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Als grundlegendster Bestandteil der passiven Internet-of-Things-Technologie werden passive UHF-RFID-Tags in zahlreichen Anwendungen wie Supermarkteinzelhandel, Logistik und Lagerhaltung, Bucharchiven, Rückverfolgbarkeit gegen Fälschungen usw. eingesetzt. Erst im Jahr 2021 weltweit Der Versandbetrag beträgt mehr als 20 Milliarden.Worauf ist der Chip des passiven UHF-RFID-Tags in praktischen Anwendungen genau angewiesen, um Strom zu liefern?

Die Stromversorgungseigenschaften des passiven UHF-RFID-Tags

1. Stromversorgung über drahtlose Stromversorgung

Bei der drahtlosen Energieübertragung wird drahtlose elektromagnetische Strahlung genutzt, um elektrische Energie von einem Ort zum anderen zu übertragen.Der Arbeitsprozess besteht darin, elektrische Energie durch Hochfrequenzoszillation in Hochfrequenzenergie umzuwandeln, und die Hochfrequenzenergie wird durch die Sendeantenne in elektromagnetische Funkfeldenergie umgewandelt.Die elektromagnetische Funkfeldenergie breitet sich durch den Raum aus und erreicht die Empfangsantenne. Anschließend wird sie von der Empfangsantenne wieder in Hochfrequenzenergie umgewandelt, und die Erkennungswelle wird in Gleichstromenergie umgewandelt.

1896 erfand der Italiener Guglielmo Marchese Marconi das Radio, das die Übertragung von Funksignalen durch den Weltraum ermöglichte.Im Jahr 1899 schlug der Amerikaner Nikola Tesla die Idee der drahtlosen Energieübertragung vor und baute in Colorado eine 60 m hohe Antenne mit unten geladener Induktivität und oben geladener Kapazität auf, die eine Frequenz von 150 kHz nutzte, um eine Leistung von 300 kW einzuspeisen.Es sendet über eine Entfernung von bis zu 42 km und erhält auf der Empfängerseite eine drahtlose Empfangsleistung von 10 kW.

Die Stromversorgung passiver UHF-RFID-Tags folgt dieser Idee, und das Lesegerät versorgt das Tag über Funkfrequenz mit Strom.Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen der Stromversorgung passiver UHF-RFID-Tags und dem Tesla-Test: Die Frequenz ist fast zehntausendmal höher und die Antennengröße ist um das Tausendfache reduziert.Da der Verlust bei der drahtlosen Übertragung proportional zum Quadrat der Frequenz und proportional zum Quadrat der Entfernung ist, ist klar, dass der Anstieg des Übertragungsverlusts enorm ist.Der einfachste drahtlose Ausbreitungsmodus ist die Freiraumausbreitung.Der Ausbreitungsverlust ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Ausbreitungswellenlänge und proportional zum Quadrat der Entfernung.Der Ausbreitungsverlust im freien Raum beträgt LS=20lg(4πd/λ).Wenn die Einheit des Abstands d m und die Einheit der Frequenz f MHz ist, dann ist LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Das UHF-RFID-System basiert auf dem drahtlosen Energieübertragungsmechanismus.Der passive Tag verfügt über keine eigene Stromversorgung.Es muss die vom Lesegerät ausgesendete Hochfrequenzenergie empfangen und durch Spannungsverdopplungsgleichrichtung eine Gleichstromversorgung herstellen, was bedeutet, dass durch die Dickson-Ladungspumpe eine Gleichstromversorgung hergestellt werden muss.

