 3. 14. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance .......................................... 127
Figure 3. 15. Géométrie de l’antenne Tag à couplage capacitif avec un stub ouvert d’adaptation ..... 128
Figure 3. 16. Coefficient de réflexion de l’antenne sans ou avec la plaque métallique ...................... 129
Figure 3. 17. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ...................... 129
Figure 3. 18. Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert sans ou avec la plaque
métallique avec une variation de l’angle φ à 915 MHz ..................................................................... 130
Figure 3. 19. Gain de l’antenne Tag à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique............. 131
Figure 3. 20. Puissance minimale reçue par les deux types de Tags en champ lointain ..................... 131
Figure 3. 21. Antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation sous test ............................................... 132
Figure 3. 22. Puissance minimum en fonction de la distance avec et sans la plaque métallique ........ 132
Figure 3. 23. Géométrie de l’antenne à fente ...................................................................................... 134
Figure 3. 24. Languette de court-circuit de l’antenne à fente .............................................................. 134
viii
Figure 3. 25. Antenne Tag RFID à fente réalisé.................................................................................. 134
Figure 3. 26. Coefficient de réflexion de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ........... 135
Figure 3. 27. Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ................. 135
Figure 3. 28. Coefficients de réflexions simulés pour différentes valeurs de L1 ................................. 136
Figure 3. 29. Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans ou avec la plaque ..................... 137
Figure 3. 30. Gain de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ......................................... 137
Figure 3. 31. Mesure de la portée du Tag avec plaque métallique en chambre anéchoïque ............... 138
Figure 3. 32. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en fonction de la
fréquence ............................................................................................................................................. 138
Figure 3. 33. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en champ proche
............................................................................................................................................................. 139
Figure 3. 34. Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du Tag en
fonction de l’angle ........................................................................................................................... 139
Figure 3. 35. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 917 MHz ........................................ 140
Figure 4. 1 Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire : ............................................................ 143
Figure 4. 2. Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire alimentée par couplage : .................... 144
Figure 4. 3. Mesure de S11 de l’antenne à polarisation circulaire ........................................................ 144
Figure 4. 4. Coefficient de réflexion de l’antenne à polarisation circulaire ........................................ 145
Figure 4. 5. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction φ=θ=0° ...................................... 146
Figure 4. 6. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 915 Mhz pour différentes valeurs de φ ....... 146
Figure 4. 7. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b) ........................................................... 147
Figure 4. 8. Tag RFID UHF ALN-9654 .............................................................................................. 147
Figure 4. 9. Mesure de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour différentes positions de
l’antenne : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ........................................................................................................ 148
Figure 4. 10. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne
du Lecteur : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ..................................................................................................... 149
Figure 4. 11. Géométrie de l’antenne du Lecteur à polarisation circulaire : ....................................... 150
Figure 4. 12. Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire à 868 MHZ: ...................................... 150
Figure 4. 13. Coefficient de réflexion de l’antenne à 868 MHz .......................................................... 151
Figure 4. 14. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction φ=θ=0° .................................... 151
Figure 4. 15. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 868 Mhz pour différentes valeurs de l’angle φ
............................................................................................................................................................. 152
Figure 4. 16. Diagrammes de rayonnement de l’antenne proposée en 2D (a) et 3D (b) ..................... 152
Figure 4. 17. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne
du Lecteur : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ..................................................................................................... 153
Figure 4. 18. Antenne Tag PIFA à polarisation circulaire................................................................... 155
Figure 4. 19 . Géométrie de l’antenne Tag PIFA : .............................................................................. 155
Figure 4. 20. Réalisation de l’antenne Tag PIFA ................................................................................ 156
Figure 4. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique .................. 156
Figure 4. 22. Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque métallique ................... 157
Figure 4. 23. Diagramme de rayonnement de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque ...................... 158
Figure 4. 24. Gain de l’antenne Tag avec ou sans la plaque métallique.............................................. 158
Figure 4. 25. Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de
l’angle φ=0° et 0° θ 360°............................................................................................................ 159
Figure 4. 26. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction φ=90° et θ 230° ........................ 159
Figure 4. 27. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique ......... 160
Figure 4. 28. Puissance minimale d’activation de l’antenne PIFA, avec et sans la plaque métallique, en
champ proche et lointain ..................................................................................................................... 160
ix
Figure 4. 29. Distribution de champ électrique (a) sans plaque (b) avec plaque ................................. 161
Figure 4. 30. Réponse de Tag PIFA reçu à 900 MHz ......................................................................... 161
Figure 4. 31. Mesure de la puissance minimale d’activation en déplaçant verticalement notre Tag PIFA
............................................................................................................................................................. 162
Figure 4. 32. . Puissance minimale d’activation en fonction de la distance ........................................ 162
Figure 4. 33. Mesure de la puissance minimale d’activation avec orientation de lecteur RFID ......... 163
Figure 4. 34. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance verticale de Tag PIFA...... 163
Figure 4. 35. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :
Received Signal Strength) en fonction de la distance ......................................................................... 164
Figure 4. 36. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert ................................................ 164
Figure 4. 37. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu de............... 165
Figure 4. 38. Puissance minimale d’activation et RSS de l’antenne PIFA en position ...................... 166
Figure 4. 39. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA ................................................................... 167
x
Liste de tableaux
Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués en
fonction de la région [27]. ........................................................................................................ 16
Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID........ 18
Tableau 1. 3. Incidence des matériaux sur le signal radio ........................................................ 23
Tableau 1. 4. Les largeurs de bande RFID ............................................................................... 26
Tableau 2. 1. Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonction
de la fréquence [2.11] ............................................................................................................... 50
Tableau 2. 2. Exemples de puces RFID-UHF disponibles dans le marché aujourd'hui ........... 51
Tableau 2. 3. Paramètre de l’antenne méandre proposée ......................................................... 82
Tableau 2. 4. Paramètre de l’antenne de Tag RFID-UHF ........................................................ 93
Tableau 2. 5. Paramètre de l’antenne méandre de Tag RFID-UHF ......................................... 97
Tableau 2. 6. Paramètre de l’antenne à charge capacitive...................................................... 107
Tableau 3. 1. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub court-circuité .................................. 124
Tableau 3. 2. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation ......................... 128
Tableau 3. 3. Paramètre de l’antenne Tag à fente .................................................................. 133
Tableau 3. 4. Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour
différentes valeurs de L1 ......................................................................................................... 136
Tableau 4. 1. Paramètre de l’antenne à polarisation circulaire .............................................. 144
Tableau 4. 2. Paramètre de l’antenne à 868 MHz .................................................................. 150
Tableau 4. 3. Paramètre de l’antenne Tag PIFA .................................................................... 156
Tableau 4. 4. Déplacements de Tag PIFA .............................................................................. 166
xi
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 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
les simulations des différents prototypes d’antennes de Tags par un outil de simulation
électromagnétique.
3
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
menées par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et la Commission
électrotechnique internationale (CEI). Au cours des années 1990, la recherche et le
4
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.
le kit Mobile RFID Nokia est le premier téléphone GSM intégré offre de produits avec une
5
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
Figure 1. 5. Tags RFID en UHF commercialisé, (1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas
Instruments) [17] (2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [18]
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. 6. Fonctionnement général d’un système RFID
Dans un système RFID-UHF passif, le fonctionnement peut être divisé en 3 étapes :
1- Une station de base (lecteur) transmet un signal modulé à une fréquence déterminée
vers une ou plusieurs Tags situées dans son champ de lecture. Ce signal contient les
instructions et l’énergie nécessaire pour alimenter le Tag.
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
λ / 2π
(0.16 λ), (valable pour les petites antennes où D << λ) [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 / 2λ et 2D 2 / λ [22], avec D la plus grande dimension de l’antenne et λ 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 2D 2 / λ . 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 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
fortement lorsque la fréquence augmente (moins d'un mètre à 2,5 GHz). Au-delà de ces
14
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 =
Eq.1-1 avec :
f
c
λ
: la fréquence de l'onde (en Hertz);
c : la vitesse de l'onde (en mètre par seconde);
λ : 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. 11. 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 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
Division 1
869,4 à 869,65 MHz
865 à 868 MHz
865,6 à 867,6 MHz (Tunisie)
865,6 à 868 MHz
902 à 928 MHz
(Afrique-Europe)
Division 2
(Amérique)
Puissances maximales d'émissions
autorisées
500 mW ERP
100 mW ERP - LBT
2 W ERP - LBT (10 canaux de 200 kHz)
500 mW ERP
4 W EIRP - FHSS (80 canaux de 325 kHz)
4 W EIRP
4 W EIRP
(Asie-Océanie)
1 W EIRP
2 W EIRP
Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués en fonction de
Division 3
Japon : 952 à 954 MHz
Corée : 908,5 à 914 MHz
Australie : 915 à 928 MHz
China : 917 à 922 MHz
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
Intitulé
ISO 11784, ISO 11785, ISO 14223
Identification radiofréquence des animaux
ISO 10536, ISO 14443, ISO 15693
cartes d'identité - carte à circuit intégré sans contact cartes de proximité
ISO 18000
Identification sans contact des articles
Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID
Le système EPC a pour vocation de devenir l’architecture mondiale permettant
l’harmonisation des échanges de données. Les années 1990 ont vu l'acceptation de la RFID
comme un facteur important dans la gestion de la chaîne d'approvisionnement, ce qui a 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 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
19
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
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. 12. 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.
20
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.
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
pour
identifier (n° d'identification) des individus.
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
21
Bien que les Tags passifs soient moins coûteux que les systèmes de codes à barres, les Tags
actifs sont chers en raison de leur complexité. Les Tags actifs comportent une pile qui
augmente le coût du 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 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
22
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
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].
125 à 135 KHz
13.56 MHz
860 à 960 MHz
2.45 GHz
(BF)
(HF)
(UHF)
(micro-ondes)
Perturbation
Perturbation
Atténuation
Atténuation
Influence de l’eau
Aucune
Atténuation
Atténuation
Perturbation
Influence du
Aucune
Atténuation
Atténuation
Perturbation
Caractéristiques/
Fréquences
Influence du
métal
corps humain
Tableau 1. 3. 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. 13. 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):
∞
π
1
∫ ln Γ dω ≤ RC
Eq.1-2
0
Avec Γ 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 π /(RC ) . Afin d'utiliser
complètement la limite donnée de π /(RC ) pour une largeur de bande désirée de pulsation
(∆ω ) , Γ devrait être l'unité le long de la bande excepté la largeur de bande (∆ω ) .Ceci
signifie une désadaptation maximal en dehors de (∆ω ) (Figure.1-10).
