Antennes " méta-matériaux " pour la traçabilité par RFID R. Siragusa, P. Lemaître-Auger, L. Guilloton, T.P. Vuong, S. Tedjini LCIS Grenoble INP - ESISAR, 50 rue B. de Laffemas, 26000 Valence - France

Plan de la présentation Introduction Bref historique des méta-matériaux Les méta-matériaux La structure « Split Ring Resonator » Les antennes méta-matériaux Structure étudiées La technologie RFID Structure proposée Résultats de Simulation et mesures Conclusions et perspectives

Introduction Bref historique des méta-matériaux 1968 : Veselago introduit la théorie de matériaux doublement négatifs 1999: Pendry montre qu’il est possible d’obtenir des µ<0 avec des structure « Split Ring Resonator » (SRR) 2000: Smith montre théoriquement la faisabilité d’un MMG 2001: Validation expérimentale de la réfraction négative par Smith 2002: Concept de lentille parfaite de Pendry 2005: Approche ligne de transmission par Caloz et Itoh 2006: Application MMG: antenne, coupleur, … 1968: Veselago, introduit pour la première fois le terme matériau main gauche. Il rassemble dans son article les propriétés des MMT. Ce n’est pas le premier à en parler mais il est considéré comme tel. 1999: Pendry débloque un vérrou technologique. Le principal problème étais d’avoir un mu négatif. Epsilon négatif est facilement obtenu avec des fils métalliques placés périodiquement 2000/2001: Premier mmt en associant SRR+fil métallique. Réfraction négative obtenu en pratique. 2002: lentille parfaite, en théorie on peut réaliser une lentille parfaite avec les MMTs permettant d’avoir une résolution bien inferieur à la longueur d’onde 2005: Approche ligne de tranmission en inversant capacité et inductance dans le modèle 2006: Beaucoup d’applications fleurissent, surtout basée sur le modèle ligne de tranmission.

Introduction Les méta-matériaux Matériaux artificiels homogènes possédant des caractéristiques électromagnétiques inhabituelles : ε<0 et µ<0 Vitesse de groupe et de phase opposée Inversion de la loi de Snell-Descartes … Présentation d’une antenne RFID basée sur une structure méta-matériaux

La structure Split Ring Resonator (SRR) Structure introduite par Pendry en 1999: Perméabilité magnétique négative sur certaines bandes de fréquence Fréquence de résonnance dépendant de la géométrie SRR: Pendry a beaucoup travaillé sur cette structure. Le schéma équivalent est simplement une capacité en série avec une inductance. Il est éxiste aujourd’hui de toutes formes: carré, en S, en oméga. Lorsque le SRR est éxité par un champs magnétique parallèle à son axe (ici Z) alors nous pouvons obtenir un mu négatif sur une certaine bande de fréquence. Si l’on associe des SRRs avec un réseau de fils métalliques (éxité par un champ E parallèle à leur axe) alors on obtient un matériaux avec un indice négatif.

Les antennes méta-matériaux 1. Approche ligne de transmission Cellule main gauche Cellule main droite Deux principales approches aujourd’hui pour faire des antennes mmt: Ligne de transmission et utilisation des mmts comme lentille. Ligne de tranmisssion: on échange capacité et inductance dans le modèle: un matériaux main droite à un comportement passe bas et un main gauche passe haut. Une ligne purement main gauche n’existe pas: un mat main gauche est donc passe bande dans la réalité. Caloz et Itoh travaille beaucoup sur cette approche. Ici on peut voir une antenne d’ordre zéro résonant à 4.9 GHz. C’est en fait une ligne de transmission terminé par un CO ou un CC. La ligne Main gauche/droite permet d’avoir un mode d’ordre 0 indépendant de la longueur de l’antenne. La taille de l’antenne devient donc indépendante de la longueur d’onde. Antenne méta-matériaux et antenne patch à 4.9 GHz A. Sanada, M. Kimura, I. Awai, H. Kubo, C. Caloz, T. Itoh, « A planar zeroth order resonator antenna using LH transmission line », European Microwave Conf., Amsterdam, 2004

