Mémoire de Projet de Fin d Etude

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Mémoire de Projet de Fin d’Etude

Pour l’obtention du diplôme de Master Sciences et Techniques Systèmes Intelligents et Energies

(S.I.E)

Réalisé au sein de : Laboratoire Signaux, Systèmes et Composants

Réalisé par :

ELKHOMSI Imane Encadré par :

EL AMRANI EL IDRISSI Najiba (LSSC-FST-FES)

Soutenu le 15 Juillet 2021, d

evant le jury composé de :

Pr. EL AMRANI EL IDRISSI Najiba Encadrant (FST-FES) Pr. ALAMI Aicha

Examinateur (FST-FES) Pr. JORIO Mohammed

Examinateur (FST-FES) Pr. ABDI Farid Examinateur (FST-FES)

Conception d’antennes Micro-Ruban pour un lecteur RFID

ساف تاينقتلاو مولعلا ةيلك

ⵜⴰⵖⵉⵡⴰⵊⵜ ⵊ ⵜⵎⴰⵙⵙⴰⵊⵉⵊ ⴷ ⵜⵙⵊⵉⴳⵉⵜⵉⵊ Faculté des Sciences et Techniques de Fès

اللهدبع نب دمحم يديس ةعماج

ⵜⴰⵙⴷⴰⵎⵉⵜ ⵙⵉⴷⵙ ⵎⵓⵃⵎⵎⴰⴷ ⴱⵏ ⵄⴱⴷⵓⵍⵍⴰⵀ Université Sidi Mohamed Ben Abdellah

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Dédicace

Je dédie ce travail à :

Mes chers parents, mes grands-parents mon cher frère et ma chère sœur, pour leurs sacrifices, leur soutien moral, et leur aide durant toute la période de mes études.

Mes amis Sanae et Chaymae

Mon encadrante pour son encadrement et la confiance qu’elle m’a témoignée.

Mes professeurs et mes enseignants

A tous ceux qui m’ont aidé de près ou de loin, je leurs dédie cet humble travail en reconnaissance de leur inestimable soutien durant ce long parcours.

ELKHOMSI Imane

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Remerciements

Je remercie ALLAH le tout puissant qui m’a donné le courage et la volonté de mener à terme le présent travail.

Ensuite, je tiens à remercier mon encadrante, Madame

EL AMRANI EL IDRISSI Najiba

Electronique à la FST de FES pour son support, son encadrement, ses conseils et le temps qu’elle a bien voulu me consacrer afin d’apporter des réponses à toutes mes questions.

Mes sincères remerciements s’adressent à Monsieur Farid ABDI, directeur du laboratoire signaux, systèmes et composants.

Je profite aussi de ce stage pour exprimer mes plus vifs remerciements à Monsieur Abdellah MECHAQRANE, coordonnateur de la filière SIE et tout le corps professoral de la FST de Fès, pour tous leurs enseignements et leurs volontés réelles de nous transmettre le savoir.

F. ABDI

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Table des matières

Dédicace ... 2

Remerciements ... 3

Introduction Générale ... 7

Chapitre I : Présentation de l’organisme d’accueil et cahier de charge ... 9

1- Introduction : ... 10

2- Présentation de l’organisme d’acceuil :... 10

3- Cahier des charges : ... 10

4- Conclusion : ... 10

Chapitre II : La technologie RFID ... 11

1- Introduction : ... 12

2- Généralité sur la technologie RFID : ... 12

3- Les applications de la RFID : ... 12

4- Les fréquences allouées : ... 16

5- Inquiétude de la technologie RFID : ... 16

6- Principe général de fonctionnement : ... 17

7- Les systèmes RFID : ... 21

8- Conclusion : ... 24

Chapitre III : Etude des antennes micro ruban ... 26

1- Introduction : ... 27

2- Les différentes formes d'une antenne patch : ... 27

3- Caractéristiques des antennes : ... 28

4- Techniques d'alimentation : ... 29

5- Conclusion : ... 30

Chapitre IV : Conception et simulation d’une antenne micro ruban... 31

1- Introduction : ... 32

2- Logiciel HFSS (High Frequency Structure Simulator) : ... 32

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3- La méthode des éléments finis (FEM) : ... 33

4- Description des modules à réaliser : ... 33

5- Cahier des charges : ... 33

6- Simulation et optimisation d’une antenne rectangulaire : ... 33

7- Simulation et optimisation d’une antenne à patch circulaire : ... 45

8- Conclusion : ... 49

Conclusion générale et perspective : ... 50

Table des figures

Figure 2 : Traçage des biens ... 13

Figure 3 : Domaines d'applications de la technologie RFID ... 16

Figure 4 : Différentes bandes de fréquences allouées pour les systèmes RFID ... 16

Figure 5 : Principe de fonctionnement ... 18

Figure 6 : Schéma fonctionnel de l’émetteur RFID. ... 18

Figure 7 : Exemples de station de base ... 19

Figure 8 : Exemples d'hôtes ... 20

Figure 9 : Structure d'un tag RFID ... 20

Figure 10 : Exemple de tag RFID ... 21

Figure 11 : Exemple de tag RFID passif ... 22

Figure 12 : Exemple de tag RFID semi passif ... 23

Figure 13 : Exemple de tag RFID actif ... 23

Figure 14 : Formes d'antennes patch... 28

Figure 15 : Technique d'alimentation par ligne micro ruban ... 29

Figure 16 : Technique d'alimentation par ligne coaxiale ... 30

Figure 17 : technique d'alimentation par couplage par proximité. ... 30

Figure 18 : Méthodologie de simulation d'antennes ... 32

Figure 19 : Les paramètres géométriques de l’antenne rectangulaire réalisée ... 34

Figure 20 : La géométrie de l’antenne rectangulaire ... 34

Figure 21 : Le coefficient de réflexion sans adaptation ... 35

Figure 22 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation quart d'onde... 35

Figure 23 : La géométrie de l’antenne rectangulaire avec adaptation quart d'onde ... 35

Figure 24 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence ... 36

Figure 25 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire) ... 36

Figure 26 : Résultat d'impédance d'entrée ... 37

Figure 27 : Résultat de la directivité ... 37

Figure 28 : Résultat du gain ... 37

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Figure 29 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation par encoches ... 38

Figure 30 : La géométrie de l’antenne rectangulaire avec adaptation par encoche ... 38

Figure 31 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence ... 38

Figure 32 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire). ... 39

Figure 33 : Résultat d'impédance d'entrée ... 39

Figure 35 : Résultat du gain ... 39

Figure 34: Résultat de la directivité ... 39

Figure 36 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation quart d'onde (en utilisant le Roger 3003) ... 40

Figure 37 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence (en utilisant le Roger 3003) ... 40

Figure 38 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire) (en utilisant le Roger 3003) ... 41

Figure 39 : Résultat d'impédance d'entrée (en utilisant le Roger 3003) ... 41

Figure 40 : Résultat de la directivité (en utilisant le Roger 3003) ... 41

Figure 41 : Résultat du gain (en utilisant le Roger 3003)... 42

Figure 42 : La géométrie de l’antenne rectangulaire par les encoches ... 42

Figure 43 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence ... 43

Figure 44 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire) ... 43

Figure 45 : Résultat du gain ... 43

Figure 46 : Antenne à fentes cylindriques... 44

Figure 47: Coefficient de réflexion de l'antenne à fente cylindriques ... 44

Figure 48 : VSWR et Zin ... 45

Figure 49 : Gain et directivité ... 45

Figure 50 : Géométrie de l'antenne circulaire ... 46

Figure 51 : Coefficient de réflexion S11 ... 47

Figure 52 : VSWR ... 47

Figure 53 :Ll'impédance d'entrée ... 47

Figure 54 : Le gain de l'antenne circulaire ... 48

Figure 55 : Coefficient de réflexion en utilisant le substrat Rogers RO3003 ... 48

