L'équipe ORSYS

L'activité RFID est présente au sein du groupe depuis plusieurs années. Elle a débuté par des travaux de recherche s'articulant autour de deux axes principaux : la conception d'étiquettes UHF et micro-ondes sur des substrats à faible coût tels que le papier, le tissu et le plastique, et la caractérisation expérimentale des paramètres fonctionnels de ces étiquettes. Grâce à ces développements, le groupe a acquis une expertise significative en RFID, dans la conception et la mesure d'antennes miniaturisées soumises à des contraintes élevées, dans la caractérisation RF des substrats, ainsi que dans la mesure des systèmes RFID. Le groupe participe à de nombreux projets collaboratifs, tant en France qu'à l'étranger, avec des laboratoires publics et des entreprises. Des travaux ont été menés sur la génération automatique d'antennes pour les étiquettes UHF, la création d'étiquettes robustes adaptées à divers environnements, y compris métalliques, la caractérisation des puces et des systèmes RFID, ainsi que sur les réseaux d'étiquettes-capteurs dans le contexte de l'Internet des objets.

Plus récemment, les activités du groupe dans ce domaine se sont particulièrement concentrées sur les questions liées à la communication RFID non linéaire et sur le thème des « capteurs RFID ».

Communication RFID non linéaire

L'objectif de cet axe est d'étudier les informations contenues dans les harmoniques du signal RFID renvoyé par l'étiquette afin de les exploiter, par exemple pour améliorer la robustesse de la liaison radio ou pour apporter de nouvelles fonctionnalités. Un protocole expérimental a été mis en place pour caractériser le contenu spectral des signaux rétrodiffusés. Bien que les niveaux détectés restent faibles (entre environ -80 et -90 dBm à une distance d’environ un mètre), il a été observé, sur plusieurs types d’étiquettes commerciales, que la modulation par commutation de charge se répercute sur les harmoniques générées par le régulateur de l’étiquette. Ainsi, les harmoniques d’ordre impair véhiculent les mêmes informations que la fondamentale.

Ces études nous ont permis de valider le concept de « communication RFID sur la n-ième harmonique ». Parallèlement à ces caractérisations, nous avons travaillé sur des moyens d’améliorer les niveaux émis sur la 3e harmonique en tenant compte des puces récentes. Nous avons démontré qu’il était possible d’augmenter le niveau reçu sur la 3e harmonique, et plusieurs implémentations ont permis (pour la première fois !) d’établir une communication RFID sur la 3e 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 des capteurs RFID. De nombreuses applications ont été démontrées, notamment dans le cadre de collaborations industrielles en France et à l’international (MTT-TC24, COST 1301).

Capteur RFID

En termes d'application, la technologie RFID occupe une place prépondérante dans le domaine de la traçabilité. Aujourd'hui, de nombreux travaux visent à doter les étiquettes d'une fonction de « capteur ». Dans ce contexte, l’identification des produits, notamment alimentaires, et de leur qualité en termes de « fraîcheur », sans les endommager, constitue un axe de recherche très prometteur. Pour mener à bien 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 d’utiliser une étiquette comme capteur sans fil pour détecter la qualité d’aliments tels que la viande.

Références

• M. Daiki et E. Perret, « Antenne à bobine solénoïde segmentée pour les applications de lecteurs RFID UHF en champ proche », IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 2, pp. 210-218, 2018.
• A. Abdelnour, F. Buchin, D. Kaddour et S. Tedjini, « Solution améliorée de traçabilité basée sur la RFID UHF pour le secteur de la production fromagère », dans IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 2, n° 2, p. 68-72, juin 2018.
• K. Zannas, H. El Matbouly, Y. Duroc et S. Tedjini, « Étiquette RFID à auto-réglage : une nouvelle approche pour la détection de la température », dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, n° 12, p. 5885-5893, décembre 2018.
• M. Daiki et E. Perret, « Concept d'antenne modulaire en champ proche avec zone de lecture configurable pour les applications RFID », IEEE Trans. Antennas Prop., vol. 65, n° 3, mars 2017.
• D. Allane, GA Vera, Y Duroc, R Touhami, S Tedjini « Système de récupération d'énergie harmonique pour étiquettes RFID passives » IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 64 (7), 2347-2356, 2016
• Andia Vera, G. ; Nawale, S.D. ; Duroc, Y. ; Tedjini, S., « Amélioration de la portée de lecture grâce à la récupération d'énergie harmonique dans les systèmes RFID UHF passifs », Micro. & Wire. Comp. Letters, IEEE, vol. 25, n° 9, p. 627-629, septembre 2015
• Andia Vera, G. ; Duroc, Y. ; Tedjini, S., « Exploitation de la troisième harmonique dans les systèmes RFID UHF passifs », dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, n° 9, p. 2991-3004, septembre 2015
• Andia Vera, G. ; Allane, D. ; Georgiadis, A. ; Collado, A. ; Duroc, Y. ; Tedjini, S., « Intégration coopérative de sections RF de collecte pour la communication RFID passive », IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, n° 12, p. 4556-4566, décembre 2015

La RFID est l'une des principales technologies qui connaît une croissance significative dans le domaine de l'identification et de l'authentification. Il s'agit d'une technique de saisie automatique d'informations, par lecture radio à distance, d'une étiquette contenant des données. Malgré les nombreux avantages qu'offre la RFID, son déploiement reste freiné par plusieurs facteurs, notamment d'ordre économique, technologique et sociétal. Parmi ceux-ci figurent le coût encore élevé des étiquettes, le manque de fiabilité et de sécurité des informations contenues dans la puce RFID, ainsi que les questions liées au recyclage des étiquettes.

