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En tant qu'élément le plus fondamental de la technologie passive de l'Internet des objets, les étiquettes passives RFID UHF ont été largement utilisées dans un grand nombre d'applications telles que la vente au détail en supermarché, la logistique et l'entreposage, les archives de livres, la traçabilité anti-contrefaçon, etc. Seulement en 2021, mondial le montant des expéditions est supérieur à 20 milliards.Dans les applications pratiques, sur quoi la puce de l’étiquette passive RFID UHF s’appuie-t-elle exactement pour fournir de l’énergie ?

Les caractéristiques d'alimentation de l'étiquette passive UHF RFID

1. Alimenté par une alimentation sans fil

La transmission d’énergie sans fil utilise le rayonnement électromagnétique sans fil pour transférer l’énergie électrique d’un endroit à un autre.Le processus de travail consiste à convertir l'énergie électrique en énergie radiofréquence par oscillation radiofréquence, et l'énergie radiofréquence est convertie en énergie de champ radioélectrique via l'antenne d'émission.L'énergie du champ radio électromagnétique se propage dans l'espace et atteint l'antenne de réception, puis elle est reconvertie en énergie radiofréquence par l'antenne de réception, et l'onde de détection devient de l'énergie CC.

En 1896, l'Italien Guglielmo Marchese Marconi a inventé la radio, qui permettait la transmission de signaux radio à travers l'espace.En 1899, l'Américain Nikola Tesla a proposé l'idée d'utiliser la transmission d'énergie sans fil et a créé une antenne de 60 m de haut, avec une inductance chargée en bas et une capacité chargée en haut dans le Colorado, utilisant une fréquence de 150 kHz pour fournir 300 kW de puissance.Il transmet sur une distance allant jusqu'à 42 km et obtient 10 kW de puissance de réception sans fil à l'extrémité de réception.

L'alimentation électrique de l'étiquette passive RFID UHF suit cette idée et le lecteur alimente l'étiquette par radiofréquence.Cependant, il existe une énorme différence entre l'alimentation des étiquettes passives RFID UHF et le test Tesla : la fréquence est près de dix mille fois supérieure et la taille de l'antenne est réduite de mille fois.Puisque la perte de transmission sans fil est proportionnelle au carré de la fréquence et proportionnelle au carré de la distance, il est clair que l’augmentation de la perte de transmission est énorme.Le mode de propagation sans fil le plus simple est la propagation en espace libre.La perte de propagation est inversement proportionnelle au carré de la longueur d'onde de propagation et proportionnelle au carré de la distance.L'affaiblissement de propagation en espace libre est LS = 20 lg (4πd/λ).Si l'unité de distance d est m et l'unité de fréquence f est MHz, alors LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Le système RFID UHF est basé sur le mécanisme de transmission de puissance sans fil.Le tag passif ne dispose pas de sa propre alimentation.Il doit recevoir l'énergie radiofréquence émise par le lecteur et établir une alimentation CC via une rectification par doublement de tension, ce qui signifie établir une alimentation CC via la pompe de charge Dickson.

La distance de communication applicable de l'interface aérienne RFID UHF est principalement déterminée par la puissance de transmission du lecteur et la perte de propagation de base dans l'espace.La puissance de transmission du lecteur RFID à bande UHF est généralement limitée à 33 dBm.À partir de la formule de base de perte de propagation, en ignorant toute autre perte possible, la puissance RF atteignant l'étiquette via la transmission de puissance sans fil peut être calculée.La relation entre la distance de communication de l'interface aérienne RFID UHF et la perte de propagation de base et la puissance RF atteignant l'étiquette sont indiquées dans le tableau :

Le tableau montre que la transmission de puissance sans fil UHF RFID présente les caractéristiques d'une perte de transmission importante.Étant donné que la RFID est conforme aux règles nationales de communication à courte distance, la puissance de transmission du lecteur est limitée, de sorte que l'étiquette peut fournir une faible puissance.À mesure que la distance de communication augmente, l'énergie radiofréquence reçue par l'étiquette passive diminue en fonction de la fréquence et la capacité d'alimentation diminue rapidement.

