Detection and accurate localization of harmonic chipless tags

We investigate the detection and localization properties of harmonic tags working at microwave frequencies. A two-tone interrogation signal and a dedicated signal processing scheme at the receiver are proposed to eliminate phase ambiguities caused by the short signal wavelength and to provide accurate distance/position estimation even in the presence of clutter and multipath. The theoretical limits on tag detection and localization accuracy are investigated starting from a concise characterization of harmonic backscattered signals. Numerical results show that accuracies in the order of centimeters are feasible within an operational range of a few meters in the RFID UHF band

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

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.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

Realistic chipless RFID: protocol, encoding and system latency

Chiplose Identifikation über Funkfrequenzen, RFID (engl., Radio Frequency IDentification) ist eine vielversprechende Technology, der man die Fähigkeit zuschreibt, in naher Zukunft den optischen Barcode zu ersetzen. Letztgenannter hat Einschränkungen durch i) RFID Tags sind bei nicht vorhandener Sichtverbindung (engl. Non-Line-Of-Sight, NLOS) auch nicht lesbar; ii) das Scannen der Barcodes benötigt in den meisten Fällen manuelles Eingreifen; iii) es ist unmöglich mehrere Barcodes gleichzeitig auszulesen; iv) und als Folge davon entsprechende Verzögerungen beim Auslesen größerer Mengen von Barcodes, da alle einzeln gescannt werden müssen. Die Beiträge der vorliegenden Dissertation konzentrieren sich auf drei Schwerpunkte von frequenzcodierten (engl. frequency coded, FC) chiplosen RFID Systemen. Der erste Schwerpunkt ist die gleichzeitige Identifikation von mehreren RFID Tags und kümmert sich um den Fall, dass sich mehrere RFID Tags in der Lesezone des RFID Lesegerätes befinden. Der zweite Aspekt betrifft die Verzögerung des Systems, die Zeit, das Lesegerät zum Identifizieren der RFID Tags benötigt. Und drittens die Coding Kapazität des Systems, sie ist verantwortlich für die zu erreichende Bittiefe des RFID Systems. Ein real umsetzbares RFID System erfordert Lösungen in allen drei Aspekten. Da chiplose RFID Tags keine integrierten Schaltungen (ICs) und somit auch keine Speicherbausteine besitzen, ist die Anzahl der auf dem RFID Tag speicherbaren Bits begrenzt. Und als Folge davon sind die Standards und Protokolle, die für die herkömmlichen chipbehafteten RFID Systeme entwickelt worden, nicht auf chiplose RFID Systeme übertragbar. Das wesentliche Ziel des ersten Beitrages ist die Einführung eines neuen Multi-Tag Antikollisionsprotokolls, das auf der Modulation der Notchposition (engl. Notch Position Modulation, NPM) und Tabellen (engl. Look-Up-Table, LUT) zur Bestimmung der Netzwerk- und MAC- Layer des chiplosen RFID Systems basiert. Die erste Generation der vorgeschlagenen Protokolls (Gen-1) baut auf einer Zweiteilung des zur Verfügung stehenden Spektrums auf. Im unteren Frequenzbereich, als Präambel Bandbreite bezeichnet, wird jedem RFID Tag seine individuelle Frequenzverschiebung übermittelt und im zweiten Bereich, der sogenannten Frame Bandbreite, ist die Identifikationsnummer (ID) des RFID Tags hinterlegt. Mit dieser Anordnung lässt sich jegliche Interferenz zwischen den verschiedenen RFID Tags unterbinden, da sich die Antworten der RFID Tags nicht gegenseitig überlagern. Die zweite Generation dieses Protokolls bringt eine Verbesserung sowohl bei der Coding Kapazität als auch bei der Nutzung des zur Verfügung stehenden Frequenzspektrums. Dies wird dadurch erreicht, dass die ID des RFID in einer Tabelle im Lesegerät gespeichert wird. Die individuelle Frequenzverschiebung dient dabei als Adresse für die gespeicherten IDs. Dieser Schritt vereinfacht die Komplexität der Struktur des RFID Tags signifikant, während gleichzeitig die Erkennungswahrscheinlichkeit erhöht wird. Des Weiteren werden die Key Performance Indikatoren untersucht um die Leistungsfähigkeit der Protokolle zu beweisen. Beide Protokollversionen werden modelliert und in einer Umgebung mit 10 chiplosen RFID Tags simuliert, um die Randbedingungen für die Entwicklung der RFID Tags und des RFID Lesegerätes zu ermitteln. Außerdem wird eine neuartige Testumgebung für ein MultiTag Ultra Breitband (engl. ultra wideband UWB) RFID System unter realen Testbedingungen basierend auf einem Software Defined Radio (SDR) Ansatz entwickelt. In dieser Testumgebung werden sowohl die gesendeten Signal als auch Detektierungstechniken, Leerraum Kalibrierung zur Reduzierung der Streustrahlung und die Identifikationsprotokolle untersucht. Als zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit werden neue Techniken zur Reduzierung der Systemlaufzeit (engl. System