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.

Sewer and oil pipeline spillage issues have become major causes of pollution in urban and rural areas usually caused by blockages in the water storage and drainage system, and oil spillage of underground oil pipelines. An effective way of avoiding this problem will be by deploying some mechanism to monitor these installations at each point in time and reporting unusual liquid activity to the relevant authorities for prompt action to avoid a flooding or spillage occurrence. This research work presents a low cost energy efficient liquid level monitoring technique using Radio Frequency Identification Technology. Passive UHF RFID tags have been designed, modelled and optimized. A simple rectangular tag, the P-shaped tag and S-shaped tag with UHF band frequency of operation (850-950 MHz) has been designed and modelled. Detailed parametric analysis of the rectangular tag is made and the optimised design results analysed and presented in HFSS and Matlab. The optimised rectangular tag designs are then deployed as level sensors in a gully pot. Identical tags were deployed to detect 4 distinct levels in alternate positions and a few inches in seperation distance within the gully pot height (Low, Mid, High and Ultra high). The radiation characteristic of tag sensors in deployment as modelled on HFSS is observed to show consistent performance with application requirements. An in-manhole chamber antenna for an underground communication system is analysed, designed, deployed and measured. The antenna covers dual-band impedance bandwidths (i.e. 824 to 960 MHz, and 1710 to 2170 MHz). The results show that the antenna prototype exhibits sufficient impedance bandwidth, suitable radiation characteristics, and adequate gains for the required underground wireless sensor applications. Finally, a Linearly Shifted Quadrifilar Helical Antenna (LSQHA) designed using Genetic Algorithm optimisation technique for adoption as an RFID reader antenna is proposed and investigated. The new antenna confirms coverage of the RFID bandwidth 860-960 MHz with acceptable power gain of 13.1 dBi.

Ces travaux examinent le potentiel d’un papier à fort lissé pour la production de masse de tags RFID-HF imprimés. Les caractérisations menées sur le papier Powercoat HD mettent en évidence une haute tolérance à la température et une faible rugosité. De fait, il se présente ainsi comme une sérieuse alternative à l’utilisation des films polymères (PET, PEN, PI, etc.), permettant de développer pleinement les performances électriques d’encres conductrices métalliques.Deux procédés d’impression industriels ont été considérés, la flexographie et la sérigraphie ayant tout deux fait leurs preuves depuis plusieurs décennies pour l’impression graphique à hautes cadences. Le potentiel de leur utilisation pour l’impression à grande échelle de dispositifs électroniques à bas-coût est discuté dans ces travaux. De plus, les performances électriques d’encres commerciales à base d’argent sont étudiées en fonction de la taille des particules qui les composent. En effet, l’utilisation de particules métalliques à l’échelle nanométrique pourra faciliter l’activation des mécanismes de diffusion atomique, améliorant ainsi le contact physique entre les particules et favorisant la conduction électrique. En parallèle, les encres à microparticules sont moins coûteuses et leurs conditions d’utilisation moins contraignantes. Toutefois, la coalescence des particules métalliques après l’impression ne pourra être initiée sans un traitement thermique de recuit.Le recuit est usuellement réalisé dans une étuve ou un tunnel à air chaud, la température doit alors rester inférieure à la tolérance du substrat. Cela permet d’atteindre des performances électriques qui restent limitées pour des durées de procédé de l’ordre de plusieurs minutes. Afin de tenir compte des contraintes industrielles d’une production à grande échelle et de permettre d’obtenir les meilleures performances électriques en un temps réduit, l’un des principaux axes de recherche exploré consiste au déploiement des technologies émergentes de recuit photonique proche infrarouge (NIR) et lumière intense pulsée (IPL). Ces dernières sont basées sur l’absorption de l’énergie lumineuse par le film d’encre provoquant ainsi sont échauffement rapide. L’important différentiel d’absorption entre les encres et le substrat contribue, en outre, à une sélectivité de ces procédés permettant de limiter la dégradation du support tout en atteignant au niveau de l’encre, des températures pouvant être supérieures à 300°C. Pour chaque procédé de recuit, l’influence des différents paramètres sur les performances électriques finales a pu être étudiée par la mise en place d’un suivi in-situ de la résistance, permettant un échantillonnage allant jusqu’à 250 kHz.Finalement, des boucles RFID-HF ont été imprimées, recuites dans les conditions précédemment optimisées puis caractérisées. Une estimation des coûts de production a été menée afin de distinguer les contributions liées à l’encre, au support et à la puce électronique en silicium. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel du papier Powercoat HD, couplé à une impression en flexographie et à un recuit proche infrarouge, permettant alors la production à grande échelle de tags RFID-HF pour un coût matière de l’ordre de 5 centimes d’euros. / This work examines the potential of a very smooth paper for the mass production of printed RFID-RF tags. Characterizations on Powercoat HD paper demonstrate high temperature tolerance and very low roughness. It thus represents a serious alternative to the use of polymeric films (PET, PEN, PI, etc.), enabling the electrical performance of metallic conductive inks to be fully developed.Two industrial printing processes have been considered, flexography and screen printing, and their use were discussed for the printing of low-cost electronic devices. Moreover, the electrical performances of commercial silver based inks are studied according to the size of their particles. Indeed, the use of metal particles at the nanometric scale can facilitate the activation of the atomic diffusion mechanisms, thus improving the physical contact between the particles and promoting electrical conduction. In parallel, microparticles inks are cheaper and their conditions of use less restrictive. In any case, the coalescence of the metal particles after printing cannot be initiated without a thermal sintering treatment.Sintering is usually carried out in an oven or hot air tunnel, the temperature must therefore remain below the tolerance of the substrate. This leads to limited electrical performances for long process duration of several minutes. In order to take into account the industrial constraints of large-scale production and to achieve the best electrical performance in a short time, one of the main explored research areas is the deployment of emerging near-infrared (NIR) and intense pulsed light (IPL) photonic technologies. These latter are based on the absorption of light energy by the ink film thus causing rapid heating. The important absorption differential between the inks and the substrate allows high heating selectivity which makes it possible to limit the degradation of the substrate while the ink temperatures may be greater than 300 ° C. For each sintering process, the influence of the various parameters on the final electrical performance has been studied by setting up an in-situ resistance monitoring, allowing sampling frequency up to 250 kHz.Finally, RFID-HF loops were printed, sintered under previously optimized conditions and then characterized. An estimate of the production costs was carried out in order to distinguish the contributions related to the ink, the substrate and the silicon chip. The obtained results demonstrate the potential of Powercoat HD paper, coupled with flexographic roll-to-roll printing and near-infrared technology, enabling the large-scale production of RFID-HF tags at a material cost of the order of 5 euros cents.

L'identification par radio fréquence (RFID) est une technologie utilisant les ondes radio pour détecter, localiser et identifier des objets sur lesquels on place des étiquettes électroniques ou tags. Cette technologie, avec des fonctionnalités de détection supérieures à 2m, est destinée à remplacer le code-barre existant depuis les années 1970. Durant la dernière décennie, le développement de la RFID UHF a permis d'élargir le domaine des applications qui compte entre autres le marquage d'objets, le contrôle d'accès, la traçabilité, la logistique, l'inventaire, et même les transactions financières. Avec cette augmentation de la demande de services d'identification, les prévisions pour le marché de la RFID (actuellement dans les 12MM d'euros) montrent une augmentation de 3MM d'euros par an dans les 10 prochaines années. Actuellement la RFID UHF présente plusieurs limitations technologiques fortes expliquant que son développement est moins rapide que ce qui avait été envisagé il y a une vingtaine d'années. Deux problématiques industrielles importantes sont abordées dans ce travail. Tout d'abord la variété des supports sur lesquels les étiquettes RFID sont placées, cette variabilité des supports entraînant un déréglage des antennes des tags à cause du changement de la permittivité électrique et/ou de la conductivité du milieu. Dans ce contexte des solutions sont proposées au niveau de tags UHF pour une application sur surfaces en plastique ou en métal. La deuxième problématique est liée au couplage entre antennes lorsque la densité de tags est forte ou aux perturbations de diagramme (masquage) dues à l'environnement proche des antennes. Afin d'améliorer le taux de lecture dans ces conditions, une antenne lecteur miniaturisée à quatre IFAs intégrant de la diversité d'espace, de polarisation et de diagramme a été développée et testée dans un scénario à forte densité de tags / Radio Frequency Identification (RFID) is a technology designed to use the electromagnetic waves backscattering to establish detection and identification for different types of articles. Due to its longer coverage range, this technology seeks to replace the bars code existing since 1970. Recently RFID developments allow the growth in the number of applications including access control, tracking and logistic, inventory, and even electronic contactless payment between others. With this growing in the RFID services demand, the market value previsions (currently in 12MM euros) show an increase of 3MM euros per year during the next 10 years. Nowadays the RFID has many technical limitations that could explain the fact of the slow growth different of the initial estimation twenty years ago. Two main issues in RFID field are treated in this work. Initially, the variety of supports where the tags are placed on, fact that produce an antenna mismatch due to the electrical permittivity variation. For this problem some UHF tags solutions are developed and proposed to enhance the antennas performance for plastic and metallic supports applications. The second issue which is the low detection rate is clearly linked to the antennas coupling when the tags density is high or to the perturbations in the reader's radiation pattern due to the environment next to the antenna. In order to improve the detection-identification rate in these conditions, a four IFA miniaturized reader antenna with diversity is developed and tested

