Shatri_Dardan_Memoire_2014

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Shatri_Dardan_Memoire_2014

  1. 1. Thèse présentée pour l’obtention du titre Bachelor of Science HES-SO hepia l INGÉNIERIE DES TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION Haute École du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève Orientation : Informatique Materielle Détection d’ouverture et de fermeture par RFID UHF Par : Dardan SHATRI Sous la direction de Dr. Delphine Bechevet Membres du jury: Examinateur : Didier HELAL, Ph.D OrbiWise Date de soutenance : 2 septembre 2014
  2. 2. Printemps 2014 Session de bachelor Résumé : Détection d’ouverture et de fermeture par RFID UHF Le but de ce travail consiste l’étude/simulation/réalisation des solutions RFID UHF, sur un logiciel électromagnétique basées sur la théorie d’antennes et les mé- thodes de la miniaturisation, à détecter l’ouverture et la fermeture d’un objet en concevant un tag RFID UHF passif, de taille carrée 20x20 mm². Candidat : Professeur(s) responsable(s) : Timbre de la direction M. SHATRI DARDAN Bechevet Delphine Filière d’études : ITI Travail de bachelor soumis à une convention de stage en entreprise : non Travail de bachelor soumis à un contrat de confidentialité : non
  3. 3. Remerciements Je tiens à remercier Madame Delphine Bechevet, chargée de cours PRO et CSH à hepia, qui m’a encadré tout au long de mon travail de bachelor et qui m’a fait partager ses brillantes intuitions. Qu’elle soit aussi remerciée pour sa gentillesse, sa disponibilité et pour les nombreux encouragements qu’elle m’a prodigués. Je remercie Monsieur Michael Lazeyras, directeur du département de technologies de l’information a hepia. Je tiens aussi à remercier Monsieur Fabien Vannel, Professeur à hepia, responsable de l’orientation informatique matérielle et pour ces cours en programmation de microcontrôleurs, Monsieur Andres Upegui pour ses cours de Systèmes Logiques jusqu’à la programmation des FPGA, Monsieur Rene Beuchat "Master of Desaster" ont fortement inspiré de choisir l’orientation matérielle. Un grand merci aussi à tous les membres du département des technologies d’information et en particulier à, Gerald Litzistdorf. Merci les gars Marco, Josue, Elxhin, Opal, Max.... Merci a ma grand’mère. Merci à mon frère Arian qui m’aidait à casser les jouets que ma mère nous achetait et d’être le cow-boy quand je lui donnais n’importe quoi dans la main pour qu’il le branche sur l’électricité. La liste est longue mais je voudrais exprimer ma gratitude pour toi mon neveu Elion et a toi ma mère MINE de nous éduquer et qu’on deviens pas comme tu voulais mais excellents... i
  4. 4. Table des matières 1 Étude Théorique 3 1.1 Antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Antennes filaires et imprimées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Antennes filaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Antennes imprimées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Types d’antennes imprimées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.2 Fonctionement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.3 Tag Actif vs. Passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Conception et Caractérisation de tag RFID 18 2.1 Design et Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.1 CST Studio Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Méthodes de Miniaturisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 Méthode à géométrie fractale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.2 Méthode de repliement des lignes de dipôles . . . . . . . . . . 30 2.2.3 Méthode Méta-matériaux CRLH (matériaux composites main droite – main gauche) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 Réalisation 33 3.1 Methode de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Sans Bouchon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Avec le bouchon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Conclusion 45 Bibliographie 46 ii
  5. 5. Table des figures 1 Schéma du scénario pour la détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Exemple de diagramme de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Paramètre S11=-18.4dB adaptée pour une fréquence de 866MHz . . . 6 1.3 Exemple : Angle d’ouverture en dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 Exemple de polarisation linéaire d’une onde plane rayonnée par l’an- tenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Schéma illustration d’impédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6 Exemple d’une antenne filaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Les trois grand types d’antennes imprimées . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.8 Antenne à méandres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9 Antenne fractale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.10 Antenne double faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.11 Exemple d’une communication RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.12 Cas de figure pour une lecture de tag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.13 Tableau de comparaison tag actif vs. pasif . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.14 Tag télé-alimenté ou "batteryless", tag "battery assisted" et commu- nication montante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Affichage du CST Studio une fois est ouvert . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 CST étape 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 CST étape 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4 CST étape 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 CST étape 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 CST étape 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.7 CST étape 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.8 CST étape 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.9 CST étape 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.10 CST étape 10 - vue d’un élément "substrat" en 3D . . . . . . . . . . . 25 2.11 CST étape 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 iii
