Berita

Sebagai bagian paling dasar dari teknologi Internet of Things pasif, tag pasif UHF RFID telah banyak digunakan di sejumlah besar aplikasi seperti ritel supermarket, logistik dan pergudangan, arsip buku, ketertelusuran anti-pemalsuan, dll. Baru pada tahun 2021, global jumlah pengiriman lebih dari 20 miliar.Dalam aplikasi praktis, apa sebenarnya yang diandalkan oleh chip tag pasif UHF RFID untuk memasok daya?

Karakteristik catu daya tag pasif UHF RFID

1. Didukung oleh daya nirkabel

Transmisi daya nirkabel memanfaatkan radiasi elektromagnetik nirkabel untuk mentransfer energi listrik dari satu tempat ke tempat lain.Proses kerjanya adalah mengubah energi listrik menjadi energi frekuensi radio melalui osilasi frekuensi radio, dan energi frekuensi radio tersebut diubah menjadi energi medan elektromagnetik radio melalui antena pemancar.Energi medan elektromagnetik radio merambat melalui ruang dan mencapai antena penerima, kemudian diubah kembali menjadi energi frekuensi radio oleh antena penerima, dan gelombang pendeteksi menjadi energi DC.

Pada tahun 1896, Guglielmo Marchese Marconi dari Italia menemukan radio, yang mewujudkan transmisi sinyal radio melintasi ruang angkasa.Pada tahun 1899, Nikola Tesla dari Amerika mengusulkan gagasan untuk menggunakan transmisi daya nirkabel, dan memasang antena setinggi 60m, induktansi dimuat di bawah, kapasitansi dimuat di atas di Colorado, menggunakan frekuensi 150kHz untuk memasukkan daya 300kW.Ini mentransmisikan melalui jarak hingga 42 km, dan memperoleh daya penerima nirkabel 10kW di sisi penerima.

Catu daya tag pasif UHF RFID mengikuti ide ini, dan pembaca menyuplai daya ke tag melalui frekuensi radio.Namun, ada perbedaan besar antara catu daya tag pasif UHF RFID dan pengujian Tesla: frekuensinya hampir sepuluh ribu kali lebih tinggi, dan ukuran antena berkurang seribu kali lipat.Karena kehilangan transmisi nirkabel sebanding dengan kuadrat frekuensi dan sebanding dengan kuadrat jarak, jelas bahwa peningkatan kehilangan transmisi sangat besar.Mode propagasi nirkabel yang paling sederhana adalah propagasi ruang bebas.Kerugian propagasi berbanding terbalik dengan kuadrat panjang gelombang propagasi dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.Kerugian propagasi ruang bebas adalah LS=20lg(4πd/λ).Jika satuan jarak d adalah m dan satuan frekuensi f adalah MHz, maka LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Sistem RFID UHF didasarkan pada mekanisme transmisi daya nirkabel.Tag pasif tidak memiliki catu daya sendiri.Ia perlu menerima energi frekuensi radio yang dipancarkan oleh pembaca dan membuat catu daya DC melalui penyearah penggandaan tegangan, yang berarti membuat catu daya DC melalui pompa pengisian Dickson.

Jarak komunikasi yang berlaku dari antarmuka udara UHF RFID terutama ditentukan oleh kekuatan transmisi pembaca dan hilangnya propagasi dasar di ruang angkasa.Daya pancar pembaca RFID pita UHF biasanya dibatasi hingga 33dBm.Dari rumus kerugian propagasi dasar, dengan mengabaikan kemungkinan kerugian lainnya, daya RF yang mencapai tag melalui transmisi daya nirkabel dapat dihitung.Hubungan antara jarak komunikasi antarmuka udara UHF RFID dan kehilangan propagasi dasar serta daya RF yang mencapai tag ditunjukkan pada tabel:

Tabel tersebut menunjukkan bahwa transmisi daya nirkabel UHF RFID memiliki karakteristik kehilangan transmisi yang besar.Karena RFID mematuhi aturan komunikasi jarak pendek nasional, daya transmisi pembaca terbatas, sehingga tag dapat menyuplai daya rendah.Dengan bertambahnya jarak komunikasi, energi frekuensi radio yang diterima oleh tag pasif berkurang sesuai dengan frekuensinya, dan kapasitas catu daya menurun dengan cepat.

