Méthodes et procédures de caractérisation pour la conception d'antennes Tag RFID sur le corps humain

Characterization Methods and Procedures for the Design of On-Body RFID Tag Antennas

• Auteur / Autrice : Nadeen Rishani
• Direction : Jean-Marc Laheurte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Christophe Roblin, Fabien Ferrero, Ala Sharaiha, Boutheina Tlili, Sara Abou Chakra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Roblin, Fabien Ferrero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radar -- Antennes

Impédance électrique

Antennes (électronique)

Corps humain

Ondes électromagnétiques -- Polarisation

Ondes électromagnétiques

Systèmes d'identification par radiofréquence

Mots clés libres

Étiquette RFID. antennes imprimées

Mesure d'efficacité par la méthode Wheeler Cap

Antenne sur le corps

Gel imitant le corps

Adaptation d'antenne

Puces RFID à réglage automatique

RFID tag. printed antennas.

Wheeler Cap efficiency measurement

On-Body antenna

Body mimicking gel

Antenna matching

Auto-Tuning RFID chips

Résumé

Un tag ou étiquette RFID UHF (Radio Frequency Identification) passive est composé d'une antenne rayonnante et d'une puce RFID. Les tags RFID ont de nombreuses applications dans la mode, la vente au détail et le domaine biomédical, pour n'en nommer que quelques-unes. Dans des applications sur le corps humain ou plus généralement des milieux à pertes, plusieurs défis relèvent de la fabrication de l'antenne, de la caractérisation des circuits constitutifs, de la mesure des performances tu tag, de la modélisation du milieu environnant. Sans les prendre en compte, une conception appropriée du tag est impossible. Dans cette thèse, des méthodes de caractérisation et de conception de telles étiquettes pour des applications sur le corps sont proposées. Dans la première partie, des antennes imprimées utilisant des substrats flexibles sont développées et mesurées. Leur couche de métallisation non homogène et leurs déformations au pliage les rendent très délicates et peu faciles à manipuler. D'un autre côté, mesurer l'efficacité du rayonnement des antennes des étiquettes est important car l'efficacité de l'antenne impacte sur la portée de lecture du tag. Ainsi l'efficacité du rayonnement de l'antenne est mesurée à l'aide de la technique Wheeler Cap. Plusieurs techniques de post-traitement sont disponibles pour cette méthode de mesure. Dans cette thèse, nous avons développé une approche modifiée de l'équation de Johnston considérant l'adaptation de l'impédance de l'antenne alimentée en différentiel non pas à la charge standard de 50 Ω mais à l'impédance complexe des puces RFID. D'un autre côté, lorsque les antennes sont placées sur le corps humain avec pertes, leur impédance est considérablement modifiée. Ainsi, dans la deuxième partie, une méthodologie expérimentale rigoureuse pour concevoir des tags RFID optimisés pour les applications sur corps est présentée. La puce RFID et le gel imitant les tissus corporels sont caractérisés expérimentalement avec précision, avant de concevoir l'antenne RFID. Deux antennes canoniques simples, un dipôle et une boucle, sont conçues pour être adaptées aux puces RFID à des fréquences inférieures à leur résonance. Cela permet de concevoir des antennes robustes face aux changements des valeurs de permittivité du corps. Enfin, une puce RFID à capacité d'entrée variable pour réglage automatique de réactance est utilisée pour auto adapter l'antenne. La valeur de capacité est déterminée à distance par le lecteur RFID pour différents environnements d'antenne. Cette puce, montée sur une antenne adaptée, permet une plage de lecture quasi plate sur une large bande UHF, lorsqu'elle est placée sur des gels imitant le corps humain

A passive UHF RFID (Radio Frequency Identification) tag consists of a radiating antenna and an RFID chip. RFID tags have many applications in fashion, retail, and biomedical field, to name a few. In applications on the human body or more generally on lossy environments, several challenges arise from manufacturing the antenna, characterizing the constituent circuits, measuring the tag's performance and modelling the surrounding environment. Without taking these into account, appropriate tag design is impossible. In this thesis, methods for characterizing and designing such tags for on-body applications are proposed. In the first part, printed antennas using flexible substrates are developed and measured. Their non-homogenous metallization layer and their deformation when bent, make them very delicate and not easy to handle. On the other hand, measuring the radiation efficiency of tag antennas is important due to its impact on the tag's read range. The antenna radiation efficiency is therefore measured using the Wheeler Cap technique. Several post processing techniques are available for this measurement method. In this thesis, we developed a modified approach to the Johnston's equation considering matching of the differentially-fed tag antenna not to the standard 50Ω load but to the complex impedance of the RFID chip. On the other hand, when antennas are placed on the lossy human body, their impedance is drastically shifted. So in the second part, a rigorous experimental methodology to design RFID tags optimized for on-body applications is presented. The RFID chip and the body tissue mimicking gel are accurately characterized experimentally, before designing the RFID antenna. Two simple canonical antennas, a dipole and a loop, are designed to be matched to RFID chips at frequencies lower than their resonance. This makes it possible to design antennas that are robust to changes in the body's permittivity values. Finally, an RFID chip with variable input capacitance for automatic reactance adjustment is used to auto-tune the antenna. The capacitance value is determined remotely by the RFID reader for different antenna environments. This chip, mounted to a matched antenna, provides an almost flat read range over a wide UHF band, when placed on human body mimicking gels