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THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialit

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Optique et Radiofréquences Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par David HOTTE Thèse dirigée par Smail TEDJINI, codirigée par Yvan DUROC et co-encadrée par Romain SIRAGUSA préparée au sein du Laboratoire LCIS dans l'École Doctorale EEATS De la RFID à la MMID 60 GHz : contribution au développement de l'identification par onde radiofréquence en bande millimétrique Thèse soutenue publiquement le 24 Novembre 2015, devant le jury composé de : M. Mohamed HIMDI Pr. Université de Rennes, Rapporteur M. Robert STARAJ Pr. Université de Nice, Rapporteur et Président du jury M. Anthony GHIOTTO MCF. Université de Bordeaux, Examinateur M. Romain SIRAGUSA MCF. Grenoble INP, Co-encadrant de thèse M. Yvan DUROC Pr. Université Claude Bernard Lyon 1, Codirecteur de thèse M. Smail TEDJINI Pr. Grenoble INP, Directeur de thèse 2/274 D. Hotte Remerciements Arrivé en dernière année d’école d’ingénieur (l’ESISAR), un cruel dilemme s’offrait à moi : poursuivre classiquement dans l’industrie ou s’essayer au monde de la recherche. Ce sujet de thèse était alors à la recherche de son doctorant. Le côté nouveau que représentait pour le laboratoire LCIS le 60 GHz ainsi que la nature exploratoire de ce sujet de thèse m’ont finalement donné envie de me lancer. Je tiens donc à remercier en premier lieu Smail qui m’a accordé sa confiance en me proposant ce sujet de thèse. Je tiens également à remercier Yvan et Romain pour avoir assuré le co-encadrement de ma thèse. Un grand merci à vous trois pour tout ce que vous m’avez apporté au cours de ces trois années. Votre expérience et votre bonne humeur ont été des éléments moteurs qui m’ont aidé à avancer. Je remercie également le Professeur Robert Staraj pour avoir accepté de présider le jury de thèse en plus d’être rapporteur de mon manuscrit. Je tiens également à exprimer ma gratitude envers le Professeur Mohamed Himdi pour avoir lui aussi accepté d’endosser le rôle de rapporteur. Enfin, un grand merci au Docteur Anthony Ghiotto d’avoir accepté de faire partie du jury. Je tenais également à vous adresser ma compassion pour avoir dû lire et venir à bout de ces 274 pages. Que serait la vie au sein d’un laboratoire sans toutes les personnes qui le compose ? Tout d’abord, merci à mes collègues de bureau et amis Gianfranco et Duy. Je n’oublierai jamais la bonne ambiance qui a régné en A203, et encore moins les fameuses questions de Duy. Merci à tous mes autres collègues et amis que j’ai eu la chance de rencontrer. Une petite pensée également à mes collègues de l’ESISAR : les profs, toute l’équipe de la scol’ et tous ceux qui donnent vie à cette école. Enfin, je tiens à adresser mes remerciements à ma famille et notamment à mes parents. Sans leur soutien, je n’aurais pas eu la chance de vivre ces belles années valentinoises. Et, le meilleur pour la fin, merci à ma petite femme pour avoir assuré à merveille son rôle de soutien et pour son sourire qui me redonnait le moral. Chapitre 1 – Introduction à la technologie MMID D. Hotte 3/274 Table des matières La table des matières ci-dessous ne fait référence qu’aux titres des chapitres et aux autres sections du document. Elle est complétée par un sommaire détaillé au début de chaque chapitre. LISTE DES ACRONYMES ...................................................................................................................................................... 4 INTRODUCTION ................................................................................................................................................................. 6 CHAPITRE 1 – INTRODUCTION A LA TECHNOLOGIE MMID .................................................................................................. 9 CHAPITRE 2 – CARACTERISATION DE TAGS RFID ET MMID ............................................................................................... 34 CHAPITRE 3 – LA RFID APPLIQUEE AUX OBJETS METALLIQUES A CAVITE RESONANTE EMBARQUEE ................................ 75 CHAPITRE 4 – METHODOLOGIE DE CONCEPTION OPTIMALE DE TAG MMID PASSIF ........................................................ 118 CHAPITRE 5 – CONCEPTION ET EVALUATION DES PERFORMANCES D’UN TAG PASSIF EN GUIDE D’ONDE WR15 ............. 144 CHAPITRE 6 – CONCEPTION D’UN TAG PASSIF A BASE DE RESEAU D’ANTENNES PLANAIRES .......................................... 207 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES .................................................................................................................... 258 ANNEXES ....................................................................................................................................................................... 262 LISTE DES PUBLICATIONS ............................................................................................................................................... 