Figure 56 : VSWR de l’antenne... 48

Figure 57 : Impédance d'entrée ... 49

Figure 58 : Le gain en utilisant le substrat Rogers RO3003... 49

Liste des tableaux

Tableau 2 : Comparaison des difrents systèmes RFID ... 24

Tableau 3 : Comparaison du différent mode RFID ... 24

Tableau 4: dimension du patch circulaire ... 46

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Introduction Générale

La technologie connait de nos jours son plein essor, touchant tous les secteurs. Les télécommunications viennent en premier lieu, car elles ne cessent de donner naissance à plusieurs standards comme les réseaux sans fils qui sont très répandus du fait qu’ils offrent aux utilisateurs le confort, la liberté et la mobilité.

Ces nouvelles technologies sont devenues omniprésentes dans notre société moderne. Elles contribuent à la croissance économique, l’échange des informations et leurs diffusions. Les technologies d’identification en font partie. Ces dernières possèdent une large palette d’applications qui se répand sur une infinité de domaines allant de la distribution à la sécurité, la logistique, la traçabilité…

Les technologies d’identification ont débutés avec les codes barre et par des identifications par contact comme les cartes bancaires, les cartes d’appel téléphonique. Des développements récents des systèmes sans fil et de la micro-électronique ont contribué à la création de nouvelles technologies d’identification sans contact dite technologies de radio identification (ou RFID).

Ces nouvelles technologies de par leur grande souplesse rendent l’échange d’information nettement plus rapide et plus efficace.

Bien que les premiers systèmes RFID qui ont vu le jour fonctionnent essentiellement dans des bandes de fréquences basses, ils ont ouvert la voie au développement d’une nouvelle technologie RFID, plus performante et à faible coût, fonctionnant à des fréquences plus élevées.

Il s’agit de la technologie RFID UHF (ULTRA HIGH FREQUENCY) passive qui possède un mode de fonctionnement bien particulier.

Un système RFID est composé des deux entités majeures, l’étiquette et le lecteur.

L’identification est réalisée grâce à des étiquettes RFID passives appelé également « tag », qui sont associées aux produits à identifier. Ces tags sont constitués d’une puce électronique et d’une antenne. Contrairement aux systèmes classiques, ils sont alimentés à distance et ne possèdent aucune source propre d’émission radiofréquence. Ils sont plutôt alimentés à partir d’une onde électromagnétique qui leur provient du lecteur lors de la présence du tag dans la zone de lecture de ce dernier. Les antennes du tag et celles du lecteur sont responsables de l’établissement de la communication entre le lecteur et l’étiquette. C’est pourquoi leur conception requiert attention et précision afin d’obtenir une communication cohérente.

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Le développement des antennes RFID UHF est l’objet de mon travail. Je me suis intéressée à leur conception, notamment aux techniques d’adaptation des impédances d’entrée des antennes à celles des puces utilisées. Cette phase de conception reste difficile à atteindre.

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Chapitre I : Présentation de l’organisme d’accueil et

cahier de charge

10 1- Introduction :

Ce chapitre introductif est consacré à une présentation générale de laboratoire LSSC au sein duquel s’est déroulé le stage en précisant son domaine d’activité.

2- Présentation de l’organisme d’acceuil :

Le laboratoire signaux, systèmes et composants dirigé par monsieur ABDI Farid et créé en 1998 par UFR (unité de formation et de recherche) et il a été accrédité par l’USMBA en 2005.

Ce laboratoire regroupe plusieurs compétences allant de la physique fondamentale, du génie électrique avec toutes ses variantes en passant par les mathématiques appliquées, l’informatique pour constituer un consortium qui traitera les thématiques liées, aux énergies renouvelables et aux systèmes intelligents et leur sécurisation.

Les équipes de recherche du laboratoire sont au nombre de cinq :

• Signaux, Télécommunications, Antennes & CEM.

• Objets/systèmes communicants, Réseaux et capteurs.

• Intelligence artificielle et systèmes embarqués.

• Signaux complexes Image, parole et Vidéo.

• Ingénierie des matériaux et composants.

L’objectif de ce laboratoire est de contribuer et renforcer la recherche, le développement technologique et l’innovation au sein de L’USMBA. [1]

3- Cahier des charges :

Ce projet a pour but de concevoir deux antennes micro-ruban à patch rectangulaire et circulaire pour lecteur RFID à la fréquence de 867MHz avec une bonne adaptation.

4- Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons donné une vision sur l’organisme dans lequel le stage s’est déroulé ainsi que ses collaborateurs, ensuite nous avons donné le cahier de charge du projet et dévoiler l’objectif du travail demandé,

Avant de commencer la conception, il est absolument nécessaire de connaitre c’est quoi la technologie RFID qui sera l’objectif du prochain chapitre.

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Chapitre II : La technologie RFID

12 1- Introduction :

La RFID est une technologie d’identification automatique qui utilise le rayonnement radiofréquence. Elle sert à identifier des objets porteurs d’étiquette lorsqu’ils passent à proximité d’un lecteur, une communication s’établit et les données contenues dans l’étiquette sont transférées vers le lecteur. Elles peuvent également être modifiées suite à une commande particulière. Ce chapitre sera un aperçu sur cette technologie, ses applications, son principe de fonctionnement.

2- Généralité sur la technologie RFID :

L’une des premières applications de l’utilisation des ondes électromagnétiques pour l’identification des objets remonte aux années 30-40 pendant la deuxième guerre mondiale.

Dans un contexte hostile où les avions en vol ne pouvaient être identifiés que directement par l’homme, les allemands avaient développé un système radar capable de reconnaître les avions de leur flotte lorsqu’ils se rapprochaient de leurs bases terrestres et ainsi les distinguer des avions ennemis. Le principe était qu’une fois que l’avion se rapprochait de sa base et se trouvait dans la zone d’action du radar, le pilote devait réaliser une figure aérienne spéciale afin de rétro- envoyer le signal émis par le radar de la base et y inclure comme information une trace de la manœuvre réalisée. De cette façon, les contrôleurs aériens sur terre arrivaient à identifier si l’avion en approche de la base était ami ou ennemi. Cet exemple illustre l’une des toutes premières applications de système RFID passif. Toujours dans le même contexte et pour les mêmes raisons, l’autre camp du conflit, la Royal Air Force avait également développé un système radar permettant l’identification des avions alliés ou ennemis dans l’air. Le système britannique consistait à placer un transpondeur sur les avions de leur flotte. Une fois que le transpondeur recevait le signal envoyé par le radar de la station de base sur terre, il envoyait un signal de retour informant qu’il s’agissait d’un avion allié. Ce second cas illustre un premier exemple d’application, cette fois, de système RFID actif.

De nos jours, grâce aux avancées technologiques liées à la fabrication des circuits microélectroniques et surtout aux avancées scientifiques dans le domaine des radiofréquences, la radio-identification a beaucoup évolué par rapport aux deux cas présentés précédemment. La maîtrise de l’électromagnétisme appliqué au domaine radio et microondes a permis le développement de systèmes RFID plus robustes, plus compacts et avec une capacité d’échange des données beaucoup plus importante. L’évolution dans le domaine de la microélectronique a aussi permis la réduction des coûts de fabrication des composants électroniques qui constituent les systèmes RFID. [2]

3- Les applications de la RFID :

Les applications des systèmes RFID ne sont pas dénombrables. L’éventail s’élargit de jour en jour par la naissance d’idées développant de nouveaux systèmes.

