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Essendo la parte più basilare della tecnologia passiva dell'Internet delle cose, i tag passivi RFID UHF sono stati ampiamente utilizzati in un gran numero di applicazioni come vendita al dettaglio nei supermercati, logistica e magazzinaggio, archivi di libri, tracciabilità anticontraffazione, ecc. Solo nel 2021, a livello globale l'importo della spedizione è superiore a 20 miliardi.Nelle applicazioni pratiche, su cosa si basa esattamente il chip del tag passivo RFID UHF per fornire energia?

Le caratteristiche dell'alimentatore del tag passivo RFID UHF

1. Alimentato tramite alimentazione wireless

La trasmissione di energia wireless utilizza la radiazione elettromagnetica wireless per trasferire energia elettrica da un luogo a un altro.Il processo di lavoro consiste nel convertire l'energia elettrica in energia a radiofrequenza attraverso l'oscillazione della radiofrequenza e l'energia a radiofrequenza viene convertita in energia del campo elettromagnetico radio attraverso l'antenna trasmittente.L'energia del campo elettromagnetico radio si propaga attraverso lo spazio e raggiunge l'antenna ricevente, quindi viene riconvertita in energia a radiofrequenza dall'antenna ricevente e l'onda di rilevamento diventa energia CC.

Nel 1896, l'italiano Guglielmo Marchese Marconi inventò la radio, che realizzò la trasmissione di segnali radio attraverso lo spazio.Nel 1899, l'americano Nikola Tesla propose l'idea di utilizzare la trasmissione di energia senza fili e stabilì un'antenna alta 60 metri, con induttanza caricata in basso e capacità caricata in alto in Colorado, utilizzando una frequenza di 150kHz per assorbire 300kW di potenza.Trasmette su una distanza massima di 42 km e ottiene 10 kW di potenza di ricezione wireless all'estremità ricevente.

L'alimentatore per tag passivo RFID UHF segue questa idea e il lettore fornisce alimentazione al tag tramite radiofrequenza.Tuttavia, c'è un'enorme differenza tra l'alimentazione del tag passivo RFID UHF e il test Tesla: la frequenza è quasi diecimila volte superiore e la dimensione dell'antenna è ridotta di mille volte.Poiché la perdita di trasmissione wireless è proporzionale al quadrato della frequenza e proporzionale al quadrato della distanza, è chiaro che l'aumento della perdita di trasmissione è enorme.La modalità di propagazione wireless più semplice è la propagazione nello spazio libero.La perdita di propagazione è inversamente proporzionale al quadrato della lunghezza d'onda di propagazione e proporzionale al quadrato della distanza.La perdita per propagazione nello spazio libero è LS=20lg(4πd/λ).Se l'unità di distanza d è me l'unità di frequenza f è MHz, allora LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Il sistema RFID UHF si basa sul meccanismo di trasmissione di potenza wireless.Il tag passivo non dispone di una propria alimentazione.Ha bisogno di ricevere l'energia a radiofrequenza emessa dal lettore e di stabilire un'alimentazione DC attraverso il raddoppio della tensione, il che significa stabilire un'alimentazione DC attraverso la pompa di carica Dickson.

La distanza di comunicazione applicabile dell'interfaccia aerea RFID UHF è determinata principalmente dalla potenza di trasmissione del lettore e dalla perdita di propagazione di base nello spazio.La potenza di trasmissione del lettore RFID in banda UHF è solitamente limitata a 33 dBm.Dalla formula base della perdita di propagazione, ignorando qualsiasi altra possibile perdita, è possibile calcolare la potenza RF che raggiunge il tag attraverso la trasmissione di potenza wireless.La relazione tra la distanza di comunicazione dell'interfaccia aerea RFID UHF e la perdita di propagazione di base e la potenza RF che raggiunge il tag sono mostrate nella tabella:

Dalla tabella si può vedere che la trasmissione di potenza wireless UHF RFID ha le caratteristiche di una grande perdita di trasmissione.Poiché l'RFID è conforme alle norme nazionali sulle comunicazioni a breve distanza, la potenza di trasmissione del lettore è limitata, quindi il tag può fornire una bassa potenza.All'aumentare della distanza di comunicazione, l'energia in radiofrequenza ricevuta dal tag passivo diminuisce in base alla frequenza e la capacità di alimentazione diminuisce rapidamente.

