Nieuws

Als het meest fundamentele onderdeel van de passieve Internet of Things-technologie worden passieve UHF RFID-tags op grote schaal gebruikt in een groot aantal toepassingen, zoals de detailhandel in supermarkten, logistiek en opslag, boekenarchieven, traceerbaarheid tegen namaak, enz. Pas in 2021 zal de mondiale het verschepende bedrag is meer dan 20 miljard.Waar is de chip van de passieve UHF RFID-tag in praktische toepassingen precies afhankelijk van om stroom te leveren?

De voedingskenmerken van de UHF RFID passieve tag

1. Aangedreven door draadloze stroom

Draadloze energietransmissie maakt gebruik van draadloze elektromagnetische straling om elektrische energie van de ene plaats naar de andere over te brengen.Het werkproces bestaat uit het omzetten van elektrische energie in radiofrequentie-energie door middel van radiofrequentie-oscillatie, en de radiofrequentie-energie wordt via de zendantenne omgezet in radio-elektromagnetische veldenergie.De radio-elektromagnetische veldenergie plant zich voort door de ruimte en bereikt de ontvangende antenne, waarna deze door de ontvangende antenne weer wordt omgezet in radiofrequentie-energie, en de detectiegolf wordt gelijkstroomenergie.

In 1896 vond de Italiaan Guglielmo Marchese Marconi de radio uit, die de overdracht van radiosignalen door de ruimte realiseerde.In 1899 stelde de Amerikaan Nikola Tesla het idee voor om draadloze energietransmissie te gebruiken, en zette een antenne op die 60 meter hoog is, met inductantie aan de onderkant geladen, capaciteit aan de bovenkant geladen in Colorado, met een frequentie van 150 kHz om 300 kW aan vermogen in te voeren.Het zendt uit over een afstand van maximaal 42 km en verkrijgt 10 kW draadloos ontvangstvermogen aan de ontvangende kant.

De voeding van de UHF RFID-passieve tag volgt dit idee en de lezer levert stroom aan de tag via radiofrequentie.Er is echter een enorm verschil tussen de voeding van de UHF RFID-passieve tag en de Tesla-test: de frequentie is bijna tienduizend keer hoger en de antennegrootte is duizend keer kleiner.Omdat het draadloze transmissieverlies evenredig is met het kwadraat van de frequentie en evenredig met het kwadraat van de afstand, is het duidelijk dat de toename van het transmissieverlies enorm is.De eenvoudigste draadloze voortplantingsmodus is voortplanting in de vrije ruimte.Het voortplantingsverlies is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de voortplantingsgolflengte en evenredig met het kwadraat van de afstand.Het voortplantingsverlies in de vrije ruimte is LS=20lg(4πd/λ).Als de eenheid van afstand d m is en de eenheid van frequentie f MHz is, dan is LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Het UHF RFID-systeem is gebaseerd op het draadloze krachtoverdrachtsmechanisme.De passieve tag heeft geen eigen voeding.Het moet de radiofrequentie-energie ontvangen die door de lezer wordt uitgezonden en een gelijkstroomvoeding tot stand brengen via spanningsverdubbeling, wat betekent dat er een gelijkstroomvoeding tot stand wordt gebracht via de Dickson-laadpomp.

De toepasselijke communicatieafstand van de UHF RFID-luchtinterface wordt voornamelijk bepaald door het zendvermogen van de lezer en het basisvoortplantingsverlies in de ruimte.Het zendvermogen van de UHF-band RFID-lezer is meestal beperkt tot 33 dBm.Op basis van de basisformule voor voortplantingsverlies, waarbij alle andere mogelijke verliezen buiten beschouwing worden gelaten, kan het RF-vermogen dat de tag bereikt via draadloze stroomtransmissie worden berekend.De relatie tussen de communicatieafstand van de UHF RFID-luchtinterface en het basisvoortplantingsverlies en het RF-vermogen dat de tag bereikt, wordt weergegeven in de tabel:

Uit de tabel blijkt dat draadloze UHF RFID-stroomtransmissie de kenmerken heeft van groot transmissieverlies.Omdat RFID voldoet aan de nationale regels voor korteafstandscommunicatie, is het zendvermogen van de lezer beperkt, waardoor de tag een laag vermogen kan leveren.Naarmate de communicatieafstand groter wordt, neemt de door het passieve label ontvangen radiofrequentie-energie af in overeenstemming met de frequentie, en neemt de capaciteit van de stroomvoorziening snel af.

