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No / A new hybrid method of moments (MoM)/finite-difference time-domain (FDTD), with a sub-gridded finite-difference time-domain (SGFDTD) approach is presented. The method overcomes the drawbacks of homogeneous MoM and FDTD simulations, and so permits accurate analysis of realistic applications. As a demonstration, it is applied to the short-range interaction between an inhomogeneous human body and a small UHF RFID antenna tag, operating at 900 MHz. Near-field and far-field performance for the antenna are assessed for different placements over the body. The cumulative distribution function of the radiation efficiency and the absorbed power are presented and analyzed. The algorithm has a five-fold speed advantage over fine-gridded FDTD.

This diploma thesis deals with design and realization of a module for a digital signal procesor, for handheld RFID reader working in UHF band. It utilises a special chip EM4298 for RFID signals processing. Module is controlled by the microcontroller ATmega32L, which communicates with the PC through USB bus. Settings in EM4298 is made by a service program which processes received identifying data obtained from tags. Source codes for microcontroller are created in AVR Studio 4.13 program. Source codes for microcontroller are created in C++ Builder 6.0 program. Further thing is Desing and realization of analog interface and a UHF transceiver for wireless communication with tags. A Webench program was used for the analog interface design, which is freely available on the internet. For verification of parameters of the analog interface it was used PSpice 10.0 program. The UHF transceiver is build-up with a MAX2903 chip (transmitter) and AD8347 (receiver) and transmitting and receiving antennae.