2. Menerapkan catu daya dengan mengisi dan mengosongkan kapasitor penyimpan energi pada chip

(1) Karakteristik pengisian dan pengosongan kapasitor

Tag pasif menggunakan transmisi daya nirkabel untuk memperoleh energi, mengubahnya menjadi tegangan DC, mengisi daya dan menyimpan kapasitor on-chip, dan kemudian menyuplai daya ke beban melalui pelepasan.Oleh karena itu, proses catu daya tag pasif adalah proses pengisian dan pengosongan kapasitor.Proses pendiriannya adalah proses pengisian murni, dan proses catu daya adalah proses pengosongan dan pengisian tambahan.Pengisian daya tambahan harus dimulai sebelum tegangan pelepasan mencapai tegangan suplai minimum chip.

(2) Parameter pengisian dan pengosongan kapasitor

1) Parameter pengisian daya

Lama waktu pengisian daya: τC=RC×C

Tegangan pengisian:

pengisian arus:

dimana RC adalah resistor pengisian dan C adalah kapasitor penyimpan energi.

2) Parameter debit

Lama waktu pelepasan: τD=RD×C

Tegangan pelepasan:

Arus pelepasan:

Dalam rumusnya, RD adalah resistansi pelepasan, dan C adalah kapasitor penyimpan energi.

Di atas menunjukkan karakteristik catu daya dari tag pasif.Ini bukan sumber tegangan konstan atau sumber arus konstan, tetapi pengisian dan pengosongan kapasitor penyimpan energi.Ketika kapasitor penyimpan energi pada chip diisi di atas tegangan kerja V0 dari rangkaian chip, kapasitor tersebut dapat menyuplai daya ke tag.Ketika kapasitor penyimpan energi mulai menyuplai daya, tegangan catu dayanya mulai turun.Ketika tegangan operasi chip turun di bawah V0, kapasitor penyimpan energi kehilangan kemampuan catu dayanya dan chip tidak dapat terus bekerja.Oleh karena itu, tag antarmuka udara harus memiliki kapasitas yang cukup untuk mengisi ulang tag tersebut.

Terlihat bahwa mode catu daya tag pasif cocok untuk karakteristik komunikasi burst, dan catu daya tag pasif juga memerlukan dukungan pengisian daya berkelanjutan.

3 Keseimbangan penawaran dan permintaan

Catu daya pengisian mengambang adalah metode catu daya lainnya, dan kapasitas catu daya pengisian mengambang disesuaikan dengan kapasitas pemakaian.Namun semuanya memiliki masalah yang sama, yaitu catu daya tag pasif RFID UHF perlu menyeimbangkan pasokan dan permintaan.

(1) Mode catu daya keseimbangan pasokan dan permintaan untuk komunikasi burst

Tag pasif UHF RFID standar ISO/IEC18000-6 saat ini termasuk dalam sistem komunikasi burst.Untuk tag pasif, tidak ada sinyal yang dikirimkan selama periode penerimaan.Meskipun periode respons menerima gelombang pembawa, namun setara dengan memperoleh sumber osilasi, sehingga dapat dianggap sebagai kerja simpleks.Jalan.Untuk penerapan ini, jika periode penerimaan digunakan sebagai periode pengisian kapasitor penyimpan energi, dan periode respons adalah periode pemakaian kapasitor penyimpan energi, jumlah pengisian dan pengosongan yang sama untuk menjaga keseimbangan pasokan dan permintaan menjadi kondisi yang diperlukan untuk mempertahankan operasi normal sistem.Dari mekanisme catu daya tag pasif UHF RFID tersebut di atas, dapat diketahui bahwa catu daya tag pasif UHF RFID bukanlah sumber arus konstan maupun sumber tegangan konstan.Ketika kapasitor penyimpan energi tag diisi ke tegangan yang lebih tinggi dari tegangan kerja normal rangkaian, catu daya dimulai;ketika kapasitor penyimpan energi tag dilepaskan ke tegangan yang lebih rendah dari tegangan operasi normal rangkaian, catu daya dihentikan.