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Parmi la large palette d’applications existantes, on peut citer :

 Traçabilité logistique et traçabilité produit :

La Traçabilité logistique est une forme de traçabilité qui désigne le suivi quantitatif des produits. Elle porte surtout le positionnement géographique des unités logistiques, il peut s’agir de :

- Service /unité logistique interne. Les tags à l’usage d’une seule personne font partie de ceux ayant une mémoire et généralement au moins un capteur, comme ceux

embarqués dans les camions qui enregistrent la masse à vide, la masse chargée et la distance parcourue pour chaque transport

- Logistique en circuit fermé. Il s’agit par exemple du suivi des bouteilles de gaz, des conteneurs, des livres dans les bibliothèques, des DVD en locations ou tout autre article où il y a recyclage interne des tags.

- La traçabilité produit est une forme de traçabilité qui désigne le suivi qualitatif des produits. Elle consiste à capturer, stocker et gérer toutes les informations du produit.

Ainsi, si un produit est identifié comme non conforme, les acteurs du marché devront démontrer qu'ils ont respecté des normes rigoureuses de qualité.

Figure 1 : Traçage des produits

Figure 2 : Traçage des biens

 Production industrielle des biens, surveillance et maintenance :

Il s’agit d’une application qui veille sur le bon archivage des documents, sur la protection de l’environnement par exemple :

- Les systèmes d’archivage. La société MAGELLAN a commercialisé un système d’archivage de document ; ou chaque document ou feuille est doté d’étiquette.

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- Simultanément, le lecteur permet d’inventorier 100 000 documents sur une armoire, ou de récupérer des fichiers stockés dans une boite d’archive, le tout en quelques secondes.

- Automatisation / contrôle des processus. L’intégration des étiquettes dans les articles au début de la chaîne de fabrication pourra permettre non seulement d’enregistrer le passage à chaque étape de processus, mais aussi de conserver la trace d’éventuel réglage, test, remise en conformité, mise à jour, et ce tout au long de la vie du produit.

Sur la chaine de production, ces informations peuvent être aussi récupérées, utilisées et enregistrées par les automates ou opérateurs.

 Contrôle d’accès et traçabilité des hommes et des animaux : Ceci englobe certaines applications comme :

- Etiquetage et billetterie : cette application est largement répandue dans les transports par le biais de cartes d’abonnement à RFID.

- Système de contrôle d’accès : il s’agit de l’une des applications les plus usuelles. Elle permet en plus d’accéder aux données biométriques d’un individu incluses dans les étiquettes.

- Traçabilité animale : l’identification des bétails est l’une des plus anciennes applications qui remonte aux années 80. La nouveauté est qu’avec les étiquettes actuelles dotées de mémoire, il est possible d’enregistrer les informations médicales (vaccination) ou même alimentaires en plaçant des lecteurs à côté des mangeoires.

 Carte de fidélité, de paiement, ou de membre :

Ces applications facilitent aux utilisateurs l’accès aux différents services, par exemple :

- Carte de fidélité à technologie RFID : leur mise en application permet de dispenser du remplissage de formulaire pour la garantie par exemple. Actuellement, elles sont compatibles avec la technologie NFC (near filed communication) et donc liée au téléphone portable

- Carte de membre ou d’adhérent grâce aux étiquettes. L’usager pourra être identifié et donc il peut accéder à un service.

- Les cartes bancaires sans contact : comme la carte de fidélité, elles deviennent également compatibles avec la technologie NFC.

 Santé :

Dans ce domaine, la technologie RFID est utilisée dans certaines applications comme :

- Assistances aux handicapés : le dispositif « Tell Mate » a été inventé. Il sert les non- voyants ou malvoyants à identifier leurs objets les plus usuelles, et ceci en affectant à chaque objet une étiquette. Il faut ensuite enregistrer un commentaire audio correspondant à cet objet. Dès que l’utilisateur le souhaite, il présente l’objet au lecteur pour obtenir le commentaire associé.

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- Gestion des hôpitaux : les appareillages disponibles dans les hôpitaux peuvent contenir des étiquettes permettant de tracer leur nettoyage, désinfection, stérilisation, et disponibilité. Une autre application très intéressante dans la traçabilité du don du sang.

Grâce à un système qui contient un capteur de température celle-ci est contrôlée en permanence le long de la chaine de détention.

- Les implants : il s’agit de permettre l’identification des patients grâce au numéro d’identification unique l’UID des étiquettes. En effet, il est possible de localiser et de suivre un patient (ayant un problème de mémoire comme l’Alzheimer), via son implant, dans un hôpital devant être équipé d’un système de localisation en temps réel (RTLS : Real Time Location System)

- Surveillance médicale : des bracelets peuvent être attribués aux patients remplaçant les feuilles de soin. Ils contiennent les données utiles (le numéro du médecin traitant ; de l’infirmière) et sont reliés à une base de données qui stocke les dossiers des malades

 Sport :

La technologie RFID a touché certaines applications sportives par exemple :

La ligne d’arrivée des courses peut être dotée d’étiquettes, pour connaitre l’ordre d’arrivée des coureurs. De même des tags sont insérés sur les balles pour pouvoir les localiser

 Services publics :

Les services publics utilisent la RFID par exemple :

- Maintenance des services : certains compteurs d’électricité, d’eau ou de gaz portent actuellement des étiquettes pour pouvoir être relevé à distance.

- Système de télépéage : le système de péage électronique permet d’automatiser le paiement et de réduire les arrêts et fluidifier le trafic.

- Carte d’identité et passeport : le passeport intègre une image de visage ainsi que les empreintes digitales de huit doigts stockés dans une puce RFID.

- Carte de sécurité sociale : Elle est dotée de puce contenant les informations de chaque personne.

Toutes ces applications et ces exemples nous montrent l’omniprésence de cette technologie dans la vie actuelle des individus

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Figure 3 : Domaines d'applications de la technologie RFID

4- Les fréquences allouées :

Plusieurs bandes de fréquence sont disponibles pour les applications RFID. Elles sont adaptées aux diverses technologies développées par l’industrie pour des applications spécifiques, la figure suivante détaille les bandes de fréquence allouées aux applications RFID

Figure 4 : Différentes bandes de fréquences allouées pour les systèmes RFID

5- Inquiétude de la technologie RFID :

Comme toute nouvelle technologie qui s’intègre dans une société, la RFID crée des majeures inquiétudes concernant la sécurité des dispositifs et des individus en terme sanitaire et médicale.

 Au niveau de la sécurité :

A l’heure actuelle aucun système sécuritaire ne s’est avéré inviolable, tous ont subis des interceptions de données ou de brouillage ou interférences ou autre.

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L’espionnage des systèmes radiofréquence est favorisé, l’interception des communications étant simple à mettre en œuvre. Des expériences ont montré que l’accès aux données d’une carte bancaire reste possible.

A son tour l’utilisateur devra être sensibilisé à la sécurité des systèmes en le supposant inviolable, car ce type de défaillance humaine devra être toujours pris en compte toujours quel que soit le progrès de la technologie.

 Au niveau de la santé :

Les normes sanitaires relatives aux rayonnements électromagnétiques sont imprécises.

