Solutions novatrices pour l'amélioration du taux de lecture de tags ...

UNIVERSITE PARIS-EST

ECOLE DOCTORALE MSTIC

THESE

Prsente par

Rafael Antonio QUIROZ MORENO

Pour obtenir le grade de

Docteur de lUniversit Paris-Est

Spcialit : Electronique

Solutions novatrices pour lamlioration du taux de

lecture de tags RFID UHF dans des environnements

complexes

Thse dirige par le Professeur Jean-Marc LAHEURTE

Date de la soutenance : 4 mars 2014

Rapporteurs

Thierry MONEDIERE Professeur lUniversit de Limoges

Philippe PANNIER Professeur lEcole Polytechnique Universitaire de Marseille

Examinateurs

Thierry ALVES Ingnieur lONERA

Jean-Marc LAHEURTE Professeur lUPEM

Catherine LEPERS Professeur Tlcom SudParis

Odile PICON Professeur lUPEM

http://www.univ-paris-est.fr/fr/

Ddicaces

A ma mre

Remerciements

Je tiens tout particulirement remercier les Professeurs Philippe Pannier et Thierry

Monedire davoir accept de rapporter sur cette thse.

Ce travail ainsi que ma vie pendant ces quatre dernires auraient bien diffrents si je

navais pas eu lopportunit de faire mon master recherche luniversit Paris-Est Marne-la-

Valle. Pour cela, je remercie Mme Catherine Lepers, directrice du master EOE Tlcom

Sud Paris et Mme Odile Picon, responsable du master SCHF. Elles ont rendu possible ma

participation au programme de double diplme.

A mon directeur de thse Jean-Marc Laheurte pour mavoir donn lopportunit de

dcouvrir le monde de la recherche en mouvrant les portes du laboratoire ESYCOM, dabord

avec mon stage de master puis avec ce grand projet qui heureusement arrive bon terme

aujourdhui. Son soutien trs opportun et son savoir mont beaucoup aid.

A toute lquipe du laboratoire ESYCOM qui pendant ces annes a particip dune

faon ou dune autre ce projet, les matres de confrence, les ingnieurs et les techniciens.

A la socit TAGSYS RFID qui a bien voulu nous prter une partie du matriel dont

nous avions besoin pour faire et tester nos antennes.

Je voudrais remercier trs sincrement Thierry Alves avec qui jai eu la chance de

travailler et dapprendre pendant presque toute la dure de la thse. Il a les connaissances et

les capacits dun bon encadrant ainsi que la gentillesse et la cordialit dun ami. Cest

justement ce mlange qui ma permis de partager beaucoup avec lui toujours en avanant dans

les projets proposs. Je naurais sincrement jamais pu russir sans son aide. Je tiens aussi

remercier M. Hakim Takhedmit qui a toujours t l pour rpondre mes questions et me

donner ses sages conseils.

A M. Brenger Ouattara, qui sans le savoir a prcieusement contribu dans une petite

partie de ce travail.

Le format et la mise en page de ce manuscrit ont t faits avec laide de mon ami

David Abi-Saab qui je dois aussi remercier.

A tous mes collgues doctorants du laboratoire avec qui jai partag plein de

connaissances ainsi que des moments de convivialit et camaraderie. Ces deux derniers

mont permis de continuer avec mes efforts de la meilleure manire.

Je dois remercier spcialement Nadia Haddadou pour sa prsence et son soutien. Elle

ma montr quon peut trouver des vrais amis mme si on est loin de ses racines.

A Caroline Verpilleux qui a t la premire personne lire une grande partie de ce

manuscrit et corriger mes phrases penses en espagnol et crites en franais. Je remercie aussi

son soutien constant qui ma permis de prendre conscience de mes comptences afin de

donner le meilleur de moi-mme dans les moments o javais le plus besoin.

Au football et la musique deux passions qui me permettent de mvader et oublier

les difficults pour retrouver nouveau mon souffle et continuer de plus belle.

A mon amie, mon colocataire, et aussi le frre que la vie ma offert mon arriv en

France : Hamlet Medina avec qui jai partag plein de moments de bonheur ainsi que les

difficults ensemble on est un binme parfait !

A ma mre qui ma toujours soutenu et encourag aller plus loin. Pour chacun des

succs dans ma vie, elle a t prsente. Mama a ti agradezco mi vida y todo lo que en ella he

logrado, mis triunfos son tuyos. Gracias a tu enorme esfuerzo como madre soy lo que soy hoy

dia. Quiero que sepas que te amo y que eres lo mas importante para mi.

Finalement je remercie Dieu, pour avoir toujours eu la foi en lui. Cela ma permis de

rester calme mme quand je me suis approch de la valle de lombre de la mort dans

plusieurs moments de ma vie.

Rsum

Lidentification par radio frquence (RFID) est une technologie utilisant les ondes

radio pour dtecter, localiser et identifier des objets sur lesquels on place des tiquettes

lectroniques ou tags. Cette technologie, avec des fonctionnalits de dtection suprieures

2m, est destine remplacer le code-barre existant depuis les annes 1970. Durant la dernire

dcennie, le dveloppement de la RFID UHF a permis dlargir le domaine des applications

qui compte entre autres le marquage dobjets, le contrle daccs, la traabilit, la logistique,

linventaire, et mme les transactions financires. Avec cette augmentation de la demande de

services didentification, les prvisions pour le march de la RFID (actuellement dans les

12MM deuros) montrent une augmentation de 3MM deuros par an dans les 10 prochaines

annes.

Actuellement la RFID UHF prsente plusieurs limitations technologiques fortes

expliquant que son dveloppement est moins rapide que ce qui avait t envisag il y a une

vingtaine dannes. Deux problmatiques industrielles importantes sont abordes dans ce

travail. Tout dabord la varit des supports sur lesquels les tiquettes RFID sont places,

cette variabilit des supports entranant un drglage des antennes des tags cause du

changement de la permittivit lectrique et/ou de la conductivit du milieu. Dans ce contexte

des solutions sont proposes au niveau de tags UHF pour une application sur surfaces en

plastique ou en mtal. La deuxime problmatique est lie au couplage entre antennes lorsque

la densit de tags est forte ou aux perturbations de diagramme (masquage) dues

lenvironnement proche des antennes. Afin damliorer le taux de lecture dans ces conditions,

une antenne lecteur miniaturise quatre IFAs intgrant de la diversit despace, de

polarisation et de diagramme a t dveloppe et teste dans un scnario forte densit de

tags.

Mots cls : RFID ; UHF RFID ; Tags UHF RFID Tags, Antenne Lecteur UHF

RFID ; Lecture de tags RFID ; Taux de lecture RFID

Abstract

Radio Frequency Identification (RFID) is a technology designed to use the

electromagnetic waves backscattering to establish detection and identification for different

types of articles. Due to its longer coverage range, this technology seeks to replace the bars

code existing since 1970. Recently RFID developments allow the growth in the number of

applications including access control, tracking and logistic, inventory, and even electronic

contactless payment between others. With this growing in the RFID services demand, the

market value previsions (currently in 12MM euros) show an increase of 3MM euros per year

during the next 10 years.

Nowadays the RFID has many technical limitations that could explain the fact of the

slow growth different of the initial estimation twenty years ago. Two main issues in RFID

field are treated in this work. Initially, the variety of supports where the tags are placed on,

fact that produce an antenna mismatch due to the electrical permittivity variation. For this

problem some UHF tags solutions are developed and proposed to enhance the antennas

performance for plastic and metallic supports applications. The second issue which is the low

detection rate is clearly linked to the antennas coupling when the tags density is high or to the

perturbations in the readers radiation pattern due to the environment next to the antenna. In

order to improve the detection-identification rate in these conditions, a four IFA miniaturized

reader antenna with diversity is developed and tested.

Keywords: RFID; UHF RFID; Tags UHF RFID; Reader Antenna UHF RFID ; tags

detection RFID ; read rate RFID

Table des matires

CHAPITRE 1 :

INTRODUCTION .................................................................................................................... 1

1.1 HISTOIRE DE LA RFID ............................................................................................ 1

1.2 L'IDENTIFICATION ELECTRONIQUE ET LA RFID ............................................ 4

1.3 LE MARCHE DE LA RFID ....................................................................................... 6

1.4 BANDES DE FREQUENCES ET REGULATIONS ................................................. 7

1.5 COUPLAGE INDUCTIF ET COUPLAGE RADIATIF ............................................ 8

1.6 DOMAINES APPLICATIFS .................................................................................... 10

1.7 PROBLEMATIQUE DE LA THESE ....................................................................... 14

1.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 1 .................................... 17

CHAPITRE 2 :

ETUDE ET REALISATION DE TAGS POUR APPLICATIONS SUR SURFACES EN

PLASTIQUE ........................................................................................................................... 21

2.1 ETAT DE LART DES TAGS RFID UHF EN PRESENCE DE MATERIAUX

DIELECTRIQUES ............................................................................................................... 21

2.2 MODULE MUTRAK ................................................................................................ 26

2.2.1 Chip Monza4 .......................................................................................................... 26

2.2.2 Boucle de couplage ................................................................................................ 28

