Identification Par RaDiofréquence (RFID)

L’activité RFID est présente au niveau du groupe depuis plusieurs années. Elle a démarré avec des recherches sur deux axes : la conception de tags UHF et microondes sur des substrats bas coût tels que le papier, le tissu le plastique…et la caractérisation expérimentale des paramètres fonctionnels des tags. Grâce à ces développements le groupe a acquis une très grande expertise dans le domaine de la RFID, la conception et la mesure d’antennes miniaturisées très contraintes, la caractérisation RF des substrats, la mesure de systèmes RFID. Le groupe est impliqué dans de nombreux projets collaboratifs, en France et à l’Etranger, aussi bien avec des laboratoires publics que des entreprises. Des travaux ont été menés sur la génération automatique d’antennes pour les tags UHF, la réalisation de tags robustes aux environnements y compris métalliques, la caractérisation des puces et systèmes RFID et les réseaux de tags capteurs pour l‘Internet des Objets.

Plus récemment, les activités du groupe dans ce thème ont porté tout particulièrement sur les questions liées aux effets non-linéaires en RFID et la thématique « capteur RFID ».

Effets non-linéaires en RFID UHF

L’objectif de cet axe est d’exploiter le comportement non-linéaire d’un tag (ou de tout autre dispositif non linéaire) pour générer de nouvelles composantes fréquentielles. Ces composantes peuvent apparaitre sous la forme d’harmoniques ou de produits d’intermodulation et permettent d’améliorer la robustesse du lien radio ou pour apporter de nouvelles fonctionnalités.

Pour la génération d’harmoniques, un protocole expérimental a été mis en place de sorte à caractériser le contenu spectral des signaux rétrodiffusés. Bien que les niveaux détectés restent faibles (de l’ordre de – 80 à – 90 dBm à une distance d’environ un mètre), il a été observé à partir de plusieurs types de tags commerciaux que la modulation par commutation de charge se répercute sur les harmoniques générées par le régulateur du tag. Ainsi, les harmoniques de rang impair sont porteuses des mêmes informations que celles portées par le fondamental. Ces travaux nous ont permis de valider le concept de « Communication RFID sur la Nième harmonique ». En parallèle à ces caractérisations, nous avons travaillé sur les moyens de rehausser les niveaux émis sur la 3ème harmonique en considérant des puces récentes. Nous avons ainsi démontré qu’il est possible de rehausser le niveau reçu sur la 3ème harmonique et plusieurs réalisations ont été conduites et ont démontré (pour la première fois !) une communication RFID à la troisième harmonique sur des distances de plusieurs mètres. Depuis ces premières démonstrations de communication harmonique, ce thème a évolué vers l’exploitation des propriétés non linéaires des puces RFID pour la récupération d’énergie et l’alimentation de capteurs RFID. De nombreuses applications ont été démontrées notamment dans le cadre de collaborations industrielles en France, mais aussi au niveau international (MTT-TC24, COST 1301).

Pour les produits d’intermodulation, le principe repose sur la génération d’un signal modulé par le lecteur combiné à la non-linéarité présente dans toute puce RFID (ou autre dispositif non linéaire). Dans des conditions spécifiques, nous avons montré que les signaux rétrodiffusés du tag peuvent produire de nouvelles composantes fréquentielles situées autour de la fréquence porteuse utilisée par le lecteur. Ces nouvelles  composantes peuvent être facilement séparés de la réponse de l’environnement dans le domaine fréquentiel. De plus cette détection peut se faire à une puissance nettement inférieure à la sensibilité de la puce ce qui permet de détecter la présence d’un tag à une distance supérieure à 20 m. Cette détection représente une amélioration de 30% par rapport à la distance de lecture classique.

Capteur RFID

En terme applicatif, la technologie RFID est très présente dans le domaine de la traçabilité. Aujourd’hui, beaucoup de travaux visent à doter les tags d’une fonction « Capteur ». Dans ce contexte, l’identification des produits, notamment alimentaires, et leur qualité en termes de « fraîcheur», sans toutefois les endommager, est une orientation de recherche très prometteuse. Pour obtenir cette transformation, nous exploitons la sensibilité de l’antenne à son environnement immédiat. Ainsi, à partir des mesures de la permittivité des aliments en fonction de leur fraîcheur, nous avons démontré la faisabilité de tag utilisé comme un capteur sans fil pour la détection de la qualité des aliments de type viande.

