Les principaux types d'antennes de étiquette RFID UHF

Les principaux types d’antennes de étiquette RFID UHF

Revue de la littérature

Les capteurs sans fil

Puisque l’objectif de ce projet est la mise en œuvre d’un réseau de capteurs sans fil passif, une classification de différentes étiquettes existantes est primordiale, pour voir les différentes techniques utilisées et bien choisir le type qui convient avec le domaine d’application. La Figure 2, présente deux catégories d’étiquette: les étiquettes de N bit possédant une unité de stockage numérique et les étiquettes de Ibit. C’est ce dernier type de l’étiquettes que nous voulons exploiter pour la réalisation de notre réseau de capteurs, car le bit est la plus petite unité d’information qui peut être représentée et ne possède que deux états: 1 et O. Cela signifie que seuls deux états peuvent être représentés par des systèmes basés sur un transpondeur I-bit : <<transpondeur dans la zone d’interrogation» et «pas de transpondeur dans la zone d’interrogation» l’étiquette ne se trouve pas dans la portée du lecteur.Pour s’alimenter, l’étiquette passive exploite les champs magnétiques générés par le lecteur. La Figure 3 montre le schéma général d’un système RFID . Les deux techniques utilisées dans ce genre de système sont : le couplage inductif et le principe de télé alimentation. Le couplage inductif comprend les systèmes BF et HF, le transpondeur utilise dans ce cas des antennes magnétiques. La seconde technique utilisée dans les étiquettes micro-ondes offre une moins bonne pénétration du signal à travers les obstacles que la bande HF, mais elle permet d’atteindre des distances de lectures plus importantes.

Les étiquettes actives

Généralement, une étiquette active est un système de mesures qui nécessite une source d’énergie embarquée, la plupart du temps assurée par une batterie, et ce, pour la réalisation de la phase de traitement au cours de laquelle le signal est filtré (conditionné), amplifié et converti dans un format compatible et exploitable. Dans ce cas, le capteur doit non seulement mesurer des propriétés physiques, mais doit également effectuer des tâches additionnelles au travers de circuits de traitement et de communication intégrés.Ce type de capteur est surtout utilisé pour assurer des mesures continues en temps réel.

Les étiquettes passives

Les étiquettes passives sont des dispositifs qui ne possèdent pas de source d’énergie, et présentent l’avantage d’être facilement intégrables [3]. Ce type de capteurs est utilisé dans des applications spécifiques (surveillance environnementale, instruments de suivi spatiaux, aéronautique) , et dans des applications liées à la santé qui nécessitent des unités de mesure miniatures, passives et de grande précision [3]. L’objectif pour tous les capteurs est d’assurer des mesures à distance des grandeurs physiques. Dans ce cas, les différentes technologies qui peuvent être utilisées pour la transmission sans fil de données sont: la transmission inductive [5], voir Figure 4, et la transmission radio basée les étiquettes micro-onde.

Les techniques de couplage

Les techniques du transfert sans fil d’énergie généralement classifiées en deux catégories , électromagnétique [7]. ou du signal électrique peuvent être le transfert radiatif et le couplage

Couplage radiatif

Dans le cas du couplage radiatif, on trouve les étiquettes micro-ondes et les étiquettes UHF, comme le montre la Figure 5. Le signal d’excitation radiofréquence d’une grande puissance et à haute fréquence est essentiel pour réaliser le transfert à longue distance, pour cela c’ est ce type de couplage qui sera utilisé dans l’élaboration de notre réseau sans fil [4]. L’étiquette RFID se comporte comme un émetteur récepteur radio, pour qu’ elle effectue ces deux fonctions (la mesure et la transmission) et nécessite en règle générale des solutions actives. Dans ce genre d’étiquette, en champ lointain, à une distance de la source (plus de 10 mètres) supérieure de la longueur d’onde, le faisceau diverge pour donner naissance à une onde sphérique localement plane. Le champ électromagnétique diminue en fonction de lId, inverse de la distance à la source, et l’énergie reçue en fonction de lId2 [4]. La définition la plus couramment utilisée pour ce genre de champ est exprimée par l’équation r= ~ (2-1 [8] :2n À (2-1) r= – 2nOu r est la distance (m) de l’antenne de transmission où le champ lointain surgit et À la longueur d’onde (mis) du signal.

