Full-Sphere Square Root Delta RCS Characterization of Passive UHF RFID Tags

Abstract

Phasenbasierte Lokalisierung mithilfe von Verfahren zur automatisierten Identifikation über Funk (engl. radio-frequency identification (RFID)) im UHF-Bereich (engl. ultra high frequency (UHF)) hat, durch ihre geringen Kosten und dabei ausreichende Genauigkeit, viel Aufmerksamkeit erlangt. Ein präzises Phasenmodell muss die Phasenantwort des Transponders (engl. Tag) berücksichtigen, jedoch wird diese in der Literatur typischerweise ohne Abhängigkeit von der sphärischen Richtung modelliert. Diese Annahme könnte zutreffen, wenn es sich bei dem Tag um einen idealen Dipol im freien Raum handelt, aber in der Praxis, wo Tags an komplexe Objekte angebracht sind, ist sie nicht mehr gültig. Umfangreiche Messdaten dazu fehlen und daher zielt diese Arbeit darauf ab, ein Messsystem zu entwickeln welches fähig ist, die Phasenantwort von Tags, entweder im Freiraum oder angebracht an Objekten, auf der gesamten Sphäre zu bestimmen. Der essenzielle Parameter für die Bestimmung der Phasenantwort ist der Wurzel Delta Radarquerschnitt (engl. square root delta radar cross-section (√∆RCS)), welcher die komplexwertige Differenz der beiden Radarquerschnitte, die ein Tag für die Rückstreukommunikation verwendet, darstellt. Basierend auf vorangegangenen Untersuchungen weiß man, dass durch signifikante Selbstinterferenz, vor allem in monostatischen Anordnungen, der Dynamikumfang des Messsystems limitiert ist. Mit der Nutzung von zusätzlicher Hardware zur Trägerunterdrückung kann der Dynamikumfang verbessert werden, jedoch auf Kosten von Nicht-Standardkomponenten und einer zusätzlich notwendigen Regelschleife. Um bei kommerziellem (engl. off-the-shelf) Messequipment zu bleiben, verfolgt diese Arbeit einen anderen Ansatz: Eine bistatische Anordnung gemeinsam mit einer sphärischen Modenzerlegung (engl. spherical wave expansion (SWE)), um die Anforderungen an den Dynamikumfang des Messsystems zu senken. Die SWE ermöglicht eine analytische Beschreibung des abgestrahlten Feldes mithilfe von gewichteten sphärischen Basisfunktionen und das bedeutet im Wesentlichen, dass Messpunkte, welche nicht durch den Dynamikumfang des Messsystems abgedeckt werden, durch die SWE trotzdem repräsentiert werden können. Die bistatische Anordnung, erlaubt die Separation von Sende- und Empfangspfad, was inhärent zur Reduktion der Selbstinterferenz führt. Drei mögliche Zuordnungen wurden untersucht und ausgearbeitet welche sich in Dauer pro Messpunkt, Hardwarekomplexität, Maximale Leistungsdichte am Tag und Dynamikumfang unterscheiden. Die bistatische Anordnung führt einen unkalibrierten Signalpfad ein und daher musste ein Kalibrationsverfahren entwickelt werden. Es kann von einem reziproken Verhalten des Tags ausgegangen werden, daher ermöglicht das Aktivieren des Tags von beiden Signalpfaden, durch einfaches Vertauschen von TX/RX unter Erfüllung der Minimalen Leistungsdichte am Tag, eine zweistufige Pfadkalibration. Obwohl die Messungen bistatisch durchgeführt werden, kann nun eine kalibrierte monostatische √∆RCS bestimmt werden. Es konnte somit ein Messsystem, bestehend aus drei Konfigurationen und off-the-shelf Equipment, erstellt werden, welches das Bestimmen der √∆RCS, von Tags im freien Raum oder angebracht an Objekten, auf der gesamten Sphäre ermöglicht. Praktische Anwendungsfälle wurden verglichen und es wurde gezeigt, dass getaggte Objekte eine starke Abhängigkeit von der sphärischen Richtung aufweisen, welche nicht vernachlässigbar für die meisten Phasenbasierten Lokalisierungsalgorithmen ist. Das indiziert die Dringlichkeit weitere Messdaten zu sammeln, welche dazu beitragen das Phasenmodell zu verbessern und schließlich die Genauigkeit der Lokalisierung.

Phase-based localization using passive ultra high frequency (UHF) radio-frequency identification (RFID) technology has received plentiful attention due to its low cost and sufficient localization accuracy. An accurate phase model must incorporate the phase response of the tag, which is typically modeled in the literature without any dependency on the spherical direction. This assumption might hold if the tag is an ideal dipole in free space, but it is no longer valid in practical scenarios, where tags are mounted on complex objects. Comprehensive measurement data is lacking, and therefore, this thesis addresses this gap by developing a measurement system capable of determining the phase response of tags, either in free space or on objects, on the entire sphere. The essential parameter for obtaining the phase response is the square root delta radar cross-section (√∆RCS), which is the complex-valued difference of the tag’s two different radar cross-sections (RCSs) that are used for backscatter communication. Based on prior investigations, it is known that self-interference, especially in monostatic arrangements, limits the dynamic range of the measurement system. By the use of additional carrier cancellation hardware, the dynamic range can be improved at the expense of non-standard components and an additionally required control-loop. To proceed with off-the-shelf measurement equipment, this work follows a different approach: A bistatic arrangement together with spherical wave expansion (SWE) is used to lower the requirements on the measurement system’s dynamic range. The SWE represents the radiated field as a weighted sum of spherical basis functions. Essentially, this means that measurement points that cannot be covered by the dynamic range of the measurement system can be represented through the SWE. The bistatic arrangement allows to separate transmit and receive paths, which inherently reduces the amount of self-interference. Three possible assignments were investigated and developed which differ in the duration per measurement sample, the hardware complexity, the maximum power density at the tag, and the dynamic range. Since the bistatic arrangement introduces an uncalibrated signal path, a calibration procedure had to be developed. Reciprocal tag behavior can be assumed, therefore, activating the tag from both paths by simply reversing TX/RX, under the fulfillment of the minimum power density at the tag, leverages a two-step path calibration. Although the measurements are bistatic, a calibrated monostatic √∆RCS can be determined. A measurement system consisting of three configurations and off-the-shelf hardware leveraging the determination of the √∆RCS of tags, either in free space or on objects, on the entire sphere, was developed. Applied scenarios were compared, and it was shown that tagged objects indeed show a strong dependency on the spherical direction, non-negligible for most phase-based localization algorithms. This indicates the importance of collecting further measurement data, which will contribute to improving the phase model, and eventually, the accuracy of localization.