2.2.3 Association du module Mutrak un lment filaire rayonnant ............................. 30

2.3 CONCEPTION DE LANTENNE TAG ................................................................... 32

2.3.1 Analyse du diple enroulements ......................................................................... 32

2.3.2 Couplage magntique diple module Mutrak ..................................................... 35

2.3.3 Etude de lcartement entre la boucle dexcitation et le diple ............................. 36

2.3.4 Etude des effets du glissement de la boucle dexcitation le long du diple .......... 38

2.4 TAG COMBINANT DES DIPOLES ENROULES ET LA BOUCLE

DEXCITATION REALISATION ET MESURES DE FREQUENCE DE RESONANCE

39

2.4.1 Ralisation de lantenne tag ................................................................................... 39

2.4.1.1 Mthode de mesure de la frquence de rsonance dune antenne par couplage

de proximit ................................................................................................................... 40

2.4.1.2 Module Mutrak Dtermination exprimentale de la rsonance ................... 41

2.4.1.3 Tag sur rcipient plastique Rglage de la rsonance ................................... 42

2.4.1.4 Tag sur rcipient plastique rempli deau Rglage de la rsonance .............. 42

2.4.1.5 Antenne Combine pour rcipient plastique vide ou rempli deau ................ 43

2.4.1.6 Tag combinant des diples enrouls et le Mutrak Mesures de distance de la

lecture 44

2.5 CONCEPTION ET REALISATION DUN TAG LARGE BANDE ....................... 50

2.5.1 Tag (T1) : Premire topologie de tag large bande 2 diples enrouls ................ 53

2.5.2 Tag (T2) : Deuxime topologie de tag large bande 2 diples enrouls .............. 56

2.5.3 Performance de tags large bande en prsence de support plastique ...................... 58

2.5.3.1 Influence du support plastique dans le cas du tag (T1) .................................. 58

2.5.3.2 Influence du support plastique dans le cas du tag (T2) .................................. 60

2.6 REALISATION ET MESURE DU TAG (T2) .......................................................... 62

2.7 CONCLUSION DU CHAPITRE 2 ........................................................................... 64

2.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 2 .................................... 65

CHAPITRE 3 :

CONCEPTION DE TAGS RFID UHF FONCTIONNANT AU VOISINAGE DE

SURFACES METALLIQUES .............................................................................................. 69

3.1 ETAT DE LART POUR LES TAGS RFID EN PRESENCE DE SURFACES

METALLIQUES ................................................................................................................... 69

3.2 INFLUENCE DUNE SURFACE METALLIQUE SUR UN DIPOLE

HORIZONTAL COUPLE AU MUTRAK ........................................................................... 81

3.3 PATCH ALIMENTE PAR UNE FENTE ................................................................. 83

3.3.1 Influence de Lslot .................................................................................................... 85

3.3.2 Influence de Wslot ................................................................................................... 86

3.3.3 Influence de lpaisseur du substrat (h) ................................................................. 87

3.3.4 Influence des dimensions du patch ........................................................................ 88

3.3.5 Influence des dimensions du plan mtallique ........................................................ 89

3.4 INSERTION DU MUTRAK DANS LA FENTE DEXCITATION ........................ 90

3.4.1 Influence de lemplacement du Mutrak ................................................................. 92

3.4.2 Influence de la largeur de fente Wslot ..................................................................... 94

3.5 REALISATION ET MESURES ............................................................................... 96

3.6 MINIATURISATION DE LANTENNE PATCH EXCITEE PAR UNE FENTE .. 98

3.6.1 Modification des dimensions W et L ..................................................................... 99

3.6.2 Ajustement des dimensions de la fente ................................................................ 104

3.6.3 Variation de Lslot .................................................................................................. 104

3.6.4 Variation de Wslot ................................................................................................. 106

3.6.5 Dplacement de la fente ....................................................................................... 108

3.6.6 Optimisation du tag avec fente ouverte ............................................................... 110

3.6.6.1 Rduction de la longueur rsonante du patch (L) ......................................... 110

3.6.6.2 Rduction de la longueur de la fente Lslot ..................................................... 111

3.6.6.3 Rglage conjoint de L et Lslot pour lantenne fente ouverte ....................... 113

3.6.7 Ralisation et mesures de lantenne miniaturise ................................................ 115

3.7 MODIFICATION DE LA STRUCTURE POUR UTILISATION DANS LA

BANDE AMERICAINE ..................................................................................................... 117

3.8 CONCLUSION DU CHAPITRE 3 ......................................................................... 119

3.9 RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 3 .................................. 120

CHAPITRE 4 :

DIVERSITE DANTENNES APPLIQUEE AU CONTEXTE DE LA RFID ................ 125

4.1 CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE DE LA DIVERSITE DANTENNES ....... 125

4.2 CONCEPTION DUN MODULE DANTENNE MINIATURE

RECONFIGURABLE FOURNISSANT DE LA DIVERSITE DE DIAGRAMME ET DE

POLARISATION GRACE A DES COMMUTATEURS .................................................. 128

4.2.1 Antenne miniature de base pour le module diversit : antenne IFA ................. 128

4.2.2 Rseau dantennes IFA diversit despace, de diagramme et de polarisation .. 132

4.2.2.1 Effet des fentes sur ladaptation et lisolation des ports ............................... 134

4.2.2.2 Rduction du rayonnement arrire (Leakage) .............................................. 135

4.2.2.3 Diversit : espace, diagramme et polarisation .............................................. 137

4.3 FABRICATION DE LANTENNE ET MESURES DES PARAMETRES S ........ 139

4.3.1 Le coefficient de corrlation denveloppe ........................................................... 140

4.3.2 Mesures du taux de reconnaissance des tags UHF et comparaison avec des

antennes commerciales .................................................................................................... 141

4.3.3 Influence de lenvironnement de mesures ........................................................... 146

4.4 CONCLUSION DU CHAPITRE 4 ......................................................................... 147

4.5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE 4 .................................. 148

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ........................................................ 151

ANNEXE ............................................................................................................................... 157

A-I IMPEDANCE ET RESULTATS DES DIPOLES D1 ET D2 POUR LE TAG T1 ..... 157

A-II IMPEDANCE ET RESULTATS DES DIPOLES D1 ET D2 POUR LE TAG T2 ..... 159

Liste des figures

Figure 1-1. Modle d'identification par radio frquence dvelopp par Crump [DOB13] ........ 2

Figure 1-2. Systme RFID par couplage magntique [DOB13] ................................................ 2

Figure 1-3. Systme didentification dvelopp par Sandia National Laboratories [DOB13] .. 3

Figure 1-4. Exemples de Tags HF 13.56 MHz ........................................................................ 5

Figure 1-5. Exemples de Tags UHF Alien ................................................................................. 5

Figure 1-6. Principe de la rtromodulation du champ incident rayonn en RFID UHF ............ 6

Figure 1-7. volution du march mondial de la RFID ............................................................... 7

Figure 1-8. Bandes de frquences de la RFID (LF, HF, UHF et micro-ondes) ......................... 8

Figure 1-9. Principe du couplage inductif en RFID LF et HF ................................................... 9

Figure 1-10. Principe du couplage radiatif en RFID UHF ......................................................... 9

Figure 1-11. RFID pour le contrle daccs ............................................................................. 11

Figure 1-12. RFID pour inventaire manuel .............................................................................. 11

Figure 1-13. Principe dune chane logistique complte contrl par RFID ........................... 12

Figure 1-14. Principe de la traabilit dobjets dans le cadre de la rception dun camion ..... 12

Figure 1-15. Exemples de marquage RFID danimaux ............................................................ 13

Figure 1-16. Lecture en mouvement avec les tags statiques et lantenne du lecteur en

mouvement ............................................................................................................................... 15

Figure 1-17. (a) Cage de Faraday permettant de rduire la lecture des tags placs en dehors de

la cage (b) Convoyeur permettant dassurer le suivi de bagages ............................................. 15

Figure 2-1. Exemple darticles plastique .................................................................................. 21

Figure 2-2. Tags tests sur un rcipient plastique [FUC12]. .................................................... 22

Figure 2-3. Performance des tags sur rcipient plastique [FUC12] ......................................... 23

Figure 2-4. Tags utiliss dans une chane de fabrication et transport de rcipients plastiques

[BOR10] ................................................................................................................................... 23

Figure 2-5. Tag (a) fix au rcipient ........................................................................................ 24

Figure 2-6. Tag (b) fix au rcipient rempli deau ................................................................... 24

Figure 2-7. Tag test pour diffrentes valeurs de permittivit [DEL10] .................................. 24

Figure 2-8. Variation de la distance de lecture avec r ............................................................ 25

Figure 2-9. Distance de lecture pour diffrents types de matriaux ......................................... 25

Figure 2-10. Module Mutrak [TAGSYS] ................................................................................. 26

Figure 2-11. Modlisation HFSS du module incluant une vue de la boucle et du chip monza 4

.................................................................................................................................................. 26

Figure 2-12. Circuit parallle quivalent du chip Monza4 ....................................................... 27

Figure 2-13. Circuit srie quivalent du chip Monza4 ............................................................. 27

Figure 2-14. Impdance srie du chip ...................................................................................... 28

Figure 2-15. Module Mutrak (chip+petite boucle)................................................................... 28

Figure 2-16. Circuit quivalent de la boucle ............................................................................ 28

