conception et modulation d’un système antennaire pour tags RFID UHF

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Le lecteur RFID

Le lecteur RFID ou interrogateur est constitué d’un module RF ou station de base (émetteur et récepteur) qui émet des ondes électromagnétiques et reçoit les informations envoyées par le tag à travers des antennes afin de les transmettre au dispositif de contrôle ou système hôte (figure 2). Il représente l’émetteur pour la communication RFID passif.
Conception de systèmes antennaires pour tag RFID en bande UHF
 L’antenne : L’antenne est un composant RF qui a pour rôle la conversion de l’énergie guidée dans des câbles RF en énergie rayonnante qui se propagera dans l’espace libre, et réciproquement de convertir l’énergie RF présente en sa proximité en énergie guidée. L’énergie transmise ou récupérée par l’antenne contient les informations respectivement transmises par le tag et le lecteur. Dans un système RFID, les échanges d’informations se réalisent de façon bidirectionnelle à travers deux liaisons : la liaison montante (informations du lecteur transmises au tag) et la liaison descendante (informations, notamment l’identifiant, envoyées par le tag vers le lecteur). L’information reçue par l’antenne lecteur est ensuite dirigée vers la station de base pour le décodage et le traitement de l’information.
 La station de base : La station de base (SB) est le coeur du lecteur RFID. Elle transfère, traite, traduit les commandes et les informations reçues pour le système hôte. Les fonctions de base de la SB sont [1] :
Envoyer et fournir l’énergie RF pour réveiller le tag ;
Lire les informations stockées et/ou écrire de nouvelles informations dans le tag ;
Transmettre les informations reçues au système hôte et les commandes de celui-ci au tag.
Des fonctions plus complexes peuvent être attribuées au lecteur comme par exemple : un système d’anticollisions pour éviter les mélanges d’informations lors de la lecture simultanée de plusieurs tags ; une authentification des tags pour éviter l’accès non autorisé au système via des fonctions de cryptage/décryptage. La fonction d’authentification est réalisée également par le système d’hôte.
L’architecture de la SB peut être divisée en deux blocs principaux : l’unité de contrôle numérique (UCN) et le bloc RF (figure 2). Le bloc RF contient la chaîne d’émission et la chaîne de réception des signaux RF. La partie émission est responsable de générer la porteuse sur laquelle le signal est modulé par le signal numérique envoyé par l’UCN, d’amplifier ce signal et de le transmettre à l’antenne. La chaîne de réception traite le signal reçu de la liaison descendante. Elle est notamment composée d’un démodulateur I/Q et d’un convertisseur analogique numérique. La communication entre l’UNC et le système hôte est généralement faite par une interface série RS232 ou RS485 [2]
 Le système hôte : Le système hôte est le système de contrôle responsable de la gestion de l’application à laquelle le système RFID est appliqué. Il s’agit du cerveau du système, l’endroit où les informations acquises par la SB seront intégrées dans la base de données. Selon l’application envisagée, le système hôte permettra par exemple d’identifier, de localiser, d’autoriser l’accès, de réaliser des transactions bancaires …, de l’objet ou de la personne portant le tag.

Le tag RFID

Le tag ou récepteur est composé d’une puce qui est adaptée à une antenne qui a pour rôle de rayonner une OEM lors de la transmission des données stockées dans la puce. Ce dernier contient un code qui permettra aux lecteurs de faire son identification (figure 3).
Il est télé-alimenté en transformant l’énergie électromagnétique rayonnée par l’antenne du lecteur en une énergie continue nécessaire à l’activation et au fonctionnement de la puce.
Un paramètre important au niveau du tag est l’adaptation d’impédance entre son antenne et sa puce permettant de maximiser la puissance reçue par le circuit de la puce mais aussi la plage de lecture entre le lecteur et le tag.
Avec son antenne, le tag réalise trois fonctions principales [3] :
 Récupérer l’énergie pour alimenter la puce
 Acquérir les données envoyées par le lecteur
 Renvoyer les informations demandées au lecteur

Protocole de communication

La communication RFID est basée sur des protocoles, parmi lesquels on peut distinguer :
 Protocole TTF (Tag Talk First) [18] : Dans ce type, dès que la puce est alimentée la communication est entamée par le tag, ainsi la liaison montante n’existe pas, seule la liaison descendante est présente, mais lorsqu’un nombre important de tags annoncent leur présence ceci peut créer un conflit.
 Protocole RTF (Reader Talk First) [18] : Le lecteur engage la communication en envoyant des requêtes, quand le tag se trouve dans les champs d’action, ce dernier transmet alors son identifiant, il est mis en place dans la majorité des systèmes RFID.