Latency) eingeführt. Das Ziel dabei ist, die Zeit, die das RFID Lesegerät zum Erkennen aller in Lesereichweite befindlichen chiplosen FC RFID Tags braucht, zu verkürzen. Der Großteil der Systemlaufzeit wird durch das gewählte Frequenzscanverfahren, durch die Anzahl der Mittelungen zur Eliminierung der umgebenden Streustrahlung und durch die Dauer eines Frequenzsprungs bestimmt. In dieser werden dazu ein adaptives Frequenzsprungverfahren (engl. adaptive frequency hopping, AFH) sowie ein Verfahren Mittels adaptiver gleitender Fensterung (engl. adaptive sliding window, ASW) eingeführt. Das ASW Verfahren ist dabei im Hinblick auf die Identifizierung der RFID Tags nach dem Gen-1 Protokoll entwickelt, da es ein gleitendes Fenster zur Detektierung der Notches mit einer variablen Breite zum Auslesen der ID erfordert. Im Gegensatz dazu wird das Auffinden der im Gen-2 Protokoll verwendeten Notchpattern durch das AFH Verfahren verbessert. Dies wird über variable Frequenzsprünge, die auf die jeweiligen Notchpattern optimiert werden, erreicht. Beide Verfahren haben sich als effektiv sowohl im Hinblick auf die Systemlaufzeit als auch auf die Genauigkeit erwiesen. Das ASW und das AFH Verfahren wurden dazu in der oben erwähnten Testumgebung implementiert und mit dem klassischen Frequenzsprungverfahren, feste feingraduierte Frequenzschritte, verglichen. Die Experimente haben gezeigt, dass das vorgeschlagene AFH Verfahren in Kombination mit ASW zu einer beachtlichen Reduzierung der Systemlaufzeit von 58% führen. Das Ziel des dritten Schwerpunkts dieser Arbeit ist die Einführung einer neuartigen Technik zur Erhöhung der Informationsdichte (engl. Coding capacity) in einem chiplosen FC RFID Systems. Die hierfür vorgeschlagene Modulation der Notchbreite (engl. notch width modulation, NWM) ermöglicht die Kodierung von 4 Bits (16 Zuständen) pro Resonator in dem die Notchbreite und die dazugehörige Frequenzlage ausgenutzt werden. Für jeden Notch werden 150MHz Bandbreite reserviert, innerhalb derer das Codebit durch eine bestimmte Bandbreiten an unterschiedlichen Frequenzen bestimmt wird Cj ( fk,Bl). Das bedeutet, bei einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 2–5 GHz können so 80 Bits realisiert werden. Des Weiteren wurde eine smarte Singulärwertzerlegung (engl. smart singular value decomposition, SSVD) Technik entwickelt, um die Notchbreite zu ermitteln und eine geringe Fehlerwahrscheinlichkeit zu garantieren. Die Nutzung von Blockcodes zur Behebung von Fehlern wurde untersucht, um den größtmöglichen Nutzen aus der so gewonnene Bittiefe zu erzielen. Als Folge konnte eine große Bittiefe mit einer hohen Lesegenauigkeit bei vereinfachtem Aufbau des Lesegeräts erzielt werden. Außerdem wurde eine neuartige RFID Tag Struktur entworfen, die bei einer Größe von 4× 5 cm2 eine Codedichte von 4 Bits/cm2 erreicht. Verschiedene RFID Tag Konfigurationen wurden erstellt und das neu eingeführte Codierungsverfahren mit Hilfe von elektromagnetischen (EM) Simulation und der bereits erwähnten Testplattform überprüft. Die erzielten Ergebnisse ermöglichen ein widerstandsfähiges RFID System in einer realen Umgebung. Alle vorgeschlagenen Beiträge sind durch analytische Modelle, Simulationen und Messungen auf mögliche Probleme und die Grenzen einer Realisierung unter realistischen Bedingungen geprüft worden.Chipless Radio Frequency IDentification (RFID) is a promising technology predicted to replace the optical barcode in the near future. This is due to several problematic issues i) the barcode cannot read Non-Line-Of-Sight (NLOS) tags; ii) each barcode needs human assistance to be read; iii) it is impossible to identify multiple tags at the same time; and iv) the considerable time delay in case of massive queues because different types of objects need to be serially scanned. The contributions included in this dissertation concentrate on three main aspects of the Frequency Coded (FC) chipless RFID system. The first one is the multi-tag identification, which deals with the existence of multiple tags in the reader’s interrogation region. The second aspect is the system latency that describes the time the reader needs to identify the tags. Finally, there is the coding capacity that is responsible for designing a chipless tag with larger information bits. The aim of these aspects is to realize a chipless RFID system. Since the chipless tags are memoryless as they do not include Integrated Circuits (ICs), the number of bits to be stored in the chipless tag is limited. Consequently, the current RFID standards and protocols designed for the chipped RFID systems are not applicable to the chipless systems. The main objective of the first contribution is to introduce novel multi-tag anti-collision protocols based on Notch Position Modulation (NPM) and Look-Up-Table (LUT) schemes determining the network