Die anwendbare Kommunikationsentfernung der UHF-RFID-Luftschnittstelle wird hauptsächlich durch die Sendeleistung des Lesegeräts und den grundlegenden Ausbreitungsverlust im Weltraum bestimmt.Die Sendeleistung von RFID-Lesegeräten im UHF-Band ist normalerweise auf 33 dBm begrenzt.Aus der Grundformel für Ausbreitungsverluste lässt sich unter Vernachlässigung aller anderen möglichen Verluste die HF-Leistung berechnen, die das Tag über die drahtlose Energieübertragung erreicht.Die Beziehung zwischen der Kommunikationsentfernung der UHF-RFID-Luftschnittstelle und dem grundlegenden Ausbreitungsverlust sowie der das Tag erreichenden HF-Leistung ist in der Tabelle dargestellt:

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die drahtlose UHF-RFID-Energieübertragung die Eigenschaften eines großen Übertragungsverlusts aufweist.Da RFID den nationalen Vorschriften für die Kurzstreckenkommunikation entspricht, ist die Sendeleistung des Lesegeräts begrenzt, sodass der Tag nur geringe Leistung liefern kann.Mit zunehmender Kommunikationsentfernung nimmt die vom passiven Tag empfangene Hochfrequenzenergie entsprechend der Frequenz ab und die Stromversorgungskapazität nimmt rapide ab.

2. Implementieren Sie die Stromversorgung durch Laden und Entladen von On-Chip-Energiespeicherkondensatoren

(1) Lade- und Entladeeigenschaften des Kondensators

Passive Tags nutzen die drahtlose Energieübertragung, um Energie zu gewinnen, sie in Gleichspannung umzuwandeln, die On-Chip-Kondensatoren zu laden und zu speichern und dann die Last durch Entladung mit Strom zu versorgen.Daher ist der Stromversorgungsprozess passiver Tags der Prozess des Ladens und Entladens des Kondensators.Der Aufbauvorgang ist ein reiner Ladevorgang, der Stromversorgungsvorgang ein Entlade- und Ergänzungsladevorgang.Die Nachladung muss beginnen, bevor die Entladespannung die minimale Versorgungsspannung des Chips erreicht.

(2) Lade- und Entladeparameter des Kondensators

1) Ladeparameter

Ladezeitdauer: τC=RC×C

Ladespannung:

Ladestrom:

wobei RC der Ladewiderstand und C der Energiespeicherkondensator ist.

2) Entladungsparameter

Entladezeitdauer: τD=RD×C

Entladespannung:

Entladestrom:

In der Formel ist RD der Entladewiderstand und C der Energiespeicherkondensator.

Das Obige zeigt die Stromversorgungseigenschaften von passiven Tags.Es handelt sich weder um eine Konstantspannungsquelle noch um eine Konstantstromquelle, sondern um das Laden und Entladen des Energiespeicherkondensators.Wenn der Energiespeicherkondensator auf dem Chip über die Arbeitsspannung V0 der Chipschaltung aufgeladen ist, kann er das Tag mit Strom versorgen.Wenn der Energiespeicherkondensator beginnt, Strom zu liefern, beginnt seine Versorgungsspannung abzufallen.Bei Unterschreitung der Chip-Betriebsspannung V0 verliert der Energiespeicherkondensator seine Stromversorgungsfähigkeit und der Chip kann nicht weiterarbeiten.Daher sollte das Luftschnittstellen-Tag über eine ausreichende Kapazität verfügen, um das Tag wieder aufzuladen.

Es ist ersichtlich, dass der Stromversorgungsmodus passiver Tags für die Eigenschaften der Burst-Kommunikation geeignet ist und die Stromversorgung passiver Tags auch die Unterstützung einer kontinuierlichen Aufladung erfordert.

3 Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage

Die schwebende Ladestromversorgung ist eine weitere Stromversorgungsmethode, und die Kapazität der schwebenden Ladestromversorgung wird an die Entladekapazität angepasst.Sie alle haben jedoch ein gemeinsames Problem: Die Stromversorgung passiver UHF-RFID-Tags muss Angebot und Nachfrage ausgleichen.

