Realistic frequency coded chipless RFID : physically modulated tags and refectarray readers

Recently, the chipless Radio Frequency Identification (RFID) technology has attracted tremendous attention in the market of item identification where the cost is the main concern. However, up to date the technology is at the conceptual level and suffers from a lot of imitations that hinder the technology deployment. The chipless RFID system comprises three major parts which are the reader circuit, the interrogation antennas, and the chipless tags. The contributions of this dissertation are to overcome the challenges that impede the deployment of the chipless RFID system from the perspective of innovating physically modulated tags and developing the reader antenna system. In particular, the system is considered in three novel aspects. The first aspect is the linear physically modulated tags where the tag is interrogated by Ultra Wideband (UWB) signal and the tag inscribed metallic resonators are physically modulating the interrogation frequencies. Therefore, the UWB waveform is modulated in the form of resonant notches, and/or peaks that are inherently embedded in the tag backscattered Radar Cross Section (RCS) frequency response. In this regard, four innovative physically modulated tags are developed aiming at enhancing the coding efficiency, maximizing the coding capacity, conserving the operating frequency range and preserving the tag size. The first tag is based on nested circular ring resonators where each resonator codifies a tag coding notch. Terefore, the tag structure is scalable, printable and compact size. Moreover, a novel encoding methodology is employed to preserve the notch width and position while coding. The second developed tag is a depolarizing one where the polarization isolation between the reader interrogation signal and the tag response is utilized to minimize the environmental clutter reflections. Furthermore, the tag is scalable, printable, and compact size in the credit card format. Thirdly, a novel Notch Width Modulation (NWM) tag is introduced where the tag-ID is not only based on the notch position but also on the notch width. Hence, the notch width configures a further dimension to increase the Degree of Freedom (DoF) for coding and modulation. Therefore, the notch width and position are modulated simultaneously aiming at enhancing the coding efficiency and capacity. Lastly, a novel On Off Notch/Peak (OO-N/P) and Notch/Peak-Position (N/P-P) modulation tag is introduced. The tag basic idea is to exploit both the co-polarized and cross polarized backscattered signals from a tag excited with a linear polarized wave. Consequently, the tag signature is encoded into Notch/Peak (N/P) format in two orthogonal planes. Thus, the Co/Cross-polarizing N/P modulation scheme presents a novel criterion for enhancing the coding efficiency and capacity of the chipless RFID systems. Moreover, the cross-polarized response enhances the tag detection in a realistic environment. The proposed tags and their associated physical modulation schemes are validated using Electro Magnetic (EM) simulations and real-world testbed measurements. In the second aspect, the Reflectarray (RA) antenna is proposed to be utilized in the reader side aiming at increasing the reading range, minimizing the environmental reflections, and acquiring a lot of novel capabilities that can not be provided by the conventional antenna arrays. The spatial feeding RA antenna is easily integrated with the RF circuits, lightweight, conformal geometry, and low cost. Hence, in this concern, three different novel designs are developed. The first design utilizes the Log Periodic Array (LPDA) antenna to feed the developed RA surface. This introduced prototype operates at 5.8GHz and achieves 300MHz bandwidth. Moreover, the RA antenna radiation beam is 4 times narrower than the feeder beam and thus 6dB higher in gain with −10dB Side Lobe Level (SLL). The second developed prototype uses a constant phase center horn antenna to feed the RA surface. Thus, an UWB RA antenna enabling multiple bits accommodation is designed. This antenna operates from 4GHz to 6GHz with 15° Half Power Beam Width (HPBW), 19dBi