Brevet FR3080724A1 — publié le 20191101

Procédé d'interrogation d'un dispositif à onde élastique agissant comme cible coopérative interrogeable sans fil Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à onde élastique 5 pouvant avantageusement être intégrés dans des capteurs passifs interrogeables à distance et comprenant un résonateur à onde élastique. De manière générale, un transducteur à onde élastique notamment agissant comme cible coopérative dans un système de mesure sans fil - voit la célérité de l'onde élastique affectée par l'environnement du 10 capteur, célérité qui se mesure classiquement comme un temps de vol dans une architecture de ligne à retard réflective, temps de vol qui se mesure classiquement comme une phase comme décrit dans les articles : Y.S. Shmaliy, Limiting phase errors of passive wireless SAW sensing with differential measurement, IEEE Sensors Journal, 4 (6), 819-827 (2004) ou Y. 15 Shmaliy & O. Ibarra-Manzano, Statistical estimates of phase errors of passive wireless SAW sensors employing differential measurement Proc. European Frequency and Time Forum (EFTF), 552-552 (2004) ou L. Reindl, G. Scholl, T. Ostertag, H. Scherr, U. Wolff & F. Schmidt, Theory and application of passive SAW radio transponders as sensors, IEEE 20 transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 45 (5) 12811292 (1998). Il est connu que le bénéfice d'une architecture de résonateur par rapport à l'architecture de ligne à retard - tient dans son facteur de qualité Q qui se caractérise par la relation entre la phase de l'admittance 0 et 25 la fréquence f [ J. Vig, Quartz Crystal Resonators and Oscillators - A tutorial at http://www.am1.us/Local Papers/U11625°/020VIGTUTORIAL.pdf (2000).] : dedf = 2 Q/f (1) 30 Etant donné que la phase est la grandeur physique affectée par les variations de l'environnement du résonateur à onde élastique (au travers de la célérité de l'onde élastique), un fort facteur de qualité réduit l'impact d'une variation donnée de la phase sur la grandeur exploitable qu'est la 35 fréquence de résonance. Au contraire, lors de la caractérisation spectrale d'un dispositif exploité comme capteur, la mesure de phase permet 2 d'amplifier la variation observée de fréquence de résonance par le facteur Q, amenant un gain significatif de résolution si Q est élevé, tel qu'on le rencontre par conception dans les résonateurs à onde élastique. Plutôt que de s'intéresser à une implémentation de la mesure sous forme d'oscillateur : A. Pohl, G. Ostermayer & F. Seifert, Wireless sensing using oscillator circuits locked to remote high- Q SAW resonators, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 45 (5) 1161-1168 (1998) qui mesure indirectement la phase au travers de la condition d'oscillation de Barkhausen, le Demandeur s'est intéressé à une mesure en boucle ouverte de la phase, plus robuste et sans risque de "décrocher" comme le fait un oscillateur qui perd sa condition d'oscillation quand le canal de communication radiofréquence varie trop rapidement. Le Demandeur s'est notamment intéressé à un système de capteur passif interrogeable sans fil, comprenant une architecture de résonateur différentielle, seule architecture susceptible de respecter les normes d'émission radiofréquences en vigueur dans la bande Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM) autour de 434 MHz, ladite bande ayant été choisie comme compromis entre taille d'antenne (i1/4 = 17, 5 cm à 434 MHz, la bande ISM de fréquence inférieure à 13,56 MHz ne permettant pas de concevoir une antenne rayonnant de façon propagative dans des dimensions sub-métriques) et à la réalisation d'un dispositif à onde élastique comme cible coopérative d'un système RADAR (défini comme un émetteur d'onde électromagnétique dont l'encombrement spectral respecte la bande de fonctionnement du capteur, et un étage de réception permettant la mesure de la puissance retournée par le capteur ainsi que la phase relativement à la porteuse du signal émis, éventuellement sous forme de coefficients I et Q) (la bande ISM de fréquence supérieure à 2450 MHz nécessite de réaliser des dispositifs avec des contraintes de résolution de lithographie excessives et par conséquence des facteurs de qualité insuffisants). A titre d'exemple, la figure 1 reprend les caractéristiques d'une telle configuration en terme de balayage d'amplitude en fonction de la fréquence de balayage (figure 1 a), en terme de phase (figure 1 b) et en 35 termes de signal Sll (figure 1c). 