Aktualności

Jako najbardziej podstawowa część pasywnej technologii Internetu rzeczy, pasywne znaczniki RFID UHF są szeroko stosowane w wielu zastosowaniach, takich jak sprzedaż detaliczna w supermarketach, logistyka i magazynowanie, archiwa książek, identyfikowalność przed fałszerstwami itp. Dopiero w 2021 r. na całym świecie kwota wysyłki wynosi ponad 20 miliardów.W praktycznych zastosowaniach, na czym dokładnie chip pasywnego znacznika RFID UHF polega na zasilaniu?

Charakterystyka zasilania taga pasywnego RFID UHF

1. Zasilany przez sieć bezprzewodową

Bezprzewodowa transmisja mocy wykorzystuje bezprzewodowe promieniowanie elektromagnetyczne do przesyłania energii elektrycznej z jednego miejsca do drugiego.Proces roboczy polega na przekształceniu energii elektrycznej w energię o częstotliwości radiowej poprzez oscylacje częstotliwości radiowej, a energia o częstotliwości radiowej jest przekształcana w energię pola radiowego elektromagnetycznego za pośrednictwem anteny nadawczej.Energia radioelektrycznego pola elektromagnetycznego rozchodzi się w przestrzeni i dociera do anteny odbiorczej, następnie jest przekształcana z powrotem w energię częstotliwości radiowej przez antenę odbiorczą, a fala detekcyjna staje się energią prądu stałego.

W 1896 roku Włoch Guglielmo Marchese Marconi wynalazł radio, które realizowało transmisję sygnałów radiowych w przestrzeni kosmicznej.W 1899 roku Amerykanin Nikola Tesla zaproponował w Kolorado pomysł wykorzystania bezprzewodowej transmisji mocy i zbudował antenę o wysokości 60 m, indukcyjności ładowanej od dołu i pojemności ładowanej od góry, wykorzystującą częstotliwość 150 kHz do wprowadzenia mocy 300 kW.Transmituje na odległość do 42 km, uzyskując po stronie odbiorczej moc odbioru bezprzewodowego wynoszącą 10 kW.

Zasilacz pasywnego tagu UHF RFID jest zgodny z tą ideą, a czytnik zasila tag poprzez częstotliwość radiową.Istnieje jednak ogromna różnica między zasilaniem pasywnego znacznika UHF RFID a testem Tesli: częstotliwość jest prawie dziesięć tysięcy razy wyższa, a rozmiar anteny jest tysiąc razy mniejszy.Ponieważ utrata transmisji bezprzewodowej jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości i proporcjonalna do kwadratu odległości, jasne jest, że wzrost strat w transmisji jest ogromny.Najprostszym trybem propagacji bezprzewodowej jest propagacja w wolnej przestrzeni.Straty propagacyjne są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu długości fali propagacyjnej i proporcjonalne do kwadratu odległości.Strata propagacji w wolnej przestrzeni wynosi LS=20lg(4πd/λ).Jeżeli jednostką odległości d jest m, a jednostką częstotliwości f jest MHz, to LS= -27,56+20lgd+20lgf.

System RFID UHF opiera się na mechanizmie bezprzewodowej transmisji mocy.Tag pasywny nie posiada własnego zasilania.Musi odebrać energię o częstotliwości radiowej emitowaną przez czytnik i zapewnić zasilanie prądem stałym poprzez prostowanie podwajające napięcie, co oznacza zapewnienie zasilania prądem stałym za pośrednictwem pompy ładującej Dickson.

Odpowiednia odległość komunikacyjna interfejsu radiowego UHF RFID zależy głównie od mocy transmisji czytnika i podstawowej utraty propagacji w przestrzeni.Moc nadawania czytnika RFID w paśmie UHF jest zwykle ograniczona do 33 dBm.Z podstawowego wzoru na stratę propagacyjną, ignorując inne możliwe straty, można obliczyć moc RF docierającą do znacznika poprzez bezprzewodową transmisję mocy.Zależność pomiędzy odległością komunikacyjną interfejsu radiowego UHF RFID a podstawową stratą propagacji i mocą RF docierającą do znacznika przedstawiono w tabeli:

Z tabeli widać, że bezprzewodowa transmisja mocy UHF RFID charakteryzuje się dużymi stratami transmisji.Ponieważ RFID jest zgodny z krajowymi przepisami dotyczącymi komunikacji na małe odległości, moc transmisji czytnika jest ograniczona, więc znacznik może dostarczać niewielką moc.Wraz ze wzrostem odległości komunikacyjnej energia częstotliwości radiowej odbierana przez znacznik pasywny zmniejsza się w zależności od częstotliwości, a wydajność zasilacza gwałtownie maleje.