and MAC layers of the chipless RFID systems. The first generation of the proposed protocol (Gen-1) relies on dividing the spectrum into two parts; the first one is the preamble bandwidth that includes a unique frequency shift for each tag. The second part is the frame bandwidth which represents the tag ID. The tag ID is obtained based on the predefined frequency positions, making use of the unique frequency shift. Consequently, the interference is avoided as there will not be any overlap between the tags’ responses. The second generation of the protocol (Gen-2) introduces an improvement in the spectrum utilization and coding capacity. This is realized by transferring the tag-ID to be stored in a table in the main memory of the reader (look-up-table). The unique shift of each tag represents the address of the tag’s ID. Therefore, the complexity of the tag structure will be significantly reduced with an enhanced probability of detection. Furthermore, the key performance indicators for the chipless RFID system are explored to validate the protocol’s performance. Both protocols are modeled and simulated to identify 10-chipless tags in order to set the regulations of the tag and reader design. Moreover, a novel real-world testbed for a multi-tag Ultra Wideband (UWB) chipless RFID system based on Software Defined Radio (SDR) is introduced. In this testbed, all the signaling schemes related to the transmitted signal, the detection techniques, the empty room calibration for the clutter removal process, and the identification protocols are applied. The aim of the second aspect is to introduce novel techniques that reduce the time required by the reader to identify the FC chipless RFID tags existent in the reader’s interrogation region. This time delay is called system latency. The main parameters that significantly affect the overall system latency are the frequency scanning methodology, the number of spectrum scanning iterations for the clutter removal process, and the hop duration. Therefore, the Adaptive Frequency Hopping (AFH) and the Adaptive Sliding Window (ASW) methodologies are proposed to meet the requirements of the FC chipless RFID tags. Regarding the ASW technique, it is suitable to identify the tags using the Gen-1 protocol which utilizes a sliding window (for detecting the notch) with an adaptive size to extract the tag’s-ID. The second adaptive methodology, AFH, can identify the tags with the Gen-2 protocol by using a variable frequency step that fits the corresponding notch patterns. These techniques are proven to be efficient for the chipless RFID systems with regard to latency and accuracy. Likewise, the designed AFH and ASW technique’s performance is compared to the classical Fixed Frequency Hopping (FFH) methodology with a fine frequency step to validate the accuracy of the proposed techniques. A real-world SDR based testbed is designed and the proposed adaptive algorithms as well as the classical FFH methodology are implemented. The experiments show that the proposed AFH combined with the ASW algorithms significantly reduce the system latency by 58%. The goal of the third aspect is to introduce a novel technique that increases the coding capacity of the FC chipless RFID system. The proposed Notch Width Modulation (NWM) scheme encodes 4 bits (16-combinations) per single resonator exploiting the notch bandwidth and its corresponding frequency position. Furthermore, each notch can reserve a window with a bandwidth of 150 MHz and inside this window the notch can obtain a certain bandwidth with a specific resonant frequency constructing the coding pairs Cj ( fk,Bl). Hence, 80-bits could be achieved at the operating frequency 2–5 GHz, preserving the operating frequency bandwidth. Also, a Smart Singular Value Decomposition (SSVD) technique is designed to estimate the notch bandwidth and to ensure a low probability of error. In addition, the utilization of a linear block code as an error correcting code is explored to make the best use of the obtained coding gain. Consequently, a high encoding efficiency and an accurate detection can be achieved in addition to a simplified reader design. Moreover, a novel 4× 5 cm2 tag structure is designed to meet the requirements of the NWM coding technique achieving a coding density of 4 bits/cm2. Different tag configurations are manufactured and validated by measurements using the SDR platform. The introduced coding methodology is conclusively validated using Electromagnetic (EM) simulations and real-world testbed measurements. The considered achievements for the proposed aspects offer a robust chipless RFID system that can be considered in real scenarios. Furthermore, all the proposed contributions are validated using analytical modeling, simulation and measurements in order to list their difficulties and limitations