  6. 6. 2.12 CST étape 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.13 Évolution d’une fractale de Koch après 5 itérations . . . . . . . . . . 28 2.14 Génération d’un flocon de Koch avec Wolfram Mathematica . . . . . 28 2.15 Generation d’une fractale Hilbert-Moor . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.16 Design d’une fractale Hilbert-Moor sur CST Studio . . . . . . . . . . 29 2.17 Comparaison de 3 itérations de la courbe de Hilbert-Moore en regar- dant le paramètre S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.18 Comparaison entre dipôles non repliés et repliés . . . . . . . . . . . . 31 2.19 Comparaison du S11 de 2 dipôles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.20 l’interface de matériaux à main droite (a) . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.21 l’interface de matériaux à main gauche . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.1 This is the first figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 La puce collé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Via traversante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4 Tag réalisé pseudo "smile" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5 Tag QR-Code-"hepia" sur plan de masse et le reste d’antenne sur l’autre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6 Paramètres S11 d’antenne QR-Code sans bouchon . . . . . . . . . . . 37 3.7 Tag dans le bouchon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.8 Paramètres S11, adapté a 866Mhz en bleu vs. tag dedans le bouchon 38 3.9 Schéma illustrant comment en sorte "debugger" le problème . . . . . . 39 3.10 Liste de paramètres géométriques sans vs. bouchon . . . . . . . . . . 40 3.11 Jaune : tag adaptée sans bouchon. Vert : tag adaptée avec bouchon . 40 3.12 S11 Parameter Sweep pour le paramètre bio-hazard . . . . . . . . . . 41 3.13 Paramètre S11 d’antenne QR-Code avec bouchon . . . . . . . . . . . 41 3.14 Comparaison des paramètres S11 sans vs. avec bouchon . . . . . . . . 42 3.15 Tag dedans le bouchon et pied à coulisse ouvert a 2cm . . . . . . . . 43 3.16 L’angle d’ouverture dirigée vers le lecteur "lu comme tag present" . . 44 3.17 L’angle d’ouverture n’est pas dirigée vers le lecteur "le tag n’est pas lu" 44 4.1 Mesures en mm de la géométrie du tag réalisée . . . . . . . . . . . . . i 4.2 Mesures en mm de la géométrie du bouchon en PVC . . . . . . . . . ii 4.3 Mesures en mm de la géométrie du tag réalisée côte QR-Code . . . . ii 4.4 Rayonnement d’antenne QR-Code avec bouchon vue en 3D . . . . . . iii iv
  7. 7. 4.5 CST étape 13 placement d’un port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 4.6 CST étape 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 4.7 CST étape 15 changements des celulles . . . . . . . . . . . . . . . . . v 4.8 CST étape 16 Farefield plan en 2D, angle d’ouverture . . . . . . . . . v 4.9 LPKF fraiseuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 4.10 QR code HEPIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii v
  8. 8. Liste des tableaux 1.1 Liste de différentes bandes de fréquences . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.1 Tiré depuis le datasheet les frequences et leurs impact resistifs . . . . 35 vi
  9. 9. Objectifs Ce projet de bachelor vise à détecter l’ouverture et la fermeture d’un objet en concevant un tag RFID UHF passif, de taille carrée 20x20 mm2, une première contrainte taille vs. fréquence(866MHz) puis une deuxième contrainte l’angle d’ou- verture d’un maximum de 120°, caractériser un tag, réaliser, puis de le placer dans un bouchon (Projet "Bouchon" un projet mener par HUG et hepia. Vérifier les uti- lisations des flocons de gel hydroalcoolique) pour démontrer un nouveau domaine d’utilisation de la RFID. Figure 1 – Schéma du scénario pour la détection Travail de bachelor 2014 1 Dardan Shatri
  10. 10. Dans un premier temps,nous présentons le contexte général dans le domaine des antennes et celui de la RFID. Nous rappelons les différents paramètres d’antennes, les différents types d’antennes, et approfondissons la famille des antennes imprimées pour finalement introduire l’antenne dans le contexte du tag passif. Le deuxième chapitre est la prise en main d’un simulateur électromagnétique (CST Studio) qui prend en compte les paramètres des matériaux diélectriques et conduc- teurs disponibles. Nous y présentons tout d’abord la puce RFID utilisée. Nous rappelons la méthode de modulation de charge, nécessaire à la communication entre le lecteur et le tag. Nous y étudions également l’adaptation d’impédance entre l’antenne et la puce du tag. Une seconde partie du chapitre est dédiée aux méthodes de miniaturisation de taille d’antennes dans les bandes de fréquences UHF (866MHz). Travail de bachelor 2014 2 Dardan Shatri
  11. 11. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Chapitre 1 Étude Théorique 1.1 Antennes Le développement sans cesse impose une attention particulière sur les antennes qui en est une des pièces maîtresses. La caractérisation des antennes permet de mieux contrôler leurs rayonnements électromagnétiques dont la multitude est une préoccupation tant pour les équipements que pour les humains, ainsi que leurs pa- ramètres de sortie. Le calcul de ses caractéristiques en temps réel, pour diverses applications de télécommunications à l’aide d’une plate forme, édifie l’utilisateur sur le rôle important que peut jouer cet équipement dans les télécommunications modernes. 1.1.1 Introduction Une onde électromagnétique est un couple Champ électrique-Champ magnétique ( E, H), les deux champs restant constamment orthogonaux et se propageant trans- versalement à la direction de propagation. Une antenne est définie comme un équipement de forme variable, utilisé pour émettre ou recevoir des ondes radioélectriques ou encore comme un dispositif qui transforme l’énergie électrique en énergie magnétique (antenne d’émission) ou tra- duit un rayonnement électromagnétique en courant induit (antenne de réception). Chaque antenne est caractérisée par divers paramètres : 1. Diagramme de rayonnement. 2. Directivité. 3. Gain. 4. Paramètre S11. 5. L’angle d’ouverture. Travail de bachelor 2014 3 Dardan Shatri
