Adaptation d impédance d antennes dipole planaire des tags RFID UHF par l application de la technique T-match

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1 Adaptation d impédance d antennes dipole planaire des tags RFID UHF par l application de la technique T-match Abdelhamid BOU-EL-HARMEL, Ali BENBASSOU, Jamal BELKADID Laboratoire de Transmission et Traitement d Information Eq. CEM/Télécoms Université Sidi Mohamed Ben Abdellah Ecole Supérieure de Technologie Route d'imouzzer, BP 2427, Fès, Maroc Abdelhamid.bouelharmel@usmba.ac.ma Résumé L identification par radiofréquence (RFID ou Radio Frequency Identification) est une technologie principalement utilisé pour identifier les objets étiquetés ou pour suivre leurs emplacements. Un tag RFID est composé de circuits intégrés CI, et d'une antenne. Les antennes du tag généralement utilisées sont de type dipôle. Pour faire la conception des antennes, il faut que l antenne doit avoir une valeur d impédance égale au conjugué de l impédance du CI pour avoir une bonne adaptation permettant le transfert maximal de puissance. Pour la réalisation de l'adaptation d'impédance, il existe plusieurs techniques, dans ce travail nous nous intéressons à la technique d adaptation T-match qui est basée sur l'insertion d'un second dipôle plié relié au centre du premier dipôle. Cette technique est modélisée par un circuit équivalent pour pouvoir calculer la dimension du dipôle plié pour avoir une nouvelle impédance d entrée de l antenne égale au conjugué de l impédance du CI. Les résultats obtenus par les formules théoriques sont testés par le logiciel Ansoft HFSS et par le logiciel CST Microwave Studio. Des comparaisons ont été faites au niveau des paramètres de circuits et de rayonnements de l antenne avant et après adaptation pour savoir l influence de l ajout du dipôle plié. Mots-clés L identification par radiofréquence (RFID) ; Tag RFID ; Antenne dipôle ; Circuits intégrés CI ; La technique T- match ; Adaptation d impédance. I. INTRODUCTION L identification par radiofréquence (RFID ou Radio Frequency Identification) est une technologie principalement utilisée pour identifier les objets étiquetés ou pour suivre leurs emplacements par radiofréquence. Le premier papier sur le principe de base de RFID passive (la rétrodiffusion modulée) a été publié en 1948 [1], il a fallu énormément de temps avant que la technologie RFID avancée pour le niveau actuel [2]. Le système RFID est composé de deux dispositifs principaux : Tag RFID (Etiquette) et Lecteur RFID (Station de base). Aujourd hui, cette technologie trouve son utilité dans les contrôles d accès, système de télépéage, la sécurité des véhicules, le suivi des animaux et des patients dans les hôpitaux et d autres applications [3]. Au niveau mondial, chaque pays a sa propre attribution des fréquences pour la RFID. Les bandes de fréquences UHF sont les suivants : [ MHz] Europe et Afrique, [ MHz] Amérique du Nord et du Sud, et [ MHz] Japon et dans certains pays asiatiques. Un tag RFID UHF est composé généralement de circuits intégrés CI et d'une antenne [3]. Les antennes du tag généralement utilisées sont de type dipôle droit ou dipôle à ligne méandre [4], leurs impédances d entrée sont très résistive et moins réactive, par contre l impédance des CI est très réactive et moins résistive. Pour faire la conception des antennes, il faut que l antenne doit avoir une valeur d impédance égale au conjugué de l impédance du CI pour avoir une bonne adaptation permettant le transfert maximal de puissance. Pour la réalisation de l'adaptation d'impédance, il existe plusieurs techniques, Les plus utilisés sont la T-match et la boucle inductive, dans ce travail nous nous intéressons à la technique d adaptation T-match qui est basée sur l'insertion d'un second dipôle plié relié au centre du premier dipôle. Cette technique est modélisée par un circuit équivalent pour pouvoir calculer la dimension du dipôle plié pour avoir une d impédance égale au conjugué de l impédance du CI. Dans l'article actuel, nous avons d abord introduit la technique T-match. Ensuite, nous avons essayé de comparer les résultats du calcul obtenus par les formules théoriques de la T-match en utilisant MATLAB, et les simulations obtenus par les deux antennes dipôles droit et à ligne méandre conçus par le logiciel Ansoft HFSS qui est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) et par le logiciel CST Microwave Studio qui est basé sur la méthode d'intégration finie (FIM). Enfin, nous avons également fait une comparaison au niveau des paramètres de circuits et de rayonnements des antennes dipôles avant et après adaptation pour savoir l influence de l ajout du dipôle plié. II. LA TECHNIQUE T-MATCH La T-match est une technique d adaptation d impédance des antennes dipôles. Il est expliqué en détail dans le livre ancien [5], et le plus récemment [6]. Avec cette méthode, le dipôle planaire de longueur l et de largeur w est reliée à un second dipôle planaire de longueur l' ( tel que l' < l ) et de largeur w et placé à une distance proche s à partir du centre de premier dipôle (fig.1 (a)). Le second dipôle est considéré comme un dipôle plié à de deux pattes. La T-match se comporte comme le circuit équivalent de la fig.1 (b), Il peut être prouvé [5,6] que l'impédance au point source de l antenne est donnée par :

