Conception d antennes de tags RFID UHF, application à la réalisation par jet

Transcription

1 Le 26 Novembre 2008 Conception d antennes de tags RFID UHF, application à la réalisation par jet de matière Par : Anthony GHIOTTO Directeur : Pr. Tan-Phu VUONG Co-directeur : Pr. Smail TEDJINI 1/49

2 Contexte : La RFID 2/49

3 La RFID Une nouvelle technologie d identification automatique Ses applications 3/49

4 Les technologies RFID Fonctionnement Tag Lecteur Technologies Type Fréquence Distance Données Pénétration Faible coût BF 125 khz HF 13,56 MHz UHF MHz Micro-ondes 2,49 GHz /49

5 Passif Pas de transmetteur radiofréquence Pas de source propre d énergie Le fonctionnement des tags RFID UHF passifs Antenne Puce Puissance incidente Z O Z 1 Z O Z 1 Tag Puissance réfléchie Puissance reçue 5/49

6 Problématique 6/49

7 La fabrication d étiquettes RFID bas coût des antennes sur matériaux plastiques souples par impressions conventionnelles d encre conductrice* Procédé optimisé d assemblage rouleau à rouleau Application d un adhésif Placement de la puce Connexion Contrôle Rouleau d antennes Wafer Rouleau d étiquettes RFID * D. Bechevet, "Contribution au Développement de Tags RFID, en UHF et Micro-ondes, sur Matériaux Plastiques", thèse de doctorat de l Institut National Polytechnique de Grenoble, 2005, Valence, France. 7/49

8 Objectif Le coût des tags est encore trop important Comment réduire davantage le coût des tags? Nouveaux procédés de fabrication Utilisation du jet de matière à la place des technologies d impression conventionnelles 8/49

9 Comment réaliser une antenne par impression jet d encre? I. Concevoir des antennes RFID II. Caractériser et évaluer les antennes III. Réaliser les antennes par jet de matière IV. Optimiser les antennes 9/49

10 Conception I. Conception des antennes RFID 1. Prendre en compte l effet des matériaux 2. Caractériser le port d entrée des puces 3. Adapter les antennes au port d entrée des puces 10/49

11 Conception I. Conception des antennes RFID 1. Prendre en compte l effet des matériaux 2. Caractériser le port d entrée des puces 3. Adapter les antennes au port d entrée des puces 11/49

12 Conception Les matériaux constituant les tags influencent-t-il leurs caractéristiques? Exemple 12/49

13 Comment caractériser les matériaux diélectriques? Conception Méthode retenue : la cavité cylindrique Précise mais délicate à mettre en œuvre VNA Echantillon Port 1 Port 2 Cavité r ( f ) ( f ) j ( f ) ' r " r r' 1 Vcavité Véchantillion. 1 V f r 0 f r1 1 1 r" 1 cavitée. 2 V Q Q f r0 u0 échantillion u1 S. Li, C. Akyel, R. G. Bosisio, "Precise Calculations and Measurements on the Complex Dielectric Constant of Lossy Materials Using TM010 Cavity Perturbation Techniques", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-29, n 10, October /49

14 Conception I. Conception des antennes RFID 1. Prendre en compte l effet des matériaux 2. Caractériser le port d entrée des puces 3. Adapter les antennes au port d entrée des puces 14/49

15 Conception Quelle est l impédance du port d entrée d une puce? Modèle du circuit d alimentation Ant 1 Ant 2 R s C j D 1 C r Vdd Gnd Impédance de la puce : Z c =R c j X c Grandeur complexe 15/49

16 Conception Mesure de l impédance du port d entrée d une puce Méthode classique : mesure sous pointes Problème posé par le packaging «strap» spécifique à la RFID permettant d optimiser la connexion à l antenne Film PET Connexions à l antenne gravées en aluminium Die Autres méthodes à envisager 16/49

17 Calibration de type SOL Conception Calibration conventionnelle des VNA Mise en place dans le cas des puces RFID Z 0 Z c Short Open Load FR4 Strap Inconvénient : qualité des références Via Connecteur SMA 17/49

18 Calibration de type LRL Conception Calibration classique pour la mesure d impédance des composants RF Mise en place dans le cas des puces RFID P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 Z c P 2 Line Reflection Line Amélioration de la précision et possibilité de caractérisation in situ 18/49

19 Conception Modélisation du port d entrée d une puce Circuit équivalent parallèle ou série Ant C 1 p Ant 2 R p Comparaison modèles et mesure Ant 1 Ant 2 C s R s 19/49

20 Conception I. Conception des antennes RFID 1. Prendre en compte l effet des matériaux 2. Caractériser le port d entrée des puces 3. Adapter les antennes au port d entrée des puces 20/49

21 Conception Principe de l adaptation de l impédance de l antenne Coefficient de réflexion Adaptation à une ligne de transmission c a Coefficient de réflexion en puissance Z Z Z Z c Z Z Z Z Adaptation à un circuit radiofréquence c a Coefficient de transmission en puissance * c a * a T * 1 2 Transfert optimal : Z Z * a Z c 21/49