2. Mettre en œuvre l'alimentation électrique en chargeant et en déchargeant les condensateurs de stockage d'énergie sur puce

(1) Caractéristiques de charge et de décharge du condensateur

Les étiquettes passives utilisent la transmission d'énergie sans fil pour obtenir de l'énergie, la convertir en tension continue, charger et stocker les condensateurs sur puce, puis alimenter la charge par décharge.Par conséquent, le processus d’alimentation des étiquettes passives est le processus de charge et de décharge du condensateur.Le processus d'établissement est un processus de charge pur, et le processus d'alimentation électrique est un processus de décharge et de charge supplémentaire.La charge supplémentaire doit commencer avant que la tension de décharge n'atteigne la tension d'alimentation minimale de la puce.

(2) Paramètres de charge et de décharge du condensateur

1) Paramètres de charge

Durée de charge : τC=RC×C

Tension de charge :

courant de recharge :

où RC est la résistance de charge et C est le condensateur de stockage d'énergie.

2) Paramètres de décharge

Durée de décharge : τD=RD×C

Tension de décharge :

Courant de décharge:

Dans la formule, RD est la résistance de décharge et C est le condensateur de stockage d'énergie.

Ce qui précède montre les caractéristiques d'alimentation des étiquettes passives.Il ne s'agit ni d'une source de tension constante ni d'une source de courant constant, mais de la charge et de la décharge du condensateur de stockage d'énergie.Lorsque le condensateur de stockage d'énergie sur puce est chargé au-dessus de la tension de fonctionnement V0 du circuit sur puce, il peut alimenter l'étiquette.Lorsque le condensateur de stockage d'énergie commence à fournir de l'énergie, sa tension d'alimentation commence à chuter.Lorsqu'elle tombe en dessous de la tension de fonctionnement de la puce V0, le condensateur de stockage d'énergie perd sa capacité d'alimentation et la puce ne peut plus continuer à fonctionner.Par conséquent, l’étiquette d’interface aérienne doit avoir une capacité suffisante pour recharger l’étiquette.

On peut voir que le mode d'alimentation des étiquettes passives est adapté aux caractéristiques de la communication en rafale, et que l'alimentation des étiquettes passives nécessite également la prise en charge d'une charge continue.

3 Équilibre de l'offre et de la demande

L'alimentation de charge flottante est une autre méthode d'alimentation, et la capacité d'alimentation de charge flottante est adaptée à la capacité de décharge.Mais ils ont tous un problème commun : l’alimentation électrique des étiquettes passives RFID UHF doit équilibrer l’offre et la demande.

(1) Mode d'alimentation électrique équilibré entre l'offre et la demande pour la communication en rafale

La norme actuelle ISO/IEC18000-6 des étiquettes passives RFID UHF appartient au système de communication en rafale.Pour les tags passifs, aucun signal n'est transmis pendant la période de réception.Bien que la période de réponse reçoive l'onde porteuse, elle équivaut à l'acquisition de la source d'oscillation, elle peut donc être considérée comme un travail simplex.Chemin.Pour cette application, si la période de réception est utilisée comme période de charge du condensateur de stockage d'énergie et que la période de réponse est la période de décharge du condensateur de stockage d'énergie, la quantité égale de charge et de décharge pour maintenir l'équilibre entre l'offre et la demande devient une condition nécessaire au maintien du fonctionnement normal du système.Il ressort du mécanisme d'alimentation de l'étiquette passive UHF RFID mentionnée ci-dessus que l'alimentation de l'étiquette passive UHF RFID n'est ni une source de courant constant ni une source de tension constante.Lorsque le condensateur de stockage d'énergie de l'étiquette est chargé à une tension supérieure à la tension de fonctionnement normale du circuit, l'alimentation démarre ;lorsque le condensateur de stockage d'énergie de l'étiquette est déchargé à une tension inférieure à la tension de fonctionnement normale du circuit, l'alimentation électrique est arrêtée.