Jusqu’à présent, plusieurs recherches auprès des émissions UHF SHF sont menées en vain, entre temps les dernières études épidémiologiques confirment le rapport entre la proximité d’antenne relais et le cancer. [3]

6- Principe général de fonctionnement :

La RFID (en anglais Radio Frequency Identification), ou encore nommée identification par radiofréquence, ou plus simplement radio-identification) utilise, comme son nom l’indique, des ondes radiofréquences pour l’identification des biens ou des personnes. Il faut souligner que le terme onde fait normalement référence aux ondes électromagnétiques se propageant dans l’espace libre. Mais ici le terme onde est utilisé plus généralement prenant en compte les ondes qui se propagent mais aussi les ondes (champs) qui oscillent autour de l’antenne. D’une façon générale, un système RFID est composé d’un émetteur et d’un récepteur. L’émetteur a comme rôle de fournir au récepteur à la fois de l’énergie radiofréquence (RF) et des informations et/ou commandes. Le récepteur, qui comporte l’information nécessaire pour identifier le bien auquel il est attaché, reçoit l’énergie et la commande transmises par l’émetteur, puis envoie son « information » (c’est-à-dire son identifiant). Dans l’univers de la RFID, l’émetteur est appelé la station de base ou plus fréquemment lecteur (dont la fonctionnalité est non seulement de lire mais aussi d’émettre, comme souligné précédemment), et le récepteur est généralement appelé tag (anglicisme répandu), étiquette, ou transpondeur RFID. La Fig. 1 nous donne une représentation schématique du principe de fonctionnement décrit faisant aussi apparaître les deux liens radio : émetteur vers récepteur dit liaison montante, et récepteur vers émetteur dit liaison descendante.

La technologie RFID (en anglais Radio Frequency Identification), ou encore nommée identification par radiofréquence, ou plus simplement radio-identification) utilise, comme son nom l’indique, des ondes radiofréquences pour l’identification des biens ou des personnes. Elle est basée sur l’émission de champ électromagnétique par le lecteur qui est reçu par l’antenne d’une ou de plusieurs étiquettes. Le lecteur émet un signal selon une fréquence déterminée vers une ou plusieurs étiquettes situées dans son champ de lecture. (Figure 5)

Ce champ électromagnétique se considère comme étant un support d’énergie d’activation de ces étiquettes. Une fois les étiquettes activées par le lecteur, elles transmettent alors en retour

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un signal et donc un dialogue se rétablit entre les deux entités, selon un protocole de communication prédéfini, et des données pourront être échangées.

Figure 5 : Principe de fonctionnement

6-1- Emetteur :

L’émetteur ou lecteur est constitué des trois éléments suivants : une antenne, une station de base et un système hôte, (Figure 6).

Figure 6 : Schéma fonctionnel de l’émetteur RFID.

 Antenne :

L’antenne est un composant qui a pour rôle la conversion de l’énergie guidée en énergie rayonnante qui se propagera dans l’espace libre, et réciproquement de convertir l’énergie RF présente en sa proximité en énergie guidée. L’énergie transmise ou récupérée par l’antenne contient les informations respectivement transmises par le tag et le lecteur. Dans un système RFID, les échanges d’informations se réalisent de façon bidirectionnelle à travers deux liaisons : la liaison montante (informations du lecteur transmises au tag) et la liaison descendante (informations, notamment l’identifiant, envoyées par le tag vers le lecteur). L’information reçue par l’antenne lecteur est ensuite dirigée vers la station de base pour le décodage et le traitement de l’information.

Le type d’antennes le plus utilisé en RFID UHF est l’antenne imprimée (ou antenne patch) en raison de ses caractéristiques avantageuses : antennes planaires et donc peu encombrantes, faciles à miniaturiser et à intégrer, compatibles avec la technologie des circuits intégrés et de faibles coûts.

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 Station de base :

La station de base (SB) est le cœur du lecteur RFID. Elle transfère, traite, traduit les commandes et les informations reçues pour le système hôte. Les fonctions de base de la SB sont :

Envoyer et fournir l’énergie RF pour réveiller le tag ;

Lire les informations stockées et/ou écrire de nouvelles informations dans le tag ; Transmettre les informations reçues au système hôte et les commandes de celui-ci au tag.

Des fonctions plus complexes peuvent être attribuées au lecteur comme par exemple :

- Un système d’anticollisions pour éviter les mélanges d’informations lors de la lecture simultanée de plusieurs tags ;

- Une authentification des tags pour éviter l’accès non autorisé au système via des fonctions de cryptage/décryptage.

L’architecture de la station de base peut être divisée en deux blocs principaux : l’unité de contrôle numérique (UCN) et le bloc RF. Le bloc RF contient la chaîne d’émission et la chaîne de réception des signaux RF. La partie émission est responsable de générer la porteuse sur laquelle le signal est modulé par le signal numérique envoyé par l’UCN, d’amplifier ce signal et de le transmettre à l’antenne. La chaîne de réception traite le signal reçu de la liaison descendante. Elle est notamment composée d’un démodulateur I/Q et d’un convertisseur analogique numérique. L’UCN est responsable du traitement les signaux numérisés, du transfert d’informations entre l’application (système hôte) et le tag, et de la gestion de l’exécution des tâches définies par le système hôte. Ce bloc est généralement constitué d’un microcontrôleur qui, pour les lecteurs les plus complexes, réalise les fonctions de codage/décodage, l’authentification, l’anticollision et le cryptage/décryptage des données entre le lecteur et le tag.

Voici quelques exemples de station de base (figure 7) [3]

Figure 7 : Exemples de station de base

 Système hôte :

Le système hôte est le système de contrôle responsable de la gestion de l’application à laquelle Acquises par la SB seront intégrées dans la base de données

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Le système hôte est le système de contrôle responsable de la gestion de l’application à laquelle le système RFID est appliqué. Il s’agit du cerveau du système, l’endroit où les informations acquises par la SB seront intégrées dans la base de données. Le système hôte est aussi responsable du contrôle du réseau de toutes les stations de base qui lui sont connectées pour les applications pour lesquelles plusieurs lecteurs sont utilisés. Ce système peut se présenter sous la forme d’un logiciel intégré dans l’ensemble du lecteur ou d’une interface ordinatrice extérieure à la station de base et à l’antenne. La figure 4 illustre des exemples des systèmes hôte

Figure 8 : Exemples d'hôtes

 Récepteur :

Le tag RFID est la « cible » du système et contient la clé, c’est-à-dire le code unique, qui permettra au lecteur d’identifier l’objet (ou la personne) auquel le tag est attaché. Le tag, dans sa configuration la plus classique, est composé d’une antenne et d’une puce électronique assemblées dans un même packaging semblable à une étiquette plastique avec un côté adhésif comme illustré (Figure 9). L’antenne est responsable de la récupération de l’énergie RF qui sera transmise vers la puce lors de la liaison montante, et du renvoi d’une partie de cette énergie incluant les informations du tag lors de la liaison descendante. Une fois que l’énergie reçue atteint le seuil de réveil de la puce, celle-ci se mettra en fonctionnement et pourra alors envoyer les informations stockées dans sa mémoire non volatile. Le lecteur accède à ces informations au travers de commandes ordonnant au tag de communiquer son identifiant, d’effacer ou d’écrire de nouvelles informations en mémoire. Avec l’antenne, le tag réalise trois fonctions principales : [4]

- Récupérer l’énergie pour alimenter la puce ; - Acquérir les données envoyées par le lecteur ; - Renvoyer les informations demandées au lecteur.