22 Conception Principe V Adaptation par élément série C d R d L d L s C s R s Exemple Circuit équivalent de l antenne Adaptation Puce 22/49

23 Conception Principe Adaptation par élément parallèle V 0 C d R d L d L p Cp C p R p Circuit équivalent de l antenne Exemple Adaptation Puce 23/49

24 Conception Principe Adaptation par couplage magnétique M C d R d L d V 0 L b1 L b2 Cp R p Circuit équivalent de l antenne Exemple Couplage Puce Vue de face Vue de dessous 24/49

25 Conception II. des antennes et évaluation de leurs performances 1. Mesurer l impédance d entrée des antennes 2. Evaluer leurs performances 25/49

26 Conception II. des antennes et évaluation de leurs performances 1. Mesurer l impédance d entrée des antennes 2. Evaluer leurs performances 26/49

27 Conception Difficulté pour mesurer l impédance d un dipôle Connecter le port symétrique du dipôle au port asymétrique de la ligne coaxiale d un instrument de mesure Deux méthodes envisagées Mise en œuvre d un Balun profilé Mesure d une demi antenne avec miroir 27/49

28 Méthode Balun : résultats de mesures Conception Zc 132 j MHz 28/49

29 Méthode du miroir : résultats de mesures Conception Zc 132 j MHz 29/49

30 Conception II. des antennes et évaluation de leurs performances 1. Mesurer l impédance d entrée des antennes 2. Evaluer leurs performances 30/49

31 Section radar Conception Définition Pre radié (, ) 4R SR (, ) S Z a Z c 4 2 a 2 2 G 2 tag (, ) Possibilité de vérifier l adaptation d impédance par la mesure de la section radar Z a =R a +jx a 31/49

32 Mesure de la section radar Conception Dispositif de mesures VNA Antenne de référence Tag sous test R Résultat de mesures Antenne bien adaptée 32/49

33 Conception Mesure de la distance de lecture Bilan de transmission 2 2 P tag Pl. Gl.. pˆ l. pˆ tag. T. ecdtag. D 4 R Dispositif de mesures tag Lecteur Antenne du lecteur Tag sous test R 33/49

34 Conception III. Fabrication d une antenne par jet de matière 1. Présentation du procédé 2. Mesure de la conductivité des pistes 3. d un TAG RFID UHF passif 34/49

35 Conception III. Fabrication d une antenne par jet de matière 1. Présentation du procédé 2. Mesure de la conductivité des pistes 3. d un TAG RFID UHF passif 35/49

36 Le procédé jet de matière Conception Dépression Réservoir contenant l encre conductrice Electronique de commande PC de commande Tête d impression piézoélectrique él i Sens de l impression Support d impression 36/49

37 Conception III. Fabrication d une antenne par jet de matière 1. Présentation du procédé 2. Mesure de la conductivité des pistes 3. d un TAG RFID UHF passif 37/49

38 Conception Conductivité des pistes imprimées Estimation nécessaire pour l étude en simulation Méthode de mesure de la conductivité σ Mesure de la résistance de surface DC par la méthode 4 pointes e I V I d d d Echantillon ln(2) Rs DC. V I Mesure de l épaisseur e à l aide d un profilomètre mécanique 1 e 0,5 µm σ argent = 6, S/m encre S/ Rs DC e σ encre 10 7 S/m σ cuivre = 5, S/m 38/49

39 Evaluation de performances Conception Comparaison des lignes de transmission en cuivre et imprimée 39/49

40 Conception III. Fabrication d une antenne par jet de matière 1. Présentation du procédé 2. Mesure de la conductivité des pistes 3. d un TAG RFID UHF passif 40/49

41 Tag RFID UHF passif imprimé Conception Prototype Performances Distance de lecture 4 m ( dans la bande US) Section radar 41/49

42 Conception IV. Amélioration possible : miniaturisation des antennes 42/49

43 Pourquoi miniaturiser? Conception Gain de place Moins de matières Plus rapide à fabriquer Coût réduit 43/49

44 Les méthodes de miniaturisation Conception Substrat à forte permittivité Méta-matériaux coût élevé difficile à fabriquer Pré-fractale nombre d itérations limité Méthodes adaptées au contexte RFID bas coût Fentes et encoches adaptées p aux patchs Repliement adaptées aux dipôles 44/49

45 Exemples a Conception Gmax ( ka ) 2 2ka 45/49

46 Conclusion et perspectives 46/49

47 Bilan : réalisation d antennes de tags RFID Méthodologie de conception Proposition de méthodes d adaptation d impédance Evaluation des performances Démonstration de la faisabilité de la fabrication par jet de matière Ouverture vers la miniaturisation 47/49

48 Perspectives Sur la conception d antennes de tags RFID Conception d antennes larges bandes et multi bandes Développement d algorithmes d adaptation basé sur les techniques d adaptation introduites pour la génération automatique d antenne adaptée à un environnement Mesure de la surface radar modulée (ΔSR) Sur la réalisation par jet de matière du procédé d impression i des dépôts aux fréquences UHF afin de prendre en compte les effets de rugosité des supports d impression 48/49

49 49 Merci de votre attention 49/49