Správy

Ako najzákladnejšia súčasť technológie pasívneho internetu vecí sa pasívne štítky UHF RFID široko používajú vo veľkom množstve aplikácií, ako je maloobchod v supermarketoch, logistika a skladovanie, archívy kníh, vysledovateľnosť proti falšovaniu atď. Až v roku 2021 prepravná suma je viac ako 20 miliárd.Na čo presne sa v praktických aplikáciách spolieha čip pasívnej značky UHF RFID pri napájaní?

Charakteristiky napájania pasívneho štítku UHF RFID

1. Napájané bezdrôtovým napájaním

Bezdrôtový prenos energie využíva bezdrôtové elektromagnetické žiarenie na prenos elektrickej energie z jedného miesta na druhé.Pracovným procesom je premena elektrickej energie na rádiofrekvenčnú energiu prostredníctvom rádiofrekvenčnej oscilácie a rádiofrekvenčná energia sa premieňa na energiu rádiového elektromagnetického poľa prostredníctvom vysielacej antény.Energia rádiového elektromagnetického poľa sa šíri priestorom a dosiahne prijímaciu anténu, potom sa prijímacou anténou premení späť na energiu rádiovej frekvencie a detekčná vlna sa stane jednosmernou energiou.

V roku 1896 Talian Guglielmo Marchese Marconi vynašiel rádio, ktoré realizovalo prenos rádiových signálov cez vesmír.V roku 1899 Američan Nikola Tesla navrhol myšlienku použitia bezdrôtového prenosu energie a vytvoril anténu, ktorá je 60 m vysoká, indukčnosť naložená v spodnej časti, kapacita naložená na vrchu v Colorade, s frekvenciou 150 kHz na vstup 300 kW energie.Vysiela na vzdialenosť až 42 km a na prijímacom konci získava 10 kW bezdrôtového prijímacieho výkonu.

Pasívne napájanie štítkov UHF RFID sleduje túto myšlienku a čítačka napája štítok prostredníctvom rádiovej frekvencie.Existuje však obrovský rozdiel medzi pasívnym napájaním štítkov UHF RFID a testom Tesla: frekvencia je takmer desaťtisíckrát vyššia a veľkosť antény sa tisíckrát zníži.Keďže strata bezdrôtového prenosu je úmerná druhej mocnine frekvencie a úmerná druhej mocnine vzdialenosti, je jasné, že nárast straty pri prenose je obrovský.Najjednoduchším režimom bezdrôtového šírenia je šírenie vo voľnom priestore.Strata šírenia je nepriamo úmerná druhej mocnine vlnovej dĺžky šírenia a úmerná druhej mocnine vzdialenosti.Strata šírenia vo voľnom priestore je LS=20lg(4πd/λ).Ak jednotka vzdialenosti d je m a jednotka frekvencie f je MHz, potom LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Systém UHF RFID je založený na mechanizme bezdrôtového prenosu energie.Pasívny tag nemá vlastné napájanie.Potrebuje prijímať rádiofrekvenčnú energiu vysielanú čítačkou a vytvoriť jednosmerné napájanie prostredníctvom usmerňovania zdvojnásobenia napätia, čo znamená vytvoriť jednosmerné napájanie cez nabíjaciu pumpu Dickson.

Použiteľná komunikačná vzdialenosť UHF RFID vzduchového rozhrania je určená hlavne vysielacím výkonom čítačky a základnou stratou šírenia v priestore.Vysielací výkon RFID čítačky v pásme UHF je zvyčajne obmedzený na 33 dBm.Zo základného vzorca straty pri šírení, ignorujúc akékoľvek iné možné straty, možno vypočítať výkon RF dosahujúci štítok prostredníctvom bezdrôtového prenosu energie.Vzťah medzi komunikačnou vzdialenosťou UHF RFID vzduchového rozhrania a základnou stratou šírenia a RF výkonom dosahujúcim štítok je uvedený v tabuľke:

Z tabuľky je zrejmé, že bezdrôtový prenos energie UHF RFID má vlastnosti veľkých prenosových strát.Keďže RFID vyhovuje národným pravidlám komunikácie na krátke vzdialenosti, prenosový výkon čítačky je obmedzený, takže štítok môže dodávať nízky výkon.So zvyšujúcou sa komunikačnou vzdialenosťou sa rádiofrekvenčná energia prijatá pasívnym štítkom znižuje podľa frekvencie a kapacita napájacieho zdroja rýchlo klesá.

