AS P - Ecole supérieure des communications de Tunis

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.
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

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.

i
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 mm
2
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 mm
2
, 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

ii
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

iii
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