Новости

Являясь основной частью технологии пассивного Интернета вещей, пассивные метки UHF RFID широко используются в большом количестве приложений, таких как розничная торговля в супермаркетах, логистика и складирование, книжные архивы, отслеживание борьбы с подделками и т. д. Только в 2021 г. Сумма доставки составляет более 20 миллиардов.В практических приложениях, на что именно чип пассивной RFID-метки UHF полагается для подачи питания?

Характеристики источника питания пассивной метки UHF RFID

1. Питание от беспроводной сети

Беспроводная передача энергии использует беспроводное электромагнитное излучение для передачи электрической энергии из одного места в другое.Рабочий процесс заключается в преобразовании электрической энергии в радиочастотную энергию посредством радиочастотных колебаний, а радиочастотная энергия преобразуется в энергию радиоэлектромагнитного поля через передающую антенну.Энергия радиоэлектромагнитного поля распространяется в пространстве и достигает приемной антенны, затем преобразуется приемной антенной обратно в радиочастотную энергию, и волна обнаружения становится энергией постоянного тока.

В 1896 году итальянец Гульельмо Маркезе Маркони изобрел радио, осуществившее передачу радиосигналов в космосе.В 1899 году американец Никола Тесла предложил идею использования беспроводной передачи энергии и установил в Колорадо антенну высотой 60 м с индуктивностью внизу и емкостью сверху, использующую частоту 150 кГц для ввода 300 кВт мощности.Он передает на расстояние до 42 км и получает мощность беспроводного приема 10 кВт на принимающей стороне.

Источник питания пассивной метки UHF RFID следует этой идее, и считыватель подает питание на метку через радиочастоту.Однако существует огромная разница между источником питания пассивных меток UHF RFID и тестом Теслы: частота почти в десять тысяч раз выше, а размер антенны уменьшен в тысячу раз.Поскольку потери при беспроводной передаче пропорциональны квадрату частоты и квадрату расстояния, очевидно, что увеличение потерь при передаче огромно.Самый простой режим беспроводного распространения — распространение в свободном пространстве.Потери при распространении обратно пропорциональны квадрату длины волны распространения и пропорциональны квадрату расстояния.Потери при распространении в свободном пространстве составляют LS=20lg(4πd/λ).Если единицей измерения расстояния d является м, а единицей частоты f — МГц, то LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Система UHF RFID основана на механизме беспроводной передачи энергии.Пассивная метка не имеет собственного источника питания.Ему необходимо получить радиочастотную энергию, излучаемую считывателем, и установить источник питания постоянного тока посредством удвоения напряжения, что означает создание источника питания постоянного тока через зарядовый насос Диксона.

Применимое расстояние связи радиоинтерфейса UHF RFID в основном определяется мощностью передачи считывателя и основными потерями при распространении в пространстве.Мощность передачи RFID-считывателя УВЧ-диапазона обычно ограничивается 33 дБм.Из базовой формулы потерь при распространении, игнорируя любые другие возможные потери, можно рассчитать радиочастотную мощность, достигающую метки посредством беспроводной передачи энергии.Взаимосвязь между расстоянием связи радиоинтерфейса UHF RFID и основными потерями при распространении и радиочастотной мощностью, достигающей метки, показана в таблице:

Из таблицы видно, что беспроводная передача энергии UHF RFID имеет большие потери при передаче.Поскольку RFID соответствует национальным правилам связи на короткие расстояния, мощность передачи считывателя ограничена, поэтому метка может обеспечивать низкую мощность.По мере увеличения расстояния связи радиочастотная энергия, принимаемая пассивной меткой, уменьшается в зависимости от частоты, и мощность источника питания быстро снижается.

2. Реализация подачи питания путем зарядки и разрядки встроенных в кристалл конденсаторов для хранения энергии.

(1) Характеристики заряда и разряда конденсатора

Пассивные метки используют беспроводную передачу энергии для получения энергии, преобразования ее в напряжение постоянного тока, зарядки и хранения встроенных конденсаторов, а затем подачи питания на нагрузку посредством разряда.Поэтому процесс питания пассивных меток — это процесс зарядки и разрядки конденсатора.Процесс установления представляет собой чистый процесс зарядки, а процесс подачи питания представляет собой процесс разрядки и дополнительной зарядки.Дозарядка должна начаться до того, как напряжение разряда достигнет минимального напряжения питания микросхемы.