(1) Stromversorgungsmodus für den Ausgleich von Angebot und Nachfrage für die Burst-Kommunikation

Der aktuelle Standard ISO/IEC18000-6 für passive UHF-RFID-Tags gehört zum Burst-Kommunikationssystem.Bei passiven Tags wird während des Empfangszeitraums kein Signal gesendet.Obwohl die Reaktionszeit die Trägerwelle empfängt, entspricht sie der Erfassung der Schwingungsquelle und kann daher als Simplex-Arbeit betrachtet werden.Weg.Wenn für diese Anwendung die Empfangsperiode als Ladeperiode des Energiespeicherkondensators verwendet wird und die Reaktionsperiode die Entladeperiode des Energiespeicherkondensators ist, wird die gleiche Menge an Ladung und Entladung zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts von Angebot und Nachfrage benötigt eine notwendige Voraussetzung, um den normalen Betrieb des Systems aufrechtzuerhalten.Aus dem Stromversorgungsmechanismus des oben genannten passiven UHF-RFID-Tags ist ersichtlich, dass die Stromversorgung des passiven UHF-RFID-Tags weder eine Konstantstromquelle noch eine Konstantspannungsquelle ist.Wenn der Tag-Energiespeicherkondensator auf eine Spannung aufgeladen wird, die höher als die normale Arbeitsspannung des Schaltkreises ist, startet die Stromversorgung;Wenn der Tag-Energiespeicherkondensator auf eine Spannung entladen wird, die unter der normalen Betriebsspannung des Schaltkreises liegt, wird die Stromversorgung gestoppt.

Bei der Burst-Kommunikation, wie z. B. einer passiven UHF-RFID-Luftschnittstelle mit Tag, kann die Ladung aufgeladen werden, bevor das Tag einen Antwort-Burst sendet, und zwar ausreichend, um sicherzustellen, dass genügend Spannung aufrechterhalten werden kann, bis die Antwort abgeschlossen ist.Daher muss der Chip zusätzlich zu der ausreichend starken Hochfrequenzstrahlung, die das Etikett empfangen kann, auch über eine ausreichend große Kapazität auf dem Chip und eine ausreichend lange Ladezeit verfügen.Auch der Tag-Antwortstromverbrauch und die Antwortzeit müssen angepasst werden.Aufgrund des Abstands zwischen dem Tag und dem Lesegerät, der unterschiedlichen Reaktionszeit, der begrenzten Fläche des Energiespeicherkondensators und anderen Faktoren kann es schwierig sein, Angebot und Nachfrage im Zeitbereich auszugleichen.

(2) Floating-Stromversorgungsmodus für kontinuierliche Kommunikation

Für eine kontinuierliche Kommunikation muss der Energiespeicherkondensator gleichzeitig entladen und geladen werden, um die unterbrechungsfreie Stromversorgung aufrechtzuerhalten. Die Ladegeschwindigkeit ähnelt der Entladegeschwindigkeit, dh die Stromversorgungskapazität bleibt zuvor erhalten Die Kommunikation wird beendet.

Passive Tag-Code-Division-Radiofrequenz-Identifikation und passive UHF-RFID-Tags nach dem aktuellen Standard ISO/IEC18000-6 weisen gemeinsame Merkmale auf.Der Tag-Empfangszustand muss demoduliert und dekodiert werden, und der Antwortzustand muss moduliert und gesendet werden.Daher sollte es auf eine kontinuierliche Kommunikation ausgelegt sein.Tag-Chip-Stromversorgungssystem.Damit die Laderate der Entladerate ähnelt, muss der Großteil der vom Tag empfangenen Energie zum Laden verwendet werden.

Geteilte RF-Ressourcen

1. RF-Frontend für passive Tags

Passive Tags werden nicht nur als Energiequelle für die Tags und Postkarten für die Hochfrequenzenergie von den Lesegeräten verwendet, sondern, was noch wichtiger ist, für die Übertragung von Befehlssignalen vom Lesegerät zum Tag und für die Übertragung des Antwortsignals vom Tag zum Lesegerät realisiert durch drahtlose Datenübertragung.Die vom Tag empfangene Hochfrequenzenergie sollte in drei Teile aufgeteilt werden, die jeweils für den Chip verwendet werden, um die Stromversorgung herzustellen, das Signal zu demodulieren (einschließlich des Befehlssignals und des Synchronisationstakts) und den Antwortträger bereitzustellen.