  12. 12. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE 6. Polarisation. 7. Impédance 8. Types des Fréquences Toutes ces caractéristiques doivent être calculées à une fréquence donnée suivant l’application choisie. Pour une bande de fréquence donnée (Fmax ≤ F ≤ Fmin), les antennes doivent être dimensionnées autour d’une fréquence centrale fc telle que celle-ci la caractérise parfaitement. On a alors : fc=(fmin+fmax) 2 La longueur d’onde de travail se déduit alors simplement de la fréquence centrale par : λ= C Fc , avec C=3.108 m s (célérité de la lumière). Diagramme de rayonnement. C’est une fonction mathématique ou une représentation graphique des propriétés de rayonnement d’une antenne comme une fonction des coordonnées dans l’espace. Les propriétés de rayonnement incluent la densité de puissance, intensité de rayon- nement, la force du champ et la valeur ou polarisation de la directivité. Le diagramme de rayonnement d’une antenne est une représentation des carac- téristiques angulaires de son rayonnement électromagnétique. La dépendance des champs et de la densité de puissance par rapport à la coordonnée radiale, c’est-à- dire la distance par rapport à la source, est toujours la même et n’est donc jamais incluse dans ces diagrammes. Exemple de diagramme de rayonnement. Dans la pratique, les fabricants fournissent des antennes avec des diagrammes de rayonnement qui renseignent sur les pertes en fonction des angles. Ces diagrammes sont représentés en coordonnées radiales. Travail de bachelor 2014 4 Dardan Shatri
  13. 13. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Figure 1.1 – Exemple de diagramme de rayonnement Directivité La directivité d’une antenne exprime le rapport entre la puissance maximale observée en un point d’une direction donnée à la puissance qu’on observerait en ce même point si la même puissance rayonnée par l’antenne source était irradiée par une source isotrope. D = 4πU Prad Paramètre S11 Le paramètre S,sous forme de matrice Sij = b1 b2 = S11 S12 S21 S22 = ( a1 a2 ) décrit la relation de l’entrée - sortie entre les connections d’un port a et b dans un système électrique et se mesure en dB. Travail de bachelor 2014 5 Dardan Shatri
  14. 14. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Figure 1.2 – Paramètre S11=-18.4dB adaptée pour une fréquence de 866MHz En general on regarde la puissance transmise entres ces deux bornes de ce port. Dans la pratique, si nous avons 2 antennes connectées respectivement au port 1 et 2, les paramètres S11 et S22 représentent respectivement les coefficients de réflexion aux bornes des antennes et les paramètres S21 et S12 les coefficients de transmission entre ces antennes. Plus l’antenne présente à ses bornes un coefficient de réflexion important plus l’énergie transmise est faible (pas de fonction d’antenne) et vice versa, plus le coefficient de réflexion aux bornes de l’antenne est faible, plus l’énergie est transmise (fonction antenne). En théorie, il est admis qu’une antenne fonctionne correctement dès lors que son coefficient de réflexion S11 est inférieur à -10 dB. Voila un exemple, on peut considérer la trace du S11, cette figure [FIG 1.1.1] est produite depuis le CST Studio qui utilise le VNA (Vector Network Analyzer en anglais) virtuel pour le tracer. La figure précédente implique que l’antenne rayonne le mieux entre 864 - 868 MHz et le S11=-10dB d’où on peut déduire la bande passante Travail de bachelor 2014 6 Dardan Shatri
  15. 15. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Gain C’est une autre mesure très utile pour décrire les performances d’une antenne. Il est étroitement lié à la directivité. Le gain absolu d’une antenne est défini comme : «le rapport entre l’intensité dans une direction donnée et l’intensité de rayonnement qui aurait été obtenue si la puissance reçue par l’antenne était rayonnée de manière isotrope : Gain = 4π U(θ, φ) Pin est égale aussi a : G(θ, φ)=ecdD(θ, φ) ecd : l’efficacité de l’antenne. Le rendement total e0 prend souvent en compte les pertes aux bornes de l’antenne et à l’intérieur de la structure de l’antenne. e0 = ereced er rendement de réflexion ec rendement de conduction ed rendement du diélectrique Angle d’ouverture L’angle d’ouverture est défini comme : “Dans un plan contenant la direction du maximum du faisceau, l’angle entre les deux directions dans lesquelles l’intensité de rayonnement est la moitié de la valeur maximale du faisceau.” Figure 1.3 – Exemple : Angle d’ouverture en dB Travail de bachelor 2014 7 Dardan Shatri
  16. 16. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Polarisation C’est la polarisation de l’onde transmise par l’antenne. Quand la direction n’est pas spécifiée, la polarisation est prise comme étant la polarisation dans la direction du gain maximum. Figure 1.4 – Exemple de polarisation linéaire d’une onde plane rayonnée par l’antenne L’impédance C’est l’impédance que l’antenne présente à ses bornes. Za=Ra + jXa Za : Impédance entre les bornes a et b Ra : Résistance entre les bornes a et b Xa : Réactance entre les bornes a et b Figure 1.5 – Schéma illustration d’impédance Travail de bachelor 2014 8 Dardan Shatri
  17. 17. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Types des Fréquences Il existe plusieurs bandes de fréquences que l’on catégorise dans par appellations (et par fonctionnement physique : électrique, magnétique, ou électromagnétique) elles sont classées dans le tableau ci-dessous par ordre croissant en MHz. La longueur d’onde associée y est aussi mentionnée ainsi que le nom de la bande. Celle qui nous intéresse est la bande UHF (Ultra Haute Fréquence). Types des Fréquences Bande Fréquence (MHz) Longueur d’onde λ (m) Type 6 1.820–1.860 160 m MF 7 3.500–3.700 80 m HF 7 28.000–29.700 10 m HF 8 144–146 2 m VHF 9 434–438 70 cm UHF 9 1260–1300 23 cm UHF 10 3300–3400 9 cm SHF 10 5725–5840 5 cm SHF Table 1.1 – Liste de différentes bandes de fréquences Travail de bachelor 2014 9 Dardan Shatri
  18. 18. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE 1.2 Antennes filaires et imprimées 1.2.1 Antennes filaires Figure 1.6 – Exemple d’une antenne filaire Les antennes filaires sont des antennes, comme leur nom l’indique, un fil élec- trique dont la longueur est la moitié de la longueur d’onde λ = longueur [m], elle sont très utilisées aux fréquences HF [High Frequency] où la longueur d’onde est d’environ 10 à 80 [m]. Exemple d’utilisation en radio amateur, navigation marine et aérienne , talkie-walkie etc... 1.2.2 Antennes imprimées Les antennes imprimées sont, généralement, des antennes planaires. Elles sont utilisées dans les scénarios d’intégration au circuit électronique. En général, elles sont réalisées sur la même carte. Elles sont de plus souvent miniaturisées par rapport à la demi-longueur d’onde. On peut ainsi obtenir des dimensions d’antennes de Travail de bachelor 2014 10 Dardan Shatri
