Capteur millimétrique sans fil : du transducteur vers l'interrogation RADAR

Wireless passive millimeterwave sensors : From transducers to radar interrogation

• Auteur / Autrice : Timothée Marchal
• Direction : Hervé Aubert, Patrick Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Tân-Phu Vuong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Dauvignac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamida Hallil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs

Radar

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteur

Électromagnétisme

Transducteurs

Passif

RADAR

Chipless

Sensor

Electromagnetism

Transducers

Passive

RADAR

Chipless

Résumé

Les capteurs sont des outils formidables pour obtenir des informations sur notre environnement. Très utilisés dans énormément de domaines d'application (avionique, spatial, téléphonie, etc.), ils ont vocation à être de plus en plus miniaturisés. Nous nous intéressons plus précisément aux capteurs passifs (pas de batterie), sans puce (pas de transistors), qui peuvent être interrogeables à distance. Cette passivité et l'absence de composant en silicium rendent ces capteurs très robustes (longue durée de vie) pour des coûts de fabrication réduits. Nous cherchons à interroger ces capteurs à distance, dans des environnements contraints (intégrés dans des constructions, au milieu d'une centrale nucléaire, à l'intérieur d'un satellite, etc.) où cette robustesse est recherchée. Nous proposons dans cette thèse d'élaborer sur la méthode d'interrogation sans fil de ces capteurs millimétriques passifs par RADAR à modulation de fréquence (FMCW). Ceci est un véritable challenge car l'aspect sans fil nous amène à considérer l'environnement dans lequel est placé notre capteur. Cet environnement peut fortement perturber la mesure (présence de clutter), c'est pourquoi tout l'enjeu de nos manipulations est de réussir à isoler l'information du capteur de son environnement. Pour ce faire, une technique utilisant la dépolarisation est proposée et des interrogations utilisant des répéteurs passifs sont présentées. Comment interroger ces capteurs sans fil et comment concevoir nos capteurs pour faciliter leurs interrogations ? L'interrogation RADAR permet d'obtenir l'écho rétrodiffusé de notre environnement en fonction de la profondeur tout en envoyant une bande de fréquence (22.8-24.8Ghz) sur nos capteurs. Ainsi, un capteur placé dans cet environnement rétrodiffusera l'onde électromagnétique incidente dont l'amplitude et la phase (pour toutes les fréquences envoyées) vont varier en fonction de la grandeur physique mesurée par le capteur. Nous tachons donc ici d'expliciter quels liens existent entre la réponse observée sur le RADAR (le spectre de battement) et les paramètres de réflexion/transmission du capteur (matrice S). Pour ce faire, nous développons les équations relatives aux RADAR FMCW ainsi que l'aspect système de toute l'interrogation et proposons des estimateurs. Cette technique d'interrogation ayant montré ses performances, nous présentons également les règles de conception que nous avons établies à l'aide de simulation afin de réaliser les meilleurs capteurs possibles. Nous présentons également un nouveau capteur de pression réalisé en impression 3D métal, qui associe la technologie du guide d'onde à des canaux micro fluidiques. Les savoir-faire pour réaliser ces nouveaux capteurs nous permettrons par la suite d'affiner notre méthode d'interrogation et ainsi d'étendre les performances de nos capteurs. Au travers de ce manuscrit, nous aurons donc ainsi défini les règles générales de design pour nos capteurs passifs interrogeables par RADAR. Nous ouvrons ainsi des portes sur des nouvelles possibilités de design pour réaliser des capteurs au travers de la modification des gabarits de filtre et du choix du bon estimateur. L'utilisation de l'impression 3D métallique ouvre également des opportunités quant à la réalisation intégrée de capteurs passifs. L'intégration des antennes avec les capteurs serait plus adaptée pour les interrogations dans des environnements contraints où il serait compliqué de placer de gros capteurs. Ceci donne également des perspectives quant à l'industrialisation de cette méthode de mesure à distance.

Sensors are increasingly being used today for many new areas of technology (aeronautics, space, telecommunication.). They are mandatory for systems that want to regulate themselves (control systems), and very useful for just obtaining information on the surrounding environment (temperature, pressure, surface integrity). In the world of sensors, we are specifically interested here in wireless sensors, passive and chipless, operating in the millimeter band (Ka). These have constraints of being remotely interrogable (wireless) and having no power source (no battery) or active electronic component (no transistors). This passivity and the absence of silicium components make those sensors very robust (long life) for reduced manufacturing costs. Thus, they can be placed in environments where access is difficult, or where physical conditions are harsh (integrated in buildings, in the middle of a nuclear power plant, inside a satellite, etc.). We investigate here how mm-wave sensors can be interrogated using a Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) RADAR working in the Ka Band. This thesis presents how we can perform interrogation of mm-wave passive sensors using its backscattered EM. RADAR interrogation quantify the backscattered signal of the sensor according to the distance. We aim to get the sensor's information by this echo. Nevertheless, this brings other constraints : the environment around our sensor can disturb our interrogations in closed environments (presence of electromagnetic clutter). This is why, here, we suggest a depolarization technique to get rid of this clutter and therefore improve the quality of the interrogation. This depolarization technique simply proposes to produce the signal backscattered by the sensor in an orthogonal polarization : as the beat spectrum observed in this orthogonal polarization (cross-polarization) is less subject to environmental perturbations, we make the sensor signal independent of it and can obtain more accurate information. To go further, we examine the feasibility to interrogate sensors behind a metallic wall by using passive repeaters. To make the design of future sensing devices, we produced simulation and mathematic development of the interrogation full chain system. With this interrogation technique, we demonstrate that we are able to design, fabricate and interrogate passive sensors working in the Ka-Band. For this, we used the 3D printing metal technologies for fabricating pressure sensor mixing a Wave-Guide with microfluidic channels that can be used for pressure sensing. Knowing how to make those sensors will make a huge difference on how we aim to design our passive sensors. Through this manuscript, we will have defined the general design rules for our passive depolarizing sensors interrogable by RADAR. We present different estimators (echo at the sensor position, sensor position, integral, etc.) in order to exploit the diversity of scattering parameter variations that can be proposed technologically for sensing. We thus open the doors to new design possibilities to realize sensor functions, through the modification of the filter templates used and the use of the right estimators. The use of additive technology, especially metal 3D printing, opens up opportunities for the integrated realization of passive sensors, because until now sensors used were connected to standard antennas for interrogation. We aim to finally have an all-in-one structure that can be used as a sensor object with antennas and transducers integrated in it. This kind of object could be a huge advance for RADAR sensing as they are meant to be small because they work on the mm-band. Therefore, they will be suitable for our harsh environments/indoor/thru wall applications, where it will be complicated to place a bulky sensor.