XIX èmes Journées Nationales Microondes 345 Juin 2015 Bordeaux XIX èmes Journées Nationales Microondes, 345 Juin 2015 Bordeaux Caractérisation et modélisation radiofréquence d’un pare-brise de voiture A. Walrave 1 , L. Ennaïme 1 , T. P. Nguyen 1 , J-M. Duchamp 1 , P. Xavier 1 , T-P. Vuong .1 , Ph. Benech 1 , C. Defay 2 1 Université Grenoble-Alpes, IMEP-LAHC, 3 Parvis Louis Néel, CS 50257- 38016 Grenoble 2 MultiToll, 250 avenue des Grésillons, 92601 Asnières Cedex Résumé Cet article présente les résultats de caractérisations et de modélisation radiofréquence de pare-brises automobiles. Ce travail portant sur l ‘étude d’un système de péage urbain à base de communications RFiD UHF. Nos mesures montrent que les pare-brises dit « athermiques » présentent des pertes d’insertions > 18 dB alors que les pertes des pare-brises « classiques » varient entre 0,5 et 3,4 dB dans la bandes 0,7 à 5 GHz. Un modèle linéaire de ces pertes avec la fréquence est également décrit. 1. Introduction Les systèmes RFiD dans la bande UHF sont principalement utilisés pour faire du contrôle d’accès, de l’identification des personnes/objets et de la traçabilité de produits divers. Notre cadre d’étude est celui de l’identification de véhicules dans le cadre de développement de péage urbain. Le but étant de limiter la pollution et la congestion automobile dans les grandes agglomérations. Les véhicules à identifier seront équipés d’un tag passif collé à l’intérieur du pare-brise. Or aujourd’hui de nombreux constructeurs utilisent des pare-brise dit « athermiques » pour améliorer le confort des automobilistes et réduire la consommation de carburant des véhicules. Ces pare-brise limitent l’absorption du rayonnement solaire en intégrant des particules métalliques avec des solutions technologiques diverses. Ces particules métalliques présentent dans les pare-brise athermiques limitent également les rayonnements radiofréquences. Pour garantir le bon fonctionnement des communications RFiD et estimer leurs performances, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques radiofréquences de cette nouvelle génération de pare- brise. Si plusieurs articles proposent des modèles pour les pare-brise classiques en verre feuilleté [1] et [2], peu d’entre eux décrivent l’impact des pare-brise athermiques sur la bande de fréquence des radiocommunications et encore moins sur celle du RFiD UHF. De plus, les mesures d’atténuation associées sont inexistantes à notre connaissance. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet FUI MovCity et l’objectif de cet article est d’identifier les caractéristiques radiofréquences du pare-brise dans le but de pouvoir établir un bilan de liaison des communications RFiD montante et descendante et de pouvoir déterminer les gains des antennes : du lecteur et du tag. Cette étude a été volontairement élargie pour couvrir d’autres standards radiofréquences tels que GSM ou le WiFi. 2. Modèle de pare-brise De multiples compositions de pare-brise sont disponibles sur le marché. Dans l’article [1], les auteurs présentent une approche simple qui consiste à supposer que le pare-brise (d’épaisseur 5,8 mm) est équivalent à substrat homogène avec une permittivité de 4,82 et une conductivité de 54 S/m. Une seconde approche est celle décrite dans [2], ou les auteurs supposent que le pare-brise est composé de trois couches dont le détail est décrit sur Figure 1. Figure 1: Composition du pare-brise de [2] Dans la démarche d’estimation des pertes de transmission radio UHF dues aux pare-brise athermiques, une première série de simulations électromagnétiques ont été faites à l’aide du logiciel CST. 3. Simulation en transmission La simulation d’un pare-brise, telle que décrit dans le modèle de [2], de 80 cm de coté (soit une longueur supérieure à 2 λ à 910 MHz), a été réalisée. La transmission étudiée est celle entre deux antennes dipôles espacées de 3 m (S 21 ). L’une des deux antennes a été placée au centre du pare-brise et à une distance de 1 cm (Figure 2). Figure 2: Simulation du pare-brise avec deux dipôles en transmission Les résultats de simulation sans et avec pare-brise (Figure 3) permettent de montrer que les deux dipôles restent bien adaptés à 910 MHz avec un coefficient de Pare-brise Dipôle 1 Dipôle 2 3 m