  19. 19. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE l’ordre du centimètre pour les fréquences de l’ordre du GigaHertz. C’est le but de ce travail : miniaturiser une antenne à 866MHz à 2x2 centimètres carrées. Utilisation des patchs dans les téléphones mobile, ordinateurs portable, biomédicale en gros les périphériques qu’on utilise aujourd’hui utilisent ces antennes petites versus demi- longueur d’onde, tout en gardant une bonne efficacité d’antenne. 1.2.3 Types d’antennes imprimées Figure 1.7 – Les trois grand types d’antennes imprimées 1. Méandres( folded en anglais) 2. Fractales 3. Double faces Travail de bachelor 2014 11 Dardan Shatri
  20. 20. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Méandres Les antennes à méandres utilisent un quart d’onde pour pouvoir di- minuer les dimensions de la struc- ture. L’idée consiste à replier la ligne en plusieurs méandres d’égales lon- gueurs. Le rayonnement d’une an- tenne à méandres est très proche du monopôle quart d’onde, le gain reste inférieur aux valeurs théoriques d’une antenne monopole. Fractale Figure 1.8 – Antenne à méandres Ce sont des antennes très spéciales qui permettent, avec une forme mathématique dite ”fractale” d’aboutir à un fonctionnement multi-bande. Elles sont des solutions efficaces pour augmenter le périmètre d’une surface. Il est évident que la taille d’une antenne est un facteur crucial dans la détermination de la fréquence de résonance. Une antenne fractale avec un périmètre donné couvre une surface inférieure à celle d’une antenne comparable carrée. Principaux avantages : Surface occupée très réduite, la compacité résulte du ca- ractère irrégulier des formes fractales. Résonances multiples, le caractère multi-bande vient du caractère d’auto-similarité. Gain très important dans certain cas. Principaux inconvénients : Gain faible dans d’autres cas. Analyse très difficile liée à la com- plexité des formes. Plus faible bande passante que les an- tennes spirales. Difficulté de contrôler la polarisation. Figure 1.9 – Antenne fractale Travail de bachelor 2014 12 Dardan Shatri
  21. 21. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Antennes imprimées à double face Figure 1.10 – Antenne double faces Les antennes sur un PCB à double face présentent un top et bottom. On peut imaginer les relier pour pouvoir passer d’un cote à l’autre par via ; on peut s’ima- giner aussi qu’un côté soit le support d’un autre circuit électronique et l’autre l’an- tenne.Dans cette logique, les antennes PIFA sont alors associées à des fentes, aux- quels on ajoute des charges capacitives et des patchs parasites court-circuits pour pouvoir obtenir des résonances multiples tout en conservant la petite taille. Elles sont principalement intégrées dans les téléphones mobiles et autre périphériques. Travail de bachelor 2014 13 Dardan Shatri
  22. 22. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE 1.3 RFID 1.3.1 Introduction RFID : Un système RFID (Radio Fréquence IDentification) se compose de trans- pondeurs (aussi nommées étiquettes, marqueurs, tags, identifiants...) et d’un ou plu- sieurs interrogateurs (aussi nommés lecteur, coupleurs, base station...). Figure 1.11 – Exemple d’une communication RFID Scénario d’une communication RFID entre tag et lecteur puis l’ordinateur pour gérer une application ou une base de données 1 1.3.2 Fonctionement Antenne/Lecteur RFID : C’est le dispositif actif, émetteur de radio-fréquences qui va activer le tag qui est devant lui en lui fournissant l’énergie dont il a besoin 1. Image prise depuis Google (http://www.labelnz.com/Introduction_to_RFID.html). Travail de bachelor 2014 14 Dardan Shatri
  23. 23. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE pour fonctionner. Outre l’énergie pour l’étiquette,l’antenne envoie des commandes particulières auxquelles répond le tag. L’une des réponses les plus simples possibles est le renvoi de son identification numérique. La fréquence utilisée par l’antenne est de 866 MHz. Le tag RFID : étiquette, placée sur le bouchon, dans notre cas, pour détecter la Figure 1.12 – Cas de figure pour une lecture de tag position ouverte ou fermée du bouchon. Le tag est muni d’une puce contenant les informations et d’une antenne pour permettre les échanges d’informations. Milieu de transmission : Dans le cadre des systèmes RFID, il s’agit de l’air ... et du bouchon, fait en polymère. Ils existent différentes bandes de fréquences SRD dédiées à la RFID et nous nous intéressons à la bande UHF et plus particulièrement à la fréquence 866MHz. Ils existent deux différentes technologies de tags : Actif et Passif. Travail de bachelor 2014 15 Dardan Shatri
  24. 24. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE 1.3.3 Tag Actif vs. Passif Il existe 2 types de tags : les passifs et les actifs. Il existe également 2 façons de les alimenter : avec batterie ("battery assisted") ou sans batterie ("batteryless"). 2 Définition issue de la norme ISO 19 762 : ”Parl adjectif”passif”, on définit le fait que la liaison de communication descendante - du tag vers le lecteur - s’effectue sans l’aide l’aide d’un émetteur RF. au contraire - et toujours indépendamment de la façon dont le tag est alimenté - , si, celui-ci comporte un émetteur à son bord pour répondre au lecteur, il sera dit "actif" [FIG 1.3.3]. Dans certains cas un tag actif peut débuter la communication et il peut contenir des capteurs externes de mesurer la température l’humidité, mouvement et autre conditions... Figure 1.13 – Tableau de comparaison tag actif vs. pasif 2. Dominique Paret - RFID EN ULTRA ET SUPER HAUTES FRÉQUENCES UHF-SHF - (Dunod) [page - 21] Travail de bachelor 2014 16 Dardan Shatri
  25. 25. CHAPITRE 1. ÉTUDE THÉORIQUE Figure 1.14 – Tag télé-alimenté ou "batteryless", tag "battery assisted" et commu- nication montante Travail de bachelor 2014 17 Dardan Shatri