Der Arbeitsmodus des aktuellen Standard-UHF-RFID weist die folgenden Merkmale auf: Der Downlink-Kanal übernimmt den Broadcast-Modus und der Uplink-Kanal übernimmt den Modus der Multi-Tag-Sharing-Einzelkanal-Sequenzantwort.Daher gehört es hinsichtlich der Informationsübertragung zur Simplex-Betriebsart.Da das Tag selbst jedoch den Übertragungsträger nicht bereitstellen kann, muss die Tag-Antwort den Träger mit Hilfe des Lesegeräts bereitstellen.Wenn das Tag antwortet, befinden sich daher beide Enden der Kommunikation hinsichtlich des Sendestatus in einem Duplex-Arbeitsstatus.

In verschiedenen Betriebszuständen sind die vom Tag in Betrieb genommenen Schaltkreiseinheiten unterschiedlich, und auch die für den Betrieb verschiedener Schaltkreiseinheiten erforderliche Leistung ist unterschiedlich.Die gesamte Energie stammt aus der vom Tag empfangenen Hochfrequenzenergie.Daher ist es notwendig, die HF-Energieverteilung angemessen und gegebenenfalls zu steuern.

2. HF-Energieanwendung in verschiedenen Arbeitszeiten

Wenn das Tag in das HF-Feld des Lesegeräts eintritt und beginnt, Strom aufzubauen, liefert das Tag unabhängig davon, welches Signal das Lesegerät zu diesem Zeitpunkt sendet, die gesamte empfangene HF-Energie an die Spannungsverdoppelungsgleichrichterschaltung, um den Energiespeicherkondensator auf dem Chip aufzuladen und stellt so die Stromversorgung des Chips her.

Wenn das Lesegerät das Befehlssignal sendet, ist das Sendesignal des Lesegeräts ein durch die Befehlsdaten kodiertes und durch die Spreizspektrumsequenz amplitudenmoduliertes Signal.Das vom Tag empfangene Signal enthält Trägerkomponenten und Seitenbandkomponenten, die Befehlsdaten und Spreizspektrumsequenzen darstellen.Die Gesamtenergie, die Trägerenergie und die Seitenbandkomponenten des empfangenen Signals hängen mit der Modulation zusammen.Zu diesem Zeitpunkt wird die Modulationskomponente verwendet, um die Synchronisationsinformationen des Befehls und der Spread-Spectrum-Sequenz zu übertragen, und die Gesamtenergie wird zum Laden des On-Chip-Energiespeicherkondensators verwendet, der gleichzeitig beginnt, den On-Chip mit Strom zu versorgen Synchronisationsextraktionsschaltung und die Befehlssignal-Demodulationsschaltungseinheit.Daher wird während des Zeitraums, in dem das Lesegerät eine Anweisung sendet, die vom Tag empfangene Hochfrequenzenergie dazu verwendet, dass sich das Tag weiter auflädt, das Synchronisationssignal extrahiert, das Anweisungssignal demoduliert und identifiziert.Der Tag-Energiespeicherkondensator befindet sich in einem schwebenden Ladestromversorgungszustand.