(2) Параметры заряда и разряда конденсатора

1) Параметры зарядки

Продолжительность времени зарядки: τC=RC×C

Зарядное напряжение:

ток перезарядки:

где RC — зарядный резистор, а C — накопительный конденсатор.

2) Параметры разряда

Продолжительность времени разряда: τD=RD×C

Напряжение разряда:

Ток разряда:

В формуле RD — разрядное сопротивление, а C — накопительный конденсатор.

Выше показаны характеристики питания пассивных меток.Это не источник постоянного напряжения и не источник постоянного тока, а зарядка и разрядка накопительного конденсатора.Когда встроенный в кристалл накопительный конденсатор заряжается выше рабочего напряжения V0 схемы чипа, он может подавать питание на метку.Когда конденсатор хранения энергии начинает подавать питание, напряжение его питания начинает падать.Когда оно падает ниже рабочего напряжения микросхемы V0, конденсатор хранения энергии теряет возможность подачи питания, и микросхема не может продолжать работать.Следовательно, метка радиоинтерфейса должна иметь достаточную емкость для подзарядки метки.

Видно, что режим питания пассивных меток соответствует характеристикам пакетной связи, а питание пассивных меток также требует поддержки непрерывной зарядки.

3 Баланс спроса и предложения

Плавающий источник питания для зарядки — это еще один метод питания, и емкость источника питания с плавающей зарядкой адаптируется к емкости разряда.Но у всех них есть общая проблема: питание пассивных меток UHF RFID должно балансировать спрос и предложение.

(1) Режим питания с балансом спроса и предложения для пакетной передачи данных

Действующий стандарт ISO/IEC18000-6 пассивных меток UHF RFID относится к системе пакетной связи.Для пассивных меток в течение периода приема сигнал не передается.Хотя в период отклика принимается несущая волна, это эквивалентно обнаружению источника колебаний, поэтому его можно рассматривать как симплексную работу.Способ.Для этого приложения, если период приема используется в качестве периода зарядки конденсатора для хранения энергии, а период отклика является периодом разрядки конденсатора для хранения энергии, равное количество заряда и разряда для поддержания баланса спроса и предложения становится равным необходимое условие для поддержания нормальной работы системы.Из механизма электропитания вышеупомянутой пассивной метки UHF RFID можно понять, что источник питания пассивной метки UHF RFID не является ни источником постоянного тока, ни источником постоянного напряжения.Когда конденсатор хранения энергии метки заряжается до напряжения, превышающего нормальное рабочее напряжение цепи, включается источник питания;когда конденсатор хранения энергии метки разряжается до напряжения ниже нормального рабочего напряжения схемы, подача питания прекращается.

Для пакетной связи, например, с помощью радиоинтерфейса пассивной метки UHF RFID, заряд может быть заряжен до того, как метка отправит ответный пакет, что достаточно для обеспечения поддержания достаточного напряжения до завершения ответа.Следовательно, помимо достаточно сильного радиочастотного излучения, которое может принимать метка, чип также должен иметь достаточно большую внутрикристальную емкость и достаточно длительное время зарядки.Потребляемая мощность и время отклика тега также должны быть адаптированы.Из-за расстояния между меткой и считывателем время отклика различно, площадь конденсатора хранения энергии ограничена и других факторов, может быть сложно сбалансировать спрос и предложение во времени.

(2) Плавающий режим питания для непрерывной связи

Для непрерывной связи, чтобы поддерживать бесперебойное питание накопительного конденсатора, его необходимо разряжать и заряжать одновременно, а скорость зарядки аналогична скорости разрядки, то есть емкость источника питания сохраняется до общение прекращается.

Радиочастотная идентификация с кодовым разделением пассивных меток и пассивная метка UHF RFID в соответствии с действующим стандартом ISO / IEC18000-6 имеют общие характеристики.Состояние приема тега необходимо демодулировать и декодировать, а состояние ответа необходимо модулировать и отправлять.Следовательно, он должен быть спроектирован с учетом непрерывного общения.Система питания чипа метки.Чтобы скорость зарядки была аналогична скорости разряда, большая часть энергии, получаемой меткой, должна использоваться для зарядки.

