Transcript Diapositive 1 - archives ouvertes

Contribution au développement de Tags RFID,
en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques
Delphine BECHEVET
Directeur de thèse : Smaïl TEDJINI
Co-directeur de thèse : Tan-Phu VUONG
Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes (LCIS)
Valence
Le 09/12/2005
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1
Partenaires et financement
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2
Vous avez dit "TAG"?
 Les codes à barres: étiquettes passives
 Tags RFID : étiquettes intelligentes
 Sans contact
 Communication à distance sans besoin de visibilité
 Identification de plusieurs objets et en volume
 Possibilité d'écrire des données
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SOMMAIRE (1/2)
 Constitution d’un tag RFID
Contexte
Principe de fonctionnement général
Objectifs
Méthodologie mise en place
 Caractérisation des matériaux pour antennes
Propriétés magnétiques
Propriétés diélectriques
Propriétés conductrices
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SOMMAIRE (2/2)
 Antennes à bas-coût
Conception
Réalisation
Comparaison mesures – simulation
 Démonstrateur de tag RFID à bas-coût
Miniaturisation
Intégration
Résultats
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Contexte : RFID
Alimentaire / Santé
Validation de
la chaîne du froid
Services vétérinaires
Suivi des données
des animaux domestiques
Transports
Suivi de marchandises
Quelques domaines
d'applications RFID
Transports (humains)
En commun
Autoroutiers
Industrie
Gestion de stocks
Justice / Sécurité
Pers.liberté conditionnelle
Vol, contrefaçon
Papiers ID, billets banque
Constitution d'un tag RFID (1/6)
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Principe de fonctionnement général(1/2)
 Communication
Couverture de lecture et d'écriture
Antenne pour la
lecture et l'écriture
Energie et commande
Actif
Tag
Passif
Données
14983750
Appareil de lecture et d'écriture
Constitution d'un tag RFID (2/6)
Application
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Principe de fonctionnement général(2/2)
 Les fréquences
f
λ/2
125
kHz
13.56 433.92 ~900 2.45
MHz MHz MHz GHz
1.2 km 11 m 35 cm 16 cm 6 cm 2.5 cm
 Valeurs maximales du champ
Bande de fréquences (MHz)
Distance de lecture
Valeur imposée par la norme
13.560
42 dB.µA / m @ 10 m
433.92
1-10 mW ERP
869.000
100 – 2 000 mW EIRP
2450.000
500 – 4 000 mW EIRP
5800.000
5.8
GHz
Champ proche
Champ
lointain
25 mW EIRP
ERP = Equivalent Radiated Power
EIRP = Effective Isotropic Radiative Power
Constitution d'un tag RFID (3/6)
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Objectif 1 : tag à bas-coût
Substrat
Puce
électronique
Connexion
Antenne :
conducteur
sur
substrat
f ~900 MHz
f = 13.56 MHz
à bas-coût
Constitution d'un tag RFID (4/6)
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Objectif 1bis : antenne à bas-coût
Substrat
Conducteur
Plastiques
Matières "non nobles"
Méthode de réalisation
Industrielle
À
900 MHz
2.45 GHz
(5.8 GHz)
Propriétés matériaux
Fonctionnement de
l'antenne!
Peu ou pas connues
Constitution d'un tag RFID (5/6)
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Méthodologie mise en place
Caractérisation des paramètres du:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Modélisation
Mesure des paramètres
d’antennes
Comparaison
OUI
NON
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Constitution d'un tag RFID (6/6)
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Paramètres du substrat
 Perméabilité magnétique
()   ()  j ()
'
''
 Permittivité diélectrique complexe Motif d'antenne


" "
()) 
 (
) ) 
j j(()
) 
(
(


'
'
Facteur de pertes diélectriques

 ( ) 

tan ( ) 
 ' ( )
"
Caractérisation des matériaux (1/12)
Efficacité de
rayonnement de
l'antenne
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Choix des matériaux pour le substrat
 Facteur de pertes diélectriques le plus petit
possible (ref. matériaux RF) : tanδ ~10-3
Base de données
Partenaires
9 matériaux disponibles
ABS
(Acrylonitrile Butadiène Styrène)
PA6 et 12
(PolyAmide)
PBT
(PolyButhylène Téréphtalate)
PC
(PolyCarbonate)
PE, LD et HD (PolyEthylène)
PMMA
(PolyMéthyle Méthacrylate)
PS
(PolyStyrène)
Caractérisation des matériaux (2/12)
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Propriétés magnétiques
 Mesure de la perméabilité
Caractérisation des matériaux (3/12)
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Propriétés diélectriques (1/5)
 Mesure de la permittivité
Cavité électromagnétique (EM)
Cavité fermée, vue de côté
Caractérisation des matériaux (4/12)
Échantillon
Cavité ouverte, vue de dessus
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Propriétés diélectriques (2/5)
 Mesure de la permittivité :
Cavité EM: simulation entre 2 et 3 GHz
f 
TE
r mnp

