future approaches

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Travail réalisé dans le cadre d'une collaboration entre GRESCOM (LR-11-11-TIC) de SUPCOM de

Tunis et l'IMEP-LAHC (UMR-5130, CNRS-INPG-UJF-Université de Savoie), Grenoble, France.

Université de Carthage

THESE DE DOCTORAT

Réalisée au sein de

Ecole Supérieure des Communications de Tunis

Pour l’obtention du titre de

Docteur en Technologies de l’Information et de la

Communication

Préparée par

Mondher DHAOUADI

Intitulée

Conception et optimisation des antennes RFIDUHF en vue d'améliorer la fiabilité des systèmes

RFID

Soutenue le ../../2014 devant le jury

Président

Rapporteur

RapporteurExaminateur

Directeur de thèse M. Adel Ghazel Professeur à SUPCOM de Tunis

Co-Directeur_1 M. Mohamed Mabrouk Maître-Assistant, HDR, à l’ISETCOM de Tunis

Co-Directeur_2 M. Tan-Phu Vuong Professeur à l’INP de Grenoble, France


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Remerciements

J’aimerais d’abord exprimer toute ma gratitude à Monsieur Adel GHAZEL, Professeur à

l’Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SUPCOM), pour m’avoir accueilli au sein

du laboratoire GRESCOM (LR-11-TIC-2).

Je remercie vivement Monsieur Mohamed MABROUK, Maitre-Assistant, Habilité

Universitaire, à l’Institut Supérieur des Etudes Technologiques en Communications

(ISETCOM) de Tunis, pour son suivi et son soutien lors de la réalisation de ce travail. Qu’il

trouve ici l’expression de ma profonde reconnaissance, pour les encouragements, les conseils

et la confiance qu’il m’a toujours témoignés.

Je tiens à remercier Monsieur Tan Phu VUONG Professeur à Grenoble INP, de m’avoir

donné l’opportunité de faire des expérimentations au sein de l'IMEP-LAHC et pour ses

conseils, sa compréhension, sa sagesse et son soutien.

Je remercie vivement les membres de Jury de m’avoir fait l’honneur de bien vouloir participerau jury de cette thèse.

Je remercie aussi tous les chercheurs, Seniors et Juniors, du laboratoire GRESCOM pour leurs

aides, leurs soutiens et leur esprit de groupe. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde

reconnaissance.

Enfin, je garde une place toute particulière pour toute ma famille. Je les remercie pour leur

amour sincère et leur soutien sans faille au cours de ces années.


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i

Résumé

Dans ce travail de thèse qui porte sur la conception et l’optimisation des antennes RFID-UHF

en vue d'améliorer la fiabilité des systèmes RFID, nous avons conçu , réalisé et testé desprototypes d’antennes Tags et Lecteurs pour applications RFID en champs proche et lointain.

Nous avons effectué des comparaisons entre des structures d’antenne Tag à couplage inductif

et avec la configuration T-match. Nous avons simulé un prototype d’antenne méandre sur un

nouveau substrat industriel en plastique (PET ou Polyester). Nous avons aussi conçu et réalisé

un prototype d’antenne Tag miniature d’une taille globale de 68×19.7 mm2 fonctionnant aussi

bien en champ proche qu’en champ lointain dans la bande RFID-UHF (865.0 – 868.0 MHz)

adoptée en Europe et en Tunisie. Nous avons caractérisé cette antenne en chambre anéchoïque

avec laquelle nous avons obtenu des portées de lecture de 18 cm en champ proche et 60 cm en

champ lointain. En espace libre, ce Tag peut atteindre une distance de lecture de 15 m pour

une puissance d'émission de 25.0 dBm avec une antenne cornet en émission. En ce qui

concerne le “Lecteur”, nous avons conçu, réalisé et testé deux antennes “Lecteur”, l’une en

boucle et l’autre Patch circulaire. Nous avons montré leur bon fonctionnement en champ

proche.

Lorsqu’un Tag RFID sans plan de masse est placé à proximité d’une surface métallique, ladégradation de la performance du Tag RFID est inévitable. C’est pourquoi nous avons

proposé des prototypes d’antennes Tags pour l'identification des objets métalliques. Nous

avons proposé une antenne avec un stub court-circuité et une antenne avec un stub ouvert. Ces

deux antennes fonctionnent bien en contact ou à proximité des surfaces métalliques. Nous

avons réalisé aussi une antenne Tag PIFA ayant comme substrat l’air. En étant entièrement

collée sur un mur métallique de 300×300 mm2, elle fonctionne correctement avec un gain de

3,5 dB et une portée de lecture de 18 m en espace libre. Ce prototype PIFA fonctionne en

position verticale, horizontale et en environnement métallique tel qu’un container. Nous avons

aussi simulé et réalisé deux antennes pour Lecteurs RFID à polarisation circulaire

fonctionnant dans la bande RFID-UHF aux États-Unis et en Europe.

Mots clés

Antenne, UHF, Tag, RFID, champ proche, champ lointain, antenne en contact avec une

surface métallique, Lecteur à polarisation circulaire


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Liste des acronymes

RFID : Radio Frequency IDentification

NFC : Near Field Communication

UHF : Ultra High Frequency

HF: High Frequency

LF : Low Frequency

IFF : Identity Friend or Foe

HFSS : High Frequency Structure Simulator

ISM : Industrial Scientific Medical

FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum

ETSI : European Telecommunications Standards Institute

LBT : Listen Before Talk

ISO : International Organization for Standardization

EPCglobal : Electronic Product Code

EIRP : Effective Isotropic Radiated Power

ERP : Effective Radiated Power

AR : Axial Ratio

PIFA : Planar Inverted F Antenna


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Table des matières

Introduction générale ............................................................................................................................... 1Chapitre 1 ................................................................................................................................................ 3

La technologie RFID ................................................................................................................................. 3

1.1. Introduction ...................................................................................................................................... 3

1.2 Bref historique ................................................................................................................................... 4

1.3. Systèmes RFID ................................................................................................................................. 5

1.3.1. Lecteurs RFID ............................................................................................................................. 5

1.3.2. Tags RFID ................................................................................................................................... 7

1.3.4 Couplage Tag/lecteur RFID ....................................................................................................... 10

1.3.4.1 Techniques de couplage RFID en champ proche .............................................................................. 12

1.3.4.2 Techniques de couplage RFID en champ lointain ............................................................................. 14

1.4. Fréquences et normes des sst!mes RFID ..................................................................................... 15

1.4.1 Différetes !a"es "e fré#ueces ............................................................................................ 15

1.4.2 $or%alisatio ........................................................................................................................... 1&

1.4. Application de la technologie RFID ............................................................................................... 1"

1.5. Avantages et inconvénients de la technologie ................................................................................ 2#

RFID ...................................................................................................................................................... 2#

1.5.1 '(atages "e la tec)ologie RFID ............................................................................................ 20

1.7. Paramètres d’une antenne RFID ..................................................................................................... 2$

1.7.1. Les para%*tres circuits ............................................................................................................ 2+

1.7.2. Les para%*tres "e ra,oe%et ............................................................................................. 2-

1.8. Conception et simulation d'antennes pour Tags RFID en UHF ..................................................... 33

Chapitre 2 .............................................................................................................................................. 43Antenne RFID-UHF en champ proche et lointain ................................................................................. 43

2.1. Introduction .................................................................................................................................... 43

2.2. Communication RFID en champ lointain ....................................................................................... 44

2.2.1. For%ule "e Friis ....................................................................................................................... 44

2.2.2. Coefficiet "e tras%issio e puissace ................................................................................ 4+

2.3. Communication RFID-UHF en champ proche ............................................................................... 5$

2.3.1. C)a%p proc)e e RFID ............................................................................................................ 57

2.3.2. La tec)ologie RFIDF e C)a%p proc)e ............................................................................ +0


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i%

2.3.2.1. &ntennes pour lecteurs RFID'()F champ proche ........................................................................... $#

2.3.2.2. &ntennes pour lecteurs RFID'()F en champ proche et lointain .................................................... $4

2.3.2.3. &ntennes pour Tags RFID'()F en champ proche et lointain .......................................................... $5

2.4. Antennes pour Tags et lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ...................................... $5

2.4.1. '"aptatio "i%pé"ace "es atees "e Tags RFIDF ..................................................... ++

2.4.2. 'tees pour Tags RFIDF e c)a%p proc)e et loitai.................................................. 74

2.4.2.1. &ntenne *atch a%ec deu+ tpes d,adaptation ................................................................................. -4

2.4.2. &nalse électromagnétique d,une antenne Tag RFID'()F en champ proche ................................... -

2.4.3 'tee large !a"e pour la co%%uicatio RFID e c)a%p proc)e et loitai.................... &1

2.4.3.1 /onception de l,antenne proposée .................................................................................................. 1

2.4.3.3 0esures de l,antenne ....................................................................................................................... 5

