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This context of this thesis is that of UHF RFID use cases where a large number of RFID tags is concentrated in a limited volume. This context leads to scenarios in which the tag antennas can be strongly coupled electromagnetically. Under the conditions of high coupling and high density of tags, an antenna can be mismatched and its radiation pattern distorted. As a result of the antenna’s loss of performance, a global reduction of the tags reading rate can be observed as well as a drop of the reading distance for some of the tags. In order to tackle this highly random problem flowing from the unknown distribution of tags, the approach developed in this work is to assume that the electromagnetic coupling between antennas can be modeled by analytical formulas of self and mutual impedances valid for straight resonant dipoles. These dipoles can be loaded by complex impedances corresponding to the chip input impedances of real commercial RFID tags. The analytical models are validated by numerical simulations and experimental results. Statistical studies are performed for a large number of dipole distributions in terms of impedance mismatch and embedded gain variations in the direction of the reader. A statistical analysis of simulated commercial tags is also performed showing a good correlation with the dipole statistics. In the future, this work on the “group behavior” of antennas should provide the analysis and synthesis tools required for a robust evaluation of the tag performances in an environment characterized by a high tag density, Cette thèse se place dans un contexte applicatif spécifique de la RFID (Radio Frequency Identification) UHF (Ultra-High Frequency) pour lequel un grand nombre de tags RFID est concentré dans un volume réduit. Ce contexte conduit à des configurations pour lesquelles les antennes associées aux tags sont fortement couplées. Dans ces conditions de fort couplage et de forte densité de tags, une antenne peut voir son impédance d’entrée désadaptée et son diagramme de rayonnement distordue. La conséquence de cette diminution des performances de l’antenne tag est la réduction globale du taux de lecture des tags liée à la dégradation du bilan de liaison individuel entre certains tags et l’antenne lecteur. Afin d’appréhender ce problème fortement aléatoire du fait de la distribution à priori inconnue des tags, il est nécessaire de développer une méthode statistique robuste. Pour atteindre des temps de simulation raisonnables malgré un grand nombre de réalisations de distributions aléatoires de tags, l’approche choisie dans cette thèse est de modéliser les antennes tags et le couplage entre antennes par des antennes dipôles grâce à des modèles analytiques basés sur la méthode IEMF. Ces dipôles peuvent être chargés sur des impédances adaptées ou non pour s’approcher du cas réel d’antennes tags chargées par l’impédance d’entrée des puces RFID. Les modèles analytiques sont validés par des méthodes numériques et des mesures. Les analyses statistiques des données concernent la désadaptation en impédance et le gain dans la direction du lecteur. Des analyses statistiques sont également effectuées sur des simulations de tags commerciaux avec une corrélation satisfaisante avec les résultats de dipôles. A terme, ce travail de thèse portant sur le « comportement de groupe » d’antennes doit fournir les outils d’analyse et de synthèse nécessaires pour évaluer la robustesse d’un design d’antenne RFID dans un environnement proche caractérisé par une forte densité de tags et un fort couplage