2. Implementeer de stroomvoorziening door energieopslagcondensatoren op de chip op te laden en te ontladen

(1) Laad- en ontlaadkarakteristieken van de condensator

Passieve tags maken gebruik van draadloze energietransmissie om energie te verkrijgen, deze om te zetten in gelijkspanning, de condensatoren op de chip op te laden en op te slaan, en vervolgens stroom aan de belasting te leveren door middel van ontlading.Daarom is het voedingsproces van passieve tags het proces van het opladen en ontladen van de condensator.Het vestigingsproces is een puur oplaadproces en het stroomtoevoerproces is een ontlaad- en aanvullend oplaadproces.Het aanvullende opladen moet beginnen voordat de ontlaadspanning de minimale voedingsspanning van de chip bereikt.

(2) Laad- en ontlaadparameters van de condensator

1) Laadparameters

Laadtijdlengte: τC=RC×C

Laadspanning:

oplaadstroom:

waarbij RC de laadweerstand is en C de energieopslagcondensator.

2) Ontladingsparameters

Lengte van de ontladingstijd: τD=RD×C

Ontlaadspanning:

Stroomafvoerstroom:

In de formule is RD de ontladingsweerstand en is C de energieopslagcondensator.

Het bovenstaande toont de voedingskarakteristieken van passieve tags.Het is noch een constante spanningsbron, noch een constante stroombron, maar het opladen en ontladen van de energieopslagcondensator.Wanneer de energieopslagcondensator op de chip wordt opgeladen boven de werkspanning VO van het chipcircuit, kan deze stroom aan de tag leveren.Wanneer de energieopslagcondensator stroom begint te leveren, begint de voedingsspanning te dalen.Wanneer deze onder de bedrijfsspanning VO van de chip komt, verliest de energieopslagcondensator zijn voedingscapaciteit en kan de chip niet blijven werken.Daarom moet het luchtinterfacelabel voldoende capaciteit hebben om het label op te laden.

Het is duidelijk dat de voedingsmodus van passieve tags geschikt is voor de kenmerken van burst-communicatie, en dat de voeding van passieve tags ook ondersteuning nodig heeft van continu opladen.

3 Evenwicht tussen vraag en aanbod

Drijvende laadstroomvoorziening is een andere voedingsmethode en de capaciteit van de zwevende laadstroomvoorziening wordt aangepast aan de ontlaadcapaciteit.Maar ze hebben allemaal een gemeenschappelijk probleem: de stroomvoorziening van passieve UHF RFID-tags moet vraag en aanbod in evenwicht brengen.

(1) Voedingsmodus voor evenwicht tussen vraag en aanbod voor burst-communicatie

De huidige standaard ISO/IEC18000-6 van UHF RFID-passieve tags behoort tot het burst-communicatiesysteem.Bij passieve tags wordt tijdens de ontvangstperiode geen signaal verzonden.Hoewel de responsperiode de draaggolf ontvangt, komt dit overeen met het verwerven van de oscillatiebron, dus het kan als simplexwerk worden beschouwd.Manier.Voor deze toepassing wordt, als de ontvangstperiode wordt gebruikt als de oplaadperiode van de energieopslagcondensator, en de responsperiode de ontlaadperiode van de energieopslagcondensator is, de gelijke hoeveelheid lading en ontlading om het evenwicht tussen vraag en aanbod te handhaven een noodzakelijke voorwaarde om de normale werking van het systeem te behouden.Uit het voedingsmechanisme van het bovengenoemde UHF RFID passieve label kan bekend zijn dat de voeding van het UHF RFID passieve label noch een constante stroombron, noch een constante spanningsbron is.Wanneer de energieopslagcondensator van het label wordt opgeladen tot een spanning die hoger is dan de normale werkspanning van het circuit, start de voeding;wanneer de energieopslagcondensator van het label wordt ontladen tot een spanning die lager is dan de normale bedrijfsspanning van het circuit, wordt de stroomtoevoer gestopt.

