חֲדָשׁוֹת

בתור החלק הבסיסי ביותר של טכנולוגיית האינטרנט הפסיבית של הדברים, תגי UHF RFID פסיביים היו בשימוש נרחב במספר רב של יישומים כגון קמעונאות בסופרמרקט, לוגיסטיקה ומחסנים, ארכיוני ספרים, עקיבות נגד זיוף וכו'. רק בשנת 2021, גלובלית סכום המשלוח הוא יותר מ-20 מיליארד.ביישומים מעשיים, על מה בדיוק מסתמך השבב של התג הפסיבי של UHF RFID כדי לספק חשמל?

מאפייני אספקת החשמל של תג פסיבי RFID UHF

1. מופעל באמצעות חשמל אלחוטי

העברת כוח אלחוטית עושה שימוש בקרינה אלקטרומגנטית אלחוטית להעברת אנרגיה חשמלית ממקום אחד לאחר.תהליך העבודה הוא המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיית תדר רדיו באמצעות תנודה בתדר רדיו, ואנרגיית תדר הרדיו מומרת לאנרגיית שדה אלקטרומגנטי רדיו דרך האנטנה המשדרת.אנרגיית השדה האלקטרומגנטי הרדיו מתפשט בחלל ומגיעה לאנטנה הקולטת, ואז היא מומרת בחזרה לאנרגיית תדר רדיו על ידי האנטנה המקבלת, וגל הזיהוי הופך לאנרגיית DC.

בשנת 1896 המציא האיטלקי Guglielmo Marchese Marconi את הרדיו, שהבין את העברת אותות הרדיו בחלל.בשנת 1899, האמריקאי ניקולה טסלה הציע את הרעיון של שימוש בשידור כוח אלחוטי, והקים אנטנה בגובה 60 מטר, השראות נטענת בתחתית, קיבול נטען למעלה בקולורדו, תוך שימוש בתדר של 150kHz להזנת הספק של 300kW.הוא משדר על פני מרחק של עד 42 ק"מ, ומשיג 10kW של כוח קליטה אלחוטי בקצה המקלט.

ספק כוח תג פסיבי של UHF RFID עוקב אחר רעיון זה, והקורא מספק חשמל לתג באמצעות תדר רדיו.עם זאת, יש הבדל עצום בין ספק כוח UHF RFID תג פסיבי לבין מבחן טסלה: התדר גבוה כמעט פי עשרת אלפים, וגודל האנטנה מצטמצם פי אלף.מכיוון שהפסד שידור אלחוטי הוא פרופורציונלי לריבוע התדר ופרופורציונלי לריבוע המרחק, ברור שהגידול באובדן השידור הוא עצום.מצב ההפצה האלחוטית הפשוטה ביותר הוא ריבוי שטח פנוי.אובדן ההתפשטות הוא פרופורציונלי הפוך לריבוע אורך גל ההתפשטות ופרופורציונלי לריבוע המרחק.אובדן התפשטות החלל הפנוי הוא LS=20lg(4πd/λ).אם יחידת המרחק d היא m ויחידת התדר f היא MHz, אז LS= -27.56+20lgd+20lgf.

מערכת UHF RFID מבוססת על מנגנון העברת הכוח האלחוטי.לתג הפסיבי אין ספק כוח משלו.הוא צריך לקבל את אנרגיית תדר הרדיו הנפלט על ידי הקורא וליצור ספק כוח DC באמצעות תיקון הכפלת מתח, כלומר ליצור ספק כוח DC דרך משאבת הטעינה של Dickson.

מרחק התקשורת הרלוונטי של ממשק האוויר UHF RFID נקבע בעיקר על ידי כוח השידור של הקורא ואובדן ההתפשטות הבסיסי בחלל.כוח השידור של קורא RFID בפס UHF מוגבל בדרך כלל ל-33dBm.מנוסחת הפסדי ההפצה הבסיסית, תוך התעלמות מכל הפסדים אפשריים אחרים, ניתן לחשב את הספק ה-RF המגיע לתג באמצעות שידור כוח אלחוטי.הקשר בין מרחק התקשורת של ממשק האוויר UHF RFID לבין אובדן ההתפשטות הבסיסי והספק ה-RF המגיע לתג מוצגים בטבלה:

ניתן לראות מהטבלה כי לשידור כוח אלחוטי UHF RFID יש מאפיינים של אובדן שידור גדול.מכיוון ש-RFID תואם את כללי התקשורת למרחקים קצרים, כוח השידור של הקורא מוגבל, כך שהתג יכול לספק חשמל נמוך.ככל שמרחק התקשורת גדל, אנרגיית תדר הרדיו המתקבלת על ידי התג הפסיבי יורדת בהתאם לתדר, וקיבולת אספקת החשמל יורדת במהירות.

