Aujourd’hui, le besoin grandissant d’une électronique autonome et discrète accentue l’intérêt et le développement des technologies passives d’identification automatique sans contact.Dans ce contexte, les technologies de type RFID UHF se heurtent à la nécessité d’adapter cette technologie à des environnements complexes et hétérogènes. Dans le cadre de cette thèse, des solutions RFID innovantes ont été investiguées pour le développement de dispositifs RFID UHF insensibles à la variation de l’environnement. La démarche scientifique suivie aborde plusieurs aspects tels que la caractérisation des matériaux, à l’aide d’une technique flexible de mesure permettant des mesures in-situ des caractéristiques radioélectriques. Suite à cette phase, nous présentons la conception d’antennes compactes large bande fonctionnelles en environnement hétérogène et peu sensibles à la variation de l’environnement. Une phase de tests vient ensuite valider expérimentalement notre approche. Cette démarche a été appliquée à une problématique industrielle à laquelle sont confrontés les acteurs du domaine verrier. Des antennes adaptées sur verre sont modélisées et validées expérimentalement. Les solutions RFID ainsi développées présentent un fonctionnement indépendant de la constitution du support de verre et tolérant la présence de liquide, permettant de lever la contrainte de dysfonctionnement des dispositifs RFID à proximité des liquides. Nous présentons également des travaux menés dans le cadre d’intégration d’antennes biocompatibles et biodégradables à base de polymères conducteurs, contribuant ainsi à la généralisation des solutions proposées pour la traçabilité à base d’électronique ubiquitaire. / Nowadays, the growing need of an autonomous and discrete electronic for traceability requirement, accentuate the interest for the development of contactless and automatic passives items identification (AUTO ID). In this context of growing interest for the development of these technologies, the expansion of the RFID UHF technologies encounters limitations to have a standard solution adapted to heterogeneous environments. Within the framework of this PHD, we propose an innovative RFID UHF solutions with broadband operation, compactness and capable to operate in heterogeneous surrounding. We also investigate the integration of these solutions with nonconventional materials supporting manufacturing constraints. The scientific approach takes into account different aspects such as the characterization and implementation of specific materials; we first developed a new radio electric characterization process with a flexible capability which permits in-situ measurements of geometrically complex substrates. Therefore, we present a new analysis approach for the optimization of broadband and compact RFID UHF tags that can operate insensibly in heterogeneous environment. In perspective, we propose a new antenna based on biocompatible and biodegradable polymers contributing to the development of the proposed solutions to the ubiquitous and green electronics.

La technologie RFID fait dorénavant partie intégrante de notre quotidien. Les applications correspondantes à cette technologie sont des plus en plus nombreuses et répandues. Ce manuscrit a pour ambition la recherche de solutions innovantes pour lecteurs RFID UHF. Ce travail ayant été accompli dans le cadre du projet PACID Textile, les champs d’application de nos recherches ont été l’amélioration de la gestion, de la traçabilité et de la sécurité des textiles industriels et commerciaux de par des performances accrues des structures antennaires. Pour cela, l’antenne lecteur, entre autre, doit être miniature tout en étant faible coût, directive et à polarisation circulaire dans la bande RFID UHF (0,865-0,868 GHz). Les deux verrous technologiques principaux auxquels nous avons été confrontés pour l’antenne lecteur sont la gestion de sa direction de propagation privilégiée permettant de restreindre et maîtriser la zone de lecture ainsi que son encombrement afin de l’intégrer facilement dans n’importe quel environnement. Pour répondre à cette problématique, les axes de recherche abordés dans ce manuscrit ont été : L’obtention de la polarisation circulaire à l’aide de résonateurs à courts-circuits. L’étude et la conception d’antennes à base de métamatériaux de type BIE (Bande Interdite Electromagnétique) afin d’améliorer la directivité des antennes imprimées de par les propriétés originales de ces structures. La recherche de nouvelles techniques de miniaturisation des antennes imprimées par introduction d’un nouveau plan de masse de type BIE. / RFID technology is now a part of our daily lives. The corresponding applications are more and more numerous and widespread. This work having been done in the framework of the PACID textile project, this thesis has the ambition to research innovative solutions for RFID readers in order to enhance the management, the traceability and the security of the industrial and commercial textiles.Towards this end, the antenna reader has to be miniature while being low-cost, directive and in circular polarization in the RFID UHF band (0.865-0.868 GHz). The two main technological challenges that we have faced for the reader antenna is managing its main direction of propagation to restrict and control the reading zone as well as the miniaturization of its size in order to easily integrate it into any environment. To respond to this problem, the research areas discussed in this manuscript were: The obtaining of the circular polarization using short-circuited resonators. The study and design of microstrip antennas based on EBG (Electromagnetic Band Gap). Type metamaterials to improve their directivity by using the original properties of these structures. The research of new miniaturization techniques for printed antennas by introducing a new EBG ground plane.