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
XIXèmes Journées Nationales Microondes 3-‐4-‐5 Juin 2015 -‐ Bordeaux
XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-‐4-‐5 Juin 2015 -‐ Bordeaux
Caractérisation et modélisation radiofréquence d’un pare-brise de voiture
A. Walrave1, L. Ennaïme1, T. P. Nguyen1, J-M. Duchamp1, P. Xavier1, T-P. Vuong.1, Ph. Benech1, C. Defay2
1Université Grenoble-Alpes, IMEP-LAHC, 3 Parvis Louis Néel, CS 50257- 38016 Grenoble 2MultiToll, 250 avenue des Grésillons, 92601 Asnières Cedex
Résumé
Cet article présente les résultats de caractérisations et de modélisation radiofréquence de pare-brises automobiles. Ce travail portant sur l ‘étude d’un système de péage urbain à base de communications RFiD UHF. Nos mesures montrent que les pare-brises dit « athermiques » présentent des pertes d’insertions > 18 dB alors que les pertes des pare-brises « classiques » varient entre 0,5 et 3,4 dB dans la bandes 0,7 à 5 GHz. Un modèle linéaire de ces pertes avec la fréquence est également décrit.
1. Introduction Les systèmes RFiD dans la bande UHF sont
principalement utilisés pour faire du contrôle d’accès, de l’identification des personnes/objets et de la traçabilité de produits divers.
Notre cadre d’étude est celui de l’identification de véhicules dans le cadre de développement de péage urbain. Le but étant de limiter la pollution et la congestion automobile dans les grandes agglomérations. Les véhicules à identifier seront équipés d’un tag passif collé à l’intérieur du pare-brise. Or aujourd’hui de nombreux constructeurs utilisent des pare-brise dit « athermiques » pour améliorer le confort des automobilistes et réduire la consommation de carburant des véhicules. Ces pare-brise limitent l’absorption du rayonnement solaire en intégrant des particules métalliques avec des solutions technologiques diverses. Ces particules métalliques présentent dans les pare-brise athermiques limitent également les rayonnements radiofréquences. Pour garantir le bon fonctionnement des communications RFiD et estimer leurs performances, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques radiofréquences de cette nouvelle génération de pare-brise.
Si plusieurs articles proposent des modèles pour les pare-brise classiques en verre feuilleté [1] et [2], peu d’entre eux décrivent l’impact des pare-brise athermiques sur la bande de fréquence des radiocommunications et encore moins sur celle du RFiD UHF. De plus, les mesures d’atténuation associées sont inexistantes à notre connaissance. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet FUI MovCity et l’objectif de cet article est d’identifier les caractéristiques radiofréquences du pare-brise dans le but de pouvoir établir un bilan de liaison des communications RFiD
montante et descendante et de pouvoir déterminer les gains des antennes : du lecteur et du tag. Cette étude a été volontairement élargie pour couvrir d’autres standards radiofréquences tels que GSM ou le WiFi.
2. Modèle de pare-brise De multiples compositions de pare-brise sont
disponibles sur le marché. Dans l’article [1], les auteurs présentent une approche simple qui consiste à supposer que le pare-brise (d’épaisseur 5,8 mm) est équivalent à substrat homogène avec une permittivité de 4,82 et une conductivité de 54 S/m. Une seconde approche est celle décrite dans [2], ou les auteurs supposent que le pare-brise est composé de trois couches dont le détail est décrit sur Figure 1.
Figure 1: Composition du pare-brise de [2]
Dans la démarche d’estimation des pertes de transmission radio UHF dues aux pare-brise athermiques, une première série de simulations électromagnétiques ont été faites à l’aide du logiciel CST.
3. Simulation en transmission La simulation d’un pare-brise, telle que décrit dans le
modèle de [2], de 80 cm de coté (soit une longueur supérieure à 2 λ à 910 MHz), a été réalisée. La transmission étudiée est celle entre deux antennes dipôles espacées de 3 m (S21). L’une des deux antennes a été placée au centre du pare-brise et à une distance de 1 cm (Figure 2).
