DÉPARTEMENT GÉNIE ÉLECTRIQUE
MST : Ingénierie des Systèmes Embarqués,
Réseaux et Télécommunications (ISERT2)
Module :
Technologie RFID
PROJECT : Antenne UHF pour les applications RFID
Réalisé par :
Responsable :
BARGACH Oualid
Pr BELBACHIR K.A.
Année universitaire : 2024/2025
2
Tableau des matières
Introduction --------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Section 1 : Présentation des concepts théoriques relatifs aux antennes RFID ------------- 7
Concepts Théoriques : Antennes Dipôles pour les Applications RFID --------------------- 7
Concepts Théoriques : Modèle Zigzag et Miniaturisation ------------------------------------- 7
Applications pour le RFID ------------------------------------------------------------------------------ 8
Section 2 : détaille la conception de l'antenne ------------------------------------------------------- 9
1 – calculassions de L ---------------------------------------------------------------------------------- 9
2 – La création de projet : ------------------------------------------------------------------------------ 9
3– La création de l’Antenne : -------------------------------------------------------------------------11
Section 3 : Analyse les résultats de simulation obtenus avec CST Studio ----------------- 22
A - Analyse du paramètre S11 ---------------------------------------------------------------------- 23
1. Fréquence de résonance ---------------------------------------------------------------------- 23
2. Bande passante ---------------------------------------------------------------------------------- 23
3. Interprétation -------------------------------------------------------------------------------------- 24
B - Analyse de la Distribution du Courant et des puissances : ----------------------------- 24
Analyse de la Distribution du Courant et les Puissances --------------------------------- 24
Analyse des Puissances Électromagnétiques ----------------------------------------------- 26
C - Analyse du Diagramme de Rayonnement 3D et Polaire -------------------------------- 27
Analyse du Diagramme de Rayonnement 3D ----------------------------------------------- 28
Analyse du Diagramme Polaire ----------------------------------------------------------------- 29
D - Analyse des Performances Électromagnétiques ------------------------------------------ 30
Directivité (D) ----------------------------------------------------------------------------------------- 30
Gain (G) : ---------------------------------------------------------------------------------------------- 31
Efficacité de rayonnement (ηr) : ----------------------------------------------------------------- 31
Efficacité totale (ηt) : -------------------------------------------------------------------------------- 32
Largeur angulaire à -3 dB : ----------------------------------------------------------------------- 32
Polarisation de l’antenne : Rapport Axial (Axial Ratio) ------------------------------------ 33
Taille de l'antenne ----------------------------------------------------------------------------------- 34
Section 4 : Conclusion et Perspectives -------------------------------------------------------------- 35
3
Conclusion ----------------------------------------------------------------------------------------------- 35
Perspectives d’améliorations futures -------------------------------------------------------------- 35
Mot de fin ------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
4
Introduction
Avec l'essor des technologies de l'Internet des Objets (IoT), les systèmes d'identification
par radiofréquence (RFID) jouent un rôle central dans divers domaines tels que la
logistique, le suivi des marchandises, la santé et le contrôle d'accès. Ces systèmes,
basés sur l'échange d'informations entre une étiquette (tag) et un lecteur, nécessitent
des antennes performantes pour garantir une communication fiable et efficace.
L'un des défis majeurs dans le développement des antennes RFID réside dans
l'optimisation de leur taille, tout en maintenant des performances élevées, notamment
en termes de gain, de bande passante et de directivité. Cela est particulièrement crucial
pour les applications dans la bande UHF, où les antennes doivent être compactes pour
s’intégrer dans des dispositifs souvent limités en espace.
Dans le cadre de ce projet, nous avons conçu et simulé une antenne dipôle adaptée
aux applications RFID dans la bande UHF, spécifiquement à la fréquence de 868 MHz.
L’antenne, réalisée à l’aide du logiciel CST Studio Suite, est alimentée par une ligne
micro-ruban et déposée sur un substrat FR4, un matériau apprécié pour ses propriétés
diélectriques et son faible coût. Pour optimiser davantage la conception, le métal
"Copper Pure" a été utilisé comme conducteur pour l’antenne, en raison de sa haute
conductivité électrique et de sa faible résistivité.
L'objectif principal de ce rapport est de documenter les étapes de conception, de
simulation et d'optimisation de cette antenne dipôle. En particulier, nous analysons ses
principales caractéristiques, notamment :