gain, and −10dB SLL. Furthermore, this developed UWB RA antenna is successfully integrated with the physically modulated tags and a reading range of 1m is achieved. To the best of my knowledge, this is the highest reading range achieved in the Frequency Coded (FC) chipless RFID systems, considering real-world indoor environment and software defined radio reader. After that, dual-polarized RA antenna with low cross-polarization level is presented. This RA antenna is proposed to be utilized with the Co/Cross-polarizing tags. Finally, a successful implementation of an electronic beam steering RA antenna is introduced. This novel beam steering RA antenna system enhances the reading robustness and can precisely locate the chipless tags. In this concern, a novel unit cell that is able to electronically control the reflected phase at different discrete frequencies utilizing a single varactor diode is proposed. Therefore, a scanning range of ±50° is achieved. Moreover, the steered beams are 4 times narrower than the feeder beam and thus 4 times higher in gain. In the third aspect, the nonlinear physically modulated tags are proposed. The core functionality relies on interrogating the tag with a prescribed set and format of frequencies in a time regulated technique while the tag replies with its unique ID at other frequencies. Therefore, the nonlinearity is exploited to completely isolate the environmental clutter reflections, get rid of the necessary reference calibration measurements, overcome the detuning caused by the tagged item materials, and increase the coverage. These objectives are attained by exploiting the nonlinearity generated from a single unbiased diode integrated with the tag structure. The first proposed tag category relies on exploiting the second order nonlinear terms. Therefore, in this regard, three novel tags are introduced. The first class is the single tone harmonic radar tags. In this class, the reader scans the available tags by sending specific fundamental tones. Then, the tag receiving antenna is tuned at only one of these fundamentals which is maximally conveyed to the nonlinear device for generating the corresponding harmonics. Consequently, the tag transmitting antenna is tuned at the second harmonic which is retransmitted back towards the reader representing the tag-ID. Thus, the narrower is the band-pass filter provided by the tag receiving antenna or integrated into it, the more the frequencies that can be utilized for coding. After that, the multi-tone interrogation is proposed to increase the coding capacity. Hence, the tag is interrogated with a prescribed set of fundamentals that are swept over the time to avoid the generation of the mixing products in the reader and tag as well. The tag in turn which is completely planar based on the Coplanar Waveguide (CPW) technology implements a Notch Position Modulation (NPM) scheme in the second harmonics of these fundamental tones. Therefore, the notches that are existing in the second harmonic response symbolize the tag-ID. Afterward, the simultaneous multi-tone interrogation is explored. In this concern, a set of distinct frequency pairs are used to interrogate the nonlinear tags. As a consequence, these tones are mixed through the nonlinear device. Consequently, the tag transmitting antenna figures out only one of these mixed products. The second proposed tag category relies on exploiting the inter-modulation communication principle which exhibits a small frequency span. Therefore, the tag is illuminated by two co-located frequencies and respond at an inter-modulated frequency which is retransmitted by the tag transmitting antenna representing the tag-ID. Finally, the phase encoding capability is proposed. Therefore, not only the existence or the non-existence of a harmonic notch or peak used in coding the tag-ID but also the corresponding relative phase states can be considered. The introduced tags and their associated physical modulation schemes are verified using harmonic balance analysis, EM simulations and realistic testbed measurements. Lastly, the unique features which are considered in the dissertation bring a significant enhancement to the deployment of the chipless RFID system.