Couplage inductif

Dans le couplage inductif, spécialement le couplage bobine-bobine est adopté dans le système de détection industriel, tels que les capteurs passifs sans fil et les capteurs à courant de Foucault [10]. Dans une chaine de transmission sans fil, le lecteur présentera une impédance Zt alimentée par une source électromotrice ê(t). Le capteur lui aussi possède une impédance Zs et une impédance de l’antenne Zd. Les impédances sont placées en série comme le montre la Figure 6 [11].
En utilisant la théorie des circuits équivalents , les deux antennes peuvent être remplacées par deux circuits résonnants couplés. L’impédance de circuit d’entraînement, Zt, peut être écrite comme somme de capacité, d’inductance et de résistance . La résistance due aux rayonnements, c.-à-d. causée par la perte de puissance à un champ électromagnétique , ou à la résistance intrinsèque provoquée par le chauffage simple du circuit physique. Dans ce type de couplage, on distingue deux catégories de l’étiquette :
• Les étiquettes à couplage inductif fonctionnement dans les basses fréquences , caractérisées par une distance de lecture de quelques centimètres, dans la boucle magnétique du lecteur. La Figure 7 montre des exemples d’étiquette BF.
Figure 7 Étiquette RFID Basse Fréquences, proximité 125kHZ T5557 / T5577 LF RFID Étiquettes à disques clairs [12] .
• La RFID HF est réalisée par couplage inductif entre deux bobines d’antenne, l’un au lecteur, l’autre dans la balise. Pour les systèmes RFID 13,56 MHz, le transfert de puissance et l’établissement de la communication entre le lecteur RFID et les étiquettes sont menés par couplage inductif. Pour le lecteur d’une puissance de sortie donnée, la distance de fonctionnement de système RFID est principalement déterminée par la taille de bobine et le flux magnétique à travers la bobine [13]. Habituellement, pour agrandir la couverture de lecture, une grande bobine doit être prise en considération, la Figure 8 montre un exemple de ce genre d’étiquettes.

Réseau de capteurs passifs sans fil

Le réseau de capteurs passifs sans fil (wpSN : Wireless Passive Sensor Network) est alimenté par une source d’énergie RF externe, voir la Figure 9. Le WPSN est caractérisé pas son faible coût et par des nœuds d’une faible consommation d’énergie [15]. Le réseau de capteurs est alimenté par l’énergie fournie par une source de puissance RF externe. Le signal incident de la source RF est réfléchi par les nœuds WPSN. Les nœuds modulent ces signaux en changeant l’impédance de ces antennes, on parle ici d’une rétrodiffusion modulée. La portée de la communication est déterminée par l’intensité du signal incident.Toutefois, le circuit de transmission est une antenne d’impédance commutée, ce qui rend le WPSN libre de la durée de vie par rapport aux réseaux de capteurs classiques. Pour répondre aux besoins de l’application, les caractéristiques de l’événement doivent être détectées de manière fiable et transmises par l’exploitation collective de nœuds de capteurs. La Source RF reçoit le signal réfléchi à partir de nœuds de capteurs, les capteurs doivent envoyer les données collectées au lecteur sans provoquer aucune interférence dans le réseau.

Principe de fonctionnement du Étiquette RF

Dans la mise en œuvre des réseaux de capteurs passifs sans fil, Pr et Pt représentent respectivement la puissance reçue par le capteur et la puissance transmise par la source RF. Puis, le signal RF se propage selon l’équation de transmission Friis ci-dessous.
Avec GOt et GOr les gains des antennes, Rrf la distance entre le lecteur et le capteur, À. la longueur d’onde, voir la Figure 10.
La tension induite dans l’antenne du capteur du réseau due au signal incident de la source RF est Vt , alors la relation entre la puissance reçue RF et le niveau de la tension induite Vt est exprimée par la relation suivante:Avec Rr présente l’impédance de l’antenne du capteur et Rt l’mpédance de l’antenne de la source RF.