2. Implementare l'alimentazione caricando e scaricando i condensatori di accumulo di energia su chip

(1) Caratteristiche di carica e scarica del condensatore

I tag passivi utilizzano la trasmissione di potenza wireless per ottenere energia, convertirla in tensione CC, caricare e immagazzinare i condensatori su chip e quindi fornire energia al carico attraverso la scarica.Pertanto, il processo di alimentazione dei tag passivi è il processo di carica e scarica dei condensatori.Il processo di costituzione è un puro processo di ricarica e il processo di alimentazione è un processo di scarica e ricarica supplementare.La carica supplementare deve iniziare prima che la tensione di scarica raggiunga la tensione minima di alimentazione del chip.

(2) Parametri di carica e scarica del condensatore

1) Parametri di carica

Durata del tempo di ricarica: τC=RC×C

Tensione di carica:

corrente di ricarica:

dove RC è il resistore di carica e C è il condensatore di accumulo dell'energia.

2) Parametri di scarico

Durata del tempo di scarica: τD=RD×C

Voltaggio di scarica:

Corrente di scarica:

Nella formula, RD è la resistenza di scarica e C è il condensatore di accumulo dell'energia.

Quanto sopra mostra le caratteristiche di alimentazione dei tag passivi.Non si tratta né di una sorgente di tensione costante né di una sorgente di corrente costante, ma della carica e scarica del condensatore di accumulo dell'energia.Quando il condensatore di accumulo dell'energia su chip viene caricato al di sopra della tensione di lavoro V0 del circuito del chip, può fornire energia al tag.Quando il condensatore di accumulo dell'energia inizia a fornire energia, la tensione di alimentazione inizia a diminuire.Quando scende al di sotto della tensione operativa del chip V0, il condensatore di accumulo dell'energia perde la sua capacità di alimentazione e il chip non può continuare a funzionare.Pertanto, il tag dell'interfaccia aerea dovrebbe avere una capacità sufficiente per ricaricare il tag.

Si può vedere che la modalità di alimentazione dei tag passivi è adatta alle caratteristiche della comunicazione burst e che l'alimentazione dei tag passivi necessita anche del supporto della ricarica continua.

3 Equilibrio tra domanda e offerta

L'alimentatore di carica flottante è un altro metodo di alimentazione e la capacità dell'alimentatore di carica flottante è adattata alla capacità di scarica.Ma hanno tutti un problema comune, ovvero che l’alimentazione dei tag passivi RFID UHF deve bilanciare domanda e offerta.

(1) Modalità di alimentazione con bilanciamento della domanda e dell'offerta per la comunicazione burst

L'attuale standard ISO/IEC18000-6 dei tag passivi RFID UHF appartiene al sistema di comunicazione burst.Per i tag passivi, durante il periodo di ricezione non viene trasmesso alcun segnale.Sebbene il periodo di risposta riceva l'onda portante, equivale ad acquisire la sorgente di oscillazione, quindi può essere considerato un lavoro simplex.Modo.Per questa applicazione, se il periodo di ricezione viene utilizzato come periodo di carica del condensatore di accumulo di energia e il periodo di risposta è il periodo di scarica del condensatore di accumulo di energia, la quantità uguale di carica e scarica per mantenere l'equilibrio tra domanda e offerta diventa una condizione necessaria per mantenere il normale funzionamento del sistema.Dal meccanismo di alimentazione del suddetto tag RFID UHF passivo si può sapere che l'alimentazione del tag RFID UHF passivo non è né una sorgente di corrente costante né una sorgente di tensione costante.Quando il condensatore di accumulo dell'energia del tag viene caricato a una tensione superiore alla normale tensione di funzionamento del circuito, l'alimentazione si avvia;quando il condensatore di accumulo dell'energia del tag viene scaricato a una tensione inferiore alla normale tensione operativa del circuito, l'alimentazione viene interrotta.

