Résumé étendu de thèse de doctorat de Mondher DHAOUADI

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1 Résumé étendu de thèse de doctorat de Mondher DHAOUADI Sujet de thèse : Conception et optimisation des antennes RFID UHF en vue d'améliorer la fiabilité des systèmes RFID Directeurs de thèse : Adel GHAZEL : Professeur à SUPCOM, Directeur du laboratoire de Recherche GRESCOM. Mohamed MABROUK : Maître-Assistant, HDR, à l ISETCOM de Tunis. M. Tan-Phu Vuong : Professeur à l INP de Grenoble, France 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 mm 2 fonctionnant aussi bien en champ proche qu en champ lointain dans la bande RFID-UHF ( 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 2

2 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 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 1. Cadre de la thèse Le travail de notre thèse porte sur la conception, l optimisation et la réalisation d'antennes RFID-UHF en vue d'améliorer la fiabilité des systèmes RFID. Le Tag RFID est généralement muni d'une puce électronique (contenant les informations d identification) associée à une antenne d émission des informations et de réception (du lecteur). Nous présentons sur la figure 1 les composants d'un Tag RFID passif (substrat FR4, antenne en cuivre et puce (chip)). Substrat Antenne Puce (IC) Figure 1 : Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l IMEP) Comme chaque nouvelle technologie, la RFID présente quelques limites, qui ne semblent toutefois pas diminuer son intérêt par rapport aux solutions concurrentes ou complémentaires 3

3 (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. Nous avons pu mettre en évidence les nombreux problèmes rencontrés dans le fonctionnement des Tags RFID UHF passifs à courtes distances (quelques centimètres). Nous avons pu démontrer et prouver, à l aide de simulations sur HFSS, que ces problèmes de lecture à courtes distances sont dus à une insuffisance du champ magnétique. Nous avons donc proposé des structures d antennes suffisamment optimisées permettant d améliorer l amplitude du champ magnétique ce qui permet une lecture "satisfaisante" des informations. Nous avons donc proposé une structure d antenne Tag RFID basée sur un couplage et adaptation en T. Nous avons aussi proposé une autre structure d antenne Tag basée sur une adaptation à 2 stubs et un couplage en T. Nous avons aussi proposé une structure d antenne avec substrat de type polyester (PET) d épaisseur H=0.05 mm. Nous avons simulé une structure d antenne Tag RFID large bande (120 MHz) qui permet d utiliser un Tag couvrant toute la bande RFID-UHF, c'est-à-dire de 840 à 960 MHz. L'adaptation d impédance entre la puce (chip) et l'antenne est essentielle dans la conception d un Tag RFID. Dans ce cadre, nous avons étudié l'adaptation d'impédance entre l'antenne et la puce du Tag RFID. Nous avons conçu, réalisé et testé une antenne Tag RFID-UHF fonctionnant en champ proche et lointain. Nous avons poursuivi nos travaux en élargissant notre étude à la conception et à la réalisation dans antennes Tag devant fonctionner à proximité d objets métalliques. 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. Nous avons présenté une antenne avec un stub court-circuité et le prototype réalisé sont présentés sur la Figure 2. 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 4

4 mesurée Z Mesuré = ( 26 j163) Ω est court-circuitée vers le plan de masse par un trou c 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 = 4, 4 r et tan δ = (a) (b) Figure 2 Géométrie de l antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le prototype réalisé (b) Les coefficients de réflexion avec ou sans la plaque métallique sont représentées sur la Figure 3. Notre Tag présente 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 T a g R F ID a v e c p la q u e m é ta lliq u e (3 0 0 * m m 2 ) S 11 (db) F ré q u e n c e ( M H z ) Figure 3 Coefficient de réflexion de l antenne Tag sans ou avec la plaque métallique 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. 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. 5

5 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 4. Figure 4 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 5 montre la puissance minimale nécessaire pour activer notre Tag avec ou sans la plaque métallique avec la distance de séparation entre le lecteur cornet et notre Tag est d=65 cm. Puissance minimum d'activation (dbm) T ag R FID U H F sans plaque m é tallique (d =65 cm ) T ag R FID U H F avec plaque m étallique (d=65 cm ) Fréquence (M H z) Figure 5 Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en fonction de la fréquence Nous avons aussi conçu des antennes pour lecteurs RFID à polarisation circulaire. Nous avons étudié une antenne à fente circulaire avec arc métallique en forme de C, gravé au centre d un plan de masse rectangulaire de dimensions mm 2. La réalisation de cette antenne à polarisation circulaire est représentée sur la Figure 6. 6

6 (a) (b) Figure 6 : Réalisation de l antenne à polarisation circulaire alimentée par couplage : (a) Vue de dessus. (b) Vue de dessous. Les résultats de coefficient de réflexion mesuré et simulé de notre antenne sont présentés sur la Figure 7. 0 Simulation (HFSS) Mesure -10 S 11 (db) Fréquence (M Hz) Figure 7 Coefficient de réflexion de l antenne à polarisation circulaire Tous nos travaux nous ont permis de présenter de nombreuses communications (EuCAP, URSI GASS, MIKON, WAMICON, RWW ) dont quelques unes sont adoptées par notre école doctorale EDTIC. 7