Untuk komunikasi burst, seperti antarmuka udara UHF RFID tag pasif, muatan dapat diisi sebelum tag mengirimkan ledakan respons, cukup untuk memastikan bahwa tegangan yang cukup dapat dipertahankan hingga respons selesai.Oleh karena itu, selain radiasi frekuensi radio yang cukup kuat yang dapat diterima oleh tag, chip juga harus memiliki kapasitansi on-chip yang cukup besar dan waktu pengisian yang cukup lama.Konsumsi daya respons tag dan waktu respons juga harus disesuaikan.Karena jarak antara tag dan pembaca, waktu respons berbeda, luas kapasitor penyimpan energi terbatas dan faktor lainnya, mungkin sulit untuk menyeimbangkan pasokan dan permintaan dalam pembagian waktu.

(2) Mode catu daya mengambang untuk komunikasi berkelanjutan

Untuk komunikasi yang berkelanjutan, untuk menjaga pasokan daya kapasitor penyimpan energi tidak terputus, kapasitor penyimpan energi harus dikosongkan dan diisi pada saat yang sama, dan kecepatan pengisian serupa dengan kecepatan pengosongan, yaitu kapasitas catu daya dipertahankan sebelumnya. komunikasi dihentikan.

Identifikasi frekuensi radio pembagian kode tag pasif dan tag pasif UHF RFID standar saat ini ISO/IEC18000-6 memiliki karakteristik yang sama.Status penerima tag perlu didemodulasi dan didekodekan, dan status respons perlu dimodulasi dan dikirim.Oleh karena itu, harus dirancang sesuai dengan komunikasi yang berkelanjutan.Sistem catu daya chip tag.Agar laju pengisian daya serupa dengan laju pengosongan, sebagian besar energi yang diterima tag harus digunakan untuk pengisian daya.

Sumber daya RF bersama

1. Front-end RF untuk tag pasif

Tag pasif tidak hanya digunakan sebagai sumber tenaga tag dan kartu pos terhadap energi frekuensi radio dari pembacanya saja, namun yang lebih penting adalah transmisi sinyal instruksi dari pembaca ke tag dan transmisi sinyal respon dari tag ke pembaca. diwujudkan melalui transmisi data nirkabel.Energi frekuensi radio yang diterima oleh tag harus dibagi menjadi tiga bagian, yang masing-masing digunakan untuk chip untuk membangun catu daya, mendemodulasi sinyal (termasuk sinyal perintah dan jam sinkronisasi) dan menyediakan pembawa respons.

Mode kerja RFID UHF standar saat ini memiliki karakteristik sebagai berikut: saluran downlink mengadopsi mode siaran, dan saluran uplink mengadopsi mode respons urutan saluran tunggal berbagi multi-tag.Oleh karena itu, dalam hal transmisi informasi, ini termasuk dalam mode operasi simpleks.Namun, karena tag itu sendiri tidak dapat menyediakan pembawa transmisi, respons tag perlu menyediakan bantuan pembaca kepada pembawa.Oleh karena itu, ketika tag merespons, sejauh menyangkut status pengiriman, kedua ujung komunikasi berada dalam kondisi kerja dupleks.

Dalam kondisi kerja yang berbeda, unit sirkuit yang dioperasikan berdasarkan tag berbeda, dan daya yang diperlukan agar unit sirkuit berbeda dapat berfungsi juga berbeda.Semua daya berasal dari energi frekuensi radio yang diterima oleh tag.Oleh karena itu, distribusi energi RF perlu dikontrol secara wajar dan sesuai.

2. Penerapan energi RF pada jam kerja yang berbeda

Ketika tag memasuki medan RF pembaca dan mulai membangun daya, tidak peduli sinyal apa yang dikirimkan pembaca saat ini, tag akan memasok semua energi RF yang diterima ke rangkaian penyearah penggandaan tegangan untuk mengisi daya kapasitor penyimpan energi pada chip , sehingga membangun catu daya chip.

