أخبار

باعتبارها الجزء الأساسي من تكنولوجيا إنترنت الأشياء السلبية، فقد تم استخدام علامات UHF RFID السلبية على نطاق واسع في عدد كبير من التطبيقات مثل البيع بالتجزئة في السوبر ماركت، والخدمات اللوجستية والتخزين، وأرشيفات الكتب، وإمكانية التتبع لمكافحة التزييف، وما إلى ذلك. فقط في عام 2021، عالميًا مبلغ الشحن أكثر من 20 مليار.في التطبيقات العملية، ما الذي تعتمد عليه بالضبط شريحة بطاقة UHF RFID لتوفير الطاقة؟

خصائص مصدر الطاقة للعلامة السلبية UHF RFID

1. مدعوم بالطاقة اللاسلكية

يستخدم نقل الطاقة اللاسلكي الإشعاع الكهرومغناطيسي اللاسلكي لنقل الطاقة الكهربائية من مكان إلى آخر.تتمثل عملية العمل في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة تردد راديوي من خلال تذبذب التردد الراديوي، ويتم تحويل طاقة التردد الراديوي إلى طاقة مجال كهرومغناطيسي راديوي من خلال هوائي الإرسال.تنتشر طاقة المجال الكهرومغناطيسي الراديوي عبر الفضاء وتصل إلى هوائي الاستقبال، ثم يتم تحويلها مرة أخرى إلى طاقة تردد راديوي بواسطة هوائي الاستقبال، وتتحول موجة الكشف إلى طاقة تيار مستمر.

في عام 1896، اخترع الإيطالي غولييلمو مارشيز ماركوني الراديو، الذي حقق نقل الإشارات الراديوية عبر الفضاء.في عام 1899، اقترح الأمريكي نيكولا تيسلا فكرة استخدام نقل الطاقة لاسلكيًا، وأنشأ هوائيًا يبلغ ارتفاعه 60 مترًا، ومُحمَّلًا بتحريض في أسفل، وسعة محملة في الأعلى في كولورادو، باستخدام تردد 150 كيلو هرتز لإدخال 300 كيلو واط من الطاقة.فهو ينقل على مسافة تصل إلى 42 كم، ويحصل على 10 كيلو واط من طاقة الاستقبال اللاسلكية في الطرف المتلقي.

يتبع مصدر طاقة العلامة السلبية UHF RFID هذه الفكرة، ويقوم القارئ بتزويد العلامة بالطاقة من خلال تردد الراديو.ومع ذلك، هناك فرق كبير بين مصدر الطاقة السلبي UHF RFID واختبار Tesla: التردد أعلى بما يقرب من عشرة آلاف مرة، ويتم تقليل حجم الهوائي بمقدار ألف مرة.وبما أن خسارة الإرسال اللاسلكي تتناسب مع مربع التردد وتتناسب مع مربع المسافة، فمن الواضح أن الزيادة في خسارة الإرسال هائلة.إن أبسط وضع انتشار لاسلكي هو الانتشار في الفضاء الحر.تتناسب خسارة الانتشار عكسيا مع مربع طول موجة الانتشار وتتناسب مع مربع المسافة.وخسارة الانتشار في الفضاء الحر هي LS=20lg(4πd/L).إذا كانت وحدة المسافة d هي m ووحدة التردد f هي MHz، فإن LS = -27.56+20lgd+20lgf.

يعتمد نظام UHF RFID على آلية نقل الطاقة اللاسلكية.لا تحتوي العلامة السلبية على مصدر طاقة خاص بها.يحتاج إلى استقبال طاقة التردد اللاسلكي المنبعثة من القارئ وإنشاء مصدر طاقة تيار مستمر من خلال تصحيح مضاعفة الجهد، وهو ما يعني إنشاء مصدر طاقة تيار مستمر من خلال مضخة شحن ديكسون.