2. Implementujte napájanie nabíjaním a vybíjaním kondenzátorov na ukladanie energie na čipe

(1) Charakteristiky nabíjania a vybíjania kondenzátora

Pasívne štítky využívajú bezdrôtový prenos energie na získavanie energie, jej premenu na jednosmerné napätie, nabíjanie a ukladanie kondenzátorov na čipe a potom dodávajú energiu do záťaže vybíjaním.Preto je procesom napájania pasívnych štítkov proces nabíjania a vybíjania kondenzátora.Proces založenia je čistý proces nabíjania a proces napájania je proces vybíjania a doplnkového nabíjania.Doplnkové nabíjanie musí začať skôr, ako vybíjacie napätie dosiahne minimálne napájacie napätie čipu.

(2) Parametre nabíjania a vybíjania kondenzátora

1) Parametre nabíjania

Dĺžka doby nabíjania: τC=RC×C

Nabíjacie napätie:

nabíjací prúd:

kde RC je nabíjací odpor a C je akumulačný kondenzátor energie.

2) Parametre vybíjania

Dĺžka doby vybíjania: τD=RD×C

Vybíjacie napätie:

Vybíjací prúd:

Vo vzorci je RD vybíjací odpor a C je akumulačný kondenzátor.

Vyššie uvedené ukazuje charakteristiky napájania pasívnych tagov.Nejde ani o zdroj konštantného napätia, ani o zdroj konštantného prúdu, ale o nabíjanie a vybíjanie akumulačného kondenzátora.Keď je kondenzátor na ukladanie energie na čipe nabitý nad pracovné napätie V0 obvodu čipu, môže napájať štítok.Keď akumulačný kondenzátor začne dodávať energiu, jeho napájacie napätie začne klesať.Keď klesne pod prevádzkové napätie čipu V0, kondenzátor akumulácie energie stratí schopnosť napájania a čip nemôže pokračovať v práci.Štítok so vzduchovým rozhraním by preto mal mať dostatočnú kapacitu na dobitie štítku.

Je vidieť, že režim napájania pasívnych tagov je vhodný pre charakteristiky burst komunikácie a napájanie pasívnych tagov tiež potrebuje podporu nepretržitého nabíjania.

3 Rovnováha ponuky a dopytu

Plávajúce nabíjacie napájanie je ďalšou metódou napájania a kapacita plávajúceho nabíjacieho zdroja je prispôsobená kapacite vybíjania.Všetky však majú spoločný problém, to znamená, že napájanie pasívnych štítkov UHF RFID musí vyvážiť ponuku a dopyt.

(1) Režim vyváženia napájania a spotreby pre nárazovú komunikáciu

Súčasný štandard ISO/IEC18000-6 pre UHF RFID pasívne tagy patrí do burst komunikačného systému.V prípade pasívnych značiek sa počas doby príjmu neprenáša žiadny signál.Hoci perióda odozvy prijíma nosnú vlnu, je ekvivalentná získaniu zdroja oscilácií, takže ju možno považovať za simplexnú prácu.spôsob.V prípade tejto aplikácie, ak sa doba príjmu používa ako doba nabíjania kondenzátora na ukladanie energie a perióda odozvy je doba vybíjania kondenzátora na ukladanie energie, rovnaké množstvo nabitia a vybitia na udržanie rovnováhy medzi ponukou a dopytom sa stane nevyhnutnou podmienkou na udržanie normálnej prevádzky systému.Z napájacieho mechanizmu vyššie uvedeného UHF RFID pasívneho tagu je známe, že napájanie UHF RFID pasívneho tagu nie je ani zdroj konštantného prúdu, ani zdroj konštantného napätia.Keď sa kondenzátor na ukladanie energie tagu nabije na napätie vyššie, ako je normálne pracovné napätie obvodu, napájanie sa spustí;keď sa kondenzátor na ukladanie energie štítka vybije na napätie nižšie, ako je normálne prevádzkové napätie obvodu, napájanie sa zastaví.