Figure 9 : Structure d'un tag RFID

La figure 10 nous montre quelques tags disponibles sur le marché

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Figure 10 : Exemple de tag RFID

7- Les systèmes RFID :

Plusieurs critères peuvent être utilisés pour distinguer et/ou caractériser les systèmes RFID comme la fréquence des ondes radio, les moyennes utilisés pour alimenter les étiquettes, les protocoles de communication entre l’étiquette et le lecteur. [5]

Le choix de la fréquence, la source d’énergie et le protocole ont des implications importantes sur la portée et le coût

 Fréquence de fonctionnement :

La fréquence sous laquelle le lecteur envoie de l’énergie et des commandes au tag est définie comme la fréquence d’opération ou fréquence de fonctionnement du système RFID. La fréquence de fonctionnement est l’un des principaux paramètres à considérer pour classifier un système RFID. En effet, tout le système est configuré selon la fréquence de fonctionnement : antenne(s) du lecteur et antenne du tag, station de base et puce du tag. La fréquence de fonctionnement définit aussi bien que la capacité de données qui peut être échangées entre lecteur et tag.

La RFID utilise quatre plages de fréquences dans les bandes de fréquence radio sans licence dédiées aux applications industrielles, scientifiques et médicales (ISM). Les ondes radio utilisées dans la RFID sont : les LF, les HF, les UHF, les super-hautes fréquences (SHF) ou microondes. Les principales particularités des bandes de fréquences RFID sont résumées dans le Tableau suivant :

Tableau 1: Principales caractéristiques des bandes de fréquences dédiées à la RFID.

Fréquence < 135 KHz LF 13,56 MHz HF 433/860-960 MHz & 2,45 GHz UHF

5,8 GHz SHF

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Portée maximum 0,5 m 1 m 3 à 6 m 1 m (passif)

Caractéristiques générales

-Tags relativement chers même par gros volumes - Faible dégradation des performances en milieu métallique ou liquide.

-Tags moins chers que les tags LF ; - Bien adapté aux applications à courte portée ; -Fréquence Unique dans le monde ;

-Les plus utilisées actuellement.

- Tags moins chers que les tags HF et LF en gros volume -Performances dégradées par rapport à la HF en milieu métallique ou aqueux ;

- Tag le plus cher due à la présence d’une source interne d’énergie (tag actif) ; -Très forte sensibilité aux métaux et liquides.

- Liaison lecteur/

tag plus directive ;

 Tag :

Plusieurs critères peuvent être utilisés pour classifier ou caractériser un tag RFID comme : - Type d’alimentation :

Les tags RFID peuvent être différenciés entre eux selon le type d’alimentation qu’ils utilisent pour leur fonctionnement. Trois catégories sont possibles :

Tags passifs : ce type de tags n’utilise que l’énergie fournie par le lecteur pour alimenter le circuit électronique de la puce RFID et pour la transmission de données vers le lecteur.

L’architecture de la puce est relativement simple : elle ne dispose pas de chaîne d’émission propre ; pour envoyer l’information stockée, le tag module son impédance de charge et ainsi re-rayonne le signal reçu en y insérant donc les informations par rétro modulation (ou modulation de charge). Le tag passif est constitué d’une antenne lui permettant de communiquer avec le lecteur et d’une puce électronique qui stocke les données à transmettre. Tous ces éléments sont réunis dans un assemblage

« packaging » comme le montre la figure suivante

Figure 11 : Exemple de tag RFID passif

Comme il n’y a pas de source d’énergie embarquée, le tag passif est le moins cher et son prix peut ne couter qu’un demi d’euros en gros volume.

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Tags semi-actifs ou semi-passifs : les tags sont assistés par une source d’alimentation interne embarquée, de type pile ou batterie. Le but de cette source d’énergie est de fournir une tension d’alimentation suffisante à la puce. La transmission de données vers le lecteur est réalisée par rétro-modulation ou modulation de charge comme pour les tags passifs. La présence de la source embarquée permet alors d’augmenter la portée de lecture jusqu’à une distance de 30 m, et offre aussi l’avantage de permettre l’intégration de capteurs à la puce RFID et ainsi collecter des données environnementales. La mémoire de stockage est aussi plus importante que celle des tags passifs.

Figure 12 : Exemple de tag RFID semi passif

Tags actifs : ce type de tags n’exploite pas l’énergie envoyée par le lecteur et leur fonctionnement en est donc indépendant car le champ électromagnétique incident n’est plus nécessaire pour alimenter la puce ni pour effectuer la modulation. L’architecture d’un tag actif intègre ainsi une chaîne d’émission qui lui permet de générer son propre signal porteur d’information. Les tags actifs ont une portée de lecture bien plus grande (jusqu’à 100 m) que les tags passifs, et présentent une capacité de stockage plus grande (128 KB). Ce type de tags est souvent utilisé dans des applications de géolocalisation, de télépéage ou de collecte de données en temps réel. Il présente l’inconvénient d’être plus onéreux que les autres systèmes, de nécessiter un certain entretien et d’être plus volumineux, la figure ci-dessous nous montre un exemple de tag actif

Figure 13 : Exemple de tag RFID actif

- Récapitulatif sur les différents types RFID existants :

Le classement est fait selon les fréquences, les distances de lectures, les débits de transfert de données, leurs potentialités de pénétrer les tissus ainsi que leurs coûts. Ces paramètres sont classés dans le tableau suivant :

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Tableau 2 : Comparaison des difrents systèmes RFID

Type Fréquence Distance Données Pénétration Coûts

BF 125KHz + + ++++ ++++

HF 13.56MHz ++ ++ +++ ++

UHF 860-960MHz +++ +++ ++ ++

Micro-ondes 2.45GHz ++ ++++ + ++++

ULB 3.1-10.6GHZ + +++ + +++

Ce deuxième tableau présente une comparaison cette fois –ci entre les différents modes de fonctionnement de tag RFID : actifs, semi passif et passif :

Tableau 3 : Comparaison du différent mode RFID

Type Distance Données Coûts Durée de vie

Actifs +++ +++ +++ +

Semi passif ++ ++ ++ ++

Passif + + + +++

8- Conclusion :

Ce chapitre a permis d’avoir une vue d’ensemble de la technologie RFID. Cette technologie permet de recueillir des informations sans pour autant avoir le tag en visuel, de modifier ces données, d’exécuter plusieurs lectures, et tant d’avantages qu’elle apporte en comparaison aux autres technologies tel que le code barre. Le chapitre suivant est consacré à l’étude des antennes micro ruban.

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Chapitre III : Etude des antennes micro ruban

27 1- Introduction :

Le concept des antennes micro rubans a été proposé la première fois en 1953 par Deschamps, mais ce n'est qu'aux années soixante-dix que les premières applications de ce type d'antennes ont vu le jour. Faiblement profilées, ces antennes sont largement utilisées en particulier dans les communications mobiles et personnelles. Dans sa forme la plus simple, une antenne micro ruban est constitué d'un élément conducteur appelé patch imprimé sur la face supérieure d'un substrat diélectrique, la face inférieure complètement métallisée constitue le plan de masse.

L'élément rayonnant peut être de forme arbitraire, cependant les formes rectangulaire, circulaire, triangulaire et leurs dérivées sont les plus communément utilisées vue leur facilité d'analyse. Plusieurs méthodes ont été développées pour l'analyse des antennes planaires, certaines sont relativement simples, partent d'un certain nombre d'approximations donnant naissance à des modélisations, d'autres sont plus élaborées et permettent d'étudier les antennes de formes les plus variées. De nouvelles méthodes dites d'optimisation viennent s'ajouter aux premières, plus simples et d'un degré de précision de plus en plus compétitif.