يتم تحديد مسافة الاتصال المطبقة للواجهة الهوائية UHF RFID بشكل أساسي من خلال قدرة إرسال القارئ وخسارة الانتشار الأساسية في الفضاء.عادةً ما تقتصر طاقة إرسال قارئ RFID بنطاق UHF على 33 ديسيبل مللي واط.ومن صيغة خسارة الانتشار الأساسية، وتجاهل أي خسائر محتملة أخرى، يمكن حساب قدرة التردد اللاسلكي التي تصل إلى العلامة من خلال نقل الطاقة لاسلكيًا.يوضح الجدول العلاقة بين مسافة الاتصال للواجهة الهوائية UHF RFID وخسارة الانتشار الأساسية وقدرة التردد الراديوي التي تصل إلى العلامة:

يمكن أن نرى من الجدول أن نقل الطاقة اللاسلكي UHF RFID يتميز بخصائص فقدان الإرسال الكبير.نظرًا لأن RFID يتوافق مع قواعد الاتصال الوطنية للمسافات القصيرة، فإن قوة نقل القارئ محدودة، لذلك يمكن للعلامة توفير طاقة منخفضة.مع زيادة مسافة الاتصال، تنخفض طاقة التردد اللاسلكي التي تتلقاها العلامة السلبية وفقًا للتردد، وتقل سعة إمداد الطاقة بسرعة.

2. تنفيذ إمدادات الطاقة عن طريق شحن وتفريغ مكثفات تخزين الطاقة الموجودة على الشريحة

(1) خصائص شحن وتفريغ المكثف

تستخدم العلامات السلبية نقل الطاقة لاسلكيًا للحصول على الطاقة، وتحويلها إلى جهد تيار مستمر، وشحن وتخزين المكثفات الموجودة على الرقاقة، ثم توفير الطاقة للحمل من خلال التفريغ.لذلك، فإن عملية إمداد الطاقة للعلامات السلبية هي عملية شحن وتفريغ المكثف.عملية التأسيس هي عملية شحن خالصة، وعملية إمداد الطاقة هي عملية تفريغ وشحن إضافي.يجب أن يبدأ الشحن الإضافي قبل أن يصل جهد التفريغ إلى الحد الأدنى من جهد إمداد الشريحة.

(2) معلمات شحن وتفريغ المكثف

1) معلمات الشحن

طول وقت الشحن: τC=RC×C

شحن الجهد:

إعادة الشحن الحالي:

حيث RC هو مقاوم الشحن وC هو مكثف تخزين الطاقة.

2) معلمات التفريغ

طول وقت التفريغ: τD=RD×C

جهد التفريغ:

تيار التفريغ:

في الصيغة، RD هي مقاومة التفريغ، وC هو مكثف تخزين الطاقة.

ما ورد أعلاه يوضح خصائص مصدر الطاقة للعلامات السلبية.إنه ليس مصدر جهد ثابت ولا مصدر تيار ثابت، بل هو شحن وتفريغ مكثف تخزين الطاقة.عندما يتم شحن مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة فوق جهد التشغيل V0 لدائرة الرقاقة، فيمكنه توفير الطاقة للعلامة.عندما يبدأ مكثف تخزين الطاقة بتزويد الطاقة، يبدأ جهد مصدر الطاقة الخاص به في الانخفاض.عندما ينخفض ​​إلى ما دون جهد تشغيل الشريحة V0، يفقد مكثف تخزين الطاقة قدرته على إمداد الطاقة ولا يمكن للرقاقة الاستمرار في العمل.ولذلك، يجب أن تتمتع بطاقة الواجهة الهوائية بسعة كافية لإعادة شحن العلامة.

يمكن ملاحظة أن وضع إمداد الطاقة للعلامات السلبية مناسب لخصائص الاتصال المتواصل، ويحتاج مصدر الطاقة للعلامات السلبية أيضًا إلى دعم الشحن المستمر.

3 توازن العرض والطلب

مصدر طاقة الشحن العائم هو طريقة أخرى لإمداد الطاقة، ويتم تكييف سعة مصدر طاقة الشحن العائم مع قدرة التفريغ.ولكن لديهم جميعا مشكلة مشتركة، وهي أن إمدادات الطاقة لعلامات UHF RFID السلبية تحتاج إلى تحقيق التوازن بين العرض والطلب.

