اخبار

به عنوان اساسی ترین بخش فناوری غیرفعال اینترنت اشیا، برچسب های غیرفعال UHF RFID به طور گسترده در تعداد زیادی از برنامه ها مانند خرده فروشی سوپرمارکت، تدارکات و انبارداری، آرشیو کتاب، قابلیت ردیابی ضد جعل و غیره استفاده شده است. فقط در سال 2021، جهانی مبلغ حمل و نقل بیش از 20 میلیارد است.در کاربردهای عملی، چیپ تگ غیرفعال UHF RFID برای تامین برق دقیقاً به چه چیزی متکی است؟

ویژگی های منبع تغذیه برچسب غیرفعال UHF RFID

1. با برق بی سیم

انتقال برق بی سیم استفاده از تابش الکترومغناطیسی بی سیم برای انتقال انرژی الکتریکی از مکانی به مکان دیگر است.فرآیند کار تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی فرکانس رادیویی از طریق نوسان فرکانس رادیویی و انرژی فرکانس رادیویی از طریق آنتن فرستنده به انرژی میدان الکترومغناطیسی رادیویی تبدیل می‌شود.انرژی میدان الکترومغناطیسی رادیویی در فضا منتشر می شود و به آنتن گیرنده می رسد، سپس توسط آنتن گیرنده به انرژی فرکانس رادیویی تبدیل می شود و موج تشخیص تبدیل به انرژی DC می شود.

در سال 1896، Guglielmo Marchese Marconi ایتالیایی رادیویی را اختراع کرد که انتقال سیگنال های رادیویی را در فضا انجام داد.در سال 1899، نیکولا تسلا آمریکایی ایده استفاده از انتقال برق بی سیم را مطرح کرد و آنتنی با ارتفاع 60 متر، اندوکتانس بارگذاری شده در پایین، ظرفیت بارگذاری شده در بالا در کلرادو، با استفاده از فرکانس 150 کیلوهرتز برای ورودی 300 کیلووات برق ایجاد کرد.تا مسافت 42 کیلومتری را ارسال می کند و 10 کیلووات توان دریافت بی سیم را در انتهای گیرنده دریافت می کند.

منبع تغذیه تگ غیرفعال UHF RFID از این ایده پیروی می کند و خواننده از طریق فرکانس رادیویی برق تگ را تامین می کند.با این حال، تفاوت زیادی بین منبع تغذیه تگ غیرفعال UHF RFID و تست تسلا وجود دارد: فرکانس تقریباً ده هزار برابر بیشتر است و اندازه آنتن هزار بار کاهش می یابد.از آنجایی که تلفات انتقال بی سیم متناسب با مربع فرکانس و متناسب با مربع فاصله است، واضح است که افزایش تلفات انتقال بسیار زیاد است.ساده ترین حالت انتشار بی سیم، انتشار در فضای آزاد است.افت انتشار با مجذور طول موج انتشار نسبت معکوس و با مجذور فاصله متناسب است.تلفات انتشار در فضای آزاد LS=20lg (4πd/λ) است.اگر واحد فاصله d m و واحد فرکانس f مگاهرتز باشد، LS= -27.56+20lgd+20lgf است.

سیستم UHF RFID بر اساس مکانیزم انتقال برق بی سیم است.تگ غیرفعال منبع تغذیه خود را ندارد.باید انرژی فرکانس رادیویی ساطع شده توسط خواننده را دریافت کند و یک منبع تغذیه DC را از طریق یکسوسازی دو برابر شدن ولتاژ ایجاد کند، که به معنای ایجاد منبع تغذیه DC از طریق پمپ شارژ دیکسون است.

