ETD

• antenna
• microwave filters
• phased arrays
• RFID

This thesis has addressed the design and development of key building blocks for backscatter-based radio frequency systems, particularly the development of novel chipless Radio-Frequency Identification (RFID) reader architectures, phasedarray antenna systems based on two-way array factor, and ultrawideband microstrip bandpass filters. The backscatter-based radio frequency systems are widely used in radar and RFID applications, where overall performance is governed by the interaction between the transmitted electromagnetic signal, the scattering characteristics of the target or engineered tag, and the capability of the receiver to extract relevant information.
However, practical implementations of such systems are subject to several critical challenges, including weak backscattered signals, limited bandwidth, high sidelobe levels, poor angular resolution, and increased hardware cost and complexity. These challenges impose fundamental trade-offs between overall system performance and hardware feasibility, which remain insufficiently addressed in the existing state-of-the-art solutions.
In this context, the first research contribution of the dissertation focuses on the development of a novel chipless RFID reader architecture aimed at enhancing the spectral width of the interrogating signal while maintaining a cost-effective implementation. In conventional frequency-domain RFID readers, the bandwidth of the interrogating signal is directly limited by the bandwidth of the voltage-controlled oscillator, which significantly increases system cost when ultrawideband operation is required. The proposed reader approach overcomes this limitation by enabling a substantial expansion of the interrogating signal bandwidth using low-frequency voltage-controlled oscillators and RF mixing techniques. The proposed novel RFID reader configuration has been analytically modelled and validated through simulation results by considering a 24-bit chipless RFID tag lumped circuit model. Finally, the proposed solutions confirm an effective interrogation of ultrawideband tags with a substantial reduction in hardware costs and implementation complexity compared to existing state-of-the-art solutions.
The second major contribution of this thesis concerns the development of advanced phased-array antenna architectures based on the concept of the two-way array factor.
In backscatter-based RF systems, such as radar and RFID, the overall radiation performance is governed by the combined effect of the transmit and backscattered electromagnetic signals. Consequently, the analysis and optimization of the two-way array factor are of primary importance. The key performance limitations in such systems include high sidelobe levels near the main radiating beam, poor directivity, limited angular resolution, as well as increased hardware cost and implementation complexity associated with beamforming network design. Conventional state-of-the-art sidelobe level reduction techniques, which are intended to suppress unwanted radiation outside the main beam and hence reduce interference, such as amplitude or phase tapering and optimization-based approaches, often lead to reduced directivity, degraded angular resolution, poor taper efficiency, and increased feeding network complexity. To address these limitations, this thesis develops a systematic array design methodology for three advanced phased array antenna configurations based on a two-way array factor that enables the best trade-off among the key antenna performance parameters, hardware cost, and complexity. The first array design solution is aimed at achieving low sidelobe levels without significantly compromising the directivity or gain using a two-weight amplitude distribution, which is important for maintaining strong radiation performance and reliable target identification or detection in practical RF sensing systems. The second proposed array design solution was primarily aimed at reducing hardware cost and implementation complexity through the intentional deactivation of a subset of antenna array elements, while preserving competitive radiation performance. This is particularly important in modern backscatter-based sensing and identification platforms, where reliable operation, compact design, and cost-effective implementation are often required simultaneously. The final proposed array design solution was developed to jointly achieve low sidelobe levels, reduced hardware cost, and lower implementation complexity through a subarray-based architecture in which the number of active elements is reduced, and a single-phase shifter is assigned to each subarray rather than to each individual element. This design strategy is particularly essential in practical array-based sensing and identification systems, where stringent performance requirements must be met while simultaneously drastically reducing hardware complexity.
The final research contribution of this thesis focuses on the design and development of an ultrawideband bandpass filter based on a multi-mode resonator topology. The overall performance of RF front-end systems, such as radar and RFID, is strongly affected by the characteristics of the bandpass filter, especially in terms of bandwidth, insertion loss, return loss, selectivity, and group delay flatness. Conventional ultrawideband filter design solutions often rely on multilayer structures or complex coupling mechanisms, which eventually increase fabrication complexity and implementation cost. In contrast, the proposed bandpass filters introduce a compact and practically realisable filter design approach that enables ultrawideband operation along with enhanced in-band performances while maintaining a simple planar implementation.