Chipless Wireless High-Temperature Sensing in Time-Variant Environments

The wireless sensing of various physical quantities is demanded in numerous applications. A usual wireless sensor is based on the functionality of semiconductor Integrated Circuits (ICs), which enable the radio communication. These ICs may limit the application potential of the sensor in certain specific applications. One of these applications stands in the focus of this thesis: the operation in harsh environments, e.g., at high temperatures above 175°C, where most available sensors fail. Chipless wireless sensors are researched to exceed such chip-based limitations. A chipless sensor is setup as an entirely electro-magnetic circuit, and uses passive Radio Frequency (RF) backscatter principles to encode and transmit the measured value. Chipless sensors that target harsh environment operation are facing two important challenges: First, the disturbance by clutter, caused by time-variant reflections of the interrogation signal in the sensor environment and second, the design of suitable measurand transducers. These challenges are addressed in the thesis. To overcome the first challenge, three basic chipless sensor concepts feasible for operation in clutter environments are introduced. The concepts are realized by demonstrator designs of three temperature sensors and are proofed by wireless indoor measurements. A channel estimation method is presented that dynamically estimates and suppresses clutter signals to reduce measurement errors. To overcome the second challenge, measurand-sensitive dielectric materials are used as measurement transducers, and are being characterized by a novel high-temperature microwave dielectric characterization method. Complex permittivity characterization results in temperatures up to 900°C are presented. Finally, in-depth description and discussion of the three chipless concepts is given as well as a performance comparison in wireless indoor measurement scenarios. The first concept is based on polarization separation between the wanted sensor backscatter signal and unwanted clutter. The second concept separates tag and clutter signals in the frequency domain by using harmonic radar. The third concept exploits the slow decay of high-Q resonances in order to achieve the desired separation in time domain. This concept’s realization is based on dielectric resonators and has demon- strated the capability of wirelessly measuring temperatures up to 800°C without requiring an optical line-of-sight. This performance significantly exceeds temperature- and detection-limitations of commercially available sensors at the current state-of-the-art