Avec l'explosion de l'Internet des Objets (IoT), de nouveaux dispositifs permettant de tagguer les objets sont nécessaires afin de permettre non seulement leur identification mais aussi d'assurer des communications fiables et de nouvelles fonctionnalités comme la détection, la localisation ou la capture d'informations. Cette tendance s'appuie sur la technologie bien établie qu'est la radiofréquence par identification (RFID) et donc l'utilisation d'étiquettes (ou tags) faibles coûts et télé-alimentés. Dans ce contexte, de nombreux travaux au niveau de la couche d'application se tournent vers la mise au point de traitements logiciels complémentaires visant à produire de nouveaux types d'information. D'autres travaux visent à améliorer la couche physique avec l'objectif de miniaturiser encore le tag mais aussi de le doter de nouvelles capacités. Jusqu'à présent, il n'existe quasiment pas de travaux concernant la transmission du signal et aucun sur l'exploitation du comportement non-linéaire des puces RFID. Cette thèse vise à étudier les phénomènes non-linéaires produits lors d'une communication RFID.Dans la première partie, deux plateformes de mesure et de caractérisation spécifiques ont été développées : la première vise à observer les signaux au cours d'une communication RFID, et alors caractériser et analyser les effets liés aux phénomènes non linéaires ; la seconde permet d'effectuer différentes mesures directement sur les puces et les caractériser en termes d'impédance, production d'harmoniques et sensibilité. Ces plateformes ont permis : 1) de mettre en évidence que les fréquences harmoniques sont porteuses d'informations qui peuvent être exploitées et même offrir de nouvelles fonctionnalités ; 2) d'obtenir de nombreuses informations sur les propriétés des puces et d'en établir un modèle électrique précis ; 3) de déterminer des critères permettant d'évaluer la performance des tags dans le contexte étudié.Dans la deuxième partie, plusieurs nouveaux tags RFID ont été conçus, fabriqués, mesurés et évalués. Ces nouveaux tags fonctionnent non seulement dans la bande UHF mais aussi sont adaptés à la troisième harmonique dans la bande des microondes. Une méthodologie et des lignes directives d'aide à la conception de ce type de tags ont été établies et s'appuient sur les deux plateformes développées afin de caractériser les différents éléments. Dans un même temps, les effets liés à la fabrication ont aussi été étudiés et des études paramétriques ont permis de mettre en évidence l'effet sur les performances de la géométrie de l'antenne et du type de puce utilisée.Dans une troisième partie, les études se sont focalisées à exploiter les effets non-linéaires des dispositifs de redressement. L'idée générale est de coupler la RFID passive avec les dispositifs de transferts de puissance et de récupération d'énergie avec pour objectifs 1) de maximiser l'efficacité de conversion RF – continu 2) et d'augmenter la distance de lecture des tags passifs. Plusieurs prototypes ont été réalisés et leurs performances ont été démontrées.L'ensemble de ces travaux a mis en évidence un nouveau concept de communication RFID exploitant les non-linéarités générées par les puces RFID. Ce concept ouvre la voie à de nouvelles applications. et a fait l'objet d'une demande de brevet international. / Powered by the exploding popularity of the Internet-of-Things (IoT), the demand for tagged devices with labels capable to ensure a reliable communication with added functions beyond the identification, such as sensing, location, health-care, among others, is growing rapidly. Certainly this growing is headed by the well-established Radio Frequency Identification (RFID) technology, and the use of wireless low-cost self-powered tags, in other words passive RFID tags, is the most widespread used alternative. In the constant evolution on this field, usually new software treatments are offered at the application layer with the objective to processing data to produce some new information. Further works aimed at improving the physical layer around the tag antenna miniaturization and matching techniques. So far, little or no work had been done on the exploitation of the communication channel, and certainly none has been done on the exploitation of the non-linear behavior of RFID chips.After presenting the RFID technology and phenomena produced by Radio Frequency (RF) non-linear devices, and leaning in some nearby works on the field, the core of this thesis starts by exposing two characterization platforms for the evaluation of non-linear phenomena presented during the reader-tag communication. One is specialized in radiating measurements considering the whole tag (antenna and chip) under test. The other is specialized in conducted measurements directly over RFID chips, allowing performing different parametric studies (power dependency, impedance, harmonic production, sensitivity). The characterization results show that harmonic signals generated from the passive RFID chip carry information.By exploiting the characterization results and to verify the hypothesis of exploitation of non-linearities in RFID, i.e. the use of harmonic signals, the research is pursued by designing, fabricating, and measuring four different configurations of RFID tags. The new RFID tags operate at the fundamental frequency in the UHF band and at its $3^{rd}$ harmonic in the microwave band. Antenna design policies, fabrication details, and parametric studies on the performance of the new prototypes are presented. The parametric study takes special care in the antenna structure, kind of chip used, received power, and read range.Finally, some alternatives approaches for the exploitation of non-linear effects generated by rectifying devices are presented. Some theoretical aspects and experimental results are discussed linking the passive RFID technology to the theories of Wireless Power Transfer (WPT) and Electromagnetic Energy Harvesting (EEH). The solution takes advantage of the non-linear nature of rectifying elements in order to maximize the RF-to-DC conversion efficiency of EEH devices and increase the read range of passive RFID tags. The solution triggers on the design of a RF multi-device system. The design procedure and tests consider three non-linear phenomena: (1) the impedance power dependency, (2) the harmonic production, and (3) the rectifying dependence on the RF waveform.