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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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881documents trouvés

18201
15/08/2018

Passive and Chipless Packaged Transducer for Wireless Pressure Measurement

J.PHILIPPE, R.DE PAOLIS, C.ARENAS BUENDIA, D.HENRY, A.COUSTOU, A.RUMEAU, H.AUBERT, P.PONS

MINC, I2C

Revue Scientifique : Sensors and Actuators A: Physical, Vol.279, pp.753-762, Août 2018 , N° 18201

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01838614

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Abstract

A new microwave fully passive, chipless and packaged sensor for wireless pressure monitoring in harsh environments (such as, extreme temperature, radioactive and/or toxic environments) is proposed in this paper. The sensor consists of a planar microstrip resonator, which is electromagnetically coupled with a high resistivity and thin silicon membrane. Prototypes have been designed and fabricated using a photoresist intermediate layer for the silicon membrane bonding. The electromagnetic simulation of the system is also performed in order to predict the transducer performances. Measurement results using the packaged sensor are provided to experimentally validate the simulation results and the manufacturing process.

144133
18199
06/07/2018

Efficacité énergétique des architectures de communication sans fils IR-UWB pour les réseaux de capteurs sans fil

B.BENAMROUCHE

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Juillet 2018, 121p., Président: P.PONS, Rapporteurs: L.FRESQUET, L.DOBRESCU, Examinateurs: N.VARACHIU, A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU , N° 18199

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Abstract

This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Résumé

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide bande (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et a très basse consommation. Le dispositif peut être utilisé dans différents domaines comme l’aéronautique et l’aérospatiale. Ces applications industrielles imposent des spécifications très exigeantes pour le protocole de communication sans fil (dans certains cas, de nouveaux services sont nécessaires comme : la localisation, la synchronisation de l'horloge, la transmission en temps réel, etc.) D'un cote, et pour la conception de circuits, de l'autre cote, les circuits de puissance ultra-faible sont nécessaires. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM), la technologie ultra large bande (UWB) et les régulations en bande autorisée dans le monde, quelles sont les différents application ciblées par de tels technologie en se concentrant sur les système de surveillance des structure pour le domaine aéronautique. Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par ! impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application et illustrer les travaux existant actuellement. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système.

Mots-Clés / Keywords
Fatigue structurelle; Réseau de capteurs sans fil; Émetteur-récepteur IP-UWB; FPGA; ASIC; Faible consommation; Structural health monitoring; Wireless sensor network; IP-UWB Transceiver; Energy efficient;

144115
18161
29/05/2018

Imagerie radar en ondes millimétriques appliquée à la viticulture

D.HENRY

MINC

Doctorat : 29 Mai 2018, 212p., Président: C.LUXEY, Rapporteurs: L.FERRO-FAMIL, C.MIGLIACCIO, Examinateurs: S.BILA, A.GHIOTTO, R.ROUVEURE, Directeurs de thèse: H.AUBERT , N° 18161

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Abstract

With the expansion of farm operations, the principle of homogeneity of crop yields (cereals, fruits …) becomes less and less relevant. This observation of spatial variabilities implies economic and environmental consequences with the development of new arrangements of agricultural works such as “site-specific management”. Treatments such as fertilizers, nutrients and pesticides must be used differently by applying them at the right time, right place and right rate. This new way to think the agriculture is called precision agriculture (PA) and gathers four technological fields: (i) remote sensing, (ii) navigation and guidance, (iii) data management and (iv) variable-rate technologies. Precision viticulture (PV) is an application of PA which was initiated in the late 90’s and is characterized by issues specific to viticulture. Work carried out during this thesis is a direct application of remote sensing (or proximal sensing) applied to PV. It focuses on a new method of remote sensing of grapes quantity (mass or volume) directly on vine plants. Estimating the quantity of grapes several weeks before harvesting offers many advantages with qualitative and economic impacts such as: (i) improving the yield / quality ratio with an early removal of a part of the harvest, (ii) optimizing human resources and equipment during the grape harvest, and (iii) be fairly compensated by insurances in case of severe weather conditions that damaged the vine plants. The method proposed here relies on microwave imagery (24 GHz and higher) generated by a FM-CW radar. It implies the set-up of ground-based remote reading system for a plant-by-plant intra-parcel analysis and particularly: (i) evaluating the measurement accuracy, precision and limits of the system, (ii) developing specific algorithms in order to analyze three-dimensional volume data, (iii) building statistical estimators for retrieving the volume of grapes and finally (iv) analyzing data acquired during field measurements. Because of the seasonality of the grape harvest, measurements are firstly performed on canonic targets, variable loads and passive sensors in laboratory. To enlighten the flexibility of the radar interrogation technique, the same system is also used as part of the regional project PRESTIGE to remotely count the number of apples on trees in orchards. This work has been funding by the company Ovalie-Innovation and the ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Résumé

Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Mots-Clés / Keywords
Capteurs passifs; Imagerie radar; Radar micro-ondes; Télédétection; Viticulture de précision; Millimeter-wave radar; Passive sensors; Precision viticulture; Radar imagery; Remote sensing;

143855
18217
22/03/2018

Design and simulation of 10 GHz VCO based on RF MEMS solenoid inductor

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, M.A.KALLALA, A.BOUKABACHE, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Manifestation avec acte : International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices ( SSD ) 2018 du 19 mars au 22 mars 2018, Hammamet (Tunisie), Mars 2018, 5p. , N° 18217

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01838589

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Abstract

This paper reports the design and simulation of 10 GHz VCO based on RF MEMS solenoid inductor. We have investigated four RF MEMS solenoid inductors using FEM software. Indeed, we have studied the effect of different dielectric substrate and metallic coil on inductors responses. Higher performances are obtained using copper coil and SU8 dielectric substrate: SRF= 20.8 GHz, Qmax= 60.9, and L = 2.6 nH at 10 GHz. Therefore, we have designed and investigated a cross-coupled CMOS VCO based on the best RF MEMS solenoid inductor. The obtained results show a wide tuning range TR = 46% comprised between 10 GHz and 14.6 GHz, and a good linearity of frequency variation in response of control voltage. Moreover, output signals present a high voltage upper than 1.2 V and a low phase-noise PN =-102.37 dBc/Hz at 1 MHz. In addition, the spectral analyze show that output peak power reaches 14.56 dBm at a center frequency of 10 GHz and the second harmonic is less than-58.9 dBm. These results prove high spectral signal ability of the proposed RF MEMS CMOS VCO at 10 GHz.

144224
18216
22/03/2018

Modeling of microfluidically tuned capacitor for RF applications

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, M.A.KALLALA, A.BOUKABACHE, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Manifestation avec acte : International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices ( SSD ) 2018 du 19 mars au 22 mars 2018, Hammamet (Tunisie), Mars 2018, 5p. , N° 18216

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01838593

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Abstract

This paper presents the modeling of microfluidically tuned capacitor for RF applications. The designed structure is based on performances variations following DI water displacement between capacitor's electrodes. We have modeled the electric field and the current distribution using FEM tool for different DI water position in microchannels. The obtained results at 4.5 GHz show an important variation of electric field and current distribution that impacts the capacitor performances: the capacitance value is comprised between Cmin = 0.11 pF and Cmax = 5.76 pF, the factor value decreases from Qmax = 84.27 to Qmin = 3.99, and the resonant frequency ranges from 5.67 GHz to 19.8 GHz. Indeed, the capacitance variation reaches Tr = 5136% and the broadband ability is higher than 240%.

144222
17586
01/03/2018

Technique for wireless reading of passive microfluidic sensors

D.HENRY, H.AUBERT, P.PONS, J.LORENZO, A.LAZARO, D.GIRBAU

MINC, Rovira, UPC

Revue Scientifique : Electronics Letters, Vol.54, N°3, pp.150-151, Mars 2018 , N° 17586

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01710134

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Abstract

The remote reading of high-resolution microfluidic and passive (i.e. batteryless and chipless) temperature sensors is focused. These sensors are remotely interrogated from a 24 GHz frequency-modulated continuous-wave radar performing a mechanical beam scanning for locating the sensors and measuring the variation of sensors electromagnetic echo level due to temperature fluctuation. From radar measurement data, an estimator is proposed here for determining the meniscus position of the fluid inside the sensors microchannel and for deriving the temperature at the sensors location. It is shown that the estimator presents a convenient linear dependence with the meniscus position at the sensor location. The smallest measurable variation of the meniscus position is of 40 μm.