Application of Ultra-Wideband Technology to RFID and Wireless Sensors

Aquesta Tesi Doctoral estudia l'ús de tecnologia de ràdio banda ultraampla (UWB) per sistemes de identificació per radiofreqüència (RFID) i sensors sense fils. Les xarxes de sensors sense fils (WSNs), ciutats i llars intel•ligents, i, en general, l'Internet de les coses (IoT) requereixen interfícies de ràdio simples i de baix consum i cost per un número molt ampli de sensors disseminats. UWB en el domini temporal es proposa aquí com una tecnologia de radio habilitant per aquestes aplicacions. Un model circuital s'estudia per RFID d'UWB codificat en el temps. Es proposen lectors basats en ràdars polsats comercials amb tècniques de processat de senyal. Tags RFID sense xip (chipless) codificats en el temps son dissenyats i caracterizats en termes de número d'identificacions possible, distància màxima de lectura, polarització, influència de materials adherits, comportament angular i corbatura del tag. Es proposen sensors chipless de temperatura i composició de ciment (mitjançant detecció de permitivitat). Dos plataformes semipassives codificades en temps (amb un enllaç paral•lel de banda estreta per despertar el sensor i estalviar energia) es proposen com solucions més complexes i robustes, amb una distància de lectura major. Es dissenya un sensor de temperatura (alimentat per energia solar) i un sensor de diòxid de nitrogen (mitjançant nanotubs de carboni i alimentat per una petita bateria), ambdòs semipassius amb circuiteria analògica. Es dissenya un multi-sensor semipassiu capaç de mesurar temperatura, humitat, pressió i acceleració, fent servir un microcontrolador de baix consum digital. Combinant els tags RFID UWB codificats en temps amb tecnologia de ràdar de penetració del terra (GPR), es deriva una aplicació per localització en interiors amb terra intel•ligent. Finalment, dos sistemes actius RFID UWB codificats en el temps s'estudien per aplicacions de localització de molt llarg abast.Esta Tesis Doctoral estudia el uso de tecnología de radio de banda ultraancha (UWB) para sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) y sensores inalámbricos. Las redes de sensores inalámbricas (WSNs), ciudades y casas inteligentes, y, en general, el Internet de las cosas (IoT) requieren de interfaces de radio simples y de bajo consumo y coste para un número muy amplio de sensores diseminados. UWB en el dominio temporal se propone aquí como una tecnología de radio habilitante para dichas aplicaciones. Un modelo circuital se estudia para RFID de UWB codificado en tiempo. Configuraciones de lector, basadas en rádar pulsados comerciales, son propuestas, además de técnicas de procesado de señal. Tags RFID sin chip (chipless) codificados en tiempo son diseñados y caracterizados en términos de número de identificaciones posible, distancia máxima de lectura, polarización, influencia de materiales adheridos, comportamiento angular y curvatura del tag. Se proponen sensores chipless de temperatura y composición de cemento (mediante detección de permitividad). Dos plataformas semipasivas codificadas en tiempo (con un enlace paralelo de banda estrecha para despertar el sensor y ahorrar energía) se proponen como soluciones más complejas y robustas, con una distancia de lectura mayor. Se diseña un sensor de temperatura (alimentado por energía solar) y un sensor de dióxido de nitrógeno (mediante nanotubos de carbono y alimentado por una batería pequeña), ambos semipasivos con circuitería analógica. Se diseña un multi-sensor semipasivo capaz de medir temperatura, humedad, presión y aceleración, usando un microcontrolador digital de bajo consumo. Combinando los tags RFID UWB codificados en tiempo y tecnología de radar de penetración de suelo (GPR), se deriva una aplicación para localización en interiores con suelo inteligente. Finalmente, dos sistemas activos RFID UWB codificados en tiempo se estudian para aplicaciones de localización de muy largo alcance.This Doctoral Thesis studies the use of ultra-wideband (UWB) radio technology for radio-frequency identification (RFID) and wireless sensors. Wireless sensor networks (WSNs) for smart cities, smart homes and, in general, Internet of Things (IoT) applications require low-power, low-cost and simple radio interfaces for an expected very large number of scattered sensors. UWB in time domain is proposed here as an enabling radio technology. A circuit model is studied for time-coded UWB RFID. Reader setups based on commercial impulse radars are proposed, in addition to signal processing techniques. Chipless time-coded RFID tags are designed and characterized in terms of number of possible IDs, maximum reading distance, polarization, influence of attached materials, angular behaviour and bending. Chipless wireless temperature sensors and chipless concrete composition sensors (enabled by permittivity sensing) are proposed. Two semi-passive time-coded RFID sensing platforms are proposed as more complex, more robust, and longer read-range solutions. A wake-up link is used to save energy when the sensor is not being read. A semi-passive wireless temperature sensor (powered by solar energy) and a wireless nitrogen dioxide sensor (enabled with carbon nanotubes and powered by a small battery) are developed, using analog circuitry. A semi-passive multi-sensor tag capable of measuring temperature, humidity, pressure and acceleration is proposed, using a digital low-power microcontroller. Combining time-coded UWB RFID tags and ground penetrating radar, a smart floor application for indoor localization is derived. Finally, as another approach, two active time-coded RFID systems are developed for very long-range applications

Next-generation IoT devices: sustainable eco-friendly manufacturing, energy harvesting, and wireless connectivity

This invited paper presents potential solutions for tackling some of the main underlying challenges toward developing sustainable Internet-of-things (IoT) devices with a focus on eco-friendly manufacturing, sustainable powering, and wireless connectivity for next-generation IoT devices. The diverse applications of IoT systems, such as smart cities, wearable devices, self-driving cars, and industrial automation, are driving up the number of IoT systems at an unprecedented rate. In recent years, the rapidly-increasing number of IoT devices and the diverse application-specific system requirements have resulted in a paradigm shift in manufacturing processes, powering methods, and wireless connectivity solutions. The traditional cloud-centering IoT systems are moving toward distributed intelligence schemes that impose strict requirements on IoT devices, e.g., operating range, latency, and reliability. In this article, we provide an overview of hardware-related research trends and application use cases of emerging IoT systems and highlight the enabling technologies of next-generation IoT. We review eco-friendly manufacturing for next-generation IoT devices, present alternative biodegradable and eco-friendly options to replace existing materials, and discuss sustainable powering IoT devices by exploiting energy harvesting and wireless power transfer. Finally, we present (ultra-)low-power wireless connectivity solutions that meet the stringent energy efficiency and data rate requirements of future IoT systems that are compatible with a batteryless operation