Les antennes micro rubans présentent de nombreux avantages par rapport aux antennes microondes classiques, on peut citer entre autres :

- Faible poids, encombrement réduit, faible profile et structure plane.

-

- Facile à fabriquer en masse en utilisant les techniques des circuits imprimés d’où le faible coût.

- Facile à intégrer avec les circuits MMICs sur un même substrat.

- Polarisation linéaire et circulaire possibles.

- Réseaux d'alimentation et d'adaptation fabriqués simultanément avec l'antenne.

- Antennes multi bandes multi polarisations possibles.

Toutefois, elle présente certains inconvénients limitant son efficacité à savoir : - Bande passante étroite.

- Faible gain.

- Supporte uniquement les faibles puissances.

- Faible efficacité de rayonnement.

- Faible pureté de polarisation.

Pour y remédier à ces inconvénients plusieurs travaux de recherches ont été menés et ont abouti à des progrès considérables améliorant les performances de ces antennes.

2- Les différentes formes d'une antenne patch :

L’antenne patch peut prendre plusieurs formes qui peuvent être rectangulaire, carré, circulaire ou simplement un dipôle. Ces formes sont les plus courantes car elles présentent une grande facilité d'analyse et de fabrication, mais également un diagramme de rayonnement très intéressant. La figure suivante montre ces différentes formes. [6]

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Figure 14 : Formes d'antennes patch

3- Caractéristiques des antennes :

Dans les communications sans fil, chaque application met en relief certaines caractéristiques des antennes. D'une manière générale, une antenne utilisée dans un type d’application ne peut pas l'être dans d’autres. Une antenne peut être caractérisée par :

1. Coefficient de réflexion S11 :

Le coefficient de réflexion 𝑆₁₁ met en évidence l’absorption de l’énergie par l’antenne. C’est sur ce paramètre que l’on se base lors de l’optimisation.

2. Directivité :

La directivité (𝜃, 𝜑) d’une antenne dans une direction (𝜃, 𝜑) est le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée 𝑃 (𝜃, 𝜑) et la puissance que rayonnerait une antenne isotrope.

𝐷 (𝜃, 𝜑) = 4𝜋 𝑃 (𝜃, 𝜑) Pr 3. Rendement :

Le rendement de l’antenne est le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance fournie à l’antenne, soit : 𝜂 = 𝑃𝑟/𝑃𝑓

Ce rapport caractérise la perte à l’intérieur de l’antenne.

4. Gain :

Le gain d'une antenne dans une direction (𝜃, 𝜑) est le rapport de la puissance rayonnée dans cette direction 𝑃 (𝜃, 𝜑) à la puissance que rayonnerait la source isotrope de référence par unité d'angle solide avec la même puissance d'alimentation et il est exprimé par :

𝐺 (𝜃, 𝜑) = ^{𝑃 (𝜃,𝜑)}

P0(𝜃,𝜑) = 4𝜋^{𝑃 (𝜃,𝜑)}

Pa

La relation entre le gain et la directivité d'une antenne est donnée par l'équation suivante.

𝐺 (𝜃, 𝜑) = 𝜂 × 𝐷 (𝜃, 𝜑) 5. Impédance d’entrée :

L’impédance d’entrée de l’antenne est l’impédance vue de la part de la ligne d’alimentation au niveau de l’antenne. Cette impédance est donnée par la formule :

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Z _𝑖𝑛 = 𝑍₀ 1 + 𝑆₁₁ 1 − 𝑆₁₁ Z0 = impédance caractéristique de la ligne d’alimentation.

Comme 𝑆₁₁ est fonction de la fréquence, alors Zin varie aussi avec la fréquence.

6. Diagramme de rayonnement :

Le diagramme de rayonnement d'une antenne présente les variations de la puissance rayonnée par unité d'angle solide dans les différentes directions de l'espace. En dehors du cas des antennes omnidirectionnelles dans certains plans, les antennes ne rayonnent pas leurs puissances de façon uniforme dans toutes les directions de l'espace. Il y a généralement une direction de rayonnement maximale autour de laquelle se trouve concentrée une grande partie de la puissance rayonnée et des directions secondaires autour desquelles se répartit la fraction de la puissance restante. La fonction caractéristique de rayonnement (𝜃, ∅) de l'antenne permet d'avoir une vision globale du rayonnement. Elle est définie comme étant le rapport de la puissance transmise dans une direction donnée (𝜃, ∅) à la puissance Pmax de la direction où le rayonnement est maximal.

𝑃 (𝜃, ∅) = 𝑃𝑎 4𝜋 4- Techniques d'alimentation :

Il existe plusieurs techniques pour l'alimentation des antennes micro rubans, ces techniques peuvent être soit par contact direct soit par couplage, les plus communément utilisées sont l'alimentation par ligne micro ruban, par sonde coaxiale, par couplage de proximité ou par ouverture.

7. Alimentation par ligne micro ruban :

Une ligne micro ruban est ici directement connectée à l'élément rayonnant, comme le montre la figure 15, le point de jonction peut être sur l'axe de symétrie du patch ou complètement décalé pour permettre une meilleure adaptation d'impédance.

Ce type d'alimentation est facile à mettre en œuvre et à modéliser, mais peut engendrer un rayonnement parasite qui peut devenir considérable et une bande passante typiquement entre 2 et 5%.

Figure 15 : Technique d'alimentation par ligne micro ruban

8. Alimentation par sonde coaxiale :

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L'alimentation par sonde coaxiale est réalisée par un contact direct de l'élément rayonnant au conducteur central d'une ligne coaxiale, tandis que son conducteur externe est relié au plan de masse. L'adaptation d'impédance est réalisable en déplaçant le point d'alimentation sur le patch. L'inconvénient de ce type d'alimentation réside dans la bande passante étroite et la difficulté de modélisation surtout pour des substrats électriquement épais.

Figure 16 : Technique d'alimentation par ligne coaxiale

9. Alimentation par couplage de proximité :

La meilleure bande passante pouvant atteindre 13% est réalisable en utilisant l'alimentation par couplage de proximité. L'avantage de cette technique d'alimentation réside dans l'affaiblissement du rayonnement parasite et la facilité du couplage, ce dernier peut être optimisé par l'ajustement des dimensions de la ligne. Cependant elle est très difficile à mettre en œuvre

Figure 17 : technique d'alimentation par couplage par proximité. 5- Conclusion :

Nous avons présenté dans ce chapitre un aperçu sur les antennes micro-ruban. Leurs caractéristiques, ainsi que les techniques d’alimentation de ces antennes.

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Chapitre IV : Conception et simulation d’une

antenne micro ruban

32 1- Introduction :

La phase de conception d’une antenne, à l’aide d’un logiciel adapté est une étape incontournable dans un souci de gain de temps et d’optimisation de structure aux paramètres désirés. La conception permet également de prendre en compte les paramètres diélectriques et conducteurs des matériaux bas coût choisis. Pour cela, plusieurs outils de simulation électromagnétique ont été développés comme HFSS qui étudie et simule des structures complexes en trois dimensions, il est exploité notamment pour calculer les paramètres S, les fréquences de résonnances ainsi que les champs électromagnétiques et la visualisation du diagramme de rayonnement en 3D.