V prípade nárazovej komunikácie, ako je napríklad vzduchové rozhranie UHF RFID s pasívnym štítkom, sa môže náboj nabiť skôr, ako štítok odošle impulz odozvy, čo je dostatočné na to, aby sa zabezpečilo, že bude možné udržať dostatočné napätie, kým sa reakcia nedokončí.Okrem dostatočne silného rádiofrekvenčného žiarenia, ktoré štítok dokáže prijať, sa teda od čipu vyžaduje aj dostatočne veľká kapacita na čipe a dostatočne dlhý čas nabíjania.Musí sa prispôsobiť aj spotreba energie odozvy štítku a čas odozvy.Vzhľadom na vzdialenosť medzi štítkom a čítačkou je čas odozvy odlišný, oblasť kondenzátora na ukladanie energie je obmedzená a ďalšie faktory môžu byť ťažké vyvážiť ponuku a dopyt v časovom rozdelení.

(2) Režim plávajúceho napájania pre nepretržitú komunikáciu

Pre nepretržitú komunikáciu, aby sa zachovalo neprerušené napájanie kondenzátora na ukladanie energie, musí sa súčasne vybíjať a nabíjať a rýchlosť nabíjania je podobná rýchlosti vybíjania, to znamená, že kapacita zdroja je udržiavaná pred komunikácia je ukončená.

Rádiofrekvenčná identifikácia s pasívnym rozdelením kódu tagu a súčasný štandard pasívnych tagov UHF RFID ISO/IEC18000-6 majú spoločné charakteristiky.Stav príjmu tagu je potrebné demodulovať a dekódovať a stav odozvy je potrebné modulovať a odoslať.Preto by mal byť navrhnutý podľa nepretržitej komunikácie.Systém napájania čipu tagu.Aby bola rýchlosť nabíjania podobná rýchlosti vybíjania, väčšina energie prijatej štítkom sa musí použiť na nabíjanie.

Zdieľané zdroje RF

1. RF front-end pre pasívne tagy

Pasívne štítky sa nepoužívajú len ako zdroj energie štítkov a pohľadníc na rádiofrekvenčnú energiu z čítačiek, ale čo je dôležitejšie, prenos inštrukčného signálu z čítačky na štítok a prenos signálu odozvy z štítku do čítačky. realizované prostredníctvom bezdrôtového prenosu dát.Rádiofrekvenčná energia prijatá štítkom by sa mala rozdeliť na tri časti, ktoré sa jednotlivo používajú pre čip na vytvorenie napájania, demoduláciu signálu (vrátane príkazového signálu a synchronizačných hodín) a poskytnutie nosiča odozvy.

Pracovný režim súčasného štandardu UHF RFID má nasledujúce charakteristiky: zostupný kanál preberá vysielací režim a vzostupný kanál prijíma režim jednokanálovej sekvenčnej odozvy zdieľania viacerých značiek.Preto z hľadiska prenosu informácií patrí do simplexného režimu prevádzky.Keďže však štítok samotný nemôže poskytnúť prenosový nosič, odozva štítku musí poskytnúť nosič pomocou čítačky.Preto, keď tag odpovie, pokiaľ ide o stav odosielania, oba konce komunikácie sú v duplexnom pracovnom stave.

V rôznych pracovných stavoch sú obvodové jednotky uvedené do činnosti štítkom rôzne a výkon potrebný na fungovanie rôznych obvodových jednotiek je tiež odlišný.Všetka energia pochádza z rádiofrekvenčnej energie prijatej štítkom.Preto je potrebné primerane a vtedy, keď je to vhodné, kontrolovať distribúciu RF energie.

2. Aplikácia RF energie v rôznych pracovných hodinách

Keď štítok vstúpi do RF poľa čítačky a začne napájať, bez ohľadu na to, aký signál práve čítačka vyšle, štítok dodá všetku prijatú RF energiu do obvodu usmerňovača na zdvojenie napätia, aby sa nabil kondenzátor na ukladanie energie na čipe. , čím sa vytvorí napájanie čipu.