Références

• M. Daiki and E. Perret, « Segmented Solenoid Coil Antenna for UHF RFID Near-Field Reader applications, » IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 2, pp. 210-218, 2018.
• A. Abdelnour, F. Buchin, D. Kaddour and S. Tedjini, « Improved Traceability Solution Based on UHF RFID for Cheese Production Sector, » in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 2, no. 2, pp. 68-72, June 2018.
• K. Zannas, H. El Matbouly, Y. Duroc and S. Tedjini, « Self-Tuning RFID Tag: A New Approach for Temperature Sensing, » in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 12, pp. 5885-5893, Dec. 2018.
• M. Daiki and E. Perret, « Near-Field Modular Antenna Concept with Configurable Reading Area for RFID Applications, » IEEE Trans. Antennas Prop., Vol. 65, Issue 3 , March 2017.
• D. Allane, GA Vera, Y Duroc, R Touhami, S Tedjini « Harmonic power harvesting system for passive RFID sensor tags » IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 64 (7), 2347-2356, 2016
• Andia Vera, G.; Nawale, S.D.; Duroc, Y.; Tedjini, S., « Read Range Enhancement by Harmonic Energy Harvesting in Passive UHF RFID, » Micro. & Wire. Comp. Letters, IEEE , vol.25, no.9, pp.627-629, Sept. 2015
• Andia Vera, G.; Duroc, Y.; Tedjini, S., « Third Harmonic Exploitation in Passive UHF RFID, » in , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.63, no.9, pp.2991-3004, Sept. 2015
• Andia Vera, G.; Allane, D.; Georgiadis, A.; Collado, A.; Duroc, Y.; Tedjini, S., « Cooperative Integration of  Harvesting RF Sections for Passive RFID Communication, » IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, vol.63, no.12, pp.4556-4566, Dec. 2015
• N. Barbot, « Non Linear Modulation of UHF Tag, » in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 7, pp. 38-44, 2023

Chipless RFID

La RFID est une des technologies majeures qui connaît un essor considérable dans le domaine de l‘identification/authentification. C’est une technique de capture automatique d’information, par lecture radio à distance, d’une étiquette contenant les données. Malgré les nombreux avantages que procurent la RFID, son déploiement demeure freiné par plusieurs facteurs aussi bien économiques, que technologiques ou sociétaux. Parmi ces freins, on peut citer le coût encore trop élevé des tags, le manque de fiabilité et de sécurité dans les informations contenues dans la puce RFID mais aussi les aspects « recyclage » des tags.

Les activités de recherche du groupe ORSYS dans ce domaine portent sur le développement d’une nouvelle famille de tags bas coût. Pour ce faire, la réalisation de tags sans puce constitue une solution très attractive, aussi nous avons proposé une approche où l’information est codée en jouant sur les propriétés électromagnétiques intrinsèques des matériaux. Le groupe ORSYS a débuté ses activités sur la thématique de la RFID sans puce (chipless) en 2009, depuis il est devenu un des principaux protagonistes dans ce domaine ce qui lui vaut une reconnaissance internationale.

Les objectifs sont :

1) de développer des approches radar pour la mesure de grandeurs physiques,

2) de mettre au point un système d’identification basé sur ce principe.

Plus de 6 thèses ont porté sur cette thématique générant plus d’une centaine d’articles, conférences ou brevets. Ses activités sur la technologie Chipless ont été récompensées par plusieurs distinctions et prix : membre junior de l’IUF (2014-2019), lauréat du Léon Brouillon 2016 et du prix MIT Technology Review’s French innovator under 35-2013 et le IEEE MTT-S 2019 Outstanding Young Engineer Award. Sur la base de ces travaux, Etienne Perret a obtenu un ERC consolidator Grant intitulé « ScattererID » en 2017 (débuté en septembre 2018). Ce projet qui va s’étendre sur la période 2018 – 2023, constitue un axe majeur de recherche pour le groupe pour les prochaines années.
Les activités du groupe dans ce domaine ont fait l’objet de plusieurs livres et notamment d’une série de 4 ouvrages intitulée «Remote Identification Beyond RFID – Chipless RFID and dedicated Smart Wireless Systems ».