2 Où : Z in = R in + jx in = 2Z t [(1 + α)2 Z a ] 2Z t + (1 + α) 2 Z a (1) Z a est l'impédance de dipôle lorsque la liaison T-match est absente. s ln ( α = ) re ln ( s est le facteur de division re ) du courant entre les deux conducteurs de longueur s, avec re = 0.25w et re = 0.25 w sont les rayons équivalents du dipôle et de la T- match respectivement. Z t = jz 0 tan (k l 2 ) est l'impédance d'entrée du stub court-circuit formé par la ligne de transmission de deux conducteurs de longueur l'/2, de largueur w et w et de la séparation s (fig.2), avec k = 2π est le nombre d'onde et λ Z 0 276log 10 ( s ) est l impédance re re caractéristique de la ligne de transmission de deux conducteurs (fig.3). Les paramètres géométriques, l, w et s de la T-match peuvent être ajustés pour avoir une impédance d entrée de l antenne Z in égale au conjugué de l'impédance de circuits intégrés Z CI. Pour cela nous avons conçu une antenne dipôle demi-onde planaire pour comparer les résultats du calcul obtenus par les formules théoriques de la T-match en utilisant MATLAB, et les simulations obtenus par les deux logiciels HFSS et CST. III. COMPARAISON ENTRE LES RESULTATS THEORIQUES ET LES RESULTATS SUMILEES PAR HFSS ET CST A. Conception de l antenne dipôle demi-onde planaire La conception de l'antenne dipôle demi-onde planaire est présentée sur la fig.4. Elle fonctionne dans la bande UHF [ MHz] centrée à la fréquence 868MHz. Le substrat de l antenne est de 2mil ( mm) d'épaisseur, il a été choisi comme polymère cristal liquide (LCP) ayant une permittivité relative ε r = 3 et une tangente de perte tan δ = Fig. 4. Antenne dipôle demi-onde. Les résultats de l impédance d'entrée de l'antenne Za affichés sur la fig. 5 sont simulés par HFSS et CST. Fig. 1. T-match : (a) Pour un dipole planaire, (b) Le circuit équivalent. Fig. 2. Court-circuit formé par la ligne de transmission de deux conducteurs de longueur «l'/2», de largueur «w» et «w» et de la séparation «s». Fig. 3. Ligne de transmission a deux conducteurs. Fig. 5. Graphe de l impédance d entrée Z a du dipôle simulée par HFSS et CST. Les impédances obtenues à la fréquence 868MHz sont Z a1 = j Ω et Z a2 = j1.335 Ω (HFSS et CST respectivement). B. Les resulats theoriques de l impedance Z in : Apes avoir les valeurs de Z a, nous utilisons la formule (1) pour obtenir la nouvelle valeur de l impédance Z in d entrée de l antenne avec T-match.