In letzter Zeit hat die chiplose RFID Technologie enorme Aufmerksamkeit im besonders kostenbewussten Markt für Objektidentifikation erregt. Allerdings befindet sich der aktuelle Stand der Technik auf einem konzeptionellen Niveau und leidet noch unter einer Menge Einschränkungen, die eine sofortige Verwendung der Technologie noch verhindern. Grundsätzlich lässt sich ein chiploses RFID System in drei Teile unterteilen, dem RFID Lesegerät, den verwendeten Antennen und dem RFID Tag. Der Beitrag der vorliegenden Dissertation zur Überwindung der erwähnten Einschränkungen liegt in innovativen physikalisch modulierenden RFID Tags und in der Weiterentwicklung des Antennensystems des RFID Lesegerätes. Dabei werden besonders die drei im Folgenden beschriebenen Aspekte betrachtet. Der erste Aspekt beschäftigt sich mit physikalisch linear modulierten RFID Tags. Dabei werden die RFID Tags mit einem Ultra Breitband (engl. ultra wideband, UWB) Signal bestrahlt und die auf dem RFID Tag aufgebrachten Resonatoren modulieren die Frequenz des Signals physikalisch. Dabei werden dem UWB Signal resonante Notches und/oder Peaks aufmoduliert, die sich in der Frequenzantwort des von der effektiven Rückstrahlfläche (engl. radar cross section, RCS) zurückgestrahlten Signals befindet. Hierfür sind vier innovative physikalisch modulierende RFID Tags, mit dem Ziel einer effektiveren Kodierung und maximalen Kodierungstiefe bei gleichbleibender Frequenzauslastung und RFID Tag Größe, entwickelt worden. Der erste RFID Tag besteht aus ineinander verschachtelten Ringresonatoren, wobei jeder Resonator ein Notch, also ein Bit, erzeugt. Der zweite RFID Tag arbeitet auf zwei unterschiedlichen Polarisationsebenen für empfangene und rückgestrahlte Signale. Dadurch kann die Streustrahlung der Umgebung leichter herausgefiltert werden. Beide Strukturen sind skalierbar, druckbar und kompakt. Als drittes wird ein neuartiger Notchbreiten modulierender (engl. notch width modulation, NWM) RFID Tag eingeführt. Dabei ist die ID des RFID Tags nicht nur über die Notchlage im Frequenzbereich sondern auch über die Notchbreite definiert. Die Notchbreite stellt also eine zusätzliche Dimension bereit, die die Freiheitsgrade (engl. degree of Freedom, DoF) für Kodierung und Modulation erhöhen, was wiederum die kodier Effektivität und Codetiefe verbessert. Als letztes wird ein neuartiger On Off-Notch/Peak (OONP) und Notch/Peak-Position (N/P-P) modulierender RFID Tag eingeführt. Die Idee dahinter ist, sowohl das kopolarisierte als auch das kreuzpolarisierte Rückstrahl Signal eines mit einer linear-polarisierten Welle angeregten RFID Tags auszunutzen. Dies bittet ein weiteres Kriterium um sowohl kodier Effektivität als auch Codetiefe des chiplosen RFID Systems weiter zu verbessern. Gleichzeitig verbessert die kreuzpolarisierte Antwort auch wieder die Detektion des RFID Tags in einer realen Umgebung. Alle vorgeschlagenen RFID Tags und Modulationsschemata sind mit elektromagnetischen (EM) Simulationen und in einer realen Testumgebung überprüft worden. Der zweite Aspekt dieser Arbeit schlägt Reflect-Array Antennen (RA) für das RFID Lesegerät mit dem Ziel vor, die Lesereichweite zu erhöhen und die Reflektionen an der Umgebung zu minimieren. Das RA bietet dabei im Vergleich zu herkömmlichen Phased-Array-Antennen eine Menge weiterer Eigenschaften. Das RA ist einfach zu integrieren, von geringem Gewicht, hat eine sehr geometrische Anordnung und ist preiswert, um nur einige zu nennen. Insgesamt wurden drei neuartige RA Aufbauten entwickelt. Als erstes wurde eine logarithmisch periodische Antenne (engl. log periodic antenna array, LPDA) als Primärstrahler für die entworfene RA Oberfläche genutzt. Der Prototype arbeitet bei 5.8GHz und erreicht eine Bandbreite von 300MHz. Außerdem ist der erzeugte Antennenstrahl viermal schmaler als der Primärstrahl und erreicht somit einen um 6dB höheren Antennengewinn bei einem Nebenkeulenpegel (engl. side lobe level, SSL) von −10dB. Für den zweiten Prototypen wird ein selbstentwickelter Hornstrahler