Voor burst-communicatie, zoals bij een passieve tag UHF RFID-luchtinterface, kan de lading worden opgeladen voordat de tag een responsburst verzendt, voldoende om ervoor te zorgen dat er voldoende spanning kan worden gehandhaafd totdat de respons is voltooid.Daarom moet de chip, naast de voldoende sterke radiofrequentiestraling die de tag kan ontvangen, ook een voldoende grote capaciteit op de chip hebben en een voldoende lange oplaadtijd.Ook het stroomverbruik en de responstijd van de tagrespons moeten worden aangepast.Vanwege de afstand tussen de tag en de lezer is de responstijd anders, is het gebied van de energieopslagcondensator beperkt en andere factoren kunnen het moeilijk zijn om vraag en aanbod in tijdsverdeling in evenwicht te brengen.

(2) Drijvende voedingsmodus voor continue communicatie

Voor continue communicatie moet, om de ononderbroken stroomvoorziening van de energieopslagcondensator te behouden, deze tegelijkertijd worden ontladen en opgeladen, en de laadsnelheid is vergelijkbaar met de ontlaadsnelheid, dat wil zeggen dat de stroomvoorzieningscapaciteit wordt gehandhaafd voordat de communicatie wordt beëindigd.

Passieve tagcodeverdeling, radiofrequentie-identificatie en UHF RFID passieve tag huidige standaard ISO/IEC18000-6 hebben gemeenschappelijke kenmerken.De tag-ontvangststatus moet worden gedemoduleerd en gedecodeerd, en de responsstatus moet worden gemoduleerd en verzonden.Daarom moet het worden ontworpen op basis van continue communicatie.Tagchip-voedingssysteem.Om ervoor te zorgen dat de laadsnelheid vergelijkbaar is met de ontlaadsnelheid, moet het grootste deel van de door de tag ontvangen energie worden gebruikt voor opladen.

Gedeelde RF-bronnen

1. RF-front-end voor passieve tags

Passieve tags worden niet alleen gebruikt als energiebron voor de tags en ansichtkaarten voor de radiofrequentie-energie van de lezers, maar wat nog belangrijker is, de overdracht van instructiesignalen van de lezer naar de tag en de responssignaaloverdracht van de tag naar de lezer worden gerealiseerd door draadloze datatransmissie.De door de tag ontvangen radiofrequentie-energie moet in drie delen worden verdeeld, die respectievelijk door de chip worden gebruikt om de stroomvoorziening tot stand te brengen, het signaal te demoduleren (inclusief het commandosignaal en de synchronisatieklok) en de responsdraaggolf te leveren.

De werkmodus van de huidige standaard UHF RFID heeft de volgende kenmerken: het downlink-kanaal neemt de uitzendmodus aan, en het uplink-kanaal neemt de modus aan van het delen van meerdere tags met één kanaals sequentierespons.Daarom behoort het qua informatieoverdracht tot de simplex-werkingsmodus.Omdat de tag zelf echter niet in staat is de transmissiedrager te leveren, moet de tagreactie de drager voorzien van de hulp van de lezer.Wanneer het label reageert, bevinden beide uiteinden van de communicatie zich, voor zover het de zendende toestand betreft, in een duplex-werktoestand.

In verschillende werktoestanden zijn de circuiteenheden die door de tag aan het werk worden gezet verschillend, en het vermogen dat nodig is om verschillende circuiteenheden te laten werken is ook verschillend.Al het vermogen komt van de radiofrequentie-energie die door de tag wordt ontvangen.Daarom is het noodzakelijk om de distributie van RF-energie redelijkerwijs en indien nodig te controleren.

2. Toepassing van RF-energie op verschillende werkuren

Wanneer de tag het RF-veld van de lezer binnengaat en energie begint op te bouwen, ongeacht welk signaal de lezer op dat moment verzendt, zal de tag alle ontvangen RF-energie aan het spanningsverdubbelende gelijkrichtercircuit leveren om de energieopslagcondensator op de chip op te laden. , waardoor de stroomvoorziening van de chip tot stand wordt gebracht.