2.4.4 'tee "e Tag F pour "es applicatios RFID e c)a%p proc)e et loitai ....................... -1 2.4.4.1 /onception de l,antenne proposée .................................................................................................. "2

2.4.5 'tees %agéti#ues pour les s,st*%es RFID F e c)a%p proc)e ................................... -7

2.4.5.1 &ntenne méandre a%ec coniguration T'match ............................................................................... "-

2.4.5.2 &ntenne méandre couplage inducti ............................................................................................. ""

2.4.5.3 0esures des antennes ................................................................................................................... 1#1

2.5. Antennes pour Lecteurs RFID-UHF en champ proche et lointain ............................................... 1#4

2.5.1 'tee circulaire pour lecteur RFIDF .............................................................................. 104

2.5.2 'tee c)arge capaciti(e pour lecteur RFIDF ............................................................. 107

Chapitre 3 ............................................................................................................................................ 115

La technologie RFID en environnement métallique............................................................................ 115

3.1. Introduction .................................................................................................................................. 115

3.2. Effets des surfaces métalliques sur les antennes Tag RFID-UHF ................................................ 11

3.3. Effets d’une plaque métallique sur notre antenne Tag avec configuration T-match .................... 12#

3.4. Conception et réalisation d'antennes Tags RFID-UHF à proximité d’une surface métallique ..... 122

3.4.1. 'tee Tag RFIDF couplage capacitif ...................................................................... 122

3.4.2. 'tee Tag RFIDF a(ec u stu! courtcircuité .............................................................. 123

3.4.3. 'tee Tag RFIDF a(ec u stu! ou(ert "a"aptatio ................................................... 12&

3.4.4. 'tee fete pour Tag RFIDF ..................................................................................... 133

Chapitre 4 Antennes pour Lecteurs RFID-UHF à polarisation circulaire ........................................... 143

4.1. Introduction .................................................................................................................................. 143

4.2. 'tee polarisatio circulaire pour Lecteur RFID F -15 ...................................... 143

4.2.1 éométrie de l,antenne polarisation circulaire .............................................................................. 143

4.2.1. Résultats des simulations et de mesure ........................................................................................... 144


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%

4.2.2 'tee polarisatio circulaire pour Lecteur RFID F &+& ................................... 14-

4.2.2.1 éométrie de l,antenne $ 0) ............................................................................................... 14"

4.2.2.2 Résultats des simulations et de mesure ......................................................................................... 15#

4.3 &ntenne Tag RFID'()F polarisation circulaire ........................................................................... 154

4.3.1 'tee IF' polarisatio circulaire a(ec et sas pla#ue %étalli#ue ................................. 154

4.3.1.1 éométrie de l,antenne *IF& ......................................................................................................... 155

4.3.1.2 Résultats des simulations et de mesure ......................................................................................... 15$

i6liographie du chapitre 4 ................................................................................................................. 1$

/onclusion énérale............................................................................................................................ 1$"


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Table des illustrations

Figure 1. 1. Lecteur RFID : (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [9] ; (2) Antenne AN620 [10] ................... 6Figure 1. 2. Lecteur RFID à main IP30 [11] ........................................................................................... 6

Figure 1. 3. Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP) ........................................................................... 8Figure 1. 4. Tags RFID en HF (Tag-it HF-I de Texas Instrument) [16].................................................. 8Figure 1. 5. Tags RFID en UHF commercialisé, (1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas Instruments) [17](2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [18] ................................................................................................. 9Figure 1. 6. Fonctionnement général d’un système RFID ....................................................................... 9Figure 1. 7. Échange de données entre un lecteur et un Tag RFID [19]. .............................................. 10Figure 1. 8. Les zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice ............................................... 11Figure 1. 9. Communication "lecteur/Tag" dans un système RFID à couplage inductif [25] ............... 13Figure 1. 10. Rayonnement électromagnétique en champ lointain [26] ................................................ 14Figure 1. 11. Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés pour les

applications RFID [25] .......................................................................................................................... 16Figure 1. 12. Prévision de l’évolution du marché de la RFID [30] ....................................................... 20Figure 1. 13. Aspect fréquentiel de la RFID 868MHz et la bande de téléphonie mobile GSM ........... 24Figure 1. 14. Diagramme de rayonnement d’une antenne classique en coordonnées polaires .............. 30Figure 1. 15. Géométrie de l’antenne dipôle RFID ............................................................................... 34Figure 1. 16. Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle en fonction de la fréquence ........................ 34

Figure 1. 17. Impédance d’entrée a Z de l’antenne dipôle ..................................................................... 35

Figure 1. 18. ROS de l’antenne dipôle .................................................................................................. 35Figure 1. 19. Diagramme de rayonnement en 3D de l’antenne dipôle .................................................. 36Figure 1. 20. Géométrie de l’antenne RFID commercialisé ANL-9640-Squiggle ................................ 38

Figure 1. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne ANL-9640-Squiggle ............................................. 38Figure 1. 22. Diagrammes de rayonnement en 2D et 3D de l’antenne Squiggle .................................. 39Figure 2. 1. Circuit équivalent du Tag RFID ......................................................................................... 47Figure 2. 2. Transmission de puissance entre l’antenne et la puce du Tag RFID ................................. 48Figure 2. 3. Circuit équivalent du Tag communicant avec le lecteur RFID .......................................... 49Figure 2. 4. Circuits équivalents de l'impédance d'entrée de la puce ................................................... 51Figure 2. 5. Schéma équivalent de Thévenin du Tag RFID .................................................................. 54Figure 2. 6. Boucle de conduction par couplage magnétique (à gauche) ; circuit équivalent pour uneboucle de conduction par couplage magnétique (à droite)[1.25]. ......................................................... 58Figure 2. 7. Configuration de l'antenne boucle segmentée [2.20]. ........................................................ 62

Figure 2. 8. Configuration de l'antenne cadre segmentée [2.21]. .......................................................... 62Figure 2. 9. Photo du prototype d'antenne pour lecteur RFID-UHF [2.23] ........................................... 63Figure 2. 10. Exemples d'adaptation de la configuration en (a) T-mach, (b) par couplage inductif àproximité de boucle, et (c) par la configuration en fentes imbriquées [2.37]. ....................................... 67Figure 2. 11. Géométrie de l'antenne proposée : (a) Vue de dessus (b) Vue de côté ............................ 68Figure 2. 12. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre proposée ................................................. 69Figure 2. 13. Impédance d'entrée de l'antenne méandre proposée ........................................................ 69Figure 2. 14. Diagramme de rayonnement de l’antenne de Tag : (a) 2D (b) 3D .............................. 70Figure 2. 15. Impédance d'entrée de la puce NXP (partie réelle et imaginaire) en fonction de : (a) lafréquence avec P = -2,6 dBm (b) la puissance d'entrée à 915 MHz [2.46] ........................................... 71Figure 2. 16. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de W1 .............................. 72Figure 2. 17. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de W1 ..................................... 72Figure 2. 18. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre avec variation de L1 ................................ 73


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Figure 2. 19. Impédance d’entrée de l'antenne méandre avec variation de L1 ...................................... 73Figure 2. 20. Structure d’antenne Tag avec configuration T-match ...................................................... 74Figure 2. 21. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne ........................................... 75Figure 2. 22. Distribution de champ magnétique des antennes Tags RFID-UHF ................................. 76Figure 2. 23. Structure d’antenne bi-bande pour un Tag en configuration T-match ............................. 76

Figure 2. 24. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne bi-bande ............................ 77Figure 2. 25. Gain de l’antenne bi-bande du Tag .................................................................................. 77Figure 2. 26 Structure d'antenne méandre miniaturisée: (a) Vue de dessus (b) Vue de côté ................ 78Figure 2. 27. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre ............................ 79Figure 2. 28. ROS de l’antenne méandre .............................................................................................. 79Figure 2. 29 Distribution du champ électrique de l’antenne méandre ................................................... 80Figure 2. 30. Distribution du champ magnétique de l’antenne méandre ............................................... 80Figure 2. 31. Antenne méandre proposée .............................................................................................. 81Figure 2. 32. Coefficient de réflexion de l'antenne méandre ................................................................. 82Figure 2. 33. Coefficient de réflexion de Tag avec variation de L3 ....................................................... 83

Figure 2. 34. Coefficient de réflexion du Tag pour différentes valeurs de L1 ....................................... 83Figure 2. 35 Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre .................................................... 84Figure 2. 36. Distribution de courant de l’antenne à 867 MHz (z = 0 mm) .......................................... 84Figure 2. 37. Banc de mesures expérimentales de Tag en configuration mono-statique ...................... 86Figure 2. 38. Tag RFID-UHF réalisé ..................................................................................................... 86Figure 2. 39. Tag réalisé avec graveuse LPKF (protomat S100) .......................................................... 86Figure 2. 40. Équipements du banc de mesures .................................................................................... 87Figure 2. 41. Mesure de la portée du Tag en chambre anéchoïque ....................................................... 87Figure 2. 42. Partie de la réponse de Tag reçu à 867 MHz ................................................................... 87Figure 2. 43. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et champ lointain en fonction de

la Fréquence .......................................................................................................................................... 88Figure 2. 44. Puissance minimale reçue avec changement de repère .................................................... 89