Per la comunicazione burst, come l'interfaccia aerea RFID UHF del tag passivo, la carica può essere caricata prima che il tag invii un burst di risposta, sufficiente a garantire che possa essere mantenuta una tensione sufficiente fino al completamento della risposta.Pertanto, oltre alla radiazione di radiofrequenza sufficientemente potente che il tag può ricevere, il chip deve anche avere una capacità su chip sufficientemente grande e un tempo di ricarica sufficientemente lungo.Anche il consumo energetico della risposta del tag e il tempo di risposta devono essere adattati.A causa della distanza tra il tag e il lettore, il tempo di risposta è diverso, l'area del condensatore di accumulo dell'energia è limitata e altri fattori potrebbero rendere difficile bilanciare la domanda e l'offerta nella divisione temporale.

(2) Modalità di alimentazione flottante per comunicazione continua

Per la comunicazione continua, al fine di mantenere l'alimentazione ininterrotta del condensatore di accumulo dell'energia, è necessario scaricarlo e caricarlo allo stesso tempo e la velocità di carica è simile alla velocità di scarica, ovvero la capacità di alimentazione viene mantenuta prima la comunicazione viene interrotta.

L'identificazione a radiofrequenza con divisione del codice del tag passivo e l'attuale standard ISO/IEC18000-6 del tag passivo RFID UHF hanno caratteristiche comuni.Lo stato di ricezione del tag deve essere demodulato e decodificato e lo stato di risposta deve essere modulato e inviato.Pertanto, dovrebbe essere progettato secondo una comunicazione continua.Sistema di alimentazione del chip tag.Affinché la velocità di ricarica sia simile alla velocità di scarica, la maggior parte dell'energia ricevuta dal tag deve essere utilizzata per la ricarica.

Risorse RF condivise

1. Front-end RF per tag passivi

I tag passivi non vengono utilizzati solo come fonte di alimentazione dei tag e delle cartoline per l'energia in radiofrequenza proveniente dai lettori, ma, cosa ancora più importante, la trasmissione del segnale di istruzione dal lettore al tag e la trasmissione del segnale di risposta dal tag al lettore sono realizzato attraverso la trasmissione dati wireless.L'energia a radiofrequenza ricevuta dal tag dovrebbe essere divisa in tre parti, che vengono rispettivamente utilizzate dal chip per stabilire l'alimentazione, demodulare il segnale (incluso il segnale di comando e l'orologio di sincronizzazione) e fornire la portante di risposta.

La modalità di funzionamento dell'attuale standard UHF RFID ha le seguenti caratteristiche: il canale downlink adotta la modalità broadcast e il canale uplink adotta la modalità di risposta in sequenza a canale singolo con condivisione multi-tag.Pertanto, in termini di trasmissione delle informazioni, appartiene alla modalità operativa simplex.Tuttavia, poiché il tag stesso non può fornire la portante di trasmissione, la risposta del tag deve fornire la portante con l'aiuto del lettore.Pertanto, quando il tag risponde, per quanto riguarda lo stato di invio, entrambe le estremità della comunicazione si trovano in uno stato di funzionamento duplex.

In diversi stati di funzionamento, le unità di circuito messe in funzione dal tag sono diverse e anche la potenza richiesta per il funzionamento delle diverse unità di circuito è diversa.Tutta la potenza proviene dall'energia a radiofrequenza ricevuta dal tag.Pertanto, è necessario controllare la distribuzione dell'energia RF in modo ragionevole e quando appropriato.

2. Applicazione di energia RF in diversi orari di lavoro

Quando il tag entra nel campo RF del lettore e inizia ad accumulare potenza, indipendentemente dal segnale inviato dal lettore in questo momento, il tag fornirà tutta l'energia RF ricevuta al circuito raddrizzatore di tensione per caricare il condensatore di accumulo dell'energia su chip , stabilendo così l'alimentazione del chip.