La Spectroscopie RMN (SRMN) du 1H et du 31P permet de détecter et de mesurer in vivo de façon non-invasive la concentration de composés biologiques qui sont pertinents à l’étude des aspects variés du métabolisme cérébral comme la neurotransmission (glutamate, GABA), la densité neuronale (N-acetyl-aspartate) et gliale (myo-inositol) ou le métabolisme énergétique (phosphocreatine, ATP), entre autres. Ainsi, l’analyse des profils biochimiques permet d’étudier longitudinalement l’évolution de la physiologie cérébrale en conditions pathologiques ou normales. Par ailleurs, à ultra-haut champ magnétique la SRMN bénéficie d’une sensibilité et d’une résolution spectrale accrues, maximisant l’information métabolique exploitable. Au cours de cette thèse, nous nous sommes surtout intéressés à l’étude du vieillissement cérébral normal. Une étude longitudinale en 1H et 31P a été menée in vivo à 17.2 Tesla afin de suivre les altérations métaboliques pendant 14 mois chez deux cohortes de rats Dark Agouti âgés d’un mois et 8 mois au départ de l’étude. Les concentrations ainsi que les temps de relaxation T1 et T2 de plus de 20 métabolites ont été mesurés jusqu’à l’âge de 22 mois. Nous avons notamment observé une augmentation des concentrations de myo-inositol et des macromolécules dans les 4 volumes d’intérêt (VOI) étudiés. Dans le VOI Main, comprenant principalement du cortex mais aussi du corps calleux et de l’hippocampe, ces changements métaboliques ont été accompagnés par une augmentation des niveaux de glutamine et de composés contenant de la choline (tCho). Ces observations sont cohérentes avec une possible neuro-inflammation modéré au cours du vieillissement. Aucun changement du NAA a été observé sur le Main VOI, thalamus et putamen caudé (striatum). Additionnement, une réduction des temps T2 pour le NAA total, la tCho et les macromolécules a été observée, en accord avec une altération du milieu cellulaire et une accumulation de fer dans les tissus avec l’âge. Etonnamment, nous avons observé un effet corrélé avec le nombre d’examens RMN, qui a été fortement manifesté par une augmentation significative des temps T1 de nombreux métabolites.Un deuxième axe de travail pendant cette thèse a été la mise en place des outils méthodologiques nécessaires à la réalisation des études par SRMN du 1H et du 31P à 7 Tesla chez l’homme. Des séquences d’imagerie spectroscopique 2D ont été développées pour obtenir des cartes de concentration des métabolites 31P et 1H respectivement par la sélection d’une coupe ou bien d’un voxel par écho-stimulé. Un schéma de suppression d’eau WET a été optimisé pour son application à 7 T. Des modes d’excitation et de saturation du signal extérieur (OVS) en « anneau » ont été implémentés avec la méthode de transmission parallèle pour son application en imagerie spectroscopique 1H par l’optimisation des configurations statiques d’excitation ou « shimming-B1 ». Cette approche a permis d’appliquer des champs d’excitation plus homogènes et de réduire le dépôt d’énergie chez le sujet par rapport à l’utilisation des bandes OVS classiques. Des expériences in vitro ont été menées pour démontrer leur faisabilité. Enfin, un module de saturation BISTRO a été implémenté pour l’acquisition in vivo de cartes métaboliques en 31P. L’efficacité du module BISTRO a été démontrée et ce module peut être adapté pour des expériences 31P de transfert d’aimantation, ouvrant la voie de l’étude du métabolisme énergétique cérébral chez l’homme à très haut champ magnétique. / 1H and 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy allows to detect and to measure in vivo and non-invasively the concentrations of biologically relevant compounds associated to metabolic processes such as neurotransmission (glutamate, GABA), neuronal and glial density (N-acetyl-aspartate, myo-inositol) and energetic metabolism (phosphocreatine, ATP) among others. Knowledge of the biochemical profile provides a mean to evaluate the metabolic state of the brain in pathological cases or in evolving physiological conditions, such as aging. Yet, the neural basis of age-related cognitive dysfunction in normal brain aging remains to be elucidated and it has been shown to develop at different rates depending on the structural region.At ultra-high magnetic fields, magnetic resonance spectroscopy (MRS) benefits from an increased signal-to-noise ratio and a higher chemical shift dispersion, resulting in an increased sensitivity and spectral resolution. To exploit these advantages, 1H and 31P longitudinal studies were carried out in vivo at 17.2 Tesla in the aging rat brain to evaluate the progressive metabolic changes within the same individuals from the ages of 1 to up to 22 months of age using two rat cohorts with 1 and 8 months of age at the beginning of the study. For the 1H MRS studies, T1 and T2 metabolite relaxation times were measured at each exam in order to control age-related variations and to calculate absolute metabolite concentrations. 1H neurochemical profiles from four volumes of interest (VOI) in the brain were studied, revealing a progressive increase in myo-inositol and macromolecule content throughout the brain. In our main VOI composed mostly of cortex but also of corpus callosum and hippocampus, increased levels of choline-containing compounds (tCho) and glutamine were also observed, suggesting a mild neuroinflammation. No changes in NAA were observed in our main VOI, the thalamus or the caudate putamen (striatum). T2 decreases were observed with age for total NAA, tCho and macromolecules. Notably, unexpected effects correlated with the number of NMR exams were observed, the most prominent effect being an increase of the T1 relaxation times of the majority of metabolites.The second axis of the work done during this thesis was to set up an experimental framework for MR spectroscopic imaging (MRSI) studies at 7 Tesla in the human brain. 2D MRSI pulse sequences were developed for the acquisition of 31P and 1H metabolite maps using either slab selection or STEAM localization, respectively. A WET water suppression scheme was numerically optimized for its application at 7 T. Static B1-shimming configurations were implemented to reduce the inhomogeneity of the excitation field in the volume of interest and to generate outer-volume suppression (OVS) “ring” modes to saturate the signal in the periphery of the head. This approach allows to reduce the energy deposition in comparison to conventional OVS bands. Experiments were done in vitro showing their feasibility. The performance of standard OVS bands was also compared to a B1-insensitive train to obliterate signal (BISTRO) scheme in vivo using a double-tuned 1H/31P phased-array coil in a single-channel configuration for transmission. The demonstrated suppression efficacy of BISTRO opens the way for its use as a frequency-selective pre-saturation module for future 31P magnetization transfer experiments for the study of brain energy metabolism at very high magnetic field.

