Dielectric Resonator-Based Passive Chipless Tags for Identification and Ranging
Wireless identification and sensing based on the backscattered electromagnetic field have recently attracted much interest in a wide spectrum of applications under the umbrella of the RFID technology. Dielectric resonators (DRs) have recently shown the potential to be used as chipless RFID tags and sensors. One of the RFID applications, in the focus of this dissertation, is an indoor self-localization system where a smart object uses the backscattered signals of reference DR tags to localize itself. The major challenge that impedes the efficient operation of such systems is the low RCS of the DR, which severely limits the reading range of the tag and complicates the detection of the tags in a cluttered environment. Therefor, the contribution of this dissertation is twofold: modelling the scattering of the DR tag, and designing enhanced RCS tags with identification or sensing capability based on combining the DR with a dielectric lens.
First, we study the transient scattering behaviour of the DR, which describes the relationship between the pulse length of the excitation signal and the peak scattering magnitude. This study allows us to give a first estimate to the structural mode scattering by exciting the DR by a very short pulse. A further investigation on the mono-static RCS spectrum leads to describe the structural mode scattering magnitude and phase spectrum by a circuit model.
Second, the concept of enhancing the RCS of the DR tag is realized by placing a single DR in the focal area of a dielectric lens. RCS enhancement is found to vary with the modes of the DR but increases approximately with the fourth power of the lens radius. Based on the lens-DR combination, we propose two novel RFID tag designs: wide-angle tag and Angle of Arrival (AoA) sensing tag. The first design is constructed of the combination of several DRs of the same dimensions with a dielectric spherical lens. We show by simulation and experiments that a set of 5 to 6 different tags can be discriminated by their resonant frequencies unambiguously over +/- 50° of incidence angle of the reader signal. In the second design, we combine the lens with different size DRs, which exhibit resonant frequencies separated by large frequency gaps. Simulated signatures of a lens of 120-mm diameter with seven spherical DRs are presented, and results are supported by experiment. Correlation processing of the signatures can give a resolution of few degrees in AoA.
Die drahtlose Identifizierung und Erfassung von Umweltparametern basierend auf den rückgestreuten elektromagnetischen Wellen hat in der letzten Zeit großes Interesse an einem breiten Spektrum von Anwendungen im Rahmen von der RFID-Technologie geweckt. Die dielektrischen Resonatoren (DR) haben kürzlich gezeigt, dass sie als chiplose RFID-Tags und Sensoren eingesetzt werden können. Eine der RFID-Anwendungen, die im Mittelpunkt dieser Dissertation steht, ist ein Selbstlokalisierungssystem für Innenräume, bei dem ein intelligentes Objekt die rückgestreuten Signale von Referenz-DR-Tags zur Selbstlokalisierung nutzt. Die größte Herausforderung, die den effizienten Betrieb solcher Systeme behindert, ist das niedrige RCS der DR, das die Lesereichweite des Tags stark einschränkt und die Erkennung der Tags in einer unübersichtlichen Umgebung erschwert. Deswegen besteht der Beitrag dieser Dissertation aus zwei Teilen: der Modellierung der Streuung des DR Tags und dem Entwurf RCS-verbesserter Tags mit Identifizierungs- oder Erfassungsfunktionen, die auf der Kombination der DR mit einer dielektrischen Linse basieren.
Zunächst untersuchen wir das transiente Streuverhalten der DR, das die Beziehung zwischen der Pulslänge des Anregungssignals und der maximalen Streustärke beschreibt. Diese Studie erlaubt es uns eine erste Schätzung der strukturellen Streuung durch Anregung der DR mit sehr kurzem Puls zu geben. Eine weitere Untersuchung des monostatischen RCS-Spektrums führt zur Beschreibung der Größe der Struktur-Streuung und des Phasenspektrums durch ein Schaltungsmodell.
Zweitens wird das Konzept der Verbesserung des Radarquerschnittes (RCS) des DR-Tags durch die Platzierung eines einzelnen DR im Brennpunkt einer dielektrischen Linse realisiert. Es wird festgestellt, dass die RCS-Verbesserung mit den Moden der DR variiert, aber ungefähr mit der vierten Potenz des Linsenradius zunimmt. Auf der Grundlage der Linsen-DR-Kombination schlagen wir zwei neuartige RFID-Tag-Designs vor: Weitwinkel-Tag und Tag mit Erfassung des Einfallswinkels (Angle-of-Arrive, AoA). Das erste Design besteht aus der Kombination mehrerer DRs mit gleichen Abmessungen mit einer dielektrischen sphärischen Linse. Wir zeigen durch Simulationen und Experimente, dass ein Satz von 5 bis 6 verschiedenen Tags durch ihre Resonanzfrequenzen eindeutig unterschieden werden können und über +/- 50° des Einfallswinkels gelesen werden können. Im zweiten Design kombinieren wir die Linse mit DRs unterschiedlicher Größe, die durch große Frequenzlücken getrennte Resonanzfrequenzen aufweisen. Dieses Design erzeugt spektrale Signaturen des monostatischen RCS, die eindeutig mit der AoA der einfallenden Welle eines Lesegeräts in Beziehung stehen. Simulierte Signaturen einer Linse von 120 mm Durchmesser mit sieben sphärischen DRs werden vorgestellt, und die Ergebnisse werden durch Experimente bestätigt. Die Korrelationsverarbeitung der Signaturen kann eine Auflösung von wenigen Graden in AoA ergeben.