(1) وضع إمداد الطاقة لتوازن العرض والطلب للاتصالات المتقطعة

ينتمي المعيار الحالي ISO/IEC18000-6 الخاص بالعلامات السلبية UHF RFID إلى نظام الاتصالات المتتابعة.بالنسبة للعلامات السلبية، لا يتم إرسال أي إشارة خلال فترة الاستقبال.على الرغم من أن فترة الاستجابة تستقبل الموجة الحاملة، إلا أنها تعادل الحصول على مصدر التذبذب، لذلك يمكن اعتبارها عملاً بسيطًا.طريق.بالنسبة لهذا التطبيق، إذا تم استخدام فترة الاستقبال كفترة شحن مكثف تخزين الطاقة، وفترة الاستجابة هي فترة تفريغ مكثف تخزين الطاقة، تصبح الكمية المتساوية من الشحن والتفريغ للحفاظ على توازن العرض والطلب شرط ضروري للحفاظ على التشغيل الطبيعي للنظام.يمكن معرفة من آلية إمداد الطاقة لعلامة UHF RFID السلبية المذكورة أعلاه أن مصدر الطاقة لعلامة UHF RFID السلبية ليس مصدر تيار ثابت ولا مصدر جهد ثابت.عندما يتم شحن مكثف تخزين الطاقة بجهد أعلى من جهد التشغيل العادي للدائرة، يبدأ إمداد الطاقة؛عندما يتم تفريغ مكثف تخزين الطاقة إلى جهد أقل من جهد التشغيل العادي للدائرة، يتم إيقاف مصدر الطاقة.

بالنسبة للاتصالات المتتابعة، مثل الواجهة الهوائية UHF RFID للعلامة السلبية، يمكن شحن الشحنة قبل أن ترسل العلامة دفعة استجابة، وهو ما يكفي لضمان إمكانية الحفاظ على الجهد الكافي حتى اكتمال الاستجابة.لذلك، بالإضافة إلى إشعاع التردد اللاسلكي القوي بما يكفي الذي يمكن أن تستقبله العلامة، يجب أيضًا أن تتمتع الشريحة بسعة كبيرة بما يكفي على الشريحة ووقت شحن طويل بما يكفي.يجب أيضًا تكييف استهلاك طاقة استجابة العلامة ووقت الاستجابة.بسبب المسافة بين العلامة والقارئ، يختلف وقت الاستجابة، وتكون مساحة مكثف تخزين الطاقة محدودة وعوامل أخرى، قد يكون من الصعب تحقيق التوازن بين العرض والطلب في تقسيم الوقت.

(2) وضع مصدر الطاقة العائم للاتصال المستمر

للاتصال المستمر، من أجل الحفاظ على إمداد الطاقة دون انقطاع لمكثف تخزين الطاقة، يجب تفريغه وشحنه في نفس الوقت، وتكون سرعة الشحن مماثلة لسرعة التفريغ، أي يتم الحفاظ على سعة إمداد الطاقة قبل تم إنهاء الاتصال.

يتميز تحديد الترددات الراديوية بتقسيم رمز العلامة السلبية ومعيار UHF RFID الحالي للعلامة السلبية ISO / IEC18000-6 بخصائص مشتركة.يجب إزالة تشكيل حالة استلام العلامة وفك تشفيرها، ويجب تعديل حالة الاستجابة وإرسالها.لذلك يجب أن يتم تصميمه وفق التواصل المستمر.نظام إمدادات الطاقة رقاقة العلامة.لكي يكون معدل الشحن مشابهًا لمعدل التفريغ، يجب استخدام معظم الطاقة التي تتلقاها العلامة للشحن.