Ketika pembaca mengirimkan sinyal perintah, sinyal transmisi pembaca adalah sinyal yang dikodekan oleh data perintah dan amplitudo dimodulasi oleh urutan spektrum penyebaran.Terdapat komponen pembawa dan komponen sideband yang mewakili data perintah dan rangkaian spektrum penyebaran dalam sinyal yang diterima oleh tag.Energi total, energi pembawa, dan komponen sideband dari sinyal yang diterima berhubungan dengan modulasi.Pada saat ini, komponen modulasi digunakan untuk mengirimkan informasi sinkronisasi dari perintah dan urutan spektrum penyebaran, dan energi total digunakan untuk mengisi kapasitor penyimpan energi pada chip, yang secara bersamaan mulai memasok daya ke on-chip. rangkaian ekstraksi sinkronisasi dan unit rangkaian demodulasi sinyal perintah.Oleh karena itu, selama periode ketika pembaca mengirimkan instruksi, energi frekuensi radio yang diterima oleh tag digunakan agar tag dapat terus mengisi daya, mengekstraksi sinyal sinkronisasi, mendemodulasi dan mengidentifikasi sinyal instruksi.Kapasitor penyimpan energi tag berada dalam kondisi catu daya muatan mengambang.

Ketika tag merespons pembaca, sinyal yang ditransmisikan dari pembaca adalah sinyal yang dimodulasi oleh amplitudo jam sub-tingkat kecepatan chip spektrum penyebaran.Pada sinyal yang diterima oleh tag, terdapat komponen pembawa dan komponen sideband yang mewakili jam sub-rate laju chip spektrum penyebaran.Pada saat ini, komponen modulasi digunakan untuk mengirimkan informasi laju chip dan jam laju dari urutan spektrum penyebaran, dan energi total digunakan untuk mengisi kapasitor penyimpan energi pada chip dan memodulasi data yang diterima serta mengirimkan respons ke pembaca.Sirkuit ekstraksi sinkronisasi chip dan unit sirkuit modulasi sinyal respons menyuplai daya.Oleh karena itu, selama periode ketika pembaca menerima respons, tag menerima energi frekuensi radio dan digunakan agar tag terus mengisi daya, sinyal sinkronisasi chip diekstraksi dan data respons dimodulasi dan respons dikirim.Kapasitor penyimpan energi tag berada dalam kondisi catu daya muatan mengambang.

Singkatnya, selain tag yang memasuki medan RF pembaca dan mulai menetapkan periode catu daya, tag tersebut akan menyuplai semua energi RF yang diterima ke rangkaian penyearah pengganda tegangan untuk mengisi kapasitor penyimpan energi pada chip, sehingga membentuk catu daya chip.Selanjutnya, tag mengekstrak sinkronisasi dari sinyal frekuensi radio yang diterima, menerapkan demodulasi perintah, atau memodulasi dan mengirimkan data respons, yang semuanya menggunakan energi frekuensi radio yang diterima.

3. Persyaratan energi RF untuk aplikasi yang berbeda

(1) Persyaratan energi RF untuk transmisi daya nirkabel

Transfer daya nirkabel menetapkan catu daya untuk tag, sehingga memerlukan voltase yang cukup untuk menggerakkan sirkuit chip, serta daya yang cukup dan kemampuan catu daya berkelanjutan.

Catu daya transmisi daya nirkabel adalah untuk membuat catu daya dengan menerima energi medan RF dari pembaca dan perbaikan penggandaan tegangan ketika tag tidak memiliki catu daya.Oleh karena itu, sensitivitas penerimaannya dibatasi oleh penurunan tegangan tabung dioda pendeteksi front-end.Untuk chip CMOS, sensitivitas penerimaan rektifikasi penggandaan tegangan adalah antara -11 dan -0,7dBm, yang merupakan hambatan tag pasif.