1
2 
m  0 ,1,2...
 m    n    p  , a vec n  0 ,1,2... m  n  0
     

 a  b c
p  1,2 ,3... 
2
2
2
m n
p fr théorique (GHz)
Mode 101
1
0
1
2.26025
Mode 102
1
0
2
2.8476
Caractérisation des matériaux (5/12)
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Propriétés diélectriques (3/5)
 Mesure de la permittivité : méthode des petites
perturbations
Cavité EM : simulation entre 2 et 3 GHz
Nécessité de calibrer :
matériau de référence
Caractérisation des matériaux (6/12)
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Propriétés diélectriques (4/5)
 Mesure de la permittivité : méthode des petites
perturbations
Cavité EM : mesures entre 2 et 3 GHz
Δf
TE102
ΔS21
TE101
Caractérisation des matériaux (7/12)
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Propriétés diélectriques (5/5)
 Mesure de la permittivité : méthode des petites
perturbations
Cavité EM : exploitation à 2.45 GHz
Matériau de référence:
0  échantillo n
V0
'
'
duroïd
 ( )  1  k 

ε'=3.5 , tanδ = 1.8x10-3
Véchantillo n
0


V0
1
1
''
"

 ( )  k 


2  Véchantillo n  S21 ( )échantillo n
S21 ( )0 
Plastique
HDPE LDPE
PC
ABS PMMA PA12 PA6 PBT
PS
ε’
@2.45GHz
2.16
2.1
2.64 2.53
2.47
2.88
2.81 2.82 2.38
tanδx10-3
@2.45GHz
1
1.7
1.8
2.4
2.5
2.9
2.1
Caractérisation des matériaux (8/12)
3.5
6
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Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Caractérisation des matériaux (9/12)
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Propriétés conductrices (1/3)
 Mesure de l'épaisseur et de la conductivité
Épaisseur
h max
h moyenne
h min
Caractérisation des matériaux (10/12)
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Propriétés conductrices (2/3)
 Mesure de l'épaisseur et de la conductivité
Conductivité
V 
K   = R (Ω)
I h
 = R x h (Ω.m)
Caractérisation des matériaux (11/12)

1

(S.m-1)


o . . f
(m)
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Propriétés conductrices (3/3)
 Mesure de la conductivité d'encre déposée
1er groupe d'encre conductrice sur plastiques
Échantillon
PBT1 PBT2 PC5
PC6
h (µm)
15
14
16
16
σ x104 (S.cm-1)
2.17
5.42
2.81
3.19
δ (µm)
7.04
4.46
6.19
5.94
2nd groupe d'encre conductrice sur plastiques
Échantillon
PC5
PC6
PC7
PC8
hmin (µm)
4.73
5.25
5.96
3.79
Référence:
hmax (µm)
20
20
18
17
σ x104 (S.cm-1)
2.04
1.67
1.49
1.52
σCu = 5.88x105 S.cm-1
δ (µm)
7.11
7.88
8.33
8.24
Caractérisation des matériaux (12/12)
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Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
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Conception d'antennes patch rectangulaires(1/3)
 Pré-calculs : utilisation de formules analytiques
1
2
W