L'identification par radiofréquence constitue une technologie émergente et très prometteuse pour l'identification des biens et des personnes : automatisation des opérations manuelles, rapidité, informations précises...<br />Il existe plusieurs technologies RFID. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la technologie UHF passive et plus particulièrement à la conception, caractérisation et fabrication des antennes de tags RFID. En 2007, il s'est vendu plus de 1,7 milliard de tags RFID. En vue de réduire le coût de ces derniers, nous abordons leur fabrication par une technique très prometteuse qui pourrait révolutionner l'électronique, le jet d'encre. Ces travaux s'appuient sur des simulations électromagnétiques et des mesures, et considèrent différents types d'antennes RFID.

La technologie RFID fait dorénavant partie intégrante de notre quotidien. Les applications correspondantes à cette technologie sont des plus en plus nombreuses et répandues. Ce manuscrit a pour ambition la recherche de solutions innovantes pour lecteurs RFID UHF. Ce travail ayant été accompli dans le cadre du projet PACID Textile, les champs d'application de nos recherches ont été l'amélioration de la gestion, de la traçabilité et de la sécurité des textiles industriels et commerciaux de par des performances accrues des structures antennaires. Pour cela, l'antenne lecteur, entre autre, doit être miniature tout en étant faible coût, directive et à polarisation circulaire dans la bande RFID UHF (0,865-0,868 GHz). Les deux verrous technologiques principaux auxquels nous avons été confrontés pour l'antenne lecteur sont la gestion de sa direction de propagation privilégiée permettant de restreindre et maîtriser la zone de lecture ainsi que son encombrement afin de l'intégrer facilement dans n'importe quel environnement. Pour répondre à cette problématique, les axes de recherche abordés dans ce manuscrit ont été : L'obtention de la polarisation circulaire à l'aide de résonateurs à courts-circuits. L'étude et la conception d'antennes à base de métamatériaux de type BIE (Bande Interdite Electromagnétique) afin d'améliorer la directivité des antennes imprimées de par les propriétés originales de ces structures. La recherche de nouvelles techniques de miniaturisation des antennes imprimées par introduction d'un nouveau plan de masse de type BIE.

