Realistic chipless RFID: identification and localization

Für die weitere Massenverbreitung von RFID Systemen ist ein günstiges und genaues Verfahren zur Objektlokalisierung und –verfolgung zwingend erforderlich. Chiplose RFID Systeme erlauben im Gegensatz zu herkömmlichen chipbehafteten RFID Systemen den Einsatz von einfachen, druckbaren RFID Tags, eine Möglichkeit zum Einstieg in die Ära von extrem billigen RFID Tags. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Lösung von drei Herausforderungen bei der Erkennung von chiplosen RFID Tags innerhalb geschlossener Räume. Der erste in der vorliegenden Arbeit diskutierte Aspekt beschäftigt sich mit Methoden zum Eliminieren des Störechos der Umgebung (clutter removal techniques). Im chiplosen RFID System ist das Umgebungsstörecho definiert durch das von der Umgebung reflektierte Signal, das nicht mit dem RFID Tag interagiert. Die Stärke dieses Signals ist in jedem Fall größer als die des vom RFID Tag zurückgestrahlten (backscattered) Signals, was die Signaturerkennung des RFID Tags unmöglich macht. Zur Lösung dieses Problems schlage ich zwei Algorithmen vor. Der erste ist die Leerraum-Kalibrierung (empty room calibration). Bei diesem Algorithmus werden die Messungen mit RFID Tag von denen ohne RFID Tags abgezogen. Der zweite Algorithmus basiert auf dem Rake-Receiver unter Nutzung einer Zufallsfolge (PN sequence), er erfordert keine zusätzliche Kalibrierung. Der zweite Aspekt betrifft die Notch Erkennung und Identifikation, ein sehr wichtiger Bereich des chiplosen RFID Systems. Er ist dafür verantwortlich, die Notchs in Bits umzuwandeln. Für eine effektive Detektion werden Windowing (Fenster) Verfahren vorgeschlagen, wobei jedes Fenster einen oder auch keinen Notch beinhalten kann. Insgesamt drei neue Verfahren zur Notch Erkennung wurden implementiert. Als erstes ein Matched Filter (MF), in dem der einkommende Notch mit einem Referenz Notch verglichen wird. Das zweite Verfahren basiert auf einer gefensterten Singulärwertzerlegung, damit kann sowohl der Notch erkannt werden, als auch seine Bandbreite bestimmt werden. Als drittes Verfahren wird das dynamische Frequency Warping vorgestellt. Diese Technik nutzt nichtlineare um die Notche unddie Frequenzverschiebungen, die an den Notches auftreten, zu erkennen. Als dritter Aspekt wird die Lokalisierung der RFID Tags in dieser Dissertation diskutiert. Dazu werden zwei Algorithmen erklärt und implementiert. Der erste Algorithmus beruht auf der Triangulation durch drei getrennte RFID Lesegeräte, während sich der zweite die Position des RFID Tags aus der Signalstärke und dem Winkel des vom RFID Tag kommenden Signals berechnet. Alle genannten Algorithmen und Verfahren wurden in einer realen Innenraum Testumgebung mit RFID Tags und einer Software Defined Radio (SDR) Plattform vermessen, um die Zuverlässigkeit der Algorithmen unter normalen Bedingungen zu überprüfen.For mass deployment of RFID systems, cheap and accurate item level identification and tracking are profoundly needed. Fortunately, unlike conventional chip-based RFID, chipless RFID systems offers low-cost printable tags holding a better chance to enter the era of penny-cost tags. This dissertation concentrated on solving three challenges in the detection of the chipless tag inside an indoor environment. The first aspect discussed in the thesis are the chipless RFID clutter removal techniques. In chipless RFID the environmental clutter response is defined as the signal reflected from the environment, that does not interact with the tag. This signal has higher power than the backscattered signal from the tag, rendering the tag signature undetectable. Two algorithms to overcome this problem was used, the first is empty room calibration. The first algorithm is based on subtracting the measurement with the tag from the one without. The second algorithm is Rake receiver using PN sequence; this algorithm requires no pre-measurement calibration. The second aspect is notch detection and identification which is a critical part of the chipless system. This part is responsible for converting the notches into bits. For effective detection, a windowing operation is proposed, where each window may contain a notch or not. Three novel techniques are implemented to detect the notch. The first is matched filter were a reference notch is compared with the incoming signal. The second is window based singular value decomposition, where a constellation is created to detect not only the existence of a notch but also the bandwidth of the notch. The third notch detection technique is dynamic frequency warping. This technique utilizes non-linear warping to detect the notch and the frequency shifts that occurs on the notch. The third aspect discussed in the thesis is tag localization. In this aspect, two algorithms are implemented and explained. The first is trilateration which requires three different readers. The second localization algorithm exploits received signal strength and angle of arrival to detect the location of the tag accurately. All the algorithms were tested using a real testbed to validate the reliability of the techniques. The measurements were done using fabricated tags in an indoor environment using Software Defines Radio (SDR)

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

Advanced Radio Frequency Identification Design and Applications

Radio Frequency Identification (RFID) is a modern wireless data transmission and reception technique for applications including automatic identification, asset tracking and security surveillance. This book focuses on the advances in RFID tag antenna and ASIC design, novel chipless RFID tag design, security protocol enhancements along with some novel applications of RFID