r  1
2  f r   0 0
1
1
L

 2L
2  f r   0 0
 reff
Adaptation à 50Ω
Antennes à bas-coût (1/12)
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Conception d'antennes patch rectangulaires(2/3)
 Optimisation de la géométrie, adaptation :
CST Microwave Studio
 Intégration des paramètres mesurés : ε’, tanδ, σ
Plastique PC (PolyCarbonate)
Antennes à bas-coût (2/12)
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Conception d'antennes patch rectangulaires(3/3)
 Résultats: S11, BP, G, D, efficacité
 Plastique PC
(PolyCarbonate)
 Plastique PBT
(PolyButylène Téréphtalate)
Seuil (normalisé)
~4dB
BP
Antennes à bas-coût (3/12)
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Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Antennes à bas-coût (4/12)
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Réalisation d'antennes
 Dépôt d'encre conductrice sur plastique :
sérigraphie
46 mm
38.22 mm
Antennes à bas-coût (5/12)
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Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Antennes à bas-coût (6/12)
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Mesures d'antennes (1/5)
 Plastique PC – EC-Ag, 1er groupe
22.5°
22.5°
11.25°
0°
Paramètres Simulation Mesure
Seuil S11 (dB)
Δ |simulation – mesure|
-22.83
-22.62
0.21
BP (%)
1.23
1.53
0.3
ROS
1.155
1.160
0.005
f (GHz)
2.366
2.295
71 MHz
G (dB)
6.466
2.291
4.175
Antennes à bas-coût (7/12)
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Mesures d'antennes (2/5)
 Décalage fréquentiel: prise en compte des
incertitudes
Antennes à bas-coût (8/12)
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Mesures d'antennes (3/5)
GAIN d'antenne sur PC :
Simulation
: 6.47 dB
Mesure environnement bruité : 2.29 dB
Mesure chambre anéchoïde : 5.75 dB
Antennes à bas-coût (9/12)
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Mesures d'antennes (4/5)
 Plastique PC-EC-Ag
1er groupe
2nd groupe
Seuil
Seuil
Plastique PC
1er groupe
2nd groupe
S11(dB)
-22.62
-13.19
S21 (dB)
-34.39
-34.71
ROS
1.16
1.56
G (dB)
2.48
2.29
BP(%)
1.53
0.96
Antennes à bas-coût (10/12)
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Mesures d'antennes (5/5)
 Autres matières conductrices
Encre Carbone (σ~1 S.cm-1)
Ruban adhésif en aluminium, colle non-conductrice
(RA-Al)
Ruban adhésif en cuivre, colle conductrice (RA-Cu)
Seuil
Seuil
Antennes à bas-coût (11/12)
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Bilan des antennes étudiées
EC-Ag1
EC-Ag2
EC-C
RA-Al
RA-Cu
Facilité de réalisation /
Coût
h > δ (µm)
Bonne conductivité
(σ > 104 S.cm-1)
Paramètres de réflexion
(ROS < 2)
Gain > 2 dB
Ec-Ag = Encre conductrice Argent
Ec-C = Encre conductrice Carbone
Antennes à bas-coût (12/12)
Ra-Al = Ruban adhésif Aluminium
Ra-Cu = Ruban adhésif Cuivre
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Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
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Miniaturisation d'antennes (1/6)
 Pourquoi miniaturiser?
Taille élevée: f ~900 MHz => λ/2 ~15 cm (!!!)
 Antenne = motif conducteur sur substrat
 Miniaturisation
Motif
• Fractales
• Repliement de dipôles
Substrat
• Matériau à forte permittivité
• Utilisation de matériaux composites main
droite (RH)-main gauche (LH): CRLH-M
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (1/11)
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Miniaturisation d'antennes (2/6)
 Matériaux CRLH
 RH : ε > 0, µ > 0
 LH : ε < 0, µ < 0
RH
RH
RH
LH
RH
RH
RH
LH
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (2/11)
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Miniaturisation d'antennes (3/6)
 Matériaux CRLH
LLRR
CL
CL
CR
CR
LL
LL
Patch
CR
LL
ZOR 
1
Substrat
Via
Plan de
masse
L' L C ' R
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (3/11)
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Miniaturisation d'antennes (4/6)
 Matériaux CRLH
Rayon du via de RPA (mm) f (GHz) S11 (dB) D (dBi) G (dB) er (%) et (%)
Sans via
2.4159
-26.18
7.702
7.381
92.88
92.65
1.5
1.1466
-2.37
3.822
1.854
63.55
26.79
1.0
1.0566
-2
2.874
0.5261
58.24
21.49
Démonstrateur de tag RFID à bas coût (4/11)
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Miniaturisation d'antennes (5/6)
 Matériaux CRLH
f (GHz)
S11 (dB)
G (dB)
Non replié r = 0.2 mm
1.298
-13.03
3.143
Replié r = 0.20 mm
0.983
-13.24
2.462
Replié r = 0.12 mm
0.954
-17.98
2.376
Replié r = 0.10 mm
0.942
-16.92
2.297
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (5/11)
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Miniaturisation d'antennes (6/6)
Méthode de