mit konstanter Phase als Primärstrahler für die RA Oberfläche verwendet. Durch diese Anordnung wird ein UWB RA realisiert, mit dem mehrere Bits gleichzeitig ausgelesen werden können. Die Antenne arbeitet zwischen 4 − 6GHz und erreicht einen Öffnungswinkel (engl. half power beam width, HPBW) von 15° bei 19dBi Antennengewinn und −10dB SLL. Im Zusammenspiel mit den physikalisch modulierenden RFID Tags konnte mit diesem UWB RA eine Lesereichweite von 1m erzielt werden, was nach meinem Kenntnisstand die größte bisher für ein chiploses frequenzkodiertes (engl. frequency coded, FC) RFID System erreichte Lesereichweite in einer realen Innenraum Umgebung darstellt. Weiter wird eine dual polarisierte RA Antenne mit geringem Kreuzpolarisations Pegel vorgestellt. Es wird vorgeschlagen diese Antenne mit den ko-/kreuzpolarisierten RFID Tags zu verwenden. Als letztes wird eine RA Antenne mit elektronischer Strahlsteuerung eingeführt, die die Stabilität des Lesevorgangs weiter erhöht und eine präzise Ortung der chiplosen RFID Tags ermöglicht. Dazu wird eine Zelle vorgeschlagen, die mit Hilfe einer Varaktordiode in der Lage ist, für einzelne Frequenzen die Phase des reflektierten Signals elektronisch zu steuern. Ein Scanbereich von ±50° kann damit abgedeckt werden. Als dritter Aspekt werden nicht-lineare physikalisch modulierende RFID Tags vorgeschlagen. Hier ist der Kerngedanke, dass der RFID Tag seine ID mit einer anderen Frequenz zurückstrahlt als die mit der er selber angestrahlt wird. Durch dieses nichtlineare Verhalten wird die Umgebungsstrahlung komplett ausgeblendet, die sonst unumgänglichen Kalibrierungsmessungen werden überflüssig, das Problem der Verstimmung durch das RFID Tag Material wird umgangen und die Abdeckung wird erhöht. Die Nicht-Linearität wird durch eine einzige in die Struktur des RFID Tags integrierte Diode erzeugt. Zunächst werden RFID Tags vorgeschlagen, die mit Nichtlinearitäten zweiter Ordnung arbeiten. Für diese Kategorie werden drei unterschiedliche RFID Tags entworfen. Als Erstes ein Einzelton harmonischer RFID Radar Tag. In dieser Klasse strahlt das RFID Lesegerät einige spezifische Grundtöne aus, die schmalbandige Empfangsan-tenne des RFID Tags ist auf einen Grundton abgestimmt, den sie an die Diode weiterleitet. Die hier generierte zweite Harmonische wird von der entsprechend konfigurierten Sendeantenne der RFID Tags zurückgestrahlt. Dabei gilt, je schmaler der Bandbassfilter, desto mehr Frequenzen können zur Kodierung genutzt werden. Um die Codekapazität zu erhöhen werden als nächsten Mehrfrequenzabfragen vorgestellt. Dazu werden am RFID Lesegerät nacheinander, um keine Mischprodukte entstehen zu lassen, vordefinierte Frequenzen durchlaufen. Auf dem RFID Tag können jetzt mehrere ID Bits wieder durch die unterschiedlichen Frequenzen der jeweiligen zweiten Harmonischen erzeugt werden (engl. Notch Position Modulation, NPM). Anschließend werden festdefinierte Frequenzpaare zum Auslesen der ID verwendet. Die Diode mischt beide Frequenzen und antwortet nur auf der Mischfrequenz eines der Frequenzpaare. In einer weiteren Kategorie werden die Intermodulationseigenschaften der dritten Ordnung ausgenutzt, mit dem Vorteil, dass nur ein relativ geringer Frequenzbereich benötigt wird. Hierbei wir der RFID Tag mit zwei benachbarten Frequenzen bestrahlt und die zurückgestrahlte Intermodulationsfrequenz stellt die ID des RFID Tags dar. Schließlich wird die Kodierung über die Phaseninformation vorgestellt. Zusätzlich zur Existenz oder Fehlen eines Peaks oder Notches wird der dazuge- hörige relative Phasenzustand zur Kodierung herangezogen. Alle vorgestellten RFID Tags und ihre Modulation werden an Hand von Harmonische-Balance-Analyse, EM Simulationen und Messungen in einer realen Testumgebung überprüft. Zum Schluss lässt sich sagen, die einzigartigen Eigenschaften, die in der vorliegenden Dissertation betrachtet werden, bringen wesentliche Verbesserungen für den Einsatz von chiplosen RFID Systemen.



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