Dense and long-term monitoring of Earth surface processes with passive RFID -- a review

Billions of Radio-Frequency Identification (RFID) passive tags are produced yearly to identify goods remotely. New research and business applications are continuously arising, including recently localization and sensing to monitor earth surface processes. Indeed, passive tags can cost 10 to 100 times less than wireless sensors networks and require little maintenance, facilitating years-long monitoring with ten's to thousands of tags. This study reviews the existing and potential applications of RFID in geosciences. The most mature application today is the study of coarse sediment transport in rivers or coastal environments, using tags placed into pebbles. More recently, tag localization was used to monitor landslide displacement, with a centimetric accuracy. Sensing tags were used to detect a displacement threshold on unstable rocks, to monitor the soil moisture or temperature, and to monitor the snowpack temperature and snow water equivalent. RFID sensors, available today, could monitor other parameters, such as the vibration of structures, the tilt of unstable boulders, the strain of a material, or the salinity of water. Key challenges for using RFID monitoring more broadly in geosciences include the use of ground and aerial vehicles to collect data or localize tags, the increase in reading range and duration, the ability to use tags placed under ground, snow, water or vegetation, and the optimization of economical and environmental cost. As a pattern, passive RFID could fill a gap between wireless sensor networks and manual measurements, to collect data efficiently over large areas, during several years, at high spatial density and moderate cost.Comment: Invited paper for Earth Science Reviews. 50 pages without references. 31 figures. 8 table

Development of a chipless RFID based aerospace structural health monitoring sensor system

Chipless Radio Frequency Identification (RFID) is modern wireless technology that has been earmarked as being suitable for low-cost item tagging/tracking. These devices do not require integrated circuitry or a battery and thus, are not only are cheap, but also easy to manufacture and potentially very robust. A great deal of attention is also being put on the possibility of giving these tags the ability to sense various environmental stimuli such as temperature and humidity. This work focusses on the potential use of chipless RFID as a sensor technology for aerospace Structural Health Monitoring. The project is focussed on the sensing of mechanical strain and temperature, with an emphasis placed on fabrication simplicity, so that the final sensor designs could be potentially fabricated in-situ using existing printing technologies. Within this project, a variety of novel chipless RFID strain and temperature sensors have been designed, fabricated and tested. A thorough discussion is also presented on the topic of strain sensor cross sensitivity, which places emphasis on issues like, transverse strain, dielectric constant variations and thermal swelling. Additionally, an exploration into other key technological challenges was also performed, with a focus on challenges such as: accurate and reliable stimulus detection, sensor polarization and multi-sensor support. Several key areas of future research have also been identified and outlined, with aims related to: Enhancing strain sensor fabrication simplicity, enhancing temperature sensor sensitivity and simplicity and developing a fully functional interrogation system

Analysis and Design of Silicon based Integrated Circuits for Radio Frequency Identification and Ranging Systems at 24GHz and 60GHz Frequency Bands