Die Weiterentwicklung klassischer, elektronischer Identifikationstechnologien leistet einen wichtigen Beitrag zum technischen Fortschritt in Industrie, Logistik und Gesundheitswesen. Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt die Entwicklung eines Dual-Feed-Antennendesigns für passive UHF-RFID-Transponder auf kritischen Oberflächen. Die zu Grunde liegende Antennenstruktur besteht aus einem Microstrip-Patch unter Verwendung eines verlustarmen Substratmaterials. Dieser erfährt eine Optimierung hinsichtlich seiner Lesereichweite, insbesondere auf kritischen Oberflächen. Ein Zwei-Port-Konzept mit gekoppeltem Feed-Line-Anpassnetzwerk reduziert die Anzahl benötigter, diskreter Komponenten und ermöglicht eine kostengünstige Herstellung mittels klassischer Ätzverfahren. Verschiedene Ansätze zur Modellierung und zur analytischen Berechnung der Antennenparameter werden dargestellt. Des Weiteren erfolgt eine Verifikation der Antennenstruktur anhand eines Konzepts für einen passiven Energy-Harvesting-RFID-Transponder, der zur Temperaturüberwachung in den genannten Branchen eingesetzt werden kann. Dieses Konzept schließt ein effizientes Energiemanagement mittels eines Ultra-Low-Power-Mikrocontrollers sowie Ansätze zur Energiegewinnung und -speicherung mit ein und stellt die Wahl wichtiger Systemparameter und Bauelemente anhand anwendungsspezifischer Abschätzungen dar.

The object of this research was to investigate dispersion in surface phononic crystals (PnCs) for application to a newly developed passive surface acoustic wave (SAW) ozone sensor. Frequency band gaps and slow sound already have been reported for PnC lattice structures. Such engineered structures are often advertised to reduce loss, increase sensitivity, and reduce device size. However, these advances have not yet been realized in the context of surface acoustic wave sensors. In early work, we computed SAW dispersion in patterned surface structures and we confirmed that our finite element computations of SAW dispersion in thin films and in one dimensional surface PnC structures agree with experimental results obtained by laser probe techniques. We analyzed the computations to guide device design in terms of sensitivity and joint spectral operating point. Next we conducted simulations and experiments to determine sensitivity and limit of detection for more conventional dispersive SAW devices and PnC sensors. Finally, we conducted extensive ozone detection trials on passive reflection mode SAW devices, using distinct components of the time dispersed response to compensate for the effect of temperature. The experimental work revealed that the devices may be used for dosimetry applications over periods of several days.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(A)(2) 課題番号:09355002 研究代表者:後藤 俊夫 研究期間:1997-1999年度

Les activités de transport de passagers et de marchandises augmentent sans cesse dans le monde et en particulier dans l'Union Européenne, entre autres au bord des péages. Afin d'améliorer la fluidité et réduire les risques d'encombrements, une des solutions consiste à rendre les péages plus performants. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la performance des systèmes d'identification de véhicules et de contribuer à la conception d'un système de classification des types de véhicules par ondes électromagnétiques pour application au télépéage. Ce système permet un paiement automatique sans arrêt des véhicules. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de deux systèmes d'identification de véhicules : RFID UHF et DSRC. Notre recherche s'est focalisée sur l'augmentation de la distance de communication ainsi que sur la réduction de la taille et du prix du système grâce à 5 nouvelles antennes à bas coûts, très directives et faciles à industrialiser. La deuxième partie est consacrée à l'étude d'un système de classification à distance des différents types de véhicules, basé sur les ondes diffusées par les véhicules. Il détecte la présence d'un véhicule et mesure la distance entre ce véhicule et le système avec une bonne précision. Ce système est basé sur la technique de radar Ultra-Large-Bande. Le signal émis est une impulsion monocyle de très courte durée. Dans cette partie, nous proposons et testons trois méthodes de classification de véhicules dans un environnement proche du milieu routier.

