Modélisation et intégration des antennes pour la transmission de données et géolocalisation

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Solutions d’infrastructures et de services de surveillance des personnes âgées

On ne peut penser « surveillance et assistance » d’une personne sans penser les solutions dans l’environnement de vie avec nécessairement l’association des dispositifs décrits précédemment pour proposer une approche orientée système de surveillance.
Agoulmine et al. [101] baptisent ce concept via un système appelé U-Health pour surveiller à domicile les personnes âgées ou les personnes atteintes des maladies chroniques dans le but de garder un meilleur degré d’indépendance pour cette catégorie de population. Ce projet (Figure 1.19) se sert d’un réseau de capteurs portés par la personne à surveiller : WBAN (Wireless Body Area Network) et un autre réseau implémenté dans sa maison : HCN (Home Communication Network). En plus des capteurs, des actionneurs peuvent être aussi utilisés pour la commande de certains appareils ou l’injection d’insuline par exemple.
Notre laboratoire de recherche, le LAAS-CNRS est un acteur dans le domaine de la surveillance et le suivi des personnes âgées, fragiles et dépendantes avec des contributions dans le développement de systèmes électroniques et analytiques : algorithmes pour la détection de chutes, techniques d’apprentissage, modèles de référence des habitudes des patients (Figure 1.20).

Notre contribution sur le domaine : un patch actif intelligent

En effectuant une présentation de différentes solutions le lecteur en tire une vision globale des différentes solutions qui démontrent l’effervescence des travaux en cours et témoignent aussi d’une absence de réglementation et de certification.
Nous avons décidé dans notre étude de développer un patch car il répond à un certain nombre de critères inhérents au développement d’un système de surveillance de la santé de personnes fragiles :
 Non intrusif : Le port du système développé ne doit pas gêner ou provoquer une sensation de malaise chez la personne surveillée : la masse, la taille ainsi que le degré d’intégration jouent aussi un rôle primordial pour conférer cette propriété.
 Efficace et communicant par RF en indoor et outdoor.
 Etanche : C’est une propriété que nous allons imposer pour plusieurs raisons : acceptabilité du patient (il doit épouser au mieux le profil anatomique) et du personnel de soins (suivi en continu même pendant la toilette).
 Grande autonomie : Les produits de surveillance disposent des piles ou des batteries rechargeables pour assurer l’alimentation de leurs différentes parties. Ils doivent présenter une autonomie énergétique acceptable pour un suivi en permanence tout en étant relativement plat pour un confort de port. Cette contrainte élimine la possibilité d’utilisation des piles et impose l’option d’être « rechargeable » compatible avec le critère d’étanchéité.

Les paramètres d’une antenne

Il existe plusieurs types d’antennes fonctionnant à des fréquences différentes qui dépendent des applications visées : 13,56 MHz pour les tags RFID, 1575,42 MHz pour les récepteurs GPS, 2,4 GHz pour les cartes Bluetooth, WIFI, Zigbee … Les antennes imprimées sont les types les plus utilisés dans les différents systèmes communicants de la vie quotidienne : smartphones, tablettes, ordinateurs… Avec un process de fabrication similaire à celui des cartes électroniques, elles présentent un grand degré d’intégration et un coût de réalisation inclus dans le PCB. Une antenne peut être caractérisée par plusieurs paramètres qui permettent de déterminer ses performances :
 Fréquence de fonctionnement
 Largeur de bande
 Gain
 Coefficient de réflexion S11 : c’est un paramètre exprimé en décibel (dB) et représente le taux d’énergie réfléchie par l’antenne. Un coefficient de réflexion nul signifie que l’énergie fournie à l’antenne est totalement réfléchie et il n’y pas de rayonnement dans ce cas. Ce coefficient peut être mesuré à l’aide d’un analyseur de réseaux vectoriel RF et il doit être le plus petit possible pour que l’antenne fonctionne convenablement. Généralement on accepte un S11 inférieur ou égal à -10 dB.