Région du champ

L’espace entourant l’antenne est subdivisé en trois régions, voir la Figure 11. La région réactive de champ proche est définie comme étant « la partie de la région de champ proche immédiatement entourant l’antenne, dans lequel le champ réactif prédomine. Pour la plupart des antennes, la limite extérieure de cette zone est généralement située, à une distance R <0,62 D3 / À à partir de la surface d’antenne, où À est la longueur d’onde et D est la plus grande dimension de l’antenne.
Le rayonnant du champ proche (Fresnel) est la région du champ de l’antenne entre la région réactive du champ proche et les champs en champ lointain de la région de rayonnement, dans lequel laquelle prédominent (champ proche) et dans lequel la distribution de champ angulaire est fonction de la distance de l’antenne.
En champ lointain (Fraunhofer), est la région de la zone de l’antenne lorsque la distribution du champ angulaire est essentiellement indépendante de la distance de l’antenne. Si l’antenne a une dimension globale maximale D, la région du champ lointain généralement prises pour exister à des distances supérieures à 2D2 / À de l’antenne.

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Table des matières

Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
Chapitre 2 – Revue de la littérature
2.1 Les capteurs sans fil
2.1.1 Les étiquettes actives
2.1.2 Les étiquettes passives
2.1.3 Les techniques de couplage
2.1.3.1 Couplage radiatif
2.1.3.2 Couplage inductif
2.2 Réseau de capteurs passifs sans fil ..
2.2.1 Principe de fonctionnement du Étiquette RF
2.2.2 Région du champ
2.3 Antenne de l’étiquette
2.3.1 Les principaux types d’antennes de étiquette RFID UHF
2.3.1.1 L’antenne imprimée
2.3.1.2L’antenne IFA
2.3.1.3 L’antenne à fentes
2.3.1.4L’antenne dipôle micro ruban
2.3.1.5 Impédance de l’antenne
2.4 Les capteurs d’hydrogène
2.4.1 Le capteur acoustique
2.4.2 Le capteur catalytique
2.4.3 Capteur basé sur la conductivité thermique
2.4.4 Le capteur optique
2.4.5 Le capteur électrochimique
2.4.6 Les capteurs MûS
2.4.6.1 Diode à jonction p-n
2.4.6.2 Les capteurs à base de diode Schottky
2.4.6.3 Les capteurs à base de transistor à effet de champ
2.4.6.4 Les capteurs capacitifs MûS
2.5 Principes de la capacité MûS
2.5.1 Mécanisme de détection d’hydrogène
2.5.2 Théorie des bandes dans capteurs
2.5.3 Tension de la bande plate
2.6 Performances des capteurs d’hydrogène
2.6.1 Temps de réponse et de récupération
2.6.2 Plage de Température
2.6.3 Plage d’humidité ambiante
2.6.1 Étalonnage
2.7 Conclusion
Chapitre 3 – Conception d’une étiquette RF sans fiL
3.1 Introduction
3.2 Simulation de la réponse du capteur MÛS capacitif
3.2.1 Effet de l’épaisseur du substrat et de la couche d’oxyde
3.2.2 Calcul de l’aire de la couche sensible
3.2.3 Simulation de la capacité MÛS
3.3 Conception de l’antenne dipôle micro ruban
3.3.1 Conception de l’antenne UHF
3.3.2 Identification des propriétés de l’antenne en fonction de l’application visée
3.3.3 Effet du substrat sur les perfonnances de l’étiquette
3.3.1 Propriété du substrat de l’antenne
3.3.2 Géométrie de l’antenne dipôle microruban
3.4 Conception de l’étiquette RF
3.5 Conclusion
Chapitre 4 – Résultats expérimentaux
4.1 Fabrication du capteur MûS
4.1.1 Suppression de la couche d’oxyde
4.1.2 Déposition du pallidum
4.1.3 Création des motifs du Palladium
4.1.4 Dessin de masque du capteur de gaz MÛS
4.1.5 Déposition de l’aluminium
4.1.1 Gravure du palladium
4.2 Fabrication de l’étiquette RF
4.2.1 Implémentation physique de l’antenne
4.2.2 Mesure de l’étiquette
Conclusion
Bibliographie (ou Références)
Annexe A – Équations de la capacité MûS