Știri

Fiind partea cea mai de bază a tehnologiei pasive Internet of Things, etichetele pasive RFID UHF au fost utilizate pe scară largă într-un număr mare de aplicații, cum ar fi comerțul cu amănuntul în supermarketuri, logistică și depozitare, arhive de cărți, trasabilitate anti-contrafacere etc. Abia în 2021, la nivel global suma de transport este mai mare de 20 de miliarde.În aplicațiile practice, pe ce se bazează exact cipul etichetei pasive RFID UHF pentru a furniza energie?

Caracteristicile sursei de alimentare ale etichetei pasive RFID UHF

1. Alimentat cu putere wireless

Transmisia de putere fără fir folosește radiația electromagnetică fără fir pentru a transfera energie electrică dintr-un loc în altul.Procesul de lucru este de a converti energia electrică în energie de radiofrecvență prin oscilația de radiofrecvență, iar energia de radiofrecvență este convertită în energie de câmp radio electromagnetic prin antena de transmisie.Energia câmpului electromagnetic radio se propagă prin spațiu și ajunge la antena de recepție, apoi este convertită înapoi în energie de radiofrecvență de către antena de recepție, iar unda de detecție devine energie DC.

În 1896, italianul Guglielmo Marchese Marconi a inventat radioul, care a realizat transmiterea semnalelor radio în spațiu.În 1899, americanul Nikola Tesla a propus ideea de a folosi transmisia de putere fără fir și a stabilit o antenă care are 60 m înălțime, inductanță încărcată în partea de jos, capacitatea încărcată în partea de sus în Colorado, folosind o frecvență de 150 kHz pentru a introduce 300 kW de putere.Transmite pe o distanță de până la 42 km și obține o putere de recepție wireless de 10 kW la capătul de recepție.

Alimentarea etichetei pasive RFID UHF urmează această idee, iar cititorul furnizează energie etichetei prin frecvență radio.Cu toate acestea, există o diferență uriașă între sursa de alimentare cu etichetă pasivă RFID UHF și testul Tesla: frecvența este de aproape zece mii de ori mai mare, iar dimensiunea antenei este redusă de o mie de ori.Deoarece pierderea de transmisie fără fir este proporțională cu pătratul frecvenței și proporțională cu pătratul distanței, este clar că creșterea pierderii de transmisie este uriașă.Cel mai simplu mod de propagare fără fir este propagarea în spațiu liber.Pierderea de propagare este invers proporțională cu pătratul lungimii de undă de propagare și proporțională cu pătratul distanței.Pierderea de propagare în spațiul liber este LS=20lg(4πd/λ).Dacă unitatea de distanță d este m și unitatea de frecvență f este MHz, atunci LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Sistemul RFID UHF se bazează pe mecanismul de transmisie wireless a puterii.Eticheta pasivă nu are propria sa sursă de alimentare.Trebuie să primească energia de radiofrecvență emisă de cititor și să stabilească o sursă de curent continuu prin rectificarea de dublare a tensiunii, ceea ce înseamnă să stabilească o sursă de alimentare CC prin pompa de încărcare Dickson.

Distanța de comunicare aplicabilă a interfeței aeriene UHF RFID este determinată în principal de puterea de transmisie a cititorului și de pierderea de bază de propagare în spațiu.Puterea de transmisie a cititorului RFID în bandă UHF este de obicei limitată la 33 dBm.Din formula de bază a pierderii de propagare, ignorând orice alte pierderi posibile, poate fi calculată puterea RF care ajunge la etichetă prin transmisia de putere fără fir.Relația dintre distanța de comunicare a interfeței aeriene UHF RFID și pierderea de propagare de bază și puterea RF care ajunge la etichetă este prezentată în tabel:

Se poate observa din tabel că transmisia de putere fără fir UHF RFID are caracteristicile unei pierderi mari de transmisie.Deoarece RFID respectă regulile naționale de comunicare la distanță scurtă, puterea de transmisie a cititorului este limitată, astfel încât eticheta poate furniza energie scăzută.Pe măsură ce distanța de comunicare crește, energia de frecvență radio primită de eticheta pasivă scade în funcție de frecvență, iar capacitatea de alimentare scade rapid.