This context of this thesis is that of UHF RFID use cases where a large number of RFID tags is concentrated in a limited volume. This context leads to scenarios in which the tag antennas can be strongly coupled electromagnetically. Under the conditions of high coupling and high density of tags, an antenna can be mismatched and its radiation pattern distorted. As a result of the antenna’s loss of performance, a global reduction of the tags reading rate can be observed as well as a drop of the reading distance for some of the tags. In order to tackle this highly random problem flowing from the unknown distribution of tags, the approach developed in this work is to assume that the electromagnetic coupling between antennas can be modeled by analytical formulas of self and mutual impedances valid for straight resonant dipoles. These dipoles can be loaded by complex impedances corresponding to the chip input impedances of real commercial RFID tags. The analytical models are validated by numerical simulations and experimental results. Statistical studies are performed for a large number of dipole distributions in terms of impedance mismatch and embedded gain variations in the direction of the reader. A statistical analysis of simulated commercial tags is also performed showing a good correlation with the dipole statistics. In the future, this work on the “group behavior” of antennas should provide the analysis and synthesis tools required for a robust evaluation of the tag performances in an environment characterized by a high tag density; Cette thèse se place dans un contexte applicatif spécifique de la RFID (Radio Frequency Identification) UHF (Ultra-High Frequency) pour lequel un grand nombre de tags RFID est concentré dans un volume réduit. Ce contexte conduit à des configurations pour lesquelles les antennes associées aux tags sont fortement couplées. Dans ces conditions de fort couplage et de forte densité de tags, une antenne peut voir son impédance d’entrée désadaptée et son diagramme de rayonnement distordue. La conséquence de cette diminution des performances de l’antenne tag est la réduction globale du taux de lecture des tags liée à la dégradation du bilan de liaison individuel entre certains tags et l’antenne lecteur. Afin d’appréhender ce problème fortement aléatoire du fait de la distribution à priori inconnue des tags, il est nécessaire de développer une méthode statistique robuste. Pour atteindre des temps de simulation raisonnables malgré un grand nombre de réalisations de distributions aléatoires de tags, l’approche choisie dans cette thèse est de modéliser les antennes tags et le couplage entre antennes par des antennes dipôles grâce à des modèles analytiques basés sur la méthode IEMF. Ces dipôles peuvent être chargés sur des impédances adaptées ou non pour s’approcher du cas réel d’antennes tags chargées par l’impédance d’entrée des puces RFID. Les modèles analytiques sont validés par des méthodes numériques et des mesures. Les analyses statistiques des données concernent la désadaptation en impédance et le gain dans la direction du lecteur. Des analyses statistiques sont également effectuées sur des simulations de tags commerciaux avec une corrélation satisfaisante avec les résultats de dipôles. A terme, ce travail de thèse portant sur le « comportement de groupe » d’antennes doit fournir les outils d’analyse et de synthèse nécessaires pour évaluer la robustesse d’un design d’antenne RFID dans un environnement proche caractérisé par une forte densité de tags et un fort couplage

A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented; Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté

Motivated by the development of various applications deploying antennas near an interface, such as military systems (UGS), wireless body area networks (BAN) and environmental monitoring involving ground sensors, this thesis deals with the near-ground wave propagation modelling. First, the results of the geometrical optics are confronted with the approximations provided by Norton and Bannister. This study reveals the cases where geometrical optics does not correctly describe the wave propagation near the surface. For a more comprehensive understanding, Green's functions of this type of propagation, presented as Sommerfeld integrals, are evaluated using the steepest descent technique. This evaluation offers the possibility to extract three important equations for near-ground wave propagation. The first one presents the essential condition under which the link budget can benefit from the ground proximity through the excitation of a diffracted wave component propagating near the interface. The other two equations identify critical distances indicating the beginning and the end of the zone with an improved path loss. All these three equations highlight the role of certain physical parameters, in particular the electromagnetic properties of the ground, the working frequency and the heights of the antennas. This thesis also includes the practical solutions that can be considered to demonstrate the feasibility of improving a wireless link by the proximity of the antennas to the interface. Since floor coating is of major importance, we present preliminary research on the realisation and characterisation of a suitable material for this type of propagation. In a parallel research axis, this thesis also evaluates the accuracy and relevance of a new theoretical formulation for near-ground propagation. The "so-called Schelkunoff" formulation has become a controversial issue in the scientific community, Motivée par le développement de diverses applications déployant des antennes près d'une interface, comme les systèmes militaires UGS, les réseaux corporels sans fil BAN et la surveillance environnementale impliquant des capteurs au sol, cette thèse porte sur la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques près d'une interface. Tout d'abord, la méthode classique de l'optique géométrique est confrontée à des formules approchées fournies par Norton et par Bannister. Cette étude met en évidence les cas où l'optique géométrique ne décrit pas correctement la propagation près de la surface. Pour une compréhension plus exhaustive, les fonctions de Green de ce type de propagation, présentées sous forme d'intégrales de Sommerfeld, sont évaluées à la lumière de la méthode de la plus grande pente. Cette évaluation permet d'extraire trois équations importantes pour la propagation près d'une interface. La première est la condition essentielle pour que la proximité au sol puisse profiter au bilan de liaison grâce à l'excitation d'une composante de l'onde diffractée qui se propage près de l'interface. Les deux autres identifient des distances critiques qui bornent le début et la fin de la zone présentant un affaiblissement de trajet amélioré. L'ensemble de ces trois équations permet d'évaluer le rôle de certains paramètres physiques, notamment les propriétés électromagnétiques du sol, la fréquence de travail et la hauteur des antennes. Cette thèse inclut également les pistes pratiques envisagées pour une démonstration de faisabilité de l'amélioration d'une liaison sans fil par la proximité des antennes à l'interface. La couverture du sol ayant une importance prépondérante, nous présentons des recherches préliminaires sur la réalisation et la caractérisation d'un matériau approprié pour ce type de propagation. Dans un axe de recherche parallèle, cette thèse évalue également l'exactitude et la pertinence d'une nouvelle formulation théorique pour la propagation près du sol. Cette formulation dite « de Schelkunoff » suscite des controverses dans la communauté scientifique