Dans le secteur de l'agroalimentaire, l'utilisation de la RFID permet d'améliorer la sécurité des produits alimentaires tout en assurant une meilleure traçabilité et un meilleur suivi des produits. Le travail de cette thèse était principalement réalisé dans le cadre d’un projet en coopération avec plusieurs partenaires académiques et industriels dans le secteur fromager où l’objectif principal du projet était de maitriser l’ensemble des étapes de fabrication par un parfait suivi de la traçabilité des produits et un pilotage précis de l’affinage. Le travail réalisé dans cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a comme objectif le développement de tags RFID UHF adaptés aux contraintes des produits alimentaires en assurant une double fonction: une fonction de traçabilité à identification unitaire, et ensuite une fonction de détection du degré de maturation de l'aliment par mesure indirecte de ses propriétés électromagnétiques et physico-chimiques.La première étape du projet était la caractérisation des paramètres électromagnétiques des produits alimentaires durant l’affinage afin de réaliser une conception appropriée de l'antenne du tag. En radiofréquences, c'est principalement le substrat qui dicte les propriétés électromagnétiques des composants, notamment la taille des antennes et leur diagramme de rayonnement. La connaissance de ces propriétés est indispensable afin de répondre aux exigences industrielles et d'intégrer dans de bonnes conditions les systèmes dans l'environnement applicatif. En plus, une étude de corrélation est réalisée entre la variation des propriétés diélectriques et celle des propriétés chimiques durant la période d’affinage des produits. Cette étude aide à comprendre la différence entre les différents produits et permet de déterminer les paramètres principaux à suivre durant l’affinage pour la conception du tag capteur.La deuxième étape était la conception des tags identifiants pour la traçabilité des produits alimentaires durant la procédure de fabrication. L’objectif principal est de réaliser un tag identifiant avec une performance qui répond aux besoins des fabricants dans le secteur fromager concernant la taille, la mémoire et la distance de lecture du tag tout en respectant les normes de santé au niveau d’emballage du tag ainsi que le substrat utilisé. Plusieurs configurations de tag RFID UHF étaient réalisées et testées dans un environnement industriel où les résultats obtenus montrent l’efficacité d’utiliser un système de RFID pour automatiser la traçabilité des produits dans le secteur fromager.La troisième étape concerne la conception des tags capteurs pour suivre le degré d’affinage des produits pendant la période de maturation. Une première solution, basée sur l’exploitation de l’effet de variation des propriétés diélectriques sur la distance de lecture de tag, montre un manque de performance due aux faibles variations ainsi qu’aux difficultés de mesure dans un environnement réel. Une deuxième solution basée sur la mesure de taux de dégagement des gaz durant l’affinage montre la possibilité d’estimer le degré d’affinage. Par contre, la puissance d’activation de capteur et le coût élevé ne permettent pas d’adopter cette solution. Finalement, deux solutions alternatives étaient réalisées pour mesurer l’augmentation du taux d’échapement des gaz d’une manière indirecte. La première configuration de tag capteur est basée sur le suivi du changement de dimensions du produit en utilisant un capteur résistif. D’autre part, la deuxième configuration de tag capteur est basée sur le suivi de changement de pression dans l’emballage du produit dû à la production de gaz. Les résultats obtenus montrent que ces deux configurations de tag RFID capteur peuvent offrir des solutions simples et efficaces pour le pilotage de l’affinage des produits alimentaires. / In the food sector, the use of RFID makes it possible to improve the safety of food while ensuring better traceability and better monitoring of products. The work of the thesis was mainly carried out within the framework of a project in cooperation with several academic and industrial partners in the cheese sector where the main objective of the project is to develop UHF RFID tags adapted to the constraints of food products by ensuring a dual function: a traceability function with unitary identification, and then a sensing function of cheese maturation by indirect measurement of its electromagnetic and physicochemical properties.The first step of the project was the characterization of the electromagnetic parameters of food products during ripening in order to achieve an appropriate design of the tag antenna. Knowledge of these properties is essential to meet industrial requirements and to integrate systems in right conditions. Also, a correlation study is carried out between the variation of the dielectric properties and that of the chemical properties during the period of cheese ripening. This study helps to understand the difference between cheese types and allows determining the main parameters to follow during cheese maturation for the design of the sensor tag.The second step was the design of identification tags for the traceability of food products during the manufacturing process. The primary objective is to create a UHF RFID tag with a performance that meets the needs of manufacturers in the cheese sector regarding the size, memory and reading distance while respecting the health standards at the packaging level as well as the substrate used. Several UHF RFID tag configurations were realized and tested in an industrial environment where the results obtained show the effectiveness of using an RFID system to automate the traceability of products in the cheese sector.The third step is the design of sensor tags to track the degree of maturation of products during the ripening period. A first solution, based on the exploitation of the effect of variation of the dielectric properties on the tag reading distance, shows a lack of performance due to the small variations as well as the difficulties of measurement in a real environment. A second solution based on the analysis of gas evolution rate shows the possibility of estimating the degree of cheese maturation. However, the sensor activation power and the high cost represent significant challenges and thus it was difficult to adopt this solution. Finally, two alternative solutions to measure the effect of gas evolution were presented. The idea is based on monitoring other parameters varying due to the increase of gas release during cheese maturation. The first sensor tag configuration traces the variation of product dimension due to maturation using a resistive sensor. On the other hand, the second sensor tag configuration measures the change of pressure inside the product packaging due to gas production. The results obtained show that these two sensor RFID tag configurations can offer simple and practical solutions for controlling the cheese ripening process.