Adaptation d’impédance et maximisation de la plage de lecture

Adaptation d’impédance

Soient ?? l’impédance complexe de la puce et ?? l’impédance complexe de l’antenne, pour que la puce puisse utiliser la puissance maximale reçue au niveau de l’antenne, il faut adapter l’impédance de la puce à celle de l’antenne.
L’impédance ?? varie avec la puissance ?? absorbée par la puce, qui est quant à elle exprimée en fonction de la puissance maximale provenant de l’antenne ?? et le coefficient de transmission de puissance ? par la relation [4]: ??= ??? (1)
??= ?? + j?? et ??= ??+ j?? représentent respectivement l’impédances de la puce et de l’antenne, alors le degré d’adaptation d’impédance ? est exprimé par[4] : ?= 4????(??+??)2 ; (2) si ?=1, on dit qu’il y’a adaptation d’impédance (??=??∗ ).

Plage de lecture

La plage de fonctionnement des tags RFID UHF passifs est déterminée en fonction de la quantité de puissance incidente minimale à activer complétement la puce du tag.
La distance de lecture maximale à partir du lecteur pour laquelle le tag est complétement activé est ???? ; Elle est obtenue à partir de l’équation de friss [5]. ????= ?4??√???????,???????? (3)
 c= célérité de la lumière ; f= fréquence
 ?????= Puissance Effective Isotrope Rayonnée ; ?????=??*??
 avec ?? est la puissance transmise par le lecteur.
 ??,???= gain de l’antenne du tag
 ????= puissance minimale pour activer la puce du tag (sensibilité).
 ?=coefficient de transmission de puissance de l’antenne et le réseau d’adaptation de la puce.

Etat de l’art de chaque bande

Basses fréquences

La bande en dessous de 135 KHz est utilisée par les services radio à grande distance car elle n’est pas réservée ISM. Les conditions de propagation (grande longueur d’onde) permettent d’atteindre des endroits situés à 1000 Km. Parmi ces systèmes radio on peut citer la navigation maritime ou aéronautique.

Hautes fréquences

La bande des fréquences aux environs de 13.56 MHz se situe au milieu de la bande des courtes longueurs d’ondes. Elle est majoritairement utilisée pour les systémes RFID à courtes distances (inductif). Elle est actuellement la bande de fréquence la plus utilisée pour des applications RFID.

Ultra Hautes fréquences

C’est une bande de fréquence qui est répartie dans toutes les régions du monde selon des normes. Elle est très utilisée pour des applications surtout avec les tags passifs en essayant de maximiser la page de lecture entre le lecteur et le tag.

Micro-ondes

Cette bande partage les fréquences avec des applications radio amateurismes et des services de localisation radio. Les conditions de propagations sont telles que des objets comme les immeubles par exemple réagissent en bons réflecteurs et atténuent fortement le champ électromagnétique. Elle trouve aussi ses applications dans le système RFID.

Types de tag

Dans le système RFID, il existe trois (03) types de tag différents selon leur mode de fonctionnement.

Tags actifs

Pour le cas des tags actifs, leur alimentation provient d’une source (pile ou batterie) embarquée. Cette source qui alimente la puce, la permet de stocker des informations et de les diffuser sous forme de signal vers le lecteur RFID.
La technologie RFID actif permet la lecture des données à longue distance en transmettant sur des fréquences de micro-ondes. Ceci permet effectivement d’augmenter la portée du signal et ainsi communiquer avec un lecteur à faible puissance et à de longues distances allant jusqu’au environ de 100 mètres. Les tags actifs ne sont pas obligés d’être à proximité du lecteur. Les tags sont identifiés, localisés et tracés de manière confortable, sûre et fiable dans leur environnement. Ils sont choisis en fonction du mieux adapté à l’application envisagée : encapsulés dans divers objets (porte-clés, format carte ou bracelet).

Tags semi-actifs

Les tags semi-actifs ou semi-passifs sont également alimentés par une source d’énergie embarquée. Cette source permet d’alimenter le circuit intégré (la puce) permettant à la mémoire d’enregistrer des informations. Sa différence avec les tags actifs est que cette source ne permet pas d’envoyer des informations au lecteur (figure 9). Mais c’est l’énergie provenant du lecteur qui permet l’envoie des informations stockées dans la mémoire par rétrodiffusion. Ils sont plus performants et moins chers que les tags actifs mais la plage de lecture est plus courte.