موارد الترددات اللاسلكية المشتركة

1. الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية للعلامات السلبية

لا يتم استخدام العلامات السلبية فقط كمصدر طاقة للعلامات والبطاقات البريدية لطاقة التردد اللاسلكي من القراء، ولكن الأهم من ذلك، يتم نقل إشارة التعليمات من القارئ إلى العلامة ونقل إشارة الاستجابة من العلامة إلى القارئ تتحقق من خلال نقل البيانات لاسلكيا.ينبغي تقسيم طاقة التردد الراديوي التي تتلقاها العلامة إلى ثلاثة أجزاء، والتي تستخدم على التوالي للرقاقة لإنشاء مصدر الطاقة، وإزالة تشكيل الإشارة (بما في ذلك إشارة الأمر وساعة التزامن) وتوفير موجة حاملة للاستجابة.

يتميز وضع العمل لمعيار UHF RFID الحالي بالخصائص التالية: تتبنى قناة الوصلة الهابطة وضع البث، وتعتمد قناة الوصلة الصاعدة وضع استجابة تسلسلية أحادية القناة للمشاركة متعددة العلامات.لذلك، من حيث نقل المعلومات، فهو ينتمي إلى وضع التشغيل البسيط.ومع ذلك، نظرًا لأن العلامة نفسها لا يمكنها توفير ناقل الإرسال، فإن استجابة العلامة تحتاج إلى تزويد الناقل بمساعدة القارئ.لذلك، عندما تستجيب العلامة، فيما يتعلق بحالة الإرسال، يكون كلا طرفي الاتصال في حالة عمل مزدوجة.

في حالات العمل المختلفة، تختلف وحدات الدائرة التي يتم تشغيلها بواسطة العلامة، كما تختلف الطاقة المطلوبة لعمل وحدات الدائرة المختلفة.تأتي كل الطاقة من طاقة التردد اللاسلكي التي تتلقاها العلامة.لذلك، من الضروري التحكم في توزيع طاقة التردد اللاسلكي بشكل معقول وعندما يكون ذلك مناسبًا.

2. تطبيق طاقة الترددات اللاسلكية في ساعات العمل المختلفة

عندما تدخل العلامة إلى مجال التردد اللاسلكي الخاص بالقارئ وتبدأ في بناء الطاقة، بغض النظر عن الإشارة التي يرسلها القارئ في هذا الوقت، ستقوم العلامة بتزويد جميع طاقة التردد اللاسلكي المستلمة إلى دائرة مقوم مضاعفة الجهد لشحن مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة ، وبالتالي إنشاء مصدر الطاقة للرقاقة.

عندما يرسل القارئ إشارة الأمر، فإن إشارة إرسال القارئ هي إشارة مشفرة بواسطة بيانات الأمر والسعة المشكَّلة بواسطة تسلسل الطيف المنتشر.هناك مكونات حاملة ومكونات النطاق الجانبي تمثل بيانات الأمر وتسلسلات الطيف المنتشرة في الإشارة التي تستقبلها العلامة.ترتبط الطاقة الإجمالية وطاقة الموجة الحاملة ومكونات النطاق الجانبي للإشارة المستقبلة بالتشكيل.في هذا الوقت، يتم استخدام مكون التعديل لنقل معلومات المزامنة الخاصة بالأمر وتسلسل الطيف المنتشر، ويتم استخدام الطاقة الإجمالية لشحن مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة، والذي يبدأ في نفس الوقت في توفير الطاقة إلى الرقاقة الموجودة دائرة استخراج التزامن ووحدة دائرة إزالة تشكيل إشارة الأمر.لذلك، خلال الفترة التي يرسل فيها القارئ تعليمات، يتم استخدام طاقة التردد الراديوي التي تتلقاها العلامة لمواصلة شحن العلامة، واستخراج إشارة المزامنة، وإزالة تشكيل إشارة التعليمات وتحديدها.يكون مكثف تخزين الطاقة ذو العلامة في حالة إمداد طاقة الشحن العائم.