Figure 2. 45 Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 868 MHz ........................................... 90Figure 2. 46. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert .................................................. 90Figure 2. 47. Puissance minimum en fonction de la distance dans un système RFID .......................... 91Figure 2. 48. Antenne méandre de Tag RFID-UHF .............................................................................. 92Figure 2. 49. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne proposée ........................... 93Figure 2. 50. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne .................................................................. 94Figure 2. 51. Antenne de Tag RFID-UHF réalisé ................................................................................. 94Figure 2. 52. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne proposée ............. 95Figure 2. 53. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche et lointain .................................. 95

Figure 2. 54. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 880 MHz .......................................... 96Figure 2. 55. Puissance minimum en fonction de la distance................................................................ 96Figure 2. 56. Géométrie de l’antenne méandre proposée ...................................................................... 97Figure 2. 57. Réalisation de l’antenne méandre proposée ..................................................................... 97Figure 2. 58. Coefficient de réflexion et impédance d’entrée de l’antenne méandre ............................ 98Figure 2. 59. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre ................................................... 98Figure 2. 60. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne méandre à 910 MHz ............................................................................................................................................................... 99Figure 2. 61. Réalisation de l’antenne méandre à couplage inductif ..................................................... 99Figure 2. 62. Coefficient de réflexion et impédance de l’antenne à couplage inductif ....................... 100Figure 2. 63. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b) ......................................................... 100


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Figure 2. 64. Distribution de champ magnétique (a) et du courant (b) de l’antenne à couplage inductif à910 MHz .............................................................................................................................................. 101Figure 2. 65. Puissance minimale reçue par les deux Tags en champ proche et lointain .................... 101Figure 2. 66. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID en chambre anéchoïque ................. 102

Figure 2. 67. Puissance minimales mesurée de deux Tags en fonction de θ à 890 MHz .................. 103

Figure 2. 68. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :Received Signal Strength) en fonction de la distance ......................................................................... 103Figure 2. 69. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) ................................... 104Figure 2. 70. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch ................................................................... 105Figure 2. 71. Coefficient de réflexion de l’antenne Patch avec variation de R ................................... 105Figure 2. 72. Distribution du courant de l’antenne à 920 MHz avec ϕ=0° (a) et ϕ=90° (b) .............. 106Figure 2. 73. Diagramme de rayonnement mesuré en 2 D et gain simulé de l'antenne Patch ............. 106Figure 2. 74. Puissance minimale reçue par le Tag en champ proche ................................................. 107Figure 2. 75. Géométrie de l’antenne de lecteur (a) et le prototype réalisé (b) ................................... 108Figure 2. 76. Coefficient de réflexion de l’antenne à charge capacitive ............................................. 108

Figure 2. 77. Coefficient de réflexion de l’antenne avec variation de W3 ........................................... 109Figure 2. 78. Distribution du courant (a) et de champ magnétique (b) de l’antenne à 876 MHz ........ 109Figure 2. 79. Banc de mesures expérimentales de lecteur dans un milieu ouvert ............................... 110Figure 2. 80. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu en fonction dela distance ............................................................................................................................................ 110Figure 3. 1. Photo du prototype d'antenne Tag avec plan de masse [3.8] ........................................... 116Figure 3. 2. Photo du prototype d'antenne Tag pour surface métallique [3.15] .................................. 117Figure 3. 3. Photo du Tag RFID sur métal et son application [3.19] .................................................. 118Figure 3. 4. Impédance d’entrée de l’antenne placée à 3 mm de plaque métallique ........................... 120Figure 3. 5. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne méandre avec plaque métallique ............. 121

Figure 3. 6. Impédance d’entrée de l’antenne placée à D=82 mm de plaque métallique .................... 121Figure 3. 7. Diagramme de rayonnement 3D de l’antenne à une distance de D=82 mm de plaquemétallique ............................................................................................................................................ 122Figure 3. 8. Géométrie de l’antenne à couplage capacitif avec un stub court-circuité (a) et le prototyperéalisé (b) ............................................................................................................................................. 124Figure 3. 9. Antenne Tag RFID avec un stub court-circuité sur une plaque métallique ..................... 124Figure 3. 10. Coefficient de réflexion de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ............... 125Figure 3. 11. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ...................... 126Figure 3. 12. Diagramme de rayonnement de l’antenne sans ou avec la plaque métallique ............... 126Figure 3. 13. Gain de l’antenne à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique .................... 127

Figure 3. 14. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance .......................................... 127Figure 3. 15. Géométrie de l’antenne Tag à couplage capacitif avec un stub ouvert d’adaptation ..... 128Figure 3. 16. Coefficient de réflexion de l’antenne sans ou avec la plaque métallique ...................... 129Figure 3. 17. Impédance d’entrée de l’antenne Tag sans ou avec la plaque métallique ...................... 129Figure 3. 18. Diagramme de rayonnement de l’antenne avec stub ouvert sans ou avec la plaquemétallique avec une variation de l’angle φ à 915 MHz ..................................................................... 130

Figure 3. 19. Gain de l’antenne Tag à couplage capacitif sans ou avec la plaque métallique ............. 131Figure 3. 20. Puissance minimale reçue par les deux types de Tags en champ lointain ..................... 131Figure 3. 21. Antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation sous test ............................................... 132Figure 3. 22. Puissance minimum en fonction de la distance avec et sans la plaque métallique ........ 132

Figure 3. 23. Géométrie de l’antenne à fente ...................................................................................... 134Figure 3. 24. Languette de court-circuit de l’antenne à fente .............................................................. 134


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i+

Figure 3. 25. Antenne Tag RFID à fente réalisé .................................................................................. 134Figure 3. 26. Coefficient de réflexion de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ........... 135Figure 3. 27. Impédance d’entrée de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ................. 135Figure 3. 28. Coefficients de réflexions simulés pour différentes valeurs de L1 ................................. 136Figure 3. 29. Diagramme de rayonnement de l’antenne à fente sans ou avec la plaque ..................... 137

Figure 3. 30. Gain de l’antenne à fente sans ou avec la plaque métallique ......................................... 137Figure 3. 31. Mesure de la portée du Tag avec plaque métallique en chambre anéchoïque ............... 138Figure 3. 32. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en fonction de lafréquence ............................................................................................................................................. 138Figure 3. 33. Puissance minimale reçue par le Tag avec ou sans la plaque métallique en champ proche ............................................................................................................................................................. 139Figure 3. 34. Mesure de la puissance minimale d’activation avec variation de l’orientation du Tag enfonction de l’angle ........................................................................................................................... 139Figure 3. 35. Puissance minimales mesurée en fonction de θ à 917 MHz ........................................ 140Figure 4. 1 Géométrie de l’antenne à polarisation circulaire : ............................................................ 143

Figure 4. 2. Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire alimentée par couplage : .................... 144Figure 4. 3. Mesure de S11 de l’antenne à polarisation circulaire ........................................................ 144Figure 4. 4. Coefficient de réflexion de l’antenne à polarisation circulaire ........................................ 145Figure 4. 5. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction φ=θ=0° ...................................... 146Figure 4. 6. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 915 Mhz pour différentes valeurs de φ ....... 146Figure 4. 7. Diagrammes de rayonnement en 2D (a) et 3D (b) ........................................................... 147Figure 4. 8. Tag RFID UHF ALN-9654 .............................................................................................. 147Figure 4. 9. Mesure de la puissance d’activation du Tag ALN-9654 pour différentes positions del’antenne : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ........................................................................................................ 148Figure 4. 10. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antenne

du Lecteur : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ..................................................................................................... 149Figure 4. 11. Géométrie de l’antenne du Lecteur à polarisation circulaire : ....................................... 150Figure 4. 12. Réalisation de l’antenne à polarisation circulaire à 868 MHZ: ...................................... 150Figure 4. 13. Coefficient de réflexion de l’antenne à 868 MHz .......................................................... 151Figure 4. 14. Rapport Axial de l’antenne proposée dans la direction φ=θ=0° .................................... 151Figure 4. 15. Rapport Axial de l’antenne en fonction θ à 868 Mhz pour différentes valeurs de l’angle φ ............................................................................................................................................................. 152Figure 4. 16. Diagrammes de rayonnement de l’antenne proposée en 2D (a) et 3D (b) ..................... 152Figure 4. 17. Puissance minimale reçue par le Tag ALN-9654 pour différentes positions de l’antennedu Lecteur : (a) φ=0° et (b) φ=90°. ..................................................................................................... 153

