Optimisation des transferts d'énergie pour les systèmes connectés : application aux systèmes RFID communiquant en champ proche à très haut débit

Power transfer optimization for internet of things : application to near field RFID systems communicating at very high data rate

• Auteur / Autrice : Benoît Couraud
• Direction : Edith Kussener, Thibaut Deleruyelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, physique, micro et nanoélectronique. Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Robert Staraj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Pannier, Mélanie Descharles, Javier Gil Quijano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvan Duroc, Jean-Marc Laheurte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie sans fil

Systèmes en ligne

Microélectronique

Mots clés libres

Rfid

Transfert de puissance

Théorie des lignes

Antennes

Réseaux d'adaptation

Récupération d'énergie

Power transfer

Transmission line

Rfid

Energy harvesting

Antenna

Matching network

Résumé

Dans le contexte de développement de produits sans-contact communiquant à très haut débit, dît systèmes VHBR (Very High Bit Rate), il s’avère que les cartes ou passeports VHBR, télé-alimentés à partir du lecteur qui communique avec eux, sont contraints de fonctionner avec une alimentation bien plus faible que les produits communiquant à des débits standards. Pour répondre à cette problématique de manque de puissance d’alimentation, il a été nécessaire de commencer par reprendre la théorie des lignes en l'orientant de manière à ce qu'elle permette de quantifier les transferts de puissance entre une source et une charge séparées par un média quelconque. Ensuite, ce nouveau moyen de quantification des transferts de puissance a été utilisé pour faire de l'aide à la conception des lecteurs VHBR. Ensuite, ce travail de recherche se concentre sur les cartes ou passeports VHBR. En effet, pour permettre à un tel système sans contact de fonctionner de manière télé-alimentée dans un environnement où la puissance disponible est réduite, il faut optimiser sa conception. Les solutions proposées ici consistent à déterminer la géométrie des antennes inductives qui optimisent la récupération d'énergie et le transfert de puissance vers la puce d'une carte VHBR. Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit apportent des solutions globales à cette problématique de récupération d'énergie dans les objets connectés que sont les systèmes sans contact, en décrivant des méthodes de conception qui permettent d'une part de limiter les pertes de puissance au sein des lecteurs VHBR, et d'autre part d'optimiser la récupération d'énergie au sein des cartes VHBR.

The research work presented in this thesis provides solutions to help industrials to better design RFID readers and RFID tags that implement VHBR (Very High Bit Rate) protocols. Indeed, VHBR technology has a large drawback on the functionning of RFID tags as it lowers the energy available to supply the tag. First, this research work focuses on RFID reader design, and especially matching networks design. After describing a new way of assessing power transfer in Radio Frequency systems, it is shown that T matching networks as thoses proposed in ISO/IEC 10373-6 give the best results in terms of power transfer and signal integrity. Thus, a design method is proposed to correctly choose the three T matching network components that will optimize the power transfer and still meet the signal integrity requirements.Second, this thesis will focus on the design of RFID tags, by describing a new tag's antenna design method that optimize the energy harvested by the antenna and meanwhile reduce the power reflections between the antenna and the tag's chip. This design method is based on new explicit formula that compute a rectangular planar antenna inductance as a function of its geometric characteristics. This method showed very accurate results, and can become an interesting tool for industrials to speed up and optimize their antenna design procedure.Finally, a platform that measures RFID chip's impedance in every state of the chip has been designed, even during load modulation communication. The accuracy of this tool and its importance in order to achieve a good antenna design confer it a great usefulness.