Statistical analysis of the coupling effects between tags in the RFID links
Analyse statistique des effets de couplage entre tags dans les liens RFID
Résumé
Different empirical studies show that the effect of mutual coupling and the random position and orientation of tag antennas in a reduced volume result in a degradation of key performance indicators of an RFID system such as the read-range and the read-rate. This thesis takes part in the performance analysis of such an RFID system by exploring the physical phenomena behind the degradation and by introducing statistical techniques into investigations. Prior to the group behaviour investigations, the sensitivity and the impedance of two RFID chips (Higgs-3 and Higgs-9) have been measured. Two RFID tags have been used, a commercial one (ALN-9662) associated with the Higgs-3 chip and a home-made tag, which has been fabricated in laboratory to match the Higgs-9 chip. The read range of both tags has measured along with their antenna impedance. The measurement results have been confronted to electromagnetic simulations. In order to study various cases involving randomly positioned tags, an electromagnetic model and simulation tools (HFSS and NEC) have been used and the conclusions are based on their results while cross-validated in a few cases by measurements. To simplify any further, the RFID tags are modelled by a set of half-wave dipoles, with and without T-match, and the reader is replaced by a plane wave. The objective is to confront the behaviour of a single isolated tag to that of the same tag while surrounded by other tags and to conclude on the impact of the antenna type, the density of tags, the terminating load and the wave polarisation on the output under observation. The RFID link is studied through its forward and reverse links and by using a conventional grid model for tags including coupling. A thorough power budget analysis is conducted and the absorbed power at the level of the loads (chips) and the reradiated power at the level of the antennas are assessed. Regarding the forward link, the ratio of the absorbed power by the chip of a surrounded tag to that of an isolated tag is called normalised absorbed power and constitutes a useful tool to estimate the percentage of inactivated tags in the set. Regarding the reverse link, the Radar Cross Section (RCS) of loaded antennas with short-circuit and matched loads have been studied. The differential RCS of the isolated tag and that of the surrounded one has also been evaluated and the impact of coupling on the backscattered power have been studied. As in a high-density random context, predicting the system performances in a realistic way with a deterministic approach is impossible, several configurations of randomly positioned and oriented tags and dipoles have been simulated and the conclusions are drawn using statistical analysis. In other words, at the end of this study, the performance degradation of a particular tag in a given configuration of surrounding tags needs to be evaluated individually but the statistical moments as well as cumulative distribution functions allow to predict the behaviour of a population tags under given conditions. This thesis helps the RFID designer to assess the performance of an RFID scenario and eventually adjust some input parameters such as the density of tags in order to attain the desired objectives
Différentes études empiriques montrent que l'effet du couplage mutuel et la position et l'orientation aléatoires des antennes tags dans un volume réduit entraînent une dégradation des indicateurs de performance d'un système RFID, tels que la distance et le taux de lecture. Cette thèse participe à l'analyse des performances d'un tel système RFID en explorant les phénomènes physiques à l'origine de la dégradation et en introduisant des techniques statistiques dans les investigations. Avant de procéder à l'étude du comportement de groupe, la sensibilité et l'impédance de deux puces RFID (Higgs-3 et Higgs-9) ont été mesurées. Deux tag RFID ont été utilisées, un tag commercial (ALN-9662) associé à la puce Higgs-3 et tag artisanal fabriqué au laboratoire pour s’adapter à la puce Higgs-9. La distance de lecture des deux tags a été mesurée ainsi que l'impédance de leur antenne. Les résultats des mesures ont été confrontés à des simulations électromagnétiques. Afin d'étudier différents cas de figure faisant intervenir des tags positionnés de manière aléatoire, un modèle électromagnétique et des outils de simulation (HFSS et NEC) ont été utilisés et les conclusions sont basées sur leurs résultats, tout en les validant dans quelques cas par des mesures. Pour simplifier davantage, les tags RFID sont modélisés par un ensemble de dipôles demi-onde, avec et sans le circuit d’adaptation sous forme de T-match, et le lecteur est remplacé par une onde plane. L'objectif est de confronter le comportement d'un tag isolé à celui du même tag entouré par d'autres tags et de conclure sur l'impact du type d'antenne, de la densité des tags, de l’impédance de charge et de la polarisation de l'onde sur l’observable de sortie. La liaison RFID est étudiée à travers son lien forward et reverse, et en utilisant un modèle multiport conventionnel pour les tags intégrant le couplage. Une analyse approfondie du bilan de puissance est effectuée et la puissance absorbée au niveau des charges (puces) et la puissance re-rayonnée au niveau des antennes sont évaluées. En ce qui concerne la liaison forward, le rapport entre la puissance absorbée par la puce d'un tag environné et celle d'un tag isolé est appelé puissance absorbée normalisée et constitue un outil utile pour estimer le pourcentage de tags inactifs dans un ensemble de tags. En ce qui concerne la liaison reverse, la surface équivalente radar (SER) des antennes chargées par une charge adaptée et par un court-circuit a été étudiée. La SER différentielle du tag isolé et celle du tag environné a également été évaluée et l'impact du couplage sur la puissance re-rayonnée a été étudié. Étant donné que dans un contexte aléatoire à haute densité, il est impossible de prédire les performances du système de manière réaliste avec une approche purement déterministe, plusieurs configurations de tags et de dipôles positionnés et orientés de manière aléatoire ont été simulées et les conclusions sont tirées à l'aide d'une analyse statistique. En d'autres termes, à la fin de cette étude, la dégradation des performances d'un tag particulier dans une configuration donnée de tags environnants doit être évaluée individuellement, mais les moments statistiques ainsi que les fonctions de répartition permettent de prédire le comportement d'une population de tags sous certaines conditions. Cette thèse aide le concepteur RFID à évaluer la performance d'un scénario RFID et éventuellement à ajuster certains paramètres d'entrée tels que la densité des tags afin d'atteindre les objectifs visés
Origine : Version validée par le jury (STAR)