La RFID est une technologie majeure qui connaît depuis plus d'une dizaine d'années un essor considérable en termes d'applications. Cependant son déploiement à grande échelle reste limité par des plusieurs verrous technique et technologique par lesquels la portée de lecture des tags et leur forte sensibilité à l'environnement de l'application. Le travail engagé dans cette thèse vise le développement des nouvelles antennes lecteurs pour systèmes RFID UHF champ proche. Ce type de système exploite la bande UHF de la RFID en zone de champ proche pour la traçabilité des cibles de taille miniature sur une zone proche du lecteur avec une portée limitée. Les tags se trouvant au delà de cette portée ne doivent pas être détectés par le lecteur. L'objectif dans ce travail est d'apporter des solutions au niveau des antennes lecteurs également celles du tag pour assurer une détection des tags sur une zone confinée de l'espace. Actuellement, moyennant l'utilisation d'un tag sous forme de boucle (1*1 cm²), il est possible de lire ce dernier en contact, c'est à dire dans la zone 0 – 10 cm. Il fallait donc pouvoir assurer une lecture fiable (de type couplage EM) pour une portée s'étendant d'une dizaine de centimètres. Les antennes lecteurs champ proche développés dans ce travail sont en mesure d'assurer une zone de lecture limitée (20 à 35 cm) qui s'étend sur une dizaine de centimètres de côté. / RFID is one of the most popular technologies in this decade. However, its deployment at a high scale is limited by several technical and technological limitations as the read range of tags and their sensitivity to the application's environment. In this thesis we focus on the development of new reader antennas for Near Field UHF RFID systems. This type of system uses the UHF RFID band in near field zone for the traceability of miniature size targets on an area near the reader with a limited zone. Tags being outside this zone should not be detected by the reader .One of the objective of this thesis is to provide solutions in terms of readers and tag antennas to ensure detection tags on a confined area of space. Actually, we can read loop RFID tag (1*1 cm²) in contact (read range 0-10 cm). So we have to be able to ensure a good reading of tag (EM coupling) in a range from few centimeters to meters. Near field reader antenna developed in this thesis work, has a limited range between 20 and 30 cm with a large reading zone.

La RFID est une technologie majeure qui connaît depuis plus d'une dizaine d'années un essor considérable en termes d'applications. Cependant son déploiement à grande échelle reste limité par des plusieurs verrous technique et technologique par lesquels la portée de lecture des tags et leur forte sensibilité à l'environnement de l'application. Le travail engagé dans cette thèse vise le développement des nouvelles antennes lecteurs pour systèmes RFID UHF champ proche. Ce type de système exploite la bande UHF de la RFID en zone de champ proche pour la traçabilité des cibles de taille miniature sur une zone proche du lecteur avec une portée limitée. Les tags se trouvant au delà de cette portée ne doivent pas être détectés par le lecteur. L'objectif dans ce travail est d'apporter des solutions au niveau des antennes lecteurs également celles du tag pour assurer une détection des tags sur une zone confinée de l'espace. Actuellement, moyennant l'utilisation d'un tag sous forme de boucle (1*1 cm²), il est possible de lire ce dernier en contact, c'est à dire dans la zone 0 – 10 cm. Il fallait donc pouvoir assurer une lecture fiable (de type couplage EM) pour une portée s'étendant d'une dizaine de centimètres. Les antennes lecteurs champ proche développés dans ce travail sont en mesure d'assurer une zone de lecture limitée (20 à 35 cm) qui s'étend sur une dizaine de centimètres de côté. / RFID is one of the most popular technologies in this decade. However, its deployment at a high scale is limited by several technical and technological limitations as the read range of tags and their sensitivity to the application's environment. In this thesis we focus on the development of new reader antennas for Near Field UHF RFID systems. This type of system uses the UHF RFID band in near field zone for the traceability of miniature size targets on an area near the reader with a limited zone. Tags being outside this zone should not be detected by the reader .One of the objective of this thesis is to provide solutions in terms of readers and tag antennas to ensure detection tags on a confined area of space. Actually, we can read loop RFID tag (1*1 cm²) in contact (read range 0-10 cm). So we have to be able to ensure a good reading of tag (EM coupling) in a range from few centimeters to meters. Near field reader antenna developed in this thesis work, has a limited range between 20 and 30 cm with a large reading zone.

