verfasst von:
Philipp Franz Freidl, Michael Ernst Gadringer, Sebastian Wolfgang Sattler, Dominik Amschl, Bernhard Auinger, Gerald Holweg, Ulrich Mühlmann, Wolfgang Bösch
Mit der zunehmenden Verbreitung des Internets der Dinge steigt auch der Bedarf an miniaturisierten, stromsparenden und drahtlos angebundenen Sensoren und Geräten. Eine Möglichkeit, diese Anbindung zu realisieren, ist die Übertragung des UHF RFID Konzeptes der Rückstrahlkommunikation in den mm-Wellen Frequenzbereich. Die dadurch erreichbare Verkleinerung der Sensoren und die in diesen Frequenzbereichen verfügbaren Bandbreiten ermöglichen eine Vielzahl neuer Anwendungen. In diesem Artikel werden das Design und die Implementierung eines Hardware-Demonstrators vorgestellt, welcher nicht nur die Machbarkeit einer solchen Kommunikation bei mm-Wellen zeigt, sondern auch die Funktionalität des EPC Gen2 Protokolls unter den vorgestellten Bedingungen umsetzt.
1 Einleitung
Unter dem Schlagwort „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT) versteht man eine immer engere Anbindung von Geräten und Sensoren an ein globales Netzwerk. Diese Anbindung birgt ein erhebliches Potential für neue Anwendungen in vielen Bereichen der Wirtschaft und Industrie, wie Produktion, Logistik oder Gesundheitswesen, sowie auch für den täglichen Gebrauch des privaten Anwenders. Es wird geschätzt, dass sich bis 2020 26 Milliarden Geräte mit einem IoT Kontext im Umlaufen befinden werden [1].
Viele dieser Anwendungen benötigen Sensoren, die drahtlos an eine Basisstation angebunden werden. Um einen vielseitigen Einsatz der Sensoren zu erzielen, ist eine möglichst kleine Baugröße von entscheidendem Vorteil. Zudem benötigen die Sensoren meist keine hohen Datenraten, müssen aber einen sehr geringen Stromverbrauch aufweisen, um einen dauerhaften als auch wartungsarmen Betrieb sicher zu stellen [2].
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Eine Technologie, welche diese Anforderungen erfüllt, ist UHF RFID [3]. Bei dieser Technologie wird der Transponder (Sensor) von der Basisstation mittels elektromagnetischen Wellen mit Energie versorgt. Der Sensor nutzt diese Wellen nicht nur zur Stromversorgung, sondern moduliert außerdem seine Daten auf den Träger der Basisstation mittels Rückstreumodulation auf [4]. Diese Art der Modulation ermöglicht eine äußerst stromsparende Implementierung des Senders im Transponder. Der Nachteil an derzeit kommerziell verfügbaren RFID Systemen ist die Größe der Sensorantenne die, aufgrund der gewählten Trägerfrequenz, einen Großteil der Sensorgröße ausmacht. Zudem führt die steigende Nutzung dieser UHF Frequenzbänder zu Interferenzproblemen. Außerdem würde eine Erhöhung der nutzbaren Kanalbandbreite Anwendungen, wie zum Beispiel die Lokalisierung des Transponders, erheblich verbessern.
Diese Nachteile werden durch eine substanzielle Erhöhung der Trägerfrequenz in den mm-Wellen Bereich beseitigt. Die Umsetzung von RFID bei mm-Wellen wurde in der Literatur unter dem Schlagwort MMID (mm-Wellen Identifikation) vorgestellt [5]. Die höhere Trägerfrequenz erlaubt eine signifikante Reduktion der Antennengröße unter Beibehaltung deren Effizienz. Die dadurch erreichbare Verkleinerung der Abmessungen ermöglicht sogar die Integration der Antenne in den Chip des Transponders oder dessen Gehäuses. Zusätzlich sind bei diesen Frequenzen die verfügbaren Bandbreiten weitaus größer und ermöglichen daher Anwendungen wie Lokalisierung [6]. Die Erhöhung der Trägerfrequenz bringt aber auch Nachteile mit sich. Vor allem die hohe Dämpfung in der drahtlosen Übertragung reduziert die Reichweite solcher Systeme enorm [7].