274 4/274 D. Hotte Liste des acronymes Le tableau suivant présente les principaux acronymes rencontrés tout au long de ce manuscrit. Leur signification sera également rappelée lors de leur première occurrence dans un chapitre. Acronyme Signification ACRF Antenne Cavité Résonante à Fente AoC Antenna on Chip AoP Antenna on Package AST Antenne Sous Test CA Charge Adaptée CC Court-Circuit CCF Cavité Cylindrique à Fente CO Circuit Ouvert ETSI European Telecommunications Standards Institute ERP Equivalent Radiated Power EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power FCC Federal Communications Commission GO Guide Ouvert GORF Guide d’Onde à Réseau de Fentes IFF Identification Friend or Foe IoT Internet of Things ISM Industrielle, Scientifique et Médicale LCP Liquid Crystal Polymers LTCC Low-Temperature Co-fired Ceramic MMID MilliMeter-wave IDentification RADAR RAdio Detection And Ranging RFID Radio Frequency IDentification SER Surface Equivalente Radar ∆SER/∆σ Surface Equivalente Radar différentielle SIW Substrate Integrated Waveguide UHF Ultra-High Frequency VNA Vector Network Analyzer D. Hotte 5/274 Introduction 6/274 D. Hotte Introduction De nos jours, les technologies de communication sans fil ne cessent de s’améliorer et ont connu un essor important ces dernières décennies. Les progrès en micro-électronique en sont les principaux moteurs, avec des puces de plus en plus petites et puissantes. Les premiers téléphones mobiles apparus dans les années 90 sont aujourd’hui devenus des smartphones pouvant se connecter à internet, inclure une fonctionnalité de GPS (Global-Positioning System) ou encore envoyer des photos/vidéos de haute définition en quelques secondes. De nombreuses évolutions sont en cours de recherche et de développement et ne manqueront pas d’apporter d’ici quelques années de nouvelles fonctionnalités et applications. A titre d’exemple, il convient de citer le paiement sans contact ou la réalité augmentée. Parmi les technologies de communication sans fil, l’identification par radiofréquence (ou RFID pour « RadioFrequency IDentification ») est devenue un incontournable qui a révolutionné le domaine de l’identification. Le point commun à tous les systèmes RFID est la structure de l’étiquette (ou communément appelée « tag ») contenant les données d’identification : une antenne connectée à une puce. La RFID se retrouve aujourd’hui dans de nombreux secteurs tels que la logistique, le paiement sans contact ou encore la traçabilité du bétail. La RFID s’est surtout illustrée dans les domaines du contrôle d’accès et de la traçabilité où les cadences ont pu être augmentées grâce à la rapidité de l’identification sans contact par rapports aux papiers d’identification et codes à barre. Un exemple de la réussite de la RFID est celui des réseaux de transports en commun. Grâce à l’interopérabilité entre les réseaux via la quantité de données stockées dans les puces RFID, les voyageurs peuvent désormais accéder facilement aux bus, tramways, métros, trains avec une seule carte d’accès sans contact. Parmi les différents types de RFID, il convient de citer la RFID en bande UHF (Ultra-High Frequency). La RFID UHF permet en effet aujourd’hui d’identifier à longue distance les objets étiquetés, même en présence d’obstacles. Cette technologie s’est notamment imposée dans le milieu industriel pour remplacer le code à barre qui nécessite d’être lu à quelques dizaines de centimètres tout au plus et en ligne de vue directe. Avec l’ouverture de la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de 57 GHz à 66 GHz en Europe, de nouvelles technologies de communication sans fil à haut débit ont vu le jour. Le remplacement des réseaux filaires Ethernet par un réseau point-à-point à 60 GHz a par exemple été proposé. De nombreux avantages liés à cette bande de fréquence ont conduit à envisager la transposition du principe de la RFID UHF en bande millimétrique : la MMID (MilliMeter-wave IDentification). Les réglementations internationales font notamment apparaître une bande passante commune de 5 GHz qui permettrait la mise en place de solutions universelles, ce qui n’est pas le cas de la RFID UHF. La combinaison de la forte directivité des antennes et de la miniaturisation des tags rendue possible avec la Introduction D. Hotte 7/274 montée en fréquence pourrait également pallier aux problèmes de sécurité et de densité d’objets à identifier qui sont rencontrés en RFID UHF. Les travaux présentés dans cette thèse visent à contribuer au développement de la MMID. Ils soulignent les principaux verrous de cette technologie et présentent les différentes solutions proposées. Ces solutions couvrent de multiples aspects allant de l’étude théorique pour améliorer les portées de lecture des tags jusqu’à la conception de réseaux d’antennes et à l’intégration de fonctionnalités de capteur. Ce manuscrit présente l’ensemble des travaux effectués durant la thèse. Il est composé de la présente introduction, de six chapitres décrits brièvement ci-après et d’une conclusion :  Le premier chapitre est consacré à la technologie RFID, fondement de la thèse, et sur le concept étendu en bande millimétrique que représente la MMID. Après avoir énoncé brièvement les origines de la RFID, un état de l’art des systèmes RFID actuellement commercialisés et leurs fonctionnements sont présentés. La suite du chapitre se focalise sur la MMID et notamment la régulation internationale et les propriétés de la propagation dans la bande V. Un état de l’art de la MMID est dressé et sert de référence pour l’ensemble des travaux uploads/Geographie/hotte-2015-archivage.pdf