Figure 2-17. Impdance de la petite boucle et du chip en fonction de la frquence ................ 29

Figure 2-18. Illustration du couplage magntique entre une petite boucle et un conducteur

linaire plac au voisinage ....................................................................................................... 30

Figure 2-19. Circuit lectrique modlisant le couplage inductif entre la boucle et le diple ... 30

Figure 2-20. Antenne diple enroulements ........................................................................... 32

Figure 2-21. Diple enroul excit par une source .................................................................. 35

Figure 2-22. Impdance dun diple enroul ........................................................................... 35

Figure 2-23. Structure du tag propos ...................................................................................... 36

Figure 2-24. Evolution de limpdance de lantenne en fonction de lcartement entre le

diple et la boucle .................................................................................................................... 36

Figure 2-25. Evolution de limpdance de lantenne en fonction de la position de la boucle le

long du diple ........................................................................................................................... 38

Figure 2-26. Diple enroul accord dans lair incluant le module Mutrak ............................ 39

Figure 2-27. Boucle de King blinde proximit du diple mesurer ................................... 40

Figure 3-1 Diples magntique et lectrique en prsence dune surface mtallique ............... 69

Figure 3-2. Tag RFID conventionnels tests en prsence de mtal ......................................... 70

Figure 3-3. Evolution de la performance de diffrents tags avec la proximit dun plan

mtallique [DOB05] ................................................................................................................. 71

Figure 3-4. Variation de ladaptation en fonction de la distance d entre lantenne et le plan

mtallique [HAS11] ................................................................................................................. 72

Figure 3-5. Patchs excits avec une ligne micro-ruban par couplage de proximit [JEO09]

[SON06] ................................................................................................................................... 72

Figure 3-6. Exemples dantennes PIFA utilises sans la RFID ............................................... 73

Figure 3-7. Antennes patchs utilises dans la RFID ................................................................ 74

Figure 3-8. Impdance dentre en fonction des paramtres gomtriques [KIM08] ............. 74

Figure 3-9. Utilisation de patchs parasites [MIN10] ................................................................ 75

Figure 3-10. Antenne tag polarisation circulaire [CHE12] ................................................... 76

Figure 3-11. Tag flexible avec deux fentes [SON12] .............................................................. 76

Figure 3-12. Impdance et adaptation de lantenne ................................................................. 76

Figure 3-13. Antenne 2 patchs sur les ports du chip et son adaptation [DU13] .................... 77

Figure 3-14. RR obtenu par Du [DU13] .................................................................................. 77

Figure 3-15. Patch tag propos par Xi [XIJ13] ........................................................................ 78

Figure 3-16. RR par rapport h substrat .................................................................................. 78

Figure 3-17. Tag large bande pour applications sur mtal [RAO08] ....................................... 78

Figure 3-18. RR pour deux tailles du mme tag sous diffrentes conditions [RAO08] .......... 79

Figure 3-19. Exemple de diple imprim test face une surface mtallique avec ses

dimensions ................................................................................................................................ 81

Figure 3-20. Comparaison de performance du diple imprim face la surface mtallique et

en espace libre .......................................................................................................................... 83

Figure 3-21. Patch conventionnel excit par une fente ............................................................ 84

Figure 3-22. Variation de limpdance de lantenne avec Lslot .............................................. 85

Figure 3-23. Variation de limpdance de lantenne avec Wslot ............................................. 86

Figure 3-24. Variation de l'impdance de l'antenne avec l'paisseur du substrat .................... 87

Figure 3-25. Variation de l'fficacit de l'antenne avec l'paisseur ........................................ 87

Figure 3-26. Variation de limpdance de lantenne avec L .................................................... 88

Figure 3-27. Variation de limpdance de lantenne avec W ................................................... 89

Figure 3-28. Variation de limpdance de lantenne avec la surface du plan mtallique ........ 89

Figure 3-29. Impdance et gain de l'antenne avec le Mutrak ................................................... 91

Figure 3-30. Adaptation du tag et read range ........................................................................... 91

Figure 3-31. Dplacement du Mutrak au long de la fente dexcitation avec les 3 positions

considres ............................................................................................................................... 92

Figure 3-32. Variation de limpdance de lantenne vis vis lemplacement du Mutrak ....... 93

Figure 3-33. Evolution des caractristiques et performances du tag en fonction de

lemplacement du Mutrak ........................................................................................................ 94

Figure 3-34. Evolution de limpdance de lantenne avec la variation de Wslot .................... 94

Figure 3-35. Evolution des caractristiques et performances du tag en fonction de la variation

de Wslot. ................................................................................................................................... 95

Figure 3-36. Patch ralis sans Mutrak Figure 3-37. Patch ralis avec Mutrak

.................................................................................................................................................. 96

Figure 3-38. Montage du tag sur une surface mtallique ......................................................... 97

file:///C:/Users/Rafael/Desktop/Tesis/Doc_final2.docx%23_Toc377477627

Figure 3-39. Comparaison entre les distances de lecture (thorie et mesure) en fonction de la

puissance .................................................................................................................................. 97

Figure 3-40. Comparaison thorie vs mesure de la distance de lecture en fonction de la

frquence .................................................................................................................................. 98

Figure 3-41. Variation de limpdance de lantenne avec W ................................................... 99

Figure 3-42. Variations des performances de lantenne en fonction de la rduction du

paramtre W ........................................................................................................................... 100

Figure 3-43. Variation de limpdance avec la rduction de W et la correction de la longueur

rsonante L ............................................................................................................................. 101

Figure 3-44. Variation des performances avec la rduction de W et la correction de la

longueur rsonante L .............................................................................................................. 102

Figure 3-45. Tag miniaturis lissue de la rduction de W et L .......................................... 104

Figure 3-46. Variation de limpdance avec laugmentation de Lslot et correction de la

longueur L .............................................................................................................................. 105

Figure 3-47. Variation des performances avec laugmentation de Lslot et la correction de L

................................................................................................................................................ 106

Figure 3-48. Variation de limpdance avec la rduction de Wslot et la correction de la

longueur L .............................................................................................................................. 107

Figure 3-49. Variation des performances avec la rduction de Wslot et la correction de la

longueur rsonante L .............................................................................................................. 107

Figure 3-50. Dplacement de la fente selon la largeurW du patch ........................................ 108

Figure 3-51. Variation de limpdance de lantenne avec le dplacement (dx) de la fente. .. 109

Figure 3-52. Variation des performances avec le dplacement dx (fente et Mutrak) vers le

bord du patch .......................................................................................................................... 110

Figure 3-53. Patch avec fente ouverte : Variations des performances de lantenne aprs

rduction de L ......................................................................................................................... 111

Figure 3-54. Variation des performances avec laccord en frquence produit par la rduction

de Lslot ................................................................................................................................... 112

Figure 3-55. Comparaison de gains les modifications ralises afin de minimiser le patch .. 113

Figure 3-56. Comparaison des performances avec laugmentation de L et la rduction de Lslot

................................................................................................................................................ 114

Figure 3-57. Evolution du RR avec laugmentation de L et la rduction de Lslot ................ 114

Figure 3-58. Antenne miniature ralise ................................................................................ 115

Figure 3-59. Antenne incluant le Mutrak ............................................................................... 115

Figure 3-60. Comparaison des dimensions des antennes ....................................................... 115

Figure 3-61. Antenne tag rduite attache une surface mtallique ..................................... 116

Figure 3-62. Distance de lecture thorique et mesure en fonction de la frquence .............. 116

Figure 3-63. Impdance de lantenne avec celle du chip ....................................................... 117

Figure 3-64. Performances simules du tag modifi pour la bande amricaine .................... 118

Figure 4-1. Systme RFID dinventaire dobjets sur palette [1] ............................................ 125

Figure 4-2. Systme RFID de traabilit dun ensemble de cartons sur des tagres ........... 125

Figure 4-3. Illustration dun scenario multi-trajets de communication entre un lecteur et un

carton de tags .......................................................................................................................... 126

Figure 4-4. Les diffrentes techniques de diversit dantennes ............................................. 127

Figure 4-5. Modle d'antenne ILA ......................................................................................... 129

Figure 4-6. Circuit d'adaptation pour une antenne ILA ......................................................... 129

Figure 4-7. Antenne IFA ........................................................................................................ 130

Figure 4-8. Circuit reprsentatif de lantenne IFA ................................................................. 130

Figure 4-9. Paramtre S11 de lantenne IFA .......................................................................... 131

Figure 4-10. Diagramme de lantenne IFA en 3D (a) et pour sa polarisation dans le plan =0

(b) : Antenne place au centre du plan de masse ................................................................... 131

Figure 4-11. Diagramme de lantenne IFA en 3D (a) et pour sa polarisation dans le plan =0

(b) : Antenne place dans un coin du plan de masse. ............................................................. 132

Figure 4-12. Gomtrie du rseau dIFA diversit despace, de polarisation et de diagramme

................................................................................................................................................ 133

Figure 4-13. Paramtres S du rseau IFA sans fentes et avec fentes ..................................... 134

Figure 4-14. Rayonnement champ proche de lantenne : (a) sans rflecteur, (b) avec rflecteur

................................................................................................................................................ 135

Figure 4-15. Gomtrie du rseau dantenne avec corrugations ............................................ 136