This work deals with the feasibility study of a radio architecture dedicated to mobile WPAN applications at 60 GHz and characterized by a low power consumption. Data rates of the order of Gbps, high compactness and low power consumption are obtained by co-designing the antenna and the front-end. Before proposing the architecture matching the specification needs, a preliminary study of the propagation channel at 60 GHz is made. The two main standards IEEE 802.15.3c and 802.11.ad the channel are studied. The analysis of a single-band architecture suitable for low-power systems shows a data rate limitation when directional antennas are used in the standard channel 802.11.ad. To address this problem, a multi-band impulse architecture MBOOK using a non-coherent receiver is proposed. This architecture allows high throughput with the use of four sub-bands. It also leads to a low power consumption through the use of a non-coherent receiver and a differential transmitter topology avoiding combiners. To validate the concept of the proposed architecture, differential antennas dedicated to the differential architecture are designed. Patch antennas excited by differential microstrip lines fulfil the needs of the specifications but occupy a large area. In order to miniaturize the antenna, slot-fed patch antennas are designed using two orthogonal linear polarizations excited by a pair of differential inputs. To achieve the high directivity required in LOS scenarios without using antenna arrays or dielectric lenses, metamaterials are used. The antenna measurement is based on the realization of a WR-15 waveguide-to-microstrip line transition to connect the antenna to the network analyzer. The differential measurement of the antenna patch exhibits a good agreement with the simulated results. The TriQuint's TQP15 technology is used to design the various circuits of the front-end. The emitter architecture is validated once the overall consumption has been evaluated. This work ends with an evaluation of the throughput of the system taking into account the influence of the antenna and the propagation channel. This evaluation shows the potential of the architecture in terms of high throughput. We finally propose an approach based on the LTCC technology for the antenna / front-end assembly, Ce travail porte sur l'étude de faisabilité d'une architecture radio, dédiée aux applications WPANs nomades et faible consommation en utilisant la bande autour de 60 GHz. Des débits de l'ordre de Gbps, une compacité élevée et une consommation de puissance faible sont obtenus en réalisant une conception conjointe front-end antenne. Avant de proposer l'architecture adaptée au cahier de charge, une étude préalable du canal de propagation à 60 GHz est faite. Les deux principales normes de canal IEEE, le 802.15.3c et le 802.11.ad, sont étudiées. L'analyse d'une architecture impulsionnelle mono-bande adaptée aux systèmes à faible consommation montre une limitation du débit quand des antennes non directives sont utilisées dans la norme de canal 802.11.ad. Afin de remédier à ce problème, une architecture multi-bande impulsionnelle MBOOK à récepteur non-cohérent est proposée. Cette architecture autorise un haut débit avec l'utilisation de quatre sous bandes. Elle conduit également à une consommation faible grâce à l'utilisation d'un récepteur non-cohérent et d'une topologie différentielle de l'émetteur évitant l'intégration de combineurs. Pour valider le concept d'architecture proposée, des antennes différentielles dédiées à l'architecture différentielle sont conçues. Les premières antennes sont de type patch différentiel excité par des lignes microrubans. Ces dernières présentent des caractéristiques de rayonnement adaptées aux besoins du cahier de charge. Néanmoins elles occupent une surface importante. Afin d'avoir une meilleure compacité, un patch alimenté par couplage à fente est développé. Il exploite deux polarisations linéaires orthogonales excitées par une paire d'entrées différentielles. Afin d'obtenir la directivité élevée nécessaire pour les scénarios LOS à 60 GHz sans utiliser de réseaux d'antennes ou de lentilles diélectriques, des métamatériaux sont utilisés. La mesure des antennes est basée sur la réalisation d'une transition guide d'onde WR-15 ligne microruban pour connecter l'antenne à l'analyseur de réseau. La mesure de l'antenne patch différentielle présente une bonne concordance avec les résultats de simulations. La technologie TQP15 de TriQuint est utilisée pour concevoir les différents éléments de la partie front-end. L'évaluation de la consommation globale d'émetteur valide l'architecture proposée en termes de faible consommation. Ce travail se termine par une évaluation du débit du système en tenant en compte de l'influence de l'antenne et du canal de propagation. Cette évaluation prouve la potentialité de l'architecture en termes de haut débit. On propose finalement une technique basée sur la technologie LTCC pour l'assemblage antenne/front-end

