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1Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur
matériaux plastiques Delphine BECHEVET
Directeur de thèse : Smaïl TEDJINICo-directeur de thèse : Tan-Phu
VUONG
Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes (LCIS) Valence
2Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Partenaires et Partenaires et financementfinancement
3Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Vous avez dit "TAG"?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
4Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
SOMMAIRE (1/2)SOMMAIRE (1/2) Constitution d’un tag RFID
ContextePrincipe de fonctionnement généralObjectifsMéthodologie mise en place
Caractérisation des matériaux pour antennesPropriétés magnétiquesPropriétés diélectriquesPropriétés conductrices
5Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
SOMMAIRE (2/2)SOMMAIRE (2/2) Antennes à bas-coût
ConceptionRéalisationComparaison mesures – simulation
Démonstrateur de tag RFID à bas-coûtMiniaturisationIntégrationRésultats
6Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Contexte : RFIDContexte : RFID
Quelques domainesd'applications RFID
Alimentaire / SantéValidation de
la chaîne du froid
Justice / SécuritéPers.liberté conditionnelle
Vol, contrefaçonPapiers ID, billets banque
TransportsSuivi de marchandises
IndustrieGestion de stocks
Services vétérinairesSuivi des données
des animaux domestiques
Transports (humains)En communAutoroutiers
Constitution d'un tag RFID (1/6)
7Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement général(1/2)général(1/2)
Communication
Constitution d'un tag RFID (2/6)
Données
Energie et commande
14983750
Couverture de lecture et d'écriture
Appareil de lecture et d'écriture
Antenne pour la lecture et l'écriture
Application
Tag
Actif
Passif
8Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement général(2/2)général(2/2)
Les fréquences
Valeurs maximales du champ
f125 kHz
13.56
MHz
433.92
MHz
~900
MHz
2.45 GHz
5.8 GHz
λ/21.2 km
11 m
35 cm
16 cm
6 cm2.5
cmBande de fréquences
(MHz)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 25 mW EIRP
Constitution d'un tag RFID (3/6)
ERP = Equivalent Radiated PowerEIRP = Effective Isotropic Radiative Power
Champ proche
Champ lointain
Distance de lecture
9Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Objectif 1 : tag à bas-coûtObjectif 1 : tag à bas-coût
Constitution d'un tag RFID (4/6)
Substrat
Puce électronique
Connexion
Antenne :conducteur
sursubstrat
f = 13.56 MHz f ~900 MHzà bas-coût
10
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Objectif 1bis : antenne à bas-Objectif 1bis : antenne à bas-coûtcoût
Constitution d'un tag RFID (5/6)
Substrat PlastiquesConducteur Matières "non nobles"
Propriétés matériaux
Fonctionnement de l'antenne!
À900 MHz2.45 GHz(5.8 GHz)
Peu ou pas connues
Méthode de réalisation Industrielle
11
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des paramètres du:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
NON
Modélisation
Méthodologie mise en Méthodologie mise en placeplace
OUI
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
Constitution d'un tag RFID (6/6)
12
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Permittivité diélectrique complexe
Paramètres du substratParamètres du substrat
)()()( ''' j
)()()( "' j
)()()( "' j
)(
)()(tan '
"
Caractérisation des matériaux (1/12)
Motif d'antenne
Efficacité derayonnement del'antenne
Perméabilité magnétique
Permittivité diélectrique
Facteur de pertes diélectriques
13
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Facteur de pertes diélectriques le plus petit possible (ref. matériaux RF) : tanδ ~10-3
Choix des matériaux pour le Choix des matériaux pour le substratsubstrat
Caractérisation des matériaux (2/12)
Base de données
Partenaires
9 matériaux disponiblesABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)PA6 et 12 (PolyAmide)PBT (PolyButhylène Téréphtalate)PC (PolyCarbonate)PE, LD et HD (PolyEthylène)PMMA (PolyMéthyle Méthacrylate)PS (PolyStyrène)
14
