Lajme

Si pjesa më themelore e teknologjisë pasive të Internetit të Gjërave, etiketat pasive UHF RFID janë përdorur gjerësisht në një numër të madh aplikacionesh si shitja me pakicë e supermarketeve, logjistika dhe magazinimi, arkivat e librave, gjurmueshmëria kundër falsifikimit, etj. Vetëm në vitin 2021, globale shuma e transportit është më shumë se 20 miliardë.Në aplikimet praktike, në çfarë saktësisht mbështetet çipi i etiketës pasive UHF RFID për të furnizuar energjinë?

Karakteristikat e furnizimit me energji të etiketës pasive UHF RFID

1. Mundësuar nga energjia pa tel

Transmetimi i energjisë pa tel është duke përdorur rrezatimin elektromagnetik me valë për të transferuar energjinë elektrike nga një vend në tjetrin.Procesi i punës është shndërrimi i energjisë elektrike në energji të radiofrekuencës përmes lëkundjes së radiofrekuencës, dhe energjia e radiofrekuencës shndërrohet në energji të fushës elektromagnetike radio përmes antenës transmetuese.Energjia e fushës elektromagnetike radio përhapet nëpër hapësirë ​​dhe arrin në antenën marrëse, pastaj kthehet në energji radiofrekuence nga antena marrëse dhe vala e zbulimit bëhet energji DC.

Në 1896, italiani Guglielmo Marchese Marconi shpiku radion, e cila realizonte transmetimin e sinjaleve të radios në hapësirë.Në 1899, amerikani Nikola Tesla propozoi idenë e përdorimit të transmetimit të energjisë pa tel dhe krijoi një antenë e cila është 60 m e lartë, me induktivitet të ngarkuar në fund, me kapacitet të ngarkuar në krye në Kolorado, duke përdorur një frekuencë prej 150 kHz për të dhënë 300 kW fuqi.Ai transmeton në një distancë deri në 42 km dhe merr 10 kW fuqi marrëse me valë në skajin marrës.

Furnizimi me energji me etiketë pasive RFID UHF ndjek këtë ide, dhe lexuesi furnizon me energji etiketën përmes frekuencës radio.Sidoqoftë, ekziston një ndryshim i madh midis furnizimit me energji elektrike me etiketë pasive UHF RFID dhe testit Tesla: frekuenca është gati dhjetë mijë herë më e lartë dhe madhësia e antenës zvogëlohet me një mijë herë.Meqenëse humbja e transmetimit me valë është proporcionale me katrorin e frekuencës dhe proporcionale me katrorin e distancës, është e qartë se rritja e humbjes së transmetimit është e madhe.Mënyra më e thjeshtë e përhapjes me valë është përhapja në hapësirë ​​të lirë.Humbja e përhapjes është në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e gjatësisë së valës së përhapjes dhe proporcionale me katrorin e distancës.Humbja e përhapjes së hapësirës së lirë është LS=20lg(4πd/λ).Nëse njësia e distancës d është m dhe njësia e frekuencës f është MHz, atëherë LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Sistemi UHF RFID bazohet në mekanizmin e transmetimit të energjisë pa tel.Etiketa pasive nuk ka furnizimin e vet me energji elektrike.Duhet të marrë energjinë e radiofrekuencës të emetuar nga lexuesi dhe të krijojë një furnizim me energji DC përmes korrigjimit të dyfishimit të tensionit, që do të thotë të vendosë një furnizim me energji DC përmes pompës së ngarkimit Dickson.

Distanca e aplikueshme e komunikimit e ndërfaqes ajrore UHF RFID përcaktohet kryesisht nga fuqia e transmetimit të lexuesit dhe humbja bazë e përhapjes në hapësirë.Fuqia transmetuese e lexuesit RFID të brezit UHF zakonisht është e kufizuar në 33 dBm.Nga formula bazë e humbjes së përhapjes, duke injoruar çdo humbje tjetër të mundshme, mund të llogaritet fuqia RF që arrin etiketën përmes transmetimit të energjisë pa tel.Marrëdhënia midis distancës së komunikimit të ndërfaqes ajrore UHF RFID dhe humbjes bazë të përhapjes dhe fuqisë RF që arrin etiketën janë paraqitur në tabelë:

Nga tabela mund të shihet se transmetimi i energjisë pa tel UHF RFID ka karakteristikat e humbjeve të mëdha të transmetimit.Meqenëse RFID përputhet me rregullat kombëtare të komunikimit në distanca të shkurtra, fuqia e transmetimit të lexuesit është e kufizuar, kështu që etiketa mund të ofrojë fuqi të ulët.Ndërsa distanca e komunikimit rritet, energjia e radiofrekuencës së marrë nga etiketa pasive zvogëlohet sipas frekuencës dhe kapaciteti i furnizimit me energji zvogëlohet me shpejtësi.