Types et formes d’une antenne imprimée IFA

Les antennes de type IFA (Inverted F Antenna) sont couramment utilisées dans plusieurs systèmes comme les téléphones en raison de leurs petites tailles et leur grand degré d’intégration. Elles sont caractérisées par une forme ressemblant à la lettre « F » inversée d’où l’origine de leur nom. Une antenne IFA se caractérise par une structure compacte qui lui donne une facilité d’intégration dans les équipements de communication. Ces antennes peuvent être classées en trois types principaux :
 WIFA (Wired Inverted F Antenna) : c’est la plus simple forme, l’antenne est constituée d’un fil conducteur suspendu au-dessus d’un plan de masse [2, 3].
 PIFA (Planar Inverted F Antenna) : cette catégorie ressemble à celle des antennes patch, elle est constituée d’un plan conducteur parallèle à celui de la masse et y est court-circuité via un petit mur traversant le substrat [4, 5].
 IIFA (Integrated Inverted F Antenna) : pour ce type, l’antenne est coplanaire ou inclue dans un plan parallèle à celui de la masse [6, 7]. Ce type est connu aussi sous le nom de PIFA (Printed Inverted F Antenna).

Miniaturisation des antennes IFA

La miniaturisation des antennes joue un rôle important dans la réduction de la taille totale des dispositifs communicants. Pour les antennes de type IFA et pour des fréquences de quelques centaines de mégahertz, le bras rayonnant devient de plus en plus encombrant : 8,64 cm pour 868 MHz par exemple. La problématique est donc focalisée sur la longueur de ce bras sachant que c’est elle qui permet d’ajuster la fréquence opérationnelle de l’antenne.
Une première solution consiste à la réduction de l’aire couverte par l’antenne en pliant plusieurs fois son bras rayonnant et le rendant ainsi sous forme de méandres [10-13].
Ces serpentins peuvent se matérialiser sous une forme simple de quelques replis jusqu’à des formes plus complexes basées par exemple sur la courbe de Hilbert [14]. Cette technique peut être aussi utilisée en 3D c’est à dire à la place d’avoir des méandres coplanaires, ces derniers peuvent être répartis sur les différentes couches constituant le circuit imprimé [15].

Conception et optimisation d’une antenne ISM 868 MHz pour le patch

Pour l’antenne ISM 868 MHz, le choix se porte sur l’utilisation d’une antenne imprimée de type IFA avec pour cette fréquence, une longueur du bras rayonnant égale à λ/4= 8,64 cm avec un plan de masse minimal (49,22 × 13,51 mm2) fixé par des contraintes du projet.
On note sur la figure 2.28, une réservation de place de forme rectangulaire laissée dans la partie gauche du plan de masse pour l’intégration de l’antenne GPS.
Le degré de miniaturisation du tracking patch nous pose devant des contraintes d’intégration et de design d’antennes à savoir : l’antenne GPS fonctionne à une fréquence de 1575,42 MHz qui est égale un peu près au double de la bande ISM 868 MHz. Ainsi, ces deux antennes doivent être placées l’une loin de l’autre pour éviter tout couplage potentiel.
De plus, la petite taille du patch rend la simple forme de l’antenne IFA avec un bras rayonnant droit impossible sans l’utilisation d’une charge supplémentaire pour réduire sa taille comme présenté précédemment. Pour notre cas, la solution choisie consiste à plier le bras rayonnant de l’antenne sous forme de « méandres » pour limiter l’aire couverte par ce dernier.
Une largeur de ligne centrale du guide d’onde (250 μm) a été reconduite pour former celle des pistes de l’antenne pour éviter toute sorte de discontinuité potentiellement perturbatrice. Pour simplifier le modèle et réduire le temps de simulation le routage du PCB n’a pa été pris en considération et les plans de masses ont été considérés comme des plans continus et uniformes de cuivre connectés par des vias.
Comme nous l’avons présenté dans ce chapitre, la longueur de l’antenne IFA permet de fixer la fréquence de résonnance tant que la distance séparant le point de court-circuit et celui d’alimentation déterminera l’impédance d’entrée qui dans ce cas doit être égale à 50 Ω. Une largeur maximale de 3,5 mm a été fixée pour intégrer l’antenne 868 MHz comme présenté dans la figure 2.28 pour ne pas trop allonger le PCB du patch.