Wanneer de lezer het commandosignaal verzendt, is het transmissiesignaal van de lezer een signaal gecodeerd door de commandogegevens en amplitudegemoduleerd door de gespreide spectrumreeks.Er zijn draaggolfcomponenten en zijbandcomponenten die commandogegevens en gespreide spectrumreeksen vertegenwoordigen in het door de tag ontvangen signaal.De totale energie, draaggolfenergie en zijbandcomponenten van het ontvangen signaal houden verband met modulatie.Op dit moment wordt de modulatiecomponent gebruikt om de synchronisatie-informatie van het commando en de gespreide spectrumreeks te verzenden, en wordt de totale energie gebruikt om de energieopslagcondensator op de chip op te laden, die tegelijkertijd stroom begint te leveren aan de on-chip synchronisatie-extractiecircuit en de commandosignaaldemodulatiecircuiteenheid.Gedurende de periode waarin de lezer een instructie verzendt, wordt daarom de door het label ontvangen radiofrequentie-energie gebruikt om het label te laten blijven opladen, het synchronisatiesignaal te extraheren, het instructiesignaal te demoduleren en te identificeren.De tag-energieopslagcondensator bevindt zich in een voedingstoestand met zwevende lading.

Wanneer het label op de lezer reageert, is het verzonden signaal van de lezer een signaal dat wordt gemoduleerd door de amplitude van de sub-snelheidsklok met gespreid spectrum van de chipsnelheid.In het door het label ontvangen signaal zijn er draaggolfcomponenten en zijbandcomponenten die de sub-snelheidsklok van de gespreide spectrumchipsnelheid vertegenwoordigen.Op dit moment wordt de modulatiecomponent gebruikt om de chipsnelheid en snelheidsklokinformatie van de gespreide spectrumreeks te verzenden, en de totale energie wordt gebruikt om de energieopslagcondensator op de chip op te laden en de ontvangen gegevens te moduleren en een antwoord naar de chip te sturen. lezer.Het chipsynchronisatie-extractiecircuit en de responssignaalmodulatiecircuiteenheid leveren stroom.Gedurende de periode waarin de lezer het antwoord ontvangt, ontvangt het label daarom de radiofrequentie-energie en wordt het gebruikt om het label te laten doorgaan met opladen. Het chipsynchronisatiesignaal wordt geëxtraheerd en de responsgegevens worden gemoduleerd en het antwoord wordt verzonden.De tag-energieopslagcondensator bevindt zich in een voedingstoestand met zwevende lading.

Kortom, naast het feit dat de tag het RF-veld van de lezer binnengaat en begint met het instellen van een voedingsperiode, zal de tag alle ontvangen RF-energie leveren aan een spanningsverdubbelende gelijkrichterschakeling om de energieopslagcondensator op de chip op te laden, waardoor een een chipvoeding.Vervolgens extraheert de tag synchronisatie uit het ontvangen radiofrequentiesignaal, implementeert opdrachtdemodulatie, of moduleert en verzendt responsgegevens, die allemaal de ontvangen radiofrequentie-energie gebruiken.

3. RF-energievereisten voor verschillende toepassingen

(1) RF-energievereisten voor draadloze stroomtransmissie

Draadloze energieoverdracht zorgt voor de voeding van de tag, dus er is zowel voldoende spanning nodig om het chipcircuit aan te drijven als voldoende stroom en een continue stroomvoorziening.

De stroomvoorziening van draadloze stroomtransmissie is bedoeld om de stroomvoorziening tot stand te brengen door de RF-veldenergie van de lezer te ontvangen en spanningsverdubbeling te corrigeren wanneer de tag geen stroomvoorziening heeft.Daarom wordt de ontvangstgevoeligheid ervan beperkt door de spanningsval van de detectiediodebuis aan de voorkant.Voor CMOS-chips ligt de ontvangstgevoeligheid van spanningsverdubbelingsrectificatie tussen -11 en -0,7 dBm, dit is het knelpunt van passieve tags.

(2) RF-energievereisten voor detectie van ontvangen signalen

Terwijl de gelijkrichting van de spanningsverdubbeling de voeding van de chip tot stand brengt, moet de tag een deel van de ontvangen radiofrequentie-energie verdelen om een ​​signaaldetectiecircuit te bieden, inclusief commandosignaaldetectie en synchrone klokdetectie.Omdat de signaaldetectie wordt uitgevoerd onder de voorwaarde dat de voeding van de tag tot stand is gebracht, wordt de demodulatiegevoeligheid niet beperkt door de spanningsval van de front-end detectiediodebuis, zodat de ontvangstgevoeligheid veel hoger is dan het draadloze vermogen transmissie-ontvangstgevoeligheid, en het behoort tot de signaalamplitudedetectie, en er is geen vereiste voor de vermogenssterkte.