3 Il est à noter que l'aspect différentiel, avec deux résonateurs connectés en parallèle situés dans deux sous-bandes au sein de la bande ISM, est fondamental pour s'affranchir de la phase statique introduite par le chemin de propagation variable entre l'électronique de mesure et le capteur. 5 De manière classique, ce genre d'architecture de capteur différentiel ne peut exploiter que l'amplitude du signal et non sa phase. De ce fait, la fréquence de résonance est mesurée comme maximum de puissance emmagasinée puis restituée par le résonateur. Un résonateur est conçu pour minimiser la variation de fréquence 10 induite par une variation de célérité donnée, alors que la phase voit cette information amplifiée d'un facteur Q (voir équation (1)). Il est donc souhaitable de mesurer la phase du signal renvoyé par le résonateur, et il peut être particulièrement intéressant d'exploiter une mesure de phase fine en tant que : 15 - mesure fine dans de la grandeur physique affectant la célérité de l'onde élastique ; - mesure du facteur de qualité ; - mesure de direction d'arrivée du signal (identification spatiale du capteur). 20 Néanmoins, il convient pour cela de disposer d'un procédé de détermination de la phase qui soit robuste et précis. C'est pourquoi, le Demandeur propose dans la présente invention un nouveau procédé d'interrogation d'un dispositif à onde élastique et comprenant une mesure très précise et robuste de la phase. 25 Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'interrogation d'un dispositif à onde élastique comprenant une mesure de phase du signal retour comportant au moins : - une première étape d'émission d'un premier signal de référence en continu sur une voie de référence en direction de moyens 30 de réception et d'un premier signal d'interrogation en direction dudit dispositif, lesdits premiers signaux de référence et d'interrogation étant en phase ; - une première étape de détection d'un signal I proportionnel au cos4), 4) étant la phase du signal retourné par ledit dispositif ; 4 - une seconde étape d'émission d'un second signal de référence en continu sur la même voie de référence en direction de moyens de réception et d'un second signal d'interrogation en direction dudit dispositif, lesdits seconds signaux de référence 5 et d'interrogation étant déphasés de 90° - une seconde étape de détection d'un signal Q proportionnel au sin 4) : - une étape de détermination de la phase 4) = Arctan (0/1) ; - le traitement de ladite phase pour déterminer une phase 10 corrigée 4 tel que : o si sin 4) 0, 4`=4 o si sin 4) 0 , Q>0 et 1 REVENDICATIONS1. Procédé d'interrogation d'un dispositif à ondes élastiques comprenant une mesure de phase du signal retour comportant au moins : - une première étape d'émission d'un premier signal de référence en continu sur une voie de référence en direction des moyens de réception et d'un premier signal d'interrogation en direction dudit dispositif, lesdits premiers signaux de référence et d'interrogation étant en phase ; - une première étape de détection d'un signal I proportionnel au cos4), 4) étant la phase du signal retourné par ledit dispositif ; - une seconde étape d'émission d'un second signal de référence en continu sur la même voie de référence en direction de moyens de réception et d'un second signal d'interrogation en direction dudit dispositif, lesdits seconds signaux de référence et d'interrogation étant déphasés de 90° ; - une seconde étape de détection d'un signal Q proportionnel au sin 4) : - une étape de détermination de la phase 4) = Arctan (0/1) - le traitement de ladite phase pour déterminer une phase corrigée 4) ' tel que : o si sin 4) 0, 4) ' = 4) o si sin 4) 2. Procédé d'interrogation selon la revendication 1, le dispositif à onde élastique comprenant un résonateur de fréquence de résonance f0, dans lequel la première étape d'émission et la seconde étape d'émission sont séparées d'un temps inférieur au temps caractéristique de réponse dudit résonateur : Ô = QL / Tr.f0 avec QL le facteur de qualité dudit résonateur, ce temps caractéristique pouvant typiquement être de l'ordre de la microseconde. 