Dans le contexte actuel de transformation numérique, Air Liquide souhaite moderniser le suivi logistique de ses bouteilles de gaz à l'aide de la technologie d'identification radio (RFID) à ultra haute fréquence (UHF) qui remplacerait la solution code-barres actuelle et permettrait de dépasser certaines de ses limites. La numérisation de la traçabilité aura pour conséquence en outre d'enrichir l'interaction entre les actifs industriels et le système de gestion et de production pour ainsi créer l'écosystème IOT (Internet Of Things) spécifique à l'entreprise. Le recours à la RFID UHF est de nos jours largement répandu pour la logistique et la gestion de stocks. Cependant, les environnements métalliques, comme celui que l'on trouve avec les bouteilles de gaz, induisent des perturbations qui dégradent fortement la qualité de la communication radio fréquence (RF). Cela constitue un frein au déploiement de cette technologie dans un tel cadre. Il est nécessaire de comprendre les perturbations induites par les milieux conducteurs afin de s'en affranchir et ainsi proposer une solution efficiente. En plus de cela, les faibles niveaux d'énergie mis en jeu impliquent qu'une étude de l'ensemble des points d'amélioration des dispositifs RFID UHF tant au niveau matériel que logiciel soit réalisée. De cette étude théorique, nous avons fait le choix de concentrer nos efforts sur la conception d'un tag RFID UHF pour objets métalliques répondant au cahier des charges spécifique de l'industriel. Pour aller plus loin dans l'optimisation de la logistique et de la gestion des stocks, nous nous sommes également penchés sur l'étude et la réalisation d'un circuit de récupération d'énergie RFID UHF pour tag augmenté passif équipé d'un capteur. L'objectif est d'apporter une information sur l'état de l'actif en plus de son identité tout en évitant les contraintes liées à la présence d'une batterie ou d'une pile. / In the current context of digital transformation, Air Liquide explores the use of Ultra High Frequency (UHF) Radio Frequency IDentification (RFID) in the gas cylinders supply chain, as a replacement for the current, barcode-based, tracking and inventory solution. Digitalization will also provide the company an opportunity to develop its IOT ecosystem through enriched interaction between assets and their management system. UHF RFID is nowadays commonplace in logistics. However, metal surroundings as found in the gas cylinder's case, yield disturbances in the RF communication, and decreased inventory performances. Therefore, it is necessary to understand the adverse effects of metal surroundings to propose an ad-hoc solution. In addition, dealing with low levels of energy in the RF communication suggests leveraging both hardware and software aspects of RFID devices for potential performance improvements. On the basis of our theoretical study, we focus on the design and testing of an industrial UHF RFID tag suitable for the gas cylinder use case. To enable an even richer, more interactive supply chain, we also design and test an energy harvesting device for the UHF band, to power a tag enriched with an active sensor, without the logistic burden of a battery of limited durability.

