The RF in RFID--Passive UHF RFID in Practice.Sep.2007.pdf

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Chapter 1: Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 What, When, and Where, Wirelessly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Why Would You Read This Book? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 What Comes Next? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Chapter 2: History and Practice of RFID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 It All Started with IFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Making it Cheap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Making and Selling: Tracking Big Stuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Tracking Small Stuff: AutoID and The Web of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 RFID Systems and Terminology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Types of RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.1 Frequency Bands for RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.2 Passive, Semipassive, and Active Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.3 Communications Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7 The Internet of Things and UHF RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Chapter 3: Radio Basics For UHF RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Describing Signal Voltage and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Information, Modulation, and Multiplexing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Backscatter Radio Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Link Budgets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.1 Reader Transmit Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.2 Path Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.3 Tag Power Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6 Effect of Antenna Gain and Polarization on Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.7 Propagation in the Real World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.8 Capsule Summary: Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.1 Signal and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.2 Backscatter Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.3 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.4 Reflection from Dielectric Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Chapter 4: UHF RFID Readers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1 A Radio’s Days (and nights) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Radio Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3 Radio Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.1 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3.3 Oscillators and Synthesizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.4 Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.5 Digital-Analog Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3.6 Circulators and Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.4 RFID Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4.1 Transmitter Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.4.2 Transmit Power Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.3 Phase and Amplitude Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.5 RFID Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.5.1 Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.5.2 DC Offsets and Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.5.3 Phase and Amplitude Noise and Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.4 Example Design Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.6 Digital-Analog Conversion and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.7 Packaging and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.8 Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.9.1 RFIC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.9.2 Analog-digital conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.9.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.9.4 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.9.5 Reader Architecture and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Chapter 5: UHF RFID Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.1 Power and Powerlessness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.2 RF to DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.3 Getting Started, Getting Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.4 Talking Back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.5 Tag IC Overall Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.6 Packaging: No Small Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.7 Other Ways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.8 Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.9.1 Tag IC Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.9.2 Chip Assembly Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.9.3 Conductive Inks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.9.4 SAW tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.9.5 organic ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Chapter 6: Reader Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.1 Not Just for Insects Anymore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.2 Current Events: Fundamentals of Antenna Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.2.1 Got Gain? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.2.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.2.3 Impedance and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2.4 The Patch Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.2.5 It’s All On the Datasheet (Except the Price!) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.3 Antennas for Fixed Readers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
6.3.1 Doors and Portals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
6.3.2 Interference and Collocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.3.3 Conveyor Antenna Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
6.4 Antennas for Handheld or Portable Readers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
6.5 Near-field Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
6.6 Cables and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.7 Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
6.8 Afterword: An Electron’s Eyelash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.9.1 General Antenna Theory and Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.9.2 Exotic Reader Antenna Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Chapter 7: Tag Antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.1 World to Tag, Tag to World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.2 Impedance Matching and Power Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.3 Dipoles and Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
7.3.1 Wiggling Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.3.2 Match L with L of L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
7.3.3 Getting Loaded. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
7.3.4 Fat and Thin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
7.3.5 Folding Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
7.3.6 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
7.3.7 Radar Scattering Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
7.4 Tags and the (local) Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
7.4.1 Nearby Objects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
7.4.2 Nearby Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
7.5 Near-field and Hybrid Tag Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.6 Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
7.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
7.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Chapter 8: UHF RFID Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
8.1 What a Protocol Droid Should Know . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
8.2 Days of Yore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
8.3 EPCglobal Generation 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
8.3.1 EPCglobal Class 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.3.2 EPCglobal Class 1 Generation 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.4 ISO 18000-6B (Intellitag) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
8.5 ISO 18000-6C (EPCglobal Class 1 Generation 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
8.5.1 Overview and Tag Memory Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
8.5.2 Reader and Tag Symbols and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
8.5.3 Packet Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
8.5.4 Medium Access Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
8.5.5 States and Commands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8.5.6 Normal Operation and Key User Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
8.5.7 Protocol Performance and Link Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
8.5.8 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.6 Capsule Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
8.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.7.1 General Communications Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.7.2 RFID Protocols: The Source Docs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.7.3 RFID Protocols: More Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.7.4 RFID Protocols: Security and Privacy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
8.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Afterword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Appendix 1: Radio Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
A1.1 Couldn’t Wait for Global Warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
A1.2 FCC PART 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
A1.3 European Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
A1.4 Those Other Few Billion Folks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Appendix 2: Harmonic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
A2.1 Sines and Cosines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
A2.2 Complex Numbers and Complex Exponentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Appendix 3: Resistance, Impedance and Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
A3.1 Electric Company Detective Sherlock Ohms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
A3.2 Resistance is Useless? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
A3.3 Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
Appendix 4: Reflection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
A4.1 Reflection Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
A4.2 A Simple (But Relevant) Matching Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

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