Les activités de recherche du groupe ORSYS dans ce domaine se concentrent sur le développement d’une nouvelle famille d’étiquettes à faible coût. Pour y parvenir, la création d’étiquettes sans puce constitue une solution très intéressante. Nous avons proposé une approche dans laquelle l'information est codée en exploitant les propriétés électromagnétiques intrinsèques des matériaux. Le groupe ORSYS a lancé ses activités sur le thème de la RFID sans puce en 2009 et, depuis lors, il est devenu l'un des principaux acteurs dans ce domaine, acquérant ainsi une reconnaissance internationale.

Les objectifs sont les suivants :

Développer des approches radar pour la mesure de grandeurs physiques.
Développer un système d’identification basé sur ce principe.
Plus de six thèses ont été menées à bien sur ce thème, donnant lieu à plus d’une centaine d’articles, de communications ou de brevets. Les activités du groupe dans le domaine de la technologie « Chipless » ont été récompensées par plusieurs prix et distinctions : membre junior de l’IUF (2014-2019), lauréat du prix Léon Brouillon 2016, élu « innovateur français de moins de 35 ans » par le MIT Technology Review en 2013, et lauréat du prix « Outstanding Young Engineer Award » 2019 de l’IEEE MTT-S. Fort de ces travaux, Étienne Perret a obtenu en 2017 une bourse ERC Consolidator intitulée « ScattererID » (lancée en septembre 2018). Ce projet, qui s’étendra de 2018 à 2023, constitue un axe de recherche majeur pour le groupe dans les années à venir.

Les travaux menés par le groupe dans ce domaine ont donné lieu à la publication de plusieurs ouvrages, notamment une série de quatre volumes intitulée « Remote Identification Beyond RFID – Chipless RFID and dedicated Smart Wireless Systems ».

Perspectives : Nouvelles fonctionnalités de Chipless :

Le groupe ORSYS est l'un des principaux acteurs mondiaux de la RFID sans puce ; il s'intéresse à cette technologie dans son ensemble, qu'il s'agisse des étiquettes ou des lecteurs. Pour se démarquer des codes-barres, cette technologie devra demain offrir davantage de fonctionnalités tout en conservant une certaine souplesse de lecture, inhérente à l'utilisation d'ondes électromagnétiques pour interroger l'étiquette. Dans le cadre du projet ScattererID de l’ERC, l’objectif est de développer un concept de caractérisation RF sans fil, à mi-chemin entre l’utilisation des principes de cavité résonante et une approche quasi-optique en espace libre. L’idée repose sur le développement d’une technique de réflectométrie utilisant des éléments de rétrodiffusion résonnants. Du point de vue des applications, l’étiquette imprimée sans puce devrait, outre un identifiant, être réinscriptible, intégrer une fonction de capteur ou permettre à un utilisateur d’interagir physiquement avec un système électronique.

RÉFÉRENCES

• J. Methapettyparambu Purushothama, A. Vena, B. Sorli et E. Perret, « Commutateur RF à base de nano-ioniques, non volatile et reconfigurable électroniquement, sur substrat en papier, destiné aux applications RFID sans puce », Technologies, vol. 6, p. 58, 2018.
• N. Barbot et E. Perret, « Une méthode de localisation 2D par RFID sans puce basée sur l'acquisition de phase », Journal of Sensors, vol. 2018, p. 6, 2018.
• M. P. Jayakrishnan, A. Vena, B. Sorli et E. Perret, « Particule de codage RF reconfigurable à pontage conducteur à l'état solide pour des applications RFID sans puce », IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, p. 506-508, 2018.
• Z. Ali, N. Barbot, R. Siragusa, E. Perret, D. Hely, M. Bernier et F. Garet, « Détection de la variation géométrique minimale par une approche sans puce en espace libre et son application à l'authentification », IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 28, n° 4, pp. 323–325, avril 2018.
• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa et C. Halopé, « Générateur d’impulsions en bande de base entièrement accordable à très faible gigue pour les applications UWB », dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, n° 1, p. 420-430, janvier 2018.
• M. Purushothama, A. Vena, B. Sorli et E. Perret, « Commutateur RF à pont conducteur à l'état solide entièrement passif à base de Nafion », IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, n° 12, décembre 2017.
• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa et C. Halopé, « Vers des systèmes de lecture RFID sans puce et indépendants de l’orientation des étiquettes », IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, n° 12, p. 1158-1160, décembre 2017.
• M. Garbati, R. Siragusa, E. Perret et C. Halopé, « Impact d’une approche de lecture IR-UWB sur les étiquettes RFID sans puce », IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, pp. 678-680, 2017.
• E. Perret, « Capteur de déplacement basé sur des mesures de polarisation croisée radar », IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 65, pp. 955 – 966, 2017.