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Propriétés magnétiquesPropriétés magnétiques
Mesure de la perméabilité
Caractérisation des matériaux (3/12)
15
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Cavité fermée, vue de côté Cavité ouverte, vue de dessus
Échantillon Mesure de la permittivité
Cavité électromagnétique (EM)
Propriétés diélectriques (1/5)Propriétés diélectriques (1/5)
Caractérisation des matériaux (4/12)
16
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VALENCE
0
...3,2,1
...2,1,0
...2,1,0
,2
1222
nm
p
n
m
avecc
p
bn
am
f TEmnpr
m n pfr théorique
(GHz)
Mode 101 1 0 1 2.26025
Mode 102 1 0 2 2.8476
Caractérisation des matériaux (5/12)
Propriétés diélectriques (2/5)Propriétés diélectriques (2/5)
Mesure de la permittivité :Cavité EM: simulation entre 2 et 3 GHz
17
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Caractérisation des matériaux (6/12)
Propriétés diélectriques (3/5)Propriétés diélectriques (3/5)
Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : simulation entre 2 et 3 GHz
Nécessité de calibrer :
matériau de référence
18
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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TE101
TE102
Δf
ΔS21
Caractérisation des matériaux (7/12)
Propriétés diélectriques (4/5)Propriétés diélectriques (4/5)
Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : mesures entre 2 et 3 GHz
19
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Plastique
HDPE
LDPE
PC ABS
PMMA
PA12
PA6
PBT
PS
ε’@2.45G
Hz
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 2.1 2.4 2.5 2.9 3.5 6
0
00'' 1)(
néchantillo
néchantilloVV
k
02121
0"''
)(1
)(1
2)(
SSVV
knéchantillonéchantillo
Caractérisation des matériaux (8/12)
Propriétés diélectriques (5/5)Propriétés diélectriques (5/5)
Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : exploitation à 2.45 GHz
Matériau de référence: duroïd
ε'=3.5 , tanδ = 1.8x10-3
20
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Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
Caractérisation des matériaux (9/12)
21
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Mesure de l'épaisseur et de la conductivitéÉpaisseur h
max
h min
h moyenne
Caractérisation des matériaux (10/12)
Propriétés conductrices (1/3)Propriétés conductrices (1/3)
22
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hIV
K
= R (Ω)
1 (S.m-1)
fo .. (m)
= R x h (Ω.m)
Caractérisation des matériaux (11/12)
Propriétés conductrices (2/3)Propriétés conductrices (2/3) Mesure de l'épaisseur et de la
conductivitéConductivité
23
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Mesure de la conductivité d'encre déposée1er groupe d'encre conductrice sur
plastiques
2nd 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
Échantillon PC5 PC6 PC7 PC8
hmin (µm) 4.73 5.25 5.96 3.79
hmax (µm) 20 20 18 17
σ x104 (S.cm-1)
2.04 1.67 1.49 1.52
δ (µm) 7.11 7.88 8.33 8.24
Référence:
σCu = 5.88x105
S.cm-1
Propriétés conductrices (3/3)Propriétés conductrices (3/3)
Caractérisation des matériaux (12/12)
24
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Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
25
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Pré-calculs : utilisation de formules analytiques
12
21
00
rrfW
Lf
Lreffr
21
2
1
00
Conception d'antennes patch Conception d'antennes patch rectangulaires(1/3)rectangulaires(1/3)
Antennes à bas-coût (1/12)
Adaptation à 50Ω
26
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Antennes à bas-coût (2/12)
Conception d'antennes patch Conception d'antennes patch rectangulaires(2/3)rectangulaires(2/3)
Optimisation de la géométrie, adaptation :
CST Microwave Studio
Intégration des paramètres mesurés : ε’, tanδ, σPlastique PC (PolyCarbonate)
27
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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~4dB
Résultats: S11, BP, G, D, efficacité
Antennes à bas-coût (3/12)
Conception d'antennes patch Conception d'antennes patch rectangulaires(3/3)rectangulaires(3/3)
Plastique PBT (PolyButylène Téréphtalate)
Seuil (normalisé)
BP
