THESE DE DOCTORAT - Ecole supérieure des … · 1.5. Avantages et inconvénients de la technologie ... Figure 1. 13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie

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 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

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

iv

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

v

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

vi

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 aZ 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

vii

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

viii

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

ix

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

x

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

xi

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

1

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

2

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.

3

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.

4

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

5

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

6

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

7

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

8

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].

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]

Substrat Puce (IC) Antenne

9

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.

10

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

11

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 πλ 2/ (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

λ2/2D et λ/2 2D [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 àλ/2 2D . La distribution de champ sous forme

d’une onde plane est essentiellement indépendante de la distance de l'antenne.

12

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

13

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]

14

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

15

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 :

λc

f =

Eq.1-1 avec :f : 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.

16

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 Puissances maximales d'émissions autorisées

Division 1

(Afrique-Europe)

869,4 à 869,65 MHz 865 à 868 MHz

865,6 à 867,6 MHz (Tunisie) 865,6 à 868 MHz

500 mW ERP 100 mW ERP - LBT

2 W ERP - LBT (10 canaux de 200 kHz) 500 mW ERP

Division 2 (Amérique)

902 à 928 MHz 4 W EIRP - FHSS (80 canaux de 325 kHz)

Division 3

(Asie-Océanie)

Japon : 952 à 954 MHz Corée : 908,5 à 914 MHz Australie : 915 à 928 MHz

China : 917 à 922 MHz

4 W EIRP 4 W EIRP 1 W EIRP 2 W EIRP

Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués en fonction de

la région [27].

17

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

18

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

19

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

20

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.

21

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

22

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

23

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].

Caractéristiques/

Fréquences

125 à 135 KHz

(BF)

13.56 MHz

(HF)

860 à 960 MHz

(UHF)

2.45 GHz

(micro-ondes)

Influence du

métal

Perturbation Perturbation Atténuation Atténuation

Influence de l’eau Aucune Atténuation Atténuation Perturbation

Influence du

corps humain

Aucune Atténuation Atténuation Perturbation

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].

24

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

25

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):

RC

dπω ≤

Γ∫∞

0

1

ln Eq.1-2

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 )/(RCπ . Afin d'utiliser

complètement la limite donnée de )/(RCπ 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).

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) :

RCe f 2

1

∆−

∆≥Γ ω Eq.1-3

ω∆Γ ω

2ω

1ω

Γ

1

ω∆

26

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 ω∆Γ (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

largeur de bande en MHZ

Commencer Terminer Europe 865 868 3 USA 902 928 26 Japon 950 956 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 (aZ ) est définie comme le rapport de la tension d’entrée sur le courant

à l’entrée de l’antenne (Eq.1-4):

aPRaaa

aa XjRRXjR

I

VZ .. ++=+== Eq.1.4

27

La partie réelle est la somme de la résistance de rayonnement ( RR ) et de la résistance des

pertes ( PR ). L’énergie dissipée par RR correspond à l’énergie rayonnée par l’antenne.

L’énergie dissipée par PR 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 ( PR ) 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 (maxV ). Si ces deux ondes seront en opposition de phase donc l'amplitude

résultante est une tension minimale (minV ).

réfléchiedirecte VVV +=max Eq.1-5

réfléchiedirecte VVV −=min 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):

Γ−Γ+

==1

1

min

max

V

Vρ Eq.1-7

28

Pour minimiser le rapport d’onde stationnaire, l’antenne est adaptée à l’impédance réelle

d’une ligne de transmission 0Z (généralement 50 Ω ou 75 Ω). On définit alors le coefficient

de réflexion d’une antenne Γ par (Eq.1-8) :

Γ =directe

réflèchie

V

V=

0

0

ZZ

ZZ

a

a

+−

Eq.1-8

Où aZ : impédance d'entrée de l’antenne (charge)

et 0Z : impédance caractéristique de la ligne de transmission.

Si aZ < 0Z -1≤ Γ <0, Γ =-1 donc la ligne est en court-circuit

Si aZ > 0Z 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.

)log(.2011 Γ=S 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] :

ac

ac

ZZ

ZZ

+−

=Γ*

* 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

( *

ac ZZ = ), 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):

22

1 Γ−== TP

P

d

a Eq.1-11

Avec aP : la puissance absorbée par la charge

dP : la puissance directe fournie par l'émetteur

29

T : le coefficient de transmission

Le ROS est toujours égal ou supérieur à 1, La valeur maximale du ROSgénéralement 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 leROS, 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.

30

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=)directions les (toutes moyennet rayonnemen de intensité

donnée)direction maximum(t rayonnemen de intensité=

0

max

I

I=

TP

I max4π Eq.1-12

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)

31

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 EP divisée par 4π (Eq.1-13):

EP

I

acceptéeentréedtotalepuissance

directionladansrayonnéepuissancedeIntensitéG

),(4

)('

),( 4

ϕθπϕθπ == 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]:

),( ),( ϕθηϕθ DG ×= Eq.1-14

avec

η =émeteurlparfourniepuissance

rayonnéeenteffectivempuissance

'

=

pertesdessommerayonnéeenteffectivempuissance

rayonnéeenteffectivempuissance

+

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

32

L’efficacité totale 0e 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 ( RP ) et la puissance d’alimentation (AP ). 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] :

dcrA

R eeeP

Pe ..0 == Eq.1-15

Le terme re est l’efficacité de réflexion provenant de la désadaptation à l’entrée de l’antenne,

et s’exprime comme (Eq.1-16):

+−

−=−=2

0

0211 11

ZZ

ZZSe

a

ar (sans dimension) Eq.1-16

Les termes ce et de sont les efficacités qui prennent en compte 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 cde 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):

PR

Rcd PP

Pe

+= Eq.1-17

D’où l’équation (Eq.1-15) devient (Eq.1-18):

)1(2

0 Γ−== cdcdr eeee Eq.1-18

La relation entre le gain d’une antenne et sa directivité est donc donnée par (Eq.1-19) :

),(),( ϕθϕθ DeG cd= 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

33

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

34

puce RFID d’impédance complexecZ . Nous utilisent une puce NXP UCODE de valeur

Ω−= )19322( jZc [44]. Avant de calculer les dimensions du Tag, les valeurs de la

constante diélectrique relativerε et l'épaisseurH du substrat d'antenne doivent être connues.

La fréquence de conception est à 868 MHz, le substrat est le FR4 ayant une permittivité

4.4=rε et l’épaisseur de substrat mmH 6.1= . 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 mm 1722/ =λ .

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.

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

Ω−= )8.1922.23( jZa .

0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 1.00Freq [GHz]

-50.00

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

dB(S

(1,1

))

HFSSDesign1XY Plot 1 ANSOFT

m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 0.8680 -49.9968

35

Figure 1. 17. Impédance d’entrée aZ 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.