Figure 4. 18. Antenne Tag PIFA à polarisation circulaire ................................................................... 155Figure 4. 19 . Géométrie de l’antenne Tag PIFA : .............................................................................. 155Figure 4. 20. Réalisation de l’antenne Tag PIFA ................................................................................ 156Figure 4. 21. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA avec et sans plaque métallique .................. 156Figure 4. 22. Impédance d’entrée de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque métallique ................... 157Figure 4. 23. Diagramme de rayonnement de l’antenne PIFA avec ou sans la plaque ...................... 158Figure 4. 24. Gain de l’antenne Tag avec ou sans la plaque métallique.............................................. 158Figure 4. 25. Rapport Axial de l’antenne en fonction de la fréquence pour différentes valeurs del’angle φ=0° et 0° θ 360° ............................................................................................................ 159Figure 4. 26. Rapport Axial de l’antenne PIFA dans la direction φ=90° et θ 230° ........................ 159Figure 4. 27. Mesure de la puissance d’activation du Tag RFID-UHF avec plaque métallique ......... 160Figure 4. 28. Puissance minimale d’activation de l’antenne PIFA, avec et sans la plaque métallique, enchamp proche et lointain ..................................................................................................................... 160


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+

Figure 4. 29. Distribution de champ électrique (a) sans plaque (b) avec plaque ................................. 161Figure 4. 30. Réponse de Tag PIFA reçu à 900 MHz ......................................................................... 161Figure 4. 31. Mesure de la puissance minimale d’activation en déplaçant verticalement notre Tag PIFA ............................................................................................................................................................. 162Figure 4. 32. . Puissance minimale d’activation en fonction de la distance ........................................ 162

Figure 4. 33. Mesure de la puissance minimale d’activation avec orientation de lecteur RFID ......... 163Figure 4. 34. Puissance minimale d’activation en fonction de la distance verticale de Tag PIFA ...... 163Figure 4. 35. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu (RSS :Received Signal Strength) en fonction de la distance ......................................................................... 164Figure 4. 36. Banc de mesures expérimentales dans un milieu ouvert ................................................ 164Figure 4. 37. Puissance minimale d’activation et puissance en réception du signal reçu de ............... 165Figure 4. 38. Puissance minimale d’activation et RSS de l’antenne PIFA en position ...................... 166Figure 4. 39. Coefficient de réflexion de l’antenne PIFA ................................................................... 167


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+i

Liste de tableaux

Tableau 1. 1. Subdivisions mondiales de fréquences RFID-UHF et spectres alloués enfonction de la région [27]. ........................................................................................................ 16

Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID........ 18Tableau 1. 3. Incidence des matériaux sur le signal radio ........................................................ 23Tableau 1. 4. Les largeurs de bande RFID ............................................................................... 26Tableau 2. 1. Variation de l’impédance de la puce NXP UCODE G2iL et G2iL+ en fonctionde la fréquence [2.11] ............................................................................................................... 50Tableau 2. 2. Exemples de puces RFID-UHF disponibles dans le marché aujourd'hui ........... 51Tableau 2. 3. Paramètre de l’antenne méandre proposée ......................................................... 82Tableau 2. 4. Paramètre de l’antenne de Tag RFID-UHF ........................................................ 93Tableau 2. 5. Paramètre de l’antenne méandre de Tag RFID-UHF ......................................... 97

Tableau 2. 6. Paramètre de l’antenne à charge capacitive...................................................... 107Tableau 3. 1. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub court-circuité .................................. 124Tableau 3. 2. Paramètre de l’antenne Tag avec un stub ouvert d’adaptation ......................... 128Tableau 3. 3. Paramètre de l’antenne Tag à fente .................................................................. 133Tableau 3. 4. Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pourdifférentes valeurs de L1 ......................................................................................................... 136Tableau 4. 1. Paramètre de l’antenne à polarisation circulaire .............................................. 144Tableau 4. 2. Paramètre de l’antenne à 868 MHz .................................................................. 150Tableau 4. 3. Paramètre de l’antenne Tag PIFA .................................................................... 156Tableau 4. 4. Déplacements de Tag PIFA .............................................................................. 166


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1

Introduction générale

La RFID est une technologie majeure qui connaît depuis plus d’une dizaine d’années un

essor considérable en termes d’applications dans de très nombreux domaines. Le marché de latraçabilité regroupe un grand nombre de familles de Tags. Ces Tags comprennent une

étiquette comportant une antenne, une partie où l’information est codée (généralement à l’aide

d’une puce de silicium) ainsi qu’une batterie (Tag actif) ou non (Tag passif). D’un point de

vue applicatif, les Tags passifs utilisent une puce et une antenne, sont les plus recherchés pour

la mise en ouvre de solutions RFIDisées. Cet intérêt découle de leur faible cout et leur durée

de vie quasiment illimitée. Comme chaque nouvelle technologie, la RFID présente quelques

limites, qui ne semblent toutefois pas diminuer son intérêt par rapport aux solutionsconcurrentes ou complémentaires. Une des limitations de ces Tags est leur sensibilité à

l’environnement, les problèmes rencontrés dans leur fonctionnement à courte distances et les

types de polarisation d’antennes adaptées aux applications RFID.

Le premier objectif de cette thèse est donc de concevoir, optimiser et réaliser des antennes

Tags RFID fonctionnant en champ proche et lointain. Le deuxième objectif est de concevoir

et réaliser des antennes Tags RFID pour l'identification des objets métalliques. Le troisième

est d’étudier la conception d'antennes prototypes à polarisation circulaire pour LecteursRFID-UHF.

Le présent mémoire est structuré en quatre chapitres :

Dans le premier chapitre, nous présentons le contexte général et le domaine d'application de la

technologie RFID-UHF. Nous souhaitons mettre en évidence le principe physique du

système RFID. Nous rappellerons tout d’abord l’historique de la RFID puis les différentes

composantes d’une chaîne de communication RFID, nous décrirons ensuite les principes de

fonctionnements et les caractéristiques de cette technologie RFID ainsi que la communication

entre ses composantes (Tag/lecteur). Nous attirons l’attention sur les avantages et les

inconvénients de la technologie RFID. Nous présentons ensuite les différentes paramètres

d’antennes, permettant de les comparer les unes aux autres. Nous terminons ce chapitre par

les simulations des différents prototypes d’antennes de Tags par un outil de simulation

électromagnétique.

Le second chapitre est consacré à la conception d'antennes de Tags

et Lecteurs pour lesapplications RFID-UHF en champs proche et lointain. Nous y étudions également l'adaptation


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2

d'impédance entre l'impédance d’entrée de l’antenne et l’impédance de la puce RFID. Nos

structures d’antennes sont suffisamment optimisées permettant ainsi d’améliorer l’amplitude

du champ magnétique ainsi qu’une bonne adaptation d’impédance, ce qui aboutit à une

lecture « satisfaisante » des informations en champ proche et lointain.

Le troisième chapitre est entièrement dédié aux antennes Tags pour l'identification des objets

métalliques. Nous avons alors proposé des prototypes d’antennes Tags avec et sans plaque

métallique. Nous avons simulé et réalisé une antenne avec un stub court-circuité et une autre

antenne avec un stub ouvert. Ces deux antennes ont de bon fonctionnement en contact d’une

surface métallique (300×300m2). Nous avons réalisé aussi une antenne Tag à fente avec un

plan de masse. Elle fonctionne correctement avec et sans le plaque métallique. Nous

présentons ainsi les résultats de mesures des différentes antennes réalisées.

Le quatrième chapitre concerne la conception d’antennes de Tags et Lecteurs à polarisation

circulaire. Nous proposons deux prototypes d’antennes Lecteurs à polarisation circulaire

fonctionnant dans la bande RFID-UHF aux États-Unis et en Europe.

Nous avons réalisé et testé aussi une antenne Tag PIFA à polarisation circulaire ayant comme

substrat l’air. En étant entièrement collée sur un mur métallique de 300×300 mm 2, elle

fonctionne correctement avec une portée de lecture de 18 m en espace libre. Ce prototype Tag

PIFA fonctionne en position verticale, horizontale et en environnement métallique tel qu’un

container.

Finalement, la conclusion synthétisera l’ensemble des travaux de cette thèse et présentera les

perspectives envisagées en vue d’améliorer la fiabilité des antennes RFID-UHF présentées

dans ce manuscrit.


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3

Chapitre 1

La technologie RFID

1.1. Introduction

L'identification par radiofréquence, mieux connu comme la RFID, est une technologie

intelligente qui est très performante, flexible et convient bien pour des opérations

automatiques. La RFID est une méthode d'identification automatique qui utilise les ondesradio pour lire les données contenues dans des dispositifs appelés étiquettes ou Tags RFID.