Γ
1
Γ ∆ω
ω
ω1
∆ω
ω2
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) :
Γ ∆ω ≥ 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 Γ ∆ω (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
Europe
USA
Japon
largeur de bande
en MHZ
3
26
6
Tableau 1. 4. Les largeurs de bande RFID
1.7. Paramètres d’une antenne RFID
1.7.1. 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):
Za =
Va
= Ra + j.X a = RR + RP + j.X a
Ia
Eq.1.4
26
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 ).
V max = V directe + V réfléchie
Eq.1-5
V min = V directe − V réfléchie
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):
ρ=
Vmax 1 + Γ
=
Vmin 1 − Γ
Eq.1-7
27
Pour minimiser le rapport d’onde stationnaire, l’antenne est adaptée à l’impédance réelle
d’une ligne de transmission Z 0 (généralement 50 Ω ou 75 Ω). On définit alors le coefficient
de réflexion d’une antenne Γ par (Eq.1-8) :
Γ=
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.
Si Z a < Z 0
Si Z a > Z 0
-1 ≤ Γ <0, Γ =-1 donc la ligne est en court-circuit
0< Γ <+1, Γ =0 donc la ligne est adapté et pour Γ = +1 est en circuit ouvert
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(Γ)
Eq.1-9
La charge peut être une impédance complexe, alors on définit le coefficient de réflexion en
puissance Γ * par (Eq.1-10) [43] :
Γ* =
Z c − Z a*
Zc + Za
Eq.1-10
Γ * est le rapport entre la puissance réfléchie par une charge et la puissance totale maximum
pouvant lui être transmise. Si la charge complexe est conjuguée à l’impédance de l’antenne
( Zc
= Z a* ), donc le maximum de la puissance lui est transmise ( Γ * = 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− Γ
2
Eq.1-11
Avec Pa : la puissance absorbée par la charge
Pd : la puissance directe fournie par l'émetteur
28
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.
1.7.2. 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.
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 θ caractérise la directivité de l’antenne.
29
Figure 1. 14. 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 rayonnée par l'antenne divisée par 4π dans n’importe quelle direction donnée [22]:
Directivité=
I
I
intensité de rayonnement maximum( direction donnée)
= max = 4π max Eq.1-12
PT
intensité de rayonnement moyenne (toutes les directions) I 0
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)
30
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 4π (Eq.1-13):
G = 4π
Intensité de puissance rayonnée dans la direction (θ , ϕ )
I (θ , ϕ )
= 4π
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 η de l’antenne (Eq.1-14) [22]:
G (θ , ϕ ) = η × D(θ , ϕ )
Eq.1-14
avec
η=
puissance effectivement rayonnée
puissance effectivement rayonnée
=
puissance fournie par l ' émeteur puissance effectivement rayonnée + somme des pertes
Le rendement η est déterminé par les pertes dues à une mauvaise adaptation de l’antenne,
aux pertes par effet Joule, aux pertes diélectriques, aux pertes par défaut d’isolement, aux
pertes par rayonnement indésirables et aux pertes dans les obstacles environnants…
Efficacité
31
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)


Les termes ec et ed sont les efficacités qui prennent en compte
Eq.1-16
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):
ecd =
PR
PR + PP
Eq.1-17
D’où l’équation (Eq.1-15) devient (Eq.1-18):
e0 = e r ecd = ecd (1 − Γ )
2
Eq.1-18
La relation entre le gain d’une antenne et sa directivité est donc donnée par (Eq.1-19) :
G(θ , ϕ ) = ecd D(θ , ϕ )
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
32
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].
1.8. 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
33
puce RFID d’impédance complexe Z c . Nous utilisent une puce NXP UCODE de valeur
Z c = ( 22 − j193)Ω [44]. Avant de calculer les dimensions du Tag, les valeurs de la
constante diélectrique relative ε r et l'épaisseur H du substrat d'antenne doivent être connues.
La fréquence de conception est à 868 MHz, le substrat est le FR4 ayant une permittivité
ε 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 λ / 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. 15. 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
HFSSDesign1
ANSOFT
-15.00
Curve Inf o
-20.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
-25.00
dB(S(1,1))
-30.00
-35.00
-40.00
Name
m1
X
Y
0.8680 -49.9968
-45.00
m1
-50.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 1. 16. Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence
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)Ω .
34
XY Plot 4
HFSSDesign1
ANSOFT
300.00
Name
250.00
X
Y
m1
0.8680 23.2180
m2
0.8680 192.8365
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
m2
200.00
Y1
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
150.00
100.00
50.00
m1
0.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 1. 17. 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
HFSSDesign1
3.00
ANSOFT
Curve Inf o
dB(VSWR(1))
Setup1 : Sw eep
2.50
Name
m1
X
Y
0.8680 0.0550
dB(VSWR(1))
2.00
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. 18. 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. 19. 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 (85×22 mm2) [47] avec repliement. Cette antenne Tag est été réalisée avec un
substrat de type PET ayant une permittivité ε r = 3.2 et l’épaisseur de substrat
H = 0.05 mm .
L’ensemble des paramètres de notre antenne Tag sont : LS=85mm,
L1=22.5mm, L2=22mm, L3=3mm, L4=34mm, WS=22mm, W1=5mm, W2=3mm, W3=1mm,
W9=15mm, W10=5mm, W11=2mm. La géométrie de l’antenne patch miniaturisée est
représentée sur la Figure 1.20.
Figure 1.20. Géométrie de l’antenne Tag repliée
Les résultats de simulation de cette antenne sont présentés sur la figure 1.21. L’adaptation de
l’antenne est très bonne avec un coefficient de réflexion de -35,3 dB à 914,3 MHz et une
impédance d’entrée de Z a = (16,2 − j196,3)Ω ainsi qu’une bande passante large de 360
MHz.
36
(a)
(b)
Figure 1. 21. Impédance d’entrée et coefficient de réflexion de l’antenne repliée.
.Cette antenne présente un gain maximum de 1.72 dB (Figure 1.22). Si on compare l’antenne
dipôle à l’antenne miniaturisée on voit que la taille est réduite mais l’antenne miniaturisée
sera moins efficace avec une diminution au niveau du gain.
Figure 1. 22 Diagrammes de rayonnement
Nous avons aussi simulé un Tag RFID-UHF commercialisé de type ANL-9640-Squiggle de
Alien Technology ® [48]. Cette antenne « Squiggle » a été conçue avec une puce Alien Higgs
3 EPC Class 1 Gen 2 d’impédance Z c = (26 − j163)Ω . Pour des raisons économiques, le
substrat utilisé est de type polyester ( H = 50 µm , ε r = 3.2 , tgδ = 0.003 ). La dimension
globale de l’antenne est 98.18×12.31mm2.
37
(a) HFSS
(b) Datasheet [46]
Figure 1. 23. 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.
XY Plot 1
HFSSDesign1
-15.00
ANSOFT
Curve Inf o
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-20.00
dB(S(1,1))
-25.00
Name
X
Y
m1
0.9400 -39.0333
m2
1.1600 -28.3307
m2
-30.00
-35.00
m1
-40.00
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
Freq [GHz]
1.05
1.10
1.15
1.20
Figure 1. 24. 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
-30
HFSSDesign1
Curve Info
m1
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Theta='90deg'
30
-1.00
Name
m1
Phi
Ang
360.0000 -0.0000
ANSOFT
0
Mag
-7.00
1.0012
-60
60
-13.00
-19.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(a) Diagrammes de rayonnement en 2D
38
(b) Diagrammes de rayonnement en 3D
Figure 1. 25. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle
39
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[37] G. De Vita, G. Iannaccone, “Design criteria for the RF section of UHF and microwave
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[38] Alien Technology, Higgs 4 Datasheet, online: http://www.alientechnology.com/wpcontent/uploads/Alien-Technology-Higgs-4-IC-Datasheet.pdf, juin 2014.
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[40] R. M. Fano, “Theoretical Limitations on the Braodband Matching of Arbitrary
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[42] D.Bechevet,"Contribution au développement de tags RFID, en UHF et micro ondes sur
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[43] J. D. Kraus, “Antennas”, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1988.
[44] UCODE G2XM and UCODE G2XL (TSOOP8 Package Specification) from December
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[45]Ansoft HFSS, lien: http://www.ansys.com/fr_fr/Produits/, 10/08/2014.
[46] M. Dhaouadi, M. Mabrouk, S. Tedjini and A. Ghazel " A Broadband Antenna for
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[47] Alien Technology® ALN-9640 Squiggle®, lien: http://www.alientechnology.com/wpcontent/uploads/Alien-Technology-Higgs-3-ALN-9640-Squiggle.pdf
42
Chapitre 2
Antenne RFID-UHF en champ proche et lointain
2.1. Introduction
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.
43
2.2. Communication RFID en champ lointain
2.2.1. 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
4πd 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
Tag
Ae _ Tag
avec
= Sinc.Ae _ Tag
χ
λ2
=
.GTag
4π
Eq.2-2
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
 λ 

=
 4π d 
2
PT
lecteur
G lecteur GTag χ
Eq.2-4
Tag
PR : Puissance reçue au niveau du Tag RFID (Watt)
44
Gtag : Gain de l’antenne du Tag (sans unité)
λ : Longueur d’onde dans l'espace libre (m)
et
χ : Coefficient d’adaptation de polarisation entre l'antenne du lecteur et l'antenne du Tag
La polarisation de l'antenne du Tag doit être adaptée à l'antenne du lecteur afin de maximiser
la distance de lecture, ceci est caractérisé par le coefficient d’adaptation de polarisation. Si les
deux antennes sont parfaitement polarisées, χ peut être 0 ou 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 χ 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
PTTag
est égale au seuil
Tag
(threshold) de puissance de la puce Pseuil (Eq.2-5) [2.3].