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.

0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 1.00Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00Y

1HFSSDesign1XY Plot 4 ANSOFT

m1

m2

Curve Info

im(Z(1,1))Setup1 : Sw eep

re(Z(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 0.8680 23.2180

m2 0.8680 192.8365

0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 1.00Freq [GHz]

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

dB

(VS

WR

(1))


m1

Curve Info

dB(VSWR(1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 0.8680 0.0550

36

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 2.3=rε et l’épaisseur de substrat

mmH 05.0= . 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 Ω−= )3,1962,16( jZa ainsi qu’une bande passante large de 360

MHz.

37

(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 Ω−= )16326( jZc. Pour des raisons économiques, le

substrat utilisé est de type polyester ( m 50µ=H , 2.3=rε , 003.0=δtg ). La dimension

globale de l’antenne est 98.18×12.31mm2.

38

(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.

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.

(a) Diagrammes de rayonnement en 2D

0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20Freq [GHz]

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

dB

(S(1

,1))


m1

m2

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9400 -39.0333

m2 1.1600 -28.3307

-19.00

-13.00

-7.00

-1.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

HFSSDesign1Radiation Pattern 2 ANSOFT

m1

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='0.915GHz' Theta='90deg'

Name Phi Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 1.0012

39

(b) Diagrammes de rayonnement en 3D

Figure 1. 25. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle

40

Bibliographie du chapitre 1

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[38] Alien Technology, Higgs 4 Datasheet, online: http://www.alientechnology.com/wp-content/uploads/Alien-Technology-Higgs-4-IC-Datasheet.pdf, juin 2014.

[39] Wang, J., B. Chi, X. Sun, T. Gao, C. Zhang, and Z. Wang, “System design considerations of highly-integrated UHF RFID reader transceiver RF front end”, Proc. ICSICT 9th International Conference on Solid State and Integrated Circuit Technology, 1560-1563, October 2008.

[40] R. M. Fano, “Theoretical Limitations on the Braodband Matching of Arbitrary Impedances”, J. Franklin Inst., vol. 249, Jan. 1950, pp. 57-83.

[41] D. Ch. Ranasinghe, M. Leng Ng, K. Seong Leong, B. Jamali, Peter H. Cole "Small UHF RFID Label Antenna Design and Limitations", Antenna Technology Small Antennas and Novel Metamaterials,2006 IEEE International Workshop,200-204, March 2006

[42] D.Bechevet,"Contribution au développement de tags RFID, en UHF et micro ondes sur matériaux plastiques", thèse doctorat de l’INPG, décembre 2005.

[43] J. D. Kraus, “Antennas”, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1988.

[44] UCODE G2XM and UCODE G2XL (TSOOP8 Package Specification) from December 2007, http://www.nxp.com/

[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 Passive UHF RFID Tags", International Conference on Information Processing and Wireless Systems, IP-WiS 2012, March 16,17 and 18 2012,Sousse Tunisia.

[47] Alien Technology® ALN-9640 Squiggle®, lien: http://www.alientechnology.com/wp-content/uploads/Alien-Technology-Higgs-3-ALN-9640-Squiggle.pdf

43

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.

44

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 :

24.d

GPS lecteur

lecteur

Tinc π

= Eq.2-1

où lecteurTP : Puissance transmise par le lecteur RFID (Watt)

lecteurG : Gain de l’antenne du lecteur (sans unité)

d : la distance entre le Tag et le lecteur

La puissance reçue par le Tag Tag

RP est égale au produit de la densité de puissance émise par

le lecteur et l’ouverture effective de l’antenne du TagTageA _

.

Tageinc

Tag

R ASP _.= χ Eq.2-2

avec TagTage GA .4

2

_ πλ= Eq.2-3

Alors la puissance reçue au niveau du Tag RFID est donnée par l’équation de Friis (Eq.1-4)

Tag

RP =

2

4

dπλ lecteur

TP lecteurG TagG χ Eq.2-4

où Tag

RP : Puissance reçue au niveau du Tag RFID (Watt)

45

tagG : 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 conséquentχ 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 Tag

TP est égale au seuil

(threshold) de puissance de la puceTag

seuilP (Eq.2-5) [2.3].

Tag

seuil

taglecteur

lecteur

T

p

TGGPd

χπλ ..

4=

Eq.2-5

avec T le coefficient de transmission en puissance et Tag

seuilP est le seuil d’activation minimum

de la puce RFID.

La densité de puissance réfléchie Sréf est exprimée comme suit :

24

.

R

GPS Tag

Tag

T

réf π= Eq.2-7

Ainsi, la puissance reçue par le lecteur est

lecteur

RP = TageA _ rS χ = rSlecteurG

πλ4

2 χ

Eq.2-8

La puissance reçue au niveau du lecteur RFID est déterminée par l’équation (Eq.2-9):

46

lecteur

RP =lecteur

TP 2lecteurG 2

TagG4

4

dπλ χ

Eq.2-9

Nous pouvons identifier dans (Eq.2-8) la Puissance Isotrope Effective Rayonnée (Eq.2-10) :

EIRPP =lecteur

TP lecteurG 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.

alors lecteur

RP = EIRPP lecteurG 2

TagG4

4

dπλ 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]:

4

22

4 lecteur

seuil

Taglectuer

lecteur

T

rétrodiff P

GGPd

χσπλ=

Eq.2-12

Avec σ est la surface équivalente radar et lecteurseuilP 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 aaa jXRZ += est

l'impédance complexe de l’antenne et ccc jXRZ += 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

47

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) :

ca

ca

ZZ

ZZ

+−

=Γ*

Eq.2-13

avec 10 ≤Γ≤ ; alors

222

)]([

)]([

)()(

)()(

ccaa

cca

caca

caca

RXXjR

RXXjRa

XXjRR

XXjRR

+++−++

=+++++−

=Γ

2

1

1

+

++

−

++

=

c

ca

c

a

c

ca

c

a

R

XXj

R

R

R

XXj

R

R

Eq.2-14

Soit a

c

ca

c

a ZjyrR

XXj

R

R=+=

++ 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

2

2

1

1

+−=Γ

a

a

Z

Z Eq.2-16

La quantité de puissance cP qui peut être absorbée par la puce est (Eq.2-17) [2.6] :

48

TPPP aac =Γ−= )1(2

Eq.2-17

Où aP 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 = 2

4

ac

ac

ZZ

RR

+ , 10 ≤≤ τ 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) :

12 =Γ+T Eq.2-19

Les deux impédances aZ et cZ sont liées à la fréquence, de plus, l'impédance cZ 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 1cZ et 2

cZ , 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.