فاصله ارتباطی قابل اجرا رابط هوای UHF RFID عمدتاً توسط قدرت انتقال خواننده و افت انتشار اولیه در فضا تعیین می شود.قدرت انتقال خواننده RFID باند UHF معمولاً به 33dBm محدود می شود.از فرمول اصلی تلفات انتشار، با نادیده گرفتن هرگونه تلفات احتمالی دیگر، توان RF که از طریق انتقال برق بی سیم به برچسب می رسد را می توان محاسبه کرد.رابطه بین فاصله ارتباطی رابط هوای UHF RFID و تلفات انتشار اولیه و توان RF رسیدن به برچسب در جدول نشان داده شده است:

از جدول می توان دریافت که انتقال برق بی سیم UHF RFID دارای ویژگی های تلفات انتقال بزرگ است.از آنجایی که RFID با قوانین ملی ارتباط مسافت کوتاه مطابقت دارد، قدرت انتقال خواننده محدود است، بنابراین برچسب می تواند توان کم را تامین کند.با افزایش فاصله ارتباطی، انرژی فرکانس رادیویی دریافتی توسط برچسب غیرفعال با توجه به فرکانس کاهش می یابد و ظرفیت منبع تغذیه به سرعت کاهش می یابد.

2. منبع تغذیه را با شارژ و دشارژ خازن های ذخیره انرژی روی تراشه پیاده سازی کنید

(1) ویژگی های شارژ و دشارژ خازن

برچسب‌های غیرفعال از انتقال برق بی‌سیم برای به دست آوردن انرژی، تبدیل آن به ولتاژ DC، شارژ و ذخیره خازن‌های روی تراشه استفاده می‌کنند و سپس از طریق تخلیه، برق را به بار می‌رسانند.بنابراین، فرآیند منبع تغذیه تگ های غیرفعال، فرآیند شارژ و دشارژ خازن است.فرآیند استقرار یک فرآیند شارژ خالص است و فرآیند تامین برق یک فرآیند تخلیه و شارژ تکمیلی است.شارژ تکمیلی باید قبل از رسیدن ولتاژ تخلیه به حداقل ولتاژ تغذیه تراشه شروع شود.

(2) پارامترهای شارژ و دشارژ خازن

1) پارامترهای شارژ

مدت زمان شارژ: τC=RC×C

ولتاژ شارژ:

جریان شارژ مجدد:

که در آن RC مقاومت شارژ و C خازن ذخیره انرژی است.

2) پارامترهای تخلیه

طول زمان تخلیه: τD=RD×C

ولتاژ تخلیه:

جریان تخلیه:

در فرمول، RD مقاومت تخلیه و C خازن ذخیره انرژی است.

موارد فوق ویژگی های منبع تغذیه تگ های غیرفعال را نشان می دهد.این نه منبع ولتاژ ثابت است و نه منبع جریان ثابت، بلکه شارژ و دشارژ خازن ذخیره انرژی است.هنگامی که خازن ذخیره انرژی روی تراشه بالاتر از ولتاژ کاری V0 مدار تراشه شارژ می شود، می تواند برق تگ را تامین کند.هنگامی که خازن ذخیره انرژی شروع به تامین برق می کند، ولتاژ منبع تغذیه آن شروع به کاهش می کند.هنگامی که به زیر ولتاژ کاری تراشه V0 می رسد، خازن ذخیره انرژی قابلیت تامین برق خود را از دست می دهد و تراشه نمی تواند به کار خود ادامه دهد.بنابراین، تگ رابط هوا باید ظرفیت کافی برای شارژ مجدد برچسب را داشته باشد.

مشاهده می شود که حالت منبع تغذیه تگ های غیرفعال برای ویژگی های ارتباط انفجاری مناسب است و منبع تغذیه تگ های غیرفعال نیز به پشتیبانی از شارژ مداوم نیاز دارد.

3 تعادل عرضه و تقاضا

منبع تغذیه شارژ شناور یکی دیگر از روش های منبع تغذیه است و ظرفیت منبع تغذیه شارژ شناور با ظرفیت تخلیه سازگار است.اما همه آنها یک مشکل مشترک دارند، یعنی منبع تغذیه تگ های غیرفعال UHF RFID نیاز به تعادل بین عرضه و تقاضا دارد.

