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패시브 사물 인터넷 기술의 가장 기본적인 부분인 UHF RFID 패시브 태그는 슈퍼마켓 소매, 물류 및 창고 보관, 도서 보관소, 위조 방지 추적성 등과 같은 수많은 응용 분야에서 널리 사용되었습니다. 2021년에만 전 세계적으로 배송금액이 200억이 넘습니다.실제 응용 분야에서 UHF RFID 패시브 태그의 칩은 정확히 무엇에 의존하여 전력을 공급합니까?

UHF RFID 패시브 태그의 전원 공급 특성

1. 무선 전력으로 구동

무선 전력 전송은 무선 전자기 복사를 사용하여 전기 에너지를 한 곳에서 다른 곳으로 전송합니다.작업 과정은 무선 주파수 진동을 통해 전기 에너지를 무선 주파수 에너지로 변환하는 것이며, 무선 주파수 에너지는 송신 안테나를 통해 무선 전자기장 에너지로 변환됩니다.무선 전자기장 에너지는 공간을 통해 전파되어 수신 안테나에 도달한 다음 수신 안테나에 의해 다시 무선 주파수 에너지로 변환되고 감지파는 DC 에너지가 됩니다.

1896년 이탈리아의 굴리엘모 마르케세 마르코니(Guglielmo Marchese Marconi)가 라디오를 발명했는데, 이를 통해 우주를 가로질러 무선 신호를 전송할 수 있었습니다.1899년 미국의 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 무선전력전송을 이용한 아이디어를 제안하고, 콜로라도에 높이 60m, 바닥에 인덕턴스 탑재, 상단에 정전용량 탑재된 안테나를 구축하고, 150kHz의 주파수를 이용해 300kW의 전력을 입력했다.최대 42km의 거리를 전송하고, 수신단에서는 10kW의 무선 수신 전력을 얻습니다.

UHF RFID 패시브 태그 전원 공급 장치는 이러한 아이디어를 따르며 리더는 무선 주파수를 통해 태그에 전원을 공급합니다.그러나 UHF RFID 패시브 태그 전원 공급 장치와 Tesla 테스트에는 큰 차이가 있습니다. 주파수는 거의 10,000배 더 높고 안테나 크기는 1,000배로 줄어듭니다.무선 전송 손실은 주파수의 제곱에 비례하고 거리의 제곱에 비례하므로 전송 손실의 증가 폭이 크다는 것은 분명합니다.가장 간단한 무선 전파 모드는 자유 공간 전파입니다.전파 손실은 전파 파장의 제곱에 반비례하고 거리의 제곱에 비례합니다.자유 공간 전파 손실은 LS=20lg(4πd/λ)입니다.거리 d의 단위가 m이고 주파수의 단위 f가 MHz라면 LS= -27.56+20lgd+20lgf입니다.

UHF RFID 시스템은 무선 전력 전송 메커니즘을 기반으로 합니다.패시브 태그에는 자체 전원 공급 장치가 없습니다.리더에서 방출되는 무선 주파수 에너지를 수신하고 전압 이중 정류를 통해 DC 전원 공급 장치를 설정해야 합니다. 이는 Dickson 차지 펌프를 통해 DC 전원 공급 장치를 설정한다는 의미입니다.

UHF RFID 무선 인터페이스의 적용 가능한 통신 거리는 주로 리더의 전송 전력과 공간에서의 기본 전파 손실에 의해 결정됩니다.UHF 대역 RFID 리더의 전송 전력은 일반적으로 33dBm으로 제한됩니다.기본적인 전파 손실 공식에서 다른 가능한 손실을 무시하고 무선 전력 전송을 통해 태그에 도달하는 RF 전력을 계산할 수 있습니다.UHF RFID 무선 인터페이스의 통신 거리와 기본 전파 손실 및 태그에 도달하는 RF 전력 간의 관계가 표에 나와 있습니다.