Figure 4-16. Rayonnement en champ proche de lantenne avec corrugations ....................... 136

Figure 4-17. Diversit de diagramme ..................................................................................... 137

Figure 4-18. Diversit de polarisation .................................................................................... 138

Figure 4-19. Prototype dantenne lecteur fabriqu de lantenne diversit .......................... 139

Figure 4-20. Comparaisons des paramtres S simuls et mesurs ......................................... 140

Figure 4-21. Coefficient de corrlation denveloppe ............................................................. 141

Figure 4-22. Carton de 38 produits avec tags disposs de faon arbitraire ........................... 142

Figure 4-23. Dispositif exprimental pour valuer le taux de reconnaissance des tags :

1(vert) antenne diversit ; 2(bleu) carton de tags. ....................................................... 142

Figure 4-24. Lecteur Impinj Speedway R420 [CISP] ........................................................... 143

Figure 4-25. Connexion entre l'antenne ralise et le lecteur: (a) cable coaxial, (b) Connecteur

RP-TNC Femelle .................................................................................................................... 143

Figure 4-26. Antennes commerciales de rfrence utilises dans les applications RFID ...... 144

Figure 4-27. Taux de reconnaissance des tags en salle de mesure lectronique. (a) antenne

diversit, (b) antenne polarisation circulaire (CP), (c) antenne polarisation linaire(LP) 145

Figure 4-28. Taux de reconnaissance des tags en salle informatique (a) antenne diversit, (b)

antenne polarisation linaire (LP) ....................................................................................... 146

Liste des tableaux

Tableau 1-1. Bandes de frquence et puissance maximale autorise pour diffrentes zones du

monde ....................................................................................................................................... 10

Tableau 2-1. Impdance du chip pour les diffrentes bandes de frquences. .......................... 28 Tableau 2-2. Effet de la rduction de lcartement entre les segments L1 et L5 ....................... 33 Tableau 2-3. Effet de la rduction de lcartement entre les segments L2 et L6 ....................... 33 Tableau 2-4. Effet de la rduction de lcartement entre les segments L3 et L7 ....................... 34 Tableau 2-5. Dimensions de lantenne propose ..................................................................... 34 Tableau 2-6. Variation des paramtres de lantenne en fonction de lcartement entre boucle

et diple .................................................................................................................................... 37 Tableau 2-7. Variation des paramtres de lantenne (diple+boucle) en fonction de la distance

x ................................................................................................................................................ 38 Tableau 2-8. Dimensions de lantenne tag avec diple enroul ............................................... 39 Tableau 2-9. Distance de lecture pour les diffrentes antennes ............................................... 48 Tableau 2-10. Dimensions du diple enroul imprim ............................................................ 51 Tableau 2-11. Dimensions des diffrents segments des diples (D1) et (D2) dans (T1) ......... 54 Tableau 2-12. Dimensions des diffrents segments des diples (D1) et (D2) dans (T2) ......... 56 Tableau 2-13. Evolution du gain du tag avec la variation de la permittivit ........................... 59 Tableau 2-14. Evolution de la distance de lecture du tag (T1) en fonction de la permittivit

relative dans les bandes Europe et US ..................................................................................... 60 Tableau 2-15. Evolution de la distance de lecture du tag (T2) en fonction de la permittivit

relative dans les bandes Europe et US ..................................................................................... 61

Tableau 3-1. Caractristiques et performances des diffrents tags dans la littrature ............. 80 Tableau 3-2. Caractristiques du patch nominal aliment par fente ........................................ 85 Tableau 3-3. Influence des diffrents paramtres de la structure propose sur limpdance et fr

.................................................................................................................................................. 90 Tableau 3-4. Gomtrie de lantenne Tag ................................................................................ 91 Tableau 3-5. Caractristiques de l'antenne ralise et ses performances thoriques et mesures

.................................................................................................................................................. 99 Tableau 3-6. Rsultats obtenus avec la variation de W .......................................................... 101 Tableau 3-7. Paramtres du tag aprs miniaturisation de W et L .......................................... 104 Tableau 3-8. Rsultats de lantenne avec la correction de la frquence de rsonance pour les

diffrentes valeurs de Wslot ................................................................................................... 108 Tableau 3-9. Dimensions de l'antenne miniaturise ............................................................... 108 Tableau 3-10. Dimensions de l'antenne miniature ................................................................. 115 Tableau 3-11. Caractristiques et performances des antennes tag ralises .......................... 116

Tableau 4-1. Dimensions de lantenne en longueur donde () ............................................. 130 Tableau 4-2. Rcapitulatif des performances de l'antenne propose ..................................... 141

Chapitre 1

Introduction

Chapitre 1 : Introduction

1

Chapitre 1

Introduction

1.1 Histoire de la RFID

Au XXme sicle, la deuxime guerre mondiale a t le terrain dune bataille

technologique incluant pour la premire fois la dtection dobjets (avions) par ondes

lectromagntiques. Si la localisation le radar remplissait bien sa fonction, il tait en revanche

dlicat de savoir quelles forces correspondaient les rponses radar.

Un bon exemple de ce problme didentification est la dtection en 1941 des avions

par les militaires amricains de la base Pearl Harbor lorsque le lieutenant Kermit Tyler a

ignor le danger en pensant quil sagissait de larrive programme de six bombardiers B-17.

Finalement et malheureusement pour lui, il sagissait des premires units des Nakajima B5N

de larme japonaise [PEHAR]. Pour distinguer leurs appareils des appareils britanniques, les

escadrons allemands effectuaient simultanment la mme manuvre sur ordre de lartillerie

au sol. Cest un des premiers cas didentification des lments passifs mobiles qui est connu

[DOB13]. Assez rapidement cependant, le principe de la RFID est utilis pour la premire

fois pour identifier/authentifier des appareils en vol (IFF : Identifie Friendly Foe). Il s'agissait

de complter la signature RADAR des avions en lisant un identifiant fixe permettant

l'authentification des avions allis.

Dans les annes 60 les premiers exemples didentification par radio frquences

(RFID) ont t dvelopps et brevets. Crump (Figure 1-1) propose un rcepteur

transponder ou tag utilisant lnergie RF, une fois rectifie, pour alimenter

loscillateur et retourner un signal de frquence diffrente de celle reue.


2

Figure 1-1. Modle d'identification par radio frquence dvelopp par Crump [DOB13]

Ces premiers prototypes travaillaient trs basses frquences (dizaines de KHz

jusqu 10MHz), la distance de dtection read range ne dpassant pas le mtre. Les

systmes RFID par couplage magntique ont alors t privilgis principalement pour la

simplicit et le faible cot de circuits tels que celui de la Figure 1-2 ralis par Charles

Walton, qui a aussi brevet dautres tags inductifs au dbut des annes 70.

Figure 1-2. Systme RFID par couplage magntique [DOB13]

Ces tags bass sur un circuit rsonateur LC ont conduit la premire grande

implmentation commerciale de la RFID par Schlage Lock Company (USA) dans les annes

1972-1973.

Au niveau de lUHF, le travail ralis par les Sandia National Laboratories la fin

des annes 70 [KOE75] (Figure 1-3) a abouti un systme proche des caractristiques

actuelles de la RFID. Le systme de la figure 1-3 travaillait 1 GHz avec une puissance

dmission gale 4W, en incluant le principe de rectification des ondes RF mise par le

lecteur et lutilisation de la tension DC convertie pour activer le circuit du tag. On retrouve

galement le concept de la modulation de charge de lantenne et de la rtro-modulation du

signal rflchi vers lantenne lecteur.


3

Figure 1-3. Systme didentification dvelopp par Sandia National Laboratories [DOB13]

La gnration dun code pour tablir lidentification de lobjet tait le point sensible

puisqu lpoque la complexit du design des circuits limitait le nombre de bits transmettre

(3). Avant les annes 1980, les systmes RFID restent donc une technologie confidentielle,

usage militaire pour le contrle d'accs aux sites sensibles, notamment dans le nuclaire.

Dans les annes 1980, les avances technologiques permettent l'apparition du tag

passif qui s'affranchit de source d'nergie embarque sur l'tiquette, rduisant de ce fait son

cot et sa maintenance. Le tag RFID rtromodule l'onde rayonne par l'interrogateur pour

transmettre des informations. Les annes1990 voient le dbut de la normalisation pour une

interoprabilit des quipements RFID. Les dates cls suivantes sont :

1999 : Fondation par le MIT (Massachusetts Institute of Technology) de l' Auto-ID

center : centre de recherches spcialis en identification automatique (entre autre RFID).

2004 : L'auto-ID du MIT devient "EPCglobal", une organisation charge de

promouvoir la norme EPC (Electronic Product Code), extension du code barre la RFID.

A partir de 2005 : Les technologies RFID sont aujourdhui largement rpandues dans

quasiment tous les secteurs industriels (aronautique, automobile, logistique, transport, sant,

vie quotidienne, etc.). LISO (International Standard Organisation) a largement contribu la

mise en place de normes tant techniques quapplicatives permettant davoir un haut degr

dinteroprabilit voire dinterchangeabilit.