λ
d=
4π
PTlecteur .Glecteur .GtagTχ
Tag
pseuil
Eq.2-5
avec T le coefficient de transmission en puissance et
Tag
Pseuil
est le seuil d’activation minimum
de la puce RFID.
La densité de puissance réfléchie Sréf est exprimée comme suit :
Tag
S réf
P .GTag
= T
4π R 2
Eq.2-7
Ainsi, la puissance reçue par le lecteur est
PRlecteur = Ae _ Tag
Sr χ =
Sr G
lecteur
λ2
4π
χ
Eq.2-8
La puissance reçue au niveau du lecteur RFID est déterminée par l’équation (Eq.2-9):
45
2
2
PRlecteur = PT lecteur Glecteur
GTag
 λ 


 4π d 
4
χ
Eq.2-9
Nous pouvons identifier dans (Eq.2-8) la Puissance Isotrope Effective Rayonnée (Eq.2-10) :
PEIRP
= PT
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.
lecteur
R
P
alors
= PEIRP
Glecteur G
2
Tag
 λ 


 4π d 
4
χσ
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
λ
=
4π
4
2
2
PTlecteur Glectuer
GTag
χσ
lecteur
Pseuil
Eq.2-12
Avec
lecteur
σ est la surface équivalente radar et Pseuil
est la sensibilité (plus petit signal qu’un
lecteur peut recevoir) du récepteur du lecteur.
2.2.2. 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
46
réception. Pour que la puce réponde, l'antenne doit être bien adaptée à la puce du point de vue
seuil de puissance minimum.
Figure 2. 1. Circuit équivalent du Tag RFID
Le coefficient de réflexion complexe est défini par (Eq.2-13) :
Γ=
Z a − Z c*
Z a + Zc
Eq.2-13
avec 0 ≤ Γ ≤ 1 ; alors
2
2
( R − Rc ) + j ( X a + X c )
[ Ra + j ( X a + X c )] − Rc
Γ = a
=
( Ra + Rc ) + j ( X a + X c )
[ Ra + j ( X a + X c )] + Rc
2
Soit
2
 Ra
X + Xc 

 − 1
+ j a
Rc
Rc


Eq.2-14
=
 Ra
Xa + Xc 
 + 1

+ j
Rc
 Rc

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
Γ =
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] :
47
Pc = Pa (1 − Γ ) = PaT
2
Eq.2-17
Où Pa est la puissance disponible maximum de l'antenne et T est le coefficient de
transmission en puissance.
La Figure 2.2 présente la transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID.
Figure 2. 2. Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID
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 ≤τ ≤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 + Γ =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
états Z c1 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.
48
Figure 2. 3. Circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID
Pour obtenir le maximum de transfert de puissance entre l'antenne et la puce du Tag, le
principe d’adaptation d’impédance impose que l’impédance de l'antenne doit être le conjugué
de l'impédance complexe de la puce Z c
= Z a* .
L'onde électromagnétique délivrée par le lecteur, "réveille" 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
lecteur. Le premier état d'impédance Z c1 , 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)
Impédances ( Ω )
866
25-237j
49
915
23-224j
953
21-216j
Tableau 2. 1. Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonction de la
fréquence [2.11]
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 =50Ω, 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 .
Z c = −Z 0 .
S11 + 1
S11 − 1
Eq.2-20
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
Rc (Ω)
Cc (pF)
(dBm)
Alien Higgs 4
-18.5
1500
0.85
Alien Higgs 3
-18
1500
0.85
NXP UCODE
-15
1385
1.16
G2XM/ G2XL
50
Impinj Monza 5
-17.8
1800
0.825
Impinj Monza 4
-17.4
1650
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 Ω < X c < −100 Ω [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
RFID.
Xc =
Dans
le
cas
d’un
circuit
équivalent
en
série
Z c = Rc // X c
avec
−j
−j
.
=
cω 2πf r c
51
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 σ peut être défini par : σ = σ
struct+
σ 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 σ est une mesure de puissance re-rayonnée par une cible dans
une direction donnée quand celle-ci est illuminée par une onde incidente. La SER d’un objet
est définie comme suit (Eq.2-21) [2.14]:
σ =
1 2πREstruct
πREant
− (1 − Γa )
π
Einc
Einc
2
Eq.2-21
Où R : la distance entre l'antenne du lecteur et l’antenne du Tag.
Estruct : le champ électrique du mode structure vers l'antenne du lecteur (court-circuit).
Einc : le champ électrique incident vers l'antenne du Tag.
Γa : le coefficient de réflexion de l’antenne du Tag.
52
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 = 2η 0 S
Eq.2-22
Avec η 0 est l'impédance de l’onde dans le vide.
Alors l’expression de SER devient (Eq.2-23):
2
S
S
σ = 2πR struct − (1 − Γa )πR ant
S inc
S inc
π
1
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):
σ = lim
R→ ∞
4 πR 2
S réf
2
S inc
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 = 1 − Γ*
.K
2
Eq.2-25
Eq.2-26
Où Γ * est le coefficient de réflexion modifié défini par [2.15]:
Zc − Za
Z a + Zc
*
Γ* =
alors
K=
4 Ra
Eq.2-27
2
Za + Zc
2
Eq.2-28
53
finalement [2.16]
σ = Ae _Tag . GTag . K =
λ2 .Gtag 2 .Ra 2
π Za + Zc
Eq.2-29
2
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 R r 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
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
54
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) :
2
V eff Rc
2
PRTag = I eff Rc =
( Rr + RL + RC ) 2 + ( X a + X c ) 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 Sin (Eq.2-32).
2
Ae _ tag
V eff Rc
P Tag
= R =
S in
S in [( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 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
_ tag =
V eff
2
Eq.2-33
4S in Rc
Puisque Ra = Rr + RL une partie de la puissance sera dissipée comme chaleur (Eq.2-34):
2
PL = I eff RL
Eq.2-34
La puissance re-rayonnée dans l'espace par l'antenne est la suivante (Eq.2-35):
2
V eff Rr
2
PTTag = I eff Rr =
( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 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 Sin (Eq.2-36).
2
σ ant =
Tag
T
V eff Rr
P
=
S in
S in [( Rr + RL + Rc ) 2 + ( X a + X c ) 2 ]
Eq.2-36
Si l'antenne fonctionne dans une condition maximum de transfert de puissance et sans pertes,
c'est-à-dire R L = 0 , Rr = Rc et X a = − X c dans ce cas (Eq.2-37):
55
σ ant =
V eff
2
4S in Rr
Eq.2-37
alors dans le cas d’une adaptation d’impédance où Rr = Rc :
σ 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
σ ant
=
V eff
2
S in Rr
= 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
σ ant
=0Z
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
_ tag selon les valeurs de l’impédance Z c . En particulier, la SER avec antenne
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.
2.3. Communication RFID-UHF en champ proche
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
56
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.
2.3.1. 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 =
λ
2π
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 =
1
2π L C
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
2.6).
La boucle L2 représente l’antenne du Tag avec R 2 est la résistance de bobine de
l'antenne du Tag et RL représente la résistance de charge.
57
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):
r
r µ 0 .I dl .rr
dB =
4π r 3
Eq.2-43
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=
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
En s’appuyant sur la relation liant le champ d’induction magnétique B avec l’intensité du
champ magnétique H (Eq.2-45):
58
B = µ 0 .µ r .H = µ.H
Eq.2-45
On peut ainsi définir le champ magnétique par (Eq.2-46):
H=
I .N .r 2
Eq.2-46
2 (r 2 + x 2 ) 3
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
k ( x) ≈
rTag ≤ rlecteur (Eq.2-48):
2
2
rTag
.rlecteur
2
rTag .rlecteur .( x 2 + rlecteur
)3
Eq.2-48
En raison du lien fixe entre le coefficient de couplage k et l'inductance mutuelle M, et en
raison du rapport M = M 12 = M 21 , la formule s'applique également aux antennes émettrices qui
sont plus petites que les antennes réceptrices de Tag avec rTag
k ( x) ≈
≥ rlecteur (Eq.2-49) [1.25]:
2
2
rTag
.rlecteur
2
rTag .rlecteur .( x 2 + rTag
)3
Eq.2-49
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
magnétiqueψ . 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].
59
2.3.2. 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).
2.3.2.1. 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 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
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.
60
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.
61
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
une boucle parasite dans lequel les boucles sont réalisées en utilisant des lignes segmentées
62
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. 9. 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.
63
2.3.2.2. Antennes pour lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain
Afin d'identifier efficacement les Tags dans le système RFID-UHF champ proche, un champ
magnétique fort et uniforme produit par l'antenne du lecteur est nécessaire. D’autres
applications RFID nécessitent la communication en champ proche et en champ lointain. Bien
que plusieurs travaux ont été effectués sur les antennes de lecture RFID-UHF en champ
proche, nous trouvons à peine des publications sur la conception de l'antenne du lecteur pour
les opérations en champ proche et lointain à la même fréquence simultanément. Les exigences
d'antenne pour le système RFID en champ proche sont différentes de ceux du système de
RFID en champ lointain. Une antenne qui propose la distribution de champ magnétique
uniforme dans la région de champ proche tout en fournissant une performance souhaitée de
rayonnement en champ lointain est souhaitable pour réduire les coûts, augmenter la flexibilité
et simplifie la complexité du système RFID. Des brevets [2.28] [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 Ω, 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 proposée a une forte distribution de courant de surface avec un gain convenable de
64
−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.
2.3.2.3. 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.
2.4. 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.
65
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.
2.4.1. 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.
66
(a)
(b)
(c)
Figure 2. 10. 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 fréquence et la
puissance reçue et varie ainsi en deux états d’impédances différentes Z c1 et Z c2 .
Antenne adaptée à l’impédance du datasheet de la puce
67
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. 11. 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 :
ε r = 3.2 , et tangente perte : tan δ = 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)Ω 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)Ω . 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
68
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)Ω . 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.
