Doctorant en conception d'étiquettes RFID (F/H)

Mission:

Il s'agit de concevoir une nouvelle génération d'étiquettes RFID UHF capables de surpasser les performances de toutes les étiquettes RFID UHF classiques développées au cours des vingt dernières années. Pour ce faire, l'architecture de l'étiquette doit être modifiée sans pour autant augmenter la puissance nécessaire à son activation ni son coût de fabrication. Enfin, l'étiquette devra être conforme au protocole EPC Gen2, ce qui implique qu'elle soit lisible par les lecteurs RFID classiques déjà en service.

Pour atteindre ces objectifs, ce sujet de thèse s'appuie sur le concept d'antenne multi-accès. Au cours de la thèse, le / la candidat.e concevra la première étiquette RFID UHF multi-accès. Cette étiquette devra permettre d'augmenter simultanément la puissance récupérée et la puissance rétro-diffusée modulée. En cas de succès, la portée de lecture du concept proposé devrait être accrue de 41 % par rapport aux étiquettes RFID UHF classiques (à accès unique).

Contexte scientifique :

La technologie RFID constitue l'outil principal pour l'identification d'objets à distance. À cette fin, une étiquette RFID est apposée sur chaque objet et peut être lue par un lecteur distant. L'étiquette se compose d'une antenne et d'une puce (circuit numérique) ; elle peut être entièrement passive, c'est-à-dire qu'elle ne nécessite aucune batterie. Les systèmes RFID actuels sont capables d'identifier plusieurs centaines d'étiquettes par seconde à des distances pouvant dépasser 10 mètres. Enfin, grâce à une architecture simple et passive, le coût d'une étiquette a été ramené à quelques dizaines de centimes. Auparavant, la portée de lecture des systèmes RFID était limitée par la puissance récupérée nécessaire à l'activation de l'étiquette ; la majeure partie des efforts de recherche visait donc à améliorer la sensibilité de l'étiquette et l'adaptation d'impédance entre celle-ci et son antenne. Au cours des vingt dernières années, la sensibilité des étiquettes s'est améliorée en moyenne de 1 dB par an. Cette progression modeste freine l'adoption de la technologie. Aujourd'hui, des puces sensibles peuvent être activées avec une puissance aussi faible que -23 dBm. Par conséquent, les performances d'un système RFID peuvent désormais être limitées non seulement par la sensibilité de l'étiquette, mais aussi par celle du lecteur [1]. Nous atteignons ainsi un point charnière où l'amélioration des performances d'un système RFID ne peut plus reposer uniquement sur la conception de l'étiquette, mais nécessite une approche conjointe combinant les caractéristiques du lecteur et de l'étiquette. Enfin, en 2023, plus de 45 milliards d'étiquettes RFID UHF ont été vendues. Accroître les performances de cette technologie au niveau de la couche physique permet de réduire considérablement les délais et les coûts lors du déploiement et de l'exploitation de tout système RFID, tout en ouvrant la voie à de nouvelles applications.

Méthodologie :