2. Implementați alimentarea cu energie prin încărcarea și descărcarea condensatoarelor de stocare a energiei pe cip

(1) Caracteristicile de încărcare și descărcare a condensatorului

Etichetele pasive folosesc transmisia de putere fără fir pentru a obține energie, pentru a o converti în tensiune de curent continuu, pentru a încărca și stoca condensatorii de pe cip și apoi a furniza energie încărcăturii prin descărcare.Prin urmare, procesul de alimentare cu energie a etichetelor pasive este procesul de încărcare și descărcare a condensatorului.Procesul de stabilire este un proces de încărcare pur, iar procesul de alimentare este un proces de descărcare și încărcare suplimentară.Încărcarea suplimentară trebuie să înceapă înainte ca tensiunea de descărcare să atingă tensiunea minimă de alimentare a cipului.

(2) Parametrii de încărcare și descărcare a condensatorului

1) Parametrii de încărcare

Durata timpului de încărcare: τC=RC×C

Tensiune de încărcare:

curent de reincarcare:

unde RC este rezistența de încărcare și C este condensatorul de stocare a energiei.

2) Parametrii de descărcare

Durata timpului de descărcare: τD=RD×C

Tensiune de descărcare:

Curent de descărcare:

În formulă, RD este rezistența de descărcare, iar C este condensatorul de stocare a energiei.

Cele de mai sus arată caracteristicile sursei de alimentare ale etichetelor pasive.Nu este nici o sursă de tensiune constantă, nici o sursă de curent constant, ci încărcarea și descărcarea condensatorului de stocare a energiei.Când condensatorul de stocare a energiei pe cip este încărcat peste tensiunea de lucru V0 a circuitului cipului, acesta poate furniza energie etichetei.Când condensatorul de stocare a energiei începe să furnizeze energie, tensiunea de alimentare începe să scadă.Când scade sub tensiunea de funcționare a cipului V0, condensatorul de stocare a energiei își pierde capacitatea de alimentare și cipul nu poate continua să funcționeze.Prin urmare, eticheta interfeței aeriene ar trebui să aibă o capacitate suficientă pentru a reîncărca eticheta.

Se poate observa că modul de alimentare a etichetelor pasive este potrivit pentru caracteristicile comunicării în rafală, iar sursa de alimentare a etichetelor pasive necesită, de asemenea, suportul încărcării continue.

3 Echilibrul cererii și ofertei

Sursa de alimentare cu încărcare plutitoare este o altă metodă de alimentare cu energie, iar capacitatea sursei de alimentare cu încărcare plutitoare este adaptată la capacitatea de descărcare.Dar toate au o problemă comună, adică sursa de alimentare a etichetelor pasive RFID UHF trebuie să echilibreze cererea și oferta.

(1) Modul de alimentare cu energie echilibrat cererea și aprovizionarea pentru comunicarea în rafală

Actualul standard ISO/IEC18000-6 al etichetelor pasive RFID UHF aparține sistemului de comunicare în explozie.Pentru etichetele pasive, niciun semnal nu este transmis în timpul perioadei de recepție.Deși perioada de răspuns primește unda purtătoare, ea este echivalentă cu dobândirea sursei de oscilație, deci poate fi considerată drept lucru simplex.Cale.Pentru această aplicație, dacă perioada de recepție este utilizată ca perioadă de încărcare a condensatorului de stocare a energiei, iar perioada de răspuns este perioada de descărcare a condensatorului de stocare a energiei, cantitatea egală de încărcare și descărcare pentru a menține echilibrul dintre cerere și ofertă devine o condiție necesară pentru menținerea funcționării normale a sistemului.Din mecanismul de alimentare cu energie a etichetei pasive UHF RFID menționate mai sus se poate ști că sursa de alimentare a etichetei pasive UHF RFID nu este nici o sursă de curent constant, nici o sursă de tensiune constantă.Când condensatorul de stocare a energiei etichetei este încărcat la o tensiune mai mare decât tensiunea normală de lucru a circuitului, alimentarea pornește;atunci când condensatorul de stocare a energiei etichetei este descărcat la o tensiune mai mică decât tensiunea normală de funcționare a circuitului, alimentarea cu energie este oprită.