Keď čítačka vysiela príkazový signál, vysielací signál čítačky je signál kódovaný príkazovými dátami a amplitúdou modulovaný sekvenciou rozprestretého spektra.V signáli prijatom tagom sú nosné komponenty a komponenty postranného pásma reprezentujúce príkazové dáta a sekvencie rozprestretého spektra.Celková energia, nosná energia a zložky postranného pásma prijatého signálu súvisia s moduláciou.V tomto čase sa modulačný komponent používa na prenos synchronizačných informácií príkazu a sekvencie rozprestretého spektra a celková energia sa používa na nabíjanie kondenzátora na ukladanie energie na čipe, ktorý súčasne začína dodávať energiu do čipu. synchronizačný extrakčný obvod a jednotka obvodu demodulácie príkazového signálu.Preto počas periódy, keď čítačka posiela inštrukciu, sa rádiofrekvenčná energia prijatá tagom používa na to, aby tag pokračoval v nabíjaní, extrahoval synchronizačný signál, demoduloval a identifikoval inštrukčný signál.Kondenzátor na ukladanie energie štítku je v stave napájania s pohyblivým nabíjaním.

Keď štítok reaguje na čítačku, vysielaný signál čítačky je signál, ktorý je modulovaný amplitúdou čiastkových hodín čipu s rozprestretým spektrom.V signáli prijatom tagom sú nosné komponenty a komponenty postranného pásma reprezentujúce takt čiastkovej rýchlosti čipu s rozprestretým spektrom.V tomto čase sa modulačný komponent používa na prenos informácií o rýchlosti čipu a frekvencii hodín sekvencie rozprestretého spektra a celková energia sa používa na nabíjanie kondenzátora na ukladanie energie na čipe a moduláciu prijatých údajov a odoslanie odpovede do čitateľ.Napájanie dodáva obvod na extrakciu synchronizácie čipu a jednotka obvodu modulácie signálu odozvy.Preto počas periódy, keď čítačka prijíma odpoveď, štítok prijíma rádiofrekvenčnú energiu a používa sa na to, aby štítok pokračoval v nabíjaní, signál synchronizácie čipu sa extrahuje a údaje odpovede sa modulujú a odošle sa odpoveď.Kondenzátor na ukladanie energie štítku je v stave napájania s pohyblivým nabíjaním.

Stručne povedané, okrem toho, že štítok vstúpi do RF poľa čítačky a začne nastavovať periódu napájania, štítok dodá všetku prijatú RF energiu do usmerňovacieho obvodu zdvojujúceho napätie, aby sa nabil kondenzátor na ukladanie energie na čipe, čím sa vytvorí napájací zdroj čipu.Následne tag extrahuje synchronizáciu z prijatého rádiofrekvenčného signálu, implementuje príkazovú demoduláciu alebo moduluje a prenáša dáta odozvy, pričom všetky využívajú prijatú rádiofrekvenčnú energiu.

3. Požiadavky na vysokofrekvenčnú energiu pre rôzne aplikácie

(1) Požiadavky na vysokofrekvenčnú energiu pre bezdrôtový prenos energie

Bezdrôtový prenos energie vytvára napájanie štítku, takže vyžaduje dostatočné napätie na pohon obvodu čipu, ako aj dostatočný výkon a schopnosť nepretržitého napájania.

Napájanie bezdrôtového prenosu energie má zabezpečiť napájanie prijímaním energie RF poľa čítačky a usmernením zdvojnásobenia napätia, keď štítok nemá napájanie.Preto je jeho prijímacia citlivosť obmedzená úbytkom napätia prednej detekčnej diódovej trubice.Pre čipy CMOS je prijímacia citlivosť korekcie zdvojnásobenia napätia medzi -11 a -0,7 dBm, čo je prekážkou pasívnych tagov.