Overall, the research presented in this dissertation establishes a unified design perspective for backscatter-based electromagnetic systems by addressing the key fundamental building blocks that are important in determining overall system performance.
The proposed solutions collectively demonstrate that it is possible to achieve significant improvements in key performance parameters while simultaneously reducing hardware cost and implementation complexity. These contributions are particularly relevant for emerging applications in the Internet of Things, smart sensing environments, airborne sensing systems, healthcare monitoring, and low-cost wireless identification platforms, where compactness, energy efficiency, and scalability are critical requirements.

Questa tesi ha affrontato la progettazione e lo sviluppo di elementi fondamentali per sistemi a radiofrequenza basati su backscatter, in particolare lo sviluppo di nuove architetture di lettori Identificatori a Radiofrequanza (RFID) chipless, sistemi di antenne phased-array basati su two-way array factor e filtri passa-banda a microstriscia a banda ultralarga. I sistemi a radiofrequenza basati su backscatter sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni radar e RFID, dove le prestazioni complessive sono governate dall’interazione tra il segnale elettromagnetico trasmesso, le caratteristiche di scattering del bersaglio o del tag ingegnerizzato e la capacità del ricevitore di estrarre le informazioni rilevanti. Tuttavia, le implementazioni pratiche di tali sistemi sono soggette a diverse criticità, tra cui segnali retro-diffusi deboli, banda limitata, elevati livelli di lobi laterali, scarsa risoluzione angolare e aumento dei costi hardware e della complessità di implementazione. Queste criticità impongono compromessi stemi RF basati su backscatter, come radar e RFID, le prestazioni complessive di radiazione sono governate dall’effetto combinato dei segnali elettromagnetici trasmessi e retro-diffusi. Di conseguenza, l’analisi e l’ottimizzazione del two-way array factor assumono un’importanza primaria. Le principali limitazioni prestazionali in tali sistemi includono elevati livelli di lobi laterali in prossimità del fascio principale, scarsa direttività, limitata risoluzione angolare, nonché l’aumento dei costi hardware e della complessità di implementazione associata alla progettazione della rete di beamforming.
Le tecniche convenzionali allo stato dell’arte per la riduzione dei lobi laterali, finalizzate a sopprimere la radiazione indesiderata al di fuori del fascio principale e quindi a ridurre le interferenze, come il tapering in ampiezza o fase e gli approcci basati su ottimizzazione, portano spesso a una riduzione della direttività, a un degrado della risoluzione angolare, a una bassa efficienza di tapering e a un aumento della complessità della rete di alimentazione. Per affrontare tali limitazioni, in questa tesi viene sviluppata una metodologia sistematica di progettazione di array per tre configurazioni avanzate di antenne phased-array basate sul two-way array factor, che consente di ottenere il miglior compromesso tra i principali parametri prestazionali dell’antenna, il costo hardware e la complessità. La prima soluzione di progettazione dell’array è finalizzata al raggiungimento di bassi livelli di lobi laterali senza compromettere in modo significativo la direttività o il guadagno mediante una distribuzione di ampiezza a due pesi, aspetto fondamentale per mantenere elevate prestazioni di radiazione e un’identificazione o rilevamento affidabile del bersaglio nei sistemi di sensing RF. La seconda soluzione proposta per la progettazione dell’array è stata principalmente orientata alla riduzione dei costi hardware e della complessità di implementazione attraverso la disattivazione intenzionale di un sottoinsieme di elementi dell’array di antenne, preservando al contempo prestazioni di radiazione competitive. Questo risulta particolarmente rilevante nelle moderne piattaforme di sensing e identificazione basate su backscatter, dove affidabilità operativa, design compatto e implementazione a costo contenuto sono spesso richiesti simultaneamente. La soluzione progettuale finale proposta è stata sviluppata per ottenere congiuntamente bassi livelli di lobi laterali, riduzione dei costi hardware e minore complessità di implementazione mediante un’architettura basata su sotto-array, in cui il numero di elementi attivi è ridotto e un singolo sfasatore è assegnato a ciascun sotto-array anziché a ciascun elemento individuale. Questa strategia di progettazione è particolarmente importante nei sistemi di sensing e identificazione basati su array, dove devono essere soddisfatti requisiti prestazionali stringenti riducendo al contempo in modo significativo la complessità hardware.
