Système magnéto-inductif d’estimation de distance en champ proche très faiblement couplé : modélisation et applications

Extremely Loosely Coupled Near-Field Magneto-Inductive Ranging System : Modeling and Applications

• Auteur / Autrice : Vighnesh Gharat
• Direction : Geneviève Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Laheurte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Baudoin, Valérie Renaudin, Yassin El Hillali, Elizabeth Colin, Nel Samama, Paul Ivaldi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Renaudin, Yassin El Hillali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures électromagnétiques

Systèmes d'identification par radiofréquence

Champs magnétiques

Mots clés libres

Estimation de distance

Systèmes très faiblement couplé

Champs magnétiques quasi-Statiques

Bf

Nfmi

Mesures d’intensité de champ magnétique

Magnetic field strength measurements

Extremely loosely coupled systems

Nfmi

Quasi-Static magnetic fields

Lf

Ranging

Résumé

Les champs magnéto-quasistatiques à basse fréquence (BF) sont moins affectés par les trajets multiples et les effets de masquage dus aux obstacles que les signaux radioélectriques à fréquences plus élevées, ce qui permet de meilleures performances d’estimation de la distance dans les environnements de propagation à trajets multiples et sans trajet direct (NLOS - Non-Line-of-Sight). Les systèmes RFID traditionnels en champ proche basés sur le couplage inductif couvrent une plage de fonctionnement limitée. Bien que l’augmentation de la taille des boucles augmente la plage opérationnelle des systèmes à couplage inductif, cette solution ne convient pas lorsque des systèmes compacts et faciles à déployer sont nécessaires. Compte tenu de ces aspects, un système bi-fréquence-RFID basé sur la communication NFMI (Near-Field Magneto Inductive) est présenté. Ce système utilise l’intensité du champ magnétique pour l’estimation de la distance.Le système bi-fréquence-RFID présenté utilise un signal de fréquence 125 kHz pour l’estimation de la distance, tandis que la communication des données s’effectue à 433 MHz. Le système comprend des émetteurs BF générant des champs magnéto-quasistatiques, des étiquettes RFID actives servant de récepteur BF et d’émetteur UHF, enfin, des lecteurs UHF qui reçoivent les informations d’intensité de champ magnétique et les données d’identification des émetteurs BF ainsi que des étiquettes. Le récepteur BF de l’étiquette mesure l’intensité du champ magnétique pouvant être utilisé pour l’estimation de la distance. Ce type d’architecture augmente les cas d’utilisation du système et permet différents scénarios d’application basés sur une estimation de la distance, tels que le contrôle d’accès, la sécurité et la localisation en temps réel. Le travail présenté s’est effectué dans le cadre d’un partenariat de recherche ANRT CIFRE, il a été réalisé en tenant compte des besoins et des contraintes de l’entreprise.Les principales contributions apportées par le travail présenté sont :1. Modélisation du couplage inductif dans des systèmes à couplage extrêmement lâche,2. Optimisation du système pour une plage opérationnelle étendue et et une meilleure compacité,3. Evaluation de l’influence de l’orientation du tag pour une antenne 3D et un traitement simplifié,4. Évaluation de l’influence des matériaux ferromagnétiques sur le signal produit par le système,5. Évaluation des performances du système présenté et comparaison à des solutions existantes basées sur les technologies UHF et UWB

Low-Frequency (LF) magneto-quasistatic fields are less affected by multipath and shadow fading from obstacles when compared to the radio signals with higher frequencies, thus enabling better range estimation performance in strong multipath and Non-Line-of-Sight (NLOS) environments. Traditional near-field RFID systems based on inductive coupling suffer from the low range of operation and thus are limited in use cases. Although increasing the loop sizes increases the operational range of inductively coupled systems, this solution is not suitable where compact and easy-to-deploy systems are needed. Considering these aspects, a dual-frequency-RFID system for ranging and positioning based on Near-Field Magneto Inductive (NFMI) communication is presented. This system makes use of magnetic field strength for range estimation.The presented dual-frequency-RFID system relies on 125 kHz signal for range estimation while the data communication is handled at 433 MHz. The system consists of LF transmitters which generate magneto-quasistatic fields, active RFID tags which serve as LF receiver and Ultra-High-Frequency (UHF) transmitter, and UHF readers which capture the magnetic field strength information and identification data of the LF transmitters and the tags. The LF receiver on the tag measures the magnetic field strength which can be used for range estimation. This kind of architecture increases the use cases of the system and enables various range-estimation based application scenarios for the system such as access control, security, and real-time localization. As the presented work is a part of the ANRT CIFRE research partnership contract, it is carried out considering the industrial needs and constraints.The main contributions made by the presented work are:1. Modelization of inductive coupling in extremely loosely coupled systems2. Optimization of the system for large operational range and compactness3. Evaluation of the influence of tag orientation for a 3D antenna with simplified processing4. Evaluation of the influence of ferromagnetic materials on the signal produced by the system5. Evaluation of the performance of the presented system in terms of distance-estimation-based applications and comparing it with existing solutions based on UHF and Ultra-Wide Band (UWB) technologies