Pour les communications en rafale, telles que l'interface aérienne RFID UHF avec étiquette passive, la charge peut être chargée avant que l'étiquette n'envoie une rafale de réponse, suffisamment pour garantir qu'une tension suffisante puisse être maintenue jusqu'à ce que la réponse soit terminée.Par conséquent, en plus du rayonnement radiofréquence suffisamment puissant que l’étiquette peut recevoir, la puce doit également avoir une capacité sur puce suffisamment grande et un temps de charge suffisamment long.La consommation électrique et le temps de réponse de la réponse du tag doivent également être adaptés.En raison de la distance entre l'étiquette et le lecteur, le temps de réponse est différent, la surface du condensateur de stockage d'énergie est limitée et d'autres facteurs, il peut être difficile d'équilibrer l'offre et la demande dans le temps.

(2) Mode d'alimentation flottant pour une communication continue

Pour une communication continue, afin de maintenir l'alimentation ininterrompue du condensateur de stockage d'énergie, il doit être déchargé et chargé en même temps, et la vitesse de charge est similaire à la vitesse de décharge, c'est-à-dire que la capacité d'alimentation est maintenue avant la communication est terminée.

L'identification par radiofréquence par division de code d'étiquette passive et la norme actuelle ISO/IEC18000-6 d'étiquette passive UHF RFID ont des caractéristiques communes.L'état de réception de l'étiquette doit être démodulé et décodé, et l'état de réponse doit être modulé et envoyé.Il doit donc être conçu selon une communication continue.Système d'alimentation à puce d'étiquette.Pour que le taux de charge soit similaire au taux de décharge, la majeure partie de l’énergie reçue par l’étiquette doit être utilisée pour la charge.

Ressources RF partagées

1. Front-end RF pour les balises passives

Les étiquettes passives ne sont pas seulement utilisées comme source d'alimentation des étiquettes et des cartes postales pour l'énergie radiofréquence des lecteurs, mais plus important encore, la transmission du signal d'instruction du lecteur à l'étiquette et la transmission du signal de réponse de l'étiquette au lecteur sont réalisé grâce à la transmission de données sans fil.L'énergie radiofréquence reçue par l'étiquette doit être divisée en trois parties, qui sont respectivement utilisées par la puce pour établir l'alimentation électrique, démoduler le signal (y compris le signal de commande et l'horloge de synchronisation) et fournir la porteuse de réponse.

Le mode de fonctionnement de la norme actuelle UHF RFID présente les caractéristiques suivantes : le canal de liaison descendante adopte le mode de diffusion et le canal de liaison montante adopte le mode de réponse de séquence de partage multi-étiquettes à canal unique.Par conséquent, en termes de transmission d’informations, il appartient au mode de fonctionnement simplex.Cependant, puisque l'étiquette elle-même ne peut pas fournir le support de transmission, la réponse de l'étiquette doit fournir au support l'aide du lecteur.Par conséquent, lorsque l'étiquette répond, en ce qui concerne l'état d'envoi, les deux extrémités de la communication sont dans un état de fonctionnement duplex.

Dans différents états de fonctionnement, les unités de circuit mises en œuvre par l'étiquette sont différentes, et la puissance requise pour que les différentes unités de circuit fonctionnent est également différente.Toute la puissance provient de l’énergie radiofréquence reçue par l’étiquette.Par conséquent, il est nécessaire de contrôler la distribution d’énergie RF de manière raisonnable et lorsque cela est approprié.

2. Application de l'énergie RF à différentes heures de travail

Lorsque l'étiquette entre dans le champ RF du lecteur et commence à produire de la puissance, quel que soit le signal envoyé par le lecteur à ce moment-là, l'étiquette fournira toute l'énergie RF reçue au circuit redresseur doublant la tension pour charger le condensateur de stockage d'énergie sur la puce. , établissant ainsi l'alimentation électrique de la puce.

