Zprávy

Jako nejzákladnější součást technologie pasivního internetu věcí byly pasivní štítky UHF RFID široce používány ve velkém množství aplikací, jako je maloobchodní prodej v supermarketech, logistika a skladování, archivy knih, sledovatelnost proti padělání atd. Teprve v roce 2021 bude globální přepravní částka je více než 20 miliard.Na co přesně se v praktických aplikacích spoléhá čip pasivního štítku UHF RFID při napájení?

Charakteristiky napájení pasivního štítku UHF RFID

1. Napájeno bezdrátovým napájením

Bezdrátový přenos energie využívá bezdrátové elektromagnetické záření k přenosu elektrické energie z jednoho místa na druhé.Pracovním procesem je přeměna elektrické energie na vysokofrekvenční energii prostřednictvím vysokofrekvenční oscilace a radiofrekvenční energie je přeměněna na energii rádiového elektromagnetického pole prostřednictvím vysílací antény.Energie rádiového elektromagnetického pole se šíří prostorem a dosáhne přijímací antény, poté je přijímací anténou přeměněna zpět na energii rádiové frekvence a detekční vlna se stává stejnosměrnou energií.

V roce 1896 vynalezl Ital Guglielmo Marchese Marconi rádio, které realizovalo přenos rádiových signálů vesmírem.V roce 1899 Američan Nikola Tesla navrhl myšlenku použití bezdrátového přenosu energie a vytvořil anténu, která je 60 m vysoká, indukčnost naložená ve spodní části, kapacita naložená nahoře v Coloradu, využívající frekvenci 150 kHz pro vstupní výkon 300 kW.Vysílá na vzdálenost až 42 km a získává 10 kW bezdrátového přijímacího výkonu na přijímací straně.

UHF RFID pasivní napájecí zdroj tagu se řídí touto myšlenkou a čtečka dodává energii tagu prostřednictvím rádiové frekvence.Mezi UHF RFID pasivním napájením tagů a Tesla testem je však obrovský rozdíl: frekvence je téměř desettisíckrát vyšší a velikost antény se tisíckrát zmenší.Protože ztráta bezdrátového přenosu je úměrná druhé mocnině frekvence a úměrná druhé mocnině vzdálenosti, je jasné, že nárůst ztrát při přenosu je obrovský.Nejjednodušším způsobem bezdrátového šíření je šíření ve volném prostoru.Ztráta šířením je nepřímo úměrná druhé mocnině vlnové délky šíření a úměrná druhé mocnině vzdálenosti.Ztráta šířením ve volném prostoru je LS=20lg(4πd/λ).Jestliže jednotka vzdálenosti d je m a jednotka frekvence f je MHz, pak LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Systém UHF RFID je založen na mechanismu bezdrátového přenosu energie.Pasivní tag nemá vlastní napájecí zdroj.Potřebuje přijímat vysokofrekvenční energii vysílanou čtečkou a zajistit stejnosměrné napájení prostřednictvím usměrnění zdvojnásobením napětí, což znamená zajistit stejnosměrné napájení prostřednictvím nabíjecího čerpadla Dickson.

Použitelná komunikační vzdálenost UHF RFID vzdušného rozhraní je určena především vysílacím výkonem čtečky a základními ztrátami šířením v prostoru.Vysílací výkon RFID čtečky v pásmu UHF je obvykle omezen na 33 dBm.Ze základního vzorce ztráty šíření, ignorování jakýchkoliv dalších možných ztrát, lze vypočítat výkon RF dosahující štítku prostřednictvím bezdrátového přenosu energie.Vztah mezi komunikační vzdáleností UHF RFID vzduchového rozhraní a základní ztrátou šířením a RF výkonem dosahujícím tag je uveden v tabulce:

Z tabulky je vidět, že bezdrátový přenos energie UHF RFID má vlastnosti velké přenosové ztráty.Protože RFID vyhovuje národním pravidlům pro komunikaci na krátkou vzdálenost, je přenosový výkon čtečky omezený, takže štítek může dodávat nízký výkon.S rostoucí komunikační vzdáleností se radiofrekvenční energie přijímaná pasivním tagem snižuje podle frekvence a kapacita napájecího zdroje se rychle snižuje.

2. Implementujte napájení nabíjením a vybíjením kondenzátorů pro ukládání energie na čipu

(1) Charakteristiky nabíjení a vybíjení kondenzátoru

Pasivní štítky využívají bezdrátový přenos energie k získávání energie, k její přeměně na stejnosměrné napětí, nabíjení a ukládání kondenzátorů na čipu a poté k napájení zátěže vybíjením.Proto je proces napájení pasivních tagů procesem nabíjení a vybíjení kondenzátoru.Proces ustavení je čistě nabíjecí proces a proces napájení je proces vybíjení a doplňkového nabíjení.Doplňkové nabíjení musí začít dříve, než vybíjecí napětí dosáhne minimálního napájecího napětí čipu.

