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The RF in RFID
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The RF in RFID
Passive UHF RFID in Practice
Daniel M. Dobkin
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Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Dobkin, Daniel Mark.
The RF in RFID : passive UHF RFID in practice / Daniel M. Dobkin.
p. cm.
Includes index.
ISBN 978-0-7506-8209-1
1. Radio frequency identification systems. 2. Radio frequency–Identification. 3. Wireless communication
systems. I. Title.
TK6553.D59 2007
621.384–dc22
British Library Cataloguing-in-Publication Data
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2007027647
ISBN: 978-0-7506-8209-1
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08 09 10 11
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Printed in the United States of America
Contents
Chapter 1: Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 What, When, and Where, Wirelessly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Why Would You Read This Book? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 What Comes Next? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4
1.5
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2: History and Practice of RFID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
It All Started with IFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Making it Cheap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Making and Selling: Tracking Big Stuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tracking Small Stuff: AutoID and The Web of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
RFID Systems and Terminology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5
2.6
Types of RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency Bands for RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1
Passive, Semipassive, and Active Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2
2.6.3
Communications Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Internet of Things and UHF RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.1
History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7
2.8
2.9
1
1
2
3
4
4
7
7
9
15
19
22
24
24
34
42
46
48
48
49
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Chapter 3: Radio Basics For UHF RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
51
55
58
68
73
75
75
77
80
93
Electromagnetic Waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Describing Signal Voltage and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Information, Modulation, and Multiplexing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Backscatter Radio Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Link Budgets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reader Transmit Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1
3.5.2
Path Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3
Tag Power Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Effect of Antenna Gain and Polarization on Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Propagation in the Real World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6
3.7
v
Contents
3.8
3.9
Capsule Summary: Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Signal and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.1
Backscatter Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.2
3.9.3
Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Reflection from Dielectric Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9.4
3.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4
4.5
4.1
4.2
4.3
Chapter 4: UHF RFID Readers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A Radio’s Days (and nights) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Radio Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Radio Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.1
Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Oscillators and Synthesizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.3
4.3.4
Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Digital-Analog Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3.5
4.3.6
Circulators and Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
RFID Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4.1
Transmitter Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Transmit Power Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.2
4.4.3
Phase and Amplitude Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
RFID Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.5.1
Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
DC Offsets and Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.5.2
Phase and Amplitude Noise and Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.3
4.5.4
Example Design Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Digital-Analog Conversion and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Packaging and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.9.1
RFIC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Analog-digital conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.9.2
4.9.3
Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.9.4 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.9.5
Reader Architecture and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.6
4.7
4.8
4.9
Chapter 5: UHF RFID Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Power and Powerlessness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
RF to DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Getting Started, Getting Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Talking Back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1
5.2
5.3
5.4
vi
Contents
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
Tag IC Overall Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Packaging: No Small Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Other Ways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Tag IC Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.9.1
Chip Assembly Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.9.2
Conductive Inks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.9.3
5.9.4
SAW tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
organic ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.9.5
5.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.1
6.2
6.3
Chapter 6: Reader Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Not Just for Insects Anymore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Current Events: Fundamentals of Antenna Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.2.1
Got Gain? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.2.2
Impedance and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2.3
6.2.4
The Patch Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.2.5
It’s All On the Datasheet (Except the Price!) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Antennas for Fixed Readers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Doors and Portals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
6.3.1
6.3.2
Interference and Collocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.3.3
Conveyor Antenna Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Antennas for Handheld or Portable Readers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Near-field Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Cables and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Afterword: An Electron’s Eyelash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
General Antenna Theory and Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.9.1
6.9.2
Exotic Reader Antenna Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
Chapter 7: Tag Antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.1 World to Tag, Tag to World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Impedance Matching and Power Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.2
Dipoles and Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
7.3
7.3.1 Wiggling Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.3.2 Match L with L of L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Getting Loaded. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
7.3.3
7.3.4
Fat and Thin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
vii
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