(1) حالت منبع تغذیه تعادل عرضه و تقاضا برای ارتباطات انفجاری

استاندارد فعلی ISO/IEC18000-6 برچسب‌های غیرفعال UHF RFID متعلق به سیستم ارتباطی انفجاری است.برای برچسب های غیرفعال، هیچ سیگنالی در طول دوره دریافت ارسال نمی شود.اگرچه دوره پاسخ موج حامل را دریافت می کند، اما معادل به دست آوردن منبع نوسان است، بنابراین می توان آن را به عنوان کار سیمپلکس در نظر گرفت.مسیر.برای این کاربرد، اگر دوره دریافت به عنوان دوره شارژ خازن ذخیره انرژی استفاده شود و دوره پاسخ، دوره تخلیه خازن ذخیره انرژی باشد، مقدار شارژ و دشارژ برابر برای حفظ تعادل عرضه و تقاضا تبدیل می شود. شرط لازم برای حفظ عملکرد عادی سیستم.از مکانیسم منبع تغذیه تگ غیرفعال RFID UHF که در بالا ذکر شد می توان فهمید که منبع تغذیه تگ غیرفعال RFID UHF نه منبع جریان ثابت است و نه منبع ولتاژ ثابت.هنگامی که خازن ذخیره انرژی برچسب به ولتاژی بالاتر از ولتاژ کاری معمولی مدار شارژ می شود، منبع تغذیه شروع می شود.هنگامی که خازن ذخیره انرژی برچسب به ولتاژی کمتر از ولتاژ کاری معمولی مدار تخلیه می شود، منبع تغذیه قطع می شود.

برای ارتباطات انفجاری، مانند رابط هوای تگ غیرفعال UHF RFID، شارژ را می توان قبل از اینکه برچسب یک پاسخ پشت سر هم ارسال کند، شارژ کرد، به اندازه ای که اطمینان حاصل شود که ولتاژ کافی می تواند تا زمان تکمیل پاسخ حفظ شود.بنابراین، علاوه بر تابش فرکانس رادیویی به اندازه کافی قوی که برچسب می تواند دریافت کند، تراشه همچنین باید دارای ظرفیت کافی روی تراشه و زمان شارژ کافی طولانی باشد.مصرف انرژی پاسخ برچسب و زمان پاسخ نیز باید تطبیق داده شود.با توجه به فاصله بین برچسب و خواننده، زمان پاسخ متفاوت است، مساحت خازن ذخیره انرژی محدود است و سایر عوامل، ممکن است تعادل بین عرضه و تقاضا در تقسیم زمانی دشوار باشد.

(2) حالت منبع تغذیه شناور برای ارتباط مداوم

برای برقراری ارتباط مداوم، برای حفظ منبع تغذیه بدون وقفه خازن ذخیره انرژی، باید همزمان دشارژ و شارژ شود و سرعت شارژ مشابه سرعت دشارژ باشد، یعنی ظرفیت منبع تغذیه قبل از آن حفظ شود. ارتباط قطع شده است

شناسایی فرکانس رادیویی تقسیم کد برچسب غیرفعال و استاندارد فعلی ISO/IEC18000-6 برچسب غیرفعال UHF RFID دارای ویژگی های مشترک هستند.حالت دریافت تگ نیاز به دمودولاسیون و رمزگشایی دارد و حالت پاسخ باید مدوله و ارسال شود.بنابراین باید بر اساس ارتباط مستمر طراحی شود.سیستم منبع تغذیه تراشه برچسب.برای اینکه نرخ شارژ مشابه نرخ دشارژ باشد، بیشتر انرژی دریافتی برچسب باید برای شارژ استفاده شود.