Perspectives : Nouvelles fonctionnalités en Chipless:

Le groupe ORSYS est un des principaux protagonistes de la RFID sans puce dans le monde, s’intéressant à cette technologie dans son ensemble, à savoir au tag et au lecteur. Pour se différencier du code à barres, cette technologie doit demain pouvoir proposer davantage de fonctionnalités tout en conservant une certaine flexibilité de lecture qui est propre à l’utilisation d’ondes électromagnétiques pour interroger le tag. A travers le projet ERC scattererID, l’objectif est de développer un concept de caractérisation RF, sans fil, à mi-chemin entre l’utilisation du principe des cavités résonnantes et celui d’une approche quasi optique en espace libre. L’idée repose sur le développement d’une technique de réflectométrie basée sur l’utilisation d’éléments rétro-diffusants résonnants. D’un point de vue applicatif, le tag imprimé, sans puce devra, en plus d’un identifiant, être réinscriptible, comporter une fonction capteur ou encore permettre à un utilisateur d’interagir physiquement avec un système électronique.

Références

• J. Methapettyparambu Purushothama, A. Vena, B. Sorli, and E. Perret, « Electronically Re-Configurable, Non-Volatile, Nano-Ionics-Based RF-Switch on Paper Substrate for Chipless RFID Applications, » Technologies, vol. 6, p. 58, 2018.
• N. Barbot and E. Perret, « A Chipless RFID Method of 2D Localization Based on Phase Acquisition, » Journal of Sensors, vol. 2018, p. 6, 2018.
• M. P. Jayakrishnan, A. Vena, B. Sorli, and E. Perret, « Solid-State Conductive-Bridging Reconfigurable RF-Encoding Particle for Chipless RFID Applications, » IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, pp. 506-508, 2018.
• Z. Ali, N. Barbot, R. Siragusa, E. Perret, D. Hely, M. Bernier, and F. Garet, “Detection of Minimum Geometrical Variation by Free-Space-Based Chipless Approach and its Application to Authentication’, IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 28, no. 4, pp. 323–325, Apr. 2018.
• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa and C. Halopé, « Ultra-Low-Jitter Fully Tunable Baseband Pulse Generator for UWB Applications, » in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 1, pp. 420-430, Jan. 2018.
•  M. Purushothama, A. Vena, B. Sorli, and E. Perret, « Nafion Based Fully Passive Solid State Conductive Bridging RF Switch, » IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 27, Issue 12, Dec. 2017.
• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa, and C. Halopé, « Towards Chipless RFID Reading Systems Independent of Tag Orientation, » IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 27, Issue 12, pp. 1158-1160, Dec. 2017.
• M. Garbati, R. Siragusa, E. Perret, and C. Halopé, « Impact of an IR-UWB Reading Approach on Chipless RFID Tag, » IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, pp. 678 – 680, 2017.
• E. Perret, « Displacement Sensor Based on Radar Cross-Polarization Measurements, » IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 65, pp. 955 – 966, 2017.
• O. Rance, R. Siragusa, P. Lemaître-Auger and E. Perret, « Contactless Characterization of Coplanar Stripline Discontinuities by RCS Measurement, » in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 1, pp. 251-257, Jan. 2017.

Livres:
Series title : « Remote Identification Beyond RFID”
subtitle: “Chipless RFID and dedicated Smart Wireless Systems”

• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa, Chipless RFID Reader Design for Ultra-Wideband Technology, ISTE-Elsevier, Fev. 2018.
• O. Rance, E. Perret, R. Siragusa, P. Lemaître-Auger, RCS Synthesis for Chipless RFID – Theory and Design, ISTE-Elsevier Jul. 2017.
• O. Rance, E. Perret, R. Siragusa, P. Lemaître-Auger, Synthèse de RCS pour la technologie RFID sans puce à forte capacité de codage, ISTE, Jul. 2017.
• A. Vena, E. Perret, and S. Tedjini, La RFID sans puce – Théorie, conception, mesures: ISTE, 2016.
• Vena, E. Perret, S. Tedjini, Chipless RFID based on RF Encoding Particle – Realization, Coding and Reading System, ISTE-Elsevier, Aug. 2016.
• E. Perret, Radio Frequency Identification and Sensors: From RFID to Chipless RFID, Wiley-ISTE, 2014.