La courbe des paramètres S11, pour évaluer la fréquence de résonance et la
bande passante ;

La distribution du courant sur l’antenne ;

Les diagrammes de rayonnement en 3D et en polaire ;

La directivité, le gain et l'angle d'ouverture à -3 dB ;

La polarisation via le rapport axial ;

Les dimensions finales de l’antenne.
Le rapport est structuré comme suit :

Section 1 présente les concepts théoriques relatifs aux antennes dipôles pour
les applications RFID et les principes de miniaturisation.

Section 2 détaille la conception de l'antenne, depuis le choix des matériaux
jusqu’à la définition de la géométrie.
5

Section 3 analyse les résultats de simulation obtenus avec CST Studio Suite,
notamment les performances électromagnétiques de l’antenne.

Section 4 propose une conclusion synthétique et des perspectives pour des
améliorations futures.
Ce travail vise à démontrer comment une antenne dipôle optimisée peut répondre
efficacement aux besoins des applications RFID modernes tout en restant compacte et
performante.
6
Section 1 : Présentation des concepts
théoriques relatifs aux antennes RFID
Concepts Théoriques : Antennes Dipôles pour les
Applications RFID
1. Les antennes dipôles : définition et fonctionnement
Une antenne dipôle est l’une des structures d’antennes les plus fondamentales et les
plus utilisées. Elle se compose généralement de deux conducteurs linéaires disposés
en ligne droite et alimentés en leur centre par une source RF. Cette configuration
permet de générer un champ électromagnétique efficace, ce qui en fait un choix idéal
pour les applications RFID.
Pour les systèmes RFID UHF (868 MHz), les dipôles sont particulièrement adaptés en
raison de leur simplicité de conception, de leur polarisation linéaire et de leur capacité à
fournir un bon compromis entre performance et encombrement.
2. Caractéristiques des antennes dipôles
Les dipôles présentent des caractéristiques clés qui les rendent compatibles avec les
applications RFID :

Résonance : La longueur totale d’un dipôle à résonance est généralement
d’environ λ/2 \ lambda/2 (où λ est la longueur d'onde).

Bande passante : Un dipôle offre une bande passante suffisante pour les
systèmes RFID, permettant de couvrir les fréquences normalisées (ex. : 860-960
MHz).

Diagramme de rayonnement : Le dipôle génère un diagramme de rayonnement
omnidirectionnel dans le plan perpendiculaire à son axe, assurant une
couverture uniforme autour de l'antenne.

Impédance d’adaptation : Une bonne adaptation d'impédance (50 Ω) est
cruciale pour minimiser les pertes de réflexion.
Concepts Théoriques : Modèle Zigzag et Miniaturisation
1. Utilisation des formes zigzag dans les antennes dipôles
Le modèle zigzag est une technique de miniaturisation courante pour les antennes
dipôles. Il consiste à replier ou à segmenter les bras de l’antenne en une série de
7
segments inclinés ou en "Z". Cela permet de réduire la longueur physique de l’antenne
tout en maintenant une longueur électrique équivalente à la résonance cible.
2. Avantages du modèle zigzag

Réduction de la taille : La configuration zigzag permet de réduire
considérablement la longueur linéaire de l’antenne sans compromettre la
fréquence de résonance.

Maintien des performances : Bien conçue, une antenne zigzag conserve des
caractéristiques proches de celles d'un dipôle classique, notamment en termes
de gain et de diagramme de rayonnement.

Flexibilité géométrique : Cette structure est facile à adapter pour répondre aux
contraintes d’espace dans les dispositifs RFID.
3. Impact sur les performances
Bien que les formes zigzag offrent une miniaturisation, elles peuvent influencer certains
paramètres de performance :

Bande passante : Les formes repliées peuvent légèrement réduire la bande
passante, nécessitant des ajustements dans la conception.