2. Zaimplementuj zasilanie poprzez ładowanie i rozładowywanie wbudowanych w chip kondensatorów magazynujących energię

(1) Charakterystyka ładowania i rozładowania kondensatora

Tagi pasywne wykorzystują bezprzewodową transmisję mocy do pozyskiwania energii, przekształcania jej w napięcie stałe, ładowania i przechowywania kondensatorów wbudowanych w układ, a następnie dostarczania energii do obciążenia poprzez rozładowanie.Dlatego proces zasilania tagów pasywnych jest procesem ładowania i rozładowywania kondensatorów.Proces ustanawiania jest czystym procesem ładowania, a proces zasilania jest procesem rozładowywania i ładowania uzupełniającego.Ładowanie uzupełniające musi rozpocząć się zanim napięcie rozładowania osiągnie minimalne napięcie zasilania chipa.

(2) Parametry ładowania i rozładowania kondensatora

1) Parametry ładowania

Długość czasu ładowania: τC=RC×C

Napięcie ładowania:

prąd ładowania:

gdzie RC to rezystor ładowania, a C to kondensator magazynujący energię.

2) Parametry rozładowania

Długość czasu rozładowania: τD=RD×C

Napięcie rozładowania:

Prąd rozładowania:

We wzorze RD to rezystancja rozładowania, a C to kondensator magazynujący energię.

Powyżej przedstawiono charakterystykę zasilania tagów pasywnych.Nie jest to ani źródło stałego napięcia, ani źródło prądu stałego, ale ładowanie i rozładowywanie kondensatora magazynującego energię.Kiedy wbudowany w chip kondensator magazynujący energię zostanie naładowany powyżej napięcia roboczego V0 obwodu chipa, może on zasilać znacznik.Kiedy kondensator magazynujący energię zaczyna dostarczać energię, napięcie zasilania zaczyna spadać.Kiedy spadnie poniżej napięcia roboczego chipa V0, kondensator magazynujący energię traci zdolność zasilania i chip nie może dalej pracować.Dlatego znacznik interfejsu radiowego powinien mieć wystarczającą pojemność, aby naładować znacznik.

Można zauważyć, że tryb zasilania tagów pasywnych jest odpowiedni dla charakterystyki komunikacji impulsowej, a zasilanie tagów pasywnych również wymaga wsparcia ciągłego ładowania.

3 Bilans podaży i popytu

Pływający zasilacz ładujący to kolejna metoda zasilania, a moc pływającego zasilacza ładującego jest dostosowana do wydajności rozładowywania.Wszystkie mają jednak wspólny problem: zasilanie pasywnych znaczników RFID UHF musi równoważyć podaż i popyt.

(1) Tryb zasilania zapewniający równowagę podaży i popytu dla komunikacji impulsowej

Obecny standard ISO/IEC18000-6 dotyczący pasywnych znaczników UHF RFID należy do systemu komunikacji impulsowej.W przypadku znaczników pasywnych w okresie odbioru nie jest przesyłany żaden sygnał.Chociaż okres odpowiedzi odbiera falę nośną, jest to równoznaczne z pozyskaniem źródła oscylacji, więc można to uznać za pracę simpleksową.Sposób.W tym zastosowaniu, jeśli okres odbioru zostanie użyty jako okres ładowania kondensatora magazynującego energię, a okres odpowiedzi to okres rozładowywania kondensatora magazynującego energię, równa ilość ładowania i rozładowania w celu utrzymania równowagi podaży i popytu stanie się warunek konieczny do utrzymania normalnej pracy systemu.Z mechanizmu zasilania wspomnianego pasywnego taga RFID UHF można poznać, że zasilanie pasywnego taga UHF RFID nie jest ani źródłem prądu stałego, ani źródłem stałego napięcia.Kiedy kondensator magazynujący energię zostanie naładowany do napięcia wyższego niż normalne napięcie robocze obwodu, rozpoczyna się zasilanie;gdy kondensator magazynujący energię zostanie rozładowany do napięcia niższego niż normalne napięcie robocze obwodu, zasilanie zostaje zatrzymane.