UHF RFID 무선 전력 전송은 전송 손실이 큰 특성을 가지고 있음을 표에서 볼 수 있습니다.RFID는 국가 근거리 통신 규정을 준수하기 때문에 리더기의 전송 전력이 제한되어 있어 태그가 저전력을 공급할 수 있습니다.통신 거리가 길어질수록 패시브 태그가 수신하는 무선 주파수 에너지는 주파수에 따라 감소하며 전원 공급 용량은 급격히 감소합니다.

2. 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전 및 방전하여 전원 공급 구현

(1) 커패시터 충방전 특성

패시브 태그는 무선 전력 전송을 이용해 에너지를 얻어 이를 DC 전압으로 변환하고 온칩 커패시터를 충전 및 저장한 후 방전을 통해 부하에 전력을 공급한다.따라서 패시브 태그의 전원 공급 과정은 커패시터의 충전 및 방전 과정입니다.구축과정은 순수충전과정이고, 전원공급과정은 방전 및 보충충전 과정이다.방전 전압이 칩의 최소 공급 전압에 도달하기 전에 보충 충전을 시작해야 합니다.

(2) 커패시터 충방전 매개변수

1) 충전 매개변수

충전 시간 길이: τC=RC×C

충전 전압:

재충전 전류:

여기서 RC는 충전 저항이고 C는 에너지 저장 커패시터입니다.

2) 방전 매개변수

방전 시간 길이: τD=RD×C

방전 전압:

방전 전류:

식에서 RD는 방전저항, C는 에너지 저장 커패시터이다.

위는 패시브 태그의 전원 특성을 보여줍니다.정전압원도 정전류원도 아닌, 에너지 저장 커패시터의 충전과 방전을 담당하는 것입니다.온칩 에너지 저장 커패시터가 칩 회로의 작동 전압 V0 이상으로 충전되면 태그에 전원을 공급할 수 있습니다.에너지 저장 커패시터가 전원을 공급하기 시작하면 전원 전압이 떨어지기 시작합니다.칩 작동 전압 V0 아래로 떨어지면 에너지 저장 커패시터는 전원 공급 기능을 상실하고 칩은 계속 작동할 수 없습니다.따라서 에어 인터페이스 태그에는 태그를 재충전할 수 있는 충분한 용량이 있어야 합니다.

패시브 태그의 전원 공급 모드는 버스트 통신의 특성에 적합하며 패시브 태그의 전원 공급에도 지속적인 충전 지원이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

3 수요와 공급의 균형

부동 충전 전원 공급 장치는 또 다른 전원 공급 방법이며 부동 충전 전원 공급 장치 용량은 방전 용량에 맞게 조정됩니다.그러나 이들 모두에는 공통적인 문제가 있습니다. 즉, UHF RFID 패시브 태그의 전원 공급 장치는 수요와 공급의 균형을 맞춰야 합니다.

(1) 버스트 통신을 위한 수급 균형 전원 공급 모드

UHF RFID 패시브 태그의 현재 표준 ISO/IEC18000-6은 버스트 통신 시스템에 속합니다.패시브 태그의 경우 수신 기간 동안 신호가 전송되지 않습니다.응답주기는 반송파를 수신하지만 발진원을 획득하는 것과 동일하므로 단순 작업으로 간주할 수 있습니다.방법.이 응용에 있어서, 수신기간을 에너지 저장 커패시터의 충전 기간으로 하고, 응답 기간을 에너지 저장 커패시터의 방전 기간으로 하면, 수요와 공급의 균형을 유지하기 위한 충방전량은 동일해진다. 시스템의 정상적인 작동을 유지하는 데 필요한 조건입니다.전술한 UHF RFID 패시브 태그의 전원 공급 메커니즘을 통해 UHF RFID 패시브 태그의 전원이 정전류원도 아니고 정전압원도 아니라는 것을 알 수 있다.태그 에너지 저장 커패시터가 회로의 정상 작동 전압보다 높은 전압으로 충전되면 전원 공급 장치가 시작됩니다.태그 에너지 저장 커패시터가 회로의 정상 작동 전압보다 낮은 전압으로 방전되면 전원 공급이 중단됩니다.