  26. 26. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Chapitre 2 Conception et Caractérisation de tag RFID 2.1 Design et Simulation La phase de conception d’un tag, à l’aide d’un logiciel adapté, est une étape incontournable dans un souci de gain de temps et d’optimisation de structures aux paramètres désirés. La conception permet également de prendre en compte les paramètres diélectriques (exemple bouchon en PVC) et conducteurs qui ne sont pas parfaits, et de nous rapprocher des futures tag réalisées. Pour cela, il nous faut choisir un outil de simulation électromagnétique adéquat. Il en existe plusieurs dont Microwave Studio de CST. CST Microwave Studio utilise une méthode maillage par intégrales finies. Le temps de simulation d’une antenne patch varie en fonction du nombre de cellules, plus la forme est complexe plus le nombre des cellules est grand et donc plus le temps de simulation est long. Nous développerons dans un premier temps la phase de conception en présentant le logiciel de simulation électromagnétique et ses différentes étapes, puis une phase de pré-calculs et enfin les résultats de simulation pour des tag à patch rectangulaires sur PCB optimisées à 866 MHz. Les méthodes expérimentales, les différentes structures de tag réalisés seront présen- tés. Dans cette partie, nous verrons le choix d’une ou plusieurs structures remplissant les critères de sélection : paramètres d’un tag concordant avec ceux attendus Travail de bachelor 2014 18 Dardan Shatri
  27. 27. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID 2.1.1 CST Studio Suite Ce logiciel de simulation électromagnétique, CST Microwave Studio, utilise pour discrétiser l’espace la méthode des intégrales finies, associée à l’approximation des conditions aux limites (PBA). Le maillage, point clef de toute méthode de simula- tion d’un problème électromagnétique, est réalisé grâce à l’association de maillons hexagonaux. Il doit être assez fin (0.1 paramètre meshcells ) pour prendre en compte les régions de petites tailles, et/ou critiques, tout en minimisant le nombre total de noeuds compris dans le maillage. En effet le nombre de noeuds dans le maillage induit le temps de résolution d’un problème : plus il y a de noeuds, plus le nombre d’équations à résoudre est élevé. Figure 2.1 – Affichage du CST Studio une fois est ouvert Travail de bachelor 2014 19 Dardan Shatri
  28. 28. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Description des différentes étapes On choisit de créer un nouveau projet (Create Project) puis on clique sur MW & RF & Optical [FIG 2.2] pour choisir l’environnement dans lequel on va créer la structure. Ensuite on choisit la technologie "RFID" [FIG 2.3], le solver "temporel" (Time Domain Solver) [FIG 2.4], on definit bande de fréquences dans laquelle on vas observer les résultats de simulation [FIG 2.6]. Par la suite on se retrouve à une nouvelle page où on choisit un nouveau compo- sant [FIG 2.7], dans ce composant on va ajouter un élément par exemple un substrat depuis le menu déroulant on choisit d’importer un matériau avec ses propriétés di- électriques qui ce trouvent dans la librairie de matériaux sur CST Studio [FIG 2.9] ; dans notre cas on va utiliser du FR-4 1 Figure 2.2 – CST étape 2 1. Wikipedia (FR-4 est un composite de résine époxy renforcé de fibre de verre. Ses propriétés peuvent varier selon les directions de sa structure). Travail de bachelor 2014 20 Dardan Shatri
  29. 29. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.3 – CST étape 3 Figure 2.4 – CST étape 4 Travail de bachelor 2014 21 Dardan Shatri
  30. 30. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.5 – CST étape 5 Figure 2.6 – CST étape 4 Travail de bachelor 2014 22 Dardan Shatri
  31. 31. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.7 – CST étape 5 Figure 2.8 – CST étape 8 Travail de bachelor 2014 23 Dardan Shatri
  32. 32. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.9 – CST étape 9 Vu que CST est un outil également de CAO mécanique [FIG 2.10] on peut regarder la pièce en 3D, agrandir aussi pour pouvoir voir des petits coins et autres que j’expliquerais par la suite. Ce substrat fais 20*20 [mm2] dont j’ai défini X=10, Y=10 cela veut dire que j’utilise comme référence le point 0 et je pars de -X à +X la même chose pour Y sauf pour Z je parts de 0 à -Z, Z=1.6 ces valeurs sont en millimètres comme on peut voir le SI en [FIG 2.4]. On pose une nouvelle pièce et cette fois ci on pose du cuivre, de nouveau le cuivre a ses propriétés physiques et électriques que la librairie du CST fournit [FIG 2.11], [FIG 2.12], je nomme le paramètre "coop" pour cuivre (copper en anglais) et je lui attribue une épaisseur de 35µm (sur le FR-4). Travail de bachelor 2014 24 Dardan Shatri
  33. 33. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.10 – CST étape 10 - vue d’un élément "substrat" en 3D Figure 2.11 – CST étape 11 Travail de bachelor 2014 25 Dardan Shatri
  34. 34. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.12 – CST étape 12 Travail de bachelor 2014 26 Dardan Shatri
  35. 35. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID 2.2 Méthodes de Miniaturisation De nos jours, on souhaite intégrer le plus de composants dans un minimum de place. Les technologies de la micro-électronique le permettent (les ordinateurs en sont un bon exemple, ou encore les téléphones portables), grâce à la petite taille de la majorité des composants. Certaines lois physiques empêchent ce rétrécissement, puisque les tailles d’antennes sont directement reliées à leur fréquence de fonctionne- ment. Cependant, la conception n’est pas figée et il existe des méthodes qui aident le concepteur dans la miniaturisation de tailles d’antennes UHF et micro-ondes. Nous en présentons ci-dessous, certaines. Nous évoquons ainsi les géométries fractales et les matériaux composites main- droite main-gauche (matériaux CRLH), par des ef- fets inductifs (insertion d’un via). Nous présentons enfin des résultats d’antennes utilisant des matériaux CRLH, ou des formes à fractale ou encore à dipôle replié. — Méthode à géométrie fractale — Méthode de repliement des lignes de dipôles — Méthode Méta-matériaux Travail de bachelor 2014 27 Dardan Shatri