W przypadku komunikacji impulsowej, takiej jak pasywny interfejs radiowy UHF RFID ze znacznikiem, ładunek można naładować przed wysłaniem przez znacznik impulsu odpowiedzi, na tyle, aby zapewnić utrzymanie wystarczającego napięcia do zakończenia odpowiedzi.Dlatego oprócz wystarczająco silnego promieniowania o częstotliwości radiowej, które znacznik może odbierać, chip musi mieć również wystarczająco dużą pojemność na chipie i wystarczająco długi czas ładowania.Należy również dostosować pobór mocy i czas reakcji odpowiedzi tagu.Ze względu na odległość znacznika od czytnika, czas reakcji jest inny, powierzchnia kondensatora magazynującego energię jest ograniczona i inne czynniki mogą powodować trudności w zrównoważeniu podaży i popytu w podziale czasu.

(2) Tryb zasilania sieciowego zapewniający ciągłą komunikację

W celu ciągłej komunikacji, aby utrzymać nieprzerwane zasilanie kondensatora magazynującego energię, należy go jednocześnie rozładowywać i ładować, a prędkość ładowania jest podobna do prędkości rozładowywania, to znaczy pojemność zasilania jest utrzymywana przed komunikacja zostaje zakończona.

Pasywna identyfikacja radiowa z podziałem kodu znacznika i norma prądu pasywnego znacznika UHF RFID ISO/IEC18000-6 mają wspólne cechy.Stan odbioru znacznika musi zostać zdemodulowany i zdekodowany, a stan odpowiedzi musi zostać zmodulowany i wysłany.Dlatego powinien być zaprojektowany z myślą o ciągłej komunikacji.System zasilania układu znacznika.Aby szybkość ładowania była zbliżona do szybkości rozładowywania, większość energii odbieranej przez tag musi zostać wykorzystana na ładowanie.

Udostępnione zasoby RF

1. Interfejs RF dla tagów pasywnych

Tagi pasywne służą nie tylko jako źródło zasilania tagów i pocztówek energią o częstotliwości radiowej z czytników, ale co ważniejsze, służą do transmisji sygnału instrukcji z czytnika do tagu i transmisji sygnału odpowiedzi z tagu do czytnika. realizowany poprzez bezprzewodową transmisję danych.Energię częstotliwości radiowej odbieraną przez tag należy podzielić na trzy części, które odpowiednio wykorzystywane są przez chip do ustalenia zasilania, demodulacji sygnału (w tym sygnału sterującego i zegara synchronizacji) oraz zapewnienia nośnej odpowiedzi.

Tryb pracy obecnego standardu UHF RFID ma następującą charakterystykę: kanał łącza w dół przyjmuje tryb rozgłoszeniowy, a kanał łącza w górę przyjmuje tryb jednokanałowej odpowiedzi sekwencyjnej współdzielącej wiele znaczników.Dlatego też pod względem przekazywania informacji należy do trybu simpleksowego.Jednakże, ponieważ znacznik sam w sobie nie jest w stanie zapewnić nośnej transmisji, odpowiedź znacznika musi zapewnić nośną za pomocą czytnika.Dlatego też, gdy znacznik odpowiada, jeśli chodzi o stan wysyłania, oba końce komunikacji znajdują się w trybie pracy dupleksowej.

W różnych stanach pracy jednostki obwodów uruchamiane przez znacznik są różne, różna jest także moc wymagana do pracy różnych jednostek obwodów.Cała moc pochodzi z energii o częstotliwości radiowej odbieranej przez znacznik.Dlatego konieczne jest rozsądne i odpowiednie kontrolowanie dystrybucji energii RF.

2. Zastosowanie energii RF w różnych godzinach pracy

Kiedy znacznik wejdzie w pole RF czytnika i zacznie wytwarzać moc, niezależnie od tego, jaki sygnał wyśle ​​w tym momencie czytnik, znacznik dostarczy całą otrzymaną energię RF do obwodu prostownika podwajającego napięcie, aby naładować wbudowany kondensator magazynujący energię , ustalając w ten sposób zasilanie chipa.