(2) Požiadavky na vysokofrekvenčnú energiu na detekciu prijatého signálu

Zatiaľ čo korekcia zdvojnásobenia napätia vytvára napájanie čipu, štítok potrebuje rozdeliť časť prijatej rádiofrekvenčnej energie na zabezpečenie obvodu detekcie signálu, vrátane detekcie príkazového signálu a detekcie synchrónnych hodín.Pretože detekcia signálu sa vykonáva za podmienky, že je zabezpečené napájanie štítku, citlivosť demodulácie nie je obmedzená poklesom napätia prednej detekčnej diódovej trubice, takže citlivosť príjmu je oveľa vyššia ako bezdrôtové napájanie. citlivosť príjmu vysielania a patrí k detekcii amplitúdy signálu a nie je potrebná žiadna sila výkonu.

(3) Požiadavky na vysokofrekvenčnú energiu pre odozvu štítku

Keď tag zareaguje na odoslanie, okrem detekcie synchrónnych hodín potrebuje tiež vykonať pseudo-PSK moduláciu na prijatom nosiči (obsahujúcom obálku modulácie hodín) a realizovať spätný prenos.V tomto čase je potrebná určitá úroveň výkonu a jej hodnota závisí od vzdialenosti čítačky od štítku a citlivosti čítačky na príjem.Keďže pracovné prostredie čítačky umožňuje použitie zložitejších návrhov, prijímač môže implementovať nízkošumový front-end dizajn a rádiofrekvenčná identifikácia s kódovým delením využíva moduláciu rozprestretého spektra, ako aj zisk rozprestretého spektra a zisk systému PSK. Citlivosť čítačky môže byť navrhnutá tak, aby bola dostatočne vysoká.Aby sa dostatočne znížili požiadavky na spätný signál štítku.

Aby sme to zhrnuli, rádiofrekvenčný výkon prijatý štítkom sa prideľuje hlavne ako usmerňovacia energia zdvojovača bezdrôtového prenosového napätia a potom sa pridelí príslušné množstvo úrovne detekcie signálu štítku a príslušné množstvo spätnej modulačnej energie na dosiahnutie primeranej energie. rozvody a zabezpečiť nepretržité nabíjanie akumulačného kondenzátora energie.je možný a rozumný dizajn.

Je zrejmé, že rádiofrekvenčná energia prijímaná pasívnymi štítkami má rôzne aplikačné požiadavky, takže je potrebný návrh distribúcie rádiofrekvenčnej energie;požiadavky na aplikáciu rádiofrekvenčnej energie v rôznych pracovných obdobiach sú rôzne, preto je potrebné mať návrh distribúcie rádiofrekvenčnej energie podľa potrieb rôznych pracovných období;Rôzne aplikácie majú rôzne požiadavky na RF energiu, spomedzi ktorých najviac energie vyžaduje bezdrôtový prenos energie, takže prideľovanie RF energie by sa malo zamerať na potreby bezdrôtového prenosu energie.

Pasívne štítky UHF RFID využívajú bezdrôtový prenos energie na vytvorenie napájania štítkov.Preto je účinnosť napájacieho zdroja extrémne nízka a kapacita napájacieho zdroja veľmi slabá.Štítkový čip musí byť navrhnutý s nízkou spotrebou energie.Čipový obvod je napájaný nabíjaním a vybíjaním kondenzátora na ukladanie energie na čipe.Preto, aby sa zabezpečila nepretržitá prevádzka štítku, musí byť akumulačný kondenzátor neustále nabíjaný.Rádiofrekvenčná energia prijatá štítkom má tri rôzne aplikácie: usmernenie zdvojnásobením napätia pre napájanie, príjem a demodulácia príkazového signálu a modulácia a prenos signálu odozvy.Medzi nimi je prijímacia citlivosť usmerňovania na zdvojnásobenie napätia obmedzená poklesom napätia usmerňovacej diódy, ktorá sa stáva vzduchovým rozhraním.úzke miesto.Z tohto dôvodu sú príjem a demodulácia signálu a modulácia a prenos signálu odozvy základnými funkciami, ktoré musí systém RFID zabezpečiť.Čím silnejšia je schopnosť napájania štítku usmerňovača zdvojovača napätia, tým je produkt konkurencieschopnejší.Kritériom racionálnej distribúcie prijatej RF energie pri návrhu systému štítkov je preto maximálne zvýšenie dodávky RF energie usmernením zdvojovača napätia za predpokladu zabezpečenia demodulácie prijímaného signálu a prenosu odozvy. signál.