منابع رادیویی مشترک

1. RF front-end برای برچسب های غیرفعال

برچسب‌های غیرفعال نه تنها به عنوان منبع تغذیه برچسب‌ها و کارت پستال‌ها به انرژی فرکانس رادیویی از خواننده‌ها استفاده می‌شوند، بلکه مهمتر از آن، انتقال سیگنال دستورالعمل از خواننده به برچسب و انتقال سیگنال پاسخ از برچسب به خواننده است. از طریق انتقال داده های بی سیم محقق می شود.انرژی فرکانس رادیویی دریافتی توسط برچسب باید به سه قسمت تقسیم شود که به ترتیب برای تراشه برای برقراری منبع تغذیه استفاده می شود، سیگنال را کاهش می دهد (شامل سیگنال فرمان و ساعت همگام سازی) و حامل پاسخ را ارائه می دهد.

حالت کار استاندارد فعلی UHF RFID دارای ویژگی های زیر است: کانال downlink حالت پخش را اتخاذ می کند و کانال uplink حالت پاسخ توالی تک کانالی به اشتراک گذاری چند تگ را اتخاذ می کند.بنابراین از نظر انتقال اطلاعات به حالت عملیاتی سیمپلکس تعلق دارد.با این حال، از آنجایی که خود تگ نمی تواند حامل انتقال را فراهم کند، پاسخ برچسب باید با کمک خواننده، حامل را فراهم کند.بنابراین، هنگامی که تگ پاسخ می دهد، تا جایی که به حالت ارسال مربوط می شود، هر دو انتهای ارتباط در حالت کار دوطرفه هستند.

در حالت های کاری مختلف، واحدهای مداری که توسط تگ وارد کار می شوند، متفاوت هستند و توان مورد نیاز برای کار واحدهای مدار مختلف نیز متفاوت است.تمام نیرو از انرژی فرکانس رادیویی دریافت شده توسط برچسب می آید.بنابراین، کنترل توزیع انرژی RF به طور معقول و در صورت لزوم ضروری است.

2. کاربرد انرژی RF در ساعات کاری مختلف

وقتی تگ وارد میدان RF خواننده می شود و شروع به تولید برق می کند، مهم نیست که خواننده در این زمان چه سیگنالی ارسال می کند، برچسب تمام انرژی RF دریافتی را به مدار یکسو کننده دو برابر کننده ولتاژ برای شارژ خازن ذخیره انرژی روی تراشه تامین می کند. ، در نتیجه منبع تغذیه تراشه ایجاد می شود.

هنگامی که خواننده سیگنال فرمان را ارسال می کند، سیگنال انتقال خواننده سیگنالی است که توسط داده های فرمان و دامنه مدوله شده توسط توالی طیف گسترده کدگذاری می شود.اجزای حامل و اجزای باند جانبی وجود دارند که داده‌های فرمان و توالی‌های طیف گسترده را در سیگنال دریافت‌شده توسط تگ نشان می‌دهند.انرژی کل، انرژی حامل و اجزای باند جانبی سیگنال دریافتی مربوط به مدولاسیون است.در این زمان، مولفه مدولاسیون برای انتقال اطلاعات هماهنگ سازی فرمان و توالی طیف گسترده استفاده می شود و انرژی کل برای شارژ خازن ذخیره انرژی روی تراشه استفاده می شود که همزمان شروع به تامین برق روی تراشه می کند. مدار استخراج همگام سازی و واحد مدار دمودولاسیون سیگنال فرمان.بنابراین، در طول دوره ای که خواننده دستورالعملی را ارسال می کند، انرژی فرکانس رادیویی دریافت شده توسط برچسب برای ادامه شارژ، استخراج سیگنال همگام سازی، دموولاسیون و شناسایی سیگنال دستورالعمل استفاده می شود.خازن ذخیره انرژی برچسب در حالت منبع تغذیه شارژ شناور است.