Gdy czytnik transmituje sygnał polecenia, sygnał transmisji czytnika jest sygnałem zakodowanym przez dane polecenia i amplitudą modulowaną przez sekwencję widma rozproszonego.W sygnale odbieranym przez znacznik znajdują się elementy nośne i elementy wstęgi bocznej reprezentujące dane poleceń i sekwencje widma rozproszonego.Całkowita energia, energia nośna i składowe pasma bocznego odbieranego sygnału są powiązane z modulacją.W tym momencie element modulacyjny służy do przesyłania informacji o synchronizacji polecenia i sekwencji widma rozproszonego, a całkowita energia jest wykorzystywana do ładowania wbudowanego kondensatora magazynującego energię, który jednocześnie zaczyna dostarczać energię do wbudowanego w chip obwód ekstrakcji synchronizacji i zespół obwodu demodulacji sygnału sterującego.Dlatego w okresie, w którym czytnik wysyła instrukcję, energia częstotliwości radiowej odebrana przez znacznik jest wykorzystywana do dalszego ładowania znacznika, wyodrębnienia sygnału synchronizacji, demodulacji i identyfikacji sygnału instrukcji.Kondensator magazynujący energię znacznika znajduje się w stanie zasilania z ładunkiem pływającym.

Kiedy znacznik odpowiada czytnikowi, transmitowany sygnał czytnika jest sygnałem modulowanym przez amplitudę zegara częstotliwości chipa widma rozproszonego o rozproszonym widmie.W sygnale odbieranym przez znacznik znajdują się składowe nośne i składowe wstęgi bocznej reprezentujące zegar podszybkości chipa o widmie rozproszonym.W tym momencie element modulacyjny jest używany do przesyłania informacji o szybkości chipa i zegarze częstotliwości sekwencji widma rozproszonego, a całkowita energia jest wykorzystywana do ładowania kondensatora magazynującego energię w chipie oraz modulowania odebranych danych i wysyłania odpowiedzi do czytelnik.Obwód ekstrakcji synchronizacji chipów i zasilanie jednostki obwodu modulacji sygnału odpowiedzi.Dlatego też w okresie, gdy czytnik otrzymuje odpowiedź, znacznik odbiera energię o częstotliwości radiowej i jest wykorzystywany do kontynuowania ładowania znacznika, pobierany jest sygnał synchronizacji chipa, dane odpowiedzi są modulowane, a odpowiedź jest wysyłana.Kondensator magazynujący energię znacznika znajduje się w stanie zasilania z ładunkiem pływającym.

Krótko mówiąc, oprócz wejścia znacznika w pole RF czytnika i rozpoczęcia ustalania okresu zasilania, znacznik dostarczy całą otrzymaną energię RF do obwodu prostownika podwajającego napięcie, aby naładować wbudowany kondensator magazynujący energię, ustanawiając w ten sposób zasilacz chipowy.Następnie znacznik wyodrębnia synchronizację z odebranego sygnału o częstotliwości radiowej, implementuje demodulację poleceń lub moduluje i przesyła dane odpowiedzi, przy czym wszystkie te działania wykorzystują odebraną energię częstotliwości radiowej.

3. Wymagania energetyczne RF dla różnych zastosowań

(1) Wymagania dotyczące energii RF dla bezprzewodowej transmisji mocy

Bezprzewodowe przesyłanie mocy zapewnia zasilanie znacznika, dlatego wymaga zarówno wystarczającego napięcia do zasilania obwodu chipa, jak i wystarczającej mocy i możliwości ciągłego zasilania.

Zasilanie bezprzewodowej transmisji mocy polega na zapewnieniu zasilania poprzez odbiór energii pola RF czytnika i prostowanie podwajającego napięcie, gdy tag nie ma zasilania.Dlatego jego czułość odbioru jest ograniczona przez spadek napięcia na przedniej lampie diody detekcyjnej.W przypadku układów CMOS czułość odbioru przy prostowaniu podwajającym napięcie mieści się w przedziale od -11 do -0,7 dBm i stanowi wąskie gardło w przypadku znaczników pasywnych.