2. הטמעת אספקת חשמל על ידי טעינה ופריקה של קבלי אחסון אנרגיה על-שבב

(1) מאפייני טעינה ופריקה של קבלים

תגים פסיביים משתמשים בשידור כוח אלחוטי כדי להשיג אנרגיה, להמיר אותה למתח DC, לטעון ולאחסן את הקבלים שבשבב, ולאחר מכן לספק כוח לעומס באמצעות פריקה.לכן, תהליך אספקת החשמל של תגים פסיביים הוא תהליך טעינה ופריקה של קבלים.תהליך ההקמה הוא תהליך טעינה טהור, ותהליך אספקת החשמל הוא תהליך פריקה וטעינה משלימה.הטעינה המשלימה חייבת להתחיל לפני שמתח הפריקה מגיע למתח האספקה ​​המינימלי של השבב.

(2) פרמטרי טעינה ופריקה של קבלים

1) פרמטרי טעינה

אורך זמן טעינה: τC=RC×C

מתח טעינה:

זרם טעינה:

כאשר RC הוא נגד הטעינה ו-C הוא קבל אחסון האנרגיה.

2) פרמטרי פריקה

אורך זמן פריקה: τD=RD×C

מתח פריקה:

זרם פריקה:

בנוסחה, RD הוא התנגדות הפריקה, ו-C הוא קבל אחסון האנרגיה.

האמור לעיל מציג את מאפייני אספקת החשמל של תגים פסיביים.זה לא מקור מתח קבוע ולא מקור זרם קבוע, אלא הטעינה והפריקה של קבל אגירת האנרגיה.כאשר קבל אחסון האנרגיה שבשבב נטען מעל מתח העבודה V0 של מעגל השבב, הוא יכול לספק מתח לתג.כאשר קבל אגירת האנרגיה מתחיל לספק חשמל, מתח אספקת החשמל שלו מתחיל לרדת.כאשר הוא יורד מתחת למתח ההפעלה של השבב V0, קבל אחסון האנרגיה מאבד את יכולת אספקת החשמל שלו והשבב לא יכול להמשיך לעבוד.לכן, לתג ממשק האוויר צריכה להיות קיבולת מספקת לטעינה מחדש של התג.

ניתן לראות שמצב אספקת החשמל של תגים פסיביים מתאים למאפיינים של תקשורת פרץ, וגם אספקת החשמל של תגים פסיביים זקוקה לתמיכה של טעינה רציפה.

3 איזון היצע וביקוש

ספק כוח טעינה צף הוא שיטת אספקת כוח נוספת, ויכולת אספקת הטעינה הצפה מותאמת ליכולת הפריקה.אבל לכולם יש בעיה משותפת, כלומר, אספקת החשמל של תגיות UHF RFID פסיביות צריך לאזן בין היצע וביקוש.

(1) מצב אספקת חשמל איזון היצע וביקוש לתקשורת פרץ

התקן הנוכחי ISO/IEC18000-6 של תגים פסיביים של UHF RFID שייך למערכת התקשורת המתפרצת.עבור תגים פסיביים, לא מועבר אות במהלך תקופת הקבלה.למרות שתקופת התגובה קולטת את גל הנשא, היא שווה ערך לרכישת מקור התנודה, כך שניתן להתייחס אליה כעבודה סימפלקסית.דֶרֶך.עבור יישום זה, אם תקופת הקבלה משמשת כתקופת הטעינה של קבל אגירת האנרגיה, ותקופת התגובה היא תקופת הפריקה של קבל אגירת האנרגיה, הכמות השווה של טעינה ופריקה כדי לשמור על איזון ההיצע והביקוש הופכת תנאי הכרחי לשמירה על פעילותה התקינה של המערכת.ניתן לדעת ממנגנון אספקת החשמל של תג UHF RFID פסיבי הנ"ל כי אספקת הכוח של תג UHF RFID פסיבי אינו מקור זרם קבוע ולא מקור מתח קבוע.כאשר קבל אחסון האנרגיה של התג נטען למתח גבוה ממתח העבודה הרגיל של המעגל, אספקת החשמל מתחילה;כאשר קבל אחסון האנרגיה של התג נפרק למתח נמוך ממתח הפעולה הרגיל של המעגל, אספקת החשמל מופסקת.