Quando il lettore trasmette il segnale di comando, il segnale di trasmissione del lettore è un segnale codificato dai dati di comando e modulato in ampiezza dalla sequenza dello spettro esteso.Ci sono componenti portanti e componenti di banda laterale che rappresentano i dati di comando e le sequenze di spettro esteso nel segnale ricevuto dal tag.L'energia totale, l'energia della portante e i componenti della banda laterale del segnale ricevuto sono legati alla modulazione.In questo momento, il componente di modulazione viene utilizzato per trasmettere le informazioni di sincronizzazione del comando e della sequenza dello spettro esteso e l'energia totale viene utilizzata per caricare il condensatore di accumulo dell'energia su chip, che contemporaneamente inizia a fornire energia al condensatore su chip il circuito di estrazione del sincronismo e l'unità circuitale di demodulazione del segnale di comando.Pertanto, durante il periodo in cui il lettore invia un'istruzione, l'energia a radiofrequenza ricevuta dal tag viene utilizzata affinché il tag continui a caricarsi, estragga il segnale di sincronizzazione, demoduli e identifichi il segnale di istruzione.Il condensatore di accumulo dell'energia del tag è in uno stato di alimentazione a carica fluttuante.

Quando il tag risponde al lettore, il segnale trasmesso dal lettore è un segnale che viene modulato dall'ampiezza del clock sub-rate della frequenza del chip a spettro esteso.Nel segnale ricevuto dal tag, sono presenti componenti portanti e componenti di banda laterale che rappresentano il clock secondario della velocità del chip a spettro esteso.In questo momento, il componente di modulazione viene utilizzato per trasmettere le informazioni sulla velocità del chip e sul clock della frequenza della sequenza dello spettro esteso e l'energia totale viene utilizzata per caricare il condensatore di accumulo dell'energia su chip e modulare i dati ricevuti e inviare una risposta al lettore.Il circuito di estrazione della sincronizzazione del chip e l'unità del circuito di modulazione del segnale di risposta forniscono alimentazione.Pertanto, durante il periodo in cui il lettore riceve la risposta, il tag riceve l'energia a radiofrequenza e viene utilizzato affinché il tag continui a caricarsi, viene estratto il segnale di sincronizzazione del chip, i dati di risposta vengono modulati e la risposta viene inviata.Il condensatore di accumulo dell'energia del tag è in uno stato di alimentazione a carica fluttuante.

In breve, oltre al tag che entra nel campo RF del lettore e inizia a stabilire un periodo di alimentazione, il tag fornirà tutta l'energia RF ricevuta a un circuito raddrizzatore di tensione per caricare il condensatore di accumulo dell'energia su chip, stabilendo così un alimentatore a chip.Successivamente, il tag estrae la sincronizzazione dal segnale a radiofrequenza ricevuto, implementa la demodulazione del comando oppure modula e trasmette i dati di risposta, il tutto utilizzando l'energia a radiofrequenza ricevuta.

3. Requisiti di energia RF per diverse applicazioni

(1) Requisiti di energia RF per la trasmissione di potenza wireless

Il trasferimento di potenza wireless stabilisce l'alimentazione per il tag, quindi richiede sia una tensione sufficiente per azionare il circuito del chip, sia una potenza sufficiente e una capacità di alimentazione continua.

L'alimentazione della trasmissione di energia wireless consiste nel stabilire l'alimentazione ricevendo l'energia del campo RF del lettore e il raddoppio della tensione quando il tag non è alimentato.Pertanto, la sua sensibilità di ricezione è limitata dalla caduta di tensione del tubo del diodo di rilevamento front-end.Per i chip CMOS, la sensibilità di ricezione del raddoppio della tensione è compresa tra -11 e -0,7 dBm, è il collo di bottiglia dei tag passivi.

(2) Requisiti di energia RF per il rilevamento del segnale ricevuto

Mentre il raddoppio della tensione stabilisce l'alimentazione del chip, il tag deve dividere una parte dell'energia in radiofrequenza ricevuta per fornire un circuito di rilevamento del segnale, compreso il rilevamento del segnale di comando e il rilevamento dell'orologio sincrono.Poiché il rilevamento del segnale viene eseguito a condizione che sia stata stabilita l'alimentazione del tag, la sensibilità di demodulazione non è limitata dalla caduta di tensione del tubo del diodo di rilevamento front-end, quindi la sensibilità di ricezione è molto superiore alla potenza wireless sensibilità di ricezione della trasmissione e appartiene al rilevamento dell'ampiezza del segnale e non è richiesto alcun requisito di potenza.