(3) RF-energievereisten voor tagrespons

Wanneer de tag reageert op verzending, moet hij naast het detecteren van de synchrone klok ook pseudo-PSK-modulatie uitvoeren op de ontvangen draaggolf (die de klokmodulatie-envelop bevat) en omgekeerde transmissie realiseren.Op dit moment is een bepaald vermogensniveau vereist, en de waarde ervan hangt af van de afstand van de lezer tot de tag en de gevoeligheid van de lezer om te ontvangen.Omdat de werkomgeving van de lezer het gebruik van complexere ontwerpen mogelijk maakt, kan de ontvanger een front-end-ontwerp met weinig ruis implementeren, en maakt de radiofrequentie-identificatie met codeverdeling gebruik van gespreide spectrummodulatie, evenals gespreide spectrumversterking en PSK-systeemversterking. , kan de gevoeligheid van de lezer hoog genoeg zijn ontworpen.Zodat de eisen aan het retoursignaal van het label voldoende worden verminderd.

Samenvattend wordt het door de tag ontvangen radiofrequentievermogen hoofdzakelijk toegewezen als de rectificatie-energie van de draadloze energietransmissiespanningsverdubbelaar, en vervolgens worden de juiste hoeveelheid tagsignaaldetectieniveau en de juiste hoeveelheid retourmodulatie-energie toegewezen om een ​​redelijke energie te bereiken. distributie en zorgen voor het continu opladen van de energieopslagcondensator.is een mogelijk en redelijk ontwerp.

Het is duidelijk dat de radiofrequentie-energie die wordt ontvangen door passieve tags verschillende toepassingsvereisten heeft, dus is een ontwerp voor radiofrequentie-energiedistributie vereist;de toepassingseisen van radiofrequentie-energie in verschillende werkperioden zijn verschillend, dus het is noodzakelijk om een ​​ontwerp voor de distributie van radiofrequentie-energie te hebben dat aansluit bij de behoeften van verschillende werkperioden;Verschillende toepassingen stellen verschillende eisen aan RF-energie, waarbij draadloze energietransmissie het meeste vermogen vereist. De toewijzing van RF-vermogen moet zich daarom richten op de behoeften van draadloze energietransmissie.

Passieve UHF RFID-tags maken gebruik van draadloze stroomoverdracht om een ​​tag-voeding tot stand te brengen.Daarom is de efficiëntie van de stroomvoorziening extreem laag en is het vermogen van de stroomvoorziening erg zwak.De tagchip moet zijn ontworpen met een laag stroomverbruik.Het chipcircuit wordt van stroom voorzien door de energieopslagcondensator op de chip op te laden en te ontladen.Om de continue werking van het label te garanderen, moet de energieopslagcondensator daarom continu worden opgeladen.De door de tag ontvangen radiofrequentie-energie heeft drie verschillende toepassingen: spanningsverdubbelende gelijkrichting voor de stroomvoorziening, ontvangst en demodulatie van commandosignalen, en modulatie en verzending van responssignalen.Onder hen wordt de ontvangstgevoeligheid van spanningsverdubbelende gelijkrichting beperkt door de spanningsval van de gelijkrichterdiode, die een luchtinterface wordt.knelpunt.Om deze reden zijn signaalontvangst en demodulatie en responssignaalmodulatie en -transmissie de basisfuncties die het RFID-systeem moet garanderen.Hoe sterker de voedingscapaciteit van de spanningsverdubbelaar-gelijkrichtertag, hoe competitiever het product.Daarom is het criterium voor het rationeel verdelen van de ontvangen RF-energie in het ontwerp van het tagsysteem het zoveel mogelijk vergroten van de RF-energietoevoer door gelijkrichting van de spanningsverdubbelaar, met als uitgangspunt het verzekeren van de demodulatie van het ontvangen signaal en de transmissie van de respons. signaal.