Lecteur radar pour capteurs passifs à transduction radio fréquence

par Franck Chebila

Thèse de doctorat en MicroOndes, ElectroMagnétismes et OptoElectronique

Sous la direction de Hervé Aubert et de Patrick Pons.

Soutenue le 31-03-2011

à Toulouse, INPT .


  • Résumé

    Un nouvel axe de recherche sur les réseaux de capteurs a été initié au LAAS par la réalisation de nouveaux capteurs sans fil passifs utilisant une transduction électromagnétique dans la détection de pression et de gaz. Ces capteurs fortement intégrés ne nécessitent aucune alimentation embarquée et leur fréquence de fonctionnement se situe dans la bande de fréquence Ka (26 à 40 GHz). Cette thèse s'inscrit donc dans la conception et la réalisation d'un lecteur adapté à l'interrogation à distance de capteurs à transduction électromagnétique. Son principe de fonctionnement est basé sur une technologie radar de type FMCW. L'avantage principal de la lecture radar des données issues de ce type de capteurs passifs réside dans la possibilité d'avoir des portées de plusieurs dizaines de mètres, bien supérieures à celles classiquement obtenues dans les technologies SAW ou RFID. Dans une première étape est présenté le principe de fonctionnement du lecteur radar et la réalisation de deux prototypes centrés sur les fréquences de 3GHz et 30GHz. Une étude du spectre de la sortie radar, appelé signal de battement radar, est abordée afin de montrer comment les positions et les mesures des capteurs sont lues à distance par ce type de lecteur. Par la suite, un travail d'analyse de la communication sans fil permet de déterminer les paramètres de rétrodiffusion électromagnétique à prendre en compte, tels que les impédances et les fréquences de fonctionnement des capteurs. Ces paramètres sont la base d'une optimisation du système global en termes de sensibilité, de portée radar et des niveaux minimaux de Surface Equivalente Radar (SER) des cibles interrogées. La validation de cette analyse se borne à la mesure de la portée maximale associée à ce type de lecteur et aux différentes mesures de SER de plusieurs types de capteurs dans les bandes de fréquence de 3GHz et 30GHz. Deux principes d'identification de cellules passives sont ensuite présentés. Le premier est basé sur l'utilisation des deux modes de rétrodiffusion de la SER d'un capteur (mode de structure et mode d'antenne) favorisant dans le même temps l'identification sur un mode et la mesure de la grandeur physique sur l'autre, a distance du lecteur. Le deuxième principe utilise le spectre d'un diffuseur multi-bande dont sa SER reconfigurable permet d'associer l'identification de chaque capteur dans un réseau, à la manière d'un code barre. En conclusion, les résultats obtenus dans cette étude valident le principe d'interrogation à longue distance de réseau de capteurs passifs et ouvrent de nouvelles perspectives sur la conception de nouvelles cellules de mesures pour de nouvelles applications dans les secteurs de l'aéronautique, du nucléaire, et de l'environnement.

  • Titre traduit

    Radar Reader for Radio Frequency Transduction Passive Sensors


  • Résumé

    A new development on sensor networks has been started by LAAS to implement new wireless sensors using passive electromagnetic transduction in the detection of pressure and gas. These highly integrated sensors require no power and the embedded operating frequency is in the Ka band (26 to 40GHz). This thesis is on the design and the realization of a reader suitable for remote sensing of sensor electromagnetic transduction. Its working principle is based on an FMCW radar technology. The main advantage of this radar when reading passive sensors is the ability to have ranges of several tens of meters, much higher than those obtained with conventional SAW or RFID technology. In the first step, the principle of operation of the reader and also the realization of two prototypes focused on the frequencies of 3GHz and 30GHz are presented. A study of the output radar spectrum, called beat signal radar, is discussed to show how the positions and measurements from the sensors are read remotely by the reader. Afterwards, an analysis of the wireless communication is performed to take into account parameters of electromagnetic backscatter such as the impedance and operating frequency of these sensors. These parameters are the basis of an optimization of the global system in terms of sensitivity radar range and the minimal levels of Radar Cross Section (RCS) of the interrogated targets.The validation of this analysis is limited by the reader's maximum range and by various RCS measurements of several types of sensors in the frequency bands of 3GHz and 30GHz. Two principles of sensor passive identification are then presented. The first is based on the simultaneous use of both modes of the sensor's RCS (structural mode and antenna mode), facilitating the identification by one mode and measuring the physical quantity using the other mode. The second principle uses the spectrum of a multiband scatterer where its reconfigurable RCS can associate the identification of each sensor in a network, such as a barcode. In conclusion, the result obtained in this thesis validate the principle of an interrogating network of passive sensors over a long reading range and consequently open a new way of sensor design for future aerospace, nuclear and environment applications.


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