Transmission sans fil d’énergie électrique

Le concept de transmettre sans fil de l’énergie à partir d’un point (source) à un autre point (charge électrique) sans l’utilisation d’un câble ou tout autre type de conducteur a été démontré pour la première fois dans la dernière décennie du 19ième siècle par Nikola Tesla.
Sa première expérience était basée sur l’éclairage sans fil d’un groupe de lampes à une distance de plus de 40 km. Ce principe est repris de nos jours pour recharger des éléments implantés dans le corps, nos smartphones et les véhicules électriques [2, 3].
Le problème de l’énorme quantité de chargeurs incompatibles et volumineux dans le cas des appareils électroniques portables comme les smartphones peut être résolu en utilisant une seule station de recharge universelle compatible avec tous les systèmes [4-8]. Cette interopérabilité a fait l’objectif de la création de standardisation de protocoles de recharge sans fil [9], dont le WPC (Wireless Power Consortium) [10], le PMA (Power Matters Alliance) [11] et l’A4WP (Alliance For Wireless Power)[12]. Ces deux derniers ont été réunis pour former un seul consortium nommé AirFuel Alliance [13].
La majeure partie des dispositifs commercialisés pour la recharge sans fil est basée sur le principe du couplage inductif dans son mode standard ou bien résonnant. Ces systèmes sont caractérisés par des technologies, des fréquences et des niveaux de puissance différents. Pour notre application, quatre types de chargeurs ont fait l’objet d’étude et dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau 3.1.

La technologie DHC

Dans le cas de la recharge sans fil, un système récepteur est constitué de deux parties :
 un composant pour la gestion et la récupération d’énergie,
 un composant chargeur pour contrôler la recharge de la batterie.
Pour notre patch et pour réduire l’encombrement du dispositif et assurer un meilleur degré d’intégration le choix s’est porté sur l’utilisation d’un seul composant présentant une double fonctionnalité récepteur-chargeur. Ainsi, le composant LTC4120 de Linear Technology [14] a été choisi et testé avec une station de base « Proxi-Point » de « Powerbyproxi » [15]. Ce couple permet d’atteindre une puissance maximale de 2W pour une distance émetteur-récepteur de 12 mm.
Pour ce système, la recharge sans fil est basée sur une technologie brevetée nommée DHC (Dynamic Harmonization Control) qui permet de varier la fréquence de résonnance du récepteur en fonction de la puissance à fournir à la charge. La gestion de l’énergie transmise est basée sur le couplage inductif et ne demande pas l’utilisation d’un autre canal de transmission comme le lien Bluetooth implémenté dans le cas du protocole Rezence. La technique d’impédance réfléchie du récepteur vers l’émetteur est utilisée pour la variation du niveau de puissance durant le période de la recharge de la batterie.
Dans le but de tester cette technologie, un PCB basé sur le LTC4120 a été fabriqué. Ce composant est caractérisé par une taille de 3 × 3 × 0,75 mm3 et un conducteur thermique a été ajouté pour le contrôle de la température lors de la recharge de la batterie.

Modélisation analytique d’une bobine imprimée

Il existe des calculateurs d’inductances disponibles en ligne qui proposent d’accompagner la conception d’antennes constituées d’une seule couche [3, 4]. Parmi les méthodes utilisées pour le dimensionnement des bobines planaires focalisons nous sur l’algorithme présenté par Greenhouse [5] basé sur les équations de Grover [6]. Cette technique bien qu’ancienne, où l’antenne est vue comme un ensemble de segments conducteurs connectés en séries reste valable pour donner une approximation des valeurs d’inductance des antennes en basse fréquence.
La bobine présentée dans la figure 4.3 est composée de 8 segments : son inductance totale est égale à la somme des inductances propres de tous les segments conducteurs plus les différentes inductances mutuelles négatives et positives créées entre eux. L’inductance mutuelle positive est due aux conducteurs parcourus par des courants dans le même sens. Au contraire, l’inductance négative est créée par les courants circulant dans des sens opposés.