Elle combine des avantages non disponibles avec d'autres technologies d'identification

comme les codes à barres. La RFID peut être fourni en lecture seule ou en lecture/écriture,

sans contact, peut fonctionner sous une variété de conditions environnementales, permet de

stocker une grande quantité d'information et fournit un haut niveau de sécurité. La technologie

RFID est utilisée pour surveiller, identifier et suivre des objets, des animaux et des personnes

à distance en utilisant les ondes radio. Les Tags RFID sont plus chères que les codes-barres,

mais le rapport bénéfice-coût est généralement favorable.

Avec le développement de la technologie RFID, la RFID UHF (Ultra High Frequency 860

MHz à 960 MHz) est en plein croissance, notamment grâce au développement des Tags

passifs faibles coûts. Cette technologie des Tags UHF passifs avec une puissance émise de

l’ordre de 2 W permet d’atteindre une distance de lecture d’environ une dizaine de mètre [1].

Au cours de ce chapitre nous souhaitons mettre en évidence le principe physique du système

RFID. Nous rappellerons tout d’abord l’historique de la RFID puis les différentes

composantes d’une chaîne de communication RFID, nous décrirons ensuite les principes de

fonctionnements et les caractéristiques de cette technologie RFID ainsi que la communication

entre ses composantes (Tag/lecteur). Nous attirons l’attention sur les avantages et les

inconvénients de la technologie RFID. Nous présentons ensuite les différentes paramètres

d’antennes, permettant de les comparer les unes aux autres. Nous terminons ce chapitre par

les simulations des différents prototypes d’antennes de Tags par un outil de simulation

électromagnétique.


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4

1.2 Bref historique

Généralement, la technologie d'identification par radiofréquence RFID est véritablement née

durant la Seconde Guerre mondiale. Les Allemands, les Japonais, les Américains et les

Britanniques ont utilisé tous un radar qui avaient pour rôle d'envoyer un signal questionnant

les Tags placés sur les avions afin de distinguer les alliés des ennemis. On peut considérer que

le premier système sécurisé d'identification ami-ennemi IFF (Identity : Friend or Foe) fût la

première forme d'utilisation de la technologie RFID [2]. Les années 1950 ont été une

ère historique de l'exploration de la technique RFID suivre l'évolution technique de la radio et

radar dans les années 1930 et 1940. L’identification à distance a été proposée par Stockman

(Stockman, 1948) dans son article de référence [3] en 1948. Il défend que par l'alternance de

la charge de l'antenne de Tag, il est possible de faire varier la quantité de puissance réfléchie

(aussi appelé "modulation de charge d'antenne") et par conséquent avoir une modulation.

Les activités commerciales ont commencé dans les années 1960. Des sociétés industrielles ont

développés les technologies de surveillance électronique d'articles (EAS) pour lutter contre le

vol de marchandises [4]. Dans les années 1970, les institutions universitaires, des laboratoires

de recherche, des établissements universitaires, des entreprises et des chercheurs indépendants

ont travaillé tous à développer la technologie RFID. Parallèlement, des applications destinées

étaient pour l’identification des animaux, suivi des véhicules, et les suivis de processus

industriels. Les années 1980 ont été la décennie avec une pleine application de la technologie

RFID. L'invention du circuit intégré représenté un progrès important sur l’usage des Tags

passifs, le circuit intégré permettrait d’avoir une grande diversité de types de Tags. Un brevet

américain pour un Tag passif avec de la mémoire a été accordée à Mario Cardullo en 1973

[5]. L’abréviation RFID a été utilisée pour la première fois dans un brevet déposé par Charles

Walton en 1983 [6]. La commercialisation a eu un intérêt variable dans différentes parties du

monde. Les plus grands intérêts aux États-Unis étaient pour le transport et l'accès du

personnel, tandis que les pays européens étaient intéressés par des systèmes d’identification à

courte portée pour le suivi d’animaux, des applications industrielles et commerciales.

L'augmentation de l'utilisation commerciale de la technologie RFID a suscité un besoin de

normes, qui a conduit à de nombreuses activités de la standardisation et de la normalisation

des équipements de systèmes RFID dans les années 1990. La plupart des normes ont été

menées par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et la Commission

électrotechnique internationale (CEI). Au cours des années 1990, la recherche et le


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5

développement n'a pas ralenti avec de nouveaux développements de la technologie RFID.

Les Livres ont commencé à apparaître consacrés spécifiquement à la technologie RFID. Klaus

Finkenzeller a écrit l'un des premiers en 1999 [7]. Cependant, en 2004 en raison de l'état des

normes et des capacités limitées de production de Tag, les fabricants d'étiquettes RFID ont été

incapables de répondre au volume de la demande dans le délai souhaité. Alors, des normes

sont évoluées encore (ISO 18000...) et la capabilité des processus de production sont

développées. Aujourd’hui, après des années de développement et de recherche, la technologie

RFID vit une étape majeure de son développement mais il reste encore d’autres problèmes à

résoudre comme les coûts de fabrication, champ proche de RFID Tag en UHF, performance

de Tag dans différents types d'environnement…

1.3. Systèmes RFID

Un système RFID se compose toujours de deux composants: Le Tag qui est situé sur l'objet à

identifier et le lecteur qui a pour rôle d'identifier ce Tag. Systèmes RFID permettent la lecture

et l'écriture à distance et sans contact de données d'un Tag.

1.3.1. Lecteurs RFID

Un lecteur RFID est un appareil qui est utilisé pour interroger le Tag RFID. Le lecteur joue le

rôle d'émetteur et de récepteur. Le lecteur comporte une antenne (émetteur) qui émet des

ondes radio alors le Tag répond en renvoyant ses données. Le lecteur utilise son antenne

(récepteur) attachée pour recueillir les données reçues à partir de Tag. Il transmet ensuite ces

données à un ordinateur pour traitement. La communication de système RFID est basée sur le

principe de relation Maître-Esclave, où le lecteur RFID joue le rôle de Maître et le Tag celui

d’esclave [7]. Le lecteur RFID communique juste avec des Tags qui sont dans son champ de

lecture.

Les lecteurs peuvent prendre plusieurs formes et tailles, fonctionnent sur de nombreuses

fréquences différentes, et peuvent offrir une large gamme de fonctionnalités. Actuellement, de

nombreuses applications s'appuient sur des dispositifs de lecture fixes. Les lecteurs peuvent

être en position stationnaire dans un magasin ou une usine, ou intégrés dans des appareils ou

dispositifs électroniques, et dans les véhicules. Lecteurs RFID peuvent également être

intégrées dans les appareils mobiles de poche. Le fabricant de téléphone cellulaire Nokia

propose déjà des fonctionnalités RFID de lecture dans certains de leurs téléphones cellulaires.

le kit Mobile RFID Nokia est le premier téléphone GSM intégré offre de produits avec une


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$

capacité de lecture RFID [8]. Nous présentons ci-dessous les différents types de lecteurs

RFID. La série FX7400 de lecteurs RFID [9] de Motorola (figure 1.1) est bien adaptée à des

applications telles que la gestion des stocks de vente au détail dans tout environnement au

sein duquel il est important d'enregistrer des performances et un faible encombrement. La

figure 1.2 présente les lecteurs à main IP30 [11] du fabricant Intermec qui occupe désormais

la première place des lecteurs à main RFID. Ces lecteurs sont destinés aux secteurs

industriels, publics, des biens de consommation.

(1) (2)

Figure 1. 1. Lecteur RFID : (1) Lecteur RFID fixe FX7400 [9] ; (2) Antenne AN620 [10]

Figure 1. 2. Lecteur RFID à main IP30 [11]

Le choix du lecteur RFID s'avère primordial, ce choix doit se faire selon la fréquence des

Tags RFID et la distance de lecture souhaitée. Les Lecteurs RFID dont les distance de lecture

à quelques centimètres sont dénommés les lecteurs RFID de proximité oubien lecteur RFID


20/183

-

en champ proche. Les Lecteurs dont les portées à plusieurs centaines de mètres sont

dénommés les lecteurs longue portée. Pour augmenter la portée du lecteur (jusqu’à 20 m), la

puissance nécessaire pour réveillé le Tag doit être plus importante. Un certain nombre de

facteurs peuvent influer sur la distance à laquelle un Tag peut être lu (la plage de lecture). La

fréquence utilisée pour l'identification, le gain de l'antenne, l'orientation et la polarisation de

l'antenne du lecteur et l'antenne du Tag, ainsi que le placement de Tag sur l'objet à identifier

auront tous un effet sur la distance de lecture du système RFID.

L'échange de données entre le lecteur RFID et l'étiquette peut utiliser différents types de

modulation et de codage. Le lecteur utilise la modulation de porteuse pour envoyer des

informations à un ou plusieurs tags. Soit l’amplitude, soit la phase, soit la fréquence de l’onde

porteuse serait modulée. Les modulations les plus couramment utilisées sont : La modulationd’amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) qui est la plus utilisé [12], La modulation de

phase PSK (Phase Shift Keying) et la modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Key).