XY Plot 3
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
m3
m2
-10.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-15.00
Name
-20.00
X
Y
m1
0.9131 -48.6863
m2
0.6455 -10.1572
m3
0.9636 -9.7005
d B (S (1 ,1 ))
-25.00
-30.00
Name
Delta(X)
Delta(Y)
Slope(Y)
InvSlope(Y)
d(m2,m3)
0.3182
0.4567
1.4353
0.6967
-35.00
-40.00
-45.00
m1
-50.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
225.00
Curve Info
200.00
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
m2
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
Name
175.00
X
Y
m1
0.9131 22.1185
m2
0.9131 194.4295
150.00
Y1
125.00
100.00
75.00
50.00
25.00
m1
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 13. Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée
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.
69
Radiation Pattern 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
Curve Info
0
-30
max(dB(GainTotal))
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz'
30
-1.00
-7.00
-60
60
-13.00
-19.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 2. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D
(b) 3D
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 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).
70
.
Figure 2. 15. Impédance d'entrée de la puce NXP (partie réelle et imaginaire) en fonction de : (a) la
fréquence avec P = -2,6 dBm (b) la puissance d'entrée à 915 MHz [2.46]
L'impédance mesurée a été fait pour deux configurations: la fréquence fixe et la puissance
i
i
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,
Mesuré
donc la valeur de l’impédance mesurée est Z c
= ( 25.6 − j147.79)Ω .
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.
71
XY Plot 3
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-8mm'
-10.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7.5mm'
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7mm'
-15.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6.5mm'
m6
-20.00
dB(S(port,port))
Name
-25.00
-30.00
X
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6mm'
Y
m1
0.9232 -41.7075
m2
0.9131 -30.5071
m3
0.8980 -24.7801
m4
0.8727 -23.2779
m5
0.8374 -22.4991
m6
0.9131 -19.5135
m5
m4
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-5.5mm'
m3
m2
-35.00
-40.00
m1
-45.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de W1
XY Plot 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
140.00
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
220.00
Curve Info
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-8mm'
Curve Info
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-8mm'
120.00
Name
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7.5mm'
Y
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-7.5mm'
Name
180.00
m1
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-7mm'
0.9232 25.0321
160.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6mm'
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-6mm'
m1
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-5.5mm'
140.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-5.5mm'
60.00
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-7mm'
Y
im(Z(port,port))
Setup1 : Sweep1
w 1='-6.5mm'
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
w 1='-6.5mm'
80.00
X
0.9232 145.4125
i m ( Z ( p o r t,p o r t) )
r e ( Z ( p o r t,p o r t) )
X
m1
100.00
200.00
120.00
40.00
100.00
m1
20.00
80.00
60.00
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Freq [GHz]
Figure 2. 17. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de W1
A partir du résultat, nous pouvons voir que par la diminution de la taille de la boucle,
l'impédance (parties réelles et imaginaires) de l'antenne diminue. Les caractéristiques
d'impédance montrent que la résistance et la réactance de l'impédance d'entrée de l'antenne
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.
72
1.10
XY Plot 1
Ansoft LLC
HFSSDesign1
-5.00
Curve Info
-10.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='20mm'
-15.00
Name
d B (S (p o rt,p o rt))
-20.00
-25.00
X
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
Y
m1
0.9384 -49.5482
m2
0.9232 -39.7034
m3
0.9485 -38.8358
m4
0.9131 -36.5527
m5
0.9030 -32.9617
m6
0.8879 -30.5322
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='23mm'
-30.00
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='24mm'
m6
dB(S(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='25mm'
m5
-35.00
m4
m3
m2
-40.00
-45.00
m1
-50.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1
XY Plot 2
Ansoft LLC
HFSSDesign1
160.00
Curve Info
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
m2
140.00
Name
120.00
X
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
Y
m1
0.9384 26.0494
m2
0.9384 148.7315
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='23mm'
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='24mm'
100.00
Y1
im(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='25mm'
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='20mm'
80.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='21mm'
60.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
L1='22mm'
40.00
re(Z(port,port))
Setup1 : Sw eep1
m1
20.00
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
Freq [GHz]
Figure 2. 19. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1
On peut voir que la bonne impédance peut être obtenue (25,03 Ω + 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.
73
2.4.2. 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.
2.4.2.1. 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.
Figure 2. 20. 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 ε r = 2.25 et tan δ = 0 .01 . L’adaptation de l'antenne a été
réalisée avec une puce ayant une impédance Z c
= (12 − j155)Ω . 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.
74
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)Ω , ainsi l’antenne présente une bande passante étroite de 32 MHz.
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
15.00
Name
10.00
m1
X
0.9000
HFSSDesign1
5000.00
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
Y
XY Plot 2
Ansoft Corporation
Curve Info
4000.00
-25.3933
Name
X
Y
Curve Info
m1
0.9000
28.2414
m2
0.9000
160.2959
im(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
re(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
5.00
0.00
2000.00
-5.00
Y1
d B ( S (L u m p P o r t1 ,L u m p P o rt1 ) )
3000.00
BP=32 MHz
1000.00
-10.00
m2
m1
0.00
-15.00
-1000.00
-20.00
-2000.00
m1
-25.00
-30.00
-3000.00
0.70
0.75
0.80
0.85
Freq [GHz]
0.90
0.95
1.00
0.70
0.75
0.80
0.85
Freq [GHz]
0.90
0.95
1.00
Figure 2. 21. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne
La Figure 2.18 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
75
(b) Champ magnétique de l’antenne en configuration T-match
Figure 2. 22. 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 ε r = 4,4 et
tan δ = 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. 23. 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)Ω . Cette adaptation est confirmée par les résultats
76
de simulation du coefficient de réflexion et de l’impédance d’entré de l’antenne qui sont
montrés à la Figure 2.18.
XY Plot 3
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
XY Plot 2
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
400.00
-5.00
-10.00
Name
X
Y
m1
0.8687
-29.2943
m2
0.9318
-35.8041
Curve Info
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
350.00
300.00
Name
X
Y
Curve Info
m1
0.8687
27.5230
m2
0.8687
181.2872
im(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
m3
0.9318
15.7177
m4
0.9318
193.3640
re(Z(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
250.00
-20.00
Y1
d B (S (L u m p Po rt1 ,L u m p P o rt1 ))
-15.00
200.00
m4
m2
-25.00
150.00
m1
-30.00
100.00
-35.00
m2
50.00
m1
m3
-40.00
0.00
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
0.75
0.80
Freq [GHz]
0.85
0.90
0.95
1.00
Freq [GHz]
.
Figure 2. 24. 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)Ω aussi la seconde avec S11=-35,8 dB à
931,8 MHz et Z a = (15.7 − j193,3)Ω . 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. 25. 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.
77
(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
2.4.2. 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. 26 Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté
78
L'antenne a été conçue en utilisant une puce NXP UCODE d’impédance Z c = ( 22 − j193)Ω .
L'impédance de l'antenne doit être le complexe conjugué de l’impédance qui correspondant à
Z c = (22 + j193)Ω 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)Ω .
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
XY Plot 3
Ansoft Corporation
-5.00
HFSSDesign1
250.00
Curve Info
Name
X
Y
Curve Info
Name
X
Y
m1
0.9000
-31.4280
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
m1
0.9000
21.0407
m2
0.9000
182.8947
im(Z(LumpPort1,Lu
Setup1 : Sw eep1
re(Z(LumpPort1,Lum
Setup1 : Sw eep1
-10.00
200.00
150.00
Y1
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
m2
-15.00
-20.00
100.00
-25.00
50.00
-30.00
m1
m1
-35.00
0.50
0.75
1.00
Freq [GHz]
1.25
1.50
0.00
0.50
0.75
1.00
Freq [GHz]
1.25
1.50
Figure 2. 27. 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.
XY Plot 4
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
8.00
7.00
Name
X
Y
m1
0.9000
0.4662
Curve Inf o
dB(VSWR(LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
dB(VSWR(LumpPort1))
6.00
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. 28. ROS de l’antenne méandre
79
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. 29 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. 30. Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre
80
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.
2.4.3 Antenne large bande pour la communication RFID 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.
2.4.3.1 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. 31. 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 ε r = 2.2 et de tangente de pertes tan δ = 0.009 , avec une taille globale de
77×14 mm2.
Variable
(mm)
L1
24.6
L2
21
L3
16
L4
73
L5
1
L6
2
L7
2.5
L8
2.5
L9
3
L10
3.5
L11
2
81
Variable
W1
W2
W3
W4
W5
W6
W7
W8
W9
(mm)
9.5
7.5
6
6.5
7
7.5
1
0.5
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
Ω 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 ) Ω . Ceci nous permet de voir que l’impédance de l’antenne doit
être Z a = (30.4 + j 208)Ω pour permettre un transfert maximum de puissance de l’antenne
vers la puce. Le coefficient de réflexion simulé dans ce cas est représenté à la Figure 2.26, 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
-1 0
11
S (dB)
-8
-1 2
-1 4
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1 ,0
1 ,1
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2. 32. 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
Mesuré
mesurée [2.52] de la puce est alors de Z c
= (26 − j163)Ω . 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.
82
-5
-1 0
S11 (dB)
-1 5
-2 0
-2 5
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 '
-3 0
-3 5
-4 0
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1 ,0
1 ,1
F ré q u e n c e (G H z )
Figure 2. 33. 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 Ω. Comme nous travaillons dans la
bande Européenne RFID (865-868MHz), nous étions obligés de faire un compromis en
réajustant L3=16 mm et nous avons pu obtenir ainsi un meilleur coefficient de réflexion de
21,9 dB à la fréquence de 867,7 MHz.
-5
S11 (dB)
-10
-15
-20
L1='18mm' L3='19mm'
L1='20mm' L3='19mm'
L1='22mm' L3='19mm'
L1='24mm' L3='19mm'
L1='24.6mm' L3='19mm'
L1='24.6mm' L3='16mm'
-25
-30
-35
-40
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Fréquence (GHz)
Figure 2. 34. 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
83
fonctionnement, il est toujours préférable d’avoir une antenne Tag couvrant toute la bande
UHF RFID, c'est-à-dire
dire de 860 à 960 MHz, afin d’assurer tout au moins un fonctionnement
partiel. C’est pourquoi, nous avons fait en sorte pour que la conception de notre antenne vise
des pertes par réflexion meilleures que 10 dB à la fréquence de travail. Ainsi nous avons pu
obtenir un S11 ≥ 10dB sur environ 155 MHz autour de 868 MHz, c'est-à-dire
c'est dire 17,8%, entre 730
et 885MHz.
ndre présente un gain de 1,5 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de
L’antenne méandre
l’antenne est représenté à la Figure 2.29.