Il contributo di ricerca finale di questa tesi si concentra sulla progettazione e sullo sviluppo di un filtro passa-banda a banda ultralarga basato su una topologia a risonatore multimodale. Le prestazioni complessive dei sistemi front-end RF, come radar e RFID, sono infatti fortemente influenzate dalle caratteristiche del filtro passa-banda, in particolare in termini di larghezza di banda, perdita di inserzione, perdita di ritorno, selettività e planarità del ritardo di gruppo. Le soluzioni convenzionali per la progettazione di filtri a banda ultralarga si basano spesso su strutture multistrato o su meccanismi di accoppiamento complessi, che comportano un aumento della complessità di fabbricazione e del costo di implementazione. Al contrario, i filtri passa-banda proposti introducono un approccio di progettazione compatto e facilmente realizzabile dal punto di vista pratico, che consente il funzionamento a banda ultralarga con prestazioni in banda sensibilmente fondamentali tra le prestazioni complessive del sistema e la fattibilità hardware, che rimangono ancora insufficientemente affrontati nelle soluzioni allo stato dell’arte.
In questo contesto, il primo contributo di ricerca della tesi si concentra sullo sviluppo di una nuova architettura di lettore RFID chipless, finalizzata ad aumentare la larghezza spettrale del segnale di interrogazione mantenendo al contempo un costo contenuto dell’implementazione . Nei lettori RFID convenzionali in dominio di frequenza, la larghezza di banda del segnale di interrogazione è direttamente limitata dalla larghezza di banda dell’oscillatore controllato in tensione, il che comporta un significativo aumento dei costi di sistema quando è richiesta un’operazione a banda ultralarga. L’approccio proposto per il lettore supera tale limitazione consentendo una significativa espansione della larghezza di banda del segnale di interrogazione mediante l’impiego di oscillatori controllati in tensione a bassa frequenza e tecniche di mixing RF. La configurazione proposta del lettore RFID è stata modellata analiticamente e validata attraverso simulazioni considerando un modello a circuito equivalente discreto di un tag RFID chipless a 24 bit. Infine, le soluzioni proposte confermano un’operazione di interrogazione efficace di tag a banda ultralarga con una sostanziale riduzione dei costi hardware e della complessità di implementazione rispetto alle soluzioni esistenti allo stato dell’arte.
Il secondo contributo principale di questa tesi riguarda lo sviluppo di architetture avanzate di antenne phased-array basate sul concetto di two-way array factor. Nei simigliorate, mantenendo al contempo una semplice implementazione planare.
Nel complesso, la ricerca presentata in questa tesi stabilisce una prospettiva unificata di progettazione per i sistemi elettromagnetici basati su backscatter, affrontando i principali elementi fondamentali che determinano le prestazioni complessive del sistema.
Le soluzioni proposte dimostrano complessivamente che è possibile ottenere miglioramenti significativi nei principali parametri prestazionali, riducendo al contempo costi hardware e complessità di implementazione. Questi contributi risultano particolarmente rilevanti per applicazioni emergenti come l’Internet of Things, negli ambienti di sensing intelligenti, nei sistemi di sensing aeronautico, nel monitoraggio sanitario e nelle piattaforme di identificazione wireless a basso costo, dove compattezza, efficienza energetica e scalabilità rappresentano requisiti fondamentali.