49

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*

ac ZZ = .

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'impédance1cZ , correspondant à l’adaptation avec l’antenne, permet

à celle-ci de collecter la puissance en provenance du lecteur. Le second état d’impédance 2cZ

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

50

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 0Z =50Ω, le coefficient de

réflexion 11S est mesuré à l’entrée de l’antenne ce qui permet de déterminer l’impédance

d’entrée de la pucecZ .

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

(dBm)

Rc (Ω) Cc (pF)

Alien Higgs 4 -18.5 1500 0.85

Alien Higgs 3 -18 1500 0.85

NXP UCODE

G2XM/ G2XL

-15 1385 1.16

1

1.

11

110 −

+−=S

SZZc

51

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 Ω−<<Ω− 100 600 cX [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. Dans le cas d’un circuit équivalent en série ccc XRZ //= avec

cf

j

c

jX

rc πω 2

−=−= .

52

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 radarσ 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]:

2

)1(21

inc

anta

inc

struct

E

RE

E

RE πππ

σ Γ−−= 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.

:aΓ le coefficient de réflexion de l’antenne du Tag.

53

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):

SE 02η= Eq.2-22

Avec 0η est l'impédance de l’onde dans le vide.

Alors l’expression de SER devient (Eq.2-23):

2

)1(21

inc

anta

inc

struct

S

SR

S

SR ππ

πσ Γ−−= 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):

incSréfS

224lim πR

R ∞→=σ 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 :

Tag

TP =Tag

RP .K Eq.2-25

avec 2*1 Γ−=K Eq.2-26

Où *Γ est le coefficient de réflexion modifié défini par [2.15]:

ZcZ

ZZ

a

ac

+−

=Γ*

* Eq.2-27

alors 2

24

ca

a

ZZ

RK

+= Eq.2-28

54

finalement [2.16] KGA TagTage . . _=σ = 2

222 ..

ca

atag

ZZ

RG

+π

λ Eq.2-29

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 re-

rayonnée 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 chargecZ . 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 rR et la résistance des

pertes de l’antenneLR . 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) :

)()( cacLrca XXjRRR

V

ZZ

VI

++++=

+= Eq.2-30

55

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) :

22

2

2

)()(caCLr

ceff

ceffTag

R XXRRR

RVRIP

++++== Eq.2-31

L’ouverture effective de l’antenne du Tag tageA _ est le quotient de la puissance reçue par la

densité de puissance émise inS (Eq.2-32).

])()[( 22

2

_

cacLrin

ceff

in

Tag

Rtage XXRRRS

RV

S

PA

++++== Eq.2-32

Si nous avons une adaptation parfaite entre l’antenne et la puce, Lrc RRR += et ca XX −=

L’ouverture effective maximum de l’antenne du Tag est obtenue par (Eq.2-33):

cin

eff

tage RS

VA

4

2

max_ = Eq.2-33

Puisque Lra RRR += une partie de la puissance sera dissipée comme chaleur (Eq.2-34):

LeffL RIP2

= Eq.2-34

La puissance re-rayonnée dans l'espace par l'antenne est la suivante (Eq.2-35):

22

2

2

)()( cacLr

reff

reffTag

T XXRRR

RVRIP

++++== 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 inS (Eq.2-36).

])()[( 22

2

cacLrin

reff

in

Tag

Tant XXRRRS

RV

S

P

++++==σ Eq.2-36

Si l'antenne fonctionne dans une condition maximum de transfert de puissance et sans pertes,

c'est-à-dire 0=LR , cr RR = et ca XX −= dans ce cas (Eq.2-37):

56

rin

eff

ant RS

V

4

2

=σ Eq.2-37

alors dans le cas d’une adaptation d’impédance où cr RR = :

max

_Tageant A=σ Eq.2-38

Ceci suggère que seulement la moitié de toute la puissance de l'onde incidente soit fournie à la

résistance cR , l'autre moitié est re-rayonnée dans l'espace par l'antenne du Tag.

Quand l'antenne est court-circuitée avec 0=cR et ac XX −= , la SER du mode antenne est

exprimée par (Eq.2-39):

max

2

max 4 Tage

rin

eff

ant ARS

V−==σ 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, ∞→cZ , le courant dans le circuit

est nul (Eq.2-40):

∞→=cZant 0minσ Eq.2-40

La SER en mode antenne peut prendre ainsi n'importe quelle valeur désirée dans une gamme

allant de 0 à max_4 tageA selon les valeurs de l’impédancecZ . 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

57

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. Ci-

dessous, 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):

πλ2_ =prochechampd 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):

CL

f r π2

1= Eq.2-42

Le couplage inductif dans un système RFID se base sur la boucle de conduction 1L parcourue

par un courant variable dans le temps )(1 ti qui serait l'antenne d'émetteur du lecteur (Figure

2.6). La boucle 2L représente l’antenne du Tag avec 2R est la résistance de bobine de

l'antenne du Tag et LR représente la résistance de charge.

58

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):

3

0 .

4

.

r

rldIBd

rrr

πµ

= 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]:

322

20

)(2

...

xr

rNIB

+=

µ 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):

59

HHB r ...0 µµµ == Eq.2-45

On peut ainsi définir le champ magnétique par (Eq.2-46):

322

2

)(2

..

xr

rNIH

+= Eq.2-46

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).

21.LL

MK = , 10 ≤≤ k 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 lecteurTag rr ≤ (Eq.2-48):

322

22

).(.

.)(

lecteurlecteurTag

lecteurTag

rxrr

rrxk

+≈ Eq.2-48

En raison du lien fixe entre le coefficient de couplage k et l'inductance mutuelle M, et en

raison du rapport 12

21 MMM == , la formule s'applique également aux antennes émettrices qui

sont plus petites que les antennes réceptrices de Tag aveclecteurTag rr ≥ (Eq.2-49) [1.25]:

322

22

).(.

.)(

TaglecteurTag

lecteurTag

rxrr

rrxk

+≈ Eq.2-49

Le coefficient de couplage %)100( 1)( =xk , est réalisé si la distance entre les deux bobines est

zéro (x = 0) et les rayons d'antenne sont identiques ( lecteurtag rr = ), 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 %)1(p [1.25].

60

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.

61

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.

62

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

63

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.

64

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

65

−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.

66

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.

67

(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 1cZ et 2cZ .

Antenne adaptée à l’impédance du datasheet de la puce

68

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.