Figure 2. 35 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 notre antenne est représentée à la Figure 2.30.
Figure 2. 36. 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
utili
dans des
applications de communications en champ proche. Les antennes Tag utilisés pour des
communications en champ lointain (FFC) ne peuvent pas forcément bien fonctionnés en
84
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.
2.4.3.3 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 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.
85
Figure 2. 37. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono-statique
mono
Le prototype de notre antenne que nous avons réalisé est montré la Figure 2.32, il est adapté à
Mesuré
l'impédance de la puce mesurée Z c
= (26 − j163)Ω .
Figure 2. 38. Tag RFID-UHF réalisé
Les antennes ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF
LDS
(Laser Direct Structuring) en utilisant
la machine à graver LPKF (protomat S100) (Figure 2.33) [2.53].
.
Figure 2. 39.
39 Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat 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 800-1000
800
MHz. Nous
utilisons un circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réception.
réc
Nous
86
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. 40. 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. 41. 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. 42. Partie de la réponse de Tag reçu à 867 MHz
87
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.
Puissance minimum d'activation (dBm)
M e s u re e n c h a m p lo in ta in (d = 6 0 c m )
M e s u re e n c h a m p p ro c h e (d = 1 8 c m )
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
800 820 840 860 880 900 920 940 960 980
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2. 43. 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.
88
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
Puissance minimum d'activation (dBm)
simulations et dans les mesures en réflexions standards.
M e su re en c h a m p lo in ta in (d = 6 0 c m ))
14
12
120 M Hz
10
8
6
38 M Hz
4
2
0
800
820
840
860
880
900
920
940
960
980
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2. 44. 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
89
θ à 868 MHz mesurée à d = 60 cm et ϕ = 0° . En champ lointain de l'antenne du lecteur, la
puissance minimale mesurée émise par le lecteur est de l’ordre de 2,5 dBm à 868 MHz
lorsque l’angle est θ = 70° .
M esure de la puissance m inim ale(d=60 cm )
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
90
120
60
150
30
180
0
210
330
240
300
270
Puissance m inim um d'activation (f=868 M Hz)
Figure 2. 45 Puissance minimales mesurée en fonction de θ 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. 46. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert
90
Puissance minimum d'activation (dBm)
Figure 2.41 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag RFID-UHF en
fonction de la distance dans le système RFID.
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
D is ta n c e (m )
Figure 2. 47. 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.
2.4.4 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]:
91
2
2
C ∝ f 2 NTag
STag
B2α
Eq.2-50
Où f est la fréquence, N Tag est le nombre de spires de l’antenne bobine du Tag, STag 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 α 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.
2.4.4.1 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
ε r = 2,2
et
tan δ = 0,009 , avec une taille globale de 68×19.7 mm2.
Figure 2. 48. Antenne méandre de Tag RFID-UHF
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données en mm dans le tableau 2.4.
92
Variable
(mm)
L1
20,7
L2
17,6
L3
6,3
L4
4,9
W1
7,6
W2
15,7
Lsub
68
Wsub
19,7
Tableau 2. 4. Paramètre de l’antenne de Tag RFID-UHF
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 Ω et 0,85 pF. Nous avons optimisé
Mesurée
cette antenne avec l’impédance mesurée de la puce Z c
= (26 − j163)Ω . 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)Ω .
-12
-14
Impédance (ohms)
-16
S11 (dB)
-18
-20
-22
-24
-26
-28
-30
-32
-34
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
Fréquence (GHz)
1,00
Partie imaginaire de l'impédance(ohms)
Partie réelle de l'impédance(ohms)
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (GHz)
Figure 2. 49. 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.
93
.
Figure 2. 50. 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.
Figure 2. 51. 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 l'antenne de Tag proposée.
94
(a)
(b)
Figure 2. 52. 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
proche (d=18 cm) et 2,8 dBm en champ lointain (d=65 cm).
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. 53. 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
θ
à 880 MHz mesurée à d = 65 cm et ϕ = 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 θ = 60° .
95
Mesure de la puissance minimale (d=65cm)
90
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
120
60
30
150
180
0
330
210
240
300
270
Puissance minimum d'activation (f=880 MHz)
Figure 2. 54. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 880 MHz
Les performances du Tag RFID en champ proche et en champ lointain ont été mesurées en
espace libre à l’aide de dispositif ThingMagic M6E de lecteur RFID.
Puissance minimum d'activation (dBm)
Figure 2.49 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag en fonction de la
distance dans le système RFID-UHF.
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Distance (m)
Figure 2. 55. 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
96
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.
2.4.5 Antennes magnétiques pour les systèmes RFID UHF en champ proche
2.4.5.1 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 ε r = 4,4 et tan δ = 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
W2
W3
Lsub
Wsub
2
3
7
77
17
Tableau 2. 5. Paramètre de l’antenne méandre de Tag RFID-UHF
Figure 2. 56. Géométrie de l’antenne méandre proposée
La réalisation de cette antenne méandre est représentée sur la Figure 2.51.
Figure 2. 57. Réalisation de l’antenne méandre proposée
97
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)Ω .
XY Plot 1
HFSSDesign1
XY Plot 2
ANSOFT
-10.00
HFSSDesign1
250.00
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
-15.00
ANSOFT
Curve Info
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Name
200.00
-20.00
X
Y
m1
0.9100 27.0468
m2
0.9100 161.6603
m2
Name
m1
Y
150.00
0.9100 -42.5687
Y1
d B ( S ( 1 ,1 ) )
-25.00
X
-30.00
100.00
-35.00
50.00
-40.00
m1
m1
-45.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
.
Figure 2. 58. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre
L’antenne méandre proposée présente un gain de 1,78 dB. Le diagramme de rayonnement 3D
de l’antenne est représenté à la Figure 2.53.
Figure 2. 59. 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.
98
1.20
(b)
(a)
Figure 2. 60. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne méandre à 910
MHz
2.4.5.2 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
Figure 2. 61. 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)Ω .
99
XY Plot 1
HFSSDesign1
-10.00
XY Plot 2
ANSOFT
HFSSDesign1
250.00
Curve Info
ANSOFT
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
Name
200.00
-20.00
X
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
Y
m1
0.9100 25.1173
m2
0.9100 162.4455
m2
Name
-30.00
Y
150.00
0.9100 -55.2833
Y1
d B ( S ( 1 ,1 ) )
m1
X
100.00
-40.00
50.00
-50.00
m1
m1
0.00
-60.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
0.60
1.20
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
.
Figure 2. 62. 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
360.0000 -0.0000 1.7994
HFSSDesign1
ANSOFT
0
Curve Info
m1
max(dB(GainTotal))
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz'
-30
30
0.00
-5.00
-60
60
-10.00
-15.00
-90
90
-120
120
-150
150
-180
(b)
(a)
Figure 2. 63. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
Les simulations de la distribution du champ magnétique et de courant de l'antenne à 910 MHz
sont présentés dans les Figures 2.58a et b, respectivement.
(a)
(b)
100
1.20
Figure 2. 64. 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.
2.4.5.3 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
Tags aussi bien en champ proche (18 cm) qu’en champ lointain (65 cm).
A nte nn e
A nte nn e
A nte nn e
A nte nn e
à c ou plag e ind uc tif e n ch am p pro ch e (d= 18 c m )
av e c T -m atc h en ch am p lo intain (d = 65 cm )
à c ou plag e ind uc tif e n ch am p pro ch e (d= 18 c m )
av e c T -m atc h en ch am p lo intain (d = 65 cm )
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-1 0
-1 2
850
860
870
880
890
900
910
920
930
940
950
960
970
F réq u en ce (M H z)
Figure 2. 65. Puissance minimale reçue par les deux Tags en champ proche et lointain
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.
101
Figure 2. 66. 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
θ
à 890 MHz mesurée à d = 65 cm et ϕ = 0° . En champ lointain de
l'antenne du lecteur, la puissance minimale mesurée est presque la même pour les deux Tags,
de l’ordre de 2,1 dBm pour le Tag à couplage inductif et 2,06 dBm pour le Tag avec T-match
lorsque l’angle est θ = 140 ° .
102
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
120
60
3,2
3,0
2,8
30
150
2,6
2,4
2,2
2,0
2,0
180
0
2,2
2,4
2,6
2,8
330
210
3,0
3,2
240
3,4
300
270
Puissance minimum d'activation (f=890 MHz)
Figure 2. 67. Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de θ à 890 MHz
Les performances du Tag avec configuration T-match en champ proche et en champ lointain
ont été 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.
-35
32
30
-40
28
26
-45
24
-50
22
20
-55
18
16
-60
14
12
-65
10
-70
8
6
-75
4
2
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Puissance minimum d'activation (dBm)
Puissance m inim ale perm ettant l'activation du Tag(dBm )
Sensibilité m esurée du récepteur (dBm )
-80
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Distance (m)
Figure 2. 68. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :
Received Signal Strength) en fonction de la distance
103
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.
2.5. 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.
2.5.1 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. 69. 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).
104
0
-5
S11 (dB)
-10
-15
Simulation (HFSS)
Mesure
-20
-25
-30
-35
800
850
900
950
1000
Fréquence (MHz)
Figure 2. 70. 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
S11 (dB)
-10
-15
-20
-25
R=44 mm
R=45 mm
R=46 mm
R=47 mm
R=48 mm
R=49 mm
-30
-35
-40
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (MHz)
Figure 2. 71. 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
105
progressivement dans la direction en s'éloignant du centre de l'antenne. Nous pouvons voir
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. 72. Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec ϕ=0° (a) et ϕ=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. 73. 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.
106
Puissance minimum d'activation (dBm)
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.
Mesure en champ proche (d=9 cm)
4
3
2
1
0
-1
910
915
920
925
930
935
940
Fréquence (MHz)
Figure 2. 74. 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.