La méthodologie de conception mise en œuvre est illustrée par la figure suivante

Figure 18 : Méthodologie de simulation d'antennes

2- Logiciel HFSS (High Frequency Structure Simulator) :

HFSS (High Frequency Structure Simulator) est un logiciel de simulation électromagnétique qui étudie des structures complexes en trois dimensions en simulant ces structures et en proposant des visualisations claires des résultats en 2D et en 3D. Il est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) parmi les plus aboutis. C’est un logiciel développé par la société américaine Ansoft. Il présente une interface graphique avancée et de nombreuses fonctionnalités, il a bénéficié de nombreuses optimisations pour accélérer les calculs.

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HFSS est utilisé essentiellement pour les expérimentations et les études de systèmes fonctionnant en hautes fréquences, il est exploité notamment pour calculer les paramètres S, les fréquences de résonnances ainsi que les champs électromagnétiques. En utilisant les équations de Maxwell, le HFSS divise les structures géométriques complexes en des formes géométriques plus simples, précisément des tétraèdres sur lesquels le calcul mathématique sera plus faisable, d’où on commence à parler de la convergence qui est la persistance des résultats obtenus. Le logiciel présenté ici utilise la méthode des éléments finis, qui a des avantages, des inconvénients qui peuvent être résumé dans les points suivants :

- Complexité de travail et de création des structures ayant des larges détails de conception.

- La nécessité d’avoir maitrisé l’utilisation du logiciel, avant d’aborder le projet, parce qu’on est obligé de se servir des opérations booléennes parfois, pour dessiner des surfaces ou formes n’ayant pas une forme géométrique bien définie. En plus on doit faire attention aux frontières (Boundaries), il ne faut pas avoir des conflits entre une surface de radiation par exemple et une surface conductrice.

- La simulation pourra prendre une durée de plusieurs heures jusqu’aux plusieurs jours parfois, surtout si le projet à simuler est d’un volume relativement grand, et présente beaucoup de détails. [7]

3- La méthode des éléments finis (FEM) :

HFSS utilise La méthode des éléments finis (FEM), cette méthode (parfois appelé aussi l’analyse par élément finis) est une technique numérique pour trouver des solutions par approximation des équations aux dérivées partielles (EDP), ainsi que des équations intégrales.

4- Description des modules à réaliser :

Comme une première approche les dimensions du patch, vont être calculées en fonction des caractéristiques du substrat (permittivité relative εr, l’épaisseur h) et le choix de la fréquence de résonnance. L’alimentation sera faite par une ligne micro-ruban qui consiste à la connexion directe de l’élément rayonnant à la ligne micro-ruban sur un seul substrat. Pour le choix du type de matériaux bien que le Rogers RO3003 ayant une permittivité de 3 est plus performant, comme il est plus couteux que le FR4-EPOXY que nous avons choisie en raison de son bon rapport Prix/Qualité.

5- Cahier des charges :

On se propose de réaliser deux conceptions d’une antenne micro ruban rectangulaire et circulaire à la fréquence (867 MHz). L'objectif serait de garantir la fréquence de résonance et 867 MHz avec la meilleure adaptation possible et un gain élevé. Les substrats choisis sont :

 L’époxy –FR4 de permittivité relative εr=4.4 et d’épaisseur h=1.6 mm, f =867MHz.

 Le Rogers RO3003 de permittivité relative εr=3 ; pour ce substrat et d’épaisseurs : h= 1.6mm, f =867MHz.

6- Simulation et optimisation d’une antenne rectangulaire :

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 Calcul des paramètres géométriques de l’antenne :

Notre fréquence d’utilisation est (f=867MHz), on a calculé les dimensions de l’antenne patch rectangulaire en utilisant les équations suivantes :

Calcul de la largeur W de l’élément rayonnant :

𝑊 = 𝑐

2𝑓√(ℇ + 1) 2 Avec c : la vitesse de la lumière.

Calcul du constant diélectrique effectif : ℇ𝑟𝑒𝑓𝑓 = ℇ + 1

2 − ℇ − 1

2 (1 + 12 ℎ 𝑊)1/2 Calcul d’extension ΔL :

𝛥𝐿 = 0.412ℎ(ℇ + 0.3)((𝑊

ℎ) + 0.264) (ℇ − 0.258)((𝑊

ℎ) + 0.8) Calcul de la longueur L de l’élément rayonnant :

𝐿 = 𝐶

2𝑓√ℇ− 2𝛥𝐿

La figure suivante nous montre les paramètres géométriques de l’antenne rectangulaire réalisée.

Figure 19 : Les paramètres géométriques de l’antenne rectangulaire réalisée

Figure 20 : La géométrie de l’antenne rectangulaire

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Après avoir simulé notre antenne en utilisant les dimensions mentionnées dans la figure (fig.19), nous avons constaté comme le montre la figure 21, que notre antenne n’est pas adaptés (fig.21),

Figure 21 : Le coefficient de réflexion sans adaptation

Et pour adapter notre antenne nous avons utilisé deux méthodes à savoir l’adaptation quart d’onde et l’adaptation par encoche.

6-1- L’adaptation quarte d’onde :

Dans cette partie nous proposons d’adapter notre antenne par une ligne quart d’onde la figure 22 illustre les dimensions avec lesquels nous avons travaillé

Figure 22 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation quart d'onde

Figure 23 : La géométrie de l’antenne rectangulaire avec adaptation quart d'onde

 Les résultats obtenus :

Les simulations effectuées pour connaitre et étudier le comportement de l’antenne à la fréquence de résonance 867MHz, ont portées sur les paramètres d’adaptation à savoir, le coefficient de réflexion, l’impédance d’entrée (Zin) et le rapport d’ondes stationnaire (VSWR).

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Elles sont étendues aux caractéristiques de rayonnement dans le champ lointain comprenant, le gain et la directivité. Les figures ci-dessous nous montrent les résultats trouvés.

Figure 24 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence

Figure 25 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire)

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Figure 26 : Résultat d'impédance d'entrée

Figure 27 : Résultat de la directivité

Figure 28 : Résultat du gain

Les résultats obtenus illustrés sur les figures précédentes montrent que l’antenne est adaptés, qu’elle présente un gain de 5 dB une directivité de 6.8Db nous allons aussi expérimenter la technique d’adaptation par les encoches pour pouvoir comparer les deux.

38 6-2- L’adaptation par encoche :

Pour adapter l’antenne, on utilise des encoches, il suffit de modifier la géométrie du patch en ajoutant des ouvertures, la figure suivante nous montre les dimensions que nous avons utilisées.

Figure 29 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation par encoches

Figure 30 : La géométrie de l’antenne rectangulaire avec adaptation par encoche

 Les résultats obtenus :

La figure (fig.23) représente le tracé du module de cofficient de réflexion S11 mesuré en décibels en fonction de la fréquence nous avons obtenu une bonne adaptation à la fréquence de 867 MHz avec un niveau de -26.127dB

Figure 31 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence

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Comme illustre la figure (fig.24) qui représente le graphe relatif au taux d’onde stationnaire en fonction de la fréquence et pour lequel nous avons obtenu une valeur de 1.1 dB ce qui est acceptable vu que ce dernier ne doit pas dépasser 2

Figure 32 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire).

Comme indiqué sur la figure 23 notre antenne possède une impédence d’entrée composée d’une faible inductance (-0 .40Ω) et une partie résistive (53.89 Ω) proche de celle de la ligne .

Figure 33 : Résultat d'impédance d'entrée

Les représentations de la directivité et du gain pour cette conception sont illustrés respectivement dans les deux figures (34 et 35).