(2) Parametry nabíjení a vybíjení kondenzátoru

1) Parametry nabíjení

Délka doby nabíjení: τC=RC×C

Nabíjecí napětí:

dobíjecí proud:

kde RC je nabíjecí odpor a C je akumulační kondenzátor.

2) Parametry výboje

Délka doby výboje: τD=RD×C

Vybíjecí napětí:

Vybíjecí proud:

Ve vzorci je RD vybíjecí odpor a C je akumulační kondenzátor.

Výše uvedené ukazuje charakteristiky napájení pasivních tagů.Nejde ani o zdroj konstantního napětí, ani o zdroj konstantního proudu, ale o nabíjení a vybíjení akumulačního kondenzátoru.Když je kondenzátor na čipu nabitý nad pracovní napětí V0 obvodu čipu, může dodávat energii do štítku.Když akumulační kondenzátor začne dodávat energii, jeho napájecí napětí začne klesat.Když klesne pod provozní napětí čipu V0, kondenzátor akumulace energie ztratí schopnost napájení a čip nemůže dále pracovat.Proto by tag vzdušného rozhraní měl mít dostatečnou kapacitu pro dobití tagu.

Je vidět, že režim napájení pasivních tagů je vhodný pro charakteristiky burst komunikace a napájení pasivních tagů také potřebuje podporu kontinuálního nabíjení.

3 Rovnováha nabídky a poptávky

Plovoucí nabíjecí zdroj je další způsob napájení a kapacita plovoucího nabíjecího zdroje je přizpůsobena vybíjecí kapacitě.Ale všechny mají společný problém, to znamená, že napájení pasivních štítků UHF RFID musí vyvážit nabídku a poptávku.

(1) Režim napájení v rovnováze mezi napájením a odběrem pro hromadnou komunikaci

Současný standard ISO/IEC18000-6 UHF RFID pasivních tagů patří do burst komunikačního systému.U pasivních tagů se během doby příjmu nepřenáší žádný signál.Ačkoli perioda odezvy přijímá nosnou vlnu, je ekvivalentní získání zdroje kmitání, takže ji lze považovat za simplexní práci.Cesta.Pro tuto aplikaci, pokud je doba příjmu použita jako perioda nabíjení kondenzátoru pro uchovávání energie a perioda odezvy je periodou vybíjení kondenzátoru pro uchovávání energie, stane se stejné množství nabití a vybití pro udržení rovnováhy mezi nabídkou a poptávkou. nezbytnou podmínkou pro udržení normálního provozu systému.Z mechanismu napájení výše zmíněného UHF RFID pasivního tagu je znát, že napájení UHF RFID pasivního tagu není ani zdroj konstantního proudu, ani zdroj konstantního napětí.Když je kondenzátor pro ukládání energie štítku nabit na napětí vyšší, než je normální pracovní napětí obvodu, spustí se napájení;když je kondenzátor pro ukládání energie štítku vybit na napětí nižší, než je normální provozní napětí obvodu, napájení se zastaví.

Pro burst komunikaci, jako je pasivní tag UHF RFID vzduchové rozhraní, lze náboj nabít předtím, než tag odešle shluk odezvy, což je dostatečné pro zajištění dostatečného napětí, dokud nebude reakce dokončena.Kromě dostatečně silného radiofrekvenčního záření, které štítek dokáže přijmout, je tedy vyžadována od čipu také dostatečně velká kapacita na čipu a dostatečně dlouhá doba nabíjení.Musí být také přizpůsobena spotřeba energie odezvy štítku a doba odezvy.Vzhledem ke vzdálenosti mezi tagem a čtečkou se liší doba odezvy, je omezená plocha akumulačního kondenzátoru a dalším faktorům může být obtížné vyvážit nabídku a poptávku v časovém rozdělení.

(2) Režim plovoucího napájení pro nepřetržitou komunikaci

Pro nepřetržitou komunikaci, aby bylo zachováno nepřerušené napájení akumulačního kondenzátoru, musí být vybíjen a nabíjen současně a rychlost nabíjení je podobná rychlosti vybíjení, to znamená, že kapacita zdroje je udržována před komunikace je ukončena.

Radiofrekvenční identifikace pasivního tagového kódu a UHF RFID pasivní tag aktuální standard ISO/IEC18000-6 mají společné charakteristiky.Stav příjmu tagu je třeba demodulovat a dekódovat a stav odezvy je třeba modulovat a odeslat.Proto by měl být navržen podle nepřetržité komunikace.Systém napájení štítkového čipu.Aby byla rychlost nabíjení podobná rychlosti vybíjení, musí být většina energie přijaté štítkem využita k nabíjení.