2. Zbatoni furnizimin me energji elektrike duke ngarkuar dhe shkarkuar kondensatorët e ruajtjes së energjisë në çip

(1) Karakteristikat e ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit

Etiketat pasive përdorin transmetimin e energjisë pa tel për të marrë energji, për ta kthyer atë në tension DC, për të ngarkuar dhe ruajtur kondensatorët në çip dhe më pas për të furnizuar me energji ngarkesën përmes shkarkimit.Prandaj, procesi i furnizimit me energji elektrike të etiketave pasive është procesi i ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit.Procesi i krijimit është një proces i pastër karikimi, dhe procesi i furnizimit me energji është një proces shkarkimi dhe tarifimi shtesë.Ngarkimi shtesë duhet të fillojë përpara se tensioni i shkarkimit të arrijë tensionin minimal të furnizimit të çipit.

(2) Parametrat e ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit

1) Parametrat e tarifimit

Koha e karikimit: τC=RC×C

Tensioni i karikimit:

Rryma e rimbushjes:

ku RC është rezistenca e karikimit dhe C është kondensatori i ruajtjes së energjisë.

2) Parametrat e shkarkimit

Gjatësia e kohës së shkarkimit: τD=RD×C

Tensioni i shkarkimit:

Rryma e shkarkimit:

Në formulë, RD është rezistenca e shkarkimit, dhe C është kondensatori i ruajtjes së energjisë.

Më sipër tregon karakteristikat e furnizimit me energji elektrike të etiketave pasive.Nuk është as një burim tensioni konstant dhe as një burim rrymë konstante, por ngarkimi dhe shkarkimi i kondensatorit të ruajtjes së energjisë.Kur kondensatori i ruajtjes së energjisë në çip ngarkohet mbi tensionin e punës V0 të qarkut të çipit, ai mund të furnizojë me energji etiketën.Kur kondensatori i ruajtjes së energjisë fillon të furnizojë energjinë, tensioni i tij i furnizimit me energji fillon të bjerë.Kur bie nën tensionin e funksionimit të çipit V0, kondensatori i ruajtjes së energjisë humbet aftësinë e tij të furnizimit me energji dhe çipi nuk mund të vazhdojë të funksionojë.Prandaj, etiketa e ndërfaqes së ajrit duhet të ketë kapacitet të mjaftueshëm për të rimbushur etiketën.

Mund të shihet se mënyra e furnizimit me energji të etiketave pasive është e përshtatshme për karakteristikat e komunikimit të shpërthimit, dhe furnizimi me energji i etiketave pasive gjithashtu ka nevojë për mbështetjen e karikimit të vazhdueshëm.

3 Bilanci i ofertës dhe kërkesës

Furnizimi me energji i ngarkimit lundrues është një tjetër metodë e furnizimit me energji elektrike, dhe kapaciteti i furnizimit me energji të ngarkimit lundrues është përshtatur me kapacitetin e shkarkimit.Por të gjithë kanë një problem të përbashkët, domethënë furnizimi me energji i etiketave pasive UHF RFID duhet të balancojë ofertën dhe kërkesën.

(1) Modaliteti i furnizimit me energji të balancës së ofertës dhe kërkesës për komunikim me shpërthim

