UPTEC F 18039 Examensarbete 30 hp Juni 2018 Towards Long-Range Backscatter Communication with Tunnel Diode Reflection Amplifiers Gustav Eriksson Abstract Towards Long-Range Backscatter Communication with Tunnel Diode Reflection Amplifiers Gustav Eriksson Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Backscatter communication enables wireless communication at a power consumption orders of magnitude lower than conventional wireless Besöksadress: communication. Instead of generating new RF-signals backscatter Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 communication leverages ambient signals, such as WiFi-, Bluetooth- Hus 4, Plan 0 or TV-signals, and reflects them by changing the impedance of the antenna. Backscatter communication is known as a short-range Postadress: communication technique achieving ranges in the order of meters. Box 536 751 21 Uppsala To improve the communication range, we explore the use of a tunnel diode as an amplifier of the backscattered RF-signal. We developed Telefon: the amplifier on a PCB-board together with a matching network tuned 018 – 471 30 03 to give maximum gain at 868 MHz. Our work demonstrates that the Telefax: 1N3712 tunnel diode can achieve gains up to 35 dB compared to a tag 018 – 471 30 00 without amplification while having a peak power consumption of 48 µW. With this amplifier the communication distance can be increased by up Hemsida: to two orders of magnitude. http://www.teknat.uu.se/student Handledare: Ambuj Varshney Ämnesgranskare: Dragos Dancila Examinator: Tomas Nyberg ISSN: 1401-5757, UPTEC F18039 Tryckt av: UPPSALA Popularvetenskaplig¨ Sammanfattning Utbudet av tradl˚ osa¨ apparater, sa˚ som tradl˚ osa¨ horlurar,¨ mobiltelefoner, smarta klockor och sensorer okar¨ lavinartat i samhallet.¨ I hemmen skapas allt storre¨ hogar¨ av laddningskablar som vi far˚ anvanda¨ allt oare nar¨ baerierna i apparaterna blir allt samre¨ med tiden. Men alla som besokt¨ e modernt bib- liotek under senare tid, kopt¨ e ny kladesplagg,¨ anvant¨ e passerkort eller rest med e ny EU-pass kanske vet a information kan skickas kortare strackor¨ utan anvandningen¨ av baerier. Denna teknik kallas radiofrekvensidentiering (RFID). I denna studie undersoks¨ mojligheten¨ a anvanda¨ RFID for¨ a kommunicera pa˚ langre¨ distanser, med sye a minska eektforbrukningen¨ i e baeri till en tusendel av dagens forbrukning,¨ eller helt ta bort baeriet i framtida tradl˚ osa¨ apparater. Utan dagens stora baeri skulle morgondagens tradl˚ osa¨ apparater kunna bli mindre, laare¨ och smidigare a anvanda¨ da˚ de inte skulle vara beroende av a behova¨ laddas. E baerilost,¨ passivt, RFID-system bestar˚ av en lasare¨ och en transponder (tagg). Lasaren¨ ar¨ oast en storre¨ apparat vars uppgi ar¨ a ta emot och sanda¨ barsignaler¨ till taggen, som skickar tillbaka informationen till lasaren.¨ Taggen skickar informationen genom a sprida tillbaka barsignalen¨ pa˚ e kontrollerat och eektsnalt˚ sa.¨ Dea kan liknas vid en spegel som reekterar synligt ljus, men istallet¨ for¨ en spegel anvander¨ taggen en antenn och istallet¨ for¨ synligt ljus tillbakasprider antennen RF-signaler. Skillnaden mellan hur taggen skickar information, genom tillbakaspridning, och hur exempelvis mo- biltelefoner skickar information ar¨ avgorande¨ for¨ hur mobiltelefoner och andra tradl˚ osa¨ apparater ska kunna kommunicera mer energieektivt. De esta tradl˚ osa¨ apparater som anvands¨ idag maste˚ generera egna RF-signaler som skickas till moagaren. A generera dessa RF-signaler kraver¨ hog¨ eekt och ar¨ e av de primara¨ syena till varfor¨ baerier fortfarande anvandas¨ idag. I framtiden vill forskarna ta tillvara pa˚ redan bentliga RF-signaler som oa nns runtomkring oss, som exempelvis WiFi-signaler eller FM-signaler, och skicka information genom a tillbakasprida dessa istallet¨ for¨ a behova¨ generera nya RF-signaler. En tagg bestar˚ av en antenn och e kretskort. Kretskortet kraver¨ valdigt¨ lag˚ eekt for¨ a drivas, och kan i e passivt RFID-system drivas av energi fran˚ barsignalen.¨ For¨ a mojligg¨ ora¨ langdistanskommunikation˚ har forskare utvecklat den semipassiva taggen, vilket bygger pa˚ a det interna kretskortet drivs av en ex- tern kalla¨ som till exempel e baeri eller fotodiod. Skillnaden mot de tradl˚ osa¨ apparater som nns idag ar¨ a en semipassiv tagg kan drivas pa˚ eekter i storleksordningen µW, medan till exempel mobiltele- foner kraver¨ eekter i storleksordningen mW for¨ a generera RF-signaler. Den laga˚ eektforbrukningen¨ forl¨ anger¨ baeritiden for¨ den semipassive taggen jamf¨ ort¨ med baeritiden i dagens tradl˚ osa¨ apparater. I denna studie undersoks¨ mojligheten¨ a forl¨ anga¨ kommunikationsdistansen mellan en tagg och en lasare¨ genom a implementera en forst¨ arkare¨ i taggen. De senaste aren˚ har tunneldioden visat sig kunna