패시브 태그 UHF RFID 무선 인터페이스와 같은 버스트 통신의 경우 태그가 응답 버스트를 보내기 전에 충전이 가능하므로 응답이 완료될 때까지 충분한 전압을 유지할 수 있습니다.따라서 태그가 수신할 수 있을 만큼 강한 무선 주파수 방사선 외에도 칩에는 충분히 큰 온칩 정전용량과 충분한 충전 시간이 필요합니다.태그 응답 전력 소비 및 응답 시간도 조정해야 합니다.태그와 리더 사이의 거리로 인해 응답 시간이 다르고 에너지 저장 커패시터의 면적이 제한되는 등의 요인으로 인해 시분할에서 수요와 공급의 균형을 맞추는 것이 어려울 수 있습니다.

(2) 지속적인 통신을 위한 플로팅 전원 공급 모드

지속적인 통신을 위해서는 에너지 저장 커패시터의 무정전 전원 공급을 유지하기 위해 방전과 충전을 동시에 해야 하며, 충전 속도도 방전 속도와 유사하게 즉, 전원 공급 용량이 유지되기 전의 상태를 유지해야 한다. 통신이 종료됩니다.

패시브 태그 코드 분할 무선 주파수 식별과 UHF RFID 패시브 태그 현재 표준 ISO/IEC18000-6은 공통된 특성을 가지고 있습니다.태그 수신 상태는 복조 및 디코딩되어야 하며, 응답 상태는 변조 및 전송되어야 합니다.그러므로 지속적인 커뮤니케이션을 바탕으로 디자인되어야 합니다.태그 칩 전원 공급 시스템.충전 속도가 방전 속도와 비슷해지기 위해서는 태그가 받은 에너지의 대부분을 충전에 사용해야 합니다.

공유 RF 리소스

1. 패시브 태그용 RF 프런트엔드

패시브 태그는 리더에서 나오는 무선 주파수 에너지를 태그와 엽서의 전원으로 사용할 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 리더에서 태그로의 명령 신호 전송과 태그에서 리더로의 응답 신호 전송이 가능하다는 점입니다. 무선 데이터 전송을 통해 구현됩니다.태그가 수신한 무선 주파수 에너지는 세 부분으로 나누어야 하며, 각 부분은 칩이 전원 공급 장치를 설정하고 신호(명령 신호 및 동기화 클록 포함)를 복조하며 응답 캐리어를 제공하는 데 사용됩니다.

현재 표준 UHF RFID의 작동 모드에는 다음과 같은 특징이 있습니다. 다운링크 채널은 브로드캐스트 모드를 채택하고 업링크 채널은 다중 태그 공유 단일 채널 시퀀스 응답 모드를 채택합니다.따라서 정보 전송 측면에서 이는 단순 작동 모드에 속합니다.그러나 태그 자체는 전송 캐리어를 제공할 수 없기 때문에 태그 응답은 리더의 도움을 받아 캐리어를 제공해야 합니다.따라서 태그가 응답할 때 송신 상태에 관한 한 통신의 양쪽 끝은 이중 작업 상태에 있습니다.

다양한 작동 상태에서는 태그에 의해 작동되는 회로 장치가 다르며, 다양한 회로 장치가 작동하는 데 필요한 전력도 다릅니다.모든 전력은 태그가 수신하는 무선 주파수 에너지에서 나옵니다.따라서 적절할 때 RF 에너지 분포를 합리적으로 제어하는 ​​것이 필요합니다.

2. 다양한 근무 시간에 RF 에너지 적용

태그가 리더의 RF 필드에 들어가 전원을 구축하기 시작하면 이때 리더가 어떤 신호를 보내든 태그는 수신된 모든 RF 에너지를 전압 배가 정류기 회로에 공급하여 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전합니다. , 이로써 칩의 전원 공급 장치가 설정됩니다.