Table des matières

CHAPITRE 1 : Surveillance des personnes âgées et dépendantes : problématique et solutions proposées
1.1.Accompagner technologiquement le vieillissement de la population
1.2.Background et solutions d’assistance à la surveillance des personnes âgées
1.2.1.Acceptabilité
1.2.2.Maisons intelligentes (Smart Homes)
1.2.3.Systèmes portés au contact du patient
1.2.3.1.Systèmes de traitement de données
1.2.3.2.Enregistreurs de données (Data Loggers)
1.2.3.3.Systèmes avec transfert de données
1.2.4.Textiles intelligents
1.2.5.Patchs électroniques
1.2.6.Systèmes in vivo
1.2.6.1.Systèmes implantables
1.2.6.2.Systèmes à ingérer
1.3.La localisation
1.4.Solutions d’infrastructures et de services de surveillance des personnes âgées
1.5.Produits commercialisés en France
1.6.Notre contribution sur le domaine : un patch actif intelligent
Bibliographie du chapitre 1
CHAPITRE 2 : Modélisation et intégration des antennes pour la transmission de données et géolocalisation
2.1.Introduction
2.2.Géolocalisation en bande ISM
2.2.1.TOA (Time Of Arrival)
2.2.2.TDOA (Time Difference Of Arrival)
2.2.3.AOA (Angle Of Arrival)
2.2.4.Finger printing
2.2.5.Cell-ID
2.2.6.Application au projet
2.3.Architecture fonctionnelle du patch et contraintes sur les antennes
2.3.1.Les paramètres d’une antenne
2.3.2.Types et formes d’une antenne imprimée IFA
2.3.3.Miniaturisation des antennes IFA
2.3.4.Guide d’onde coplanaire
2.4.Conception et optimisation d’une antenne ISM 868 MHz pour le patch
2.5.Conception d’une antenne PIFA pour la fonction GPS du patch
2.6.Conclusion
Bibliographie du chapitre 2
CHAPITRE 3 : Etude et intégration d’une solution de recharge sans fil
3.1.Introduction
3.2.Alimentation du tracking patch
3.3.Transmission sans fil d’énergie électrique
3.3.1.La technologie DHC
3.3.2.Le standard Qi pour la recharge sans fil
3.4.Développement d’une bobine pour la recharge sans fil du tracking patch
3.5.Test de la recharge sans fil
3.6.Vérification des propriétés des antennes RF suite à l’ajout de la fonction recharge sans fil
3.7.Conclusion
Bibliographie du chapitre 3
CHAPITRE 4 : Process technologique d’intégration sur substrat souple de la bobine de recharge sans fil 
4.1.Introduction
4.2.Modélisation analytique d’une bobine imprimée
4.3.Dimensionnement et simulation d’une bobine imprimée pour la recharge sans fil
4.4.Réalisation des bobines imprimées en salle blanche
4.4.1.Photolithographie
4.4.2.Electrodéposition
4.4.3.Evaporation sous vide
4.4.4.Gravure chimique
4.4.5.Présentation du jeu de masques
4.4.6.Premier procédé de fabrication et résultats
4.4.7.Second procédé de fabrication et choix technologiques
4.4.8.Troisième procédé de fabrication
4.4.9.Quatrième process
4.4.10.Bilan des différents process
4.5.Conclusion
Bibliographie du chapitre 4
CHAPITRE 5 : Test et caractérisation du patch électronique
5.1.Introduction
5.2.Test et caractérisation des antennes RF
5.2.1.Première version du patch
5.2.1.1.Mesures et validation des performances de l’antenne 868 MHz
5.2.1.2.Mesure du diagramme de rayonnement
5.2.2.Tests de la communication avec les stations Sigfox
5.2.2.Deuxième version du patch
5.2.2.1.Test des antennes PIFA
5.2.2.2.Diagrammes de rayonnement
5.2.2.3.Test de la communication avec le réseau Sigfox
5.3.Aspect énergétique et gestion batterie
5.3.1.Commande On-Off
5.3.2.Protection « undervoltage »
5.3.3.Désactivation du patch lors de la recharge sans fil
5.4.Test de la recharge sans fil
5.4.1.Caractérisation des bobines imprimées pour la recharge sans fil
5.4.2.Test du chargeur sans fil
5.4.3.Rendement du transfert d’énergie par induction
5.5.Caractérisation thermique
5.5.1.Cas de la recharge sans fil
5.5.1.1.Problématique de la recharge sans fil
5.5.1.2.Solution pour minimiser l’élévation thermique
5.5.2.Cas de la transmission RF de données
5.5.3.Cas de la géolocalisation GPS
5.6.Conclusion

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