Tags passifs

Ils n’ont pas besoin d’une source d’énergie (pile, batterie) pour être alimentés. Ils puisent leur énergie à partir du signal provenant du lecteur qui permettra d’activer la puce et le transfert des informations stockées dans la mémoire de la puce.
Leur cout est moins onéreux par rapport aux tags actifs et semi-actifs et la plage de lecture est une contrainte puisque le lecteur doit se trouver dans le champ du tag afin de récupérer les données transmises par ce dernier.
La figure ci-dessous illustre le principe de fonctionnement des tags passifs (figure 10) [20].
La figure suivante (figure 11) nous montre les synoptiques de fonctionnement des trois familles de tags existants [12].

Les domaines d’applications du système RFID

Le système RFID est utilisé dans plusieurs domaines à savoir (figure 12) [21] :
 Le domaine de la santé dont le tag est déporté sur les patients pour avoir plus d’informations sur leur état de santé tel que la température corporelle, la tension artérielle ect.
 Le domaine du transport logistique pour l’identification des objets qui sont transportés d’un lieu à un autre.
 Et dans plein d’autres domaines à savoir celui du commerce, de l’éducation…
La figure ci-dessous nous montre quelques domaines d’applications de cette technologie.

Etude sur les antennes pour tag RFID UHF passifs

La technologie RFID s’applique sur la communication sans fil utilisant des fréquences radio. La communication sans fil, qui constitue un domaine très évolutif, fait l’objet de beaucoup de recherches scientifiques. Puisque cette technologie de communication repose sur des antennes capables de rayonner et de recevoir des ondes électromagnétiques dans l’espace (canal de propagation).
Une antenne est un circuit électronique qui transmet ou reçoit de l’énergie sous forme d’onde électromagnétique. Son rôle est de convertir l’énergie électrique en une énergie électromagnétique en émission et réciproquement de convertir une énergie électromagnétique en une énergie électrique en réception. En effet, les antennes permettent d’assurer la liaison entre deux zones distantes, dans le cas de notre application pour le tag et le lecteur (Reader).
Dans la technologie RFID, le tag est doté d’une antenne qui représente l’interface entre la puce et le lecteur. Elle représente le paramètre de performance du système puisqu’elle permet de recevoir les requêtes provenant du lecteur mais aussi de retransmettre les réponses vers ce dernier.
Dans ce chapitre, nous allons d’abord énumérer les paramètres de performances des antennes puis faire une étude sur les antennes utilisées pour les tags RFID UHF passifs.

Paramètres d’une antenne

Il existe de nombreux paramètres permettant de faire la description des caractéristiques et des performances des antennes. Les plus importants sont les paramètres en adaptation du fait que l’antenne est considérée comme un élément du circuit : on parle alors de paramètres électriques. Les paramètres de rayonnements qui caractérisent la propagation des ondes électromagnétiques sont aussi d’autres paramètres à tenir en compte.
La plupart des paramètres sont définies en fonction de la puissance [4].

Les paramètres électriques

Les paramètres électriques sont les paramètres qui sont liées au circuit de l’antenne. Il est important pour le concepteur de connaitre : l’impédance d’entrée de l’antenne pour une meilleure adaptation, la bande de fréquence que l’antenne doit couvrir selon son application, afin de pouvoir estimer le coefficient de réflexion, le rapport d’ondes stationnaires ect.

L’impédance d’entrée

Selon l’impédance de l’antenne, en entrée une certaine puissance qui lui est fournie est réfléchie : c’est l’impédance d’entrée de l’antenne. Elle est souvent complexe c’est-à-dire composée d’une partie réelle et d’une partie imaginaire (1).
??= ??+ j?? (4) avec ??=??+??
 ?? = énergie rayonnée par l’antenne ;
 ??= résistance de perte due aux pertes de conductions, aux pertes diélectriques et aux pertes d’ondes de surface.
 A la résonnance la partie imaginaire est nulle (?? =??∗).
Dans le cas de l’émission, un générateur connecté à l’antenne possède également une impédance interne Zg constituée d’une partie réelle Rg et d’une partie imaginaire Xg (Figure 13). ?? = ?? + ??? (5)
Dans le cas de la réception, l’antenne est connectée à une charge ayant une impédance ?? composée pareillement d’une partie réelle ?? et d’une partie imaginaire ??. ?? = ?? + j?? (6)

Coefficient de réflexion

Le coefficient de réflexion représente la perte en puissance ou perte par désadaptation, elle est notée ?. C’est une mesure de l’adaptation de l’impédance de l’antenne à celle de la source et éventuellement la ligne de transmission [8]. Il met en évidence l’absorption de l’antenne, il est sans dimension et est défini par : ?=?? −?0??+?0 (8)
?? est l’impédance caractéristique de l’antenne et ?0 celle de la ligne de transmission.
Son équivalent en décibel est noté ?11, toujours de signe négatif. ?11=20Log(?) (9)
C’est sur ce paramètre qu’on se base lors de l’optimisation sur sa courbe pour déterminer la bande de fréquence couverte par l’antenne (pour toutes les valeurs de ?11≤ – 10dB).
C’est à dire l’impédance de l’antenne doit satisfaire un critère spécifique posé dans le cahier des charges comme ROS ≤ 2 ou son équivalent ǀS11ǀ≤ -10 dB, ce qui correspond à environ 10% de la puissance réfléchie vers l’antenne.