1.3.2. Tags RFID

Le Tag RFID se compose d’un circuit intégré, aussi appelé puce RFID, connecté à une

antenne [6] dans un boîtier compact et robuste. L’emballage est structuré de façon à permettre

au Tag RFID d’être attaché à l’objet à suivre.

Les tags peuvent être de deux types :

- Le Tag RFID sans puce : ce sont des Tags RFID à bas coût sans l'utilisation de la puce

RFID, couramment connues sous la dénomination Chipless RFID Tag [13]. Aussi EAS

Tags sont généralement trouvés dans les magasins comme système antivol. Étiquettes

EAS sont souvent appelés Tag RFID "1 bit". La raison de ceci est simplement qu'ils sont

uniquement conçus pour communiquer un bit d'information, c'est à dire leur présence. Si

le Tag RFID est présente et active, alors cela signifie que l'objet n'a pas été à la caisse. Les

Tags RFID sans puce ont pour but de diminuer le coût de réalisation des tags RFID avec

puce. Ces Tags ne représentent aujourd'hui qu'une très faible part du marché car cette

technologie présente plusieurs inconvénients [14].

Le Tag RFID avec puce : Ces Tags RFID se divisent en trois catégories : actif, semi-passif,

passif. Les Tags actifs contiennent une batterie interne et ne dépendent pas de signal de

lecteur pour générer une réponse. La source d'alimentation est utilisé pour faire fonctionner la

puce et à diffuser un signal à un lecteur. En conséquence, le Tag actif peut être lu à de plus


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grandes distances, avec des distances de lecture allant jusqu'à 100 mètres. Les Tags actifs

peuvent être soit en lecture seule ou en lecture/écriture, permettant ainsi la modification de

données par le lecteur. Les Tags actifs permettent une plus grande compacité de stockage qui peut

atteindre 8Ko. Ces Tags sont très chers, avec des prix allant de 20 $ à plus de 100 $ par Tag.

Les Tags semi-passifs sont pré alimentés, ils utilisent une batterie pour alimenter la puce qui

permet au Tag d’être alimenté de manière constante. Ils communiquent par l'alimentation à

partir du signal reçu de lecteur. Ces Tags RFID semi-passifs peuvent fonctionner

correctement dans différents environnements. Les Tags actifs et semi-passifs sont utiles pour

le suivi des marchandises de grande valeur qui doivent être numérisés sur de longues

distances, comme le chemin de fer, mais ils coûtent plus cher que les Tags passifs. Les Tags

RFID passifs sont très similaires aux Tags semi-passifs mais n'ont pas de batterie. Au lieu de

cela, ils sont alimentés par le lecteur, qui envoie des ondes électromagnétiques qui induisent

un courant dans l'antenne de Tag. Nous présentons sur la figure 1.3 les composants d'un Tag

RFID passif (substrat FR4, antenne en cuivre, puce (chip)). La puce et l'antenne constituent le

Tag RFID et sont fixés ensemble sur un support physique (substrat) [15].

Figure 1. 3. Tag RFID en UHF (Tag réalisé à l’IMEP)

Les Tags passifs, qui sont les plus utilisées actuellement, sont les Tags HF (13.56 MHz)

représentés à la figure 1.4 et les Tags UHF (860-960 MHz) représentés à la figure 1.5

Figure 1. 4. Tags RFID en HF (Tag-it HF-I de Texas Instrument) [16]

Substrat Puce (IC) Antenne


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"

Figure 1. 5. Tags RFID en UHF commercialisé, (1) Tag RI-UHF-00C01-03 (Texas

Instruments) [17] (2) Alien Squiggle UHF RFID Tag [18]

1.3.3 Principe de fonctionnement d’un système RFID

Un système d'IDentification par RadioFréquence se compose de deux éléments principaux: unTag et un lecteur. Le Tag contient toutes les données relatives à l'objet qui l'identifie de façon

unique. Les données, stockées dans une puce électronique « chip », peuvent être lues grâce àune antenne qui reçoit et transmet des signaux radio vers et depuis le lecteur ou interrogateur.Le lecteur, fixe ou tenu à la main, est le dispositif qui est en charge de la lecture des TagsRFID situées dans son champ de lecteur et capable de convertir les ondes radio de Tag en unsignal numérique qui peut être transféré à un PC. La figure 1.6 décrit le fonctionnementgénéral d’un système d’identification par radiofréquence.

Figure 1. 6. Fonctionnement général d’un système RFID

Dans un système RFID-UHF passif, le fonctionnement peut être divisé en 3 étapes :

1- Une station de base (lecteur) transmet un signal modulé à une fréquence déterminée

vers une ou plusieurs Tags situées dans son champ de lecture. Ce signal contient les

instructions et l’énergie nécessaire pour alimenter le Tag.


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1#

2- Le Tag est « réveillé » par le signal émis par le lecteur et se mettre dans un état

d’attente des données à venir du lecteur. Or, parallèlement à l’envoi des données, le

lecteur doit continuer à assurer l’alimentation du Tag. Alors, un compromis doit être

trouvé lors de la mise en forme du signal envoyé par un lecteur afin d’assurer ces

deux fonctions (temps de transmission, type de modulation et de codage…) [19].

3- Le Tags répond à cette interrogation en modulant sa surface radar équivalente (Radar

Cross Section- RCS) pour moduler le signal réfléchi. Afin de transmettre un signal

rétro-modulé, le Tag modifie la quantité d’énergie réfléchie en faisant varier la charge

aux bornes de son antenne. La communication entre un Tag et un lecteur est perturbée

essentiellement par des signaux modulés en ondes continues (CW mode: Carrier Wave

mode) qui permet la télé-alimentation de la puce RFID. Cette technique

principalement utilisée en champ lointain est une technique dite de rétro-modulation

« backscattering » [20]. Ainsi, le Tag envoi au lecteur ces informations stockées dans

sa mémoire. La figure 1.7 illustre le signal transmis sur le lien montant (lecteur vers

Tag) qui contient l'onde continue (CW) et les commandes modulées. Sur le lien

descendant (Tag vers lecteur), les données sont renvoyées pendant l'une de périodes

d'onde continue où l'impédance du Tag module le signal rétrodiffusé.

Figure 1. 7. Échange de données entre un lecteur et un Tag RFID [19].

1.3.4 Couplage Tag/lecteur RFID

La communication dans un système RFID est basée sur deux modes d’interaction

fondamentalement différents. Le premier mode correspond à un couplage en champ proche de

nature inductif ou bien capacitif et le deuxième correspond à un couplage en champ lointain

de nature électromagnétique. Les deux modes peuvent transférer suffisamment d'énergie à un

tag à distance pour garantir son opération généralement entre 1 m W à 10 W, selon le type de


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11

Tag. Le type de couplage dépend de l'application visée et aura une incidence sur le choix de la

fréquence pour le système RFID.

En général, en s’éloignant d’une antenne, on peut distinguer trois zones différentes : zone de

champ proche réactif, la zone des champs proches (zone de Rayleigh et zone de Fresnel) et lazone des champs lointains (zone de Fraunhofer). La figure 1.8 présente les zones de

rayonnement autour d’une antenne émettrice.

Figure 1. 8. Les zones de rayonnement autour d’une antenne émettrice

La région de champ proche réactif est définie comme la partie de la région de champ procheentourant immédiatement l'antenne dans lequel le champ réactif prédomine et qui contient la

majeure partie ou la quasi-totalité de l'énergie stockée. C’est une région où les champs

électriques E et magnétiques H ne sont pas orthogonaux et se situe à une distance de l’antenne

inférieure à π λ 2 / (0.16 λ ), (valable pour les petites antennes où D


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12

1.3.4.1 Techniques de couplage RFID en champ proche

Au cours des dernières années, il y a eu un intérêt croissant de la recherche dans les systèmes

de communication en champ proche, et cette technologie émergente a été déployée dans

diverses applications. Par exemple, les technologies RFID basses fréquences (ou LF, 125

kHz-134,2 kHz) et hautes fréquences (ou HF, 13.56 MHz) ont été largement utilisées dans le

contrôle d'accès et de billetterie des transports publics. Afin de concevoir et d'optimiser les

systèmes de communication en champ proche avec succès, il est essentiel d'étudier le

couplage d'antenne qui se produit lorsque les antennes sont placés en étroite proximité.

Le couplage de proximité pour un système RFID peut être un couplage inductif oubien

capacitif.