Общие ресурсы РФ

1. Радиочастотный интерфейс для пассивных меток

Пассивные метки не только используются в качестве источника питания меток и открыток для радиочастотной энергии от считывателей, но, что более важно, передача командного сигнала от считывателя к метке и передача ответного сигнала от метки к считывателю. реализовано посредством беспроводной передачи данных.Радиочастотная энергия, полученная меткой, должна быть разделена на три части, которые соответственно используются микросхемой для установления питания, демодуляции сигнала (включая командный сигнал и тактовый сигнал синхронизации) и обеспечения несущей ответа.

Рабочий режим текущего стандарта UHF RFID имеет следующие характеристики: канал нисходящей линии связи принимает режим широковещания, а канал восходящей линии связи принимает режим совместного использования нескольких тегов одноканального последовательного ответа.Поэтому с точки зрения передачи информации он относится к симплексному режиму работы.Однако, поскольку метка сама по себе не может предоставить несущую передачи, ответ метки должен предоставить несущую с помощью считывателя.Таким образом, когда тег отвечает, что касается состояния отправки, оба конца связи находятся в дуплексном рабочем состоянии.

В разных рабочих состояниях блоки схемы, вводимые в работу меткой, различны, и мощность, необходимая для работы разных блоков схемы, также различна.Вся мощность исходит от радиочастотной энергии, получаемой меткой.Следовательно, необходимо разумно и при необходимости контролировать распределение радиочастотной энергии.

2. Применение радиочастотной энергии в разное рабочее время.

Когда метка входит в радиочастотное поле считывателя и начинает накапливать мощность, независимо от того, какой сигнал считыватель посылает в это время, метка подает всю полученную радиочастотную энергию в схему выпрямителя удвоения напряжения для зарядки встроенного в кристалл конденсатора хранения энергии. , тем самым устанавливая источник питания чипа.

Когда считывающее устройство передает командный сигнал, сигнал передачи считывающего устройства представляет собой сигнал, закодированный командными данными, а амплитуда модулирована последовательностью расширенного спектра.В сигнале, полученном меткой, имеются компоненты несущей и компоненты боковой полосы, представляющие данные команды и последовательности расширенного спектра.Полная энергия, энергия несущей и компоненты боковой полосы принятого сигнала связаны с модуляцией.В это время компонент модуляции используется для передачи информации синхронизации команды и последовательности расширенного спектра, а общая энергия используется для зарядки встроенного конденсатора хранения энергии, который одновременно начинает подавать питание на встроенный кристалл. схему извлечения синхронизации и блок схемы демодуляции командного сигнала.Таким образом, в течение периода, когда считыватель отправляет инструкцию, радиочастотная энергия, полученная меткой, используется для того, чтобы метка продолжала заряжаться, извлекать сигнал синхронизации, демодулировать и идентифицировать сигнал инструкции.Конденсатор для хранения энергии метки находится в состоянии источника питания с плавающим зарядом.

Когда метка отвечает считывателю, передаваемый сигнал считывателя представляет собой сигнал, который модулируется амплитудой тактового сигнала субчастотной тактовой частоты чипа с расширенным спектром.В сигнале, полученном меткой, имеются компоненты несущей и компоненты боковой полосы, представляющие тактовый сигнал подскорости чипов с расширенным спектром.В это время компонент модуляции используется для передачи информации о скорости чипа и тактовой частоте последовательности расширенного спектра, а общая энергия используется для зарядки встроенного конденсатора хранения энергии, модуляции полученных данных и отправки ответа на читатель.Схема извлечения синхронизации микросхемы и блок схемы модуляции ответного сигнала подают питание.Таким образом, в течение периода, когда считыватель получает ответ, метка получает радиочастотную энергию и используется меткой для продолжения зарядки, извлекается сигнал синхронизации чипа, данные ответа модулируются и ответ отправляется.Конденсатор для хранения энергии метки находится в состоянии источника питания с плавающим зарядом.

Короче говоря, в дополнение к тому, что метка входит в радиочастотное поле считывателя и начинает устанавливать период подачи питания, метка будет подавать всю полученную радиочастотную энергию в схему выпрямителя с удвоением напряжения для зарядки встроенного в кристалл накопительного конденсатора, тем самым устанавливая блок питания чипа.Впоследствии метка извлекает синхронизацию из принятого радиочастотного сигнала, реализует демодуляцию команды или модулирует и передает данные ответа, причем все эти действия используют полученную радиочастотную энергию.

3. Требования к радиочастотной энергии для различных приложений

(1) Требования к радиочастотной энергии для беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии обеспечивает питание метки, поэтому для управления микросхемой требуется как достаточное напряжение, так и достаточная мощность и возможность непрерывного питания.