Le but de cette thèse est de développer des capteurs sur la base des tags RFID, des technologies et matériaux disponibles au Vietnam afin de contribuer à résoudre la problématique du contrôle de la qualité des produits alimentaires. En effet la technologie RFID s'est affirmée en importance pour ses applications dans de nombreux domaines. Dans ce contexte, l'identification des produits alimentaires expirés, sans les endommager, est une orientation de recherche très prometteuse. Un tag RFID UHF passif peut aussi être composé de plusieurs puces et plusieurs antennes, chaque couple puce/antenne conçu pour travailler sur un intervalle déterminé de valeur de permittivité. Donc, à partir de l'ensemble des permittivités définies pour chaque couple puce/antenne et les signaux réfléchis vers le lecteur, nous pourrons "mesurer" la permittivité de l'objet tracé. Ainsi la connaissance de la permittivité des aliments et la conception spécifique de l'antenne, nous développerons un tag capteur de type "multi puce/antenne" qui sera utilisé comme un capteur sans fil pour la détection de la qualité des aliments

This dissertation investigates Ultra-Wideband (UWB) techniques for the next generation Radio Frequency Identification (RFID) towards the Internet-of-Things (IoT). In particular, an ultra-high frequency (UHF) wireless-powered UWB radio (UHF/UWB hybrid) with asymmetric links is explored from system architecture to circuit implementation. Context-aware, location-aware, and energy-aware computing for the IoT demands future micro-devices (e.g., RFID tags) with capabilities of sensing, processing, communication, and positioning, which can be integrated into everyday objects including paper documents, as well as food and pharmaceutical packages. To this end, reliable-operating and maintenance-free wireless networks with low-power and low-cost radio transceivers are essential. In this context, state-of-the-art passive RFID technologies provide limited data rate and positioning accuracy, whereas active radios suffer from high complexity and power-hungry transceivers. Impulse Radio UWB (IR-UWB) exhibits significant advantages that are expected to overcome these limitations. Wideband signals offer robust communications and high-precision positioning; duty-cycled operations allow link scalability; and baseband-like architecture facilitates extremely simple and low-power transmitters. However, the implementation of the IR-UWB receiver is still power-hungry and complex, and thus is unacceptable for self-powered or passive tags. To cope with μW level power budget in wireless-powered systems, this dissertation proposes an UHF/UWB hybrid radio architecture with asymmetric links. It combines the passive UHF RFID and the IR-UWB transmitter. In the downlink (reader-tag), the tag is powered and controlled by UHF signals as conventional passive UHF tags, whereas it uses an IR-UWB transmitter to send data for a short time at a high rate in the uplink (tag-reader). Such an innovative architecture takes advantage of UWB transmissions, while the tag avoids the complex UWB receiver by shifting the burden to the reader. A wireless-powered tag providing -18.5 dBm sensitivity UHF downlink and 10 Mb/s UWB uplink is implemented in 180 nm CMOS. At the reader side, a non-coherent energy detection IR-UWB receiver is designed to pair the tag. The receiver is featured by high energy-efficiency and flexibility that supports multi-mode operations. A novel synchronization scheme based on the energy offset is suggested. It allows fast synchronization between the reader and tags, without increasing the hardware complexity. Time-of-Arrival (TOA) estimation schemes are analyzed and developed for the reader, which enables tag localization. The receiver prototype is fabricated in 90 nm CMOS with 16.3 mW power consumption and -79 dBm sensitivity at 10 Mb/s data rate. The system concept is verified by the link measurement between the tag and the reader. Compared with current passive UHF RFID systems, the UHF/UWB hybrid solution provides an order of magnitude improvement in terms of the data rate and positioning accuracy brought by the IR-UWB uplink. / QC 20120110