Coefficient de transmission

Il définit le coefficient de transmission en puissance Г. C’est le rapport de la puissance transférée à une charge sur la puissance totale maximum pouvant lui être transférée [4]. Γ = 1-|?∗|2 (10)
Il peut aussi être exprimé en fonction des impédances d’une antenne et de sa charge ?? et ?? en considérant l’antenne en réception. Cette relation est largement utilisée en RFID, puisqu’elle représente le rapport entre la puissance transférée à la puce RFID et la puissance maximum pouvant lui être transmise [4]. Γ =4????|??+??|2 (11)

Rapport d’Onde Stationnaire

Une manière de décrire la puissance réfléchie au niveau de l’adaptation est le Rapport d’Ondes Stationnaires (ROS) ou Standing Waves Ratio (SWR) en anglais. C’est l’expression mathématique de la non uniformité d’un champ électromagnétique dans une ligne de transmission.
Le ROS représente le rapport entre les champs électriques maximaux et minimaux d’une ligne de transmission. A partir du SWR, nous pouvons définir le VSWR et ISWR qui font respectivement références au voltage et au courant. Il est défini par : ROS =1+|?11|1−|?11| (12)
Du fait que l’impédance d’entrée est fonction de la fréquence, le ?11 et le ROS le sont également. De ce fait, pour une application donnée, l’antenne doit satisfaire au critère spécifiques qui est défini comme ROS ≤ 2 où |?11|≤ -10dB.
Ce critère est très important et largement utilisé lors de l’optimisation des antennes pour tag RFID.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Généralité sur la technologie RFID
Introduction
I- Etat de l’art du systèmes RFID
I-1 Le lecteur RFID
I-2 Le tag RFID
I-3 Communication tag-lecteur
I-4 Protocole de communication
II- Adaptation d’impédance et maximisation de la plage de lecture
II-1- Adaptation d’impédance
II-2- Plage de lecture
III- Bandes de fréquences
III-1 les normes
III-2 Etat de l’art de chaque bande
III-2-1 Basses fréquences
III-2-2 Hautes fréquences
III-2-3 Ultra Hautes fréquences
III-2-4 Micro-ondes
IV- Types de tag
IV-1 Tags actifs
IV-2 Tags semi-actifs
IV-3 Tags passifs
V- Les domaines d’applications du système RFID
Conclusion
Chapitre II : Etude sur les antennes pour tag RFID UHF passifs
Introduction
II-1 : Paramètres d’une antenne
II-1-1 : Les paramètres électriques
II-1-1-1 : L’impédance d’entrée
II-1-1-2 : Coefficient de réflexion
II-1-1-3 : Coefficient de transmission
II-1-1-4 : Rapport d’Onde Stationnaire
II-1-1-5 : La bande passante
II-1-1-6 : Le facteur de qualité
II-1-1-7 : Efficacité
II-1-2 : Paramètres de rayonnement
II-1-2-1 : Diagramme de rayonnement
II-1-2-2 : La polarisation
II-1-2-3 : Gain
II-1-2-4 : Directivité
II-1-2-5 : Ouverture
II-2 : Types d’antennes tags RFID UHF passifs
II-2-1 : Les antennes IFA
II-2-2 : Les antennes micro ruban (Patch)
II-2-3 : Les dipôles
II-3 : La puce
Conclusion
Chapitre 3 : conception et modulation d’un système antennaire pour tags RFID UHF
Introduction
III-1 : Simulation électromagnétique
III-2 : Approche de conception de tags passifs RFID UHF dans HFSS
III-3-1 : Etudes paramétriques
III-3-2 : Approche de la conception
III-3-2-1 : Résultats de la simulation
III-3-2-1-1 : Coefficient de réflexion
III-3-2-1-2 : Gain et Directivité
III-4 : Reconfiguration d’antenne
III-4-1 : Techniques de reconfiguration d’une antenne
III-4-1-1 : Les diodes PIN
III-4-1-2 : La diode Varicap
III-5 : Etude comparatives sur les résultats de simulation
III-6 : Calcul de la plage de lecture maximale
Conclusion
Conclusion générale

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