Источник питания беспроводной передачи энергии заключается в установке источника питания путем получения энергии радиочастотного поля считывателя и выпрямления удвоения напряжения, когда метка не имеет источника питания.Следовательно, его чувствительность приема ограничена падением напряжения на входной детекторной диодной трубке.Для CMOS-чипов чувствительность приема выпрямления удвоения напряжения составляет от -11 до -0,7 дБм, это является узким местом пассивных меток.

(2) Требования к радиочастотной энергии для обнаружения принятого сигнала

В то время как выпрямление удвоения напряжения обеспечивает питание чипа, метке необходимо разделить часть полученной радиочастотной энергии, чтобы обеспечить схему обнаружения сигнала, включая обнаружение командного сигнала и обнаружение синхронных часов.Поскольку обнаружение сигнала выполняется при условии, что питание метки установлено, чувствительность демодуляции не ограничивается падением напряжения на входной детекторной диодной трубке, поэтому чувствительность приема намного выше, чем мощность беспроводной связи. чувствительность приема передачи, она относится к обнаружению амплитуды сигнала, и нет никаких требований к мощности.

(3) Требования к радиочастотной энергии для ответа метки

Когда тег отвечает на отправку, помимо обнаружения синхронных часов ему также необходимо выполнить псевдо-PSK-модуляцию на принятой несущей (содержащей огибающую тактовой модуляции) и реализовать обратную передачу.В это время требуется определенный уровень мощности, и его значение зависит от расстояния считывателя до метки и чувствительности считывателя к приему.Поскольку рабочая среда считывателя позволяет использовать более сложные конструкции, приемник может реализовать малошумящую входную схему, а радиочастотная идентификация с кодовым разделением использует модуляцию с расширенным спектром, а также усиление с расширенным спектром и усиление системы PSK. чувствительность считывателя может быть достаточно высокой.Так что требования к обратному сигналу метки достаточно снижены.

Подводя итог, можно сказать, что радиочастотная мощность, полученная меткой, в основном распределяется как энергия выпрямления удвоителя напряжения беспроводной передачи энергии, а затем выделяется соответствующее количество уровня обнаружения сигнала метки и соответствующее количество энергии обратной модуляции для достижения разумной энергии. распределение и обеспечить непрерывную зарядку накопительного конденсатора энергии.это возможный и разумный дизайн.

Видно, что радиочастотная энергия, принимаемая пассивными метками, имеет различные прикладные требования, поэтому требуется конструкция распределения радиочастотной мощности;требования к применению радиочастотной энергии в разные периоды работы различны, поэтому необходимо иметь конструкцию распределения радиочастотной мощности в соответствии с потребностями разных периодов работы;Различные приложения имеют разные требования к радиочастотной энергии, среди которых беспроводная передача энергии требует наибольшей мощности, поэтому распределение радиочастотной мощности должно быть сосредоточено на потребностях беспроводной передачи энергии.

Пассивные метки UHF RFID используют беспроводную передачу энергии для обеспечения питания метки.Таким образом, эффективность источника питания чрезвычайно низка, а возможности источника питания очень слабы.Чип метки должен быть спроектирован с низким энергопотреблением.Схема микросхемы питается за счет зарядки и разрядки встроенного в микросхему накопителя энергии.Поэтому, чтобы обеспечить непрерывную работу этикетки, накопительный конденсатор энергии должен постоянно заряжаться.Радиочастотная энергия, принимаемая меткой, имеет три различных применения: удвоение напряжения для источника питания, прием и демодуляция командного сигнала, а также модуляция и передача ответного сигнала.Среди них чувствительность приема выпрямления с удвоением напряжения ограничена падением напряжения на выпрямительном диоде, который становится воздушным интерфейсом.горлышко бутылки.По этой причине прием и демодуляция сигнала, а также модуляция и передача ответного сигнала являются основными функциями, которые должна обеспечивать система RFID.Чем сильнее мощность источника питания выпрямителя с удвоителем напряжения, тем более конкурентоспособным является продукт.Поэтому критерием рационального распределения принимаемой ВЧ-энергии при проектировании меточной системы является максимально возможное увеличение подачи ВЧ-энергии путем выпрямления удвоителем напряжения исходя из обеспечения демодуляции принимаемого сигнала и передачи ответа. сигнал.