4

1.2 L'identification lectronique et la RFID

Lidentification lectronique se divise classiquement en deux branches :

lidentification contact et lidentification sans contact . Dans lidentification

contact, on a des dispositifs comportant un circuit lectronique dont l'alimentation et la

communication sont assures par des contacts lectriques. Les deux principaux exemples

d'identification contact sont les circuits mmoire , comportant des fonctions mmoire

embarqus sur des modules de formes et de tailles varies, et les cartes puces telles que les

cartes bancaires, la carte vitale ou la carte SIM.

Dans lidentification sans contact, on distingue trois sous-branches principales :

La vision optique : ce type de liaison ncessite une vision directe entre

l'identifiant et le lecteur (laser, camera CCD...). La technologie la plus rpandue

est le code barre linaire et les codes 2D (PDF417, QR Code, etc.). La

technologie OCR (Optical Character Recognition) est galement largement

utilise (scan MRZ (Machine Readable Zone) sur les passeports ou Carte

National dIdentit).

La liaison infrarouge : Ce type de liaison assure un grand dbit d'information,

une grande directivit qu'une bonne distance de fonctionnement. Ces systmes

ncessitent galement une visibilit directe.

Les liaisons Radiofrquences : Ce type de liaison permet la communication entre

l'identifiant et un interrogateur, sans ncessit de visibilit directe. De plus, il est

galement possible de grer la prsence simultane de plusieurs identifiants dans

le champ d'action du lecteur (anticollisions).

Cette dernire sous-branche constitue la Radio Frequency IDentification ou RFID

dont on peut donner la dfinition suivante : Technologie d'identification automatique qui

utilise le rayonnement radiofrquence pour identifier les objets porteurs d'tiquettes lorsqu'ils

passent proximit d'un interrogateur. Ceci dit, la RFID ne peut pas se rsumer une seule

technologie. En effet, il existe plusieurs frquences radio utilises par la RFID et plusieurs

types dtiquettes ayant diffrents types de mode de communication et dalimentation

(Figure 1-4).


5

Figure 1-4. Exemples de Tags HF 13.56 MHz

Linterrogateur ou lecteur est un dispositif actif, metteur de radiofrquences activant

les transpondeurs (ou tags) qui passent devant lui en leur fournissant courte distance

lnergie dont ceux-ci ont besoin.

Pour transmettre des informations linterrogateur (encore appel station de base ou

plus gnralement lecteur), un tag RFID est gnralement muni dune puce lectronique

associe une antenne. Cet ensemble, appel inlay, est ensuite packag pour rsister aux

conditions dans lesquelles il est amen vivre. Lensemble ainsi form est appel tag, label

ou encore transpondeur.

Figure 1-5. Exemples de Tags UHF Alien

Les tags passifs (sans pile) ne sont pas nergtiquement autonomes. Leur unique

source dnergie provient de londe lectromagntique mise par le lecteur.

La porte de ces tags varie de quelques centimtres quelques mtres. La

communication pour les tags passifs et semi-passifs repose sur le principe de la rtro-

modulation : Le tag reoit du lecteur une porteuse non-module quil rflchit en la modulant

(modulation ASK) afin de transmettre les donnes contenues dans la mmoire de la puce.

Cette modulation de la quantit de puissance renvoye vers le lecteur est base sur la variation

de la surface quivalente radar de lantenne (Figure 1-6).


6

Figure 1-6. Principe de la rtromodulation du champ incident rayonn en RFID UHF

Les informations contenues dans la puce lectronique dun tag RFID dpendent de

lapplication. Il peut sagir dun identifiant unique (UII, Unique Item Identifier ou code EPC,

Electronic Product Code, etc.). Une fois crit dans le circuit lectronique, cet identifiant ne

peut plus tre modifi mais uniquement lu (WORM Write Once Read Multiple). Certaines

puces lectroniques disposent dune autre zone mmoire dans laquelle lutilisateur peut crire,

modifier, effacer ses propres donnes. La taille de ces mmoires varie de quelques bits

quelques dizaines de kilobits.

1.3 Le march de la RFID

Le march de la RFID en France a progress de 10% entre 2001 et 2005 et en 2010.

IBM a estim 30 milliards le nombre dtiquettes produites dans le monde (Figure 1-7).

Depuis son apparition, le march mondial de la RFID est en constante progression. Il se

chiffre aujourdhui en vingtaine de milliards de dollars [19]. Les technologies BF et HF ont

pris pied sur des marchs matures aujourdhui mais limits des applications de niches. La

distance de lecture est limite quelques dizaines de centimtres de porte ce qui impose une

infrastructure de lecture automatique adapte.

La technologie UHF, sous limpulsion de Walmart le gant de la grande distribution

aux Etats-Unis, se dploie sur des marchs encore immatures mais trs fort potentiel. La

distance de lecture est de quelques mtres ce qui rend possible la lecture automatique au

passage des quais de chargement/dchargement. En 2010, plus de 1,200 millions dtiquettes

RFID UHF ont t produites dans de trs nombreux domaines dapplications : au niveau des

cartons et des palettes, mais aussi au niveau des objets eux-mmes.


7

Figure 1-7. volution du march mondial de la RFID

1.4 Bandes de frquences et rgulations

La frquence utilise dpend du type dapplication vis et les performances

recherches : On distingue 4 rgions frquentielles ddies la RFID (Figure 1-8).

Basses frquences (LF) de 125 kHz 135 kHz: 134.2 kHz pour la charge du

transpondeur; 134.2 kHz pour un bit 0 et 123.2 kHz pour un bit 1 pour la

rponse du transpondeur dans le cas dune transmission FSK (Texas Instruments

Series 2000) ;

Hautes frquences (HF) 13.56 MHz (ISO 14443A 1-4, ISO 14443B 1-4,

ISO 15693-3 et ISO 18000-3) ;

Ultra-Hautes frquences (UHF) de 902 928MHz aux USA, de 865 MHz

868 MHz dans lUnion europenne (EPCglobal et ISO 18000-6c ; les frquences

et les puissances dmission dpendent des lgislations en vigueur. 2Werp en

Europe, 4Weirp aux USA) ;

2.45 GHz ou 5.8 GHz (micro-ondes)

Une frquence plus leve prsente lavantage de permettre un change

dinformations (entre lecteur et marqueur) des dbits plus importants quen basse frquence.

Les dbits importants permettent limplmentation de nouvelles fonctionnalits au sein des

marqueurs (cryptographie, mmoire plus importante, anti-collision). Par contre une frquence

plus basse bnficiera dune meilleure pntration dans la matire.


8

Lanti-collision est la possibilit pour un lecteur de dialoguer avec un marqueur

lorsque plus dun marqueur se trouvent dans son champ de dtection. Plusieurs algorithmes

danti-collision sont dcrits par les normes (ISO 14443, ISO 15693 et ISO 18000).

Figure 1-8. Bandes de frquences de la RFID (LF, HF, UHF et micro-ondes)

1.5 Couplage inductif et couplage radiatif

Le principe de communication des systmes RFID est divis en deux grands groupes.

Le premier se base sur le couplage inductif entre le lecteur et le tag. Lencombrement des

antennes est alors beaucoup plus petit que la longueur donde. Le deuxime groupe se base

sur le principe de couplage radiatif. La longueur de lantenne du tag est comparable la

longueur donde.

En LF et HF la communication stablit majoritairement par couplage inductif

(Figure 1-9). Les tags, gnralement en forme de boucle, ont une porte de quelques dizaines

de centimtres. En effet presque toute lnergie disponible est contenue dans la rgion situe

proximit de lantenne lecteur. Ces tags sont ddis aux applications en champ proche tels

que les badges pour le contrle daccs ou les passeports biomtriques.


9

Figure 1-9. Principe du couplage inductif en RFID LF et HF

En UHF, les tags sont de formes drives du diple. Ils fonctionnent en champ

lointain (Figure 1-10) et leurs portes peuvent aller jusqu quelques dizaines de mtres. Ils

sont surtout utiliss pour la traabilit des palettes et conteneurs dans les entrepts.

Il est important de noter que lutilisation de la RFID dpend directement des

rglementations des autorits publiques de chaque pays. Ces rglementations, pour ce qui est

la bande de frquence 860MHz - 960MHz, bande de frquence tudie dans cette thse,

respectent le protocole EPC (Tableau 1-1).

Figure 1-10. Principe du couplage radiatif en RFID UHF


10

Tableau 1-1. Bandes de frquence et puissance maximale autorise pour diffrentes zones du monde

1.6 Domaines applicatifs

La qualit ainsi que lauthentification et la scurit des objets achets, des

transactions financires mais aussi de leur transport physique est un enjeu de plusieurs

milliards dEuros pour lindustrie. La technologie RFID est ce jour le moyen le plus utilis

pour rsoudre cette partie de lquation, que ce soit sous forme de contrle daccs

(HF14443), de scurisation bancaire (NFC), ou bien dAuthentification (HF15693, UHF

Gen2). La technologie RFID permet dassocier une quantit dinformation personnelle

chaque objet et ce de faon unique. Les origines et le cheminement ainsi que les preuves de

qualit et dauthenticit peuvent dsormais faire partie intgrante de la fiche signaltique des

objets. On liste ci-dessous des domaines applicatifs dans lesquels la RFID a dmontr tout son

intrt.