Plastique PC (PolyCarbonate)
28
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
Antennes à bas-coût (4/12)
29
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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46 mm
38.22 mm
Réalisation d'antennesRéalisation d'antennes
Antennes à bas-coût (5/12)
Dépôt d'encre conductrice sur plastique : sérigraphie
30
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
Antennes à bas-coût (6/12)
31
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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22.5°
22.5°
11.25°
0°
Plastique PC – EC-Ag, 1er groupe
Paramètres
Simulation
Mesure
Δ |simulation – mesure|
S11 (dB) -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
Mesures d'antennes (1/5)Mesures d'antennes (1/5)
Antennes à bas-coût (7/12)
Seuil
32
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Antennes à bas-coût (8/12)
Mesures d'antennes (2/5)Mesures d'antennes (2/5) Décalage fréquentiel: prise en
compte des incertitudes
33
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GAIN d'antenne sur PC :Simulation : 6.47
dBMesure environnement bruité
: 2.29 dBMesure chambre anéchoïde :
5.75 dB
Antennes à bas-coût (9/12)
Mesures d'antennes (3/5)Mesures d'antennes (3/5)
34
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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
Plastique PC-EC-Ag1er groupe 2nd groupe
Antennes à bas-coût (10/12)
Mesures d'antennes (4/5)Mesures d'antennes (4/5)
SeuilSeuil
35
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Antennes à bas-coût (11/12)
Mesures d'antennes (5/5)Mesures d'antennes (5/5)
SeuilSeuil
Autres matières conductricesEncre Carbone (σ~1 S.cm-1)
Ruban adhésif en aluminium, colle non-conductrice (RA-Al)
Ruban adhésif en cuivre, colle conductrice (RA-Cu)
36
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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
Bilan des antennes étudiéesBilan des antennes étudiées
Ec-Ag = Encre conductrice ArgentEc-C = Encre conductrice Carbone
Ra-Al = Ruban adhésif AluminiumRa-Cu = Ruban adhésif Cuivre
Antennes à bas-coût (12/12)
37
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
38
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (1/6)(1/6)
Pourquoi miniaturiser?Taille élevée: f ~900 MHz => λ/2 ~15 cm (!!!)
Antenne = motif conducteur sur substrat
MiniaturisationMotif
• 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)
39
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (2/6)(2/6)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (2/11)
RH
RH
RH
RH
RH
LH
RH
LH
Matériaux CRLH RH : ε > 0, μ >
0
LH : ε < 0, μ < 0
40
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Matériaux CRLH
RL
ZORCL ''
1
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (3/6)(3/6)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (3/11)
LR
CR
CL
LL
LRCL
CR LL
Patch
Plan de masse
SubstratViaCR LL
41
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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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
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (4/6)(4/6)
Démonstrateur de tag RFID à bas coût (4/11)
42
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
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
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (5/6)(5/6)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (5/11)
43
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Méthode de miniaturisation
Forme Rétrécissement (%)
Géométrie fractale
25
Fente à ruban conducteur 41
CRLH-M44
Dipôle replié61
Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (6/6)(6/6)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (6/11)
44
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Miniaturisation d'antennes
Caractérisation des matériaux:substratconducteur
Conception d’antenne simple
Réalisation d’antennes
Comparaison
Modélisation
Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie
Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID
Mesure de la géométrie des
antennes