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 : 50H mµ= ,

constante diélectrique relative : 3.2rε = , et tangente perte : tan 0.003δ = ) avec une taille

globale de 77 × 14 mm2. L'épaisseur de la couche d'aluminium estmµ9 . 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

impédance de fiche la technique Ω−= )19322( jZdatasheetc à une fréquence de résonance de

915 MHz. Pour transmettre la puissance maximale entre l'antenne et la puce, l'impédance de

l'antenne doit être le conjugué correspondant à Ω+= )19322( jZa . 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

(a)

(b)

69

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

Ω+= )4.1941.22( jZa. 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.

Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée

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.

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

-50.00

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

dB

(S(1

,1))

Ansoft LLC HFSSDesign1XY Plot 3

m1

m2 m3

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9131 -48.6863

m2 0.6455 -10.1572

m3 0.9636 -9.7005

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m2,m3) 0.3182 0.4567 1.4353 0.6967

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

0.00

25.00

50.00

75.00

100.00

125.00

150.00

175.00

200.00

225.00

Y1


m1

m2

Curve Info

im(Z(1,1))Setup1 : Sw eep1

re(Z(1,1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9131 22.1185

m2 0.9131 194.4295

70

(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).

-19.00

-13.00

-7.00

-1.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Ansoft LLC HFSSDesign1Radiation Pattern 1Curve Info

max(dB(GainTotal))Setup1 : LastAdaptiveFreq='0.915GHz'

71

.

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

variable ),1( pfZ i

cet pour la puissance variable et la fréquence fixe )1,( pfZ i

c . Une

procédure de calibrage SOL est utilisée pour extraire des valeurs d'impédance de la puce,

donc la valeur de l’impédance mesurée est Ω−= )79.1476.25( jZ Mesuré

c.

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.

72

Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de W1

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.

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00dB

(S(p

ort,p

ort))


m1

m2

m3

m4m5

m6

Curve Info

dB(S(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-8mm'

dB(S(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-7.5mm'





Name X 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

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

re(Z

(po

rt,p

ort)

)


m1

Curve Info

re(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-8mm'

re(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-7.5mm'





Name X Y

m1 0.9232 25.0321

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

200.00

220.00

im(Z

(po

rt,p

ort

))


m1

Curve Info

im(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-8mm'

im(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1w 1='-7.5mm'





Name X Y

m1 0.9232 145.4125

73

Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1

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.

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

-50.00

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

dB

(S(p

ort

,po

rt))


m1

m2m3

m4

m5

m6

Curve Info

dB(S(port,port))Setup1 : Sw eep1L1='20mm'






Name X 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

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10Freq [GHz]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

Y1


m1

m2

Curve Info

im(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1L1='21mm'





re(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1L1='20mm'



re(Z(port,port))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9384 26.0494

m2 0.9384 148.7315

74

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 25.2=rε et 01.0tan =δ . L’adaptation de l'antenne a été

réalisée avec une puce ayant une impédance Ω−= )15512( jZc. 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.

75

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

Ω−= )2.1602.28( jZa, ainsi l’antenne présente une bande passante étroite de 32 MHz.

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

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

dB

(S(L

um

pP

ort

1,L

um

pP

ort

1))

Ansoft Corporation HFSSDesign1XY Plot 1

m1

Curve Info

dB(S(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1Name X Y

m1 0.9000 -25.3933

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Freq [GHz]

-3000.00

-2000.00

-1000.00

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

Y1


m1m2

Curve Info

im(Z(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

re(Z(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9000 28.2414

m2 0.9000 160.2959

BP=32 MHz

76

(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 4,4=rε et

02.0tan =δ . 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 Ω−= )19322( jZc. Cette adaptation est confirmée par les résultats

77

de simulation du coefficient de réflexion et de l’impédance d’entré de l’antenne qui sont

montrés à la Figure 2.18.

.

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 Ω−= )2,1815,27( jZa aussi la seconde avec S11=-35,8 dB à

931,8 MHz et Ω−= )3,1937.15( jZa. 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.

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Freq [GHz]

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

dB

(S(L

um

pP

ort

1,L

um

pP

ort

1))


m1

m2

Curve Info

dB(S(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.8687 -29.2943

m2 0.9318 -35.8041

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

Y1


m1

m2

m3

m4

Curve Info

im(Z(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

re(Z(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.8687 27.5230

m2 0.8687 181.2872

m3 0.9318 15.7177

m4 0.9318 193.3640

78

(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

79

L'antenne a été conçue en utilisant une puce NXP UCODE d’impédance Ω−= )19322( jZc.

L'impédance de l'antenne doit être le complexe conjugué de l’impédance qui correspondant à

Ω+= )19322( jZc 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 Ω−= )8,18204,21( jZa.

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.

Figure 2. 28. ROS de l’antenne méandre

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50Freq [GHz]

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

dB

(S(L

um

pP

ort

1,L

um

pP

ort

1))


m1

Curve Info

dB(S(LumpPort1,LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9000 -31.4280

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

Y1


m1

m2

Curve Info

im(Z(LumpPort1,LuSetup1 : Sw eep1

re(Z(LumpPort1,LumSetup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9000 21.0407

m2 0.9000 182.8947

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50Freq [GHz]

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

dB(V

SW

R(L

umpP

ort1

))


m1

Curve Info

dB(VSWR(LumpPort1))Setup1 : Sw eep1

Name X Y

m1 0.9000 0.4662

80

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

81

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 2.2=rε et de tangente de pertes 009.0tan =δ , avec une taille globale de

77×14 mm2.

Variable L 1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 (mm) 24.6 21 16 73 1 2 2.5 2.5 3 3.5 2

82

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

Ω−= )2084.30( jZ datasheetc . Ceci nous permet de voir que l’impédance de l’antenne doit

être Ω+= )2084.30( jZa 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.

0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0 1 ,1

-1 4

-1 2

-1 0

-8

-6 L 1 = '2 4 .6 m m ' L 3 = '1 6 m m '

S11

(dB

)

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

mesurée [2.52] de la puce est alors de Ω−= )16326( jZ Mesuré

c . 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.

83

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

L3= '12m m ' L3= '14m m ' L3= '16m m ' L3= '18m m ' L3= '19m m '

S11

(dB

)

F réque nce (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.

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

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'

S11

(dB

)

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

fonctionnement, il est toujours préférable d’avoir une antenne Tag couvrant toute la bande

UHF RFID, c'est-à-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

des pertes par réflexion meilleures que 10 dB à la fréquence de travail. Ainsi nous avons pu

obtenir un dBS 1011 ≥ sur environ 155 MHz autour de 868 MHz, c'est

et 885MHz.