Marquage dobjets : Systme implant d'identification et mmorisation pour maintenance et

suivi : Identification de containers de substances chimiques, de mdicament, de mobilier

urbain, jeux publics, d'arbres d'ornement. La traabilit d'objets tels que des livres dans les

librairies et les bibliothques ou la localisation des bagages dans les aroports utilisent plutt

la classe haute frquence (13.56 MHz).

Contrle daccs : il se fait par badge de proximit ou mains-libres . Le contrle

daccs des btiments sensibles est un domaine o le systme de radio-identification

remplace les badges magntiques, permettant lauthentification des personnes sans contact


11

(Figure 1-11). La radio-frquence de la plupart des badges d'accs ne permet qu'une utilisation

quelques centimtres, mais ils ont lavantage de permettre une lecture-criture dans la puce,

pour mmoriser des informations (biomtriques, par exemple). Certaines cl electroniques

d'accs permettent la protection sans serrures de btiments ou portires automobiles. Les

badges mains-libres, permettent une utilisation jusqu 150 cm (selon le type dantenne

utilise). Ils peuvent contenir une Identit numrique ou un certificat lectronique ou y ragir

et permettent l'accs un objet communicant ou son activation. Utilis par exemple pour le

contrle d'accs des systmes de transports en commun (exemple Passe Navigo).

Inventaires : Saisie automatique dune liste de produits achets ou sortis du stock (Figure 1-

12). Une analyse effectue chez Wal-Mart a dmontr que la radio-identification peut rduire

les ruptures dinventaire de 30 % pour les produits ayant un taux de rotation entre 0,1 et

15 units/jour.

Figure 1-11. RFID pour le contrle daccs

Figure 1-12. RFID pour inventaire manuel

Logistique : La technologie RFID permet le contrle des flux en temps rel entre les sites de

la chane de valeur et dapprovisionnement, apportant une traabilit au niveau des objets,

optimisant les processus de fabrication mais aussi de distribution et dapprovisionnement

(Figure 1-13). Elle apporte galement la traabilit des services en donnant les preuves que la

chane de distribution a respect les conditions dtermines pour le stockage et le transport

(chane du froid par exemple).


12

Figure 1-13. Principe dune chane logistique complte contrl par RFID

Traabilit distante d'objets (fixes ou mobiles) : Par exemple, des palettes et conteneurs

peuvent tre suivis dans des entrepts ou sur les docks via des tags UHF (Figure 1-14). Des

tags actifs micro-ondes (2.45 GHz) permettent le contrle d'accs longue distance de

vhicules, comme par exemple sur de grandes zones industrielles. Dans la chane du froid, des

aliments peuvent thoriquement tre suivis par une puce enregistrant les variations de

temprature.

Figure 1-14. Principe de la traabilit dobjets dans le cadre de la rception dun camion

Marquage d'tres vivants : Identification de plantes (arbres de la ville de Paris), d'animaux

d'levage (suivi d'un cheptel : nourriture, lactation, poids), danimaux de compagnie ou

sauvages grce une puce installe sous la peau dans le cou, danimaux sauvages (Figure 1-

15) ; Ce sont gnralement des puces basse frquence (125 135 kHz).


13

Figure 1-15. Exemples de marquage RFID danimaux

Transactions financires : Carte de crdit permettant le paiement sans contact ou titre de

transport.

Relevs scientifiques : des tags sont aussi des moyens de communication pour la collecte des

donnes issues des relevs scientifiques (monitoring) produits dans un organisme ou par des

stations de mesure isoles et autonomes (stations mtorologiques, volcaniques ou polaires).

Chez l'Homme : Combins des capteurs sensibles aux fonctions principales du corps

humain, ces systmes sont aussi proposs comme solution intgre de supervision de l'tat de

sant d'un patient. Implants corporels

Autres applications : Tlpages d'autoroutes (5.8 GHz), contrle des forfaits de remonte

mcanique, suivis industriels en chane de montage, antivols utiliss dans les magasins,

gestion des parcs de Vlib' Paris, preuves populaires de course pied, change de cartes de

visites lors d'vnements,


14

1.7 Problmatique de la thse

La RFID UHF prsente aujourdhui plusieurs limitations technologiques fortes

expliquant que son dveloppement est moins rapide que ce qui avait t envisag il y a une

vingtaine dannes.

Tout dabord la varit des supports sur lesquels les tiquettes RFID sont places. On

peut positionner des tags sur des supports de carton, de papier, de verre dont lpaisseur et la

permittivit sont variables. Ces supports peuvent constituer des contenants remplis de liquides

dont la permittivit est en gnral trs leve. On trouve galement des supports partiellement

ou compltement mtalliss (fts de bires, containers). La variabilit de ces supports entrane

un drglage des antennes des tags. Si lantenne a t conue pour une adaptation parfaite

limpdance du chip dans lair, alors ladaptation sera dgrade en prsence de dilectrique ou

de conducteur car lantenne ne prsente plus la mme impdance. De surcrot, la prsence de

matire diminue lefficacit de lantenne et modifie la forme du diagramme de rayonnement

voire la polarisation de lantenne.

Limpact du support se traduit par une rduction de la distance de lecture du tag. Si

on suppose un tag commercial dont le distance de lecture initiale est de 10m dans lair, on a

typiquement une rduction 9.5m sur du carton alvol, 8m sur 1mm de plastique, 50 cm sur

une bouteille remplie deau et quelques centimtres si le tag est plac quelques mm dune

plaque mtallique. Une parade peut consister dvelopper un tag spcifique pour chaque

support ou famille de supports. Cest ce que font les fabricants de tags avec linconvnient du

surcot li la conception et la multiplicit des produits. Le premier objectif de cette thse

est de proposer des topologies de tags aussi insensibles que possible au support, sur une

surface rduite dinlay quivalente celle des tags commerciaux. On proposera dans ce

contexte au chapitre 2 des tags bi-bande ou large bande pour des applications sur plastique et

sur eau. Dans le chapitre 3, on sintressera plus particulirement aux supports mtalliques.

Tous les prototypes prsents seront construits autour dun module commercial, le Mutrak

commercialis par la socit Tagsys, combinant le chip UHF RFID Monza4 et une boucle de

couplage.


15

Une deuxime limitation forte de la RFID est limpossibilit dune lecture statique

(c'est--dire pour laquelle ni le lecteur, ni les objets taggs ne se dplacent). Ceci est

notamment li au couplage entre antennes lorsque la densit de tags est forte ou aux

perturbations de diagramme (masquage) dues lenvironnement proche des antennes, support

ou objets. La parade consiste alors lire en mouvement soit en rendant mobile le lecteur

(Figure 1-16) soit en rendant mobile les tags, par exemple en plaant sur un convoyeur des

cartons dobjets taggs (Figure 1-17). Mais cette ncessit de mouvement prsente un surcot

et une rduction de temps de lecture.

Figure 1-16. Lecture en mouvement avec les tags statiques et lantenne du lecteur en mouvement

(a)

(b)

Figure 1-17. (a) Cage de Faraday permettant de rduire la lecture des tags placs en dehors de la cage (b)

Convoyeur permettant dassurer le suivi de bagages

Une dernire limitation est limpossibilit de localiser les tags lus, c'est--dire de

distinguer des tags lointains qui ne devraient pas tre lus des tags identifier. Les parades

consistent alors crer une zone de dgagement de 50m2 autour de la zone de lecture ou de

blinder la zone de lecture (cage de Faraday).


16

Le 4me chapitre de la thse sera consacr lamlioration du taux de lecture

statique dans des scnarios forte densit de tags en estimant lapport de la diversit

dantennes cette problmatique. Une antenne lecteur miniaturise quatre IFAs sera

dveloppe et teste dans cette optique.


17

1.8 Rfrences bibliographiques du chapitre 1

[PEHAR] http://en.wikipedia.org/wiki/Attack_on_Pearl_Harbor

[DOB13] DOBKIN, Daniel M. The RF in RFID: UHF RFID in Practice. Newnes, 2012.

[KOE75] KOELLE, Alfred R.; DEPP, S. W.; FREYMAN, R. W. Short-range radio-

telemetry for electronic identification, using modulated RF backscatter.

Proceedings of the IEEE, 1975, vol. 63, no 8, p. 1260-1261

http://en.wikipedia.org/wiki/Attack_on_Pearl_Harbor


18

Chapitre 2

Etude et ralisation des tags pour applications sur

surfaces en plastique

Chapitre 2 : Etude et ralisation des tags pour applications sur surfaces en plastique Chapitre 4 : Diversit dantennes applique au contexte de la RFID

21

Chapitre 2

Etude et ralisation de tags pour applications sur surfaces en

plastique

2.1 Etat de lart des tags RFID UHF en prsence de matriaux

dilectriques

La RFID est utilise dans une grande varit de domaines, un des plus importants

tant le suivi de marchandises durant le transport et au moment du stockage larrive. Un

problme majeur freinant le dveloppement de la RFID UHF est que les matriaux comme le

bois, le mtal et le plastique ont des caractristiques lectriques diffrentes (permittivit

relative r et conductivit ). Cette variabilit modifie le milieu quivalent occup par le

tag donc la longueur donde effective g=c/(f*r). En consquence, la longueur rsonante de

llment rayonnant utilis (diple, patch, slot) est modifie. Il en rsulte un dcalage de la

frquence de rsonance de lantenne, donc une variation de son impdance et la dgradation

de ladaptation entre le chip et lantenne. La distance maximale de lecture est donc

ncessairement rduite.