  36. 36. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID 2.2.1 Méthode à géométrie fractale Les fractales existent déjà dans la nature sous différentes formes : flocon de neige, branches d’arbres, feuilles, des formes naturelles qui ce répètent et ce ressemblent ... Koch a notamment modéliser un flocon de neige. L’utilisation de la fractale dans le domaine de la miniaturisation relève du prin- cipe que la longueur électrique (celle parcourue par les électrons) reste la même comme on peut voir dans la figure [FIG 2.13] L’élément initial est une ligne, de lon- Figure 2.13 – Évolution d’une fractale de Koch après 5 itérations gueur totale L. Nous divisons cette longueur en trois sous-segments (itération 0) de même longueur, maintenant nous orientons les deux segments rouges jusqu’à qu’il ce touchent,qu’ils forment un triangle équilatéral, le périmètre de la nouvelle forme reste intacte pour une longueur plus longue. On obtient bien un rétrécissement de l’encombrement total par rapport à celle initiale, tout en conservant le même péri- mètre. Ce rétrécissement peut être reproduit à l’infini, car aussi petit que puisse être un segment, il sera toujours sécable, en segments plus petits, ici ne sont présentées que les 5 premières itérations. Figure 2.14 – Génération d’un flocon de Koch avec Wolfram Mathematica On trouve beaucoup d’autres fractales que Koch : Minkowski, Hilbert-Moore ..., en plus on connait la séquence de Fibonacci, Euleur et autres séquences que l’on Travail de bachelor 2014 28 Dardan Shatri
  37. 37. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID pourrait combiner en fractales. C’est une forme itérative aussi comme on peut le voir Figure 2.15 – Generation d’une fractale Hilbert-Moor dans la figure [FIG 2.2.1] 2 . Voila les cinq premières itérations. Mon travail étant de miniaturiser une antenne, vous trouverez dans cette figure [FIG 2.2.1] la structure simulée avec la courbe de Hilbert-Moore sur CST Studio. Figure 2.16 – Design d’une fractale Hilbert-Moor sur CST Studio On peut voir un décalage fréquentiel vers les basses fréquences... jusqu’au mo- ment où le couplage entre les lignes devient non-négligeable. Les fractales sur CST Studio demandent une conception manuelle ou à l’aide d’autre logiciel de dessin, mais dans ce cas il devient difficile de faire évoluer les paramètres géométriques et donc adapter l’antenne. La fractale de Hilbert-Moore [FIG 2.2.1] a été conçue morceau par morceau. Dans la figure suivante, on peut remarquer le décalage de l’excitation d’onde vers les plus basses fréquence la courbe start rebondit dans la figure [FIG 2.2.1] comme le premier design puis en suite la deuxième itération le 2. Wolfram Mathematica pour la génération des figures avec les fractales en démontrant leur itération et leur changement Travail de bachelor 2014 29 Dardan Shatri
  38. 38. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID courbe en bleu et à la fin la courbe rouge pour une troisième itération. Je n’ai pas approfondi la partie "fractale" plus avant à cause, principalement, de la probléma- tique de couplage de lignes et réalisation à la fraiseuse LPKF (ligne minimum est de 0.2 mm). Enfin, on ne peut paramétrer la fractale sur CST Studio seulement si on la conçoit manuellement, ce qui est très long par rapport à d’autres méthodes de miniaturisation. Figure 2.17 – Comparaison de 3 itérations de la courbe de Hilbert-Moore en re- gardant le paramètre S11 2.2.2 Méthode de repliement des lignes de dipôles La technique de repliement de dipôle est une méthode connue plus simple et appréciée. On trouve, sur le marché de la RFID par exemple, des antennes pour les bandes VHF et UHF, en forme de fils en accordéon. En effet, la technique de repliement de dipôle, permet de réduire la longueur totale, tout en conservant notre taille de tag de 20 x 20 mm2. De plus le dipôle est une forme malléable, à laquelle on peut faire adopter presque n’importe quelle configuration [FIG ??]. Nous présentons sur la figure ci-dessous deux formes de dipôles : la première n’est pas repliée, et la deuxième déjà plus que le double de la longueur de la ligne sur la même taille de substrat. L’optimisation d’une telle structure est semi-empirique, et nous utiliserons notre simulateur électromagnétique pour ce faire. Voici la comparaison du paramètre S11 de ces deux dipôles [FIG 2.2.2]. Mais le repliement a ses limites : précision de Travail de bachelor 2014 30 Dardan Shatri
  39. 39. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID Figure 2.18 – Comparaison entre dipôles non repliés et repliés la production d’un prototype et couplage entre le lignes (effet capacitif). Ceci nous amène à tester la troisième méthode, méthode de Méta-matériaux autrement dite matériaux composites main droite – main gauche CRLH (en anglais Composite Right / Left Handed) Figure 2.19 – Comparaison du S11 de 2 dipôles Travail de bachelor 2014 31 Dardan Shatri
  40. 40. CHAPITRE 2. CONCEPTION ET CARACTÉRISATION DE TAG RFID 2.2.3 Méthode Méta-matériaux CRLH (matériaux compo- sites main droite – main gauche) Dans un matériau dit à "main droite", les vecteurs −→ E , −→ H, −→ k forment un trièdre direct. En revanche, dans le cas d’un matériau à "main gauche", ces trois vecteurs forment un trièdre indirect avec la main droite, soit un trièdre direct avec la main gauche. Ces matériaux ont des propriétés particulières telles que des permittivités et/ou des perméabilités négatives (ε > 0 et µ<0, ε<0 et µ>0, ε<0 et µ<0). Cela signifie que lorsqu’une onde électromagnétique arrive à l’interface de deux milieux, au lieu qu’une partie de l’énergie soit réfractée en s’éloignant de la source, Figure 2.20 – l’interface de maté- riaux à main droite (a) Figure 2.21 – l’interface de maté- riaux à main gauche Ondes incidentes (rouge), réfléchies (bleu) et réfractées (vert) elle est réfractée dans la direction de la source [FIG :2.20,2.21] La création de matériaux CRLH permet de confiner le signal. L’encombrement nécessaire est alors réduit, on a besoin de moins de place pour effectuer la même opération comme dans la figure [FIG ??]. Si le rayon du via diminue, l’aspect inductif s’amplifie et l’induc- tance augmente. La capacitance créée entre le patch et le plan de masse ne change pas, alors la fréquence diminue. Analysée par la méthode de cavité, l’adjonction d’un via comme présenté ci-dessus crée un court-circuit et excite des modes plus élevés que les fondamentaux. Notons enfin, que nous avons pris un cas simple où seulement une capacitance à main droite et une inductance à main gauche interviennent. On peut augmenter la complexité en ajoutant des patchs disjoints en parallèle, ce qui crée des couplages entre eux et donc des capacitances à main gauche. Travail de bachelor 2014 32 Dardan Shatri