• O. Rance, R. Siragusa, P. Lemaître-Auger et E. Perret, « Caractérisation sans contact des discontinuités d’une ligne à bande coplanaire par mesure de la section efficace radar (RCS) », dans IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, n° 1, p. 251-257, janvier 2017.

  
  Ouvrages :
  Titre de la collection : « Remote Identification Beyond RFID »
  Sous-titre : « Chipless RFID and dedicated Smart Wireless Systems »

• M. Garbati, E. Perret, R. Siragusa, « Conception d'un lecteur RFID sans puce pour la technologie à bande ultra-large », ISTE-Elsevier, février 2018.
• O. Rance, E. Perret, R. Siragusa, P. Lemaître-Auger, « RCS Synthesis for Chipless RFID – Theory and Design », ISTE-Elsevier, juillet 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, juillet 2017.
• A. Vena, E. Perret et S. Tedjini, « La RFID sans puce – Théorie, conception, mesures » : ISTE, 2016.
• Vena, E. Perret, S. Tedjini, « Système RFID sans puce basé sur des particules à codage RF : réalisation, codage et système de lecture », ISTE-Elsevier, août 2016.
• E. Perret, « Identification par radiofréquence et capteurs : de la RFID à la RFID sans puce », Wiley-ISTE, 2014.

Le groupe ORSYS possède une expérience dans la conception d'antennes destinées à des applications spécifiques. Cela inclut les situations où l'antenne est soumise à des contraintes de taille mais est principalement destinée à être utilisée dans un environnement proche (souvent en contact direct avec l'antenne), susceptible d'évoluer, voire en contact avec un corps humain. Sachant qu'une antenne est directement influencée par son environnement immédiat, il est essentiel de mettre au point des antennes reposant sur de nouveaux concepts afin de relever ces défis.

Communicating Garment
The objective of this sub-theme is to design and develop antennas to be integrated into a garment, such as a vest. We have developed an innovative solution based on a concept of an antenna distributed over different parts of the vest. The antenna’s radiation must meet the desired performance in terms of frequency band, radiation direction, and spatial coverage. Moreover, a Specific Absorption Rate (SAR) below the standard SAR<2W/kg must be maintained in such applications. The developed concept easily achieves these performance goals. Technologically, the concept is fully compatible with digital printing technologies as the antennas are single-sided. Additionally, the effects of vest deformations in motion have been studied and accounted for in a sensitivity study. Several demonstrators have been created and validated communication distances well over a kilometer for a power of 1W and a frequency around 2 GHz. This innovative concept and the results obtained were presented at the EUROSATORY 2014 exhibition on the Innovation stand of the DGA, at their invitation.

Réseaux d’antennes
Dans le cadre de ce sous-thème, nous avons travaillé à la conception de réseaux d’antennes originaux. Une première étude s’est concentrée sur un réseau à focalisation optique : la création d’une zone de focalisation dans l’espace. En disposant de manière appropriée un nombre limité d’antennes, nous avons démontré qu’avec deux déphaseurs, il était possible de modifier dynamiquement la position de focalisation sans dégradation significative de la taille du spot de focalisation. Une autre étude s’est concentrée sur un réseau sous-échantillonné afin de produire une onde localisée. Grâce à la simulation, nous avons réussi à démontrer une propagation du faisceau 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 s’est concentrée sur les antennes à ondes fuissantes. Une approche par réseau a été adoptée, ce qui nous a permis de généraliser une méthode basée sur le facteur de réseau pour concevoir des antennes non uniformes. Cette approche théorique est particulièrement adaptée aux antennes CRLH.

Filtrage spatial des ondes
Nous avons travaillé sur le filtrage des ondes planes. L'objectif était de concevoir un papier peint capable de filtrer de manière sélective les ondes aux fréquences du Wi-Fi (2,4 et 5,0 GHz) ou celles de la téléphonie mobile (3G puis 4G). De nouveaux motifs de surface sélectifs en fréquence ont été conçus et testés en imprimant des encres conductrices sur du papier. Ces motifs permettent de sélectionner indépendamment 2, voire 3 fréquences de filtrage. Les résultats expérimentaux montrent des atténuations supérieures à 25 dB aux fréquences choisies. La mise en œuvre industrielle par DHJ Internationale sur du tissu a donné des performances encore meilleures. Une deuxième étude s’est concentrée sur l’effet inverse, à savoir favoriser le passage d’une onde électromagnétique à travers un bâtiment. Nous avons démontré qu’en ajoutant des motifs conducteurs, il est possible d’améliorer de 10 dB le passage des ondes à travers une fenêtre isolée thermiquement. Sans ce motif, l’atténuation non sélective est d’environ 30 dB ; elle est réduite à 20 dB avec le motif.