Figure 2-1. Exemple darticles plastique

Dautre part, certains dilectriques prsentent plus de pertes que dautres et peuvent

rduire lefficacit de lantenne. Leau en particulier est un milieu pertes. Enfin, le

diagramme de rayonnement est altr du fait de labsorption du signal du ct du support.

Chapitre 2 : Etude et ralisation des tags pour applications sur surfaces en plastique

22

Le support plastique est le support le plus commun pour les tags RFID, comme

lindique la Figure 2-1, avec de fortes diffrences dans lpaisseur, la formule chimique de la

composition et videmment la forme de lobjet. Les diffrents types de plastique (PVC,

polythne, propylne, ) possdent une constante dilectrique (r) allant de 2 6.2. La

rsistance de surface /cm des plastiques prsente des valeurs suprieures 1013

dans le cas

du polypropylne par exemple. De plus, lorsquil sagit dun rcipient ou dun emballage

plastique (bote, bouteille, barquette,..), il faut prendre en compte le contenu (eau, shampoing,

aliment, etc) qui modifie la permittivit effective vue par le tag.

Une tude comparative a t ralise sur un rcipient en plastique dans [FUC12] en

choisissant 4 tags UHF diffrents (Figure 2-2) fonctionnant en champ proche car tous bass

sur des boucles de petites dimensions.

Figure 2-2. Tags tests sur un rcipient plastique [FUC12].

Les performances des tags sont compares dans la Figure 2-3. On peut observer que

les distances de lecture sont faibles (toutes infrieures 40cm). Le tag le plus performant est

le tag (b), avec une distance de lecture (ou read range RR) de 34cm. Le moins performant est

le tag (c) avec seulement 10cm. Les tags (a) et (d) ont une distance de lecture moyenne de

15cm. Ces performances augmentent avec la surface de la boucle qui capte un flux plus ou

moins important de champ magntique. Le tag (b) plus performant combine une boucle et un

stub mandres pour ladaptation.


23

Figure 2-3. Performance des tags sur rcipient plastique [FUC12]

Une deuxime implmentation de tags sur rcipients plastiques [BOR10] compare

les 2 tags de la Figure 2-4. Le tag (a) a une surface de 178mm x 18mm et est ralis sur un

substrat de polypropylne de 20m dpaisseur. Le tag (b) a une taille de 94mm x 8 mm avec

un substrat de polytrphtalate d'thylne (PET) de 80m dpaisseur. Tous les deux ont une

distance de lecture de 2m environ.

Figure 2-4. Tags utiliss dans une chane de fabrication et transport de rcipients plastiques [BOR10]

Les tags ont t soumis aux procds de fabrication, lavage et rfrigration de

rcipients en plastique et finalement tests avec plusieurs types de contenus comme des fruits,

des ufs, des sauces et de leau. Les diffrents tests sont montrs dans les Figures 1-5 et 1-6.

Lorsquon remplit progressivement deau le rcipient, on constate que la distance de lecture

dcrot lorsque le niveau deau dpasse la partie basse du tag.


24

Figure 2-5. Tag (a) fix au rcipient

Figure 2-6. Tag (b) fix au rcipient rempli deau

Linfluence du plastique sur les performances des tags a aussi t tudie dans

[DEL10]. La Figure 2-7 montre le tag dvelopp et test pour diffrentes valeurs de la

permittivit relative du dilectrique.

Figure 2-7. Tag test pour diffrentes valeurs de permittivit [DEL10]

On dtermine par simulation la distance de lecture du tag plac sur un bloc

dilectrique rectangulaire dpaisseur t=2 cm en fonction de la frquence pour une

permittivit relative variant entre 1 et 5 (Figure 2-8). Puis, la distance maximale de lecture est

donne pour diffrents types de matriaux (Figure 2-9).


25

Figure 2-8. Variation de la distance de lecture avec

r

Figure 2-9. Distance de lecture pour diffrents

types de matriaux

Dans la Figure 2-8, on note que la performance du tag reste stable dans toute la plage

de frquence analyse pour chaque valeur de r tudie. Cependant la distance de lecture

dcroit lorsque la permittivit relative augmente. Le deuxime graphique montre les distances

de lecture mesurs sur diffrents matriaux tels que : carton, bois, plastique, bouteille en verre

remplie avec de leau, et finalement une bouteille plastique vide ou remplie deau. Aucun

matriau nest transparent. Le tag tant conu pour un fonctionnement optimal dans lair,

ses performances sur matriau sont toujours infrieures celles obtenues en espace libre. On

remarque en particulier la trs forte influence de leau et limpact plus fort de la bouteille en

verre par rapport la bouteille en plastique.

Le premier objectif de ce chapitre sera de concevoir des designs de tags aussi

insensibles que possible aux modifications de lenvironnement proche. En loccurrence, on

dveloppera dabord un tag double frquence pouvant fonctionner sur une bouteille avec et

sans eau. Un deuxime prototype consistera en un tag trs large bande capable de couvrir les

bandes Europe et US tout en tant robuste vis--vis de variations modres du support. Tous

ces prototypes de tag sont bass sur le module Mutrak [TAGSYS] qui va tout dabord tre

dcrit.


26

2.2 Module Mutrak

Les solutions qui seront prsentes dans ce travail ont comme facteur commun

lutilisation du module Mutrak dvelopp par la socit TAGSYS (Figure 2-10). Ce module

est un botier en FR4 qui contient un chip combinant le IC et une petite boucle inductive

(Figure 2-11). Cette boucle permet de compenser la capacit dentre du chip mais constitue

galement un capteur de champ magntique pour les applications en champ proche. Elle sera

utilise dans nos applications comme la source primaire dantennes de type diple pour

fonctionner en champ lointain.

Figure 2-10. Module Mutrak

[TAGSYS]

Figure 2-11. Modlisation HFSS du module incluant une vue de

la boucle et du chip monza 4

Les dimensions du module carr sont de 7mm x 7mm x 0.9mm Les lments qui

composent le module seront dcrits plus loin.

2.2.1 Chip Monza4

Fabriqu par la socit Impinj [IMPINJ], le circuit intgr Monza4 contient le code

produit lectronique (ou EPC pour Electronic product code) sur 96 bits, qui est un identifiant

unique. Selon la version choisie (4D, 4E ou 4QT), une mmoire ROM ou NVM

complmentaire dite EPrivate EPC peut tre rajoute. Il est possible dutiliser un port pour

une utilisation classique ou deux ports pour un tag 2 antennes. La sensibilit annonce est de

-15dBm pour toutes les frquences dutilisation 866 MHz, 915 MHz et 956 MHz. Ce chip est

caractris par une impdance dentre constitue dune capacitance Cp et dune rsistance Rp

en parallle comme montr dans la Figure 2-12.


27

Figure 2-12. Circuit parallle quivalent du chip Monza4

La transformation du circuit parallle en un circuit srie permet une analyse plus

simple de ladaptation de lantenne au chip en fonction de la frquence. La Figure 2-13

illustre le circuit srie associ constitu dune rsistance Rs en srie avec un condensateur Cs.

Figure 2-13. Circuit srie quivalent du chip Monza4

Limpdance Zchip calcule avec les lments parallle de la Figure 2-12 est donne

par lquation suivante :

pp2

pp

Pchip RjC1

CR1

RZ

(1)

do on extrait lexpression de la rsistance srie Rs et la ractance srie Xs du chip:

2pp

p

chipsCR1

R]ZRe[R

(2)

2pp

2

pp

s

chipsCR1

RjC

C

j]ZIm[X

(3)

Les variations de Rs et Xs en fonction de la frquence sont donnes dans la Figure 2-

14. On note que Rs et - Xs sont des fonctions dcroissantes de la frquence.


28

Figure 2-14. Impdance srie du chip

On donne dans le Tableau 2-1 les valeurs dimpdance du chip 868MHz, 915MHz

et 956MHz (Bande Europe, US et Asie).

Frquence Re[Zchip srie] () Im[Zchip srie] ()

868 MHz 6-7 -86

915 MHz 5.5-6.5 -81

956 MHz 5.1-6.2 -77

Tableau 2-1. Impdance du chip pour les diffrentes bandes de frquences.

2.2.2 Boucle de couplage

Afin de compenser la ractance capacitive dentre des chips RFID, lintroduction

dun lment inductif est ncessaire. Dans le cas de la solution de la socit Tagsys, il sagit

dune petite boucle connecte lun des ports du chip. Limplantation de la boucle dans le

module Mutrak est donne dans la Figure 2-15.

Figure 2-15. Module Mutrak (chip+petite boucle)

Figure 2-16. Circuit quivalent de la boucle

800 825 850 875 900 925 950-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frquence (MHz)

Imp

d

an

ce

s

rie

du

ch

ip (

)

Re[Zchip serie]

Im[Zchip serie]


29

Avec un diamtre extrieur L=6mm et une largeur du fil W de 300m, cette petite

boucle est encapsule dans le botier de FR4 (r=4.3 et tan=0.01) de 7mm x 7mm de surface.

Le circuit quivalent de la petite boucle est prsent dans la Figure 2-16, et la dpendance

frquentielle de son impdance dans la Figure 2-17.