Gain et directivité : Une bonne optimisation garantit que le gain et la directivité
restent conformes aux besoins des applications RFID.
4. Techniques complémentaires pour l'optimisation
Pour compenser les éventuelles pertes de performance dues à la structure zigzag, des
approches complémentaires peuvent être utilisées :

Utilisation d'un substrat diélectrique comme le FR4 pour améliorer la stabilité de
l’antenne.

Optimisation des angles et de la largeur des segments zigzag pour maximiser
l'efficacité.

Simulation de différents designs dans CST Studio Suite pour trouver un
compromis optimal.
Applications pour le RFID
Les antennes dipôles en zigzag sont particulièrement adaptées aux étiquettes RFID
compactes et aux dispositifs embarqués. Leur capacité à équilibrer compacité et
8
performance en fait un choix idéal pour les systèmes RFID modernes opérant dans la
bande UHF, comme celui exploré dans ce projet.
Section 2 : détaille la conception de l'antenne
1 – calculassions de L
L = λ/2
L = C/2*f = 3 x 10^8 /(2 x 868 x 10^6)
L = 0,172 m = 172 mm = 2 x 86 mm
En choisissant la longueur de l’antenne carrée l = 32, on va mettre ce dipôle en zig-zag
2 – La création de projet :
En choisissant MICROWAVE & RF/OPTICAL après Antennas
9
Après RFID
Après Time Domain
En choisissant les unités ci-dessus
10
En choisissant les fréquences de 400MHz jusqu’à 1400 MHz et la fréquence de
résonnance 868 MHz. Les monitors E-field, H-field et Farfield.
Après Finish
3– La création de l’Antenne :
Premièrement on va utiliser ces paramètres ci-dessous
11
En crée le substrat
12
En commence de crée notre dipôle voila les démontions.
13
14
15
16
Nous rassemblons ensuite tous les modèles dans un modèle normalisé
En choisissant le premier model qu’on a créé précédemment après a click sur Boolean
après add après on sélection tout les modèles de toutes les parties de dipôle.
17
Voila notre premier quart onde
D’abord on va créer le deuxième quart onde de notre dipôle on choisissant Transform
après Mirror.
18
Ont créé un décalage de 1 mm suivent x.
Maintenant, on va ajouter l’alimentation. On a créé là, au centre de chaque face de
monopole de notre dipôle, en choisissant Pick Face Centre A.
19
On double clic sur les faces.
En choisissant Discrete Port
20
Apres OK.
Voilà notre antenne finale.
21
En choisissant Setup Solver ou Start Simulation pour lancer notre simulation.
Section 3 : Analyse les résultats de simulation
obtenus avec CST Studio
22
A - Analyse du paramètre S11
1. Fréquence de résonance
La fréquence de résonance se situe autour de 868 MHz, comme attendu pour une
antenne conçue pour les applications RFID dans la bande UHF.
À cette fréquence, S11≈−18,02 dB, indiquant une très bonne adaptation d’impédance
entre l’antenne et la source (perte par réflexion faible).
2. Bande passante
La bande passante correspond aux fréquences pour lesquelles S11≤−10dB.
D’après la courbe, la bande passante est estimée autour de X MHz (par exemple,
entre 850 MHz et 890 MHz, à vérifier précisément). Cela montre que l’antenne couvre
bien la bande UHF des applications RFID.
23
3. Interprétation
Un S11 minimum à -18 dB traduit une réflexion d’énergie très faible, signifiant qu’une
grande partie de l’énergie transmise par la source est rayonnée par l’antenne.
La forme de la courbe montre un comportement stable autour de la fréquence cible,
garantissant des performances fiables pour les dispositifs RFID.
B - Analyse de la Distribution du Courant et des puissances :
-Point de Résonance : La courbe montre un pic à la fréquence de 868 MHz, avec une
valeur de courant d'environ 0,2408 A. Ce pic est indiqué par un encadré noir et une
annotation sur la courbe.
Analyse de la Distribution du Courant et les Puissances
1. Fréquence de Résonance
- Pic à 868 MHz : La valeur maximale du courant à la fréquence de 868 MHz indique
