La conception des antennes pour les étiquettes RFID dans les gammes UHF (Ultra Haute Fréquence) et micro-ondes nécessite une connaissance des propriétés des matériaux constitutifs, notamment le substrat du tag et le métal utilisé pour fabriquer les antennes. Ces paramètres déterminent les caractéristiques de rayonnement (par exemple: la fréquence de résonance, l'impédance, l'efficacité de rayonnement, le gain, le diagramme de rayonnement...). La caractérisation des propriétes est essentielle pour la simulation, la conception et l'évaluation des performances de l'antenne et du tag RFID après la fabrication.
Dans ce travail, la caractérisation de la permittivité des aliments est très essentielle pour la création de la base de données avant que nous les introduisons dans le modèle de simulation.
Donc, les paramètres des aliments comme le pH, la permittivité, l'humidité... seront caractérisés à partir de l'état frais jusqu'à l'état contaminé. Grâce à cette base de données, nous allons considérer les changements des paramètres du tag RFID UHF passif selon l'ensemble de la permittivité des aliments pour détecter la qualité des aliments en déterminant le moment de la contamination.
5.2.1. Les méthodes de caractérisation de la permittivité du matériau
Il y a beaucoup de méthodes différentes pour la caractérisation des permittivités diélectriques [5.17-5.19]. Pour sélectionner la méthode de caractérisation appropriée, il faut définir un ou plusieurs paramètres en fonction de la propriété du matériau comme la gamme
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Chapitre 5 - Considérations des effets de l'environnement sur la permittivité des
matériaux et caractérisation de la permittivité des aliments 134 de fréquence, la gamme de la permittivité du matériau (forte perte ou faible perte), les propriétés physiques du matériau (solide, gel ou liquide...).... Ces paramètres dépendent généralement de la structure du matériau et des contraintes de l’application visée. D’un point de vue pratique, il s’agit le plus souvent de mesurer en fonction de la fréquence une impédance Z, ou une admittance Y ou les pramètres S.
Les méthodes de caractérisation du matériau sont classées en fonction de la gamme de fréquence comme résumé la figure 5.9. Pour les méthodes « basse fréquence » on distingue deux approches : les méthodes dans le domaine temporel (10-6-103 Hz) et les méthodes dans le domaine fréquentiel (10-5-106 Hz).
Figure 5.9 - Les méthodes de caractérisation de la permittivité du matériau populaires [5.17]
Les méthodes « haute fréquence » comprennent les méthodes « sans-résonance » et les méthodes à « résonance ».
- Les méthodes « sans-résonance »:
+ Les méthodes en réflexion pour une gamme de fréquence allant du MHz à 10GHz.
+ Les méthodes en transmission / réflexion pour une gamme de fréquence supérieure au GHz.
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Chapitre 5 - Considérations des effets de l'environnement sur la permittivité des
matériaux et caractérisation de la permittivité des aliments 135 - Les méthodes de « résonance »:
+ Les méthodes de réflexion pour une gamme de fréquence du GHz à 100 GHz + Les méthodes de transmission pour une gamme de fréquence du GHz à 100 GHz
Les méthodes de « basse fréquence » ne sont pas applicables pour notre gamme de fréquence (860MHz - 960MHz pour la RFID UHF passive). Les méthodes « haute fréquence » sans-résonance peut être utilisées sur une large bande de fréquence mais sont peu précise, tandis alors que les méthodes à résonance sont compatibles avec notre application et permettent des mesures précises... Ici, nous nous concentrons nos mesures dans la gamme de fréquence pour les applications de la RFID UHF.
5.2.2. La méthode de la sonde coaxiale
Sur la comparaison dans la figure 5.9, nous voyons que la méthode de la sonde coaxiale est la méthode la plus adaptée pour la mesure de la permittivité diélectrique des aliments tels que la viande et le frômage [5.20]. La méthode de la caractérisation des permittivités diélectriques utilisée pour ce travail est la méthode de la sonde coaxiale à extrémité ouverte (open-ended coaxial probe) qui est classée comme une méthode de réflexion sans-résonance. Cette méthode est basée sur le coefficient de réflexion de la sonde coaxiale qui dépend de la permittivité diélectrique du matériau sous test (Material Under Test - MUT) placé en contact avec la sonde. Pour calculer la permittivité diélectrique à partir du coefficient de réflexion mesuré, nous utilisons le circuit équivalent de la sonde coaxiale qui est ouverte aux extrémités.