La technologie d'identification par radiofréquence (RFID) a eu un essor très important ces dernières années notamment grâce à sa configuration polyvalente et aux innombrables possibilités d'intégration offertes par cette technologie notamment avec l'apparition d'un nouveau contexte applicatif celui des objets connectés. Depuis quelques années, des applications de la RFID UHF en champ proche ont été notamment développées afin de surmonter les problèmes liés à la dégradation de lecture des tags lorsqu'ils sont placés dans des milieux fortement perturbateurs. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'intéressent à l'étude de la technologie RFID UHF en zones de champ proche et de champ lointain. Les études portent plus particulièrement sur la conception d'antennes lecteur et d'antennes tag ainsi que sur les méthodes de caractérisation des systèmes RFID en zones de champ proche et de champ lointain. Une étude sur les caractéristiques des champs rayonnées par une antenne est réalisée afin de souligner les critères les plus pertinents en vue de concevoir des antennes pour les lecteurs RFID, performantes en zone de champ proche. A partir de l'état de l'art sur les antennes tags et les méthodologies de conception classiques, une nouvelle approche de conception est développée qui vise à améliorer la conception d'antennes tags en intégrant une vision appropriée pour tenir compte du niveau de puissance espéré dans une application donnée. Enfin avec pour objectif la caractérisation des tags RFID UHF, d'une part une approche est proposée permettant l'identification de familles de tags, et d'autre part, une procédure innovante pour la mesure de l'efficacité du transfert de puissance est proposée et validée expérimentalement. / The Radiofrequency Identification technology (RFID) has had a huge growth these last years, due to its versatility and the uncountable possibilities to integrate this technology in many different application (tracking and inventory of goods, access control, supply chain, etc.), and in particular the brand new context of internet of things projects. For some years, the near field UHF RFID applications has been developed in order to overcome the problems related to degradations of tag's read range when needing to use it in a perturbing environment. The research work presented in this thesis come as a study of the UHF RFID in near field and far field zones. This study focus more particularly on the design of reader and tag antennas and on the characterization method in near field and far field zones. A study on the characteristics of fields outgoing from an antenna has been made, in order to underline the important criteria for the design of performant UHF RFID reader antennas in near field zone. From the state of art about tag antennas design and classical methodologies, we propose a new approach that aims improving the design of tag antennas in a more suitable point of view that is getting the expected power level in a given application. Finally, with an objective to characterize UHF RFID tags, we first propose a new approach enabling the identification of tag families, and then propose a new innovating power transfer efficiency measurement procedure, that has been validated experimentally.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet collaboratif FUI VEADISTA. Le but de ce projet est le développement d’une solution technologique à bas coût pour la veille à distance de personnes fragiles. Cette thèse se focalise sur la conception d’antennes lecteur et d’une étiquette RFID UHF posée sur le corps humain. Deux objectifs principaux sont visés dans ces travaux de thèse. Le premier aborde la conception d’antennes pour lecteurs RFID, le second aborde la conception d’une antenne large bande, pour une étiquette RFID, adaptée au corps humain. Les objectifs à atteindre pour l’antenne lecteur sont : un champ rayonné à polarisation circulaire, un gain élevé, faible coût de fabrication et faible épaisseur. Pour atteindre ces objectifs, une topologie d’anneau fente miniaturisé par une méthode itérative de repliement d’anneau associée à un réflecteur incluant un AMC à cellules élémentaires réduites sont employés. Le second objectif de la thèse est la conception d’une antenne large bande, pour une étiquette RFID, capable de minimiser l’influence du corps humain sans sacrifier la distance de lecture tout en restant faible coût. Un modèle électromagnétique d’avant-bras humain est utilisé comme support de conception de l’antenne tag large bande. Enfin le système RFID complet incluant, l’étiquette, l’antenne lecteur et le lecteur RFID ont fait l’objet de tests fonctionnels pour préparer les tests cliniques sur patient. / This thesis was initiated within the VEADISTA project. The main goal of this project was to develop a cost effective technological remote care system for fragile person. The main focus of this thesis is on antenna design for RFID reader and also for RFID tags in contact with human body. For the reader antenna the criteria are: a circularly polarized radiated field, high gain, cost effectiveness and small thickness. To achieve these objectives, a miniaturized slot ring topology obtained by an iterative method of ring folding associated with a reflector including a reduced unit cells AMC are used. For the tag the objective is to design a broadband antenna, by minimizing the influence of human body without affecting the reading scope. The tag is needed to also be cost effective. An electromagnetic model of human forearm is used as the broadband tag antenna design support. Ultimately, the functionality of the complete system including a tag and a reader have been tested.