هنگامی که تگ به خواننده پاسخ می دهد، سیگنال ارسالی خواننده سیگنالی است که توسط دامنه نرخ فرعی نرخ تراشه طیف گسترده طیف گسترده مدوله می شود.در سیگنال دریافت شده توسط برچسب، اجزای حامل و اجزای باند جانبی وجود دارد که نشان دهنده ساعت نرخ فرعی تراشه طیف گسترده است.در این زمان، مولفه مدولاسیون برای انتقال اطلاعات نرخ تراشه و نرخ ساعت توالی طیف گسترده استفاده می شود و انرژی کل برای شارژ خازن ذخیره انرژی روی تراشه و تعدیل داده های دریافتی و ارسال پاسخ به تراشه استفاده می شود. خوانندهمدار استخراج همزمان سازی تراشه و واحد مدار مدولاسیون سیگنال پاسخ برق را تامین می کنند.بنابراین، در طول دوره ای که خواننده پاسخ را دریافت می کند، برچسب انرژی فرکانس رادیویی را دریافت می کند و برای تگ برای ادامه شارژ استفاده می شود، سیگنال هماهنگ سازی تراشه استخراج می شود و داده های پاسخ مدوله می شوند و پاسخ ارسال می شود.خازن ذخیره انرژی برچسب در حالت منبع تغذیه شارژ شناور است.

به طور خلاصه، علاوه بر اینکه تگ وارد میدان RF خواننده می شود و شروع به برقراری دوره منبع تغذیه می کند، برچسب تمام انرژی RF دریافتی را به مدار یکسو کننده دو برابر کننده ولتاژ برای شارژ خازن ذخیره انرژی روی تراشه تامین می کند و در نتیجه ایجاد می کند. منبع تغذیه تراشهمتعاقباً، تگ همگام سازی را از سیگنال فرکانس رادیویی دریافتی استخراج می کند، دمدولاسیون فرمان را اجرا می کند، یا داده های پاسخ را تعدیل و ارسال می کند، که همگی از انرژی فرکانس رادیویی دریافتی استفاده می کنند.

3. انرژی مورد نیاز RF برای کاربردهای مختلف

(1) مورد نیاز انرژی RF برای انتقال برق بی سیم

انتقال برق بی‌سیم منبع تغذیه برچسب را ایجاد می‌کند، بنابراین هم به ولتاژ کافی برای راه‌اندازی مدار تراشه و هم به توان کافی و قابلیت منبع تغذیه مداوم نیاز دارد.

منبع تغذیه انتقال برق بی سیم برای برقراری منبع تغذیه با دریافت انرژی میدان RF خواننده و اصلاح دو برابر شدن ولتاژ زمانی است که برچسب منبع تغذیه ندارد.بنابراین، حساسیت دریافت آن توسط افت ولتاژ لوله دیود تشخیص جلویی محدود می شود.برای تراشه‌های CMOS، حساسیت دریافتی اصلاح دو برابر شدن ولتاژ بین -11 و -0.7dBm است، این گلوگاه برچسب‌های غیرفعال است.

(2) نیازهای انرژی RF برای تشخیص سیگنال دریافتی

در حالی که اصلاح دو برابر شدن ولتاژ منبع تغذیه تراشه را ایجاد می کند، برچسب باید بخشی از انرژی فرکانس رادیویی دریافتی را تقسیم کند تا مدار تشخیص سیگنال، از جمله تشخیص سیگنال فرمان و تشخیص ساعت همزمان را فراهم کند.از آنجایی که تشخیص سیگنال در شرایطی انجام می شود که منبع تغذیه برچسب برقرار شده باشد، حساسیت دمدولاسیون توسط افت ولتاژ لوله دیود تشخیص جلویی محدود نمی شود، بنابراین حساسیت دریافت بسیار بالاتر از توان بی سیم است. حساسیت دریافت انتقال، و به تشخیص دامنه سیگنال تعلق دارد و نیازی به قدرت وجود ندارد.