عندما تستجيب العلامة للقارئ، فإن الإشارة المرسلة للقارئ هي إشارة يتم تعديلها بواسطة سعة ساعة معدل انتشار الطيف المنتشر لمعدل رقاقة الطيف الفرعي.في الإشارة التي تستقبلها العلامة، توجد مكونات حاملة ومكونات النطاق الجانبي تمثل ساعة معدل انتشار الطيف الفرعي.في هذا الوقت، يتم استخدام مكون التعديل لنقل معدل الرقاقة ومعلومات ساعة المعدل لتسلسل الطيف المنتشر، ويتم استخدام الطاقة الإجمالية لشحن مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة وتعديل البيانات المستلمة وإرسال استجابة إلى قارئ.دائرة استخراج تزامن الرقاقة ووحدة دائرة تعديل إشارة الاستجابة توفر الطاقة.لذلك، خلال الفترة التي يتلقى فيها القارئ الاستجابة، تتلقى العلامة طاقة التردد الراديوي وتستخدم للعلامة لمواصلة الشحن، ويتم استخراج إشارة تزامن الشريحة وتعديل بيانات الاستجابة وإرسال الاستجابة.يكون مكثف تخزين الطاقة ذو العلامة في حالة إمداد طاقة الشحن العائم.

باختصار، بالإضافة إلى دخول العلامة إلى مجال التردد اللاسلكي للقارئ والبدء في إنشاء فترة إمداد الطاقة، ستقوم العلامة بتزويد جميع طاقة التردد اللاسلكي المستلمة إلى دائرة مقوم مضاعفة الجهد لشحن مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة، وبالتالي إنشاء رقاقة إمدادات الطاقة.بعد ذلك، تقوم العلامة باستخراج التزامن من إشارة التردد الراديوي المستقبلة، أو تنفيذ إزالة تشكيل الأوامر، أو تعديل بيانات الاستجابة ونقلها، وكلها تستخدم طاقة التردد الراديوي المستقبلة.

3. متطلبات طاقة الترددات اللاسلكية لتطبيقات مختلفة

(1) متطلبات طاقة الترددات اللاسلكية لنقل الطاقة لاسلكيًا

يقوم نقل الطاقة لاسلكيًا بإنشاء مصدر الطاقة للعلامة، لذا فهو يتطلب جهدًا كهربيًا كافيًا لتشغيل دائرة الشريحة، وطاقة كافية وقدرة إمداد طاقة مستمرة.

مصدر الطاقة لنقل الطاقة اللاسلكية هو إنشاء مصدر الطاقة عن طريق استقبال طاقة مجال التردد اللاسلكي للقارئ وتصحيح مضاعفة الجهد عندما لا تحتوي العلامة على مصدر طاقة.ولذلك، فإن حساسية الاستقبال محدودة بسبب انخفاض الجهد في أنبوب الصمام الثنائي للكشف الأمامي.بالنسبة لرقائق CMOS، تتراوح حساسية الاستقبال لتصحيح مضاعفة الجهد بين -11 و-0.7 ديسيبل ميلي واط، وهذا هو عنق الزجاجة للعلامات السلبية.

(2) متطلبات طاقة التردد اللاسلكي للكشف عن الإشارة المستقبلة

في حين أن تصحيح مضاعفة الجهد ينشئ مصدر طاقة الشريحة، تحتاج العلامة إلى تقسيم جزء من طاقة التردد الراديوي المستقبلة لتوفير دائرة كشف الإشارة، بما في ذلك كشف إشارة الأمر والكشف المتزامن على مدار الساعة.نظرًا لأن اكتشاف الإشارة يتم تنفيذه بشرط إنشاء مصدر طاقة للعلامة، فإن حساسية إزالة التشكيل لا تقتصر على انخفاض الجهد لأنبوب الصمام الثنائي للكشف الأمامي، وبالتالي فإن حساسية الاستقبال أعلى بكثير من الطاقة اللاسلكية حساسية استقبال الإرسال، وهي تنتمي إلى كشف سعة الإشارة، ولا توجد متطلبات لقوة الطاقة.