עבור תקשורת פרץ, כגון ממשק אוויר UHF RFID של תג פסיבי, ניתן לטעון את הטעינה לפני שהתג שולח פרץ תגובה, מספיק כדי להבטיח שניתן לשמור על מספיק מתח עד להשלמת התגובה.לכן, בנוסף לקרינת תדרי הרדיו החזקה מספיק שהתג יכול לקלוט, השבב נדרש גם לקיבול גדול מספיק על השבב וזמן טעינה ארוך מספיק.יש להתאים גם את צריכת החשמל בתגובת תגובת וזמן התגובה.בשל המרחק בין התג לקורא, זמן התגובה שונה, שטח קבל אגירת האנרגיה מוגבל וגורמים נוספים, עשוי להיות קשה לאזן בין ההיצע והביקוש בחלוקת הזמן.

(2) מצב אספקת חשמל צף לתקשורת רציפה

לתקשורת רציפה, על מנת לשמור על אספקת החשמל הבלתי פוסקת של קבל אגירת האנרגיה, יש לפרוק ולטעון בו זמנית, ומהירות הטעינה דומה למהירות הפריקה, כלומר, קיבולת אספקת החשמל נשמרת לפני התקשורת מופסקת.

זיהוי תדר רדיו לזיהוי תג פסיבי ותקן זרם תג פסיבי RFID UHF ISO/IEC18000-6 הם בעלי מאפיינים משותפים.יש לבצע דה-מודולציה ופענוח של מצב קבלת התג, ומצב התגובה צריך להיות מאופנן ולשלוח.לכן, יש לעצב אותו על פי תקשורת רציפה.מערכת אספקת חשמל של שבב תג.על מנת שקצב הטעינה יהיה דומה לקצב הפריקה, יש להשתמש ברוב האנרגיה שמקבלת התג לטעינה.

משאבי RF משותפים

1. חזית RF עבור תגים פסיביים

תגים פסיביים אינם משמשים רק כמקור הכוח של התגים והגלויות לאנרגיית תדר הרדיו מהקוראים, אלא חשוב מכך, שידור אות ההוראה מהקורא לתג והעברת אות התגובה מהתג לקורא הם מימוש באמצעות שידור נתונים אלחוטי.יש לחלק את אנרגיית תדר הרדיו המתקבלת על ידי התג לשלושה חלקים, המשמשים בהתאמה עבור השבב כדי ליצור את אספקת החשמל, לבטל את האות (כולל אות הפקודה ושעון הסנכרון) ולספק את נושא התגובה.

למצב העבודה של ה-UHF RFID הסטנדרטי הנוכחי יש את המאפיינים הבאים: ערוץ ה-downlink מאמץ את מצב השידור, וערוץ ה-uplink מאמץ את המצב של תגובת רצף חד-ערוצית של שיתוף מרובה תגים.לכן, מבחינת העברת מידע, הוא שייך למצב הפעולה הפשוט.עם זאת, מכיוון שהתג עצמו אינו יכול לספק את נושא השידור, תגובת התג צריכה לספק את הספק בעזרת הקורא.לכן, כאשר התג מגיב, בכל הנוגע למצב השליחה, שני קצוות התקשורת נמצאים במצב עבודה דופלקס.

במצבי עבודה שונים, יחידות המעגל המופעלות על ידי התג שונות, וגם ההספק הנדרש ליחידות מעגלים שונות לעבודה שונה.כל הכוח מגיע מאנרגיית תדר הרדיו שמתקבלת על ידי התג.לכן, יש צורך לשלוט בחלוקת אנרגיית ה-RF באופן סביר וכאשר מתאים.

2. יישום אנרגיית RF בשעות עבודה שונות

כאשר התג נכנס לשדה ה-RF של הקורא ומתחיל לבנות כוח, לא משנה איזה אות הקורא שולח בזמן זה, התג יספק את כל אנרגיית ה-RF המתקבלת למעגל מיישר הכפלת המתח כדי לטעון את קבל אחסון האנרגיה שבשבב , ובכך לבסס את אספקת הכוח של השבב.