Couplage capacitif

La Radio-identification à couplage capacitif est utilisée pour de très courtes distances où un

couplage RFID à proximité est nécessaire. Couplage électrostatique ou capacitif est le passage

de l'énergie électrique à travers un diélectrique. Un système RFID avec couplage capacitif

utilise des effets capacitifs où les antennes interagissent avec un champ électrique et assurant

ainsi la liaison entre le Tag et le lecteur. La portée d'émission en couplage capacitif est très

limitée. Le couplage capacitif fonctionne mieux lorsque les cartes à puce sont insérées dans

un lecteur. Le couplage capacitif utilise les armatures (des électrodes) du condensateur afin

d’assurer la liaison requise [23]. La capacité entre le lecteur et la carte fournir un

condensateur par l'intermédiaire de laquelle un signal peut être transmis. Le signal AC généré

par le lecteur est capté et rectifiée dans le Tag RFID et utilisée pour alimenter le Tag. Là

encore, les données sont réaccordées pour le lecteur RFID en modulant la charge. Un dipôle

est une antenne adaptée aux systèmes de couplage capacitif puisque le champ électrique

domine le champ magnétique.

Dans ces systèmes, c'est la distribution des charges plutôt que des courants qui détermine

l'intensité du champ et par conséquent la force de couplage. Comme la force de couplage

dépend de la quantité de charges accumulées, les systèmes basés sur un couplage capacitif

sont beaucoup moins utilisée que les systèmes de couplage inductif

Couplage inductif

Dans les systèmes RFID en champ proche, les systèmes de couplage inductif sont beaucoup

plus largement disponibles que les systèmes de couplage capacitif. Par exemple, les fabricants


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de téléphones portables sont embarqués des Tags RFID passifs dans les appareils mobiles

pour les applications NFC (Near Field Communication ou communication en champ

proche) aussi une carte mémoire RFID comprend un petit dispositif inductif capable de

couplage inductif avec un lecteur RFID [24]. En termes de fonctionnement, le couplage

inductif est le transfert d'énergie d'un circuit à l'autre par l'intermédiaire de l'inductance

mutuelle entre les deux circuits.

Dans un système RFID de couplage inductif, Les bobines à la fois de lecteur et de tag se

comportent comme des antennes. Un Tag comprend généralement une puce et une

antenne-bobine. Parce que la longueur d'onde de la gamme de fréquence utilisée (BF (


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14

Pour permettre à des données d'être transmis à partir de Tag au lecteur, les circuits de Tag

modifient la charge sur l’enroulement, et ceci peut être détecté par le lecteur à la suite du

couplage mutuel.

L'efficacité du transfert de puissance entre l'antenne de bobine du lecteur et de Tag estproportionnel à la fréquence de fonctionnement, le nombre d'enroulements, la surface

entourée par la bobine d'antenne, l'angle des deux bobines par rapport à l'autre, et la distance

entre les deux bobines. Le choix du meilleur type de couplage RFID dépendra très étroitement

de type d'application visé et les performances recherchées.

1.3.4.2 Techniques de couplage RFID en champ lointain

Le couplage capacitif est utilisé pour de très courtes distances, le couplage RFID inductif pour

des plages un peu plus longs et le couplage RFID à rétrodiffusion est normalement utilisé

lorsque de longues distances (10 mètres et plus) sont nécessaires. En champ lointain, à une

distance supérieure à environ la longueur d'onde de la source, le couplage est de nature

radiatif ou électromagnétique (Figure 1.10). Alors la RFID se comporte comme un vrai

émetteur-récepteur radio qui transmet des ondes radio à des Tags RFID et reçoit les ondes

radio réfléchies.

Figure 1. 10. Rayonnement électromagnétique en champ lointain [26]

Les dimensions des antennes RFID capables de créer des champs électriques sont de l'ordre

de demi-longueur d'onde (pour une fréquence de 900 MHz, la taille de l'antenne est d'environ

0,166 m). Avec le principe de téléalimentation, le lecteur alimente le Tag passif présent dans

son champ de lecture à travers le champ électromagnétique émis. La densité d’énergie du

signal rayonné décroît avec l’inverse du carré de la distance entre le lecteur et le Tag [26].

Ainsi, les systèmes RFID passifs peuvent être utilisés seulement à des distances allant jusqu'à

10 mètres pour les fréquences autour de 500 MHz. Cette distance de lecture diminue

fortement lorsque la fréquence augmente (moins d'un mètre à 2,5 GHz). Au-delà de ces


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fréquences et pour les applications à longue portée, il est nécessaire d’utiliser les Tags RFID

actifs qui possèdent leur propre source d’énergie et peuvent atteindre 150 m.

1.4. Fréquences et normes des systèmes RFID1.4.1 Différentes bandes de fréquences

L’évolution de la technologie RFID est fortement tributaire de la fréquence radio qui utilise

le système. La fréquence de fonctionnement peut affecter considérablement la distance de

lecture, la taille et le type d'antenne, l'interopérabilité c-a-d la capacité que possède le système

RFID à fonctionner avec d'autres systèmes existants, la vitesse d'échange de données, et les

performances des antennes sur des différentes surfaces. La fréquence d’une onde propagée

peut également être calculée par l’équation :

λ

c f =

Eq.1-1 avec : f : la fréquence de l'onde (en Hertz);

c : la vitesse de l'onde (en mètre par seconde);

λ : la longueur d'onde (en mètres)

La nécessité de s'assurer que les systèmes RFID coexistent et n'interfèrent pas avec les

systèmes radio existants, tels que les téléphones portables, la radio, la télévision et à proximité

des services de téléphonie mobile (police, services de sécurité, de l'industrie). La nécessité de

faire preuve de prudence à ce qui concerne des autres services de radio restreint

considérablement la gamme de fréquences de fonctionnements appropriés disponibles pour un

système RFID. Pour la technologie RFID, il n’est possible d’utiliser que les bandes de

fréquences qui ont été réservées spécialement aux applications industrielles, scientifiques ou

bien encore médicales, appelées les bandes ISM (Industrial Scientific Medical), c'est à dire

pour des applications industrielles, scientifiques et médicales à haute fréquence. En plus des

fréquences ISM, l'ensemble de gammes de fréquence inférieure à 135 kHz (en Amérique) et

400 kHz (au Japon) sont également disponibles pour les applications RFID fonctionnant en

champ proche. La figure 1.11 montre le principal spectre de fréquences disponibles pour les

applications RFID.


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Figure 1. 11. Gammes de fréquences, champ magnétique et puissance maximale autorisés pour

les applications RFID [25]

Les systèmes RFID utilisent généralement quatre plages de fréquences: 125 KHz (bande BF,

Basses Fréquences), 13,56 MHz (bande HF, Hautes Fréquences), 840-960 MHz (bande UHF,

Ultra Hautes Fréquences), 2,45 GHz (bande micro-onde). La bande de fréquence UHF est

destiné aux applications RFID-UHF. La fréquence est utilisée est fonction de la disponibilité

des différents pays : Chine: 840-845 MHz et 920-925 MHz ; Europe: 865-868 MHz ;

États-Unis: 902-928 MHz ; Japon: 952-954 MHz. Pour les basses, moyennes et hautes

fréquences, le couplage entre le Tag et le lecteur est le couplage inductif (ou champ proche).

Pour les ultra et super hautes fréquences, le couplage radiatif (ou champ lointain) est appliqué.

Au niveau mondial, les bandes de fréquences de système RFID UHF sont répartis selon les

régions. Le Tableau suivant détermine les bandes de fréquences et les puissances allouées à la

RFID UHF en fonction de ces régions [Tableau1.1] :

Région Bande de fréquence Puissances maximales d'émissionsautorisées

Division 1

(Afrique-Europe)

869,4 à 869,65 MHz

865 à 868 MHz865,6 à 867,6 MHz (Tunisie)865,6 à 868 MHz

500 mW ERP

100 mW ERP - LBT2 W ERP - LBT (10 canaux de 200 kHz)500 mW ERP

Division 2

(Amérique)

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

Division 3

(Asie-Océanie)

Japon : 952 à 954 MHzCorée : 908,5 à 914 MHz

Australie : 915 à 928 MHzChina : 917 à 922 MHz

4 W EIRP4 W EIRP1 W EIRP2 W EIRP

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

la région [27].


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Les puissances maximales d'émissions autorisées sont calculées de manières différentes aux

Etats-Unis et en Europe. La puissance maximale disponible pour les applications RFID est

exprimée soit en termes d’EIRP (Puissance rayonnée par une antenne isotrope) ou ERP

(Puissance effective rayonnée). Cette puissance est régulée par les autorités gouvernementales

et ne doit pas dépasser une certaine valeur maximum. Aux Etats-Unis, l’unité est le Watt

calculé en EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) alors qu’en Europe calculé en ERP

(Effective Radiated Power). ERP se rapporte à une antenne dipôle plutôt qu'à un émetteur

isotrope (Eq.1-2) :

PEIRP=1.64 PERP Eq.1-2

Par exemple en Tunisie, la puissance effective rayonnée est égale à 2W ERP ce qui est

équivalent à 3.2 EIRP avec une bande de fréquence située à 865.6-867.6 MHz [1].