2.5.2 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
L1
L2
W1
W2
W3
W4
R1
R2
R3
R4
R5
R6
(mm)
40
6,12
36
1
0,46
2
4,8
9
12,5
13,9
15
16
Tableau 2. 6. Paramètre de l’antenne à charge capacitive
107
(b)
(a)
Figure 2. 75. 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
passante de 10,5 MHz (965 à 975,5 MHz), qui couvre la bande RFID-UHF
RFID UHF européenne.
2
0
-2
11
S (dB)
-4
-6
-8
-1 0
-1 2
-1 4
M e s u re
s im u la tio n (H F S S )
-1 6
-1 8
800
850
900
950
1000
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2. 76. 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 Figure 2.71 représente le coefficient de réflexion simulé de
l'antennee avec variation de W3. Alors avec la variation de W3, l'antenne peut fonctionner sur
plusieurs bandes RFID-UHF
UHF (l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine, etc).
108
2
0
-2
-4
S11 (dB)
-6
-8
-1 0
-1 2
-1 4
-1 6
-1 8
W 3 = 0 ,4 m m
W 3 = 0 ,4 5 m m
W 3 = 0 ,7 m m
W 3 = 1 ,2 m m
-2 0
0 ,8 0
0 ,8 5
0 ,9 0
0 ,9 5
1 ,0 0
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 2. 77. 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
à 876 MHz sont présentés dans les Figures 2.72a et b, respectivement. On observe que le
champ magnétique est fort et uniforme
un
sur la totalité de l’antenne.
(a)
(b)
Figure 2. 78. Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne 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,
T match, déjà présenté dans (§2.1.5.1).
L’antenne de lecteur RFID-UHF
UHF présente une distance de lecture maximale de 7 cm à 870
MHz. En espace libre, nous avons mesuré l’antenne du lecteur avec le Tag
Ta configuration
T-match
match en champ proche et en champ lointain. La configuration de test pour tester le Tag est
illustrée à la Figure 2.73.
109
Figure 2. 79. 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)
-30
Puissance minimum d'activation (dBm)
30
28
-40
26
24
22
-50
20
18
16
-60
14
12
10
-70
8
6
4
-80
2
0
0
2
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
32
4
Distance (m)
Figure 2. 80. 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.
110
Bibliographie du chapitre 2
[2.1]
[2.2]
[2.3]
[2.4]
[2.5]
[2.6]
[2.7]
[2.8]
[2.9]
[2.10]
[2.11]
[2.12]
[2.13]
[2.14]
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114
Chapitre 3
La technologie RFID en environnement métallique
3.1. Introduction
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 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 réflexions 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.
115
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 ε r = 1.1 et d’épaisseur 2.4 mm entre le plan de masse et le
substrat. Cette couche de mousse permet l’isolation entre le plan de masse et l’antenne
puisqu’elle va absorber une partie de l'énergie RF. Cette couche de mousse rend le Tag RFID
très épais avec un coût de fabrication plus cher.
Figure 3. 1. Photo du prototype d'antenne Tag avec plan de masse [3.8]
Un autre concept développé par J.-S. Kim et al. [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
116
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
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
117
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
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]
3.2. Effets des surfaces métalliques sur les antennes
Tag RFID-UHF
Les antennes Tags RFID-UHF à proximité des métaux sont complexes en raison de
mécanisme de communication Lecteur-Tag dans un environnement métallique. Les Tags
RFID passifs n'ont pas de source d'énergie interne. Ils reçoivent tous de l'énergie nécessaire
pour son fonctionnement à partir du rayonnement électromagnétique émis par le lecteur. Le
point le plus important affecte l'efficacité de rayonnement de Tag afin d'obtenir suffisamment
d'énergie pour activer la puce. Lorsque les Tags RFID sont attachés à des objets métalliques,
les ondes électromagnétiques incidentes reflètent totalement de la surface métallique avec une
inversion de phase. L'onde réfléchie annule l'onde incidente et réduit ainsi l'énergie nécessaire
pour activer le Tag.
En présence d’un objet métallique, les composantes du champ électromagnétique ne sont pas
tous présents à proximité de la surface métallique. Il n'y a que la composante normale de
champ électrique et la composante tangentielle du champ magnétique. Par conséquent, les
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
118
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
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 π/2 avant d’arriver sur le métal. L’onde
119
électromagnétique se reflète par le métal avec un changement de phase d’angle π qui se
produit en raison de la condition aux limites de métal, de sorte que le champ électrique
tangentiel de l'onde incidente sur la surface de métal est totalement annulé par l'onde
réfléchie, ainsi une antenne qui dépend de ce champ électrique tangentiel ne fonctionne pas
bien à proximité de la surface métallique. Après la réflexion sur le métal, les ondes subissent
de nouveau une variation de phase de π/2 soit une variation de phase totale égale à 2π. Avec
l’espace λ 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.
3.3. 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 )Ω à 910
MHz au lieu de l’impédance de l’antenne sans métal Z a = ( 27 ,04 − j161,6)Ω . 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
HFSSDesign1
250.00
ANSOFT
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
200.00
Name
X
Y
m1
0.9100
0.7896
m2
0.9100 155.0732
m2
Y1
150.00
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
120
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).
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)Ω . 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
HFSSDesign1
250.00
ANSOFT
Curve Info
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep
200.00
Name
Y
0.9000 163.5235
m2
0.9000 27.1573
m3
0.9100 154.8992
m4
0.9100 27.1673
m1
m3
Y1
150.00
X
m1
100.00
50.00
m2 m4
0.00
0.60
0.70
0.80
0.90
Freq [GHz]
1.00
1.10
1.20
Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=82 mm de plaque métallique
121
Figure 3. 7. 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.
3.4. Conception et réalisation d'antennes Tags
RFID-UHF à proximité d’une surface métallique
3.4.1. Antenne Tag RFID-UHF à couplage à capacitif
Lorsqu’un Tag RFID sans plan de masse est placé à proximité d’une surface métallique, la
dégradation de la performance de Tag
RFID est inévitable. Cette dégradation est
principalement causée par une désadaptation d'impédance due à 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
122
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 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.
3.4.2. Antenne Tag RFID-UHF avec un stub court-circuité
La géométrie de l’antenne avec un stub court-circuité et le prototype réalisé sont présentés 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)Ω 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 ε r = 4,4 et tan δ = 0 .02 .
123
(b)
(a)
Figure 3. 8. 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. 9. 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
941 MHz avec S11=–44,2 dB. Avec la plaque métallique, l’antenne résonne à 897 MHz avec
124
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.
T a g R F ID s a n s p la q u e m é ta lliq u e
2
T a g R F ID a v e c p la q u e m é ta lliq u e ( 3 0 0 * 3 0 0 m m )
-1 0
-1 5
-2 0
11
S (dB)
-2 5
-3 0
-3 5
-4 0
-4 5
-5 0
-5 5
860
880
900
920
940
960
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 3. 10. 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)Ω tandis qu'à la seconde fréquence de
résonance 941 MHz, l'impédance d’entrée Z a = ( 27 ,01 + j163,05)Ω . Pour l’antenne avec la
plaque métallique, l'impédance d'entrée Z a = ( 22,04 + j163,64 )Ω à 897 MHz et à la
fréquence de résonance 943 MHz, l'impédance d’entrée Z a = (31,65 + j166,42 )Ω . Nous
présentons ci-dessous, les parties réelles (Figure 3.10a) et imaginaires
(Figure 3.10b) de
l'impédance de l'antenne sans ou avec la plaque métallique.
125
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)
100
80
60
40
20
0
860
880
900
920
940
Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal)
Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)
220
200
180
160
140
120
100
860
960
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Fréquence (MHz)
(b) Parties imaginaires
(a) Parties réelles
Figure 3. 11. 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 φ est représenté à la Figure 3.11. Nous constatons que les
diagrammes de rayonnement s’améliorent en présence de plaque métallique. Pour φ = 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
Radiation Pattern 6
HFSSDesign1
m1
0
-30
Name
Theta
Ang
Mag
m1
360.0000 -0.0000 -6.1341
m2
180.0000 180.0000 -9.7637
HFSSDesign1
0
Curve Info
30
-7.60
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-9.20
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
-60
60
Curve Info
m1
Name
Theta
Ang
Mag
-6.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-12.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
-30
m1
360.0000 -0.0000 -2.5733
m2
180.0000 180.0000 -18.2949
30
-60
60
-10.80
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-18.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-12.40
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-24.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-90
90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
-90
90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
-120
120
-150
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
150
-180
(a) Sans plaque métallique
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
m2
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
m2
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
-120
120
-150
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
150
-180
(b) Avec plaque métallique
Figure 3. 12. Diagramme de rayonnement de l’antenne sans ou avec la plaque métallique
avec variation de l’angle φ à 915 MHz
126
(b) Sans plaque métallique
(a) Sans plaque métallique
Figure 3. 13. 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 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
métallique.
Tag sans plaque m étallique
2
Tag avec plaque m étallique (300* 300 m m )
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Distance (m)
Figure 3. 14. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
127
3.4.3. 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. 15. 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.
128
Tag RFID UHF sans plaque métallique
2
Tag RFID UHF avec plaque métallique (300* 300 mm )
-10
S11 (dB)
-20
-30
-40
-50
-60
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 16. 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)Ω ainsi à la seconde fréquence 934 MHz, l'impédance d’entrée
Z a = ( 25,2 + j162,46)Ω . Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée
Z a = ( 26,28 + j160,71)Ω à 904 MHz et à la fréquence de résonance 937 MHz, l'impédance
P artie ré elle de l'im pé d an ce (T a g san s m éta l)
P artie ré elle de l'im pé d an ce (T a g a ve c m é tal)
70
60
50
40
30
20
10
0
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance (ohms)
d’entrée Z a = ( 28,75 + j163,49 )Ω .
P artie im ag inaire de l'im p éda nce (T a g sans m é ta l)
P artie im ag inaire de l'im p éda nce (T a g a vec m étal)
2 40
2 20
2 00
1 80
1 60
1 40
1 20
1 00
860
860
880
900
920
Fréquence (M H z)
(a) Parties réelles
940
960
880
900
92 0
940
960
F réquence (M H z)
(b) Parties imaginaires
Figure 3. 17. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique
129
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 φ = 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 φ sont représentés à la Figure 3.17.