Applications of Antenna Technology in Sensors

During the past few decades, information technologies have been evolving at a tremendous rate, causing profound changes to our world and to our ways of living. Emerging applications have opened u[ new routes and set new trends for antenna sensors. With the advent of the Internet of Things (IoT), the adaptation of antenna technologies for sensor and sensing applications has become more important. Now, the antennas must be reconfigurable, flexible, low profile, and low-cost, for applications from airborne and vehicles, to machine-to-machine, IoT, 5G, etc. This reprint aims to introduce and treat a series of advanced and emerging topics in the field of antenna sensors

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

Chipless RFID sensor systems for structural health monitoring

Ph. D. ThesisDefects in metallic structures such as crack and corrosion are major sources of catastrophic failures, and thus monitoring them is a crucial issue. As periodic inspection using the nondestructive testing and evaluation (NDT&E) techniques is slow, costly, limited in range, and cumbersome, novel methods for in-situ structural health monitoring (SHM) are required. Chipless radio frequency identification (RFID) is an emerging and attractive technology to implement the internet of things (IoT) based SHM. Chipless RFID sensors are not only wireless, passive, and low-cost as the chipped RFID counterpart, but also printable, durable, and allow for multi-parameter sensing. This thesis proposes the design and development of chipless RFID sensor systems for SHM, particularly for defect detection and characterization in metallic structures. Through simulation studies and experimental validations, novel metal-mountable chipless RFID sensors are demonstrated with different reader configurations and methods for feature extraction, selection, and fusion. The first contribution of this thesis is the design of a chipless RFID sensor for crack detection and characterization based on the circular microstrip patch antenna (CMPA). The sensor provides a 4-bit ID and a capability of indicating crack width and orientation simultaneously using the resonance frequency shift. The second contribution is a chipless RFID sensor designed based on the frequency selective surface (FSS) and feature fusion for corrosion characterization. The FSS-based sensor generates multiple resonance frequency features that can reveal corrosion progression, while feature fusion is applied to enhance the sensitivity and reliability of the sensor. The third contribution deals with robust detection and characterization of crack and corrosion in a realistic environment using a portable reader. A multi-resonance chipless RFID sensor is proposed along with the implementation of a portable reader using an ultra-wideband (UWB) radar module. Feature extraction and selection using principal component analysis (PCA) is employed for multi-parameter evaluation. Overall, chipless RFID sensors are small, low-profile, and can be used to quantify and characterize surface crack and corrosion undercoating. Furthermore, the multi-resonance characteristics of chipless RFID sensors are useful for integrating ID encoding and sensing functionalities, enhancing the sensor performance, as well as for performing multi-parameter analysis of defects. The demonstrated system using a portable reader shows the capability of defects characterization from a 15-cm distance. Hence, chipless RFID sensor systems have great potential to be an alternative sensing method for in-situ SHM.Indonesia Endowment Fund for Education (LPDP

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

VI Congreso Científico de Jóvenes en Diseño de Experimentos y Ciencia de Datos

The Institute of Data Science and Artificial Intelligence (DATAI) at the University of Navarra is organizing the “VI Scientific Congress of Young researchers in Experimental Design and Data Science (JEDE 6)” along with the III DATAI Scientific Conference, to be held on June 5th, 6th, and 7th, 2023 in Pamplona (University of Navarra). The previous five JEDE meetings took place in Toledo in 2010, San Cristóbal de la Laguna in 2012, Pamplona in 2014, Salamanca in 2017, and Almería in 2021. Young Spanish and foreign researchers, many of them from Latin America, attended these meetings. The main objective of this congress is the exchange of knowledge and experiences among young researchers in experimental design and data science from Spanish universities, as well as professionals in these fields of knowledge, through active participation in a gathering specifically tailored to them. Presentations will take place in a relaxed and receptive environment, with the presence of national and international experts who will encourage scientific debate

RF Systems Design for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) in Automation and Transportation

This work presents some recent solutions that exploit the wireless power transfer (WPT) technology for energizing moving vehicles and machinery tools. Such technology is currently experiencing unprecedented interests in non-traditional RF/microwave sectors fields, such the industrial automation and the railway transportation safety. Near-field electromagnetic coupling solutions are presented showing that, in order to obtain efficient performances for broad ranges of operating conditions, the nonlinear electromagnetic co-design of the entire WPT system, from the energy source to the receiver load, needs to be carried out. This technology can be combined with wireless data transfer, thus realizing integrated systems able to simultaneously control the energy transfer and the transmission of data. The adopted operating frequencies are in the MHz range, which is only recently considered for this kind of applications. In particular this work focuses on three different systems: the first one demonstrates the constant powering of “on the move” industrial charts at 6.78 MHz, regardless of the relative position of the transmitter and the receiver sub-systems; the second one presents a novel design of a balise transportation system adopting a high efficiency GaN-based transmitter designed to keep its performance over a wide range of loading conditions; the last one consists of the simultaneous wireless power and data transfer, to a rotating machinery tool, automatically controlled by the powering system based on the coexistence of frequency-diverse inductive and capacitive couplings