Lorsque le lecteur transmet le signal de commande, le signal de transmission du lecteur est un signal codé par les données de commande et modulé en amplitude par la séquence à spectre étalé.Il existe des composants porteurs et des composants de bande latérale représentant les données de commande et les séquences à spectre étalé dans le signal reçu par l'étiquette.L'énergie totale, l'énergie porteuse et les composantes de bande latérale du signal reçu sont liées à la modulation.À ce moment, le composant de modulation est utilisé pour transmettre les informations de synchronisation de la commande et de la séquence à spectre étalé, et l'énergie totale est utilisée pour charger le condensateur de stockage d'énergie sur puce, qui commence simultanément à alimenter la puce. le circuit d'extraction de synchronisation et l'unité de circuit de démodulation du signal de commande.Ainsi, pendant la période où le lecteur envoie une instruction, l'énergie radiofréquence reçue par l'étiquette est utilisée pour que l'étiquette continue à se charger, extraire le signal de synchronisation, démoduler et identifier le signal d'instruction.Le condensateur de stockage d'énergie d'étiquette est dans un état d'alimentation à charge flottante.

Lorsque l'étiquette répond au lecteur, le signal transmis par le lecteur est un signal qui est modulé par l'amplitude de l'horloge à sous-débit de débit de bribe à spectre étalé.Dans le signal reçu par l'étiquette, il y a des composants de porteuse et des composants de bande latérale représentant l'horloge à sous-débit du débit de puce à spectre étalé.À ce moment, le composant de modulation est utilisé pour transmettre les informations de débit de puce et d'horloge de fréquence de la séquence à spectre étalé, et l'énergie totale est utilisée pour charger le condensateur de stockage d'énergie sur puce, moduler les données reçues et envoyer une réponse au lecteur.Le circuit d'extraction de synchronisation de puce et l'unité de circuit de modulation de signal de réponse fournissent de l'énergie.Par conséquent, pendant la période pendant laquelle le lecteur reçoit la réponse, l'étiquette reçoit l'énergie radiofréquence et est utilisée pour que l'étiquette continue à se charger, le signal de synchronisation de la puce est extrait et les données de réponse sont modulées et la réponse est envoyée.Le condensateur de stockage d'énergie d'étiquette est dans un état d'alimentation à charge flottante.

En bref, en plus du fait que l'étiquette entre dans le champ RF du lecteur et commence à établir une période d'alimentation électrique, l'étiquette fournira toute l'énergie RF reçue à un circuit redresseur doublant la tension pour charger le condensateur de stockage d'énergie sur la puce, établissant ainsi une alimentation à puce.Par la suite, l'étiquette extrait la synchronisation du signal radiofréquence reçu, met en œuvre une démodulation de commande, ou module et transmet des données de réponse, le tout utilisant l'énergie radiofréquence reçue.

3. Besoins en énergie RF pour différentes applications

(1) Besoins en énergie RF pour la transmission d'énergie sans fil

Le transfert d'énergie sans fil établit l'alimentation électrique de l'étiquette, il nécessite donc à la fois une tension suffisante pour piloter le circuit de la puce, ainsi qu'une puissance suffisante et une capacité d'alimentation continue.

L'alimentation électrique de la transmission d'énergie sans fil consiste à établir l'alimentation électrique en recevant l'énergie du champ RF du lecteur et en doublant la tension lorsque l'étiquette n'a pas d'alimentation électrique.Par conséquent, sa sensibilité de réception est limitée par la chute de tension du tube de diode de détection frontale.Pour les puces CMOS, la sensibilité de réception du redressement par doublement de tension est comprise entre -11 et -0,7 dBm, c'est le goulot d'étranglement des étiquettes passives.