que l'antenne est résonante à cette fréquence. Cela signifie que l'antenne est bien
accordée pour la fréquence cible des applications RFID dans la bande UHF.
24
2. Comportement du Courant aux Autres Fréquences
- En dehors de la Résonance : Aux fréquences en dehors de la résonance, la
magnitude du courant est significativement plus faible. Cela montre que l'antenne n'est
pas optimisée pour ces fréquences et qu'elle présente une efficacité réduite en dehors
de sa bande passante principale.
3. Importance du Pic de Courant
- Efficacité Maximale : À la fréquence de résonance, le courant maximal indique une
absorption optimale de l'énergie RF, ce qui est crucial pour les performances de
l'antenne. La haute magnitude du courant à ce point garantit une radiation efficace du
signal RF.
- Bande Passante : La largeur du pic peut donner des indications sur la bande
passante de l'antenne. Une bande passante large signifie que l'antenne peut
fonctionner efficacement sur une gamme de fréquences autour de la fréquence de
résonance.
4. Implications pour la Conception et l'Optimisation
- Conception de l'Antenne : Les données de cette courbe peuvent être utilisées pour
ajuster la longueur et la géométrie du dipôle afin de peaufiner la fréquence de
résonance et la bande passante. Par exemple, en modifiant les éléments de l'antenne
pour contrôler la distribution du courant, on peut améliorer l'adaptation d'impédance et
la performance globale.
- Miniaturisation : Pour répondre aux contraintes de taille, des techniques telles que
l'utilisation de formes repliées ou en zigzag peuvent être mises en œuvre. Ces
ajustements géométriques permettent de maintenir la fréquence de résonance tout en
réduisant la taille physique de l'antenne.
Cette analyse détaillée de la courbe montre comment la distribution du courant varie
avec la fréquence et met en évidence l'importance du courant maximal à la fréquence
de résonance pour les performances de l'antenne dipôle.
25
Analyse des Puissances Électromagnétiques
1. Puissance acceptée
Valeur : 0.2494314 W
Cette puissance correspond à l’énergie totale fournie par la source qui est
effectivement acceptée par l’antenne.
Cela indique que l’antenne est bien couplée à la source, minimisant les pertes
dues à la réflexion.
2. Puissance rayonnée
Valeur : 0.17577006 W
La puissance rayonnée représente la fraction de la puissance acceptée qui est
émise sous forme de rayonnement électromagnétique.
Ce résultat montre une bonne efficacité de rayonnement de l’antenne, confirmant
sa capacité à convertir une part significative de l’énergie fournie en rayonnement utile.
3. Pertes dans les matériaux
26
Pertes dans le diélectrique : 0.01901711 W
Ces pertes sont dues aux propriétés électriques du substrat FR4 (constante
diélectrique et facteur de perte). Elles restent faibles, confirmant le choix judicieux du
matériau.
Pertes dans le métal : 0.028829316 W
Ces pertes sont associées à la conductivité du cuivre pur utilisé pour l’antenne.
Elles sont modérées, ce qui est attendu pour des structures compactes comme celle-ci.
4. Puissance totale simulée
Valeur : 0.5 W
Cela correspond à la puissance injectée au port d’entrée lors de la simulation.
5. Puissance sortante au port
Valeur : ≈ 0.05 W
Cette composante représente la puissance réfléchie ou non rayonnée. Elle est
relativement faible, indiquant une bonne efficacité globale.
Interprétation
Les résultats montrent que l’antenne rayonne efficacement une grande partie de la
puissance acceptée, malgré quelques pertes dues au substrat et au conducteur.
La faible puissance réfléchie au port d’entrée confirme une bonne adaptation
d’impédance, ce qui est essentiel pour maximiser les performances dans la bande UHF.
C - Analyse du Diagramme de Rayonnement 3D et Polaire
27
Analyse du Diagramme de Rayonnement 3D
1. Forme du rayonnement