(3) Requisiti di energia RF per la risposta del tag

Quando il tag risponde all'invio, oltre a rilevare il clock sincrono, deve anche eseguire la modulazione pseudo-PSK sulla portante ricevuta (contenente l'inviluppo di modulazione del clock) e realizzare la trasmissione inversa.In questo momento è richiesto un certo livello di potenza e il suo valore dipende dalla distanza del lettore dal tag e dalla sensibilità del lettore alla ricezione.Poiché l'ambiente di lavoro del lettore consente l'uso di progetti più complessi, il ricevitore può implementare un design front-end a basso rumore e l'identificazione della radiofrequenza a divisione di codice utilizza la modulazione dello spettro diffuso, nonché il guadagno dello spettro diffuso e il guadagno del sistema PSK , la sensibilità del lettore può essere progettata per essere sufficientemente elevata.In modo che i requisiti per il segnale di ritorno dell'etichetta siano sufficientemente ridotti.

Per riassumere, la potenza in radiofrequenza ricevuta dal tag viene principalmente allocata come energia di rettifica del duplicatore di tensione di trasmissione della potenza wireless, quindi vengono allocate la quantità appropriata di livello di rilevamento del segnale del tag e la quantità appropriata di energia di modulazione di ritorno per ottenere un'energia ragionevole distribuzione e garantire la carica continua del condensatore di accumulo dell'energia.è un progetto possibile e ragionevole.

Si può vedere che l'energia a radiofrequenza ricevuta dai tag passivi ha vari requisiti applicativi, quindi è richiesto un progetto di distribuzione dell'energia a radiofrequenza;i requisiti applicativi dell'energia a radiofrequenza nei diversi periodi di lavoro sono diversi, quindi è necessario disporre di una progettazione della distribuzione dell'energia a radiofrequenza in base alle esigenze dei diversi periodi di lavoro;Applicazioni diverse hanno requisiti diversi per l'energia RF, tra cui la trasmissione di potenza wireless richiede la massima potenza, quindi l'allocazione della potenza RF dovrebbe concentrarsi sulle esigenze della trasmissione di potenza wireless.

I tag passivi RFID UHF utilizzano la trasmissione di potenza wireless per stabilire un'alimentazione del tag.Pertanto, l'efficienza dell'alimentatore è estremamente bassa e la capacità dell'alimentatore è molto debole.Il chip del tag deve essere progettato con un basso consumo energetico.Il circuito del chip è alimentato caricando e scaricando il condensatore di accumulo dell'energia sul chip.Pertanto, per garantire il funzionamento continuo dell'etichetta, il condensatore di accumulo dell'energia deve essere continuamente caricato.L'energia a radiofrequenza ricevuta dal tag ha tre diverse applicazioni: raddoppio della tensione per l'alimentazione, ricezione e demodulazione del segnale di comando e modulazione e trasmissione del segnale di risposta.Tra questi, la sensibilità di ricezione del raddrizzatore con raddoppio della tensione è limitata dalla caduta di tensione del diodo raddrizzatore, che diventa un'interfaccia aerea.collo di bottiglia.Per questo motivo la ricezione e demodulazione del segnale e la modulazione e trasmissione del segnale di risposta sono le funzioni fondamentali che il sistema RFID deve garantire.Maggiore è la capacità di alimentazione del tag raddrizzatore duplicatore di tensione, più competitivo è il prodotto.Pertanto, il criterio per distribuire razionalmente l'energia RF ricevuta nella progettazione del sistema tag è quello di aumentare il più possibile l'alimentazione di energia RF mediante raddrizzamento duplicatore di tensione con la premessa di garantire la demodulazione del segnale ricevuto e la trasmissione della risposta segnale.