5.2.2.1. Les propriétés de la méthode de la sonde coaxiale - Large bande de fréquence: entre 0.2GHz et 50GHz
- Convient pour les matériaux à forte perte: essentiellement les liquides et les semi-solides.
Les poudres et les solides peuvent également être mesurés si nous avons un bon contact entre le matériau et la sonde coaxiale.
- La précision: environ de 1% à 10% dépendant de la taille de la sonde.
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Chapitre 5 - Considérations des effets de l'environnement sur la permittivité des
matériaux et caractérisation de la permittivité des aliments 136 - La complexité: Cette méthode nécessite une calibration du dispositif avant chaque mesure.
La calibration est du type de 3 standards "Short-Open-Load".
5.2.2.2. Le circuit équivalent et les formules de calcul pour la sonde coaxiale
Figure 5.10 - Le circuit équivalent de la sonde coaxiale
La sonde est considérée comme un circuit équivalent comprenant un condensateur de couplage entre les couches conductrices interne et externe avec une conductance qui montre la perte le long de la ligne de transmission. La capacitance et l’inductance dépendent de la fréquence, de la permittivité diélectrique et de la taille de la sonde coaxiale (diamètres intérieur et externe). La sonde peut être décrite comme une antenne avec l'admitance d'entrée
jB G
Y dont G est la conductance et C est la susceptance comme dans la figure 5.10 [5.20].
Y0 G0(C,) jC0(C,) (5.8)
Figure 5.11 - La sonde coaxiale dans le vide et en contact avec l'échantillon de mesure [5.21]
Où G et 0 C sont constantes si le rayonnement de l'antenne se fait dans l'espace libre 0 (C 1). Si nous remplaçons l'espace libre par le matériau sous test, la dépendance de
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matériaux et caractérisation de la permittivité des aliments 137 l'admitance de l'antenne avec la permittivité du matériau peut être déduite en utilisant le théorème de Deschamps. De cela, l'admittance contiendra un autre terme C
Y( C, ) CY0(1, C) (5.9)
Cela signifie que l'admittance du matériau de permittivité diélectrique C à la fréquence angulaire est égale à l'admittance mesurée dans l'espace libre à une fréquence angulaire C fois plus grande que celle dans l'espace libre et puis multipliée par un facteur
C .
La capacitance C peut être considérée comme une constante dans l'espace libre. La 0 conductance G0 de la sonde entourée par le matériau diélectrique peut être calculé dans le cas où le matériau diélectrique est l'air en appliquant la fonction de Bessel à la série de Maclaurin:
( ) ( ) ...
ln
)] sin sin ( ) sin ( [ ln
6 2 4 1 0
0
2
2 0
0 0
0
f G f G b a Y
kb d J ka
J b a G Y
(5.10)
)
0(x
J est la fonction de Bessel d’ordre zero. G sont des paramètres dépendants de i la taille et la géometrie de la sonde (les rayons interne et externe sont respectivement a et b) et la longueur d'onde. On utilise habituellement l’approximation Gi G1. Ainsi, l'influence du rayonnement de la sonde coaxiale qui est représenté par la conductance de rayonnement dans le circuit équivalent peut être approximée par:
4 4 4
4 2 2 4
1 ( )
3 ) 2
( f f
b c a f
G
(5.11) En appliquant le théorème Deschamps:
4
0 0 0 ( C, ) C 0( c) C 0 C
Y G j C Y G j C Et on en deduit: Y C5G0 jCC0 (5.12)
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matériaux et caractérisation de la permittivité des aliments 138 Y représente l'admittance de la sonde mesurée et G , 0 C sont la conductance et la 0
susceptance dans le circuit équivalent de la sonde placée dans l'espace libre qui sont constantes. L'admittance Y est reliée au coefficient de réflexion S comme suit:
11
11 01
1 S Y S
Y
(5.13)
où Y 0.02S
50 1
0
est l'admittance caractéristique de la sonde