High Data-Rate, Battery-Free, Active Millimeter-Wave Identification Technologies for Future Integrated Sensing, Tracking, and Communication Systems-On-Chip

RÉSUMÉ Pour de nombreuses applications allant de la sécurité, le contrôle d'accès, la surveillance et la gestion de la chaîne d'approvisionnement aux applications biomédicales et d'imagerie parmi tant d'autres, l'identification par radiofréquence (RFID) a énormément influencé notre quotidien. Jusqu'à présent, cette technologie émergente a été la plupart du temps conçue et développé dans les basses fréquences (en dessous de 3 GHz). D’une part, pour des applications où de courte distances (quelques centimètres) et à faible taux de communications de données sont suffisantes (même préférables dans certains cas), la technologie RFID à couplage inductif qui fonctionne à basse fréquences (LF) ou à haute fréquences (HF) fonctionne très bien et elle est largement utilisée dans de nombreuses applications commerciales. D'autre part, afin d’augmenter la distance de communication (quelques mètres), le débit de données de communication, et ainsi minimiser la taille du tag, la technologie RFID fonctionnant dans la bande d’ultra-haute fréquence (UHF) et aux fréquences micro-ondes (par exemple, 2.4 GHz) a récemment attiré beaucoup d'attention dans le milieu de la recherche et le développement. Cependant, dans ces bandes de fréquences, une bande passante disponible restreinte avec la taille du tag assez large (principalement dominée par la taille d'antenne et de la batterie dans le cas d'un tag actif) sont les principaux facteurs qui ont toujours limité l'évolution de la technologie RFID actuelle. En effet, propulser la technologie RFID dans la bande de fréquences à ondes millimétriques briserait les barrières actuelles de la technologie RFID. La technologie d’identification aux fréquences à ondes millimétriques (MMID) offre plus de bande passante, et permet également la miniaturisation de la taille du tag, car à ces bandes de fréquences, la longueur d’onde est de l’ordre de quelques millimètres, une taille comparable à la taille d’un circuit intégré. L'antenne peut donc être soit intégré sur la même puce (antenne sur puce) ou soit encapsulé dans le même boitier que le circuit intégré. En dotant le tag la capacité de récolter sans fil son énergie à partir d'un signal aux fréquences à ondes millimétriques provenant du lecteur, lui fournissant ainsi l'autonomie énergétique (ainsi éliminant la nécessité d'une batterie et en même temps permettant la miniaturisation du tag), il devient alors possible d'intégrer entièrement tout le tag MMID sur une seule puce y compris les antennes, ce qui aboutira à la mise au point d’une nouvelle technologie miniature (μRFID) fonctionnant à la bande de fréquences à ondes millimétriques.----------ABSTRACT For countless applications ranging from security, access control, monitoring, and supply chain management to biomedical and imaging applications among many others, radio frequency identification (RFID) technology has tremendously impacted our daily life. So far, this ever-needed and emerging technology has been mostly designed and developed at low RF frequencies (below 3-GHz). For many practical applications where short-range (few centimeters) and low data-rate communications are sufficient and in some cases even preferable, inductively coupled RFID systems that operate over either low-frequency (LF) or high-frequency (HF) bands have performed quite well and have been widely used for practical and commercial applications. On the other hand, in the quest for a longer communication range (few meters), relatively high data-rate and smaller antenna size RFID systems operating over ultra-high frequency (UHF) and microwave frequency bands (e.g., 2.4-GHz) have recently attracted much attention in the research and development community. However, over these RF bands, a restricted available bandwidth together with an undesired tag size (mainly dominated by its off-chip antenna size and battery in the case of active tag) are the main factors that have been limiting the evolution of today’s RFID technology. Indeed, propelling RFID technology into millimeter-wave frequencies opens up new applications that cannot be made possible today.Millimeter-wave identification (MMID) technology is set out to exploit significantly larger bandwidth and smaller antenna size. Over these frequency bands, an effective wavelength is in the order of a few millimeters, hence close to a typical semiconductor (CMOS) die size. The antenna, therefore, may either be integrated on the same chip (antenna-on-chip – AoC) or embedded in the related package (antenna-in-package – AiP). In addition, by equipping the tag with the capability to wirelessly harvest its energy from an incoming millimeter-wave signal, thereby providing energy autonomy without the need of a battery and at the same time allowing miniaturization, it becomes possible to integrate the entire MMID tag circuitry on a single chip. Furthermore, the timely MMID concept is fully compatible with upcoming and future applications of millimeter-wave technology in wireless communications which are being discussed and developed worldwide in research and development communities, such as the internet of things (IoT), 5G, autonomous mobility, μSmart sensors, automotive RADAR technologies, etc

Feasibility study and on-chip antenna for fully integrated µRFID tag at 60 GHz in 65 nm CMOS SOI

This paper reports the feasibility study of a novel passive tag for μRFID applications in the worldwide available free 60-GHz band. The feasibility analysis indicates that a passive fully-integrated μRFID tag, with on-chip antenna, can be realized in 65-nm SOI CMOS technology at 60 GHz with an operating range of about 20 cm. The 65-nm SOI CMOS technology represents a good candidate due to its better performance in terms of low-losses, low-power consumption and lower leakage current if compared with standard bulk process. The proposed circuit does not require complex package or bonding, thanks to the on-chip antenna, and it does not need battery. The low-cost technology and low-weight and low-area occupation are important features of this μRFID, especially if produced in large scale for the mass-market. Since the design of integrated antennas in silicon technology is one of the main challenge, especially for this proposal, two 60-GHz antennas have been designed by means of 3D-EM simulator: a CPW double-slot antenna and a CPS dipole one. The simulation results show a gain of 4.44 dBi and 3.23 dBi for the proposed double slot and dipole on-chip antennas, respectively