(3) انرژی مورد نیاز RF برای پاسخ برچسب

هنگامی که تگ به ارسال پاسخ می دهد، علاوه بر تشخیص ساعت همزمان، باید مدولاسیون شبه PSK را بر روی حامل دریافتی (شامل پاکت مدولاسیون ساعت) انجام دهد و انتقال معکوس را متوجه شود.در این زمان، سطح توان مشخصی مورد نیاز است و مقدار آن به فاصله خواننده تا تگ و حساسیت خواننده برای دریافت بستگی دارد.از آنجایی که محیط کار خواننده امکان استفاده از طرح‌های پیچیده‌تر را می‌دهد، گیرنده می‌تواند یک طرح جلویی کم نویز را اجرا کند، و شناسایی فرکانس رادیویی تقسیم کد از مدولاسیون طیف گسترده و همچنین بهره طیف گسترده و بهره سیستم PSK استفاده می‌کند. ، حساسیت خواننده ممکن است به اندازه کافی بالا طراحی شود.به طوری که الزامات برای سیگنال بازگشت برچسب به اندازه کافی کاهش می یابد.

به طور خلاصه، توان فرکانس رادیویی دریافتی توسط برچسب عمدتاً به عنوان انرژی تصحیح دوبرابر ولتاژ انتقال بی سیم تخصیص داده می شود و سپس مقدار مناسب سطح تشخیص سیگنال برچسب و مقدار مناسب انرژی مدولاسیون برگشتی برای دستیابی به انرژی معقول تخصیص داده می شود. توزیع و اطمینان از شارژ مداوم خازن ذخیره انرژی.یک طرح ممکن و معقول است.

مشاهده می‌شود که انرژی فرکانس رادیویی دریافتی توسط برچسب‌های غیرفعال دارای الزامات کاربردی مختلفی است، بنابراین طراحی توزیع توان فرکانس رادیویی مورد نیاز است.الزامات کاربرد انرژی فرکانس رادیویی در دوره های کاری مختلف متفاوت است، بنابراین لازم است یک طرح توزیع توان فرکانس رادیویی با توجه به نیازهای دوره های کاری مختلف داشته باشیم.کاربردهای مختلف نیازهای متفاوتی برای انرژی RF دارند که در میان آنها انتقال توان بی سیم به بیشترین توان نیاز دارد، بنابراین تخصیص توان RF باید بر روی نیازهای انتقال برق بی سیم تمرکز کند.

تگ های غیرفعال UHF RFID از انتقال برق بی سیم برای ایجاد منبع تغذیه برچسب استفاده می کنند.بنابراین بازده منبع تغذیه فوق العاده پایین و قابلیت منبع تغذیه بسیار ضعیف است.تراشه برچسب باید با مصرف انرژی کم طراحی شود.مدار تراشه با شارژ و تخلیه خازن ذخیره انرژی روی تراشه تغذیه می شود.بنابراین، برای اطمینان از عملکرد مداوم برچسب، خازن ذخیره انرژی باید به طور مداوم شارژ شود.انرژی فرکانس رادیویی دریافتی توسط برچسب دارای سه کاربرد مختلف است: یکسوسازی دو برابر کردن ولتاژ برای منبع تغذیه، دریافت سیگنال فرمان و دمدولاسیون، و مدولاسیون و انتقال سیگنال پاسخ.در میان آنها، حساسیت دریافت یکسوسازی دوبرابر ولتاژ توسط افت ولتاژ دیود یکسو کننده، که به یک رابط هوا تبدیل می شود، محدود می شود.تنگنا.به همین دلیل، دریافت و دمودولاسیون سیگنال و مدولاسیون و انتقال سیگنال پاسخ، عملکردهای اساسی هستند که سیستم RFID باید از آنها اطمینان حاصل کند.هرچه قابلیت منبع تغذیه تگ یکسو کننده دوبرابر ولتاژ قوی تر باشد، محصول رقابتی تر است.بنابراین، معیار توزیع منطقی انرژی RF دریافتی در طراحی سیستم تگ، افزایش تامین انرژی RF با یکسوسازی دوبرابر ولتاژ تا حد امکان با فرض اطمینان از دمودولاسیون سیگنال دریافتی و ارسال پاسخ است. علامت.