L’antenne méandre présente un gain de 1,5 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de

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

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 utili

applications de communications en champ proche. Les antennes Tag utilisés pour des

communications en champ lointain (FFC) ne peuvent pas forcément bien fonctionnés en


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


sur environ 155 MHz autour de 868 MHz, c'est-à-dire 17,8%, entre 730

ndre présente un gain de 1,5 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de


Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre

2.1.3.2 Distribution et analyse du champ magnétique du Tag


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 utili



84


dire de 860 à 960 MHz, afin d’assurer tout au moins un fonctionnement

conception de notre antenne vise


dire 17,8%, entre 730

ndre présente un gain de 1,5 dB. Le diagramme de rayonnement 3D de

Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre


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 dans des



85

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.

Figure 2. 37. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono

Le prototype de notre antenne que nous

l'impédance de la puce mesurée

Les antennes ont été fabriqués par procédé LDSla machine à graver LPKF (protomat

Figure 2. 39

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

utilisons un circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réc

Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono

Le prototype de notre antenne que nous avons réalisé est montré la Figure 2.32, il est adapté à

l'impédance de la puce mesurée Ω−= )16326( jZMesuré

c.

Figure 2. 38. Tag RFID-UHF réalisé

Les antennes ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF (Laser Direct Structuring) en utilisant (protomat S100) (Figure 2.33) [2.53].

.

39. Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100


standard polarisée linéairement, et ayant un gain de 6 dB dans la bande 800

utilisons un circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réc

86

Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono-statique

avons réalisé est montré la Figure 2.32, il est adapté à

(Laser Direct Structuring) en utilisant

S100)


standard polarisée linéairement, et ayant un gain de 6 dB dans la bande 800-1000 MHz. Nous

utilisons un circulateur pour isoler les canaux de transmission de ceux de la réception. Nous

87

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

88

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.

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980-8-6-4-202468

1012141618

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (M H z)

M esu re en cham p lo in ta in (d=60 cm ) M esu re en cham p p roche (d=18 cm )

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.

89

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

simulations et dans les mesures en réflexions standards.

8 0 0 8 20 8 40 86 0 88 0 9 0 0 9 2 0 9 40 9 60 98 00

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

12 0 M H z

38 M H z

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence(M H z)

M esure en cham p lo in ta in (d=60 cm ) )

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

90

θ à 868 MHz mesurée à d = 60 cm et °= 0ϕ . 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 °= 70θ .

2,42,62,83,03,23,43,63,84,0

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

2,42,62,83,03,23,43,63,84,0

Puissance minimum d'activation (f=868 MHz)

Mesure de la puissance minimale(d=60 cm)

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

91

Figure 2.41 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag RFID-UHF en fonction de la distance dans le système RFID.

0 2 4 6 8 10 12 140

5

10

15

20

25

30

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Distance (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]:

92

α2222 BSNfC TagTag∝

Eq.2-50

Où f est la fréquence, TagN est le nombre de spires de l’antenne bobine du Tag, TagS est l’air

de la section transversale (cross-section area),Best la densité de champ magnétique à

l’emplacement de Tag crée par l’antenne du lecteur etα 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 2,2=rε et

009,0tan =δ , 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.

93

Variable L 1 L2 L3 L4 W1 W2 Lsub Wsub (mm) 20,7 17,6 6,3 4,9 7,6 15,7 68 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

cette antenne avec l’impédance mesurée de la puce Ω−= )16326( jZMesurée

c. 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 Ω−= )4,1714,26( jZa.

0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00-34

-32

-30

-28

-26

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

S11

(dB

)

Fréquence (GHz)

0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

0102030405060708090

100110120130140150160170180

Impé

danc

e (o

hms)

Fréquence (GHz)

Partie imaginaire de l'impédance(ohms) Partie réelle de l'impédance(ohms)

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


94

.

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.

95

(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

proche (d=18 cm) et 2,8 dBm en champ lointain (d=65 cm).

860 880 900 920 940 960-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (MHz)

Mesure en champ lointain (d=65 cm) Mesure en champ proche (d=18 cm)

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 °= 0ϕ . 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 °= 60θ .

96

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,03,2

3,4

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

1,8

2,0

2,22,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4


Mesure de la puissance minimale (d=65cm)

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.

Figure 2.49 montre la puissance minimum nécessaire pour activer notre Tag en fonction de la distance dans le système RFID-UHF.

0 2 4 6 8 10 12 14 160

5

10

15

20

25

30

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

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

97

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 4,4=rε et 02.0tan =δ . 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 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 W1 W2 W3 L sub Wsub

(mm) 11,5 5 6 20 2 29 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

98

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 Ω−= )6,16104,27( jZa.

.

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


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.

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

dB(S

(1,1

))


m1

Curve Info


Name X Y

m1 0.9100 -42.5687

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

Y1


m1

m2

Curve Info



Name X Y

m1 0.9100 27.0468

m2 0.9100 161.6603

99

(a)

(b)

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 Ω−= )4,1621,25( jZa.

100

.

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.

(a)

(b)

Figure 2. 63. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b)


sont présentés dans les Figures 2.58a et b, respectivement.

(a)

(b)

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

-60.00

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00d

B(S

(1,1

))HFSSDesign1XY Plot 1 ANSOFT

m1

Curve Info


Name X Y

m1 0.9100 -55.2833

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

Y1


m1

m2

Curve Info


re(Z(1,1))Setup1 : Sw eepName X Y

m1 0.9100 25.1173

m2 0.9100 162.4455

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

Curve Info

max(dB(GainTotal))Setup1 : LastAdaptiveFreq='0.915GHz'

Name Phi Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 1.7994

101

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

Tags aussi bien en champ proche (18 cm) qu’en champ lointain (65 cm).

850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

F réquence (M Hz)

A ntenne à couplage inductif en cham p proche (d=18 cm ) A ntenne avec T -m atch en cham p lo intain (d=65 cm ) A ntenne à couplage inductif en cham p proche (d=18 cm ) A ntenne avec T -m atch en cham p lo intain (d=65 cm )

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.

102

Figure 2. 66. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque


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 °= 0ϕ . 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 °= 140θ .

103

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4


Puissance minimale d'activation de l'antenne à couplage inductif (d=65cm) Puissance minimale d'activation de l'antenne en T-match (d=65cm)

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.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Puissance minimale permettant l'activation du Tag(dBm) Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)

Distance (m)

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

Pui

ssan

ce e

n ré

cept

ion

du s

igna

l reç

u (R

SS

)

Figure 2. 68. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :

Received Signal Strength) en fonction de la distance

104

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).

105

800 850 900 950 1000-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

Simulation (HFSS) Mesure

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.

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

R=44 mm R=45 mm R=46 mm R=47 mm R=48 mm R=49 mm

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

106

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.

107

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.