(2) Wymagania dotyczące energii RF do wykrywania odbieranego sygnału

Podczas gdy prostowanie podwajające napięcie zapewnia zasilanie chipa, znacznik musi podzielić część odebranej energii o częstotliwości radiowej, aby zapewnić obwód detekcji sygnału, w tym detekcję sygnału sterującego i detekcję zegara synchronicznego.Ponieważ wykrywanie sygnału odbywa się pod warunkiem zapewnienia zasilania znacznika, czułość demodulacji nie jest ograniczona spadkiem napięcia na przedniej lampie diody detekcyjnej, więc czułość odbioru jest znacznie wyższa niż moc bezprzewodowa czułość odbioru transmisji i należy do wykrywania amplitudy sygnału i nie ma wymagania dotyczącego mocy.

(3) Wymagania dotyczące energii RF dla odpowiedzi znacznika

Gdy tag odpowie na wysłanie, oprócz wykrycia zegara synchronicznego, musi także wykonać modulację pseudo-PSK na odebranej nośnej (zawierającej obwiednię modulacji zegara) i zrealizować transmisję zwrotną.W tym momencie wymagany jest określony poziom mocy, a jego wartość uzależniona jest od odległości czytnika od tagu oraz czułości czytnika na odbiór.Ponieważ środowisko pracy czytnika pozwala na zastosowanie bardziej złożonych konstrukcji, odbiornik może wdrożyć niskoszumową konstrukcję front-end, a identyfikacja radiowa z podziałem kodowym wykorzystuje modulację widma rozproszonego, a także wzmocnienie widma rozproszonego i wzmocnienie systemu PSK czułość czytnika może być zaprojektowana tak, aby była wystarczająco wysoka.Aby wymagania dotyczące sygnału zwrotnego etykiety były wystarczająco zmniejszone.

Podsumowując, moc częstotliwości radiowej odbierana przez znacznik jest alokowana głównie jako energia prostowania podwajacza napięcia transmisji bezprzewodowej, a następnie przydzielana jest odpowiednia ilość poziomu detekcji sygnału znacznika oraz odpowiednia ilość energii modulacji zwrotnej, aby uzyskać rozsądną energię dystrybucję i zapewniają ciągłe ładowanie kondensatora magazynującego energię.jest projektem możliwym i rozsądnym.

Można zauważyć, że energia o częstotliwości radiowej odbierana przez znaczniki pasywne ma różne wymagania aplikacyjne, dlatego wymagany jest projekt dystrybucji mocy o częstotliwości radiowej;wymagania dotyczące stosowania energii o częstotliwości radiowej w różnych okresach pracy są różne, dlatego konieczne jest opracowanie projektu dystrybucji energii o częstotliwości radiowej zgodnie z potrzebami różnych okresów pracy;Różne zastosowania mają różne wymagania dotyczące energii RF, wśród których bezprzewodowa transmisja mocy wymaga największej mocy, dlatego alokacja mocy RF powinna koncentrować się na potrzebach bezprzewodowej transmisji mocy.

Tagi pasywne UHF RFID wykorzystują bezprzewodową transmisję mocy w celu zapewnienia zasilania tagu.Dlatego wydajność zasilania jest bardzo niska, a możliwości zasilania bardzo słabe.Chip znacznika musi być zaprojektowany z myślą o niskim zużyciu energii.Obwód chipa jest zasilany poprzez ładowanie i rozładowywanie wbudowanego w chip kondensatora magazynującego energię.Dlatego, aby zapewnić ciągłość działania etykiety, kondensator magazynujący energię musi być stale ładowany.Energia o częstotliwości radiowej odbierana przez znacznik ma trzy różne zastosowania: prostowanie podwajające napięcie w celu zasilania, odbiór i demodulacja sygnału sterującego oraz modulacja i transmisja sygnału odpowiedzi.Wśród nich czułość odbioru prostownika podwajającego napięcie jest ograniczona przez spadek napięcia diody prostowniczej, która staje się interfejsem powietrznym.wąskie gardło.Z tego powodu odbiór i demodulacja sygnału oraz modulacja i transmisja sygnału odpowiedzi to podstawowe funkcje, które musi zapewniać system RFID.Im większa moc zasilacza znacznika prostownika podwajającego napięcie, tym bardziej konkurencyjny jest produkt.Dlatego też kryterium racjonalnego rozdziału odebranej energii RF w projektowaniu systemu tagów jest maksymalne zwiększenie dostaw energii RF poprzez prostowanie podwajacza napięcia, przy założeniu zapewnienia demodulacji odbieranego sygnału i transmisji odpowiedzi sygnał.