ge hog¨ forst¨ arkning¨ vid lag˚ eektforbrukning,¨ och darf¨ or¨ anvands¨ tunneldioden i denna studie. Vid laga˚ spanningar¨ har tunneldioden en negativ resistans, vilket kan forst¨ arka¨ en inkommande RF-signal. Eer- som tunneldioden inte tillverkas langre¨ idag, anvandes¨ en gammal tunneldiod (1N3714) som tillverkades av General Electrics pa˚ 60- eller 70-talet. Tillbakaspridningsmatningar¨ och oscilloskopmatningar¨ visar a forst¨ arkartaggen¨ kan forst¨ arka¨ en RF-signal 35 dB jamf¨ ort¨ med en oforst¨ arkt¨ tagg, samtidigt som forst¨ arkar-taggen¨ forbrukar¨ 48 µW. Vid distansberakningar¨ visar forst¨ arkartaggen¨ en god form¨ aga˚ a forst¨ arka¨ svaga signaler, och oka¨ kommunikationsdistansen med upp till 58 ganger˚ vid barsignaler¨ pa˚ -110 dBm, och dubbla kommunikationsdistansen vid barsignaler¨ pa˚ -50 dBm. Vid -110 dBm blir kom- munikationsdistansen 10 m och for¨ -50 dBm blir kommunikationsdistansen 420 m. Forst¨ arkartaggen¨ byggs av kopparremsor som limmas pa˚ en PCB-plaa tillsammans med en DC-block- kondensator (67 pF) och en AC-blockspole (47 µH). For¨ a hia den spanning¨ dar¨ tunneldioden fungerar 1 som forst¨ arkare¨ gors¨ en strom-sp¨ anningskurva¨ med hjalp¨ av DC-kalla¨ och tva˚ multimetrar for¨ a mata¨ strom¨ och spanning.¨ For¨ a stalla¨ in forst¨ arkaren¨ pa˚ a forst¨ arka¨ signaler med frekvensen 868 MHz anvands¨ e matchande natverk.¨ Forst¨ arkartaggen¨ stalls¨ in a ge forst¨ arkning¨ pa˚ ra¨ frekvens genom anvandningen¨ av en vektornatverksanalysator¨ (VNA). Matningar¨ visar a tunneldiodens egenskaper for-¨ andras¨ vid olika RF-signalstyrkor, vilket medfor¨ a det matchande natverket¨ fungerar bast¨ i e in- tervall av barsignalstyrkor.¨ Dea ar¨ anledningen till a forst¨ arkartaggen¨ ger en forst¨ arkning¨ pa˚ pa˚ 35 dB jamf¨ ort¨ med en oforst¨ arkt¨ tagg vid sma˚ RF-signalerstyrkor. Tunneldioden visar i denna studie en god form¨ aga˚ a framfor¨ allt forst¨ arka¨ svaga RF-signaler. Vid svaga barsignaler¨ kan en tagg med en tunneldiod av typ 1N3714 ge en maximal kommunikationsdistans pa˚ 10 m, vilket ar¨ 58 ganger˚ langre¨ an¨ for¨ en tag utan forst¨ arkare.¨ Aven¨ om 10m ej racker¨ for¨ langdistans-˚ kommunikation, racker¨ det val¨ for¨ manga˚ inomhusapplikationer. Om egenskaperna hos det matchande natverket¨ kan konstrueras pa˚ e sa¨ sa˚ a forst¨ arkningen¨ pa˚ 35 dB sker vid starkare RF-signaler skulle tunneldioden kunna mojligg¨ ora¨ langdistanskommunikation˚ vid ultralaga˚ eektforbrukningar.¨ 2 Preface is is a 30 ECTS master thesis which concludes my program in Engineering Physics, 300 ECTS, at Up- psala University. is master work was done at the department of Information Technology, at Uppsala University together with the Uppsala Networked Objects (UNO) group, where I had my supervisor Ambuj Varshney. My subject reviewer was Dragos Dancila from the division of Solid-State Electronics, and my examiner was Tomas Nyberg from the division of Solid-State Electronics. is project has given me a deeper insight in the interesting research eld of backscaer communication, which I believe will play an important part in the way to communicate between wireless devices in the future. I would like to thank Ambuj Varshney for all the encouragement, time and belief that he has given during the whole thesis. anks to him I have had the opportunity to both improve my project and engineering skills in the most interesting and fun way. I would also like to thank the whole UNO-group and especially Professor iemo Voigt and Professor Christian Rohner for the warm welcome to the department and for all the help that I have goen during the whole thesis. I would like to thank Dragos Dancila for the help, and the opportunity for me to present my master thesis during the conference: Swedish Microwave Days, in Lund. Finally, I would like to thank my partner, friends and family for their encouragement and support during these months. LIST OF ABBREVIATIONS ABT: Amplied Backscaer Tag AC: Alternating Current ADS: Advanced Design System DC: Direct Current FET Field-Eect Transistor IoT: Internet of ings MESFET: MEtalSemiconductor Field Eect Transistor pHEMT: pseudomorphic High Electron Mobility Transistor RF: Radio Frequency RFID: Radio Frequency IDentication UBT: Unamplied Backscaer Tag VNA: Vector Network Analyzor KEYWORDS Amplied backscaer tag, Reection amplier, Baery-free, Long-range communication, Tunnel diode, Ultra-low power consumption, RFID, Frequency shi. 3 Contents 1 Introduction 5 2 Background 6 2.1 Radio Frequency Identication................................6 2.2 Monostatic and Bistatic setup................................7 2.3 Mixing Property of the Backscaer Communication....................8 2.4 Related work..........................................9 2.5 Diodes............................................. 11 2.5.1