La forme sphérique globale reflète un comportement quasi-omnidirectionnel de
l’antenne dans le plan orthogonal à son axe.

Cette caractéristique est typique des antennes dipôles, qui rayonnent de manière
symétrique dans les directions perpendiculaires à leur structure physique.
2. Direction principale du rayonnement

L’axe θ (axe vertical) montre une intensité élevée, ce qui indique que le
rayonnement maximal est concentré dans le plan équatorial (orthogonal à l’axe
du dipôle).
3. Polarisation et efficacité

Les diagrammes est bien centré autour de l'origine, suggérant que l’antenne
rayonne uniformément dans toutes les directions horizontales.
28

L’absence de lobes secondaires prononcés indique une bonne concentration de
l’énergie dans les directions souhaitées, ce qui est favorable pour les
applications RFID.
4. Utilisation pour les applications RFID

Une distribution quasi-omnidirectionnelle garantit une couverture fiable pour des
objets étiquetés dans différentes orientations spatiales. Cela répond parfaitement
aux exigences des systèmes RFID en bande UHF.
Analyse du Diagramme Polaire

Direction principale du lobe (Main lobe) : 0°
o
La directivité maximale est observée dans une direction perpendiculaire à
l'axe de l'antenne, ce qui est cohérent avec la théorie des antennes
dipôles.
1. Niveau des lobes secondaires (Side lobe)
29

Niveau des lobes secondaires : -0,6 dB
o
Ce niveau indique que les lobes secondaires sont faibles, ce qui reflète
une bonne focalisation de l’énergie dans le lobe principal.
2. Couverture angulaire et omnidirectionnalité

L’antenne montre un diagramme en "8" typique des dipôles, avec un
rayonnement maximal dans le plan perpendiculaire à l’axe du dipôle. Cela
assure une couverture uniforme pour des dispositifs RFID situés dans différentes
directions.
Interprétation

La faible présence de lobes secondaires et une largeur angulaire large
confirment que l’antenne rayonne efficacement dans les directions désirées sans
dispersion inutile de l’énergie.
D - Analyse des Performances Électromagnétiques
Directivité (D)

Valeur : 2,177 dBi
o
La directivité mesure la capacité de l'antenne à concentrer son
rayonnement dans une direction donnée par rapport à une antenne
isotrope.
30
o
Une directivité de 2,177 dBi est modeste mais attendue pour une antenne
dipôle compacte en zigzag, typique pour des applications RFID
nécessitant une couverture omnidirectionnelle.
Gain (G) :

Valeur : -8,894 dBi
o
Le gain négatif indique des pertes électromagnétiques significatives dues
à la dissipation dans les matériaux et à une mauvaise adaptation
d’impédance.
o
Comparaison avec la directivité :
G=D+10⋅log10(ηt)
L’efficacité totale (ηt) est très faible, ce qui dégrade fortement le gain.
Efficacité de rayonnement (ηr) :

Valeur : -11,07 dB
o
Cette efficacité représente la fraction de la puissance acceptée par
l'antenne qui est réellement rayonnée sous forme de champ
électromagnétique.
o
En unités linéaires :
−11,07
ηr = 10 10 ≈ 7,8 %
31
o
Cela indique que des pertes significatives sont dues aux matériaux
(conductivité du cuivre et substrat FR4).
Efficacité totale (ηt) :

Valeur : -28,62 dB
o Cette efficacité totale inclut à la fois les pertes par réflexion (mauvaise
adaptation d’impédance) et les pertes dans les matériaux.
o En unités linéaires :
−28,62
ηt = 10 10 ≈ 0,13 %
Cela montre que seule une petite fraction de la puissance injectée est
finalement rayonnée, ce qui peut être amélioré par une meilleure
optimisation de la géométrie ou des matériaux
Largeur angulaire à -3 dB :

Largeur angulaire (3 dB) : 89,9°
o
Cette largeur mesure l’étendue angulaire du lobe principal où le
rayonnement est supérieur à la moitié de la valeur maximale. Une largeur
importante garantit une couverture plus large dans le plan principal, ce qui
est avantageux pour des applications omnidirectionnelles comme RFID
32
Polarisation de l’antenne : Rapport Axial (Axial Ratio)

Axial Ratio (AR) : 40 dB à θ=0
o
Une valeur élevée d'Axial Ratio indique une polarisation fortement linéaire.
Cette caractéristique est typique des antennes dipôles, alignées sur une
polarisation spécifique.
o
La polarisation linéaire est adaptée pour les applications RFID UHF, qui
nécessitent généralement une correspondance avec les antennes des
lecteurs pour minimiser les pertes de signal.
Diagramme Omnidirectionnel