This scientific research work presents the analysis and design of radio frequency (RF) integrated circuits (ICs) designed for two cooperative RF identification (RFID) proof of concept systems. The first system concept is based on localizable and sensor-enabled superregenerative transponders (SRTs) interrogated using a 24GHz linear frequency modulated continuous wave (LFMCW) secondary radar. The second system concept focuses on low power components for a 60GHz continuous wave (CW) integrated single antenna frontend for interrogating close range passive backscatter transponders (PBTs). In the 24GHz localizable SRT based system, a LFMCW interrogating radar sends a RF chirp signal to interrogate SRTs based on custom superregenerative amplifier (SRA) ICs. The SRTs receive the chirp and transmit it back with phase coherent amplification. The distance to the SRTs are then estimated using the round trip time of flight method. Joint data transfer from the SRT to the interrogator is enabled by a novel SRA quench frequency shift keying (SQ-FSK) based low data rate simplex communication. The SRTs are also designed to be roll invariant using bandwidth enhanced microstrip patch antennas. Theoretical analysis is done to derive expressions as a function of system parameters including the minimum SRA gain required for attaining a defined range and equations for the maximum number of symbols that can be transmitted in data transfer mode. Analysis of the dependency of quench pulse characteristics during data transfer shows that the duty cycle has to be varied while keeping the on-time constant to reduce ranging errors. Also the worsening of ranging precision at longer distances is predicted based on the non-idealities resulting from LFMCWchirp quantization due to SRT characteristics and is corroborated by system level measurements. In order to prove the system concept and study the semiconductor technology dependent factors, variants of 24GHz SRA ICs are designed in a 130nm silicon germanium (SiGe) bipolar complementary metal oxide technology (BiCMOS) and a partially depleted silicon on insulator (SOI) technology. Among the SRA ICs designed, the SiGe-BiCMOS ICs feature a novel quench pulse shaping concept to simultaneously improve the output power and minimum detectable input power. A direct antenna drive SRA IC based on a novel stacked transistor cross-coupled oscillator topology employing this concept exhibit one of the best reported combinations of minimum detected input power level of −100 dBm and output power level of 5.6 dBm, post wirebonding. The SiGe stacked transistor with base feedback capacitance topology employed in this design is analyzed to derive parameters including the SRA loop gain for design optimization. Other theoretical contributions include the analysis of the novel integrated quench pulse shaping circuit and formulas derived for output voltage swing taking bondwire losses into account. Another SiGe design variant is the buffered antenna drive SRA IC having a measured minimum detected input power level better than −80 dBm, and an output power level greater than 3.2 dBm after wirebonding. The two inputs and outputs of this IC also enables the design of roll invariant SRTs. Laboratory based ranging experiments done to test the concepts and theoretical considerations show a maximum measured distance of 77m while transferring data at the rate of 0.5 symbols per second using SQ-FSK. For distances less than 10m, the characterized accuracy is better than 11 cm and the precision is better than 2.4 cm. The combination of the maximum range, precision and accuracy are one of the best reported among similar works in literature to the author’s knowledge. In the 60GHz close range CW interrogator based system, the RF frontend transmits a continuous wave signal through the transmit path of a quasi circulator (QC) interfaced to an antenna to interrogate a PBT. The backscatter is received using the same antenna interfaced to the QC. The received signal is then amplified and downconverted for further processing. To prove this concept, two optimized QC ICs and a downconversion mixer IC are designed in a 22nm fully depleted SOI technology. The first QC is the transmission lines based QC which consumes a power of 5.4mW, operates at a frequency range from 56GHz to 64GHz and occupies an area of 0.49mm2. The transmit path loss is 5.7 dB, receive path gain is 2 dB and the tunable transmit path to receive path isolation is between 20 dB and 32 dB. The second QC is based on lumped elements, and operates in a relatively narrow bandwidth from 59.6GHz to 61.5GHz, has a gain of 8.5 dB and provides a tunable isolation better than 20 dB between the transmit and receive paths. This QC design also occupies a small area of 0.34mm² while consuming 13.2mW power. The downconversion is realized using a novel folded switching stage down conversion mixer (FSSDM) topology optimized to achieve one of the best reported combination of maximum voltage conversion gain of 21.5 dB, a factor of 2.5 higher than reported state-of-the-art results, and low power consumption of 5.25mW. The design also employs a unique back-gate tunable intermediate frequency output stage using which a gain tuning range of 5.5 dB is attained. Theoretical analysis of the FSSDM topology is performed and equations for the RF input stage transconductance, bandwidth, voltage conversion gain and gain tuning are derived. A feasibility study for the components of the 60GHz integrated single antenna interrogator frontend is also performed using PBTs to prove the system design concept.:1 Introduction 1 1.1 Motivation and Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Scope and Functional Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Objectives and Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Features and Fundamentals of RFIDs and Superregenerative Amplifiers 9 2.1 RFID Transponder Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Chipless RFID Transponders . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.2 Semiconductor based RFID Transponders . . . . . . . . . . 11 2.1.2.1 Passive Transponders . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2.2 Active Transponders . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 RFID Interrogator Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 Interferometer based Interrogator . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 Ultra-wideband Interrogator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 Continuous Wave Interrogators . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Coupling Dependent Range and Operating Frequencies . . . . . . . 25 2.4 RFID Ranging Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.0.1 Received Signal Strength based Ranging . . . . . 28 2.4.0.2 Phase based Ranging . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.0.3 Time based Ranging . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5 Architecture Selection for Proof of Concept Systems . . . . . . . . 32 2.6 Superregenerative Amplifier (SRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.1 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.2 Modes of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.3 Frequency Domain Characteristics . . . . . . . . . . . . . . 45 2.7 Semiconductor Technologies for RFIC Design . . . . . . . . . . . . 48 2.7.1 Silicon Germanium BiCMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.7.2 Silicon-on-Insulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3 24GHz Superregenerative Transponder based Identification and Rang- ing System 51 3.1 System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.1 SRT Identification and Ranging . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.2 Power Link Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.3 Non-idealities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.1.4 SRA Quench Frequency Shift Keying for data transfer . . . 61 3.1.5 Knowledge Gained . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 RFIC Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.2.1 Low Power Direct Antenna Drive CMOS SRA IC . . . . . . 66 3.2.1.1 Circuit analysis and design . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.1.2 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2.2 Direct Antenna Drive SiGe SRA ICs . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.2.1 Stacked Transistor Cross-coupled Quenchable Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2.2.1.1 Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2.2.1.2 Output Network . . . . . . . . . . . . . . 75 3.2.2.1.3 Stacked Transistor Cross-coupled Pair and Loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2.2.2 Quench Waveform Design . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.2.3 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.3 Antenna Diversity SiGe SRA IC with Integrated Quench Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.2.3.1 Circuit Analysis and Design . . . . . . . . . . . . 91 3.2.3.1.1 Crosscoupled Pair and Sampling Current 94 3.2.3.1.2 Common Base Input Stage . . . . . . . . 95 3.2.3.1.3 Cascode Output Stage . . . . . . . . . . . 96 3.2.3.1.4 Quench Pulse Shaping Circuit . . . . . . 96 3.2.3.1.5 Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.3.2 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2.4 Knowledge Gained . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.3 Proof of Principle System Implementation . . . . . . . . . . . . . . 106 3.3.1 Superregenerative Transponders . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.3.1.1 Bandwidth Enhanced Microstrip Patch Antennas 108 3.3.2 FMCW Radar Interrogator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.3.3 Chirp Z-transform Based Data Analysis . . . . . . . . . . . 116 4 60GHz Single Antenna RFID Interrogator based Identification System 121 4.1 System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2 RFIC Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.2.1 Quasi-circulator ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.2.1.1 Transmission Lines based Quasi-Circulator IC . . 126 4.2.1.2 Lumped Elements WPD based Quasi-Circulator . 130 4.2.1.3 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.2.1.4 Knowledge Gained . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.2.2 Folded Switching Stage Downconversion Mixer IC . . . . . 138 4.2.2.1 FSSDM Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.2.2.2 Cascode Transconductance Stage . . . . . . . . . . 138 4.2.2.3 Folded Switching Stage with LC DC Feed . . . . . 142 4.2.2.4 LO Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.2.2.5 Backgate Tunable IF Stage and Offset Correction 146 4.2.2.6 Voltage Conversion Gain . . . . . . . . . . . . . . 147 4.2.2.7 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.2.2.8 Knowledge Gained . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.3 Proof of Principle System Implementation . . . . . . . . . . . . . . 154 5 Experimental Tests 157 5.1 24GHz System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.1.1 Ranging Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.1.2 Roll Invariance Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.1.3 Joint Ranging and Data Transfer Experiments . . . . . . . 158 5.2 60GHz System Detection Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6 Summary and Future Work 167 Appendices 171 A Derivation of Parameters for CB Amplifier with Base Feedback Capac- itance 173 B Definitions 177 C 24GHz Experiment Setups 179 D 60 GHz Experiment Setups 183 References 185 List of Original Publications 203 List of Abbreviations 207 List of Symbols 213 List of Figures 215 List of Tables 223 Curriculum Vitae 22

UWB Technology

Ultra Wide Band (UWB) technology has attracted increasing interest and there is a growing demand for UWB for several applications and scenarios. The unlicensed use of the UWB spectrum has been regulated by the Federal Communications Commission (FCC) since the early 2000s. The main concern in designing UWB circuits is to consider the assigned bandwidth and the low power permitted for transmission. This makes UWB circuit design a challenging mission in today's community. Various circuit designs and system implementations are published in this book to give the reader a glimpse of the state-of-the-art examples in this field. The book starts at the circuit level design of major UWB elements such as filters, antennas, and amplifiers; and ends with the complete system implementation using such modules