  41. 41. CHAPITRE 3. RÉALISATION Chapitre 3 Réalisation 3.1 Methode de travail Alors comment s’y prendre pour développer une antenne miniature ? Nous rappelons que la taille d’une antenne non miniaturisée à 866 MHz est de l’ordre de 170 mm et que nous devons atteindre une taille de 20x20 mm2 ! Figure 3.1 – This is the first figure Tant que les résultats de simulation ne convergent pas en termes de fré- quence et de paramètre S11 on revient au début : on fait identifie les para- mètres impactant et on les fait évo- luer. Une fois que le résultat semble converger, on réalise la structure si- mulée (après export d’un fichier spé- cifique gerber(*.gbr) pour la fraiseuse LPKF. Pour mieux expliquer comment si prendre voila quelques étapes à suivre. Travail de bachelor 2014 33 Dardan Shatri
  42. 42. CHAPITRE 3. RÉALISATION 1. Un fois que le concept théorique est choisi en fonction de critères théoriques (gain, adaptation, directivité, méthode de miniaturisation ) on passe au de- sign. 2. Si le design n’est pas réalisable pour des raisons de taille ou de précision in- suffisante de la machine par exemple, on change le concept et on recommence. 3. Si le design est bon, on commence les simulations. 4. Si les simulations n’aboutissent pas vers les résultats d’adaptation on retourne à l’étape précédente. On modifie le design et on recommence, faut alors re-dessiner l’antenne au- trement pour exploiter le concept d’une autre manière avec une des méthodes de la miniaturisations. 5. Une fois que les résultats de simulation convergent est bon, alors on réduit la fenêtre de l’affichage S11 de 800 - 900 MHz et on augmente le nombre de cellules (meshcells) à 0.1. 6. S’il y a convergence on extrait les paramètres d’adaptation, l’angle d’ouver- ture, le gain de l’antenne... et autre propriété théoriques mentionnées plus haut dans ce rapport. On passe à la fabrication de l’antenne. 7. Dans cette étape consiste à exporter le design produit sur CST Studio vers un format *.gbr (Gerber file) pour la fraiseuse LPKF. Ensuite on édite manuellement la courbe de points (le chemin doit être fermé). Dans la majorité des cas faudra le refaire plusieurs fois jusqu’à atteint en concordant avec le design sur CST Studio. 8. Une fois le prototype gravé, on doit percer les via manuellement, puis coller la puce, souder les via, et enfin le tester. 9. Il est possible d’avoir des résultats qui prouvent pas la fonctionnement alors faudrait revenir au point 1, dans le cas de fonctionnement on passe à l’étape suivante. 10. Dans notre cas on a pris un bouchon en PVC et placé le tag à l’intérieur pour le tester. 11. Enfin si le résultat est bon alors on a le tag voulu, sinon on retourne a l’étape 1. Travail de bachelor 2014 34 Dardan Shatri
  43. 43. CHAPITRE 3. RÉALISATION DIE SOT866 Z impedance 866 MHz 25 -j237 x-jy Ω 915 MHz 23 -j224 21 -j199 Ω Table 3.1 – Tiré depuis le datasheet les frequences et leurs impact resistifs Pour pouvoir simuler l’antenne avec la puce faudrait faire un pre-calcul comme suit : P(Z=x) d’ou x est la résistance dans la puce et y l’inductance. L = jωL = jy d’ici on peut déduire que : L = y ω = y 2πf rappel : Z=Z∗ 1 d’ou Z1 = x-jy et Z∗ 1 = x + jy par la suite dans la datasheet de la puce SL3S1203-1213 UCODE G2iL and G2iL+ chez NXP 1 on trouve les informations dans le tableau 3.1. il nous faut poser une hypothèse. Hyp : impact du boîtier → linéaire vs. Z Z =    x = 21∗25 23 y = 237∗199 224 qui nous donne : L= 38.7e-9nH et le R= 22.82 Ω Valeurs pour définir "l’élement discret" et le port dans CST. Voilà les deux images agrandies plusieurs fois pour montrer le via et la puce collé comme dit plus haut que c’est un travail manuel. Figure 3.2 – La puce collé Figure 3.3 – Via traversante 1. Datasheet http://www.nxp.com/documents/data_sheet/SL3S1203_1213.pdf (page27 − 29) Travail de bachelor 2014 35 Dardan Shatri
  44. 44. CHAPITRE 3. RÉALISATION 3.2 Sans Bouchon Voilà les deux antennes qui ont été simulées puis optimisées pour une fréquence demandée à une taille 20x20mm2 : Figure 3.4 – Tag réalisé pseudo "smile" Figure 3.5 – Tag QR-Code-"hepia" sur plan de masse et le reste d’antenne sur l’autre Comme on peut voir dans la figure [3.2] et dans la figure [3.2] ceux sont les deux principaux concepts que nous avons retenus pour ce travail de bachelor. Dans l’annexe on fournira la majorité des designs fonctionnels "simulations assez probants" Travail de bachelor 2014 36 Dardan Shatri
  45. 45. CHAPITRE 3. RÉALISATION Nos simulations sont faites pour arriver à des résultats satisfaisants. Dans la figure suivante fig [3.2], nous présentons le S11 d’une antenne sans bouchon : la structure a une forme de QR-Code (autre méthode d’identifier des objets que la RFID). Il y a également une antenne en forme de "smiley" (de l’anglais smile = "sourire") composée d’une face "smiley" et d’une en forme de dipôle replié. Les 2 méthodes de miniaturisation sont utilisées : dipôle replié et CRLH. Figure 3.6 – Paramètres S11 d’antenne QR-Code sans bouchon Le QR-Code génère depuis le site web (http://qrcode.littleidiot.be/) et n’est pas paramétrable. L’autre face (dipôle replié) en revanche l’est (en annexe vous trouverez les cotes de l’antenne), les deux vias sont aussi paramétrés paramètres figure [3.3] Travail de bachelor 2014 37 Dardan Shatri
  46. 46. CHAPITRE 3. RÉALISATION 3.3 Avec le bouchon Une fois la démonstration de la fonction des tags faite : le tag posé sur le bouchon est lu, nous avons simulé le cas où le tag est intégré dans le bouchon (prise en charge des autres matériaux diélectriques et dans notre cas du PVC). Si on simule à nouveau cette antenne avec le bouchon, les résultats pré- sentent une dés-adaptation à 866 MHz (le tag ne peut pas remplir sa fonction de détecteur d’ouverture et de ferme- ture.) La figure ci-dessous montre la dés-adaptation en comparant le pa- ramètre S11 de l’antenne réussie sans bouchon à celui avec le PVC, en fonc- tion de la fréquence, le décalage est de 87 MHz. Figure 3.7 – Tag dans le bouchon Figure 3.8 – Paramètres S11, adapté a 866Mhz en bleu vs. tag dedans le bouchon Travail de bachelor 2014 38 Dardan Shatri