In der Literatur wurden bereits Konzepte vorgestellt, welche die Funktionalität von einzelnen Komponenten eines MMID Systems demonstrieren. In [8‐10] zeigen die Autoren die Umsetzbarkeit der Rückstrahlmodulation und der Hüllkurvendetektion für mm-Wellen Transponder. Ein voll funktionales EPC Gen2 [11] kompatibles System bei einer Trägerfrequenz von 10 GHz, unter Verwendung einer kommerziellen UHF RFID Basisstation und eines UHF RFID Transponder Chips, wurde in [12] beschrieben. Um die Reichweite zu erhöhen, wurde in [13] ein Transponder gezeigt, welcher ein aktives Rückstrahlmodulationsverfahren verwendet. In diesem Fall wird der Träger mittels einer Verstärkerschleife regeneriert. Um die Machbarkeit einer vollständigen Integration eines MMID Transponders auf einen einzelnen Chip zu zeigen, wurde in [14] die Implementierung von mm-Wellen Antennen auf einem CMOS Prozess untersucht. Weitere Publikationen [15‐18] zeigen die Implementation von Teilkomponenten aktiver Transponder auf integrierten Schaltungen, bei welchen das Sendesignal vom Transponder selbst generiert wird.
In diesem Artikel präsentieren wir einen Demonstrator für ein vollständiges MMID System, welcher die Funktionalität des EPC Gen2 Protokolls von UHF RFID bei Trägerfrequenzen jenseits von 70 GHz implementiert.
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2 System-Konzept
Der MMID Demonstrator besteht aus einer „Software Defined Radio“ (SDR) Basisstation und einem batteriegespeisten Transponder (Abb. 1). Wie bei RFID Systemen üblich, sendet die Basisstation nicht nur Daten oder Kommandos an den Transponder, sondern stellt auch den Dauerstrichton für die Antwort des Transponders bereit.
Abb. 1.
Konzept des mm-Wellen RFID Systems mit einer SDR Plattform und einem batterieunterstützten Transponder
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2.1 Basisstation
Die Basisstation des MMID Systems besteht aus zwei Hauptteilen: einem direkt umsetzenden mm-Wellen Sendeempfänger und einer SDR Plattform. Abbildung 2 zeigt das Konzept der Basisstation. Die SDR Plattform setzt sich aus einem Digital/Analog (D/A) Umsetzer, einem Zwei-Kanal Zwischenfrequenzverstärker und einem Analog/Digital Umsetzer zusammen, welche von einem MATLAB Programm auf einem Hostrechner gesteuert werden. Im Sendefall erstellt das MATLAB Programm eine EPC Gen2 Anfrage, welche auf einen 10 MHz Träger aufmoduliert ist. Dieses komplexwertige Basisbandsignal wird dann über den D/A Umsetzer an den Sendeempfänger weitergegeben. Im Empfangsfall kommt die ebenfalls auf einen 10 MHz Träger aufmodulierte Antwort des Transponders vom Sendeempfänger. Diese wird mittels des variablen Basisbandverstärkers an den Eingang des A/D Umsetzers angepasst und anschließend digitalisiert. Das MATLAB Programm übernimmt dann die Übersetzung des komplexen Empfangssignal in einen binären Datenstrom.
Abb. 2.
Konzept der MMID Basisstation mit der SDR Plattform, und dem mm-Wellen Sender/Empfänger
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Der mm-Wellen Sendeempfänger setzt die Sende- und Empfangssignal direkt auf eine Mittenfrequenz von 72,5 GHz, beziehungsweise in das Basisband um. Diese Frequenz wurde im Gegensatz zu dem im mm-Wellenbereich verfügbaren 60 GHz ISM Band gewählt, da in diesem Bereich die verfügbaren Komponenten der Basisstation und des Transponders am Besten zusammenspielen. Das so generierte Sendesignal wird dann über eine E-Band Hornantenne mit 21 dB Gewinn an den Transponder übertragen. Nach dem Senden der EPC Gen2 Anfrage gibt der Sendeempfänger weiterhin einen Dauerton auf seiner Mittenfrequenz aus, um so dem Transponder den benötigte Träger zur Rückstrahlkommunikation zu Verfügung zu stellen. Im Empfangspfad nimmt der mm-Wellen Sendeempfänger die vom Transponder generierte Antwort über eine weitere Hornantenne auf. Nach Umsetzung ins Basisband wird die Rückantwort von dem ZF Verstärker verstärkt und am Eingang des Analog/Digital (A/D) Umsetzers zur Verfügung gestellt. Die Trennung von Sende- und Empfangsantenne hat den Vorteil eines weit geringeren Übersprechens zwischen dem Sende- und Empfangssignal und verbessert daher die Leistungsfähigkeit des Empfängers signifikant. Abbildung 3 zeigt eine Fotografie der Basisstation, auf der die einzelnen Komponenten ersichtlich sind.
Abb. 3.
Fotografie der Basisstation
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2.2 Transponder
Um ein flexibles Design zu ermöglichen, besteht der Transponder des MMID Systems aus zwei Hauptkomponenten: einer Basisbandeinheit und einem mm-Wellen Frontend. Die Basisbandeinheit basiert auf einem Entwicklungschip der Firma NXP Semiconductors, welcher den EPC Gen2 Protokollstack für den Transponder implementiert. Das mm-Wellen Frontend ist als separate Platine ausgeführt, welche auf die Hauptplatine mit der Basisbandeinheit aufgesteckt wird, und beherbergt als zentrales Element eine mm-Wellen Schottkydiode von Infineon Technologies (BAT14-077D, [19]).