La réglementation aux Etats-Unis est définie par la Partie 15 de la réglementation d’une

agence indépendante du gouvernement des États-Unis FCC (Federal Communication

Commition) [28]. Ce règlement couvre la gamme de fréquence de 9 kHz à plus de 64 GHz et

traite de la production volontaire de champs électromagnétiques par de faible puissance et un

minimum de puissance des émetteurs, plus la génération accidentelle de champs

électromagnétiques (rayonnement parasite) par des appareils électroniques tels que récepteurs

de radio et de télévision ou des systèmes informatiques. Cette réglementation autorise une

puissance de transmission maximale de 1W avec une antenne de gain maximum de 6 dBi

(correspondant à 4W EIRP) [28]. La communication utilise un étalement de spectre par saut

de fréquence (ou FHSS, pour Frequency Hopping Spread Spectrum) sur 80 canaux pour rend

le signal transmis très résistant aux interférences et plus difficile à intercepter.

Au niveau européen, c'est l’organisme ETSI ((European Telecommunications Standards

Institute) , c’est-à-dire l’Institut européen des normes de télécommunications, se charge deproposer les règlements européen du domaine des télécommunications. La RFID se classe

dans ce qu'on appelle les "Short Range Device". En septembre 2004, l'ETSI a publié la

réglementation EN 302-208 qui concerne la compatibilité électromagnétique et le spectre

radioélectrique (ERM) de matériel RFID fonctionnant dans la bande de fréquence 865.6 MHz

à 867.6 MHz avec des niveaux de puissance allant jusqu'à 2 W ERP [29]. Cette norme fournit

10 canaux RFID-UHF avec une bande passante de 200 kHz. Ces canaux sont des canaux de

grande puissance et peuvent fonctionner avec une puissance de sortie maximale de 2 W.D’autre part, l’Europe a choisi d’introduire la réglementation LBT (Listen


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Before Talk = écouter avant de parler) [27]. Cette réglementation signifie qu’un interrogateur

doit détecter d'abord son environnement radio avant de commencer une transmission. Un

Tag de rétrodiffusion est situé dans le même canal que la signalisation « lecteur-Tag ». Cette

procédure nécessite les systèmes européens LBT. Un problème de ce système est cependant

que seul un nombre maximum de dix lecteurs peuvent fonctionner simultanément au sein d'un

environnement. Un autre problème est que « écouter avant de parler » nécessite un matériel

spécial qui rend les lecteurs plus cher.

1.4.2 Normalisation

Les objectifs de la normalisation et de la réglementation sont d'assurer l’interopérabilité des

équipements, la protection des données sensibles, la facilite d'utilisation, de garantir les

libertés ainsi que de protéger la santé. Les normes existantes de normes pour la technologieRFID ont été produites pour couvrir quatre domaines clés des applications RFID tel que les

normes d'interface-air pour la communication de données Tag vers lecteur, le contenu des

données et le codage, la conformité (test des systèmes RFID) et de l'interopérabilité entre les

applications et les systèmes RFID.

Il y a plusieurs organismes de normalisation impliqués dans le développement et la définition

des technologies de RFID, y compris l’ISO (International Organization for Standardization) et

EPCglobal (Electronic Product Code), l’Institut européen des normes de télécommunications(ETSI) et la Commission Fédérale des Communications (FCC). Des normes pour la

technologie de RFID ont été élaborées dans un certain nombre de secteurs, y compris le

suivant :

Références principales Intitulé

ISO 11784, ISO 11785, ISO 14223 Identification radiofréquence des animaux

ISO 10536, ISO 14443, ISO 15693 cartes d'identité - carte à circuit intégré sans contact -

cartes de proximité

ISO 18000 Identification sans contact des articles

Tableau 1. 2. Récapitulatif des normes ISO pour la standardisation des systèmes RFID

Le système EPC a pour vocation de devenir l’architecture mondiale permettant

l’harmonisation des échanges de données. Les années 1990 ont vu l'acceptation de la RFID

comme un facteur important dans la gestion de la chaîne d'approvisionnement, ce qui a incité

une nouvelle série d'activités de normalisation. En 2004, la norme ISO 18000 est apparue

pour l’ensemble du monde de la RFID. Aussi le groupement EPCglobal a produit un standard


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pour pousser rapidement l'utilisation des technologies RFID. Ce standard, dénommé EPC

Class-1 Generation-2 (ISO 18000-6c) définit l’interface entre un lecteur RFID et un Tag dans

la bande UHF. Les normes ISO 18000-x pour la standardisation des systèmes RFID

définissent les normes relatives aux protocoles de communication (air-interface) ont pour

désignation [30]:

ISO 18000-1 : le vocabulaire

ISO 18000-2 : pour des fréquences de communications inférieures à 135 KHz

ISO 18000-3 : pour une fréquence de fonctionnement à 13,56 MHz

ISO 18000-4 : pour une fréquence de 2,45 GHz

ISO 18000-5 : pour une fréquence de 5,8 GHz

ISO 18000-6 : pour des fréquences UHF comprises entre 860 et 960 MHz ISO 18000-7 : pour un fonctionnement à 433 MHz

1.4. Application de la technologie RFID

Aujourd'hui, l'utilisation de systèmes RFID se développe rapidement. Alors, nous pouvons

trouver cette technologie dans diverses applications de tous les jours. Les applications de la

technologie RFID peuvent être classées dans deux catégories :

- Applications de la communication RFID en champ proche NFC (Near Field

Communication) tels que le paiement par téléphone portable ou d'une carte bancaire, la

lecture des articles de marchandises emballées, contrôle d'accès (badges d'entreprise, clefs

de voiture, cartes de transport...), - Applications de la communication RFID en champ lointain FFC (Far Field

Communication) tels que la gestion de la chaîne d'approvisionnement, la gestion des

biens, les contrôles d'accès et le suivi et à la traçabilité de produits.

Selon le cabinet IDTechEx [31], en 2013, le marché de la RFID a atteint 7,77 Milliards de

dollars et 6,96 milliards de dollars en 2012 contre 4,93 milliards en 2007. Le marché de la

RFID est en pleine explosion, les estimations prédisent un volume de ventes de l’ordre de

8.89 milliards de dollars en 2014. Selon le directeur général de IDTechEx, au début de 2014,

26 milliards de Tags RFID ont été vendues contre seules 6 milliards qui ont été vendus en

2013. Ceci grâce au développement de tags faibles coûts (< 0,001 $). Nous entrons dans une

période de très forte croissance pour le marché de la RFID. Compte tenu de cet énorme


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potentiel, IDTechEx prévoit que nous entrons dans une période de très forte croissance et que

le marché de la RFID devrait progresser pour atteindre 27,31 milliards de dollars en 2024, et

donc sera presque triplé en 10 ans. La Figure 1.11 présente les prévisions en 2013 et en 2018

du marché de la RFID.

Figure 1. 12. Prévision de l’évolution du marché de la RFID [30]

La demande pour les Tags actifs et passifs, ainsi qu’aux lecteurs, les logiciels et les services,

augmentera dans l'ensemble, en raison de diverses applications. RFID est clairement une

technologie qui va jouer un rôle majeur dans presque tous les secteurs, y compris les systèmes

UHF passifs pour le marché des vêtements de détail, qui a encore du chemin à faire avec la

technologie RFID, la pénétration étant seulement d’environ 7 % du marché adressable en

2014.

1.5. Avantages et inconvénients de la technologie

RFID

1.5.1 Avantages de la technologie RFID

La RFID se trouve parmi les techniques d’identification automatique (ou Auto-ID -

Automatic IDentification) les plus utilisées dans plusieurs domaines. Cette technologie RFID

présente plusieurs avantages comme :

La RFID fonctionne sans contact et ne nécessite pas de champ de vision.

Très Longue portée de lecture (Tag active), même dans des environnements

difficiles.

Le Tag passif coûte moins cher que le Tag actif car ceci contient une pile. Leprix d’un Tag est un critère important de sélection pour les utilisateurs.


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Le suivi des personnes, des objets et des équipements en temps réel.

Tags RFID peuvent être lues à une vitesse remarquable, même dans des

conditions difficiles, et dans la plupart des cas, répondent en moins de 100 ms.

Une diminution du taux d’erreurs de saisie ou de transmission.

Les Tags peuvent être lus par tout un certain nombre d’emballage (sac, film,

plastic…) et dans les environnements difficiles où les codes à barres ou d'autres

technologies de lecture optique ne serviraient à rien du tout.

Les Tags RFID sont insensibles à des substances telles que la poussière, la

peinture, le frottement et l'humidité.

Les Tags RFID peuvent avoir une durée de vie de dizaines d'années avec la

possibilité de subir de modification de données de plus d'un million de fois au

cours de ces années.

La possibilité de lire et différencier les Tags RF

future approaches

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