(3) متطلبات طاقة التردد اللاسلكي للاستجابة للعلامة

عندما تستجيب العلامة للإرسال، بالإضافة إلى اكتشاف الساعة المتزامنة، فإنها تحتاج أيضًا إلى إجراء تعديل PSK زائف على الموجة الحاملة المستقبلة (التي تحتوي على غلاف تعديل الساعة) وتحقيق الإرسال العكسي.في هذا الوقت، يلزم مستوى طاقة معين، وتعتمد قيمته على مسافة القارئ إلى العلامة وحساسية القارئ لاستقباله.نظرًا لأن بيئة عمل القارئ تسمح باستخدام تصميمات أكثر تعقيدًا، يمكن لجهاز الاستقبال تنفيذ تصميم أمامي منخفض الضوضاء، ويستخدم تحديد التردد الراديوي بتقسيم الكود تعديل الطيف المنتشر، بالإضافة إلى كسب الطيف المنتشر وكسب نظام PSK ، قد يتم تصميم حساسية القارئ لتكون عالية بما فيه الكفاية.بحيث يتم تقليل متطلبات إشارة الإرجاع الخاصة بالملصق بدرجة كافية.

لتلخيص ذلك، يتم تخصيص طاقة التردد اللاسلكي التي تستقبلها العلامة بشكل أساسي كطاقة تصحيح مضاعف لجهد نقل الطاقة اللاسلكية، ومن ثم يتم تخصيص المقدار المناسب من مستوى اكتشاف إشارة العلامة والكمية المناسبة من طاقة تعديل الإرجاع لتحقيق طاقة معقولة التوزيع وضمان الشحن المستمر لمكثف تخزين الطاقة.هو تصميم ممكن ومعقول.

ويمكن ملاحظة أن طاقة الترددات الراديوية التي تستقبلها العلامات السلبية لها متطلبات تطبيق مختلفة، لذلك يلزم تصميم توزيع طاقة الترددات الراديوية؛تختلف متطلبات تطبيق طاقة التردد الراديوي في فترات العمل المختلفة، لذلك من الضروري أن يكون هناك تصميم لتوزيع طاقة التردد الراديوي وفقًا لاحتياجات فترات العمل المختلفة؛التطبيقات المختلفة لها متطلبات مختلفة من طاقة التردد اللاسلكي، ومن بينها يتطلب نقل الطاقة اللاسلكية أكبر قدر من الطاقة، لذلك يجب أن يركز تخصيص طاقة التردد اللاسلكي على احتياجات نقل الطاقة اللاسلكية.

تستخدم علامات UHF RFID السلبية نقل الطاقة اللاسلكي لإنشاء مصدر طاقة للعلامة.ولذلك، فإن كفاءة إمدادات الطاقة منخفضة للغاية وقدرة إمدادات الطاقة ضعيفة للغاية.يجب أن تكون شريحة العلامة مصممة باستهلاك منخفض للطاقة.يتم تشغيل دائرة الرقاقة عن طريق شحن وتفريغ مكثف تخزين الطاقة الموجود على الرقاقة.لذلك، من أجل ضمان التشغيل المستمر للملصق، يجب شحن مكثف تخزين الطاقة بشكل مستمر.تحتوي طاقة التردد اللاسلكي التي تتلقاها العلامة على ثلاثة تطبيقات مختلفة: تصحيح مضاعفة الجهد لإمدادات الطاقة، واستقبال إشارة الأمر وإزالة التشكيل، وتعديل إشارة الاستجابة وإرسالها.من بينها، يتم تقييد حساسية الاستقبال لتصحيح مضاعفة الجهد من خلال انخفاض الجهد في الصمام الثنائي المعدل، والذي يصبح واجهة هوائية.عنق الزجاجة.ولهذا السبب، فإن استقبال الإشارة وإزالة تشكيلها وتعديل إشارة الاستجابة وإرسالها هي الوظائف الأساسية التي يجب أن يضمنها نظام RFID.كلما كانت قدرة إمداد الطاقة لعلامة مقوم مضاعف الجهد أقوى، كلما كان المنتج أكثر تنافسية.ولذلك، فإن معيار التوزيع الرشيد لطاقة التردد الراديوي المستقبلة في تصميم نظام العلامة هو زيادة إمدادات طاقة التردد اللاسلكي عن طريق تصحيح مضاعف الجهد قدر الإمكان على فرضية ضمان إزالة تشكيل الإشارة المستقبلة ونقل الاستجابة الإشارة.