910 915 920 925 930 935 940-1

0

1

2

3

4

Mesure en champ proche (d=9 cm)

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

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 L 1 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

(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

passante de 10,5 MHz (965 à 975,5 MHz), qui couvre la bande RFID

8 0 0

-1 8

-1 6

-1 4

-1 2

-1 0

-8

-6

-4

-2

0

2

S11

(dB

)

Figure 2. 76. Coefficient de réflexion de l’antenne

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'antenne avec variation de W

plusieurs bandes RFID-UHF (l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine, etc).

(b)

Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b)


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 européenne.

8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0

M esu re s im u la tio n (H F S S )

F ré q u e n c e (M H z )

Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive

à l'intérieur de l'antenne replié avec deux bras en C formés dans le



e avec variation de W3. Alors avec la variation de W3, l'antenne peut fonctionner sur

UHF (l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine, etc).

108

Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b)


MHz, avec une bande

UHF européenne.

s im u la tio n (H F S S )

à charge capacitive

à l'intérieur de l'antenne replié avec deux bras en C formés dans le



, l'antenne peut fonctionner sur

UHF (l'Europe de la bande, Amérique du Nord, bande Chine, etc).

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

S11

(dB

)

Figure 2. 77. Coefficient de

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 un

(a)

Figure 2. 78. Distribution du courant (a) et de champ magnétique

En chambre anéchoïque, nous avons essayé de vérifier les performances en champ proche

cette prototype d’antenne avec le Tag en configuration T

L’antenne de lecteur RFID-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 Ta

T-match en champ proche et en champ lointain. La configuration de test pour tester le Tag est

illustrée à la Figure 2.73.

0,80 0,85 0,90 0 ,95 1 ,00

Fréquence (M H z)

W 3=0 ,4 m m

W 3=0 ,45 m m W 3=0 ,7 m m W 3=1 ,2 m m

Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation de W



champ magnétique est fort et uniforme sur la totalité de l’antenne.

(b)

Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne

anéchoïque, nous avons essayé de vérifier les performances en champ proche

cette prototype d’antenne avec le Tag en configuration T-match, déjà présenté dans (§2.1.5.1).

UHF présente une distance de lecture maximale de 7 cm à 870

En espace libre, nous avons mesuré l’antenne du lecteur avec le Ta

match en champ proche et en champ lointain. La configuration de test pour tester le Tag est

109

réflexion de l’antenne avec variation de W3



(b) de l’antenne à 876 MHz

anéchoïque, nous avons essayé de vérifier les performances en champ proche de

match, déjà présenté dans (§2.1.5.1).

UHF présente une distance de lecture maximale de 7 cm à 870

En espace libre, nous avons mesuré l’antenne du lecteur avec le Tag configuration

match en champ proche et en champ lointain. La configuration de test pour tester le Tag est

110

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.

0 2 40

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Puissance minimale permettant l'activation du Tag(dBm) Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)

Distance (m)

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

-80

-70

-60

-50

-40

-30 Puissance en réception du signal reçu (R

SS

)

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.

111


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115

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.

116

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 1.1=rε 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

117

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

118

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

119

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

120

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 Ω−= )07,15578,0( jZa à 910

MHz au lieu de l’impédance de l’antenne sans métal Ω−= )6,16104,27( jZa. 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).

Figure 3. 4. Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

Y1


m1

m2

Curve Info



Name X Y

m1 0.9100 0.7896

m2 0.9100 155.0732

121

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 Ω−= )5,16315,27( jZa. Le gain de notre Tag

attient 6,44 dB et ainsi augmente 3,5 fois par rapport au Tag sans plaque métallique.

Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=82 mm de plaque métallique

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20Freq [GHz]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

Y1


m1

m2

m3

m4

Curve Info



Name X Y

m1 0.9000 163.5235

m2 0.9000 27.1573

m3 0.9100 154.8992

m4 0.9100 27.1673

122

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

123

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

Ω−= )16326( jZMesuré

c 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 4,4=rε et 02.0tan =δ .

124

(a)

(b)

Figure 3. 8. Géométrie de l’antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le

prototype réalisé (b)


Variable L sub Wsub W1 W2 W3 W4 W5 W6 Ls (mm) 90 50 2 13 2 15 5 6 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

125

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.

8 6 0 8 8 0 9 0 0 9 2 0 9 4 0 9 6 0-5 5

-5 0

-4 5

-4 0

-3 5

-3 0

-2 5

-2 0

-1 5

-1 0

S11

(dB

)


T a g R F ID s a n s p la q u e m é ta ll iq u e T a g R F ID a v e c p la q u e m é ta ll iq u e (3 0 0 * 3 0 0 m m 2 )

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 Ω+= )45,16377,25( jZa tandis qu'à la seconde fréquence de

résonance 941 MHz, l'impédance d’entrée Ω+= )05,16301,27( jZa. Pour l’antenne avec la

plaque métallique, l'impédance d'entrée Ω+= )64,16304,22( jZa à 897 MHz et à la

fréquence de résonance 943 MHz, l'impédance d’entrée Ω+= )42,16665,31( jZa. 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.

126

860 880 900 920 940 9600

20

40

60

80

100

Par

tie ré

elle

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal) Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal)

(a) Parties réelles

860 880 900 920 940 960100

120

140

160

180

200

220

Par

tie im

agin

aire

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal) Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)

(b) Parties imaginaires

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 °= 0φ , 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.

(a) Sans plaque métallique (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

-12.40

-10.80

-9.20

-7.60

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

HFSSDesign1Radiation Pattern 6m1

m2

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='0.915GHz' Phi='0deg'








Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 -6.1341

m2 180.0000 180.0000 -9.7637

-24.00

-18.00

-12.00

-6.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

HFSSDesign1Radiation Pattern 6

m1

m2

Curve Info









Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 -2.5733

m2 180.0000 180.0000 -18.2949

127

(a) Sans plaque métallique (b) 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

métallique.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,58

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Distance (m)

Tag sans plaque métallique Tag avec plaque métallique (300* 300 mm 2)

Figure 3. 14. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance

128

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 L sub Wsub W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 L1 L2 Ls (mm) 90 50 2 13 2 15 5 6 47 22 4 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.

129

860 880 900 920 940 960-60

-50

-40

-30

-20

-10

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

Tag RFID UHF sans plaque métallique Tag RFID UHF avec plaque métallique (300* 300 mm2)

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

Ω+= )15,1562,29( jZa ainsi à la seconde fréquence 934 MHz, l'impédance d’entrée

Ω+= )46,1622,25( jZa. Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée

Ω+= )71,16028,26( jZa à 904 MHz et à la fréquence de résonance 937 MHz, l'impédance

d’entrée Ω+= )49,16375,28( jZa.