Sdílené RF zdroje

1. RF front-end pro pasivní tagy

Pasivní štítky se nepoužívají pouze jako zdroj energie štítků a pohlednic pro vysokofrekvenční energii ze čteček, ale co je důležitější, přenos instrukčního signálu ze čtečky na štítek a přenos signálu odezvy z štítku do čtečky. realizované bezdrátovým přenosem dat.Radiofrekvenční energie přijímaná štítkem by měla být rozdělena do tří částí, které jsou jednotlivě použity pro čip k vytvoření napájení, demodulaci signálu (včetně příkazového signálu a synchronizačních hodin) a poskytnutí nosiče odezvy.

Pracovní režim současného standardního UHF RFID má následující charakteristiky: sestupný kanál přebírá režim vysílání a vzestupný kanál přejímá režim jednokanálové sekvenční odezvy sdílení více značek.Z hlediska přenosu informací tedy patří do simplexního režimu provozu.Protože však štítek sám o sobě nemůže poskytnout přenosový nosič, musí odezva štítku poskytnout nosič s pomocí čtečky.Proto, když tag odpoví, pokud jde o stav odesílání, oba konce komunikace jsou v duplexním pracovním stavu.

V různých pracovních stavech se obvodové jednotky uváděné do činnosti štítkem liší a výkon potřebný pro fungování různých obvodových jednotek je také odlišný.Veškerá energie pochází z radiofrekvenční energie přijaté štítkem.Proto je nutné řídit distribuci RF energie rozumně a tam, kde je to vhodné.

2. Aplikace RF energie v různých pracovních hodinách

Když štítek vstoupí do RF pole čtečky a začne napájet, bez ohledu na to, jaký signál čtečka v tuto chvíli odešle, štítek dodá veškerou přijatou RF energii do usměrňovacího obvodu se zdvojením napětí, aby se nabil kondenzátor na ukládání energie na čipu. , čímž je zajištěno napájení čipu.

Když čtečka vysílá příkazový signál, přenosový signál čtečky je signál kódovaný příkazovými daty a amplitudově modulovaný sekvencí rozprostřeného spektra.V signálu přijímaném tagem jsou nosné složky a složky postranního pásma představující příkazová data a sekvence rozprostřeného spektra.Celková energie, nosná energie a složky postranního pásma přijímaného signálu souvisí s modulací.V tomto okamžiku se modulační složka používá k přenosu synchronizačních informací příkazu a sekvence rozprostřeného spektra a celková energie se používá k nabíjení kondenzátoru pro ukládání energie na čipu, který současně začíná dodávat energii do čipu. synchronizační extrakční obvod a jednotka obvodu demodulace řídicího signálu.Proto během období, kdy čtečka posílá instrukci, je radiofrekvenční energie přijatá tagem využívána k tomu, aby tag pokračoval v nabíjení, extrahoval synchronizační signál, demoduloval a identifikoval instrukční signál.Kondenzátor pro ukládání energie štítku je ve stavu napájení s plovoucím nabíjením.

Když štítek reaguje na čtečku, vysílaný signál čtečky je signál, který je modulován amplitudou hodin s dílčí rychlostí čipu s rozprostřeným spektrem.V signálu přijímaném štítkem jsou nosné složky a složky postranního pásma představující podrychlostní hodiny čipu s rozprostřeným spektrem.V tomto okamžiku se modulační složka používá k přenosu informace o rychlosti čipu a rychlosti taktu sekvence rozprostřeného spektra a celková energie se používá k nabíjení kondenzátoru pro ukládání energie na čipu a modulaci přijatých dat a odeslání odpovědi do čtenář.Obvod pro extrakci synchronizace čipu a jednotka obvodu modulace signálu odezvy dodávají energii.Proto během doby, kdy čtečka přijímá odpověď, štítek přijímá radiofrekvenční energii a je používán pro pokračování nabíjení štítku, je extrahován synchronizační signál čipu a modulována data odezvy a odeslána odpověď.Kondenzátor pro ukládání energie štítku je ve stavu napájení s plovoucím nabíjením.

Stručně řečeno, kromě toho, že štítek vstoupí do RF pole čtečky a začne nastavovat periodu napájení, štítek bude dodávat veškerou přijatou RF energii do usměrňovacího obvodu se zdvojením napětí, aby se nabil kondenzátor na ukládání energie na čipu, čímž se vytvoří napájení čipu.Následně tag extrahuje synchronizaci z přijatého radiofrekvenčního signálu, implementuje příkazovou demodulaci nebo moduluje a vysílá data odezvy, přičemž všechny tyto signály využívají přijatou radiofrekvenční energii.