Wenn das Tag auf das Lesegerät antwortet, ist das übertragene Signal des Lesegeräts ein Signal, das durch die Amplitude des Spread-Spectrum-Spread-Spectrum-Chip-Rate-Sub-Rate-Takts moduliert wird.In dem vom Tag empfangenen Signal gibt es Trägerkomponenten und Seitenbandkomponenten, die den Spread-Spectrum-Chip-Rate-Sub-Rate-Takt darstellen.Zu diesem Zeitpunkt wird die Modulationskomponente verwendet, um die Chip-Rate und die Rate-Clock-Informationen der Spread-Spectrum-Sequenz zu übertragen, und die Gesamtenergie wird verwendet, um den Energiespeicherkondensator auf dem Chip zu laden, die empfangenen Daten zu modulieren und eine Antwort an den Chip zu senden Leser.Die Chip-Synchronisations-Extraktionsschaltung und die Antwortsignal-Modulationsschaltungseinheit liefern Strom.Daher empfängt das Tag während des Zeitraums, in dem das Lesegerät die Antwort empfängt, die Hochfrequenzenergie und wird für den weiteren Ladevorgang des Tags verwendet, das Chip-Synchronisationssignal wird extrahiert und die Antwortdaten werden moduliert und die Antwort wird gesendet.Der Tag-Energiespeicherkondensator befindet sich in einem schwebenden Ladestromversorgungszustand.

Kurz gesagt: Zusätzlich dazu, dass das Tag in das HF-Feld des Lesegeräts eintritt und mit dem Aufbau einer Stromversorgungsperiode beginnt, liefert das Tag die gesamte empfangene HF-Energie an eine Spannungsverdoppelungs-Gleichrichterschaltung, um den Energiespeicherkondensator auf dem Chip aufzuladen und so eine Stromversorgung herzustellen ein Chip-Netzteil.Anschließend extrahiert das Tag die Synchronisation aus dem empfangenen Hochfrequenzsignal, implementiert die Befehlsdemodulation oder moduliert und sendet Antwortdaten, wobei alles die empfangene Hochfrequenzenergie nutzt.

3. HF-Energiebedarf für verschiedene Anwendungen

(1) HF-Energiebedarf für die drahtlose Energieübertragung

Durch die drahtlose Energieübertragung wird die Stromversorgung für das Tag sichergestellt. Daher ist sowohl eine ausreichende Spannung zum Antreiben der Chipschaltung als auch eine ausreichende Stromversorgung und kontinuierliche Stromversorgung erforderlich.

Die Stromversorgung der drahtlosen Energieübertragung besteht darin, die Stromversorgung durch den Empfang der HF-Feldenergie des Lesegeräts und die Spannungsverdopplungsgleichrichtung herzustellen, wenn das Tag keine Stromversorgung hat.Daher ist seine Empfangsempfindlichkeit durch den Spannungsabfall der Front-End-Detektionsdiodenröhre begrenzt.Bei CMOS-Chips liegt die Empfangsempfindlichkeit der Spannungsverdoppelungsgleichrichtung zwischen -11 und -0,7 dBm, was den Engpass passiver Tags darstellt.

(2) HF-Energiebedarf für die Empfangssignalerkennung

Während die Spannungsverdopplungsgleichrichtung die Chip-Stromversorgung herstellt, muss das Tag einen Teil der empfangenen Hochfrequenzenergie aufteilen, um eine Signalerkennungsschaltung bereitzustellen, einschließlich Befehlssignalerkennung und synchroner Takterkennung.Da die Signalerkennung unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Stromversorgung des Tags hergestellt wurde, ist die Demodulationsempfindlichkeit nicht durch den Spannungsabfall der Front-End-Erkennungsdiodenröhre begrenzt, sodass die Empfangsempfindlichkeit viel höher ist als die drahtlose Leistung Übertragungsempfangsempfindlichkeit, und es gehört zur Signalamplitudenerkennung, und es gibt keine Leistungsstärkeanforderung.