כאשר הקורא משדר את אות הפקודה, אות השידור של הקורא הוא אות המקודד על ידי נתוני הפקודה ומשרעת המווסתת על ידי רצף הספקטרום המפוזר.ישנם רכיבי נשא ורכיבי פס צד המייצגים נתוני פקודה ורצפי ספקטרום מפוזרים באות המתקבל על ידי התג.האנרגיה הכוללת, אנרגיית הנשא ורכיבי פס הצד של האות המתקבל קשורים לאפונון.בשלב זה, רכיב האפנון משמש להעברת מידע הסנכרון של הפקודה ורצף הספקטרום המפוזר, והאנרגיה הכוללת משמשת לטעינת קבל אחסון האנרגיה שבשבב, אשר בו זמנית מתחיל לספק חשמל לשבב. מעגל חילוץ סנכרון ויחידת מעגל דמודולציה של אותות פקודה.לכן, במהלך התקופה שבה הקורא שולח הוראה, אנרגיית תדר הרדיו המתקבלת על ידי התג משמשת כדי שהתג ימשיך להיטען, לחלץ את אות הסנכרון, לבטל ולזהות את אות ההוראה.קבל אחסון האנרגיה של התג נמצא במצב אספקת חשמל מטען צף.

כאשר התג מגיב לקורא, האות המשודר של הקורא הוא אות המאופנן על ידי המשרעת של שעון המשנה של קצב תת-הקצב של הספקטרום המפוזר.באות המתקבל על ידי התג, ישנם רכיבי נשא ורכיבי פס צד המייצגים את שעון תת-קצב קצב הספקטרום הפרוס של השבב.בשלב זה, רכיב האפונון משמש להעברת מידע על קצב השבב וקצב השעון של רצף הספקטרום המפוזר, והאנרגיה הכוללת משמשת לטעינת קבל אחסון האנרגיה שבשבב ולוונן את הנתונים שהתקבלו ולשלוח תגובה ל- קוֹרֵא.מעגל חילוץ סנכרון השבב ויחידת מעגל אפנון אות התגובה מספקים חשמל.לכן, במהלך התקופה שבה הקורא מקבל את התגובה, התג מקבל את אנרגיית תדר הרדיו ומשמש להמשך הטעינה של התג, נשלף אות סנכרון השבב ונתוני התגובה מאופנים והתשובה נשלחת.קבל אחסון האנרגיה של התג נמצא במצב אספקת חשמל מטען צף.

בקיצור, בנוסף לתג שנכנס לשדה ה-RF של הקורא ומתחיל לבסס תקופת אספקת חשמל, התג יספק את כל אנרגיית ה-RF המתקבלת למעגל מיישר הכפלת מתח כדי לטעון את קבל אחסון האנרגיה שבשבב, ובכך יקבע ספק כוח שבב.לאחר מכן, התג מחלץ סנכרון מהאות של תדר הרדיו המתקבל, מיישם דה-מודולציה של פקודה, או מווסת ומשדר נתוני תגובה, שכולם משתמשים באנרגיית תדר הרדיו המתקבלת.

3. דרישות אנרגיית RF עבור יישומים שונים

(1) דרישות אנרגיית RF להעברת כוח אלחוטי

העברת חשמל אלחוטית מבססת את אספקת החשמל לתג, ולכן היא דורשת גם מתח מספיק להנעת מעגל השבב וגם מספיק כוח ואספקת חשמל רציפה.

אספקת הכוח של שידור כוח אלחוטי נועד ליצור את אספקת החשמל על ידי קבלת אנרגיית שדה ה-RF של הקורא ותיקון הכפלת המתח כאשר לתג אין ספק כוח.לכן, רגישות הקליטה שלו מוגבלת על ידי מפל המתח של שפופרת דיודת הזיהוי הקדמית.עבור שבבי CMOS, רגישות הקליטה של ​​תיקון הכפלת מתח היא בין -11 ל-0.7dBm, זהו צוואר הבקבוק של תגים פסיביים.