Les antennes méta-matériaux Rayon du via de RPA (mm) f (GHz) S11 (dB) D (dBi) G (dB) er (%) et (%) 2.4159 -26.18 7.702 7.381 92.88 92.65 1.5 1.1466 -2.37 3.822 1.854 63.55 26.79 1.0 1.0566 -2 2.874 0.526 58.24 21.49 Deux principales approches aujourd’hui pour faire des antennes mmt: Ligne de transmission et utilisation des mmts comme lentille. Ligne de tranmisssion: on échange capacité et inductance dans le modèle: un matériaux main droite à un comportement passe bas et un main gauche passe haut. Une ligne purement main gauche n’existe pas: un mat main gauche est donc passe bande dans la réalité. Caloz et Itoh travaille beaucoup sur cette approche. Ici on peut voir une antenne d’ordre zéro résonant à 4.9 GHz. C’est en fait une ligne de transmission terminé par un CO ou un CC. La ligne Main gauche/droite permet d’avoir un mode d’ordre 0 indépendant de la longueur de l’antenne. La taille de l’antenne devient donc indépendante de la longueur d’onde. D. Bechevet, "Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques", thèse de doctorat de l’Institue National Polytechnique de Grenoble, 9 Septembre 2005, Valence, France.

Les antennes méta-matériaux 2. Amélioration de la directivité Utilisation de la réfraction négative : lentille parfaite Amélioration théorique du gain de 3 dB Comme dis plus tôt, il est possible de faire des lentilles parfaites en mmt. Le principe est simple, on place une lentille au dessus de l’antenne pour focaliser l’onde et donc améliorer la directivité. Il y a beaucoup de simulation qui ont été effectuées mais peu de réalisation pratique. Les problèmes viennent de la réalisation du mmt: Il est aujourd’hui difficile de faire un mmt isotrope, quasi-homogène avec les caractéristiques d’indices de la simulation. S. N. Burokur, M. Latrach, S. Toutain, « Theoretical Investigation of a Circular Patch Antenna in the Presence of a LH medium », IEEE Ant. & Wireless Propagation Letters, Vol.4, 2005

Miniaturisation des antennes RFID fonctionnant sur la bande UHF La technologie RFID Technologie d’identification par radiofréquence Communication sans fil basée sur la modulation de charge entre une station de base et une étiquette Contraintes: Directivité des antennes Puissance rayonnée limitée Taille des étiquettes réduites Miniaturisation des antennes RFID fonctionnant sur la bande UHF

Structure Proposée Association d’un dipôle et de SRR Notre approche est assez différentes des deux autres, pas de lentilles, pas d’approche direct ligne de transmission. Nous proposons une structure basée sur un dipole (antenne assez simple et bien connue). En l’associant à des SRRs nous avons voulut voir s’il était possible de diminuer la fréquence de résonnance de l’antenne. Bien insister, sur le fait que nous débutons l’étude et que l’étude théorique n’est pas encore beaucoup poussée.

Structure Proposée: résultats de simulation Dipôle seul : 867 MHz Antenne méta-matériaux : 746 MHz Diminution de 15 % Le dipôle seul résonne à 867 Mhz, une fréquence utilisée en RFID. En associant les SRR on obtient une fréquence de 746 MHz soit une diminution de 15% Pour des premiers résultats c’est encourageant.

Structure Proposée: mesures Antenne méta-matériaux Banc de mesures Pour valider les résultats de simulations, nous avons réalisé nos antennes sur du FR4 (comme en simu), On peut voir sur les photos les antennes et l’appareillage de mesure.

Structure Proposée: mesures Dipôle seul : 874 MHz Antenne méta-matériaux : 757 MHz Nos mesures concorde avec la simu. Nous avons un léger décalage de fréquence qui est peut être du à la fabrication. La diminution de fréquence tourne quand meme autour de 14% 0.757 0.874

Conclusions et perspectives Simulations et mesures expérimentales concordantes (à 1% près) Diminution de la longueur de l’antenne de 15 % Perspectives : Ajustement des paramètres Repliement du dipôle : diminution de 50% Bien insister que c’est nos premiers résultats et que nous sommes conscients qu’il reste plusieurs points à approfondir. Nous pensons prochainement optimiser encore la structure et aussi tenter le repliement de dipôle afin de miniaturiser encore plus l’antenne