142741
17446
01/02/2018

Reconfigurable grounded vector antenna for 3D electromagnetic direction finding applications

J.DUPLOUY, C.MORLAAS, H.AUBERT, P.POULIGUEN, P.POTIER, C.DJOMA

MINC, ENAC, DGA, Bruz

Revue Scientifique : IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.17, N°2, pp.197-200, Février 2018, DOI 10.1109/LAWP.2017.2779878 , N° 17446

Lien : https://hal-enac.archives-ouvertes.fr/hal-01658238

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Abstract

In this letter, a reconfigurable grounded wideband antenna is proposed in view of vector sensor applications. This antenna combines two orthogonal and colocated semi-circular arrays of Vivaldi antennas mounted over a metallic support. The radiation patterns of two wideband magnetic dipoles and one wideband electric dipole can be synthesized thanks to an appropriate antenna excitation. Measurement results are in good agreement with the simulated results obtained from full-wave electromagnetic simulations. The proposed antenna exhibits stable radiation patterns over a wide impedance bandwidth of 1.69:1, a high radiation efficiency and a good isolation between the antenna input ports. This antenna is a good candidate for wideband 3D direction finding using a vector sensor.

141719
17500
20/12/2017

Conception et réalisation de rectennas utilisées pour la récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fils

A.OKBA

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Décembre 2017, 159p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: T.P.VUONG, T.TARIS, Examinateurs: D.GRANENA, H.HALLIL ABBAS, P.CHAN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.TAKACS, Membre invité: A.BELLION , N° 17500

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705139

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Abstract

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: • The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. • The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. • The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability…) • The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called “Rectenna” in order to supply energy to low power wireless sensors. The term “rectenna” is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

Résumé

L’électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l’électronique numérique et l’intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l’informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d’objets multiples, ont permis le développement d’un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l’expansion des applications liées à l’Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s’appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : • Flexibilité dans le choix de l’emplacement. Ils permettent l’accès à des zones dangereuses ou difficiles d’accès. • Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. • Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité…) • Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n’assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l’accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d’approvisionner l’énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L’intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d’autres techniques en termes d’apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d’énergie électromagnétique et le transfert d’énergie sans fil (TESF). En effet, l’énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l’utiliser donc comme source d’énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d’énergie électromagnétique pour l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d’énergie électromagnétique est appelé « Rectenna », ce mot est l’association de deux entités qui sont « antenne » et « rectifier » qui désigne en anglais le « redresseur ». L’antenne permet de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l’UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu’aux bandes Ku et Ka.

Mots-Clés / Keywords
Systèmes cyber-physiques; Capteur sans fil; Transfert d’énergie; Récupération d’énergie électromagnétique; Antenne; Redresseur; Rectenna; Cyber physical systems; Low-power wireless sensors; Wireless power transfer; Energy harvesting; Antennas; Rectifier;

142233
17575
01/12/2017

Long-Range Wireless Interrogation of Passive Humidity Sensors Using Van-Atta Cross-Polarization Effect and Different Beam Scanning Technique

D.HENRY, J.HESTER, H.AUBERT, P.PONS, E.TENTZERIS

MINC, Georgia Institute

Revue Scientifique : IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.65, N°12, pp.5345-5354, Décembre 2017 , N° 17575

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01710107

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Abstract

This paper presents a method for the remote interrogation of batteryless humidity sensors based on statistical estimations and three-dimensional beam scanning techniques. As a proof-of-concept demonstration, a Van-Atta reflectarray sensor is interrogated with a 24 GHz Frequency-Modulated Continuous-Wave transceiver at various reading ranges. The extension of the proposed approach to passive or moving sensors is reported and measurement results are discussed. The relative humidity is derived from the statistical analysis of multidimensional radar echoes, while method is proposed to detect the sensor among clutter without knowing its exact position. Moreover it is demonstrated that the cross-polarization effect of the Van-Atta reflectarray combined with the 3D beam scanning technique allows the indoor measurement of the relative humidity up to 58 meters.

142666
17572
30/11/2017

A Wideband and Compact Circularly-Polarized Rectenna for Low Power Application

A.OKBA, A.TAKACS, H.AUBERT, A.BELLION, D.GRENADA

MINC, CNES

Manifestation avec acte : IEEE Mediterranean Microwave Symposium ( MMS ) 2017 du 28 novembre au 30 novembre 2017, Marseille (France), Novembre 2017, 4p. , N° 17572

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01710172

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Abstract

This paper presents a wideband and compact circularly polarized rectenna composed by an Archimedean spiral antenna that covers the S and C frequency bands and a silicon Schottky diode. This rectenna (rectifier + antenna) is used for electromagnetic energy harvesting over a wide frequency band, in order to power autonomous wireless sensors used for satellite health monitoring. For low incident power densities (around 14 µW/cm²) the measured efficiency of at least 19% between 2GHz and 3.5GHz can be achieved using this rectenna. The efficiency may reach 37% at some frequencies in this wideband operating bandwidth.

142657
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