3 La fig.5 présente des courbes de l impédance Z in en fonction de la longueur l de la T-match, avec différentes valeurs de s (4, 8, 12 mm). Comme nous pouvons le voir sur la fig.7, les impédances ont une faible partie réelle (petite résistance) et une partie imaginaire positive élevée (haute inductance. Les nouvelles impédances d entrée de l antenne simulées sont Z in1 = j88 (HFSS) et Z in2 = j76.1 (CST). Fig. 8. Graphe de l impédance Z a du dipôle adapté simulée par HFSS et CST. D. Comparaison entre B et C Nous récapitulons les résultats théoriques et simulés précédents dans le TABLEAU I. TABEAU I. RÉSUMÉ DES RESULTATS THÉORIQUES ET SIMULÉS Théoriques Simulés Résultats Z a1 Z a2 HFSS CST Re(Zin) Fig. 6. Graphes de l impédance Zin en fonction de l, pour les cas s=4,8,12mm, w=1.5mm et w =1mm : (a) Z a1, (b) Z a2. D après certaines valeurs de l l impédance Z in devient résistive. Notre but est d avoir une impédance réactive alors nous choisissons l = 15mm, s = 4mm, w = 1mm, et w = 1.5mm, ce qui implique une impédance Z in1 = j78.9 Ω et Z in2 = j80.04 Ω. C. Les résultats simulés par HFSS et CST Nous ajoutons la T-match au dipôle précèdent comme illustre la fig.7, tel que l = 15mm, s = 4mm, w = 1mm, et w = 1.5mm. Fig. 7. Antenne dipôle demi-onde avec T-match. Im(Zin) Le résultat théorique de la partie réelle de l impédance Z in est presque le même par rapport au résultat simulé par HFSS (différence de 1.88), par contre nous avons une différence de 9.1 de la partie imaginaire. Pour le résultat de simulation par CST et le résultat théorique, nous avons une différence de 3.94 de la partie réelle et aussi de la partie imaginaire. Alors dans l'ensemble, nous pouvons dire que les nouvelles impédances Z in prédites par (1) ont un accord général avec les résultats de simulation. IV. INFLUENCE DU T-MATCH SUR LES PARAMETRES DE ANTENNE A. Les paramètres de circuits et de rayonnements du dipôle Les coefficients de réflexions S11 de l antenne dipôle sont simulés avec l'impédance de sortie de générateur Z g = 73Ω. Les résultats sont affichés sur la fig.9. Le minimum de S11 simulé est de db à la fréquence MHz. La bande passante de fonctionnement de l antenne est de 93.2 MHz.

4 Fig. 9. Coefficien de reflexion S11 du dipole (HFSS et CST). Fig. 11. Coefficien de reflexion S11 du dipole avec T-match. Le diagramme de rayonnement à la résonance est un diagramme omnidirectionnel en forme de beigne dans le plan = 90 (fig.10) comme prévu puisque les antennes sont de type dipôle. La directivité maximale est de db et un gain maximal de db ce qui correspond à une efficacité de 99.8%. Fig. 12. Digaramme de rayonnement du dipôle ( = 0, = 90 ). C. Comparaison entre A et B Nous récapitulons les résultats de l antenne dipôle sans et avec T-match précédents dans le TABLEAU II. Fig. 10. Digaramme de rayonnement du dipôle ( = 0, = 90 ). B. Les paramètres de circuits et de rayonnement du dipôle avec T-match Le coefficient de réflexion S11 de l antenne dipôle adapté par T-match est simulé avec l'impédance de sortie de générateur Z g = 14 j100. Les résultats sont affichés sur la fig.11. Nous avons deux minimums de S11, l un est de db à la fréquence 818.3MHz, et l autre est de db à la fréquence GHz. La bande passante de fonctionnement de l antenne est de GHz. Le diagramme de rayonnement à la résonance est un diagramme omnidirectionnel en forme de beigne dans le plan = 90 (fig.12), avec une directivité maximale de db et un gain maximal de 2.23 db ce qui correspond à une efficacité de 99.78%. TABEAU II. RÉSUMÉ DES RESULTATS RESULTATS DE L ANTENNE DIPOLE SANS ET AVEC T-MATCH Résultats Dipôle sans T-match Dipôle avec T-match Bande passante (MHz) Gain (db) Directivité (db) D après le tableau, nous remarquons que la bande passante de fonctionnement, le gain et de la directivité de l antenne augmentent lorsque la T-match a été ajoutée. V. CONCLUSION Dans ce travail, un accord est obtenu entre les résultats calculés par les formules théorique de la T-match et ceux obtenus par les simulations HFSS et CST. L insertion de la T-match pour adapter l antenne dipôle influe sur les

5 paramètres de circuits et de rayonnements de l antenne, tel que, une augmentation de la bande passante de fonctionnement, le gain, et la directivité. REFERENCES [1] H. Stockman, Communication by means of reflected power, Proc. IRE, pp , Oct [2] K. Finkenzeller, RFID Handbook : Radio-Frequency Identi cation Fundamentals and Applications, 2nd ed: Wiley, [3] Dominique Paret, RFID EN ULTRA et SUPER HAUTES FREQUECES UHF-SHF Théorie et mise en œuvre, Dunod, Paris, [4] G. Marrocco, Gain-optimized self-resonant meander line antennas for RFID applications, Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 2, no. 21, pp , [5] S. Uda and Y. Mushiake, Yagi-Uda Antenna, Tokyo, Sasaki Printing and Publishing Co., 1954, pp [6] C. A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design, 3rd Edition, New York, John Wiley & Sons Inc., 2005.