Figure 2: Simulation du pare-brise avec deux dipôles en
transmission
Les résultats de simulation sans et avec pare-brise (Figure 3) permettent de montrer que les deux dipôles restent bien adaptés à 910 MHz avec un coefficient de
Pare-brise
Dipôle 1
Dipôle 2
3 m
XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-‐4-‐5 Juin 2015 -‐ Bordeaux
réflexion inférieure à -20 dB. Dans ce cas la valeur maximale du coefficient de transmission est de -37,3 dB (sans pare-brise) à -37,7 dB (avec pare-brise du modèle [2]) soit une atténuation de 0,4 dB à 911 MHz.
Figure 3: Résultat de simulations de la Figure 2 : S11 (courbe rouge) et S22 (courbe orange) des dipôles et
coefficient de transmission S21 (courbe verte)
De plus les résultats de simulation de la transmission sans pare-brise peuvent être comparés au coefficient de transmission en espace libre calculé à partir de la formule de Friis (1). Dans le cas de notre simulation, le S21vaut -37,2 dB soit en cohérence avec les résultats de simulation. Afin de valider ces simulations, des mesures ont été réalisées en chambre anéchoïque.
€
PreçuePtrans.
=Gt,dBi +Gr,dBi + 20logλ
4π .D$
% &
'
( ) (1)
4. Mesures réalisées Pour réaliser ces mesures, des antennes cornets ont
été utilisées de part et d’autre du pare-brise. Les mesures en transmission ont été réalisées avec deux pare-brise différents : un pare-brise athermique et un pare-brise non athermique dit « classique ». Le pare-brise est placé sur un support en bois type « chevalet » de manière à ce que l’antenne cornet soit au milieu du pare-brise éloignée de 28 cm. Les mesures présentées ont été relevées sur deux bandes de fréquences : analyse large bande de 700 MHz - 6 GHz et en bande étroite autour de la fréquence RFiD UHF 800 MHz - 1 GHz.
Figure 4: Photo de la mesure en transmission effectuée en chambre anéchoïque
Les mesures de la transmission pour différentes configurations avec pare-brise et sans pare-brise sont présentées Figure 5. L’adaptation de l’antenne à proximité du pare-brise a aussi été vérifiée grâce au paramètre S11. Cette adaptation même dans le cas athermique reste meilleure à -12 dB ce qui est satisfaisant.
Figure 5: Mesures des pertes des deux pare-brise à partir
des S21 en large bande et en bande étroite (RFiD UHF)
Les mesures des pertes démontrent la forte absorption des pare-brise athermique (>18 dB). Cependant, sur le haut de ces pare-brise une zone dite d’épargne sans particules métalliques est présente. Cette zone possède la même atténuation que celle d’un pare-brise classique. A partir de ces mesures un modèle simple (2) de l’atténuation augmentant linéairement avec la fréquence, a pu être établi sur la bande de 0,7 à 3 GHz. Ce type de variation est caractéristique des pertes diélectriques
€
AttdB = 0,12 +1,22. fGHz − 0,7( ) (2) Sur la bande RFiD UHF seule, il est alors possible de considérer l’atténuation du pare-brise comme constante et égale à 0,5 dB. Ce résultat est en cohérence avec celui obtenu par simulation. Les pertes en transmission mesurées dans les autres bandes GSM ou le WiFi sont respectivement 1,5 dB (à 1,8 GHz) et 2,3 dB (à 2,45 GHz) et 3,4 dB (à 5 GHz).
5. Conclusion Dans cet article, des mesures de pertes d’insertions de
pare-brise sur la plage de fréquence RF et plus particulièrement dans la bande RFiD ont été présentées. Elles varient de 0,5 dB (RFiD UHF) à 3,4 dB (WiMax). Ces résultats ont été confirmés par des simulations électromagnétiques CST et un modèle des pertes équivalentes au pare-brise proposé.
6. Bibliographie [1] R. Jauregui, M. Pous, Y. Vives, M. Fernandez, P.J.
Riu and F. Silva, «Car windshield behavior transient analysis by FDTD», IEEE 2009.
[2] C. C. Njoku, W. Whittow, C. Panagamuwa, «Printable Windscreen Quad-band GSM Antenna», Antennas & Propagation Conference, 2009. LAPC 2009, Loughborough, pp.781-784, 16-17 Nov. 2009.
Related Documents