Radiation Pattern 6
HFSSDesign1
Radiation Pattern 6
ANSOFT
0
Name
-30
m1
30
Curve Info
-6.40
Name
Theta
Ang
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
Mag
-8.80
m1
360.0000 -0.0000 -5.7417
m2
180.0000 180.0000 -11.5361 -60
Theta
Ang
Mag
m1
360.0000 -0.0000 -2.9348
m2
180.0000 180.0000 -20.0349
-90
90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-7.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-14.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
30
-21.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-28.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-60
60
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-13.60
-90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
m2
-120
120
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
m2
-120
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptiv e
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
120
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
-150
150
-150
-180
(a) Sans plaque métallique
ANSOFT
Curve Info
m1
-30
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
60
-11.20
HFSSDesign1
0
150
-180
(b) Avec plaque métallique
Figure 3. 18. Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert sans ou avec la plaque
métallique avec une variation de l’angle φ à 915 MHz
130
(a) Sans plaque métallique
(b) Sans plaque métallique
Figure 3. 19. 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
que le Tag avec un stub court-circuité a besoin de 14,5 dBm pour son activation à 900 MHz.
Mesure en champ lointain_open stub (d=65 cm))
Mesure en champ lointain_short stub (d=65 cm))
26
24
22
20
18
16
14
840
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 20. 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.
131
Figure 3. 21. 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,
Puissance minimum d'activation (dBm)
sur la même figure pour mieux comparer les deux antennes.
34
32
30
28
26
24
22
20
18
Tag
Tag
Tag
Tag
16
14
12
sans
avec
sans
avec
plaque
plaque
plaque
plaque
métallique
m étallique
métallique
m étallique
(open
(short
(short
(open
stub)
stub)
stub)
stub)
10
8
0,2
0,3
0,4
0,5
0,8
0,9
1
1,5
2
2,3
3
4
4,2
--
Distance (m)
Figure 3. 22. 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 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
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.
132
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.
3.4.4. 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
133
Figure 3. 23. Géométrie de l’antenne à fente
Notre antenne à été court-circuité par une languette métallique de dimension (6×0,76 mm2).
Languette de court-
Figure 3. 24. 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. 25. Antenne Tag RFID à fente réalisé
134
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.
Antenne à fente sans plaque métallique
2
Antenne à fente avec plaque métallique (300* 300 mm )
20
10
S11 (dB)
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 26. 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)Ω à
Partie réelle de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal)
Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal)
800
600
400
200
0
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
918 MHz et avec une plaque métallique, Z a = ( 25,51 + j159 ,57 )Ω à 916 MHz.
Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal)
Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)
400
200
0
-200
-400
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
(b) Parties imaginaires
Figure 3. 27. Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique
135
Pour adapter notre Tag dans différentes plages de fréquence RFID, il suffit juste de varier la
longueur L1 de la fente. La figure 3.27 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.
L s ='25mm'
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 '
20
15
10
5
0
S11 (dB)
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 28. 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
25
30
35
37,5
40
45
50
Fréquence de résonance
957
941
925
918
910
894
879
(MHz)
Coefficient de réflexion (dB)
-27,41 -32,31 -37,08 -51,79 -39,73 -34,96
-32,66
Tableau 3. 4. Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différentes
valeurs de L1
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 φ . Nous constatons que les diagrammes
de rayonnement s’améliorent en présence de plaque métallique. Pour φ = 0° , et θ = 20° , on
136
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
Radiation Pattern 3
HFSSDesign1
Name
Theta
Ang
m1
Mag
-30
m1
360.0000 -0.0000 -2.0209
m2
180.0000 180.0000 -6.3283
m3
20.0000 20.0000 -1.7738
HFSSDesign1
0
0
m1
m3
Name
30
Curve Info
-3.20
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-6.40
-60
Theta
Ang
Mag
360.0000 -0.0000
m2
180.0000 180.0000 -14.5527
1.4222
30
Curve Info
-3.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
-11.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
60
-30
m1
-60
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
60
-19.00
-9.60
-27.00
-12.80
-90
90
-90
90
m2
-120
m2
-120
120
120
-150
-150
150
150
-180
-180
(a) Sans plaque métallique
(b) Avec plaque métallique
Figure 3. 29. Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans ou avec la plaque
métallique avec variation de l’angle φ à 915 MHz
(a) Sans plaque métallique
(b) Sans plaque métallique
Figure 3. 30. Gain de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique
137
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. 31. 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
métallique avec la distance de séparation entre le lecteur cornet et notre Tag est d=65 cm.
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
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. 32. 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
138
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
Puissance minimum d'activation (dBm)
fonctionne bien sur toute la bande UHF.
Tag RFID UHF sans plaque m étallique (d=1 cm )
Tag RFID UHF avec plaque m étallique (d=1 cm )
25
20
15
10
5
0
-5
-10
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 3. 33. 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 θ 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. 34. Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du Tag
en fonction de l’angle
139
La Figure 3.34 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag en fonction de
l’angle θ à 917 MHz mesurée à une distance d = 65 cm.
Mesure de la puissance minimale(d=65 cm)
90
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
120
60
Tag RFID sans plaque métallique (d=65 cm)
Tag RFID avec plaque métallique (d=65 cm)
30
150
180
0
330
210
240
300
270
Puissance minimum d'activation (f=917 MHz)
Figure 3. 35. Puissance minimales mesurée en fonction de θ 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°≤θ≤70° et 280°≤θ≤350° avec une
puissance minimale d’activation mesurée de 3,5 dBm pour θ=0°. Le Tag sans plaque
métallique répond avec l’angle 0°≤θ≤50° et 290°≤θ≤350° avec une puissance minimale
d’activation mesurée de 7,8 dBm pour θ=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.
140
Bibliographie du chapitre 3
[3.1]
[3.2]
[3.3]
[3.4]
[3.5]
[3.6]
[3.7]
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142
Chapitre 4
Antennes pour Lecteurs RFID-UHF à polarisation
circulaire
4.1. Introduction
4.2. Antenne à polarisation circulaire pour Lecteur RFID UHF à 915 MHz
4.2.1 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 α=45° à partir de l'axe y. La fente circulaire est
alimentée par couplage avec une simple ligne d'alimentation microruban 50 Ω. 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.
143
Les dimensions géométriques de l'antenne proposée sont données en mm dans le tableau 4.1.
Variable
Lsub
L1
Wsub
W1
W2
W3
R1
R2
R3
(mm)
98
69
98
2,8
6,8
49,8
35
28
30
Tableau 4. 1. Paramètre de l’antenne à polarisation circulaire
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. 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
144
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
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 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
S11 (dB)
-10
-20
-30
-40
-50
800
850
900
950
1000
Fréquence (M Hz)
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 φ et de l’angle θ. La
polarisation circulaire en fonction de la fréquence est obtenue dans la direction normale à
l’antenne avec φ=θ=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.
145
Rapport axial (dB)
6
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 φ=θ=0°
Pour un rapport axial inférieur à 3 dB, la bande passante en polarisation circulaire vaut
15,8 MHz (907,3-923,1 MHz) soit 1,72 %. 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° ≤ φ ≤ 360°. Nous traçons, Figure 4.6, le rapport axial (RA) en
fonction de l’angle θ à 915 Mhz pour différentes valeurs de φ.
XY Plot 3
HFSSDesign1
60.00
ANSOFT
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='290deg'
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='300deg'
50.00
Name
d B (Axia lR a tio V a lu e )
40.00
30.00
X
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='310deg'
Y
m1
40.0000 3.0601
m2
320.0000 3.0601
m3
140.0000 2.9840
m4
220.0000 2.9840
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'
20.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='360deg'
10.00
m1
m3
m2
m4
0.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Theta [deg]
Figure 4. 6. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 915 Mhz pour différentes valeurs de φ
On observe alors que , quelques soit l’angle φ, la polarisation circulaire à 915 MHz n’est
obtenue que pour des intervalles bien définie de l’angle θ soit 0° ≤ θ ≤ 40°, 140° ≤ θ ≤ 220° et
320° ≤ θ ≤ 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 φ=0° et θ=170°.
146
Radiation Pattern 2
Name
m1
m2
Theta
Ang
360.0000 -0.0000
3.0230
HFSSDesign1
0
Mag
ANSOFT
Curve Info
m2
170.0000 170.0000 3.2811
-30
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
30
2.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
0.00
-60
60
-2.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-4.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-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='60deg'
-120
120
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='70deg'
dB(GainTotal)
m1
-150
150
-180
(a)
(b)
Figure 4. 7. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)
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 φ=0° et φ=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 (φ=0° et φ=90°).
147
(b)
(a)
Figure 4. 9. Mesure de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour différentes positions
de l’antenne : (a) φ=0° et (b) φ=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
dans les deux positions verticale (φ=0°) et horizontale (φ=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.
148
Puissance minimum d'activation (dBm)
A n te n n e
A n te n n e
A n te n n e
A n te n n e
30
avec
avec
avec
avec
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) φ=0° et (b) φ=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 α=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
La configuration de l'antenne du Lecteur proposée est représentée sur la Figure 4.11.
149
(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
Lsub
L1
Wsub
W1
W2
W3
R1
R2
R3
(mm)
98
70
98
2,8
7
61
35
28
30
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
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.
150
Simulation (HFSS)
Mesure
0
-2
-4
S11 (dB)
-6
-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 φ=θ=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.
Rapport axial (dB)
7
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 )
Figure 4. 14. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction φ=θ=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° ≤ φ ≤ 360°. La figure 4.15 montre le rapport axial en fonction de l’angle θ à
868 Mhz pour différentes valeurs de φ.
151
XY Plot 3
HFSSDesign1
70.00
ANSOFT
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='0deg'
60.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='10deg'
50.00
d B (A xia lR a tio V a lu e )
Name
40.00
X
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='20deg'
Y
m1
40.0000 2.8358
m2
140.0000 3.0360
m3
220.0000 3.0360
m4
320.0000 2.8358
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'
30.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='60deg'
20.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='70deg'
10.00
m2
m1
m3
m4
0.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Theta [deg]
Figure 4. 15. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 868 Mhz pour différentes valeurs de
l’angle φ
On observe que, quelques soit l’angle φ, la polarisation circulaire à 868 MHz n’est obtenue
que pour des intervalles précise de l’angle θ soit 0° ≤ θ ≤ 40°, 140° ≤ θ ≤ 220°
et 320° ≤ θ ≤ 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 φ=0° et θ=170° et un
gain de 2,73 avec φ=0° et θ=0°.