Pentru comunicarea în rafală, cum ar fi interfața de aer RFID UHF etichetă pasivă, încărcarea poate fi încărcată înainte ca eticheta să trimită o explozie de răspuns, suficient pentru a se asigura că poate fi menținută suficientă tensiune până la finalizarea răspunsului.Prin urmare, pe lângă radiația de radiofrecvență suficient de puternică pe care o poate primi eticheta, cipul trebuie, de asemenea, să aibă o capacitate suficient de mare pe cip și un timp de încărcare suficient de lung.Consumul de energie pentru răspunsul etichetei și timpul de răspuns trebuie, de asemenea, adaptate.Datorită distanței dintre etichetă și cititor, timpul de răspuns este diferit, aria condensatorului de stocare a energiei este limitată și alți factori, poate fi dificil să echilibrați cererea și oferta în diviziunea în timp.

(2) Modul de alimentare plutitor pentru comunicare continuă

Pentru o comunicare continuă, pentru a menține alimentarea neîntreruptă a condensatorului de stocare a energiei, acesta trebuie să fie descărcat și încărcat în același timp, iar viteza de încărcare este similară cu viteza de descărcare, adică capacitatea de alimentare este menținută înainte comunicarea este întreruptă.

Identificarea cu frecvență radio cu diviziunea codului de etichetă pasivă și standardul curent ISO/IEC18000-6 de etichetă pasivă UHF RFID au caracteristici comune.Starea de recepție a etichetei trebuie demodulată și decodificată, iar starea de răspuns trebuie modulată și trimisă.Prin urmare, ar trebui să fie proiectat conform unei comunicări continue.Sistem de alimentare cu cip de etichetare.Pentru ca rata de încărcare să fie similară cu rata de descărcare, cea mai mare parte a energiei primite de etichetă trebuie utilizată pentru încărcare.

Resurse RF partajate

1. Front-end RF pentru etichete pasive

Etichetele pasive nu sunt folosite doar ca sursă de energie a etichetelor și a cărților poștale pentru energia de frecvență radio de la cititori, dar, mai important, transmisia semnalului de instrucțiuni de la cititor la etichetă și transmisia semnalului de răspuns de la etichetă la cititor sunt realizat prin transmisia de date wireless.Energia de radiofrecvență primită de etichetă ar trebui să fie împărțită în trei părți, care sunt, respectiv, utilizate pentru ca cipul să stabilească sursa de alimentare, să demoduleze semnalul (inclusiv semnalul de comandă și ceasul de sincronizare) și să furnizeze purtătorul de răspuns.

Modul de lucru al standardului actual UHF RFID are următoarele caracteristici: canalul downlink adoptă modul de difuzare, iar canalul uplink adoptă modul de partajare a mai multor etichete cu un răspuns secvență pe un singur canal.Prin urmare, în ceea ce privește transmiterea informațiilor, aceasta aparține modului de funcționare simplex.Cu toate acestea, deoarece eticheta în sine nu poate furniza purtătorul de transmisie, răspunsul etichetei trebuie să furnizeze purtătorul cu ajutorul cititorului.Prin urmare, atunci când eticheta răspunde, în ceea ce privește starea de expediere, ambele capete ale comunicației sunt într-o stare de lucru duplex.

În diferite stări de lucru, unitățile de circuit puse în funcțiune de etichetă sunt diferite, iar puterea necesară pentru funcționarea diferitelor unități de circuit este, de asemenea, diferită.Toată puterea provine din energia de frecvență radio primită de etichetă.Prin urmare, este necesar să se controleze distribuția energiei RF în mod rezonabil și atunci când este cazul.

2. Aplicarea energiei RF în diferite ore de lucru

Când eticheta intră în câmpul RF al cititorului și începe să creeze putere, indiferent de semnalul pe care cititorul îl trimite în acest moment, eticheta va furniza toată energia RF primită circuitului redresor de dublare a tensiunii pentru a încărca condensatorul de stocare a energiei pe cip. , stabilind astfel sursa de alimentare a cipului.