860 880 900 920 940 9600

10

20

30

40

50

60

70

Par

tie ré

elle

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie réelle de l'im pédance(Tag sans m éta l) Partie réelle de l'im pédance(Tag avec m étal)


860 880 900 920 940 960

100

120

140

160

180

200

220

240

Par

tie im

agin

aire

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie im aginaire de l'im pédance(Tag sans m éta l) Partie im aginaire de l'im pédance(Tag avec m étal)


Figure 3. 17. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique

130

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 °= 0φ . 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.

(a) Sans plaque métallique

(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

-13.60

-11.20

-8.80

-6.40

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

Curve Info









Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 -5.7417

m2 180.0000 180.0000 -11.5361

-28.00

-21.00

-14.00

-7.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

Curve Info









Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 -2.9348

m2 180.0000 180.0000 -20.0349

131


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

que le Tag avec un stub court-circuité a besoin de 14,5 dBm pour son activation à 900 MHz.

840 860 880 900 920 940 960

14

16

18

20

22

24

26

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (MHz)

Mesure en champ lointain_open stub (d=65 cm)) Mesure en champ lointain_short stub (d=65 cm))

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.

132

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,

sur la même figure pour mieux comparer les deux antennes.

0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 0,9 1 1,5 2 2,3 3 4 4,2 --8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Distance (m)

Tag sans plaque métallique (open stub) Tag avec plaque métallique (short stub) Tag sans plaque métallique (short stub) Tag avec plaque métallique (open stub)

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.

133

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.


Variable L sub Wsub W1 W2 W3 W4 L1 L2 (mm) 114 46 2 3 6 8 36.5 4

Tableau 3. 3. Paramètre de l’antenne Tag à fente

134

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).

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

Languette de court-

135

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.

860 880 900 920 940 960-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

Antenne à fente sans plaque métallique Antenne à fente avec plaque métallique (300* 300 mm2)

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 Ω+= )9,16215,25( jZa à

918 MHz et avec une plaque métallique, Ω+= )57,15951,25( jZa à 916 MHz.

860 880 900 920 940 960

0

200

400

600

800

Par

tie ré

elle

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie réelle de l'impédance(Tag sans métal) Partie réelle de l'impédance(Tag avec métal)


860 880 900 920 940 960

-400

-200

0

200

400

Par

tie im

agin

aire

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie imaginaire de l'impédance(Tag sans métal) Partie imaginaire de l'impédance(Tag avec métal)


Figure 3. 27. Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique

136

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.

860 880 900 920 940 960

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

Ls='25mm'

Ls='30 mm'

Ls='35 mm'

Ls='37.5 mm'

Ls='40 mm'

Ls='45 mm'

Ls='50 mm'

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.

L 1 25 30 35 37,5 40 45 50

Fréquence de résonance

(MHz)

957 941 925 918 910 894 879

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 °= 0φ , et °= 20θ , on

137

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.

(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


Figure 3. 30. Gain de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique

-12.80

-9.60

-6.40

-3.20

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

m3Curve Info



Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 -2.0209

m2 180.0000 180.0000 -6.3283

m3 20.0000 20.0000 -1.7738

-27.00

-19.00

-11.00

-3.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

Curve Info



Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 1.4222

m2 180.0000 180.0000 -14.5527

138

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

métallique avec la distance de séparation entre le lecteur cornet et notre Tag est d=65 cm.

908 910 912 914 916 918 920 922 924 926 928 930 932 934 936 938 940 9422

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (MHz)

Tag RFID UHF sans plaque métallique (d=65 cm) Tag RFID UHF avec plaque métallique (d=65 cm)

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

139

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

fonctionne bien sur toute la bande UHF.

860 880 900 920 940 960-10

-5

0

5

10

15

20

25

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (MHz)

Tag RFID UHF sans plaque métallique (d=1 cm) Tag RFID UHF avec plaque métallique (d=1 cm)

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

140

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.

3,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5

10,010,511,0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

3,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5

10,010,511,0

Mesure de la puissance minimale(d=65 cm)


Tag RFID sans plaque métallique (d=65 cm) Tag RFID avec plaque métallique (d=65 cm)

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.

141


[3.1]

Dubok, A. Coenen, T.J. Zamanifekri, A. Smolders, A.B. "Robust UHF RFID antennas in complex environments", Antennas and Propagation (EuCAP), 2013 7th European Conference on, On page(s): 1695 - 1699, Volume: Issue: , 8-12 April 2013

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[3.5] L. Ukkonen, M. Schaffrath, D. W. Engels, L. Sydanheimo, and M.Kivikoski, “Operability of folded microstrip patch-type tag antenna in the UHF RFID bands within 865–928 MHz,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 5, pp. 414–417, 2006.

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143

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.

144

Les dimensions géométriques de l'antenne proposée sont données en mm dans le tableau 4.1.

Variable L sub 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

145

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.

800 850 900 950 1000-50

-40

-30

-20

-10

0

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)


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.

146

900 905 910 915 920 925 930

1

2

3

4

5

6

Rap

port

axi

al (

dB)

F réquence (M Hz)

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.

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°.

0.00 125.00 250.00 375.00Theta [deg]

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

dB(A

xial

Ra

tioV

alu

e)


m1 m2m3 m4

Curve Info

dB(AxialRatioValue)Setup1 : LastAdaptiveFreq='0.915GHz' Phi='290deg'








Name X Y

m1 40.0000 3.0601

m2 320.0000 3.0601

m3 140.0000 2.9840

m4 220.0000 2.9840

147

(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°).

-4.00

-2.00

0.00

2.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2 Curve Info









dB(GainTotal)

Name Theta Ang Mag

m1 170.0000 170.0000 3.2811

m2 360.0000 -0.0000 3.0230

148

(a)

(b)

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°.


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.

149

8 60 8 80 90 0 92 0 9 40 9 60

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (M H z)

A n ten ne av e c l'an g le p h i= 0 ° (d = 11 cm ) A n ten ne av e c l'an g le p h i= 9 0° (d= 1 1 cm ) A n ten ne av e c l'an g le p h i= 0 ° (d = 55 cm ) A n ten ne av e c l'an g le p h i= 9 0° (d= 5 5 cm )

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.

150

(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 L sub 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.

151

800 850 900 950 1000-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

S11

(dB

)

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.

85 5 86 0 86 5 87 0 875 880 8850

1

2

3

4

5

6

7

Rap

port

axi

al (

dB)

F réquence (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.

152

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°.


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°.

(a)

(b)

Figure 4. 16. Diagrammes de rayonnement de l’antenne proposée en 2D (a) et 3D (b)



de simulations de rapport axial (RA) montrés à la Figure 4.14. Notre antenne fonctionne bien

0.00 125.00 250.00 375.00Theta [deg]

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

dB

(Axi

alR

atio

Va

lue

)


m1 m2 m3 m4

Curve Info









Name X Y

m1 40.0000 2.8358

m2 140.0000 3.0360

m3 220.0000 3.0360

m4 320.0000 2.8358

-4.00

-2.00

0.00

2.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

Curve Info









dB(GainTotal)

Name Theta Ang Mag

m1 170.0000 170.0000 3.0049

m2 360.0000 -0.0000 2.7345

153

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

est hors bande européenne (865-868 MHz).

