Approche statistique pour la quantification des performances d'antennes fortement couplées : application à la RFID dans le contexte d'une densité élevée de tags

Statistical approach for quantifying the performance of highly coupled antennas : application in the context of high density of RFID tags

• Auteur / Autrice : Imad Adjali
• Direction : Jean-Marc Laheurte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 23/01/2020
• 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 - Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM
• Jury : Président / Présidente : Christophe Craeye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Matthieu Egels, Shermila Mostarshedi, Benoît Poussot, Smaïl Tedjini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Egels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dipôles magnétiques

Systèmes d'identification par radiofréquence

Antennes-réseaux

Mots clés libres

Canal de propagation

Réseau d'antennes

Rfid

Propagation channel

Antennas array

Rfid

Résumé

Cette thèse se place dans un contexte applicatif spécifique de la RFID (Radio Frequency Identification) UHF (Ultra-High Frequency) pour lequel un grand nombre de tags RFID est concentré dans un volume réduit. Ce contexte conduit à des configurations pour lesquelles les antennes associées aux tags sont fortement couplées. Dans ces conditions de fort couplage et de forte densité de tags, une antenne peut voir son impédance d’entrée désadaptée et son diagramme de rayonnement distordue. La conséquence de cette diminution des performances de l’antenne tag est la réduction globale du taux de lecture des tags liée à la dégradation du bilan de liaison individuel entre certains tags et l’antenne lecteur. Afin d’appréhender ce problème fortement aléatoire du fait de la distribution à priori inconnue des tags, il est nécessaire de développer une méthode statistique robuste. Pour atteindre des temps de simulation raisonnables malgré un grand nombre de réalisations de distributions aléatoires de tags, l’approche choisie dans cette thèse est de modéliser les antennes tags et le couplage entre antennes par des antennes dipôles grâce à des modèles analytiques basés sur la méthode IEMF. Ces dipôles peuvent être chargés sur des impédances adaptées ou non pour s’approcher du cas réel d’antennes tags chargées par l’impédance d’entrée des puces RFID. Les modèles analytiques sont validés par des méthodes numériques et des mesures. Les analyses statistiques des données concernent la désadaptation en impédance et le gain dans la direction du lecteur. Des analyses statistiques sont également effectuées sur des simulations de tags commerciaux avec une corrélation satisfaisante avec les résultats de dipôles. A terme, ce travail de thèse portant sur le « comportement de groupe » d’antennes doit fournir les outils d’analyse et de synthèse nécessaires pour évaluer la robustesse d’un design d’antenne RFID dans un environnement proche caractérisé par une forte densité de tags et un fort couplage

This context of this thesis is that of UHF RFID use cases where a large number of RFID tags is concentrated in a limited volume. This context leads to scenarios in which the tag antennas can be strongly coupled electromagnetically. Under the conditions of high coupling and high density of tags, an antenna can be mismatched and its radiation pattern distorted. As a result of the antenna’s loss of performance, a global reduction of the tags reading rate can be observed as well as a drop of the reading distance for some of the tags. In order to tackle this highly random problem flowing from the unknown distribution of tags, the approach developed in this work is to assume that the electromagnetic coupling between antennas can be modeled by analytical formulas of self and mutual impedances valid for straight resonant dipoles. These dipoles can be loaded by complex impedances corresponding to the chip input impedances of real commercial RFID tags. The analytical models are validated by numerical simulations and experimental results. Statistical studies are performed for a large number of dipole distributions in terms of impedance mismatch and embedded gain variations in the direction of the reader. A statistical analysis of simulated commercial tags is also performed showing a good correlation with the dipole statistics. In the future, this work on the “group behavior” of antennas should provide the analysis and synthesis tools required for a robust evaluation of the tag performances in an environment characterized by a high tag density