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THSE NO 3418 (2005)

COLE POLYTECHNIQUE FDRALE DE LAUSANNE

PRSENTE LA FACULT SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGNIEUR

Institut de microlectronique et microsystmes

SECTION DE GNIE LECTRIQUE ET LECTRONIQUE

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR S SCIENCES

PAR

ingnieur lectricien diplm EPFde nationalit suisse et originaire d'Alterswil (FR)

accepte sur proposition du jury:

Lausanne, EPFL2006

Prof. M. Declercq, directeur de thseProf. G. De Micheli, rapporteur

M. C. de Prost, rapporteurProf. P.-A. Farine, rapporteur

ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF

PASSIVE UHF RFID SYSTEMS

Jari-Pascal CURTY

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Abstract

Radio Frequency IDentification (RFID) is an automatic identifica-

tion method, relying on storing and remotely retrieving data usingdevices called RFID tags or transponders. An RFID tag is a small

object that can be attached to or incorporated into a product, animal orperson. RFID tag contains antenna to enable it to receive and respondto Radio-Frequency (RF) queries from an RFID reader or interrogator.Passive tags require no internal power source, whereas active tags requirea power source.

As of today (2005), the ubiquitous computing and ambient intelligenceideas are making their way. In order for these to become a reality, anumber of key technologies are required. Briefly, these technologies needto be sensitive, responsive, interconnected, contextualised, transparentand intelligent. RFID is such a technology and more particularly passiveRFID tags. But, in order to deliver the necessary characteristics thatcould trigger ambient intelligence, there are some challenges that need tobe addressed.

Remote powering of the tags is probably the most important. Issuesconcerning the antenna-tag interface, as well as the rectifier design, thatallows the RF signal to be converted to Direct Current (DC) are in poleposition. Secondly, the communication link and the reader should beoptimized. The RF signal that contains the tag data suffers from a powerof four decay with the distance between tag and reader. As a result, boththe reader sensitivity and the tag backscattered power efficiency have tobe maximized. Long-range powering, as well as sufficient communicationquality, are the guidelines of this work.

This research project proposes a linear two-port model for an N-stagemodified-Greinacher full wave rectifier. It predicts the overall conversionefficiency at low power levels where the diodes are operating near theirthreshold voltage. The output electrical behavior of the rectifier is cal-culated as a function of the received power and the antenna parameters.Moreover, the two-port parameters values are computed for particular in-put voltages and output currents for the complete N-stage rectifier circuitusing only the measured I-V and C-V characteristics of a single diode.

Also presented in this work is an experimental procedure to measurehow the impedance modulation at the tag side affects the signal at the

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reader. The method allows the tag designer to efficiently predict theeffect of modulator design at system level and gives an useful instrumentto choose the most appropriate impedances.

Finally, the design of a fully integrated remotely powered and address-able RFID tag working at 2.45 GHz is described. The achieved operatingrange at 4 W Effective Isotropically Radiated Power (EIRP) reader trans-mit power is 12 m. The Integrated Circuit (IC) is implemented in a 0.5 msilicon-on-sapphire technology. A state of the art rectifier design achieving37% of global efficiency is embedded to supply energy to the transpon-der. Inductive matching and a folded-dipole antenna are key elements toachieve these performances. The necessary input power to operate the

transponder is about 2.7 W.

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Resume

LIDentification par Radio Frequence (RFID) est une methode

didentification se basant sur la sauvegarde et lextraction sans filde donnees contenues dans des dispositifs appeles tags RFID ou

transpondeurs. Un tag RFID est un petit objet qui peut etre attacheou incorpore a un produit, un animal ou une personne. Les tags RFIDcontiennent une antenne leur permettant de recevoir et de repondre sansfil a des requetes provenant dun lecteur ou interrogateur. Les tags ditspassifs ne requiert aucune source denergie interne, au contraire des tags

actifs qui eux ont de lenergie embarquee.

Actuellement (2005), le concept dintelligence ambiante fait son che-min. Pour devenir une realite, certaines technologies cles sont necessaires.Brievement, celles-ci doivent etre sensibles et sadapter a leur environ-nement, interconnectees, contextuallisees, transparentes et intelligentes.La RFID est une telle technologie et plus particulierement, la composantepassive. Mais, de maniere a rendre ce concept dintelligence ambiantepossible, un certain nombre de defis doivent etre releves.

La tele-alimentation des tags est probablement le plus important. Desquestions relatives a linterface antenne-tag de meme que le dimension-nement du redresseur qui permet la conversion du signal alternatif entension constante sont en tete de liste. Deuxiemement, le lien de com-munication ainsi que le lecteur doivent etre optimises. La puissance dusignal de retour contenant les donnees du tag souffre dune decroissance ala puissance 4 avec la distance entre le lecteur et le tag. En consequence, lasensibilite du lecteur ainsi que lefficacite du redresseur doivent etre max-imisees. Une distance de lecture maximale tout en conservant une qualitesuffisante dans la communication sont le fil conducteur de ce travail.