Standardi aktual ISO/IEC18000-6 i etiketave pasive UHF RFID i përket sistemit të komunikimit të shpërthimit.Për etiketat pasive, asnjë sinjal nuk transmetohet gjatë periudhës së marrjes.Megjithëse periudha e përgjigjes merr valën bartëse, ajo është e barabartë me marrjen e burimit të lëkundjes, kështu që mund të konsiderohet si punë e thjeshtë.Mënyra.Për këtë aplikacion, nëse periudha e marrjes përdoret si periudha e karikimit të kondensatorit të ruajtjes së energjisë, dhe periudha e përgjigjes është periudha e shkarkimit të kondensatorit të ruajtjes së energjisë, sasia e barabartë e ngarkesës dhe shkarkimit për të ruajtur ekuilibrin e ofertës dhe kërkesës bëhet një kusht i domosdoshëm për të ruajtur funksionimin normal të sistemit.Nga mekanizmi i furnizimit me energji të etiketës pasive të lartpërmendur UHF RFID mund të dihet se furnizimi me energji i etiketës pasive UHF RFID nuk është as një burim rrymë konstante dhe as një burim tensioni konstant.Kur kondensatori i ruajtjes së energjisë së etiketës ngarkohet në një tension më të lartë se tensioni normal i punës i qarkut, furnizimi me energji fillon;kur kondensatori i ruajtjes së energjisë së etiketës shkarkohet në një tension më të ulët se tensioni normal i funksionimit të qarkut, furnizimi me energji ndalet.

Për komunikimin me shpërthim, të tillë si ndërfaqja e ajrit me etiketë pasive UHF RFID, ngarkimi mund të ngarkohet përpara se etiketa të dërgojë një shpërthim përgjigjeje, mjaftueshëm për të siguruar që tensioni i mjaftueshëm mund të ruhet derisa përgjigja të përfundojë.Prandaj, përveç rrezatimit mjaft të fortë të frekuencës radio që mund të marrë etiketa, çipi duhet gjithashtu të ketë një kapacitet mjaft të madh në çip dhe një kohë mjaft të gjatë karikimi.Konsumi i energjisë së përgjigjes së etiketës dhe koha e përgjigjes duhet gjithashtu të përshtaten.Për shkak të distancës midis etiketës dhe lexuesit, koha e përgjigjes është e ndryshme, zona e kondensatorit të ruajtjes së energjisë është e kufizuar dhe faktorë të tjerë, mund të jetë e vështirë të balancohet oferta dhe kërkesa në ndarjen e kohës.

(2) Mënyra e furnizimit me energji lundruese për komunikim të vazhdueshëm

Për komunikim të vazhdueshëm, për të ruajtur furnizimin e pandërprerë me energji të kondensatorit të ruajtjes së energjisë, ai duhet të shkarkohet dhe ngarkohet në të njëjtën kohë, dhe shpejtësia e karikimit është e ngjashme me shpejtësinë e shkarkimit, domethënë, kapaciteti i furnizimit me energji ruhet para komunikimi ndërpritet.

Identifikimi i frekuencës radio të ndarjes së kodit pasiv të etiketës dhe standardi aktual ISO/IEC18000-6 i etiketës pasive UHF RFID kanë karakteristika të përbashkëta.Gjendja marrëse e etiketës duhet të demodulohet dhe dekodohet, dhe gjendja e përgjigjes duhet të modulohet dhe dërgohet.Prandaj, duhet të projektohet sipas komunikimit të vazhdueshëm.Sistemi i furnizimit me energji të çipit të etiketimit.Në mënyrë që shkalla e karikimit të jetë e ngjashme me shkallën e shkarkimit, pjesa më e madhe e energjisë së marrë nga etiketa duhet të përdoret për karikim.

Burimet e përbashkëta RF

1. Pjesa e përparme RF për etiketat pasive

Etiketat pasive nuk përdoren vetëm si burim energjie të etiketave dhe kartolinave për energjinë e radiofrekuencës nga lexuesit, por më e rëndësishmja, transmetimi i sinjalit të udhëzimeve nga lexuesi në etiketë dhe transmetimi i sinjalit të përgjigjes nga etiketa te lexuesi janë realizohet nëpërmjet transmetimit të të dhënave pa tel.Energjia e radiofrekuencës së marrë nga etiketa duhet të ndahet në tre pjesë, të cilat përdoren përkatësisht për çipin për të vendosur furnizimin me energji elektrike, për të demoduluar sinjalin (duke përfshirë sinjalin e komandës dhe orën e sinkronizimit) dhe për të siguruar bartësin e përgjigjes.

Mënyra e punës e standardit aktual UHF RFID ka karakteristikat e mëposhtme: kanali i lidhjes së poshtme miraton modalitetin e transmetimit dhe kanali i lidhjes së sipërme miraton mënyrën e përgjigjes së sekuencës me një kanal të ndarjes me shumë etiketa.Prandaj, për sa i përket transmetimit të informacionit, ai i përket mënyrës së funksionimit simplex.Megjithatë, meqenëse vetë etiketa nuk mund të sigurojë bartësin e transmetimit, përgjigja e etiketës duhet t'i sigurojë transportuesit ndihmën e lexuesit.Prandaj, kur etiketa përgjigjet, për sa i përket gjendjes dërguese, të dy skajet e komunikimit janë në një gjendje pune të dyfishtë.