Când cititorul transmite semnalul de comandă, semnalul de transmisie al cititorului este un semnal codificat de datele de comandă și amplitudinea modulată de secvența cu spectru extins.Există componente purtătoare și componente de bandă laterală care reprezintă date de comandă și secvențe de spectru împrăștiat în semnalul primit de etichetă.Energia totală, energia purtătoarei și componentele benzii laterale ale semnalului recepționat sunt legate de modulație.În acest moment, componenta de modulație este utilizată pentru a transmite informațiile de sincronizare ale comenzii și secvența cu spectru răspândit, iar energia totală este utilizată pentru a încărca condensatorul de stocare a energiei pe cip, care începe simultan să furnizeze energie cipului de pe cip. circuitul de extracție de sincronizare și unitatea de circuit de demodulare a semnalului de comandă.Prin urmare, în perioada în care cititorul trimite o instrucțiune, energia de frecvență radio primită de etichetă este utilizată pentru ca eticheta să continue să se încarce, să extragă semnalul de sincronizare, să demoduleze și să identifice semnalul de instrucțiune.Condensatorul de stocare a energiei etichetei este într-o stare de alimentare cu încărcare flotantă.

Atunci când eticheta răspunde la cititor, semnalul transmis al cititorului este un semnal care este modulat de amplitudinea ceasului sub-rată a frecvenței cipului cu spectru răspândit.În semnalul primit de etichetă, există componente purtătoare și componente de bandă laterală reprezentând ceasul sub-rata de rată a cipului cu spectru extins.În acest moment, componenta de modulație este utilizată pentru a transmite informațiile privind rata de cip și ceasul de frecvență a secvenței cu spectru extins, iar energia totală este utilizată pentru a încărca condensatorul de stocare a energiei pe cip și pentru a modula datele primite și a trimite un răspuns la cititor.Circuitul de extracție cu sincronizare a cipului și unitatea de circuit de modulare a semnalului de răspuns furnizează energie.Prin urmare, în perioada în care cititorul primește răspunsul, eticheta primește energia de frecvență radio și este utilizată pentru ca eticheta să continue încărcarea, semnalul de sincronizare a cipului este extras și datele de răspuns sunt modulate și răspunsul este trimis.Condensatorul de stocare a energiei etichetei este într-o stare de alimentare cu încărcare flotantă.

Pe scurt, pe lângă eticheta care intră în câmpul RF al cititorului și începe să stabilească o perioadă de alimentare, eticheta va furniza toată energia RF primită unui circuit redresor de dublare a tensiunii pentru a încărca condensatorul de stocare a energiei pe cip, stabilind astfel o sursă de alimentare cu cip.Ulterior, eticheta extrage sincronizarea din semnalul de radiofrecvență recepționat, implementează demodularea comenzii sau modulează și transmite date de răspuns, toate acestea folosind energia de radiofrecvență recepționată.

3. Cerințe de energie RF pentru diferite aplicații

(1) Cerințe de energie RF pentru transmisia de energie fără fir

Transferul de putere fără fir stabilește sursa de alimentare pentru etichetă, așa că necesită atât o tensiune suficientă pentru a conduce circuitul de cip, cât și o putere suficientă și o capacitate de alimentare continuă.

Sursa de alimentare a transmisiei de putere fără fir este de a stabili sursa de alimentare prin primirea energiei câmpului RF a cititorului și rectificarea de dublare a tensiunii atunci când eticheta nu are sursă de alimentare.Prin urmare, sensibilitatea sa de recepție este limitată de căderea de tensiune a tubului diodei de detecție frontală.Pentru cipurile CMOS, sensibilitatea de recepție a redresării de dublare a tensiunii este între -11 și -0,7 dBm, este blocajul etichetelor pasive.