Ce projet de recherche propose un modele de bi-porte sappliquant aun redresseur de Greinacher modifie. Il permet de predire lefficacite deconversion globale a de tres faibles niveaux de puissance. Le comporte-ment electrique a la sortie du redresseur est calcule en fonction de la puis-sance recue et des parametres de lantenne. De plus, tous les parametresdu bi-porte obtenus a laide du modele sont calcules sur la base des car-acteristiques courant-tension (I-V) et capacite-tension (C-V) dune seule

diode.Egalement presentee dans ce travail, une methode experimentale per-

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mettant de mesurer comment la modulation de limpedance cote tag af-fecte le signal au lecteur. Cette methode apporte au concepteur de circuitsintegres un outil efficace permettant de predire au niveau systeme limpactdu choix des impedances de modulation.

Finallement, la conception dun tag RFID tele-alimente et adressablefonctionnant a 2.45 GHz est decrite. La distance de lecture obtenue avecune puissance de 4 W EIRP au lecteur est de 12 m. Le circuit integre estfabrique dans une technologie 0.5 m silicium sur saphir. Le redresseurrealise atteind 37% defficacite globale. La puissance necessaire a lantennepour faire fontionner le tag est environ de 2.7 W. Une adaptation induc-tive et un dipole replie en guise dantenne sont autant delements cles

permettant daboutir a ces performances.

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Contents

Contents ix

1 Introduction 1

1.1 Objective of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Organization of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Wireless Power Transmission 5

2.1 History of Wireless Power Transmission . . . . . . . . . . . 5

2.2 The rectenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Rectifier building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.1 Clamping circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.2 Rectifier circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.3 The voltage doubler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.4 Full-wave rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.5 Full-wave Greinacher rectifier . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.6 Full-wave modified Greinacher rectifier . . . . . . . . 12

2.4 Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4.1 Loss resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4.2 Radiation resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4.3 Antenna-Rectifier interface . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.4 Numerical example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.5 WPT today and possible future applications . . . . 192.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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x Analysis and Design of High Frequency RFID Systems

3 Analysis of the Modified-Greinacher Rectifier 21

3.1 Matching strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Rectifier equivalent circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.3 Analysis strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.4 Ideal case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4.1 Steady-state solution of the ideal rectifier . . . . . . 26

3.4.2 Determination ofRi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5 Real case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.5.1 Steady-state solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5.2 Determination ofCi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5.3 Determination ofRi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5.4 Determination ofRout . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.5.5 Rectifier efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6 Results and comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.7.1 Trade-offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.7.2 Capacitors design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.7.3 Antenna and matching issues . . . . . . . . . . . . . 42

3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Introduction to RFID 45

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2 Transponder types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3 Low frequency systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4 High frequency systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5.1 The EPC standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5.2 The ISO standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.6.1 Power regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

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Contents xi

4.7 Radar Cross Section (RCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.8 Backscattering modulation technique . . . . . . . . . . . . . 54

4.9 Link budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.10 Environmental impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.11 Data integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.11.1 Transponder-driven procedure . . . . . . . . . . . . . 57

4.11.2 Interrogator-driven procedure . . . . . . . . . . . . . 58

4.12 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5 Backscattering architecture and modulation type choice 61

5.1 Modulation types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.2 Modulators architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3 ASK modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.4 PSK modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.5 Analysis strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.6 ASK series-parallel case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.6.1 Voltage issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.6.2 Power issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.6.3 Communication issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.7 PSK series-series case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.7.1 Voltage issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.7.2 Power issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78


5.8 ASK and PSK comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.9 PSK based on ASK or pseudo-PSK . . . . . . . . . . . . . . 82

5.10 Pseudo-PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83


5.11 Wireless power transmission and communication optimiza-

tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.12 Wrapping up & Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

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xii Analysis and Design of High Frequency RFID Systems

6 Backscattering modulation analysis 91

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2 Theoretical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.3 Experimental characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.3.1 Practical procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.4 Impact on RFID Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.5 Graphical Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.6 Impact on Wireless Power Transmission . . . . . . . . . . . 106

6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7 RFID Tag design 109

7.1 UHF and wave RFID circuit State-of-the-Art . . . . . . . 109

7.2 Tag specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.3 Technological issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.4 Operational principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7.4.1 Communication protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 120

7.5 Transponder architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7.6 Transponder building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.6.1 Rectifier and limiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.6.2 Power-on-reset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.6.3 Detector, Data slicer and Decoder . . . . . . . . . . 128

7.6.4 Shift register and logic . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.6.5 IF Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.6.6 Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.6.7 Current reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7.7 Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

7.7.1 Transponder input impedance . . . . . . . . . . . . . 137

7.7.2 Antenna choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

7.8 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

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Contents xiii

8 High frequency interrogator architecture and analysis 143

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2 Communication protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.3 Interrogator architecture description . . . . . . . . . . . . . 144

8.4 Direct coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.4.1 System input IP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.4.2 Direct coupling compensation . . . . . . . . . . . . . 148

8.4.3 DC component suppression . . . . . . . . . . . . . . 149

8.5 Phase noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

8.5.1 Effect on down-conversion . . . . . . . . . . . . . . . 151

8.5.2 Reciprocal mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.6 Antenna noise temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.7 Receiver design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.8 IF modulation frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

8.9 IF processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

8 . 1 0 C o n c l u si o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

9 Conclusion 161

A Appendix 163

A.1 Probability functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

A.2 RFID system simulation schematics . . . . . . . . . . . . . 163

Bibliography 165

Index 179

Publications 181

Resume 183

Documents

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