3. Požadavky na vysokofrekvenční energii pro různé aplikace

(1) Požadavky na vysokofrekvenční energii pro bezdrátový přenos energie

Bezdrátový přenos energie zajišťuje napájení štítku, takže vyžaduje jak dostatečné napětí pro napájení obvodu čipu, tak dostatečný výkon a schopnost nepřetržitého napájení.

Napájení bezdrátového přenosu energie má zajistit napájení přijímáním energie RF pole čtečky a usměrněním zdvojnásobení napětí, když štítek nemá žádné napájení.Proto je jeho přijímací citlivost omezena úbytkem napětí přední detekční diodové trubice.U čipů CMOS je přijímací citlivost usměrnění zdvojnásobení napětí mezi -11 a -0,7 dBm, což je úzké hrdlo pasivních tagů.

(2) Požadavky na vysokofrekvenční energii pro detekci přijímaného signálu

Zatímco usměrnění zdvojení napětí zajišťuje napájení čipu, tag potřebuje rozdělit část přijaté radiofrekvenční energie pro zajištění obvodu detekce signálu, včetně detekce příkazového signálu a detekce synchronních hodin.Protože je detekce signálu prováděna za podmínky, že je zajištěno napájení tagu, není demodulační citlivost omezena poklesem napětí na přední detekční diodové trubici, takže citlivost příjmu je mnohem vyšší než bezdrátový výkon. citlivost příjmu vysílání a patří k detekci amplitudy signálu a není zde žádný požadavek na sílu.

(3) Požadavky na vysokofrekvenční energii pro odezvu štítku

Když tag odpoví na odeslání, kromě detekce synchronních hodin potřebuje také provést pseudo-PSK modulaci na přijaté nosné (obsahující obálku modulace hodin) a realizovat zpětný přenos.V tomto okamžiku je vyžadována určitá úroveň výkonu a její hodnota závisí na vzdálenosti čtečky od štítku a citlivosti čtečky na příjem.Vzhledem k tomu, že pracovní prostředí čtečky umožňuje použití složitějších návrhů, může přijímač implementovat nízkošumový přední design a radiofrekvenční identifikace s kódovým dělením využívá modulaci rozprostřeného spektra, stejně jako zesílení rozprostřeného spektra a zesílení systému PSK. Citlivost čtečky může být navržena tak, aby byla dostatečně vysoká.Aby se dostatečně snížily požadavky na zpětný signál štítku.

Abych to shrnul, vysokofrekvenční výkon přijímaný štítkem je alokován hlavně jako usměrňovací energie zdvojovače bezdrátového přenosového napětí a poté je přiděleno vhodné množství úrovně detekce signálu štítku a vhodné množství zpětné modulační energie pro dosažení přiměřené energie. rozvodu a zajistit nepřetržité nabíjení akumulačního kondenzátoru energie.je možný a rozumný design.

Je vidět, že radiofrekvenční energie přijímaná pasivními štítky má různé aplikační požadavky, takže je vyžadován návrh distribuce radiofrekvenční energie;požadavky na aplikaci radiofrekvenční energie v různých pracovních obdobích jsou různé, proto je nutné mít návrh distribuce vysokofrekvenčního výkonu podle potřeb různých pracovních období;Různé aplikace mají různé požadavky na RF energii, mezi nimiž bezdrátový přenos energie vyžaduje nejvíce energie, takže alokace RF energie by se měla zaměřit na potřeby bezdrátového přenosu energie.

Pasivní štítky UHF RFID využívají k vytvoření napájení štítků bezdrátový přenos energie.Proto je účinnost napájecího zdroje extrémně nízká a kapacita napájecího zdroje velmi slabá.Štítkový čip musí být navržen s nízkou spotřebou energie.Obvod čipu je napájen nabíjením a vybíjením kondenzátoru pro ukládání energie na čipu.Proto, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz štítku, musí být akumulační kondenzátor neustále nabíjen.Radiofrekvenční energie přijímaná štítkem má tři různé aplikace: usměrnění zdvojením napětí pro napájení, příjem a demodulace povelového signálu a modulace a vysílání signálu odezvy.Mezi nimi je přijímací citlivost usměrnění zdvojnásobením napětí omezena poklesem napětí usměrňovací diody, která se stává vzduchovým rozhraním.úzké místo.Z tohoto důvodu jsou příjem a demodulace signálu a modulace a přenos signálu odezvy základními funkcemi, které musí systém RFID zajistit.Čím silnější je schopnost napájení tagu usměrňovače se zdvojovačem napětí, tím je produkt konkurenceschopnější.Kritériem pro racionální rozložení přijímané RF energie při návrhu systému štítků je proto co nejvíce zvýšit dodávku RF energie usměrněním zdvojovače napětí za předpokladu zajištění demodulace přijímaného signálu a přenosu odezvy. signál.