Compact on-chip UWB antennas for short range connectivity

Abstract

Die Entwicklung und die experimentelle Analyse von kompakten Antennen für Miniatur RFID-Tags mit der Größe von wenigen Quadratmillimetern steht im Vordergrund dieser Arbeit. Im Vergleich zu herkömmlichen RFID-Tags, bei denen externe Antennen mit dem integrierten Schaltkreis verbunden werden, befinden sich diese kompakten Antennen zusammen mit dem Transponder auf dem gleichen Silizium Substrat und werden gemeinsam gefertigt. Es wurde ein komplettes System on Chip für drahtlose Verbindungen entwickelt, welches in der Lage ist, Daten über eine kurze Distanz zu empfangen und zu senden.<br />Die Eigenschaften von kompakten On Chip Antennen, die im Verhältnis zur Wellenlänge viel kleiner sind, werden im Detail analysiert. Darüber hinaus werden die Vor- und Nachteile eines Silizium Halbleitermaterials als Basis für Antennen und der Einfluß des Materials auf eine kompakte Antenne herausgearbeitet. Nicht nur durch den Herstellungsprozess eines Halbleiters unterscheidet sich der Gestaltungsspielraum von On Chip Antennen grundsätzlich gegenüber einem konventionellem Antennendesign.<br />Mehrere Arten von On Chip Antennen, unter ihnen Dipole, Monopole und Schleifenstrukturen, wurden durch Berechnungen und Messungen verifiziert.<br />Um eine Kommunikation aufzubauen, muss der gefertigte Chip in der Lage sein, Energie aus seiner Umgebung aufzunehmen. Das angewendete Kommunikationschema ermöglicht eine drahtlose Energieübertragung und gleichzeitig eine schnelle und robuste Datenübertragung vom Chip zu einer Empfangsstation. Mit einem schrittweisen Bau von Prototypen und deren Kombination wurden System on Chips gefertigt, welche aus einer UHF Sende- und Empfangseinheit und einem breitbandigem Puls Sender besteht.<br />Die Systeme haben eine maximale Größe von 3.5mm2 und sind mit einer CMOS Technologie gefertigt.<br />Die Bestimmung der Abstrahlcharakteristik einer kompakten Antenne durch Messung führt zu Herausforderungen: Das Einbringen eines Referenzsignals durch ein Messgerät führt zu Interferenzen. Sobald das System on Chip vollkommen aufgebaut ist, können keine Messgeräte mehr angeschlossen werden um ein Referenzsignal abzuleiten. Die kontinuierliche Untersuchung der Prototypen und die dafür aufgebauten Messaufbauten führen zu einem Lesegerät, welches in der Lage ist das System on Chip zu steuern.<br />

The development and the experimental analysis of compact antennas for a miniature RFID tag are investigated in this thesis. In comparison to standard tags in the field, in which external antennas are mounted on the integrated circuit, these compact antennas are placed with the transponder circuit on the same silicon substrate and are manufactured together. That allows to reduce the size of an RFID transponder to a few square millimetres. A complete System on Chip is manufactured for a wireless connectivity, being able to receive and transmit data over short distance.<br />The properties of compact On Chip Antennas, being much smaller than the wavelength, are analysed in detail. Furthermore, the advantageous and disadvantageous effects of a semi-conductor substrate to a compact antenna are elaborated. The design considerations for On Chip Antennas differ extremely compared to a conventional antenna design, not only due to the manufacturing process of a silicon chip. Several On Chip Antennas have been designed (dipole, monopole and loop structures) and are verified by simulations and measurements.<br />In order to communicate, the System on Chip must be able to harvest energy from the environment. A communication scheme, which allows wireless powering of the chip together with a fast and robust wireless data transmission to a reader station, is considered and applied. With a prototyping approach, System on Chips featuring a UHF transceiver and a wideband pulse transmitter with a maximum size of 3.5mm2 are manufactured in a standard CMOS technology.<br />The radiation characterisation of compact antennas by measurements yields to following issues: Applying a reference signal with a physically connected measurement equipment to the antenna yields to interferences. Once the System on Chip is fully developed, dedicated measurement ports are not available to get a reference signal.<br />The successive characterisation of the On Chip Antennas lead to a reader station able to control the System on Chip.