(2) Exigences en énergie RF pour la détection du signal reçu

Tandis que le redressement par doublement de tension établit l'alimentation de la puce, l'étiquette doit diviser une partie de l'énergie radiofréquence reçue pour fournir un circuit de détection de signal, comprenant une détection de signal de commande et une détection d'horloge synchrone.Étant donné que la détection du signal est effectuée à condition que l'alimentation électrique de l'étiquette ait été établie, la sensibilité de démodulation n'est pas limitée par la chute de tension du tube de diode de détection frontale, de sorte que la sensibilité de réception est beaucoup plus élevée que la puissance sans fil. sensibilité de réception de transmission, et elle appartient à la détection d'amplitude du signal, et il n'y a aucune exigence de puissance.

(3) Exigences en énergie RF pour la réponse de l'étiquette

Lorsque l'étiquette répond à l'envoi, en plus de détecter l'horloge synchrone, elle doit également effectuer une modulation pseudo-PSK sur la porteuse reçue (contenant l'enveloppe de modulation d'horloge) et réaliser une transmission inverse.A ce moment, un certain niveau de puissance est requis, et sa valeur dépend de la distance du lecteur à l'étiquette et de la sensibilité du lecteur à recevoir.Étant donné que l'environnement de travail du lecteur permet l'utilisation de conceptions plus complexes, le récepteur peut mettre en œuvre une conception frontale à faible bruit, et l'identification par radiofréquence par répartition en code utilise une modulation à spectre étalé, ainsi qu'un gain à spectre étalé et un gain du système PSK. , la sensibilité du lecteur peut être conçue pour être suffisamment élevée.De sorte que les exigences relatives au signal de retour de l'étiquette soient suffisamment réduites.

Pour résumer, la puissance radiofréquence reçue par l'étiquette est principalement allouée en tant qu'énergie de rectification du doubleur de tension de transmission de puissance sans fil, puis la quantité appropriée de niveau de détection du signal d'étiquette et la quantité appropriée d'énergie de modulation de retour sont allouées pour obtenir une énergie raisonnable. Distribution et assurer la charge continue du condensateur de stockage d'énergie.est une conception possible et raisonnable.

On peut voir que l'énergie radiofréquence reçue par les étiquettes passives a diverses exigences d'application, une conception de distribution d'énergie radiofréquence est donc nécessaire ;les exigences d'application de l'énergie radiofréquence dans différentes périodes de travail sont différentes, il est donc nécessaire d'avoir une conception de distribution d'énergie radiofréquence en fonction des besoins des différentes périodes de travail ;Différentes applications ont des exigences différentes en matière d'énergie RF, parmi lesquelles la transmission de puissance sans fil nécessite le plus de puissance. L'allocation de puissance RF doit donc se concentrer sur les besoins de transmission de puissance sans fil.

Les étiquettes passives RFID UHF utilisent la transmission d'énergie sans fil pour établir une alimentation électrique.Par conséquent, le rendement de l’alimentation électrique est extrêmement faible et la capacité d’alimentation électrique est très faible.La puce d'étiquette doit être conçue avec une faible consommation d'énergie.Le circuit à puce est alimenté en chargeant et en déchargeant le condensateur de stockage d'énergie intégré à la puce.Par conséquent, afin d’assurer le fonctionnement continu de l’étiquette, le condensateur de stockage d’énergie doit être chargé en permanence.L'énergie radiofréquence reçue par l'étiquette a trois applications différentes : le redressement par doublement de tension pour l'alimentation électrique, la réception et la démodulation du signal de commande, ainsi que la modulation et la transmission du signal de réponse.Parmi eux, la sensibilité de réception du redressement par doublement de tension est limitée par la chute de tension de la diode de redressement, qui devient une interface aérienne.goulot.Pour cette raison, la réception et la démodulation du signal ainsi que la modulation et la transmission du signal de réponse sont les fonctions de base que le système RFID doit assurer.Plus la capacité d'alimentation de l'étiquette du redresseur doubleur de tension est forte, plus le produit est compétitif.Par conséquent, le critère de distribution rationnelle de l'énergie RF reçue dans la conception du système d'étiquettes est d'augmenter autant que possible l'alimentation en énergie RF par un redressement par doubleur de tension, dans le but d'assurer la démodulation du signal reçu et la transmission de la réponse. signal.