A radiofrequency identification system for the 60 GHz ISM band

Abstract

Over the past decade, there has been an increasing interest in mm-wave wireless broadband systems and enabling technologies. This consistent effort has been motivated by the foreseen opportunities for V-band (40 to 75 GHz) technology in the market of broad consumer electronics. This frequency band could change the way we experience wireless communication at home due to some unique features. 60 GHz is placed in an oxygen absorption peak, meaning high attenuation takes effect, adding advantages such as high frequency reuse and improved security due to the difficulty of eavesdropping. Also, and on a more relevant note, mm-wave operation allows for the development of unprecedented ultra-small antenna arrays and integrated transceiver modules for applications where small footprint devices are of utmost importance. In this dissertation we apply millimetre-wave technology to implement a radiofrequency identification system and show how it can be used for tracking retained surgical instruments and sponges. Retained foreign bodies after operative interventions are considered a preventable mistake. However, literature shows that they’re still an occurrence in hospitals worldwide because current prevention methods rely on human performance. Technology-supported approaches, namely by radiofrequency identification (RFID), is a logical solution to the problem. By placing a small tag in the surgical objects, they could be identified by a reader device in a base-station. Establishment of 60 GHz link was successful up to distances of 5 meters using a commercial V-band converter without the usage of antennas. A frequency multiplexing strategy was used to code a binary sequence into the signal. Also, a downconversion and rectification system was employed using off-the-shelf and DIP components for RF-to-DC conversion, in order to reproduce the transmitted sequence at reception. A feasibility study was made in relation to the sponge’s influence, according to water content, in wave propagation, proving the undeniable potential of mm-wave technology for the application at hand. The system that was implemented and validated could possibly be a target for miniaturization, improving the proposed solution, considering the small sizes of surgical instruments in general.

Foi notável, no decorrer da passada década, o crescente interesse em sistemas sem fios de banda larga que comunicam usando ondas milimétricas. Este esforço continuado tem sido motivado pelas oportunidades que se preveem para as tecnologias nesta banda de frequências relativamente ao mercado da eletrónica de consumo. Esta banda de frequências pode alterar a maneira como tiramos partido das comunicações sem fios em casa devido às suas características peculiares. Os 60 GHz estão posicionados num pico de absorção do oxigénio, o que significa que existe uma alta atenuação atmosférica. Esta qualidade permite uma elevada “reutilização” de frequência, assim como uma segurança acrescentada, como consequência da dificuldade de escuta entre canais. Além disso, a operação em frequências tão elevadas permite o desenvolvimento de agregados de antenas ultrapequenos e dispositivos com níveis de integração sem precedência, para uso em aplicações que exigem equipamentos miniaturizados. Nesta dissertação, utiliza-se a tecnologia de ondas milimétricas a fim de implementar um sistema de identificação por radiofrequência (RFID) e mostra-se de que maneira pode ser usado para a deteção de instrumentos e esponjas retidas no decorrer de cirurgias. Corpos retidos depois de uma intervenção cirúrgica são considerados erros evitáveis. Contudo, a documentação existente mostra que continuam a ser uma ocorrência em hospitais de todo o mundo, uma vez que as medidas de prevenção atuais dependem do desempenho humano. Abordagens baseadas em tecnologia, nomeadamente por identificação por radiofrequência são a solução lógica para o problema. Colocando um pequeno rótulo (tag) no instrumento cirúrgico, este poderia ser identificado por um dispositivo de leitura numa estação base. Fez-se um estudo da influência das esponjas cirúrgicas e do seu conteúdo em água na propagação das ondas de alta frequência, provando-se o potencial dos sistemas de ondas milimétricas para a aplicação em mão. O estabelecimento de uma conexão nos 60 GHz foi bem sucedido até uma distância de 5 metros usando um conversor de bandas comercial sem o uso de antenas. Além disso, uma estratégia de multiplexing de frequência foi usada para codificar uma sequência binária no sinal. Para mais, montou-se um sistema de downconversion e retificação usando componentes off-the-shelf e DIP para uma conversão de RF para DC, a fim de reproduzir a sequência transmitida na receção. O sistema RFID que foi implementado e validado poderá ser alvo de miniaturização, numa tentativa de melhorar as características da solução proposta, especialmente quando se considera as pequenas dimensões da instrumentação cirúrgica num aspeto geral.