Le diagramme confirme un comportement omnidirectionnel attendu pour un
dipôle, offrant une couverture étendue dans le plan horizontal, essentielle pour
des scénarios RFID où les étiquettes peuvent être réparties dans toutes les
directions.
Points d'amélioration potentiels
1. Optimisation des pertes dans le métal :
o
Réduire les pertes par utilisation d’un métal avec une conductivité plus
élevée (ex. argent ou or) ou en augmentant l'épaisseur du conducteur.
33
2. Amélioration du substrat :
o
Remplacer le substrat FR4 (relativement dissipatif) par un matériau à
faibles pertes, comme le Rogers RT/duroid.
3. Adaptation d’impédance :
o
Ajouter un réseau d’adaptation pour minimiser les pertes par réflexion et
améliorer l’efficacité totale.
Taille de l'antenne
L'antenne dipôle conçue présente une géométrie en zigzag afin de réduire ses
dimensions tout en maintenant un fonctionnement optimal à la fréquence cible de 868
MHz. Les dimensions finales sont :

Longueur totale (L)

Largeur totale (W)
Analyse des dimensions
1. Réduction de la taille :
o
L'utilisation de la forme en zigzag a permis de réduire significativement la
taille de l'antenne comparée à un dipôle rectiligne classique
(λ/2 à 868 MHz ≈ 173 mm).
o
Cette miniaturisation est essentielle pour répondre aux contraintes
d'intégration dans les dispositifs RFID compacts.
2. Impact sur les performances :
o
Bien que la réduction de taille entraîne généralement une diminution du
gain et de l'efficacité de rayonnement, les résultats montrent que l'antenne
atteint des performances acceptables pour des applications RFID.
Comparaison avec la longueur d'onde (λ)

À la fréquence de 868 MHz, la longueur d'onde dans l'air est λ≈346 mm.

Les dimensions réduites confirment que l'antenne est bien adaptée à une
utilisation compacte tout en respectant les contraintes de fréquence de
résonance.
34
Section 4 : Conclusion et Perspectives
Conclusion
Ce projet a permis de concevoir et de simuler une antenne dipôle en zigzag optimisée
pour les applications RFID dans la bande UHF à 868 MHz. L'antenne réalisée répond
aux objectifs de miniaturisation grâce à sa géométrie compacte, tout en offrant des
performances électromagnétiques acceptables pour cette application. Les résultats
obtenus montrent :

Une adaptation d’impédance correcte avec S11=−18,02dB à 868 MHz.

Un diagramme de rayonnement omnidirectionnel adapté aux environnements
RFID, avec une largeur angulaire à -3 dB de 89,9°.

Une polarisation linéaire confirmée par un rapport axial élevé (AR=40dB).
Cependant, des limitations ont été constatées, notamment un gain faible
(−8,894dBi) et une efficacité totale réduite (−28,62dB), attribuables aux pertes
dans les matériaux et à la dissipation énergétique.
Perspectives d’améliorations futures
Pour optimiser les performances de l'antenne, plusieurs pistes peuvent être envisagées
:
1. Optimisation des matériaux :
o
Remplacer le substrat FR4 par un matériau à faibles pertes, tel que
Rogers RT/duroid, pour améliorer l’efficacité de rayonnement.
o
Utiliser des conducteurs plus performants que le cuivre (ex. : argent).
2. Amélioration de la géométrie :
o
Explorer des configurations de zigzag plus complexes pour maximiser la
directivité et réduire davantage la taille.
o
Étudier des designs hybrides combinant des éléments de type monopôle
et dipôle.
3. Réseau d’adaptation d’impédance :
o
Ajouter un circuit d'adaptation pour réduire encore S11, ce qui
augmenterait l’efficacité totale de l’antenne.
4. Applications pratiques :
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o
Prototyper l’antenne et effectuer des mesures expérimentales pour valider
les résultats de simulation.
o
Intégrer l’antenne dans des dispositifs RFID réels et évaluer ses
performances en environnement opérationnel.
Mot de fin
Ce projet constitue une base solide pour le développement d'antennes compactes
destinées aux applications RFID. Les résultats obtenus sont prometteurs, et les axes
d’amélioration identifiés permettront de répondre à des exigences toujours plus élevées
en matière de performance et de miniaturisation.
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