Antennes Spécifiques Pour Les Communications

Le groupe ORSYS a une expérience dans la conception d’antennes pour des applications spécifiques. On entend par là des situations où l’antenne est contrainte en termes d’encombrement mais surtout a vocation d’être utilisée dans un environnement proche (le plus souvent celui directement en contact avec l’antenne) potentiellement changeant, voire même en contact avec un corps humain. Sachant qu’une antenne est directement impactée par cet environnement proche, il est indispensable d’introduire des antennes basées sur de nouveaux concepts afin qu’elles soient compatibles avec ces problématiques.

Vêtement communicant

L’objectif de ce sous-thème est de concevoir et de développer des antennes devant être intégrées dans un vêtement de type gilet. Nous avons développé une solution innovante basée sur un concept d’antenne distribuée sur les différentes parties du gilet. Le rayonnement de l’antenne doit respecter les performances recherchées notamment en termes de bande de fréquence, de direction de rayonnement et de couverture spatiale. Par ailleurs un Débit d’Absorption Spécifique (DAS) inférieur à la norme DAS<2W/kg doit être respecté dans ce type d’application. Le concept développé permet d’atteindre de manière aisée ces performances. D’un point de vue technologique, le concept développé est parfaitement compatible avec les technologies d’impression numérique car les antennes sont mono-faces. Notons enfin que les effets des déformations du gilet en situation de mouvement ont été étudiés et leurs effets pris en compte dans une étude de sensibilité. Plusieurs démonstrateurs ont été réalisés et ont permis de valider des distances de communication bien supérieures au km pour une puissance de 1W et une fréquence autour de 2 GHz. Ce concept innovant et les résultats obtenus ont été présentés lors du salon EUROSATORY 2014 sur le stand Innovation de la DGA, à leur invitation.

Réseau d’antennes

Dans ce sous-thème, nous avons travaillé sur la conception de réseaux d’antennes originaux. Une première étude a porté sur un réseau focalisant, au sens optique du terme : avec l’obtention d’une zone de focalisation dans l’espace. Par une disposition adéquate d’un nombre restreint d’antennes, nous avons pu montrer qu’avec deux déphaseurs, il était possible de modifier dynamiquement la position de focalisation, sans dégradation significative de la dimension du spot de focalisation. Une autre étude a porté sur un réseau sous-échantillonné pour la production d’une onde localisée. Par simulation uniquement, une démonstration de la propagation d’un faisceau d’environ 4 sur plus de 100. Ces études ont en commun un réseau fonctionnant en champ proche, mais en champ lointain pour une antenne individuelle. Une dernière étude théorique a porté sur les antennes à onde de fuite. Une approche réseau a été adoptée et nous a permis de généraliser une approche basée le facteur de réseau pour concevoir des antennes non-uniformes. Cette approche théorique est tout particulièrement indiquée pour des antennes CRLH.

Filtrage spatial des ondes

Nous avons travaillé sur le filtrage des ondes planes. Le but était de concevoir un papier-peint capable de filtrer sélectivement les ondes aux fréquences du WiFi (2,4 et 5,0 GHz) ou de la téléphonie mobile (3G et ensuite 4G). Des motifs nouveaux de surfaces sélectives en fréquence ont été imaginés et testés par impression d’encres conductrices sur du papier. Les motifs permettent de choisir indépendamment 2 et même 3 fréquences de filtration. Les résultats expérimentaux montrent des atténuations supérieures à 25 dB sur les fréquences obtenues. Une industrialisation par la société DHJ Internationale sur tissu a montré des performances encore meilleures. Une seconde étude a porté sur l’effet inverse, favoriser le passage d’une onde électromagnétique à travers un édifice. Nous avons pu montrer qu’il était possible, par un ajout de motifs conducteurs d’améliorer de 10 dB le passage d’une onde à travers une fenêtre isolée thermiquement. Sans ce motif, l’atténuation non sélective est d’environ 30 dB, elle se réduit à 20 dB avec le motif.