Les étiquettes classiques utilisent un port unique reliant l'antenne à la puce. Cette architecture simple limite toutefois les performances de la technologie, car la puissance récupérée est entièrement régie par l'équation de Friis. La portée de lecture maximale permettant l'activation de l'étiquette par un lecteur est appelée « portée de lecture aller » (ou forward read range) ; elle dépend fortement de l'adaptation d'impédance entre la puce et l'antenne de l'étiquette RFID. Par ailleurs, la « portée de lecture aller-retour » (ou round-trip read range) correspond à la distance maximale à laquelle l'étiquette peut être détectée par le lecteur. Cette portée dépend de la puissance modulée rétrodiffusée par l'étiquette vers le lecteur ainsi que de la variation de la surface équivalente radar (delta RCS) de l'étiquette. Plus important encore, la portée de lecture réelle d'une étiquette UHF correspond simplement à la valeur minimale entre ces deux portées (aller et aller-retour). Ces contraintes simples montrent clairement qu'améliorer uniquement la sensibilité de l'étiquette n'est pas la solution optimale, car les performances peuvent également être limitées par la portée aller-retour. Il convient plutôt d'améliorer conjointement l'adaptation d'impédance et le delta RCS. Toutefois, ces deux paramètres sont limités pour les étiquettes classiques à port unique. Par exemple, pour un dipôle demi-onde classique fonctionnant à 915 MHz, la valeur minimale du coefficient de réflexion en puissance est de 0, et le delta RCS maximal pour les étiquettes passives est de -22,4 dBsm (57,5 cm²). Ces deux valeurs constituent des limites intrinsèques de la technologie RFID actuelle et restreignent les performances de toutes les étiquettes disponibles sur le marché. Pour obtenir une amélioration significative de la portée de lecture, il est nécessaire d'optimiser simultanément l'adaptation d'impédance et le delta RCS. Ce sujet de thèse propose le concept d'étiquettes multi-ports afin d'améliorer considérablement les performances de la technologie RFID. Contrairement aux étiquettes classiques, ces dispositifs comportent plusieurs ports, chacun étant relié à une antenne distincte. Ces étiquettes multi-ports permettent de s'affranchir simultanément des limites liées à la puissance reçue et à la puissance rétrodiffusée, maximisant ainsi la portée de lecture globale. Toutefois, ces étiquettes multiport constituent pour l'instant un concept théorique et n'existent pas encore (voir la conclusion de [2]). Pour qu'elles deviennent une réalité, il est nécessaire de mettre au point à la fois des puces et des antennes multiport.

Objectifs principaux :

• Démontrer que les étiquettes RFID UHF multi-accès peuvent récupérer davantage d'énergie que les étiquettes RFID UHF classiques [4, 5]. Un résultat théorique prévoit une augmentation de 6 dB de la puissance récupérée grâce à l'utilisation d'une antenne à deux accès.

• Montrer qu'une antenne multi-accès permet également de rétro-diffuser une puissance modulée supérieure à celle des étiquettes RFID UHF classiques. Dans une publication récente [2], nous avons prouvé que la puissance modulée rétro-diffusée par une étiquette peut être accrue de 6 dB par l'utilisation d'une antenne à deux accès ; ce résultat constitue une amélioration significative par rapport à l'état de l'art.

  Enfin, si la puissance récupérée et la puissance modulée rétro-diffusée peuvent toutes deux être augmentées de 6 dB grâce à une étiquette RFID UHF à deux accès, la portée de lecture théorique devrait s'accroître de 41 % par rapport à une étiquette RFID UHF classique. Cette amélioration ouvrira la voie à de nouvelles applications fondées sur la technologie RFID. Une perspective industrielle pour ces travaux consisterait à intégrer le dispositif de récupération d'énergie multi-accès et le modulateur de rétrodiffusion multi-accès au sein d'une même puce. Une telle architecture pourrait constituer une solution prometteuse pour la prochaine génération de puces RFID. Le dépôt d'un brevet pourra être envisagé.

Le / la doctorant.e sera intégré.e au laboratoire LCIS à Valence, en France. Plus précisément, il rejoindra l'équipe ORSYS, spécialisée dans la conception d'antennes, les étages d'entrée RF passifs et le traitement du signal. L'encadrement scientifique sera assuré conjointement par un directeur de thèse et, le cas échéant, un co-directeur. Des réunions de suivi régulières (au moins une fois par semaine ou tous les quinze jours) seront organisées pour suivre l'avancement, discuter des résultats et définir les orientations scientifiques et techniques à court et moyen terme.

Le / la doctorant.e participera également aux réunions d'équipe et aux séminaires du laboratoire, favorisant ainsi son intégration dans la communauté scientifique et facilitant les échanges d'idées sur les sujets de recherche en cours. Sa formation inclura la participation à des modules complémentaires proposés par l'école doctorale EEATS. L'avancement des travaux sera évalué via des livrables réguliers (rapports techniques, prototypes logiciels et/ou matériels, simulations et publications scientifiques).

Le / la doctorant.e sera encouragé.e à publier ses résultats dans des conférences et revues internationales de premier plan dans le domaine. Enfin, une préparation progressive à la soutenance sera mise en place durant la dernière année, incluant des présentations internes, des simulations de soutenance et la finalisation structurée du manuscrit.