리더가 명령 신호를 전송할 때 리더의 전송 신호는 명령 데이터에 의해 인코딩된 신호와 확산 스펙트럼 시퀀스에 의해 진폭이 변조된 신호입니다.태그가 수신한 신호에는 명령 데이터와 확산 스펙트럼 시퀀스를 나타내는 캐리어 구성 요소와 측파대 구성 요소가 있습니다.수신된 신호의 총 에너지, 반송파 에너지 및 측파대 구성 요소는 변조와 관련이 있습니다.이때, 변조 성분은 명령과 확산 스펙트럼 시퀀스의 동기화 정보를 전송하는 데 사용되며, 전체 에너지는 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전하는 데 사용되며, 동시에 온칩에 전력 공급이 시작됩니다. 동기화 추출 회로 및 명령 신호 복조 회로 장치.따라서 리더가 명령을 보내는 기간 동안 태그가 수신한 무선 주파수 에너지는 태그가 계속 충전하고 동기화 신호를 추출하며 명령 신호를 복조 및 식별하는 데 사용됩니다.태그 에너지 저장 커패시터는 부동 충전 전원 공급 상태에 있습니다.

태그가 리더에 응답할 때 리더의 전송 신호는 확산 스펙트럼 확산 칩 속도 하위 속도 클럭의 진폭에 의해 변조되는 신호입니다.태그가 수신한 신호에는 확산 스펙트럼 칩 속도 하위 속도 클럭을 나타내는 캐리어 구성 요소와 측파대 구성 요소가 있습니다.이때, 변조 구성요소는 확산 스펙트럼 시퀀스의 칩 속도 및 속도 클럭 정보를 전송하는 데 사용되며, 전체 에너지는 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전하고 수신된 데이터를 변조하여 응답을 전송하는 데 사용됩니다. 리더.칩 동기 추출 회로와 응답 신호 변조 회로부가 전원을 공급합니다.따라서 리더가 응답을 수신하는 기간 동안 태그는 무선 주파수 에너지를 수신하고 태그가 계속 충전되는 데 사용되며 칩 동기화 신호가 추출되고 응답 데이터가 변조되어 응답이 전송됩니다.태그 에너지 저장 커패시터는 부동 충전 전원 공급 상태에 있습니다.

즉, 태그가 리더의 RF 필드에 진입하여 전원 공급 기간을 설정하기 시작하는 것 외에도 태그는 수신된 모든 RF 에너지를 전압 배가 정류기 회로에 공급하여 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전함으로써 전원 공급 기간을 설정합니다. 칩 전원 공급 장치.이후, 태그는 수신된 무선 주파수 신호로부터 동기를 추출하고, 명령 복조를 구현하거나, 응답 데이터를 변조하여 전송하는데, 이 모든 과정은 수신된 무선 주파수 에너지를 사용합니다.

3. 다양한 애플리케이션에 대한 RF 에너지 요구 사항

(1) 무선 전력 전송을 위한 RF 에너지 요구 사항

무선 전력 전송은 태그에 대한 전원 공급을 설정하므로 칩 회로를 구동하는 데 충분한 전압과 충분한 전력 및 지속적인 전원 공급 기능이 모두 필요합니다.

무선 전력 전송의 전원 공급 장치는 태그에 전원 공급 장치가 없을 때 리더의 RF 필드 에너지와 전압 2배 정류를 수신하여 전원 공급 장치를 설정하는 것입니다.따라서 수신 감도는 프런트 엔드 감지 다이오드 튜브의 전압 강하에 의해 제한됩니다.CMOS 칩의 경우 전압 배가 정류의 수신 감도는 -11~-0.7dBm이며 이는 수동 태그의 병목 현상입니다.