(2) Cerințe de energie RF pentru detectarea semnalului recepționat

În timp ce rectificarea de dublare a tensiunii stabilește sursa de alimentare a cipului, eticheta trebuie să împartă o parte din energia de frecvență radio primită pentru a furniza un circuit de detectare a semnalului, inclusiv detectarea semnalului de comandă și detectarea ceasului sincron.Deoarece detectarea semnalului se realizează cu condiția ca sursa de alimentare a etichetei să fi fost stabilită, sensibilitatea de demodulare nu este limitată de căderea de tensiune a tubului diodei de detectare frontală, astfel încât sensibilitatea de recepție este mult mai mare decât puterea fără fir. Sensibilitatea de recepție a transmisiei și aparține detectării amplitudinii semnalului și nu există nicio cerință de putere.

(3) Cerințe de energie RF pentru răspunsul etichetei

Când eticheta răspunde la trimitere, pe lângă detectarea ceasului sincron, trebuie să efectueze și modulație pseudo-PSK pe purtătorul recepționat (conținând anvelopa de modulație a ceasului) și să realizeze transmisie inversă.În acest moment, este necesar un anumit nivel de putere, iar valoarea acestuia depinde de distanța cititorului la etichetă și de sensibilitatea cititorului la recepție.Deoarece mediul de lucru al cititorului permite utilizarea unor modele mai complexe, receptorul poate implementa un design front-end cu zgomot redus, iar identificarea frecvenței radio cu diviziune de cod utilizează modularea spectrului împrăștiat, precum și câștigul spectrului împrăștiat și câștigul sistemului PSK. , sensibilitatea cititorului poate fi proiectată pentru a fi suficient de mare.Astfel încât cerințele pentru semnalul de întoarcere al etichetei să fie suficient de reduse.

În concluzie, puterea de frecvență radio primită de etichetă este alocată în principal ca energie de rectificare a dublului tensiunii de transmisie fără fir, iar apoi cantitatea adecvată de nivel de detectare a semnalului de etichetă și cantitatea adecvată de energie de modulație de retur sunt alocate pentru a obține o energie rezonabilă. distributie si asigura incarcarea continua a condensatorului de stocare a energiei.este un design posibil și rezonabil.

Se poate observa că energia de radiofrecvență primită de etichetele pasive are diverse cerințe de aplicare, deci este necesar un design de distribuție a energiei de radiofrecvență;cerințele de aplicare a energiei cu frecvență radio în diferite perioade de lucru sunt diferite, deci este necesar să existe un proiect de distribuție a energiei cu frecvență radio în funcție de nevoile diferitelor perioade de lucru;Diferitele aplicații au cerințe diferite pentru energia RF, printre care transmisia de putere fără fir necesită cea mai mare putere, astfel încât alocarea puterii RF ar trebui să se concentreze pe nevoile de transmitere a energiei fără fir.

Etichetele pasive UHF RFID utilizează transmisia de energie fără fir pentru a stabili o sursă de alimentare a etichetelor.Prin urmare, eficiența sursei de alimentare este extrem de scăzută, iar capacitatea de alimentare este foarte slabă.Cipul de etichetă trebuie să fie proiectat cu un consum redus de energie.Circuitul de cip este alimentat prin încărcarea și descărcarea condensatorului de stocare a energiei de pe cip.Prin urmare, pentru a asigura funcționarea continuă a etichetei, condensatorul de stocare a energiei trebuie încărcat continuu.Energia de radiofrecvență primită de etichetă are trei aplicații diferite: rectificarea de dublare a tensiunii pentru alimentare cu energie, recepția și demodularea semnalului de comandă și modularea și transmiterea semnalului de răspuns.Printre acestea, sensibilitatea de recepție a redresării de dublare a tensiunii este restricționată de căderea de tensiune a diodei redresoare, care devine o interfață de aer.blocaj.Din acest motiv, recepția și demodularea semnalului și modularea și transmisia semnalului de răspuns sunt funcțiile de bază pe care sistemul RFID trebuie să le asigure.Cu cât este mai puternică capacitatea de alimentare a etichetei redresorului dublator de tensiune, cu atât produsul este mai competitiv.Prin urmare, criteriul de distribuire rațională a energiei RF recepționate în proiectarea sistemului de etichete este creșterea aprovizionării cu energie RF prin rectificarea dublatorului de tensiune cât mai mult posibil pe premisa asigurării demodulării semnalului primit și transmiterii răspunsului. semnal.