Novel spatio-temporal concepts for Surface Acoustic Wave Radio Frequency Identification Tags
Neuartige räumlich-zeitliche Konzepte für Oberflächenwellen Radio Frequency Identification Tags
Creators: name: Calderó Bardaji, Pau
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik

description: Wireless sensor technologies are valuable interfaces between the physical and digital worlds, playing a fundamental role in automation and digitalization applications in industrial contexts by providing functions such as estimation of physical parameters and localization of assets. Surface acoustic wave (SAW) technology offers an attractive passive and robust solution due to its working principle and characteristics, which allow it to operate under harsh situations. Nevertheless, to reconstruct their modulation effects or enable the evaluation of multiple tags, special methods must be applied. The novel methodology proposed in this dissertation is based on the coherent collection of multiple interrogations integrating spatio-temporal information, which, together with signal processing algorithms, offers a solution with multiple advantages to achieve wideband sensing, signal-to-noise ratio (SNR) enhancement, three-dimensional localization with multipath resistance and multiple tag access to SAW tags. The concepts developed were based on the mathematical models of SAW tag signals, including their ambiguities, which were analysed and taken into account for the implementation of processing and sampling requirements, exploiting spatio-temporal diversity to reconstruct modulated signal responses. The concepts investigated were implemented using a multi-channel wireless reader architecture with four-channel frequency-modulated continuous wave (FMCW) interrogation in the 2.4 GHz ISM band, which enabled continuous parallel acquisition and processing with a master latency defined by a single interrogation duration. A wideband sensing concept enhanced with spatial diversity was implemented to measure the vibrations of rotating engine components at kiloHertz frequencies, demonstrating the acquisition of different patterns according to healthy and faulty motor conditions. In addition, based on coherent signal integration over real and synthetic apertures, a wideband holographic signal reconstruction of SAW tag signals was achieved that showed centimeter-level 3D localization under multipath conditions. Furthermore, for the first time, multiple tag access based on the spatial reconstruction of individual reflector responses was demonstrated.
description: Drahtlose Sensortechnologien sind wichtige Schnittstellen zwischen der physischen und der digitalen Welt und spielen eine grundlegende Rolle bei der Automatisierung und Digitalisierung in der Industrie, indem sie Funktionen wie die Schätzung physikalischer Parameter und die Lokalisierung von Waren bereitstellen. Die akustische Oberflächenwellentechnologie (OFW) bietet aufgrund ihres Funktionsprinzips und ihrer Eigenschaften eine attraktive passive und robuste Lösung, die unter schwierigsten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann. Um jedoch ihre Modulationseffekte zu rekonstruieren oder mehrere Tags auszuwerten, müssen spezielle Methoden angewandt werden. Die hier vorgestellten neuartigen Verfahren basieren auf der kohärenten Erfassung mehrerer Abfragen mit räumlich-zeitlichen Informationen, die zusammen mit Signalverarbeitungsalgorithmen eine Lösung mit mehreren Vorteilen bieten, wie Breitbandmessungen, ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und die dreidimensionale Lokalisierung mit Mehrwegresistenz und Mehrfachzugriff auf OFW-Tags. Die entwickelten Konzepte basieren auf den mathematischen Modellen der OFW-Tag-Signale, einschließlich ihrer Mehrdeutigkeiten, die analysiert und bei der Umsetzung der Verarbeitungs- und Abtastanforderungen berücksichtigt wurden, wobei die räumlich-zeitliche Diversität zur Rekonstruktion der modulierten Signalantworten ausgenutzt wurde. Die untersuchten Konzepte wurden mit einer drahtlosen Mehrkanal-Leserarchitektur mit vierkanaliger frequenzmodulierter Dauerstrichabfrage im 2,4-GHz-ISM-Band umgesetzt, die eine kontinuierliche parallele Erfassung und Verarbeitung mit einer durch die Abfragedauer definierten Master-Latenz ermöglicht. Ein mit räumlicher Diversität angereichertes Sensorkonzept wurde zur Messung der Schwingungen rotierender Motorkomponenten bei Kilohertz-Frequenzen implementiert, wobei die Erfassung unterschiedlicher Muster je nach Motorzustand demonstriert wurde. Außerdem wurde mit einer kohärenten Signalintegration über reale und synthetische Aperturen eine breitbandige holografische Rekonstruktion von OFW-Tags erreicht, die eine 3D-Lokalisierung auf Zentimeter-Ebene unter Mehrwegausbreitung zeigte. Letztlich wurde zum ersten Mal der Zugriff auf mehrere Tags durch räumliche Rekonstruktion einzelner Reflektorantworten demonstriert.