RFID sans puce à modulation de mouvement pour applications d’identification et capteur à longue portée

Motion-modulated Chipless RFID for Identification and Sensing in Long-range Applications

• Auteur / Autrice : Ashkan Azarfar
• Direction : Étienne Perret, Nicolas Barbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence, Drôme, France ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Ferro-Famil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Raveu, Emmanuel Pistono
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Lazaro, Francesco Fioranelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Doppler, Effet

Systèmes d'identification par radiofréquence

Mots clés libres

Modulation de mouvement

RFID sans puce

Capteur

Motion-Modulated

Chipless RFID

Sensing

Résumé

Cette thèse propose un nouveau type de communication par rétrodiffusion basé sur des étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID) sans puce (chipless) modulées en fonction du mouvement. Fondamentalement, la RFID sans puce se réfère à la technique dans laquelle des étiquettes RF entièrement passives et qui consistent principalement en des diffuseurs résonnants sont identifiées sur la base de leur signature radar. Les étiquettes sans puce sont conçues à l'aide de différentes approches de synthèse de SER et le processus de détection du signal réfléchi par l'étiquette dans un environnement complexe peut bénéficier de l’ensemble les méthodes de traitement des signaux radar qui ont déjà été développées. Malgré les améliorations significatives apportées à différents aspects de la technologie chipless au cours des dernières années, la portée de lecture de cette technique RFID est toujours limitée à moins d'un mètre. Cette limitation est essentiellement due au fait que le signal rétrodiffusé par l'étiquette sans puce et l'énorme réflexion de l'environnement partagent les mêmes composantes fréquentielles que ce que celles envoyées, ce qui fait que l'étiquette sans puce, en tant que transpondeur non modulé, n'est pas facilement détectée. Les modulations induites par le mouvement, comme l'effet micro-Doppler sont envisagées dans cette thèse pour être intégrées à la technique RFID sans puce de manière à améliorer la portée de lecture des étiquettes sans puce. La RFID sans puce modulée par le mouvement est présentée comme une méthode efficace de communication par rétrodiffusion pour l'identification et la détection d'objets en mouvement à grande distance, basée sur des techniques de réflectométrie cohérente.Pour expliquer clairement le concept, les différentes méthodes de communication par rétrodiffusion sont classées d'un point de vue systémique en fonction des deux propriétés fondamentales que sont la linéarité et la variation dans le temps. Le principe de la technologie RFID classique sans puce et celui de la RFID sans puce modulée par le mouvement sont décrits à l'aide de démonstrations mathématiques générales, tandis que les performances des deux approches sont comparées en termes de portée de lecture. Trois types différents de modulations induites par le mouvement, à savoir la modulation de phase (Doppler), la modulation de polarisation et la modulation directionnelle, sont abordés sur la base d’un modèle analytique développé à partir de diffuseurs résonnants en mouvement. Le processus de modulation dans chaque cas est décrit théoriquement et les performances de l'étiquette modulée en fonction du mouvement sont vérifiées expérimentalement en termes de capacité d'identification et de portée de lecture. Le concept proposé a également été utilisé dans des applications réelles telles que la surveillance de paramètres vitaux en santé et des scénarios d'identification du commerce.

This thesis proposes a new type of backscatter communication based on motion-modulated chipless Radio Frequency IDentification (RFID) tags. Basically, the chipless RFID refers to the technique in which fully passive RF tags that mainly consist of resonant scatterers are identified based on their radar backscatter signature. Chipless tags are designed using different RCS synthesis approaches and the detection process of the signal reflected from the tag in a complex environment can benefit from all the radar signal processing methods that have been already developed. In spite of significant improvements that have been achieved in different aspects of the chipless technology during recent years, the read range of this RFID technique is still limited by less than one meter. This read range limitation is essentially caused by the fact that, for definite frequency components in the transmitted signal, the backscattering from the chipless tag and the huge reflection from the environment share the same frequency components as what has been sent, which cause the chipless tag, as a non-modulated transponder, to not be easily detected. Motion-induced modulations like the micro-Doppler effect are considered in this Thesis to be integrated with the chipless RFID technique such that improves the read range of the chipless tags. Motion-modulated chipless RFID is presented as an effective backscatter communication method for the identification and sensing of moving objects at large distances based on coherent reflectometry techniques.To clearly explain the concept, the different methods of backscatter communication are classified from a system point of view based on the two fundamental properties of linearity and variation in time. The principle of classical chipless RFID technology and the motion-modulated chipless RFID are described with general mathematical demonstrations, while the performance of the two approaches is compared in terms of read range. Three different types of motion-induced modulation namely phase (Doppler) modulation, polarization modulation, and directional modulation are addressed based on the developed analytical model for scattering from moving resonant scatterers. The modulation process in each case is theoretically described, and the performance of the motion-modulated tag is experimentally verified in terms of identification capability and large read range. The proposed concept has been also employed in real applications such as healthcare monitoring and commercial identification scenarios.