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, 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

National audience

BAN antennas conception and channel modelling, Les études présentées dans cette thèse font l’objet d’un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L’ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l’on montre que les formulations analytiques d’ondes de surface et d’ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L’effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d’un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l’autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d’un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L’étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d’antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l’influence du facteur de qualité d’une antenne sur son rendement et l’on en conclue qu’une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d’une antenne face au corps est également présentée. L’emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l’antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L’estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d’antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d’une PIFA et d’un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection

This thesis deals with the study of RF MEMS based reconfigurable antennas. The consideredapproach is the radiation pattern diversity for mobile and base station. It reveals itself aninteresting diversity scheme especially in indoor conditions as it enables link budget optimization,and provides a way to reduce fading in multipath environments, raise up data rate and meanwhilethe number of users by reducing interferences between them.A state-of-the-art about reconfigurable antennas solutions along with an introduction to RF MEMSis presented. These components show high RF performances, great linearity, along with muchreduced power consumption compared to their equivalent solid-state devices. These advantagesbecome even more obvious at millimeter-wave frequencies, where new applications areemerging. In addition, they can be integrated with CMOS circuits on silicon or fabricated with theantenna on various substrates.The main developments in this study are the implementation of a modeling and optimizingmethod of parasitic antenna arrays and the integration in these antennas, through equivalentelectrical models, of radiofrequency microelectromechanichal (MEMS RF) switches, in order toreconfigure their radiation patterns.It indeed reveals itself necessary to model these systems in order to have a reliable, efficientdesign of switched parasitic array antennas. Beyond these modeling efforts, passive antennaprototypes haves been realized and measured, validating the whole design method. An activeprototype, integrating RF MEMS devices have then be developed. The problem of modeling andintegrating these RF MEMS devices in antennas has then been tackled. Beam forming antennashave eventually been developed, based on reconfigurable antenna cells, each forming a subarrayof a larger array., Ce mémoire traite de l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS RF. L'approcheretenue est la diversité de diagramme de rayonnement de la station de base et du mobile. Ellepeut être particulièrement intéressante dans un environnement indoor (à l'intérieur d'un bâtiment)pour lutter contre les évanouissements provoqués par les réflexions multiples et augmenter laportée des systèmes, ce qui optimise les bilans de liaison améliore les débits de transmission,l'autonomie et permet par ailleurs d'augmenter le nombre d'utilisateurs en diminuant lesinterférences entre eux.Un état de l'art des solutions d'antennes reconfigurables ainsi qu'une introduction des MEMS RFest présentée. Ces composants présentent à la fois des performances RF très élevées, unelinéarité accrue, pour un encombrement, un poids et une consommation de puissance bien plusfaible que leurs équivalents à semi-conducteurs. Ces avantages deviennent encore plus évidentsaux fréquences millimétriques où de nouvelles applications émergent. De plus, ils peuvent êtreintégrés à des circuits en technologie CMOS sur du silicium ou encore fabriqués sur de nombreuxsubstrats avec l'antenne.Les développements essentiels de cette étude sont la mise en oeuvre d'une méthode demodélisation et d'optimisation de réseaux à éléments parasites afin de former des diagrammesdépointés et l'intégration, via des modèles électriques équivalents, d'interrupteursmicroélectromécaniques radiofréquences (MEMS RF) afin de rendre ces antennesreconfigurables en diagramme de rayonnement.Il s'est en effet avéré qu'il était nécessaire de modéliser ces systèmes afin de développer unedémarche de conception efficace des réseaux à antennes parasites commutées. Suite à cesefforts de modélisation, des prototypes d'antennes passifs ont été réalisés et mesurés,permettant de valider la méthode de conception. Un prototype actif utilisant des composantsMEMS RF a ensuite été développé. Des antennes à formation de faisceaux ont également étédéveloppées sur la base de cellules composées chacune d'une antenne reconfigurableconstituant un sous réseau d'un réseau plus large.