3. Procédé d'interrogation selon la revendication 1, le dispositif à ondes élastiques comprenant au moins un résonateur présentant une fréquence de résonance, ledit procédé comportant : 28 - la mesure d'un ensemble de points d'amplitudes d'un signal retour pour un balayage en fréquences d'interrogation fi dans une bande de fréquence d'intérêt, permettant de définir une courbe d'amplitudes CM présentant au moins une sous-bande 5 de fréquence comprenant un maximum d'amplitude pour la au moins fréquence de résonance f0 dudit résonateur ; - la mesure d'un ensemble de phase 4) d'un signal retour pour le même balayage en fréquence permettant de définir une courbe de phase C(1) ; 10 - la détermination des phases corrigées cp' pour chacune des phases 4) pour définir une courbe de phase corrigée C cp', ladite courbe C cp' présentant pour la sous-bande de fréquence une phase corrigée maximum (P'max et une phase corrigée minimum Vmin 15 - une étape de régression linéaire entre les valeurs (P'niax et (1)'min permettant d'établir une droite 124' dont la valeur égale à 0 permet de déterminer une valeur fine de la au moins résonance dudit résonateur f0. 20 4. Procédé d'interrogation selon la revendication 3, comprenant la détermination du facteur de couplage QL dudit résonateur par la détermination de la pente a de la droite IDV et de la valeur fine de la fréquence de résonance avec QL = a f0/2. 25 5. Procédé d'interrogation selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le pas de fréquence d'interrogation Of est égal à f0/3 QL, la bande de fréquences pouvant être la bande ISM à 434 MHz, le balayage pouvant être effectué entre 433,05 MHz et 434,79 MHz, le pas de fréquence d'interrogation pouvant être typiquement de 15kHz. 30 6. Procédé d'interrogation d'un dispositif à ondes élastiques, comprenant au moins deux résonateurs présentant deux fréquences de résonance et comprenant une étape de location dudit dispositif, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : 29 - l'interrogation dudit dispositif par au moins une première antenne et par au moins une seconde antenne et comportant les étapes suivantes : - la détermination des phases corrigées : 5 (1)' fii correspondant à la première résonance vue par la première antenne ; cl:,' fi2 correspondant à la première résonance vue par la seconde antenne ; (1)' f2i correspondant à la seconde résonance vue par la première 10 antenne ; (1)' f22 correspondant à la seconde résonance vue par la seconde antenne ; _ le calcul de la différence (1)'d = (I) ' f11 - (I) ' f12 = 2-rr/À cosad, avec 0 l'angle entre la direction reliant les deux antennes et la direction 15 de la voie d'interrogation et d la distance entre lesdites deux antennes, pour estimer la localisation dudit dispositif à onde élastiques. 20 7. Dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention comprenant : - des moyens d'émission apte à émettre un signal de référence en continu sur une voie de référence en direction de moyens de réception et de signal d'interrogation en 25 direction dudit dispositif à onde élastique ; - des moyens de réception comportant un détecteur de phase pour détecter la phase du signal retour depuis ledit dispositif à onde élastique ; - des moyens pour faire varier le déphasage entre le signal 30 de référence et le signal d'interrogation ; - des moyens de correction de ladite phase de signal retour. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel une source 10 pouvant être de type DDS (Direct Digital Synthesizer), ladite source étant 35 connectée à un micro-contrôleur 12. 30 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant un détecteur d'amplitude-phase 11. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant au moins une antenne et un commutateur permettant de connecter ladite antenne à un étage d'émission ou à un étage de réception d'émettre lesdits signaux de référence ou d'émission et de recevoir ledit signal retour. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, comprenant aux moins deux antennes pour interroger un dispositif à onde élastique comprenant aux moins deux résonateurs, pour localiser ledit dispositif à onde élastique.