(2) 수신 신호 감지를 위한 RF 에너지 요구 사항

전압 배가 정류가 칩 전원 공급 장치를 설정하는 동안 태그는 수신된 무선 주파수 에너지의 일부를 나누어 명령 신호 감지 및 동기 클록 감지를 포함한 신호 감지 회로를 제공해야 합니다.태그의 전원 공급이 설정된 상태에서 신호 감지가 수행되기 때문에 복조 감도는 프런트 엔드 감지 다이오드 튜브의 전압 강하에 의해 제한되지 않으므로 수신 감도는 무선 전력보다 훨씬 높습니다. 전송 수신 감도이며 신호 진폭 감지에 속하며 전력 강도 요구 사항이 없습니다.

(3) 태그 응답을 위한 RF 에너지 요구 사항

태그가 전송에 응답할 때 동기 클록을 감지하는 것 외에도 수신된 캐리어(클럭 변조 엔벨로프 포함)에서 의사 PSK 변조를 수행하고 역방향 전송을 실현해야 합니다.이때 특정 전력 수준이 필요하며 그 값은 리더에서 태그까지의 거리와 수신하는 리더의 감도에 따라 달라집니다.리더의 작업 환경에서는 더 복잡한 설계를 사용할 수 있으므로 수신기는 저잡음 프런트 엔드 설계를 구현할 수 있으며 코드 분할 무선 주파수 식별은 확산 스펙트럼 변조는 물론 확산 스펙트럼 이득 및 PSK 시스템 이득을 사용합니다. , 리더의 감도는 충분히 높게 설계될 수 있습니다.따라서 라벨의 반환 신호에 대한 요구 사항이 충분히 줄어듭니다.

요약하자면, 태그가 수신한 무선 주파수 전력은 주로 무선 전력 전송 전압 배율 정류 에너지로 할당된 다음 적절한 양의 태그 신호 감지 수준과 적절한 양의 반환 변조 에너지를 할당하여 합리적인 에너지를 달성합니다. 분배하고 에너지 저장 커패시터의 지속적인 충전을 보장합니다.가능하고 합리적인 디자인입니다.

패시브 태그가 수신하는 무선 주파수 에너지에는 다양한 적용 요구 사항이 있으므로 무선 주파수 전력 분배 설계가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.다양한 작업 기간에 무선 주파수 에너지의 적용 요구 사항이 다르므로 다양한 작업 기간의 요구에 따라 무선 주파수 전력 분배 설계가 필요합니다.애플리케이션마다 RF 에너지에 대한 요구 사항이 다르며 그 중 무선 전력 전송에는 가장 많은 전력이 필요하므로 RF 전력 할당은 무선 전력 전송 요구 사항에 중점을 두어야 합니다.

UHF RFID 패시브 태그는 무선 전력 전송을 사용하여 태그 전원 공급 장치를 설정합니다.따라서 전원 효율이 매우 낮고 전원 공급 능력도 매우 약합니다.태그 칩은 저전력 소모로 설계되어야 합니다.칩 회로는 온칩 에너지 저장 커패시터를 충전 및 방전하여 전원을 공급받습니다.따라서 라벨의 지속적인 작동을 보장하려면 에너지 저장 커패시터를 지속적으로 충전해야 합니다.태그가 수신한 무선 주파수 에너지는 전원 공급을 위한 전압 배가 정류, 명령 신호 수신 및 복조, 응답 신호 변조 및 전송 등 세 가지 용도로 사용됩니다.그 중, 2배 전압 정류의 수신 감도는 에어 인터페이스가 되는 정류 다이오드의 전압 강하에 의해 제한됩니다.병목.따라서 신호 수신 및 복조와 응답 신호 변조 및 전송은 RFID 시스템이 보장해야 하는 기본 기능이다.배전압 정류기 태그의 전원 공급 기능이 강력할수록 제품 경쟁력도 높아집니다.따라서 태그 시스템 설계에 있어서 수신된 RF 에너지를 합리적으로 분배하는 기준은 수신된 신호의 복조와 응답의 전송을 보장한다는 전제 하에 전압 배전압 정류를 통해 RF 에너지 공급을 최대한 늘리는 것이다. 신호.