(3) HF-Energiebedarf für die Tag-Antwort

Wenn das Tag auf das Senden antwortet, muss es zusätzlich zur Erkennung des synchronen Takts auch eine Pseudo-PSK-Modulation auf dem empfangenen Träger (der die Taktmodulationshüllkurve enthält) durchführen und eine umgekehrte Übertragung realisieren.Zu diesem Zeitpunkt ist ein bestimmter Leistungspegel erforderlich, dessen Wert von der Entfernung des Lesegeräts zum Tag und der Empfangsempfindlichkeit des Lesegeräts abhängt.Da die Arbeitsumgebung des Lesegeräts die Verwendung komplexerer Designs ermöglicht, kann der Empfänger ein rauscharmes Front-End-Design implementieren, und die Codemultiplex-Radiofrequenzidentifikation verwendet Spread-Spectrum-Modulation sowie Spread-Spectrum-Verstärkung und PSK-Systemverstärkung , kann die Empfindlichkeit des Lesegeräts so ausgelegt werden, dass sie hoch genug ist.Damit werden die Anforderungen an das Rücksignal des Etiketts ausreichend reduziert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vom Tag empfangene Hochfrequenzleistung hauptsächlich als Gleichrichtungsenergie für die Spannungsverdoppelung der drahtlosen Energieübertragung zugewiesen wird und dann die entsprechende Menge an Tag-Signalerkennungspegel und die entsprechende Menge an Rückmodulationsenergie zugewiesen werden, um eine angemessene Energie zu erreichen Verteilung und sorgen für die kontinuierliche Ladung des Energiespeicherkondensators.ist ein möglicher und sinnvoller Entwurf.

Es ist ersichtlich, dass die von passiven Tags empfangene Hochfrequenzenergie unterschiedliche Anwendungsanforderungen hat, sodass ein Entwurf für die Hochfrequenz-Stromverteilung erforderlich ist.Die Anwendungsanforderungen von Hochfrequenzenergie in verschiedenen Arbeitsperioden sind unterschiedlich, daher ist ein Entwurf der Hochfrequenz-Energieverteilung erforderlich, der den Anforderungen verschiedener Arbeitsperioden entspricht.Unterschiedliche Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an HF-Energie, wobei die drahtlose Energieübertragung den meisten Strom benötigt. Daher sollte sich die HF-Leistungszuteilung auf die Anforderungen der drahtlosen Energieübertragung konzentrieren.

Passive UHF-RFID-Tags nutzen die drahtlose Energieübertragung, um eine Tag-Stromversorgung herzustellen.Daher ist der Wirkungsgrad der Stromversorgung extrem niedrig und die Stromversorgungsfähigkeit sehr schwach.Der Tag-Chip muss mit geringem Stromverbrauch ausgelegt sein.Der Chip-Schaltkreis wird durch Laden und Entladen des Energiespeicherkondensators auf dem Chip mit Strom versorgt.Um den kontinuierlichen Betrieb des Etiketts sicherzustellen, muss daher der Energiespeicherkondensator kontinuierlich aufgeladen werden.Die vom Tag empfangene Hochfrequenzenergie hat drei verschiedene Anwendungen: Spannungsverdoppelung, Gleichrichtung zur Stromversorgung, Empfang und Demodulation von Befehlssignalen sowie Modulation und Übertragung von Antwortsignalen.Unter anderem wird die Empfangsempfindlichkeit der Spannungsverdoppelungsgleichrichtung durch den Spannungsabfall der Gleichrichterdiode begrenzt, die zur Luftschnittstelle wird.Engpass.Aus diesem Grund sind Signalempfang und -demodulation sowie Antwortsignalmodulation und -übertragung die Grundfunktionen, die das RFID-System gewährleisten muss.Je stärker die Stromversorgungsfähigkeit des Spannungsverdoppler-Gleichrichter-Tags ist, desto wettbewerbsfähiger ist das Produkt.Daher besteht das Kriterium für die rationelle Verteilung der empfangenen HF-Energie beim Entwurf des Tag-Systems darin, die HF-Energieversorgung durch Spannungsverdoppler-Gleichrichtung so weit wie möglich zu erhöhen, unter der Prämisse, die Demodulation des empfangenen Signals und die Übertragung der Antwort sicherzustellen Signal.