Radiation Pattern 2
Name
Theta
Ang
Mag
HFSSDesign1
170.0000 170.0000 3.0049
m2
360.0000 -0.0000
2.7345
-30
ANSOFT
Curve Info
0
m1
m2
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='0deg'
30
2.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='10deg'
0.00
-60
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='20deg'
60
-2.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='30deg'
-4.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='40deg'
-90
90
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='50deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='60deg'
-120
120
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.868GHz' Phi='70deg'
dB(GainTotal)
m1
-150
150
-180
(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
152
dans les deux positions verticale (φ=0°) et horizontale (φ=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 (φ=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 fréquence
Puissance minimum d'activation (dBm)
est hors bande européenne (865-868 MHz).
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)
30
25
20
15
10
5
0
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 4. 17. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de
l’antenne du Lecteur : (a) φ=0° et (b) φ=90°.
153
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.
L’inconvénient que cette antenne Tag est sans plan de masse donc ne fonctionne pas bien à
coté de surface métallique.
154
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 ε
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)Ω 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
(a)
(b)
Figure 4. 19 . Géométrie de l’antenne Tag PIFA :
(a) vue de dessus, (b) vue de coté.
155
Les dimensions géométriques de l'antenne sont données dans le tableau 4.3.
Variable
(mm)
Lsub
82
Wsub
W1
W2
L1
L2
45
15
1
60
19
Tableau 4. 3. Paramètre de l’antenne Tag PIFA
L3
25
H
4
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.
Antenne sans plaque métallique
2
Antenne avec plaque métallique (300* 300 mm )
10
S11 (dB)
0
-10
-20
-30
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Fréquence (MHz)
Figure 4. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique
156
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)Ω . Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée
Partie réelle de l'impédance (ohms)
Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA sans métal)
Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA avec métal)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Partie imaginaire de l'impédance (ohms)
Z a = (12,82 + j167,47 )Ω à 895 MHz.
P artie im a g ina ire d e l'im pé d a nce (T a g P IF A sa ns m é tal)
P artie im a g ina ire d e l'im pé d a nce (T a g P IF A a ve c m é ta l)
60 0
50 0
40 0
30 0
20 0
10 0
0
-10 0
-20 0
-30 0
-40 0
-100
0,8 0
0,80
0,85
0,90
0,95
0,85
1,00
Fréquence (MHz)
(a) Parties réelles
0,9 0
0,95
1,0 0
Fréquence (MHz)
(b)Parties imaginaires
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 ϕ 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
ϕ = 50° et 4,36 dB avec ϕ = 40° , respectivement. Les résultats montrent un gain de 1,51 dB
lorsque notre Tag RFID-UHF est placée sur la plaque métallique.
157
Radiation Pattern 3
HFSSDesign1
Radiation Pattern 6
ANSOFT
0
Name
m1
Theta
Ang
Name
Mag
-30
360.0000 -0.0000 0.4395
30
180.0000 180.0000 -0.2013
m3
310.0000 -50.0000 2.8523
1.00
m3
-3.00
-60
Ang
Mag
m1
320.0000 -40.0000 4.3650
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
m2
360.0000 -0.0000 0.7545
m3
180.0000 180.0000 -15.5876
-7.00
-11.00
90
-30
m1
m2
Curve Info
30
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='0deg'
0.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-5.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='10deg'
60
-90
Theta
Curve Info
m1
m2
HFSSDesign1
0
-60
60
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='20deg'
-10.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='30deg'
-15.00
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='40deg'
-90
90
m3
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='60deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
-120
120
m2
-150
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='80deg'
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='90deg'
150
-120
120
-150
-180
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='0.915GHz' Phi='50deg'
150
-180
(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 ϕ à 915 MHz
(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 φ=0° et
différentes valeurs de θ. Nous constatons que θ RA>5 donc notre Tag PIFA n’est pas en
polarisation pour φ=0° et 0°
θ
360°. Notre Tag est en polarisation circulaire sauf
158
ANSOFT
pour φ=90° et θ
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
HFSSDesign1
35.00
ANSOFT
Curve Info
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='0deg'
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='10deg'
30.00
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'
20.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='50deg'
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='60deg'
15.00
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='0deg' Theta='70deg'
dB(AxialRatioValue)
10.00
5.00
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
1.00
Figure 4. 25. Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de
l’angle φ=0° et 0°
θ
360°
XY Plot 12
HFSSDesign1
ANSOFT
10.00
Curve Info
8.75
dB(AxialRatioValue)
Setup1 : Sw eep
Phi='90deg' Theta='230deg'
7.50
dB(AxialRatioValue)
Name
6.25
X
Y
m1
0.8900 1.3208
m2
0.8100 2.9978
m3
0.9300 3.1205
m4
0.9000 1.4948
5.00
3.75
m3
m2
2.50
m1
m4
1.25
0.80
0.83
0.85
0.88
0.90
Freq [GHz]
0.93
0.95
0.98
Figure 4. 26. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction φ=90° et θ
1.00
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
159
pour activer notre Tag, avec et sans plaque métallique, en champ proche (d=5 cm) qu’en
champ lointain (d=65 cm).
Puissance minimum d'activation (dBm)
Figure 4. 27. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique
Tag
Tag
Tag
Tag
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-1 0
860
880
R
R
R
R
900
F ID
F ID
F ID
F ID
U
U
U
U
H
H
H
H
F
F
F
F
sans
avec
sans
avec
p la q u e
p la q u e
p la q u e
p la q u e
920
940
m
m
m
m
é ta lliq u e
é ta lliq u e
é ta lliq u e
é ta lliq u e
(d = 5 c m )
(d = 5 c m )
(d = 5 5 c m )
(d = 5 5 c m )
960
F ré q u e n c e (M H z )
Figure 4. 28. 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
160
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.
.
Figure 4. 29. 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. 30. 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.
161
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.
Figure 4. 31. 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
Puissance minimum d'activation (dBm)
dBm pour son activation lorsque qu’il est aligné avec l’antenne cornet (h=0 cm).
Tag sans plaque métallique avec Tx=0° (d=55 cm)
10
9
8
7
6
5
4
3
-30
-20
-10
0
10
20
30
Distance (direction verticale)
Figure 4. 32. . Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
Nous avons changé l’orientation du l’antenne cornet d’un angle φ
90° pour tester la
polarisation de notre Tag PIFA comme le montre la figure 4.30.
162
Figure 4. 33. 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 φ
90° . Nous remarquons que notre Tag répond entre 868 et 930 MHz avec
un minimum de puissance de 11 dBm à 900 MHz alors qu’il répond entre 866 et 960 MHz
avec un minimum de puissance de 4,8 dBm à 900 MHz, si l’antenne cornet en position
0). L’antenne Tag PIFA répond en polarisation verticale et horizontale de
l’antenne cornet.
Puissance minimale d'activation (dBm)
normale (φ
Tag PIFA avec Tx=0° (d=55 cm)
Tag PIFA avec Tx=90° (d=55 cm)
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
860
880
900
920
940
960
Fréquence (MHz)
Figure 4. 34. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance
verticale de Tag PIFA
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.
163
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 u r ( d B m )
-5 4
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
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
32
10
D is ta n c e ( m )
Figure 4. 35. 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. 36. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert
164
Puissance minimale d'activation du Tag avec plaque métallique(dBm)
Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)
-54
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
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
32
10
Distance (m)
Figure 4. 37. 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 un angle φ
45°, la portée du Tag PIFA
augmente pour atteindre 11 m avec RSS= -72 dBm à 866.9 MHZ. Nous avons incliné encore
une fois notre Tag PIFA avec un angle φ
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.
165
34
-44
-46
-48
-50
-52
-54
-56
-58
-60
-62
-64
-66
-68
-70
-72
-74
-76
-78
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Puissance en réception du signal reçu (RSS)
Puissance minimum d'activation (dBm)
Puissance minimale d'activation du Tag en position horizontale avec une plaque métallique (dBm)
Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)
20
Distance (m)
Figure 4. 38. 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)
-64
-64
-73
-74
-75
-72
-74
-72
Distance (m)
2,6
3
8
10
13
15
18
18
Tableau 4. 4. Déplacements de Tag PIFA
Décalage du Tag
(cm)
55
30
50
30
30
70
0
50
Notre Tag PIFA a été détecté à 18 m, sans décalage, avec une puissance émise de 31,5 dBm et
avec une puissance de 30,5 dBm lorsque 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
166
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
φ
0° mais avec polarisation circulaire sauf si φ
90° et θ
230°. Notre Tag PIFA a été
détecté en chambre anéchoïque malgré l’orientation du l’antenne cornet avec φ
90° et a été
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 Ω 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.
Mesure
Simulation (HFSS)
2
0
-2
S11 (dB)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Fréquence (GHz)
Figure 4. 39. 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.
167
Bibliographie du chapitre 4
[4.1] Alien Technology® ALN-9654 G Inlay, Lien : http://www.alientechnology.com/wpcontent/uploads/Alien-Technology-Higgs-3-ALN-9654-G.pdf
[4.2] T. Björninen , L. Ukkonen , L. Sydänheimo, A. Z. Elsherbeni, “Circularly Polarized Tag
Antenna for UHF RFID”, 26th Annual Review of Progress in Applied Computational
Electromagnetics, April 26 - 29, 2010 - Tampere, Finland
[4.3] C. Cho, I. Park, and H. Choo, “Design of a circularly polarized tag antenna for
increased reading range,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 10, pp.
3418-3422, Oct. 2009.
[4.4] H. D. Chen, C. Tsai, C. Sim and C. Kuo "Circularly Polarized Loop Tag Antenna for
Long Reading Range RFID Applications", IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett.,
vol. 12, pp. 1460 – 1463, 2013.
[4.5] Panaia P., Staraj R., Luxey C., Kossiavas G., Jacquemod G., "ANTENNE PIFA
COMMUTABLE A FENTE", 13èmes Journées Nationales Microondes (JNM 2003),
Lille, France
168
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.
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,
169
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.
170