Der EPC Gen2 Chip der Basisbandeinheit implementiert die Basisbandfunktionalität eines EPC Gen2 Transponders und verfügt über ein Ein-Pin Interface, welches für TTL Pegel ausgelegt ist. Um mit diesem Interface kommunizieren zu können, ist auf der Basisbandeinheit eine Pegelanpassung und eine Logik zur Umschaltung zwischen dem Empfangs- und Sendemodus des Transponders untergebracht. Im Empfangsfall wandelt diese Schaltung das kleine Signal der mm-Wellen Diode in TTL Signale um und sendet diese an den Chip. Im Sendefall generiert die Schaltung aus der Antwort des Chips zwei unterschiedliche Biasspannungen für die mm-Wellen Diode, um so die Rückstrahlmodulation zu erzeugen (Abb. 4).
Abb. 4.
Konzept des MMID Transponders
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Auf der mm-Wellen Platine ist neben der Diode eine Antenne, ein Anpassnetzwerk zwischen der Diode und der Antenne, sowie ein Tiefpassfilter untergebracht. Die mm-Wellen Antenne ist als einzelne Mikrostreifenantenne mit 7 dBi Gewinn ausgeführt. Dies ermöglicht neben einer sehr geringen Größe von ungefähr \(1\times1~\mbox{mm}\) eine relative robuste Kommunikation mit der Basisstation, da die Hauptkeule der Antenne eine Breite von 75 Grad aufweist. Im Empfangsmodus des Transponders wird die mm-Wellen Diode als Hüllkurvendetektor verwendet. Im Sendemodus wird die Impedanz der Diode mittels verschiedener Biasspannungen variiert. Dies führt zu einer Änderung des Reflektionsfaktor am Fußpunkt der Antenne somit zu einer Beeinflussung des Pegel des in Richtung der Basisstation zurückgesendete Dauerstrichtons. Auf diese Weise werden die Daten des Transponders auf den Dauerstrichton aufmoduliert. Die Biasspannungen werden sowohl im Empfangs- als auch im Sendemodus über einen 2,5 k\(\Omega\) Widerstand der Diode zugeführt.
Abbildung 5 zeigt eine Fotografie des Transponders mit der mm-Wellenplatine, welche auf das Basisbandboard aufgesteckt ist. Um die TTL Chips mit Energie zu versorgen und der mm-Wellen Diode die entsprechenden Biasströme zu Verfügung zu stellen, wird der Transponder mit einer Batterie gespeist.
Abb. 5.
Fotografie des Transponders
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3 Messungen
Um die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des MMID Systems zu verifizieren, wurden verschiedene Messungen an der Basisstation, dem Transponder als auch dem Gesamtsystem durchgeführt. Für die Systemmessungen wurde der Transponder ungefähr 10 cm von der Basisstation entfernt aufgestellt. Die Basisstation generiert einen EPC Gen2 Request Befehl, der alle 10 ms wiederholt wird.
Im ersten Schritt wurde der Hüllkurvendetektor des mm-Wellen Transponder-Frontends evaluiert. Hierzu wurde dieses mit einem Oszilloskop mittels AC-Kopplung verbunden und über einen 2.5 k\(\Omega\) Widerstand mit einem Biasstrom beaufschlagt (Abb. 10). Wie aus Abb. 6 zu entnehmen ist, zeigt das gemessene Hüllkurvensignal am Ausgang des Tiefpassfilters eine Amplitude von 8 mV. Zusätzlich wurde die empfangene Leistung am Antennenfußpunkt mittels eines Spektrumanalyzers im Zero-Span Modus bei der Trägerfrequenz gemessen. Dieses weist eine Modulationstiefe von etwas mehr als 30 dB auf.
Abb. 6.
Spannung an der Diode über den Lastwiderstand (oben) und die relative empfangene Leistung bei 72.5 GHz (unten)
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In einem weiteren Schritt wurde die Modulationsfähigkeit des Transponders getestet. Um dies zu bewerkstelligen, wurde ein mm-Wellen Frontend gefertigt, bei welchem anstatt der Antenne ein Testport platziert wurde. Dieses modifizierte Frontend wurde mit einem Netzwerkanalysator verbunden, um den Eingangsreflektionsfaktor bei zwei verschiedenen Biasströmen (\(\varGamma_{1}\) und \(\varGamma_{2}\)) zu bestimmen. Die Differenz dieser beiden Reflektionsfaktoren ist in Abb. 7 zu sehen. Sie beträgt für die gewünschte Trägerfrequenz von 72,5 GHz ungefähr 0,35 und steigt maximal auf 0,4 bei 73 GHz. Verglichen mit bereits publizierten Transpondern für MMID [9] stellt dies eine Verbesserung um bis zu 50 % dar.