(2) Persyaratan energi RF untuk deteksi sinyal yang diterima

Sementara perbaikan penggandaan tegangan membentuk catu daya chip, tag perlu membagi sebagian energi frekuensi radio yang diterima untuk menyediakan sirkuit deteksi sinyal, termasuk deteksi sinyal perintah dan deteksi jam sinkron.Karena deteksi sinyal dilakukan di bawah kondisi bahwa catu daya dari tag telah ditetapkan, sensitivitas demodulasi tidak dibatasi oleh penurunan tegangan tabung dioda pendeteksi front-end, sehingga sensitivitas penerimaan jauh lebih tinggi daripada daya nirkabel. sensitivitas penerimaan transmisi, dan itu termasuk dalam deteksi amplitudo sinyal, dan tidak ada persyaratan kekuatan daya.

(3) Persyaratan energi RF untuk respons tag

Ketika tag merespons pengiriman, selain mendeteksi jam sinkron, tag juga perlu melakukan modulasi pseudo-PSK pada pembawa yang diterima (berisi amplop modulasi jam) dan mewujudkan transmisi terbalik.Pada saat ini, diperlukan tingkat daya tertentu, dan nilainya bergantung pada jarak pembaca ke tag dan sensitivitas pembaca untuk menerima.Karena lingkungan kerja pembaca memungkinkan penggunaan desain yang lebih kompleks, penerima dapat menerapkan desain front-end dengan kebisingan rendah, dan identifikasi frekuensi radio divisi kode menggunakan modulasi spektrum tersebar, serta penguatan spektrum tersebar dan penguatan sistem PSK. , sensitivitas pembaca mungkin dirancang cukup tinggi.Sehingga persyaratan sinyal balik label cukup dikurangi.

Singkatnya, daya frekuensi radio yang diterima oleh tag terutama dialokasikan sebagai energi rektifikasi pengganda tegangan transmisi daya nirkabel, dan kemudian jumlah tingkat deteksi sinyal tag yang sesuai dan jumlah energi modulasi balik yang sesuai dialokasikan untuk mencapai energi yang wajar Distribusi dan memastikan pengisian terus menerus dari kapasitor penyimpan energi.adalah desain yang mungkin dan masuk akal.

Terlihat bahwa energi frekuensi radio yang diterima oleh tag pasif mempunyai kebutuhan penerapan yang beragam, sehingga diperlukan desain distribusi daya frekuensi radio;kebutuhan penerapan energi frekuensi radio pada periode kerja yang berbeda berbeda-beda, sehingga perlu adanya desain distribusi daya frekuensi radio sesuai dengan kebutuhan periode kerja yang berbeda;Aplikasi yang berbeda memiliki kebutuhan energi RF yang berbeda, di antaranya transmisi daya nirkabel memerlukan daya paling besar, sehingga alokasi daya RF harus fokus pada kebutuhan transmisi daya nirkabel.

Tag pasif UHF RFID menggunakan transmisi daya nirkabel untuk membuat catu daya tag.Oleh karena itu, efisiensi pasokan listrik sangat rendah dan kemampuan pasokan listrik sangat lemah.Chip tag harus dirancang dengan konsumsi daya yang rendah.Sirkuit chip diberi daya dengan mengisi dan mengosongkan kapasitor penyimpan energi pada chip.Oleh karena itu, untuk memastikan pengoperasian label yang berkelanjutan, kapasitor penyimpan energi harus diisi secara terus menerus.Energi frekuensi radio yang diterima oleh tag memiliki tiga aplikasi berbeda: penyearah penggandaan tegangan untuk catu daya, penerimaan dan demodulasi sinyal perintah, serta modulasi dan transmisi sinyal respons.Diantaranya, sensitivitas penerimaan penyearah penggandaan tegangan dibatasi oleh penurunan tegangan dioda penyearah, yang menjadi antarmuka udara.kemacetan.Oleh karena itu, penerimaan dan demodulasi sinyal serta modulasi dan transmisi sinyal respons adalah fungsi dasar yang harus dipastikan oleh sistem RFID.Semakin kuat kemampuan catu daya dari tag penyearah pengganda tegangan, semakin kompetitif produk tersebut.Oleh karena itu, kriteria untuk mendistribusikan energi RF yang diterima secara rasional dalam desain sistem tag adalah untuk meningkatkan pasokan energi RF dengan penyearah pengganda tegangan sebanyak mungkin dengan alasan untuk memastikan demodulasi sinyal yang diterima dan transmisi respons. sinyal.