860 880 900 920 940 960

0

5

10

15

20

25

30

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

Fréquence (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)

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°.

154

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.

155

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 Ω−= )16326( jZ Mesuré

c 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.

156

Les dimensions géométriques de l'antenne sont données dans le tableau 4.3.

Variable Lsub Wsub W1 W2 L1 L2 L3 H (mm) 82 45 15 1 60 19 25 4

Tableau 4. 3. Paramètre de l’antenne Tag PIFA

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.

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

-30

-20

-10

0

10

S11

(dB

)

Fréquence (MHz)

Antenne sans plaque métallique Antenne avec plaque métallique (300* 300 mm2)

Figure 4. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique

157

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 (Figure 4.22b)) avec ou sans plaque métallique. Nous

remarquons qu'à la fréquence de résonance 899,7 MHz, l'impédance d'entrée

Ω+= )12,16767,15( jZa. Pour l’antenne avec une plaque métallique, l'impédance d'entrée

Ω+= )47,16782,12( jZa à 895 MHz.

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Par

tie ré

elle

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA sans métal) Partie réelle de l'impédance(Tag PIFA avec métal)


0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

Par

tie im

agin

aire

de

l'im

péda

nce

(ohm

s)

Fréquence (MHz)

Partie im aginaire de l'im pédance(Tag PIFA sans métal) Partie im aginaire de l'im pédance(Tag PIFA avec m étal)

(b)Parties imaginaires

Figure 4. 22. Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque métallique


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

°= 50ϕ et 4,36 dB avec °= 40ϕ , respectivement. Les résultats montrent un gain de 1,51 dB

lorsque notre Tag RFID-UHF est placée sur la plaque métallique.

158

(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

-11.00

-7.00

-3.00

1.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

m3

Curve Info









Name Theta Ang Mag

m1 360.0000 -0.0000 0.4395

m2 180.0000 180.0000 -0.2013

m3 310.0000 -50.0000 2.8523

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120


m1

m2

m3

Curve Info








Name Theta Ang Mag

m1 320.0000 -40.0000 4.3650

m2 360.0000 -0.0000 0.7545

m3 180.0000 180.0000 -15.5876

159

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 %.

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°

Figure 4. 26. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction φ=90° et θ 230°


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

0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 1.00Freq [GHz]

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

dB

(Axi

alR

atio

Va

lue

)


Curve Info

dB(AxialRatioValue)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='0deg'








dB(AxialRatioValue)

0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 1.00Freq [GHz]

1.25

2.50

3.75

5.00

6.25

7.50

8.75

10.00

dB

(Axi

alR

atio

Va

lue

)


m1

m2 m3

m4

Curve Info


Name X Y

m1 0.8900 1.3208

m2 0.8100 2.9978

m3 0.9300 3.1205

m4 0.9000 1.4948

160

pour activer notre Tag, avec et sans plaque métallique, en champ proche (d=5 cm) qu’en

champ lointain (d=65 cm).

Figure 4. 27. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique

8 6 0 8 8 0 9 0 0 9 2 0 9 4 0 9 6 0-1 0

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

2 4

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)


T a g R F ID U H F s a n s p la q u e m é ta l l iq u e ( d = 5 c m ) T a g R F ID U H F a v e c p la q u e m é ta l l iq u e ( d = 5 c m ) T a g R F ID U H F s a n s p la q u e m é ta l l iq u e ( d = 5 5 c m ) T a g R F ID U H F a v e c p la q u e m é ta l l iq u e ( d = 5 5 c m )

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

161

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.

162

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

dBm pour son activation lorsque qu’il est aligné avec l’antenne cornet (h=0 cm).

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.

-30 -20 -10 0 10 20 303

4

5

6

7

8

9

10

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dBm

)

Distance (direction verticale)

Tag sans plaque métallique avec Tx=0° (d=55 cm)

Figure 4. 32. . Puissance minimale d’activation en fonction de la distance

163

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

normale (φ 0). L’antenne Tag PIFA répond en polarisation verticale et horizontale de

l’antenne cornet.

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.

860 880 900 920 940 960

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Pui

ssan

ce m

inim

ale

d'ac

tivat

ion

(dB

m)

Fréquence (MHz)

Tag PIFA avec Tx=0° (d=55 cm) Tag PIFA avec Tx=90° (d=55 cm)

Figure 4. 34. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance

verticale de Tag PIFA

164

0 2 4 6 8 1 01 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

2 4

2 6

2 8

3 0

3 2

P u is s a n c e m in im a le d 'a c t iv a tio n d u T a g s a n s p la q u e m é ta l l iq u e (d B m ) S e n s ib i li té m e s u ré e d u ré c e p te u r (d B m )

D is ta n c e (m )

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

-7 4

-7 2

-7 0

-6 8

-6 6

-6 4

-6 2

-6 0

-5 8

-5 6

-5 4 Puissance en réception du signal reçu (R

SS

)

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

165

0 2 4 6 8 1012

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Puissance minimale d'activation du Tag avec plaque métallique(dBm) Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)

Distance (m)

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

-74

-72

-70

-68

-66

-64

-62

-60

-58

-56

-54 Puissance en réception du signal reçu (R

SS

)

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.

166

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 202

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Puissance minimale d'activation du Tag en position horizontale avec une plaque métallique (dBm) Sensibilité mesurée du récepteur (dBm)

Distance (m)

Pui

ssan

ce m

inim

um d

'act

ivat

ion

(dB

m)

-78-76-74-72-70-68-66-64-62-60-58-56-54-52-50-48-46-44 P

uissance en réception du signal reçu (RS

S)

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)

RSS (dBm) Distance (m) Décalage du Tag (cm)

21 -64 2,6 55 21 -64 3 30

28,5 -73 8 50 31.5 -74 10 30 31.5 -75 13 30 30.5 -72 15 70 31.5 -74 18 0 30.5 -72 18 50

Tableau 4. 4. Déplacements de Tag PIFA

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

167

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.

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

S11

(dB

)

Fréquence (GHz)

Mesure Simulation (HFSS)

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.

168


[4.1] Alien Technology® ALN-9654 G Inlay, Lien : http://www.alientechnology.com/wp-content/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

169

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,

170

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.

Documents

THESE DE DOCTORAT - Ecole supérieure des … · 1.5. Avantages et inconvénients de la technologie ... Figure 1. 13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie