Caractérisation expérimentale et numérique précise des liaisons RFID avant et arrière pour les étiquettes fortement couplées, y compris la nonlinéarité de l'impédance de la puce

Accurate experimental and numerical characterization of the forward and reverse RFID links for strongly coupled tags including nonlinearity of chip impedance

• Auteur / Autrice : Jithin Mudakkarappilli Sudersanan
• Direction : Jean-Marc Laheurte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Mazé-Merceur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Raphaël Gillard, Matthieu Egels, Benoît Poussot, Shermila Mostarshedi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Gillard, Matthieu Egels
• DOI : 10.70675/d4ef35bfz9c6cz40adz987dzb44404bb50ee

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes d'identification par radiofréquence

Construction

Impédance électrique

Capteurs (technologie)

Antennes (électronique)

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Mots clés libres

Système RFID

Tags RFID couplés

Couplage électromagnétique

Distance de lecture

SER différentielle

Impédance de puce non linéaire

RFID system

Coupled RFID tags

Electromagnetic coupling

Read range

Differential RCS

Nonlinear chip impedance

Résumé

Le contexte de cette thèse aborde les scénarios RFID UHF impliquant la mise en jeux d'un grand nombre de tags. Ces tags sont d'une part distribués de manière aléatoire et d'autre part concentrés dans un volume électriquement réduit. Dans cette situation, la proximité des éléments rayonnants entraîne un couplage électromagnétique important entre les antennes des tags, impactant le lien radio entre le lecteur et chaque tag. Par conséquent, on observe généralement une dégradation des indicateurs de performance clés du système, tels que la distance maximum de lecture ou le taux de lecture. Ce travail de recherche présente une analyse de performance d'un système RFID dans un contexte de forte densité de tags en incluant des aspects statistiques. À cette fin, un modèle est proposé pour les liaisons montante et descendante, incluant les effets de couplage entre les tags. Ce modèle est validé par des simulations et des mesures. Avant de se concentrer sur l'analyse complexe d'un ensemble de tags, une caractérisation complète d'un tag RF fabriqué au laboratoire est présentée. Ce tag RFID est composé d'une antenne gravée sur un substrat epoxy et utilise une puce Higgs-9. L'impédance de l'antenne est simulée et mesurée. L'impédance non linéaire de la puce est caractérisée par un impédancemètre. L'ensemble du tag est composé de l'antenne et de la puce et il est testé dans le cadre du protocole RFID. Compte tenu de la complexité du problème posé, l'ensemble des tags RFID est également modélisé par un ensemble de dipôles chargés afin de simplifier l'analyse electromagnétique. Ce modèle simplifié reste valide à condition qu'une corrélation élevée entre le comportement d'un ensemble de dipôle et celui des tags réels puisse être prouvée. La dégradation des performances due au couplage dans la liaison descendante est analysée en termes de surface équivalente radar différentielle ou SER différentielle, car elle est indicative de la discrimination possible des états de modulation présents sur le signal rétrodiffusé par le tag. La SER différentielle est calculée à l'aide des coefficients de réflexion estimés du tag environné. Les coefficients de réflexion du tag sont estimés pour deux niveaux de charge différents. La SER différentielle est également mesurée directement par le protocole RFID. Dans la dernière partie de ce travail de recherche nous prenons en compte l'impact des non-linéarités de l'impédance complexe de la puce en plus des effets du couplage dans la liason descendante. Sachant que l'impédance complexe de la puce est une fonction de la puissance au niveau de la puce, une procédure de mise en correspondance est présentée pour estimer précisement l'impédance complexe de la puce à partir d'une base de données issue de mesures. A partir du modèle de couplage il est possible d'estimer la puissance délivrée aux puces d'un ensemble de tags distribués aléatoirement incluant les phénomènes de non linéarités. Les déductions tirées de ce travail, combinées à des données statistiques pertinentes, pourraient être utilisées par les ingénieurs concepteurs RFID pour évaluer les performances d'un scénario RFID en prenant en compte le couplage mutuel et l'impédance non linéaire de la puce

The context of this thesis is primarily centered around UHF RFID scenarios which involve a large number of tags randomly distributed and confined in an electrically reduced volume. The proximity of the radiating elements would result in significant electromagnetic coupling between the tag antennas, impacting the communication link between the reader and the tags. Consequently, the key performance indicators of the system such as read-range and read-rate get degraded. This research work presents a performance analysis of such an RFID system by including statistical aspects. To this aim, a model for the forward and reverse links including coupling effects between the tags is presented, which is validated by electromagnetic simulations and measurements. Prior to delving into the analysis involving a set of tags, a comprehensive characterization of the home-made RFID tag integrated with a Higgs-9 chip which is used in the study is performed. The antenna impedance is simulated and measured, while the nonlinear chip impedance is characterized by an impedance analyzer. The whole tag composed of the home-made antenna and the chip is tested under the RFID protocols. Considering the complexity of the problem at hand, the set of RFID tags under study is also modeled by a set of loaded dipoles in order to simplify their electromagnetic model provided that a high correlation between their behaviour could be proved. At this stage, the monostatic RCS is studied with an objective of highlighting the degradation in the response of an isolated tag to that of the same tag while surrounded by other tags. The coupling effects on the impedance and the radiation pattern of a tag are thus included in this monostatic RCS response. Afterwards, the forward link is analyzed in terms of the power absorbed by the chip and the maximum read-range of an interrogated tag while being surrounded by neighboring loaded tags. Interestingly a clear correlation is observed between the power absorbed by the chip obtained by simulation and the maximum read-range which is obtained by simulation and measured under RFID protocol. Multiple random configurations of tags have been tested and as a result of this part, a circuit-level observable is correlated to a direct system-level observable. The performance degradation due to coupling in the reverse link is analyzed in terms of the differential RCS, as it is indicative of the modulation depth from the tag. The differential RCS is calculated using the estimated reflection coefficients of the surrounded tag for two different load levels and is also measured directly under RFID protocol. As the last part, this research work takes into account the impact of nonlinear evolution of the complex chip impedance, along with coupling effects in the reverse link. Knowing that the chip impedance is a function of the input power, a mapping procedure is presented for the chip impedance estimation. The coupling model provides the power delivered to the chip, which is then mapped to obtain the nonlinear chip impedance of each tag in a set of randomly distributed tags. The inferences drawn from this work when combined with relevant statistical data could be used by RFID design engineers to assess the performance of an RFID scenario while being exposed to both mutual coupling and nonlinearities