  47. 47. CHAPITRE 3. RÉALISATION Une fois le nouveau design obtenu et réalisé nous avons constaté que nous n’avions pas de résultats probants. Pour en sorte,"debugger" ce probleme on a du Figure 3.9 – Schéma illustrant comment en sorte "debugger" le problème prendre du recul et évaluer visuelement la conformité de l’antenne réalisée. Nous avons constaté un changement (figure suivante [3.3]) : l’ajout de congés (pour inté- gration au bouchon) dans la structure impilque que dans les coins, les lignes sont plus fines que prévu. La même figure démontre ce qu’il fallait changer pour qu’on puisse aller vers la reuissite de fonctionement. Pour mieux illustrer voila un tableau qui compare les paramètres géométriques des deux tags [FIG. 3.3]. En orange, les paramètres du tag sans le bouchon et en vert les paramètres avec le bouchon malgré ce tableau qui n’illustre pas tout voici une image [FIG.3.3] Travail de bachelor 2014 39 Dardan Shatri
  48. 48. CHAPITRE 3. RÉALISATION Figure 3.10 – Liste de paramètres géométriques sans vs. bouchon Figure 3.11 – Jaune : tag adaptée sans bouchon. Vert : tag adaptée avec bouchon En regardant le tableau d’avant on peut voir les paramètres ne sont pas les mêmes que le paramètre bio_hazard. Nous avons enlevé la ligne plus courte et ajouté une nouvelle plus large. Une fois le puzzle (theorie, concept,design) est assemblé, on peut lancer un générateur de paramètres "parameter sweep" (dans l’image [FIG. 3.3] on ne peut pas tout voir ily a 40 simulations et juste une est prise (environ 40h)) Travail de bachelor 2014 40 Dardan Shatri
  49. 49. CHAPITRE 3. RÉALISATION Figure 3.12 – S11 Parameter Sweep pour le paramètre bio-hazard Figure 3.13 – Paramètre S11 d’antenne QR-Code avec bouchon Travail de bachelor 2014 41 Dardan Shatri
  50. 50. CHAPITRE 3. RÉALISATION On peut remarquer que il y a une diminution de reflexion S11 entre les cas avec et sans bouchon d’environ 3dB. Figure 3.14 – Comparaison des paramètres S11 sans vs. avec bouchon Travail de bachelor 2014 42 Dardan Shatri
  51. 51. CHAPITRE 3. RÉALISATION Enfin ce projet a permis la production de deux tag RFID fonctionnels avec la prise en compte du QR-Code et du bouchon en PVC. Dans les 3 figures suivantes on peut voir la taille du tag et du bouchon, ensuite les deux autres figures sont deux scénarios, images pour démontrer la détection d’ouverture et de la fermeture par rapport au positionnement du tag tout en restant dans la zone de communication RFID. Figure 3.15 – Tag dedans le bouchon et pied à coulisse ouvert a 2cm Travail de bachelor 2014 43 Dardan Shatri
  52. 52. CHAPITRE 3. RÉALISATION Figure 3.16 – L’angle d’ouverture dirigée vers le lecteur "lu comme tag present" Figure 3.17 – L’angle d’ouverture n’est pas dirigée vers le lecteur "le tag n’est pas lu" Travail de bachelor 2014 44 Dardan Shatri
  53. 53. CHAPITRE 4. CONCLUSION Chapitre 4 Conclusion La miniaturisation d’antennes n’est pas une chose triviale, puisque l’approche est semi-empirique. Paramétrer et analyser une structure compliquée demande beaucoup de soin puisque les paramètres sont intrinsèquement liés dans la structure. Paramétrer une forme fractale est compliqué dès que l’ordre de miniaturisation est supérieur à 2. Le temps des simulations est un point important ; une pré-étude est toujours à mener avant modélisation si on souhaite abréger les temps de simulation. On retient la structure QR-Code (petit clin d’oeil à l’identification avec le mélange de méthodes de repliement de dipôle et les métamateriaux. Pour un travail futur, on pourrait imaginer que le QR-Code soit visible et qu’il soit partie intégrante du bouchon. Comme expliqué dans la partie CRLH, cette méthode semble facile de premier abord mais en réalité non. Ce projet nous a offert une expérience complète pour voir les tags, les antennes, les milieux de transmission, la physique en général sous-jacente. En réalité ce projet a produit deux tag RFID fonctionnels avec la prise en compte du QR-Code encore plus "ludique" : ce QR-Code n’est pas pour enjoliver l’antenne mais fait partie de l’antenne elle même. Enfin, je tiens à exprimer ma satisfaction d’avoir pu finir la majorité du travail demandé dans ce projet : j’ai également compris qu’avec les bons outils je peux faire ma propre antenne et mon propre tag futur... et avec de l’imagination et quelques études de marché, nous pourrions développer des applications utiles à l’humain, vu la quantité d’utilisation différentes possibles grâce à la technologie RFID. Travail de bachelor 2014 45 Dardan Shatri
  54. 54. Annexe A : Mesures Figure 4.1 – Mesures en mm de la géométrie du tag réalisée i Dardan Shatri
  55. 55. Figure 4.2 – Mesures en mm de la géométrie du bouchon en PVC Figure 4.3 – Mesures en mm de la géométrie du tag réalisée côte QR-Code ii Dardan Shatri
  56. 56. Annexe B : CST Figure 4.4 – Rayonnement d’antenne QR-Code avec bouchon vue en 3D iii Dardan Shatri
  57. 57. Figure 4.5 – CST étape 13 placement d’un port Figure 4.6 – CST étape 14 iv Dardan Shatri
  58. 58. Figure 4.7 – CST étape 15 changements des celulles Figure 4.8 – CST étape 16 Farefield plan en 2D, angle d’ouverture v Dardan Shatri
  59. 59. Annexe C : Fraiseuse LPKF ProMat S63 vi Dardan Shatri
  60. 60. Figure 4.9 – LPKF fraiseuse vii Dardan Shatri
  61. 61. Annexe D : Réaliser un QR code Est un ensemble de carrés noirs disposés sur un fond blanc par exemple HEPIA. Figure 4.10 – QR code HEPIA Le site http://qrcode.littleidiot.be/ permet de réaliser son propre QR viii Dardan Shatri
  62. 62. code. Il propose de nombreuses options pour personnaliser son QR code. Il est éga- lement possible de télécharger l’image du QR code créé dans différents formats tels que les formats PNG, PDF ou encore SVG. Le format SVG est converti en format DXF avec Adobe Illustrator pour une importation sur CST Studio. ix Dardan Shatri

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