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S. Rizkalla:
"Design of Non-galvanic HF RFID Cards by Non-linear Optimization and its Experimental Verification";
Supervisor, Reviewer: C. Mecklenbräuker, A. Wittneben, K. Witrisal; Institute of Telecommunications, 2018; oral examination: 12-11-2018.

Billions of HF RFID cards/tags are manufactured with a significant increase each year in the market of RFID applications. This drives the industry to investigate different aspects in order to reduce the manufacturing costs and enhance the card's lifetime. One of the methods to achieve these goals is to remove the electrically conducting "galvanic" connection between the card's body and the IC since the galvanic connection is costly in manufacturing and reduces the card's robustness against mechanical stress.

We investigate different designs for HF RFID cards with non-galvanic connection between the card's body and the IC starting from the fundamental Bode-Fano limit. This investigation leads us to introduce the non-galvanic booster-based cards designed to achieve the same power transfer levels as the conventional galvanic cards. Our booster-based cards are also more flexible in achievable bandwidth designs for a given IC. However, this flexibility comes at the expense of higher design complexity.

We also investigate a rather recent non-galvanic card design that uses a metallic CF with a slot and a gap, instead of the conventional coil structure. This type of cards existed for several years without any explanation of its principle of operation. We explained its operation by basic electromagnetic principles and FEM simulations, where we proved that it operates through inductive coupling, rather than capacitive coupling as this was assumed previously. Further, we introduced two enhanced designs for such metallic CFs.

Though the non-galvanic cards solve some real-world challenges for HF RFID cards, their design still needs to be optimized to pass several standardized tests before commercial use. Through our investigations, we found that the IC frontend significantly limits the card's operation range. We investigate the specified IC model components that are defined by the standard within the Reference PICC, where we analyze its basic three circuits and also introduce a simplification and an enhancement to its design. We also introduce a novel method to model commercial ICs leading to higher modeling accuracy compared to existing methods. Further, we measure and calculate the first model of the HF RFID IC when it is communicating by load modulation. Moreover, we investigate the IC's requirements to communicate at all the basic bit rates specified in the standard. These investigations shed a light on many restrictions that need to be accounted for in the card's optimization criterion to pass the standardized tests.

Finally, we formulate a constrained minimization problem that accounts for all these aspects to render a standard-compliant galvanic card and we extend this approach also to non-galvanic cards. The results of this optimization algorithm are verified by prototypes on booster-based cards that pass the standardized tests for all basic bit rates.

Milliarden an HF RFID Karten (Tags) werden jährlich hergestellt, wobei der Markt der RFID-Anwendungen stark anwächst.
Dies treibt die Industrie an, mehrere Aspekte zu untersuchen, mit dem Ziel, die Herstellungskosten zu senken und die Lebensdauer der Karte zu erhöhen. Ein Ansatz, um diese Ziele zu erreichen, ist, auf eine elektrisch leitfähige (galvanische) Verbindung zwischen Karte und der integrierten Schaltung (engl: IC) zu verzichten, da diese galvanische Verbindung die Herstellungskosten erhöht und die Robustheit der Karte gegenüber mechanischer Belastung gefährdet.

Wir untersuchen verschiedene Entwürfe für HF RFID Karten mit nicht-galvanischer Verbindung zwischen Karte und IC ausgehend von der grundlegenden Bode-Fano Grenze. Diese Untersuchung führt auf nicht-galvanische booster-basierte Karten, die die gleichen Leistungspegel übertragen wie die herkömmlichen galvanischen Karten. Unsere booster-basierten Karten sind flexibler im Design als galvanische Karten hinsichtlich der erreichbaren Bandbreiten für einen vorgegebenen IC. Diese Flexibilität erfordert jedoch eine höhere Komplexität des Designs.

Wir untersuchen auch ein aktuelles nicht-galvanisches Kartendesign, das einen metallischen Kopplungsrahmen (engl: CF) mit einem Schlitz und einer Aussparung anstelle der herkömmlichen Spulenstruktur verwendet. Diese Kartenart existierte bereits seit einigen Jahren ohne korrekte Erklärung ihrer Funktionsweise. Wir haben die Grundlagen der Funktionsweise der Karte durch die Verwendung grundlegender elektromagnetischer Prinzipien und FEM-Simulationen erklärt, wobei wir bewiesen haben, dass der Kopplungsrahmen auf einer induktiven Kopplung beruht, anstelle einer kapazitiven Kopplung, wie vormals angenommen wurde. Zusätzlich vorstellen wir zwei verbesserte Designs für metallische Kopplungsrahmen.

Obwohl die nicht-galvanischen Karten einige praktische Herausforderungen lösen, müssen sie dennoch optimiert werden, um die erforderlichen standardisierten Tests zu bestehen, bevor sie kommerziell eingesetzt werden können. Durch unsere Untersuchungen haben wir festgestellt, dass der integrierte Schaltkreis eine erhebliche Einschränkung des Betriebsbereichs der Karte bedingt. Wir untersuchen die spezifizierten Modellkomponenten des IC, die im Standard festgelegt sind in der Referenz PICC, wobei wir seine drei Grundschaltungen analysieren und sowohl eine Vereinfachung als auch eine Verbesserung seines Designs einführen. Wir führen außerdem eine neuartige Modellierungsmethode kommerzieller ICs ein, die zu einer höheren Modellgenauigkeit führt verglichen mit bisherigen Methoden. Außerdem messen und berechnen wir das erste Modell des HF RFID IC, während es durch Lastmodulation kommuniziert. Darüberhinaus untersuchen wir die Anforderungen des IC, um mit allen im Standard definierten Bitraten übertragen zu können. Diese Untersuchungen zeigen, dass es viele Einschränkungen gibt, die im Kartenoptimierungskriterium berücksichtigt werden müssen, um die standardisierten Tests zu bestehen.

Schließlich formulieren wir eine Minimierungsaufgabe unter Nebenbedingungen, die all diese Aspekte berücksichtigt, um ein standardkonformes Design für eine HF RFID Karte zu erhalten und wir erweitern diesen Ansatz auch auf nicht-galvanische Karten. Die Ergebnisse der Optimierung werden durch gefertigte Prototypen für booster-basierte Karten verifiziert, die die standardisierten Tests für alle Standard-Bitraten bestehen.

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https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_275616.pdf