Figure 34 : Résultat du gain

Figure 35: Résultat de la directivité

 Discussion et interprétation :

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Les résultats de l’antenne simulée sur le substrat Epoxy FR4 et adaptée par les encoches présentent un bon coefficient de réflexion et un gain considérable (5 dB). Ce coefficient S11 agit comme une perturbation de transmission de données.

Pour faire augmenter le gain nous avons changé le type de matériel de substrat d’Epoxy FR4 à Rogers RO3003.

La figure suivante nous donne les dimensions de l’antenne réalisée en utilisant le Roger 3003

Figure 36 : Dimensions de l’antenne patch avec adaptation quart d'onde (en utilisant le Roger 3003)

 Les résultats obtenus :

Nous avons trouvé les résultats suivants :

Figure 37 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence (en utilisant le Roger 3003)

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Figure 38 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire) (en utilisant le Roger 3003)

Figure 39 : Résultat d'impédance d'entrée (en utilisant le Roger 3003)

Figure 40 : Résultat de la directivité (en utilisant le Roger 3003)

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Figure 41 : Résultat du gain (en utilisant le Roger 3003)

Le changement du type de matériel de substrat a fait augmenter le gain et la directivité par contre il a influencé sur le coefficient de réflexion, le taux d’onde stationnaire et l’impédance d’entrée.

6-3- Validation des résultats obtenus par le logiciel CST :

Dans cette partie nous avons essayé de valider les résultats de l’antenne rectangulaire par les encoches à l’aide du logiciel CST qui est une solution logicielle d'analyse EM 3D hautes performances dédiée à la conception, à l'analyse et à l'optimisation des composants et systèmes électromagnétiques (EM). La solution CST Studio Suite est utilisée par des entreprises d'ingénierie et de technologie leaders dans le monde entier.

 Conception de l’antenne rectangulaire de 867 MHz sur CST :

Figure 42 : La géométrie de l’antenne rectangulaire par les encoches

 Les résultats obtenus :

Les figures suivantes nous montrent les résultats des simulations obtenus avec CST, Pour les mêmes dimensions que celles utilisées, avec HFSS, respectivement du coefficient de réflexion, VSWR, Zin et le gain.

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Figure 43 : Le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence

Figure 44 : Résultat du VSWR (taux d’onde stationnaire)

Figure 45 : Résultat du gain

L’antenne de base a été conçue et simulée en utilisant le simulateur électromagnétique HFSS (HighFrequency Structure Simulator). Ce dernier repose sur la méthode numérique fréquentielle des éléments finis (FEM : Finite Element Method). Il effectue un maillage en portions élémentaires pour surmonter les difficultés rencontrées avec des structures en 3D pour une bonne discrétisation de l’espace. Ensuite il fait la résolution des équations de Maxwell (équations différentielles) en un certain nombre de points discrets tout en prenant en considération les conditions aux limites.

Une validation des résultats de simulations a été effectuée à l’aide de l’outil de simulation électromagnétique CST qui utilise la méthode d'intégration finie, pour la simulation électromagnétique tridimensionnelle des composants. Les résultats de simulation des pertes retours (S11), VSWR, le gain et la directivité par les deux logiciels sont montrés dans les figures ci-dessus. Les deux logiciels ont donné des résultats presque identiques avec un simple écart, cela peut être dû à la méthode que chaque logiciel utilise.

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6-4- Antenne rectangulaire à fentes cylindriques :

Bien que l’antenne de base adaptée à l’aide d’encoches présente une bonne directivité et un gain acceptable, le coefficient de réflexion S11 peut être amélioré. Nous allons donc introduire des fentes dans l’élément rayonnant de l’antenne de base, pour améliorer les caractéristiques de rayonnement.

Les fentes insérées sont de formes cylindriques de rayon R=4 m. Il est à rappeler que le même type de substrat et de plan de masse a été conservé.

Figure 46 : Antenne à fentes cylindriques

 Les résultats obtenus :

Voici les résultats que nous avons trouvés sous HFSS et CST

- Coefficient de réflexion :

Figure 47: Coefficient de réflexion de l'antenne à fente cylindriques

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La figure 47 nous montre le coefficient de réflexion, de l’antenne à fentes cylindriques, en fonction de la fréquence sous HFSS et CST nous remarquons que S11 s’est amélioré (-28dB) et que nous avons garanti la fréquence de résonance.

- Impédance d’entrée (Zin) et VSWR :

Figure 48 : VSWR et Zin

La figure 48 nous montre le VSWR et l’impédance d’entrée Zin, sous HFSS et CST nous avons VSWR qui est mois de 1 à 867MHz et pour Zin =51

- Gain et directivité :

Figure 49 : Gain et directivité

Avec HFSS, le gain de l’antenne optimisée atteint une valeur de 6.2 dB et une directivité de 7.13dB avec HFSS. Les valeurs obtenues avec CST sont presque les mêmes.

7- Simulation et optimisation d’une antenne à patch circulaire :

L’autre configuration la plus habituelle est le patch circulaire ou le disque, les modes supportés par l’antenne circulaire peuvent être déterminés en traitant le patch, le plan de masse et le matériel entre les deux comme une cavité circulaire. Comme pour le patch rectangulaire, les modes supportés principalement par une antenne micro-ruban circulaire dont h est négligeable devant λ sont TM² où z est pris perpendiculairement au patch. Pour le patch circulaire, il n’y a qu’un seul degré de liberté à contrôler qui est le rayon de patch. Cela ne change pas l’ordre des modes mais ; mais, il modifie la valeur absolue de leur fréquence de résonance.

L’antenne circulaire ne peut être analysée de façon pratique qu’avec l’utilisation du modèle de cavité (ou la pleine d’onde). La procédure est similaire à celle du patch rectangulaire mais

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avec des coordonnées cylindriques autour de la périphérie circulaire de la cavité. Le matériel diélectrique du substrat est supposé être tronqué au-delà de l’étendue du patch.

7-1- Conception d’une antenne à patch circulaire :

La procédure de conception des antennes micro ruban circulaires pour le mode dominant est basée sur la formulation du modèle de cavité. La procédure est la suivante :

- Spécifier εr, fr (Hz) et h (cm)

- Déterminer le rayon réel a du patch.

Le rayon circulaire de patch peut être calculé à l’aide de la formule suivante :

𝑎 =

{1+ ^2ℎ

𝜋ℇ𝑟𝐹[𝑙𝑛(^𝜋𝐹

2ℎ)+1.7726]^1/2}

Avec 𝐹 =

𝑓_𝑟√𝜀𝑟

7-2- Simulation et optimisation d’une antenne à patch circulaire :

Dans cette partie, comme nous avons indiqué dans le cahier des charges, nous avons proposé de faire la conception de l’antenne circulaire à l’aide du logiciel HFSS dont le substrat serait de type FR4 époxy et nous avons choisis de faire l’adaptation par encoche.

Figure 50 : Géométrie de l'antenne circulaire

Le tableau suivant nous montre les dimensions de patch circulaire

Tableau 4: dimension du patch circulaire

Substrat

𝜀

Epoxy FR4 4.4 1.6 98.65mm

 Les résultats obtenus :

Après avoir faire la simulation de notre conception voici les résultats que nous avons obtenu : Pour le coefficient de réflexion nous avons trouvé une valeur de S11= -38.48db ce résultat est acceptable puisque nous dépassons s11=10db. La figure suivante illustre le résultat trouvé.