Résonateurs orthogonaux et/ou reconfigurables NFC/RFID à 13,56 MHz appliqué à l'insensibilité au positionnement et à l'orientation des implants et patches biomédicaux télé-alimentés // Orthogonal and/or reconfigurable NFC/RFID resonators applied to the in

Cette thèse vise le prototypage d'une structure d'antenne pour un unique lecteur RFID/NFC en champ proche, permettant de détecter des tags RFID/NFC faisant partie intégrante de patches où d'implants biomédicaux, lors d'un contrôle de type « scanner » le plus ergonomique possible. Idéalement, le processus de contrôle s'effectuera à domicile et sera inclus dans une activité quotidienne de la personne monitorée. Ces « tags » étant le plus compact possibles, la détection au sein d'un volume de contrôle est particulièrement sensible à l'orientation et à la position. De plus, ce genre d'application sous-entend la télé-alimentation du dispositif de monitoring sans fils.
Le transfert d'énergie sans fils en champ proche repose dans la plupart des applications existantes sur le couplage magnétique. Ce transfert est possible grâce à la mutuelle inductance créée par les éléments rayonnants. Ces éléments sont souvent des boucles. Dans le cas de deux boucles, la mutuelle inductance, M, est donc dépendante de la taille, de la position et de l'orientation de l'une par à rapport à l'autre. Des possibilités d'annulation de la valeur de M existent alors inévitablement.
La détection de tags RFID/NFC par couplage magnétique (13.56 MHz) repose sur la distribution du champ magnétique émis par l'antenne d'un lecteur et sur la capacité du transpondeur à récupérer suffisamment d'énergie en champ proche pour alimenter la puce. L'antenne magnétique du transpondeur et celle du lecteur agissent comme un transformateur dont les éléments rayonnants peuvent se déplacer et s'orienter au cours du temps, faisant varier la mutuelle inductance M. Ce cas de figure est également applicable à la télé-alimentation d'implants biomédicaux (et à leur communication si ajout d'une interface NFC).
Si une grande zone de contrôle de ces tags est couverte par l'antenne du lecteur, les possibilités d'un couplage magnétique suffisamment fort pour alimenter la puce électronique sont très faibles de par le rapport des tailles et l'orientation de ceux-ci qui peut être aléatoire (et éventuellement le mouvement des tags selon les applications considérées). Le risque de la présence de « zéro » de détection est très important, et peut parfois remettre en cause la viabilité d'une application.
Une modification du champ magnétique émis permettant de s'adapter à la configuration et à l'orientation des tags est possible à l'aide d'éléments supplémentaires dans la structure de l'antenne du lecteur. Par exemple, un résonateur LC dont l'inductance L est une boucle planaire, rayonne un champ magnétique dû au courant induit dans la boucle par le champ magnétique émis par l'antenne du lecteur. Ainsi, le champ magnétique total est la somme vectorielle de ces deux champs magnétiques, ce qui permet d'envisager de multiples combinaisons en amplitude et en phase selon la position et la forme du résonateur.
Le dimensionnement du résonateur, éventuellement de manière dynamique si un paramètre est modifiable, permet alors d'optimiser la distribution du champ magnétique total. Ainsi de meilleures performances en termes de détection (et communication pour la NFC) sont obtenues. Il est possible également de modifier profondément la structure de l'antenne lecteur en rendant commutables certains segments, ce qui conduit à modifier le trajet du courant et sa phase quasi-arbitrairement, comme pour l'antenne multi-bobines utilisée dans le projet ARTIC (détection d'instruments chirurgicaux, thèse de M. Benamara).
Le travail de thèse consiste à mettre en équation et à modéliser ces possibilités de structures évoquées (ou d'autres améliorations) afin de concevoir un démonstrateur pour une détection (et communication) optimale de petits tags RFID/NFC intégrés dans des capteurs biomédicaux ou sur des patchs de « monitoring ». L'insensibilité de la détection à l'orientation du tag (aucun « zéro ») est la première qualité recherchée pour cette nouvelle structure d'antenne.
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This thesis aims to develop a prototype antenna structure for a single near-field RFID/NFC reader, enabling the detection of RFID/NFC tags integrated into biomedical patches or implants, using a ‘scanner'-style screening process that is as user-friendly as possible. Ideally, the screening process will be carried out at home and incorporated into the daily routine of the person being monitored. As these ‘tags' are as compact as possible, detection within a monitoring zone is particularly sensitive to orientation and position. Furthermore, this type of application requires the wireless monitoring device to be powered remotely.
In most existing applications, wireless energy transfer in the near field relies on magnetic coupling. This transfer is made possible by the mutual inductance created by the radiating elements. These elements are often loops. In the case of two loops, the mutual inductance, M, therefore depends on the size, position and orientation of one loop relative to the other. There are therefore inevitably possibilities for cancelling out the value of M.
The detection of RFID/NFC tags via magnetic coupling (13.56 MHz) relies on the distribution of the magnetic field emitted by a reader's antenna and on the transponder's ability to harvest sufficient energy in the near field to power the chip. The transponder's magnetic antenna and the reader's antenna act as a transformer whose radiating elements can move and reorient themselves over time, causing the mutual inductance M to vary. This scenario also applies to the wireless powering of biomedical implants (and to their communication if an NFC interface is added).
If a large area of these tags falls within the reader's antenna coverage, the likelihood of a magnetic coupling strong enough to power the microchip is very low, given the difference in size and the potentially random orientation of the tags (and possibly their movement, depending on the specific application). The risk of a ‘zero' detection rate is very high, and can sometimes call into question the viability of an application.
It is possible to modify the emitted magnetic field to adapt to the configuration and orientation of the tags by incorporating additional elements into the reader's antenna structure. For example, an LC resonator whose inductance L is a planar loop radiates a magnetic field due to the current induced in the loop by the magnetic field emitted by the reader's antenna. Thus, the total magnetic field is the vector sum of these two magnetic fields, which allows for a wide range of combinations in terms of amplitude and phase, depending on the position and shape of the resonator.
By adjusting the resonator's dimensions – potentially in real time if a parameter can be modified – it is then possible to optimise the distribution of the total magnetic field. This results in improved performance in terms of detection (and communication for NFC). It is also possible to radically alter the structure of the readout antenna by making certain segments switchable, thereby changing the current path and its phase almost arbitrarily, as in the case of the multi-coil antenna used in the ARTIC project (detection of surgical instruments, M. Benamara's PhD thesis).
The thesis work involves formulating equations and modelling these proposed structural options (or other improvements) in order to design a demonstrator for the optimal detection (and communication) of small RFID/NFC tags integrated into biomedical sensors or on monitoring patches. Detection insensitivity to tag orientation (no ‘zero') is the primary requirement for this new antenna structure.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Compétences en électromagnétisme et génie électrique
Skills in electromagnetism and electrical engineering