3D-LommID: Novel Techniques, Theories and Circuits for 3D Locatable mm-Wave RFID Tags
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurden neuartige Architekturkonzepte, skalierbare Modelle, analytische Theorien und integrierte Schaltungen für SILO-basierte mm-Wellen-RFID-Systeme bei 34 GHz vertieft erforscht. Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen wurde weltweit erstmalig ein mm-Wellen-Backscatter-Transpondersystem nach dem SILO Prinzip realisiert. Die im Experiment erzielte Performanz (über 100 m Lesereichweite bei Ortungsgenauigkeiten im cm-Bereich) ist nach Kenntnisstand der Autoren ein herausragender internationaler Spitzenstand. Das erforschte Transponderprinzip übertrifft die Möglichkeiten von bisherigen mm-Wellen-Backscatter-Transpondern um Größenordnungen. Es wurde gezeigt, wie sich Ortung und Datenübertragung in dem Transponderprinzip elegant kombinieren lassen. Mit der Entwicklung eines optimierten Mikrochip in SiGe BiCMOS Technologie wurde zudem das Potential der neuen Transpondertechnik hinsichtlich Stromverbrauch und Baugröße gezeigt und die Theorien und analytische Modelle funktional umgesetzt und verifiziert. Die erarbeiteten Teilergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die zugrundeliegende Theorie der Entfernungsmessung auf Basis von kontinuierlichen und gepulsten FMCW- Signalen wurde analytisch hergeleitet und es wurden Modulationsverfahren und Leitungscodes zur kombinierten, simultanen Abstandsmessung und Datenübertragung entwickelt. Aus den theoretischen Grundlagen sind Simulationsmodelle entwickelt und implementiert worden, die eine Analyse des kompletten Signalflusses des Systems (Basisstation/Reader und SILO Transponder) im Zeitbereich erlauben. Zur Etablierung eines theoretischen Fundaments für das Verhalten des SILO wurde der Anschwingvorgang detailliert untersucht. Es konnte eine Theorie zum Abtastverhalten von verrauschten Injektionssignalen durch geschaltete Oszillatoren hergeleitet und in Messungen verifiziert werden. Außerdem wurden Kriterien für den strukturierten Entwurf von geschalteten Oszillatoren in Bezug auf eine Optimierung der Phasenabtastung hergeleitet. Des Weiteren wurde eine Charakterisierungsmethode für geschaltete Oszillatoren entwickelt. Mit dieser Methode können somit die Parameter eines SILO-Modells für eine genauere Systemmodellierung messtechnisch bestimmt werden. Es wurden mehrere integrierte Schaltkreise auf Basis unterschiedlicher Oszillatorkonzepte entworfen, gefertigt und messtechnisch verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass alle Varianten die Projekterfordernisse erfüllen. Die wesentlichen Unterschiede liegen in der Chipfläche (Herstellungskosten) und dem Leistungsverbrauch der Prototypen. Die Struktur des kreuzgekoppelten Oszillators erwies sich als bevorzugte Oszillatortopologie für einen SILO-Prototypen. Für die Basisstation hat sich die Erzeugung der Frequenzrampen zur Entfernungsmessung mit Hilfe eines niederfrequenten Synthesizers als vorteilhaft herausgestellt, die anschließend durch Mischer auf 34 GHz umgesetzt werden. Die komplette Hardware entstand auf Basis kommerziell verfügbarer Schaltkreise. In verschiedenen Messreihen wurde die Funktionalität der anhand der optimierten Systemarchitektur entwickelten Basisstation zusammen mit den SILO-Prototypen verifiziert. Die anvisierte Reichweite des Systems wurde um den Faktor 10 übertroffen. Es zeigte sich, dass die Präzision des Abstandsmesssystems abhängig von der zu messenden Entfernung ist. Im Bereich von 0.5m-20m wurde die geforderte Präzision mit 1.9 mm (< 5 mm) erreicht. Für große Entfernungen ist die gemessene Präzision des Systems mit 1.1 cm nur unwesentlich größer als die spezifizierte. Im Rahmen dieses Projektes wurde analytisch hergeleitet, dass die Genauigkeit eines FMCW-Radarsystems im Wesentlichen von der Multipfadauflösung bestimmt wird. In dem gewählten Szenario konnte die Gültigkeit dieser Herleitung bestätigt werden. Die für alle Szenarien erreichte Genauigkeit von 4.2 cm ist ebenfalls besser als der Zielwert. Im Hinblick auf die Datenübertragung vom Tag zum Reader wurde über kurze Distanzen von einigen Metern eine Datenrate von 37.5 MBit/s (BER < 10^-3) simultan zur Entfernungsmessung erzielt. Durch den Einsatz eines einfachen Leitungscodes konnte dabei sichergestellt werden, dass die zusätzliche Kommunikation die Entfernungsmessung nicht beeinträchtigt. Bei Indoor-Messungen konnte keine statistisch signifikante Veränderung der Messgenauigkeit der Entfernungsmessung zwischen Betrieb mit bzw. ohne Kommunikation festgestellt werden. Abschließend lässt sich feststellen, dass alle Projektziele erreicht wurden und die Systemperformanz die im Antrag gesteckten Zielgrößen deutlich übertrifft.
Publications
- “An active pulsed reflector circuit for FMCW radar application based on the switched injection-locked oscillator principle,” in Semiconductor Conference Dresden (SCD), 2011, September 2011, pp. 1 –4
A. Strobel and F. Ellinger
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C. Carlowitz, A. Strobel, T. Schafer, F. Ellinger, and M. Vossiek
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A. Strobel, C. Carlowitz, R. Wolf, F. Ellinger, and M. Vossiek
(See online at https://doi.org/10.1109/TMTT.2013.2252915) - “A wideband planar microstrip to coplanar stripline transition (Balun) at 35 GHz,” in 9th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2013
J. Leufker, A. Strobel, C. Carta, and F. Ellinger
(See online at https://doi.org/10.1109/PRIME.2013.6603166) - “Miniaturized Regenerative Backscatter Transponder with Bidirectional Communication,” in Proceedings of the EuMW / EuRAD, Nürnberg, October, 2013
C. Carlowitz and M. Vossiek
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C. Carlowitz, A. Strobel, F. Ellinger, and M. Vossiek
(See online at https://doi.org/10.1109/RFID.2013.6548162) - “System considerations and VCO design for a local positioning system at 2.4 GHz for rescue of people on ships and in sea,” in WPNC2013
M. Schulz, A. Strobel, and F. Ellinger
(See online at https://doi.org/10.1109/WPNC.2013.6533275)