Abb. 7.
Modulationstiefe des Transponders
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Nach der Verarbeitung des von der Diode demodulierten Hüllkurvensignals durch den EPC Gen2 Basisbandchip, sendet dieser seine Antwort durch Modulation des Biasstroms der Diode an die Basisstation zurück. Diese transformiert das Signal aus dem mm-Wellen Bereich auf eine Zwischenfrequenz von 10 MHz. Abbildung 8 zeigt das normierte Amplitudenspektrum des digitalisierten Signals der Basisstation. Es zeigt die beiden Subträger des rückstrahlmodulierten Signals mit 160 kHz Abstand zum Träger. Das Verhältnis zwischen der Amplitude des Trägers und der des Subträgers beträgt −38 dBc. Zusätzlich weist der informationshaltige Subträger einen Signalrauschabstand von 20 dB auf. Diese Werte zeigen eindeutig, dass die Sensitivität des Empfängers für die Demodulation des Transpondersignals ausreicht, und die maximale Reichweite der Basisstation noch nicht ausgereizt ist.
Abb. 8.
Spektrum des an der Basisstation gemessenen Antwort des Transponders
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Für die Leistungsfähigkeit des MMID Systems ist das Phasenrauschen des mm-Wellen Senders/Empfängers der Basisstation ein entscheidender Faktor [17]. Zur Quantifizierung des Phasenrauschens des mm-Wellen Empfängers wurde ein Dauerstrichton mittels eines hochstabilen Signalgenerators (Rhode&Schwarz SMZ90 in Kombination mit einem Rhode&Schwarz SMF100A) in 10 MHz Abstand zur Trägerfrequenz generiert. Dieser wurde vom Empfänger in die Zwischenfrequenz übersetzt und dort mittels eines Spektrumanalysators aufgezeichnet. Wie in Abb. 9 zu sehen ist, überlagert sich das Phasenrauschen des Empfängers mit dem Eingangssignal und resultiert in einem Grundrauschen welches nur ca. (−20 dBc im Abstand von 10 kHz) aufweist. In diesem Betriebsmodus ist die Sensitivität der Basisstation signifikant eingeschränkt.
Abb. 9.
Phasenrauschen am Empfänger der Basisstation
Abb. 10.
Aufbau der Messung der Demodulationseigenschaften des Transponders.
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Das hohe Phasenrauschen des mm-Wellen Empfängers kann durch die Generierung des lokalen Oszillators durch eine Frequenzmultiplikation eines PLL-Signals mit dem Faktor 64 erklärt werden [20]. Betrachtet man jedoch das Phasenrauschen unter Verwendung eines Dauerstrichtons welcher mittels des mm-Wellen Senders der Basisstation generiert wurde, zeigt sich, dass sich dieses deutlich reduziert und für die Leistungsfähigkeit des Empfängers vernachlässigt werden kann. Diese signifikante Verbesserung kann durch die Verwendung von ein und demselben lokalen Oszillator für den Sende- als auch den Empfangspfad der Basisstation erklärt werden. Solange die Laufzeit des Trägers – von der Basisstation zum Transponder und zurück – kürzer ist als die Kohärenzzeit des Phasenrauschens, wird dieses im Mischprozess des Empfängers kompensiert. Erst dieser Effekt ermöglicht die hohe Sensitivität der Basisstation und damit einen erfolgreichen Betrieb des MMID Systems.
4 Conclusio
In diesem Artikel wurde ein mm-Wellen RFID System gezeigt, welches die volle Funktionalität des EPC Gen2 Standards abbildet. Das Systemkonzept mit dem Design von Basisstation sowie Transponder wurde ausführlich diskutiert und beschrieben. Die Funktionalität des Systems wurde anhand von Messungen bei einem Abstand von 10 cm zwischen der Basisstation und dem Transponder untersucht. Im Zuge der Messungen hat sich gezeigt, dass die Verwendung von einem einzigen lokalen Oszillator für den Sende- und Empfangspfad der Basisstation für die Funktionalität des Gesamtsystems von entscheidender Bedeutung ist um die Auswirkungen des Phasenrauschens desselben kompensieren zu können.
Danksagung
Diese Arbeit wurde mit Mitteln der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG im Rahmen des K-Projektes „Secure Contactless Sphere – Smart RFID Technologies for a Connected World“ finanziert. Zudem möchten die Autoren Herrn Erich Schlaffer von AT&S ihren Dank für die Produktion der mm-Wellen PCB aussprechen.
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