miniaturisation
Forme
Rétrécissement (%)
Géométrie fractale
25
Fente à ruban
conducteur
41
CRLH-M
44
Dipôle replié
61
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (6/11)
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43
Suivi de la méthodologie
Caractérisation des matériaux:
substrat
conducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Mesure de la géométrie
des antennes
Mesure des paramètres
d’antennes
Modélisation
Comparaison
Miniaturisation d'antennes
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (7/11)
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Intégration antenne – puce (1/2)
 Principe: rétromodulation ("backscattering")
Modulation de charge
Pinc
Pref
I
ZA  Z
*
L
=> Pref = Pabs
ZL varie => I varie => Pref varie
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (8/11)
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Intégration antenne – puce (2/2)
 Puce RFID utilisée
Lecture / Ecriture
Mémoire de 1 kbits
Application
• Gestion de stocks
•…
f
(MHz)
P ERP
max (W)
Continent
869.40 – 869.65
0.5
européen
4
3.2
865.00 – 868.00
2
européen
7
5.6
902.00 – 928.00
1
nord - américain
8
6.4
950.00 – 956.00
1
asiatique
6
4.8
f (GHz)
Z (état
(Ω)
0.868
0.915
0.960
2.45
10 – j.136
10 – j.128
10 - j.28
12 – j.159 11 – j.150
11 – j.142
10 – j.34
1) 11 - j.145
Z (état 2)(Ω)
D lecture D écriture
max (m)
max (m)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (9/11)
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Modélisation de tags (1/2)
 Résultats à 868 MHz
106.2 mm
*
Z12
 11 j152
20 mm
f (MHz)
S1,1: -48.24
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (10/11)
868
S11 (dB) -48.24
ROS
1.008
BP (%)
13.1
G (dB)
0.877
D (dBi)
1.987
er (%)
79.1
et (%)
79.1
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Modélisation de tags (2/2)
 Résultats à 2.45 GHz
63.6 mm
Z  10  j 31
*
12
14 mm
f (GHz)
2.45
S11 (dB) -18.94
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (11/11)
ROS
1.255
BP (%)
1.35
G (dB)
3.113
D (dBi)
4.228
er (%)
76.4
et (%)
72.6
Le 09/12/2005
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48
PC
Impédance
Conclusion
Caractérisation des substrats :
ε'(ω), tanδ(ω)
Antennes à bas-coût ?
Adaptation
Dipôle replié
PBT
Caractérisation des
conducteurs : h, σ
Intégration antenne – puce
Tag RFID UHF, µonde
à bas coût
EC-Ag
Miniaturisation
Sérigraphie
Méthode de
réalisation
Le 09/12/2005
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Pour l'avenir…
Des substrats peu coûteux :
Plastiques (perméables, souples)
Papiers
Textiles
Matériaux recyclés
…
QUID
Des matières conductrices
peu coûteuses :
Encres conductrices
Polymères conducteurs
…
Méthodologie :
des
TAGS
RFID
de l'ÉTHIQUE
Vision
globale
d'unetsystème
?
Conception d'antennes :
D'autres méthodes de dépôt :
Miniaturisation
Tampographie
Multifréquences
Impression numérique
Conformance
…
…
Autres application à communication sans fil
Bluetooth
Wifi
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REMERCIEMENTS
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Contexte:
traçabilité et identification
 Traçabilité
Norme ISO
« Aptitude à retrouver l’historique, l’utilisation ou
la localisation d’un article ou d’une activité [..] au
moyen d’une identification enregistrée »
Suivi de la création à la destruction d’un produit
 Identification
Inscriptions dans la pierre
Écritures sur papyrus, peaux, papiers
Codes à barres
RFID
Constitution d'un tag RFID à bas-coût (1/)
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Antennes bas-coût (6/11)
MESURES
 Plastique PBT- EC-Ag, 1er groupe
Paramètres
Simulation
Mesure
Δ |simulation – mesure|
S11 (dB)
-20.9423
-14.5620
6.3803
BP (%)
1.33
1.64
0.31
ROS
1.1971
1.4601
0.2630
f (GHz)
2.2943
2.2238
70.5 MHz
G (dB)
5.55
1.065
4.48
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Intégration antenne – puce (1/3)
 Principe: rétrodiffusion ("backscattering")
RCS et modulation de charge
Pinc
Pray
I
  RCS  4r 
2
Sray
Sinc
ZL varie => I varie => Sray varie = σ varie
Démonstrateur de tag à bas-coût (8/12)
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Intégration antenne – puce (3/3)
 Principe: adaptation d'impédance
 Impédanceméthodes
de la puce : d'adaptation
 Impédance de l’antenne :
 Différentes
•Etat 1 : Z1 = Re1 – j.Im1
Exemple: modulation BPSK
2:
Un•Etat
seul état
Z2 = Re2 – j.Im2
Ztotal  2. Re
Démonstrateur de tag à bas-coût (10/12)
•Zant = Reant + j.Imant
Le milieu
 des deux
 états
Im  Imant
 1  tan1  1

Re

Re
ant 
 1
 Im  Im ant 
 2  tan1  2

 Re2  Reant 
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