Mesure des paramètres d’antennes
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (7/11)
45
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Principe: rétromodulation ("backscattering")Modulation de charge
Intégration antenne – puce Intégration antenne – puce (1/2)(1/2)
Pinc
Pref
ZL varie => I varie => Pref varie
I
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (8/11)
*LA ZZ => Pref = Pabs
46
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Puce RFID utiliséeLecture / EcritureMémoire de 1 kbitsApplication
• Gestion de stocks• …
f(MHz)
P ERPmax (W)
Continent D lecture
max (m)
D écriture max (m)
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) 0.868 0.915 0.960 2.45
Z (état 1) (Ω)
11 - j.145
10 – j.136
10 – j.128
10 - j.28
Z (état 2)(Ω)
12 – j.159
11 – j.150
11 – j.142
10 – j.34Démonstrateur de tag RFID à bas-coût
(9/11)
Intégration antenne – puce Intégration antenne – puce (2/2)(2/2)
47
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
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Résultats à 868 MHz
f (MHz)
868
S11 (dB)
-48.2
4
ROS 1.008
BP (%)
13.1
G (dB)
0.877
D (dBi)
1.987
er (%) 79.1
et (%) 79.1
20 mm
106.2 mm
Modélisation de tags (1/2)Modélisation de tags (1/2)
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (10/11)
S1,1: -48.24
15211*12 jZ
48
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Résultats à 2.45 GHz
f (GHz)
2.45
S11 (dB)
-18.9
4
ROS 1.255
BP (%)
1.35
G (dB)
3.113
D (dBi)
4.228
er (%) 76.4
et (%) 72.6
14 mm
63.6 mm
Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (11/11)
Modélisation de tags (2/2)Modélisation de tags (2/2)
3110*12 jZ
49
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
ConclusionConclusion
Intégration antenne – puce
Antennes à bas-coût ?
Caractérisation des substrats :ε'(ω), tanδ(ω)
Caractérisation desconducteurs : h, σ
Méthode deréalisation
Miniaturisation
Tag RFID UHF, µondeà bas coût
PC PBT
EC-Ag
Sérigraphie
Dipôle replié
Impédance
Adaptation
50
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Pour l'avenir…Pour l'avenir…Des substrats peu coûteux : Plastiques (perméables, souples) Papiers Textiles Matériaux recyclés …
Des matières conductrices peu coûteuses :Encres conductricesPolymères conducteurs…
Conception d'antennes :MiniaturisationMultifréquencesConformance…
D'autres méthodes de dépôt :TampographieImpression numérique…
Méthodologie : Méthodologie : Vision globale d'un systèmeVision globale d'un systèmeQUID des TAGS RFID et de QUID des TAGS RFID et de
l'ÉTHIQUE ?l'ÉTHIQUE ?
Autres application à communication sans fil
BluetoothWifi
51
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
REMERCIEMENTSREMERCIEMENTS
52
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Contexte: Contexte: traçabilité et traçabilité et identificationidentification
TraçabilitéNorme 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
IdentificationInscriptions dans la pierreÉcritures sur papyrus, peaux, papiersCodes à barresRFID
Constitution d'un tag RFID à bas-coût (1/)
53
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Plastique PBT- EC-Ag, 1er groupe
Paramètres
Simulation
Mesure
Δ |simulation – mesure|
S11 (dB) -20.9423 -14.562
0
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
Antennes bas-coût (6/11) MESURESMESURES
54
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Principe: rétrodiffusion ("backscattering")
RCS et modulation de charge
Intégration antenne – puce Intégration antenne – puce (1/3)(1/3)
Pinc
Pray
ZL varie => I varie => Sray varie = σ varie
I
inc
ray
S
SrRCS 24
Démonstrateur de tag à bas-coût (8/12)
55
Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-
VALENCE
Principe: adaptation d'impédance
Différentes méthodes d'adaptationExemple: modulation BPSK
Impédance de la puce :
•Etat 1 : Z1 = Re1 – j.Im1
•Etat 2 : Z2 = Re2 – j.Im2
Re.2totalZ
ant
ant
ReReImIm
tan1
111
ant
ant
ReReImIm
tan2
212
Impédance de l’antenne :
•Zant = Reant + j.ImantUn seul état Le milieu des deux états
Démonstrateur de tag à bas-coût (10/12)
Intégration antenne – puce Intégration antenne – puce (3/3)(3/3)