(a) Rsistance

(b) Ractance

Figure 2-17. Impdance de la petite boucle et du chip en fonction de la frquence

La simulation du module Mutrak a t faite laide de HFSS pour prendre en compte

lencapsulation et les fils de bondings. La taille de la boucle permet de synthtiser une valeur

dinductance pouvant compenser la capacit du chip. En revanche, sa rsistance est trs faible

(


30

2.2.3 Association du module Mutrak un lment filaire rayonnant

On propose ici un schma quivalent pour lassociation (boucle+lment rayonnant).

On sait que le champ magntique B une distance r dun conducteur 1 parcouru par un

courant I1 est dcrit par la loi de Biot-Savart :

C 2

10

r

rldI

4B

(4)

Ce champ B produit par le conducteur 1 induit un courant magntique I2 dans un

deuxime conducteur plac proximit. Ce processus appliqu au cas du Mutrak est illustr

dans la Figure 2-18 o le champ magntique Bm cr par le courant I1 parcourant le diple

induit un courant I2 dans la boucle.

Figure 2-18. Illustration du couplage magntique entre une petite boucle et un conducteur linaire plac

au voisinage

Le couplage inductif a t utilis dans la conception de petites antennes [CHO03] et

le dveloppement de tags RFID [SON05]. Ces deux travaux sappuient sur le circuit de la

Figure 2-19 modlisant le couplage inductif par un transformateur.

Figure 2-19. Circuit lectrique modlisant le couplage inductif entre la boucle et le diple

Dans la Figure 2-19, la partie gauche correspond au circuit de la boucle de la Figure

2-16. La partie droite est le circuit quivalent de llment rayonnant assimil diple demi-


31

onde fonctionnant autour de sa rsonance srie. Le transformateur est constitu de

linductance de la petite boucle LBoucle et de linductance du diple LDip. Linductance

mutuelle M du transformateur dpend des caractristiques gomtriques de la boucle et du

diple ainsi que de leur proximit. [SON05] exprime limpdance Za ramene par

lassociation (boucle+diple) aux bornes du chip selon:

dip

2

boucleaaaZ

fM2ZjXRZ

(5)

O :

Za= Impdance dentre de lantenne (boucle+ chip)

Zboucle : Impdance de la boucle

Zdip : Impdance de llment rayonnant, dans ce cas du diple

f : frquence

M : Inductance mutuelle entre llment rayonnant et la boucle

En analysant (5), on constate que la prsence dun terme en 1/ZDip proportionnel

ladmittance au second membre va transformer la rsonance srie ZDip dun diple /2 en une

rsonance parallle aux bornes du chip. Le coefficient de rflexion entre le chip et lantenne

sexprime [NIK05]:

achip

achip

ZZ

ZZ

(6)

Ladaptation est obtenue si limpdance dentre Za est gale la conjugue de

limpdance du chip, soit Ra=Rs=Rchip et Xa=-Xs=-Xchip.

Le fait de travailler avec un lment filaire (diple) nous ramne la problmatique

de sa longueur rsonante de 17 cm 900 MHz et la recherche de solutions pour rduire son

encombrement. Une technique usuelle pour la miniaturisation des antennes 2D est lutilisation

de mandres qui, agissant comme des stubs en court-circuit, permettent daugmenter

linductance linique de lantenne donc de diminuer sa frquence de rsonance (MLA :

Meander Line Antennas en anglais). Plusieurs tudes [MAR03], [MAR08], [KWO05]


32

tudient limpact de lutilisation de mandres sur les antennes filaires miniaturises,

notamment en termes de rduction de lefficacit.

Une autre technique est denrouler les extrmits du diple, ce qui produit plus

dinductance taille identique que dans le cas des mandres [GUH11]. Augmenter

linductance de lantenne permet non seulement de conserver sa frquence de rsonance pour

une taille identique mais aussi de compenser la capacit du chip. La contrepartie est

laugmentation du facteur de qualit de lantenne donc la rduction de sa bande passante.

Nous allons dans la partie suivante utiliser des antennes filaires enroules pour

les tags dvelopps sur des rcipients en plastique pouvant contenir des liquides.

2.3 Conception de lantenne tag

2.3.1 Analyse du diple enroulements

Lantenne enroulements utilise dans cette partie est reprsente sur la Figure 2-20

avec les dimensions correspondantes. Comme on traite des lments filaires trs fins et afin

de rduire le temps de simulation, nous avons choisi dans cette partie le logiciel libre 4NEC2

[NEC02] pour tudier le diple. Ce logiciel libre est conu spcifiquement pour des structures

filaires et est dutilisation facile tout en donnant des rsultats proches de la ralit. Nous avons

dcid dutiliser 4NEC2 plutt que le simulateur HFSS pour la raison suivante : le modle

HFSS du module Mutrak ntant pas disponible en dbut de thse, nous avons initialement

favoris le rglage exprimental de lantenne puisque de toutes faons la simulation

rigoureuse du couplage entre le module et antenne ntait pas possible

Figure 2-20. Antenne diple enroulements


33

Les longueurs L1,.., L7 correspondent aux plis raliss. Le nombre de plis peut varier

en fonction du degr de miniaturisation choisi. Ces plis et leurs longueurs sont autant de

paramtres de rglage.

Pour modifier la structure du diple enroulements, on doit prendre en compte

lcartement entre les segments car la proximit de deux courants opposs en phase diminue

le rayonnement et lefficacit. Comme pour tout lment filaire autour de sa premire

rsonance, le maximum de courant est au centre du diple et diminue vers les extrmits. Le

segment L1 est donc le plus influent sur la performance en rayonnement de la structure. Le

pliage a t ralis en consquence en laissant une bonne partie de la longueur L1 loigne du

segment le plus proche de lenroulement. Lcartement entre llment principal et les

segments voisins (L1 et L5 dans la Figure 2-20) est donc plus important que ceux entre les

autres segments. On simule le diple par une source de tension idale place en son milieu

Les rsultats de ltude de lcartement entre les segments sont donns dans les Tableau 2-2,

1-3, 1-4.

Ecart Re[Zant] Im[Zant] Efficacit (%) Gain (dB)

0.001 6.86 63.26 31 -0.31

0.002 6.31 62.53 31 -0.04

0.003 6 62.58 31.5 -0.01

0.004 5.78 62.36 32 -0.01

0.005 5.51 61.89 32.2 -0.01

0.006 5.4 63.65 34 -0.05

0.007 5.35 62.13 32.8 -0.03

0.008 5.27 62.07 32.9 -0.02

0.009 5.3 63.26 34 -0.04

0.01 5.19 63.5 34 -0.04

Tableau 2-2. Effet de la rduction de lcartement entre les segments L1 et L5


0.001 4.95 63.4 28.75 -0.35

0.002 5 63.6 32.7 -0.22

0.003 5.02 62.3 30.6 -0.14

0.004 5.08 62.5 31.9 -0.08

0.005 5.12 63.2 35.6 -0.05

0.006 5.1 62.6 33.04 -0.03

0.007 5.04 62.1 32.8 -0.03

0.008 5.02 61.9 32.7 -0.03

0.009 5.16 63.4 32.0 -0

0.01 5.12 61.9 32.8 -0.02



34


0.001 5.1 62.03 29.9 -0.04

0.002 5.4 63.74 30.7 -0.13

0.003 5.3 62.2 32.2 -0.24

0.004 5.2 63.2 34.2 -0.26

0.005 5.11 63.3 34.9 -0.26

0.006 5.1 62.4 34.3 -0.23

0.007 5.1 62.9 35.2 -0.23

0.008 5.1 62.7 35.15 -0.22

0.009 5.1 63.3 35.9 -0.21

0.01 5.2 62.7 35.3 -0.19


On constate dans tous les cas une chute de lefficacit de quelques % avec la

diminution de lcart entre les segments. Dautre part, limpact sur limpdance est faible.

Pour les dimensions du Tableau 2-5 et la structure de la Figure 2-21, on trace ensuite

la rponse frquentielle de limpdance sur la Figure 2-22.

Paramtre Dimension (mm)

L1 40

L2 20

L3 13.5

L4 16.5

L5 10

L6 13.5

L7 7

Rayon du fil 0.125

Matriel Cuivre

Tableau 2-5. Dimensions de lantenne propose


35

Nous observons une rsonance srie situe environ 868MHz, avec une impdance

gale 6.34+j 0 . Notre diple a une longueur totale de 202mm (un peu plus de /2), mais

noccupe quune longueur physique de 40mm. En comparaison, un diple droit de mme

largeur et de longueur 202mm prsente une rsonance srie 712MHz et une impdance

142+j252 868MHz. Pour avoir un diple droit rsonant 868MHz, une longueur de

166mm est ncessaire, limpdance valant alors 73+j0 .

On note une forte rduction de la rsistance rayonnement par rapport au diple

classique comme consquence de lopposition de phase des courants dans les enroulements

aux extrmits. Une consquence directe rsulte de lquation (5) o on observe que

limpdance Za de lantenne dpend de 1/Zdip. Donc plus limpdance du diple est faible et

plus son impact sur Za sera lev, ce qui explique lintrt dutiliser des diples enrouls de

faible rsistance pour augmenter la rsistance vue par le chip.

2.3.2 Co

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