(2) דרישות אנרגיית RF לזיהוי אות מתקבל

בעוד שתיקון הכפלת המתח מבסס את אספקת החשמל של השבב, התג צריך לחלק חלק מאנרגיית תדר הרדיו המתקבלת כדי לספק מעגל זיהוי אותות, כולל זיהוי אותות פקודה וזיהוי שעון סינכרוני.מכיוון שזיהוי האות מבוצע בתנאי שאספקת החשמל של התג הוקמה, רגישות הדמודולציה אינה מוגבלת על ידי מפל המתח של שפופרת דיודת הזיהוי הקדמית, כך שרגישות הקליטה גבוהה בהרבה מהספק האלחוטי. שידור מקבל רגישות, והוא שייך לזיהוי משרעת האות, ואין דרישה לחוזק הספק.

(3) דרישות אנרגית RF לתגובת תג

כאשר התג מגיב לשליחה, בנוסף לזיהוי השעון הסינכרוני, הוא צריך גם לבצע אפנון פסאודו-PSK על הספק המתקבל (המכיל את מעטפת אפנון השעון) ולממש שידור הפוך.בשלב זה נדרשת רמת הספק מסוימת, וערכה תלוי במרחק של הקורא לתג וברגישות של הקורא לקבלה.מכיוון שסביבת העבודה של הקורא מאפשרת שימוש בעיצובים מורכבים יותר, המקלט יכול ליישם עיצוב חזיתי עם רעש נמוך, וזיהוי תדרי הרדיו של חלוקת הקוד משתמש באפנון של ספקטרום מפוזר, כמו גם בהגבר של ספקטרום מפוזר וברווח של מערכת PSK , הרגישות של הקורא עשויה להיות מתוכננת להיות גבוהה מספיק.כך שהדרישות לאות ההחזרה של התווית מצטמצמות מספיק.

לסיכום, הספק תדר הרדיו המתקבל על ידי התג מוקצה בעיקר כאנרגיית תיקון כפל מתח שידור הכוח האלחוטי, ולאחר מכן מוקצים הכמות המתאימה של רמת זיהוי אות התג והכמות המתאימה של אנרגיית אפנון חוזר כדי להשיג אנרגיה סבירה הפצה והבטחת טעינה רציפה של קבל אגירת האנרגיה.הוא עיצוב אפשרי וסביר.

ניתן לראות שלאנרגיית תדר הרדיו המתקבלת על ידי תגים פסיביים יש דרישות יישום שונות, ולכן נדרש תכנון חלוקת כוח בתדר רדיו;דרישות היישום של אנרגיית תדר רדיו בתקופות עבודה שונות שונות, ולכן יש צורך בתכנון חלוקת כוח בתדר רדיו בהתאם לצרכים של תקופות עבודה שונות;ליישומים שונים יש דרישות שונות לאנרגיית RF, ביניהן שידור כוח אלחוטי דורש את מירב הכוח, ולכן הקצאת כוח RF צריכה להתמקד בצרכים של שידור כוח אלחוטי.

תגי UHF RFID פסיביים משתמשים בשידור כוח אלחוטי כדי ליצור אספקת חשמל לתג.לכן, יעילות אספקת החשמל נמוכה ביותר ויכולת אספקת החשמל חלשה מאוד.שבב התג חייב להיות מתוכנן עם צריכת חשמל נמוכה.מעגל השבב מופעל על ידי טעינה ופריקה של קבל אחסון האנרגיה שבשבב.לכן, על מנת להבטיח את הפעולה הרציפה של התווית, יש לטעון באופן רציף את קבל אגירת האנרגיה.לאנרגיית תדר הרדיו המתקבלת על ידי התג יש שלושה יישומים שונים: תיקון הכפלת מתח לאספקת חשמל, קליטת אות פקודה ודמודולציה, ואפנות אות תגובה ושידור.ביניהם, רגישות הקליטה של ​​יישור הכפלת מתח מוגבלת על ידי מפל המתח של דיודת המיישר, שהופכת לממשק אוויר.צַוַאר הַבַּקבּוּק.מסיבה זו, קליטת אות ו-Demodulation ואפנון אותות תגובה ושידור הם הפונקציות הבסיסיות שמערכת ה-RFID חייבת להבטיח.ככל שיכולת אספקת החשמל של תג מיישר כפול המתח חזקה יותר, כך המוצר תחרותי יותר.לכן, הקריטריון לחלוקה רציונלית של אנרגיית ה-RF המתקבלת בתכנון מערכת התג הוא להגדיל את אספקת אנרגיית ה-RF על ידי תיקון כפל מתח ככל האפשר בהנחה של הבטחת הדמודולציה של האות המתקבל ושידור התגובה. אוֹת.