Në gjendje të ndryshme pune, njësitë e qarkut të vendosura në punë nga etiketa janë të ndryshme, dhe fuqia e nevojshme për funksionimin e njësive të ndryshme të qarkut është gjithashtu e ndryshme.E gjithë fuqia vjen nga energjia e radiofrekuencës së marrë nga etiketa.Prandaj, është e nevojshme të kontrollohet shpërndarja e energjisë RF në mënyrë të arsyeshme dhe kur është e përshtatshme.

2. Aplikimi i energjisë RF në orë të ndryshme pune

Kur etiketa hyn në fushën RF të lexuesit dhe fillon të krijojë energji, pavarësisht se çfarë sinjali dërgon lexuesi në këtë kohë, etiketa do të furnizojë të gjithë energjinë RF të marrë në qarkun ndreqës të dyfishimit të tensionit për të ngarkuar kondensatorin e ruajtjes së energjisë në çip. , duke krijuar kështu furnizimin me energji të çipit.

Kur lexuesi transmeton sinjalin e komandës, sinjali i transmetimit të lexuesit është një sinjal i koduar nga të dhënat e komandës dhe amplituda e moduluar nga sekuenca e spektrit të përhapur.Ekzistojnë komponentë bartës dhe komponentë të brezit anësor që përfaqësojnë të dhënat e komandës dhe sekuencat e spektrit të përhapur në sinjalin e marrë nga etiketa.Energjia totale, energjia bartëse dhe komponentët e brezit anësor të sinjalit të marrë janë të lidhura me modulimin.Në këtë kohë, komponenti i modulimit përdoret për të transmetuar informacionin e sinkronizimit të komandës dhe sekuencës së spektrit të përhapur, dhe energjia totale përdoret për të ngarkuar kondensatorin e ruajtjes së energjisë në çip, i cili njëkohësisht fillon të furnizojë energjinë në çip. qarku i nxjerrjes së sinkronizimit dhe njësia e qarkut të demodulimit të sinjalit të komandës.Prandaj, gjatë periudhës kur lexuesi dërgon një udhëzim, energjia e radiofrekuencës së marrë nga etiketa përdoret që etiketa të vazhdojë të ngarkohet, të nxjerrë sinjalin e sinkronizimit, të demodulojë dhe identifikojë sinjalin e udhëzimit.Kondensatori i ruajtjes së energjisë së etiketës është në gjendje të furnizimit me energji me ngarkesë lundruese.

Kur etiketa i përgjigjet lexuesit, sinjali i transmetuar i lexuesit është një sinjal që modulohet nga amplituda e orës së nën-normës së çipit të spektrit të përhapjes së spektrit të përhapjes.Në sinjalin e marrë nga etiketa, ka komponentë bartës dhe komponentë të brezit anësor që përfaqësojnë orën e nën-normës së shpejtësisë së çipit të spektrit të përhapur.Në këtë kohë, komponenti i modulimit përdoret për të transmetuar informacionin e shpejtësisë së çipit dhe shpejtësisë së orës së sekuencës së spektrit të përhapur, dhe energjia totale përdoret për të ngarkuar kondensatorin e ruajtjes së energjisë në çip dhe për të moduluar të dhënat e marra dhe për të dërguar një përgjigje në lexues.Qarku i nxjerrjes së sinkronizimit të çipit dhe njësia e qarkut të modulimit të sinjalit të përgjigjes furnizojnë energji.Prandaj, gjatë periudhës kur lexuesi merr përgjigjen, etiketa merr energjinë e frekuencës së radios dhe përdoret që etiketa të vazhdojë të ngarkohet, sinjali i sinkronizimit të çipit nxirret dhe të dhënat e përgjigjes modulohen dhe përgjigja dërgohet.Kondensatori i ruajtjes së energjisë së etiketës është në gjendje të furnizimit me energji me ngarkesë lundruese.

Shkurtimisht, përveç etiketës që hyn në fushën RF të lexuesit dhe fillon të vendosë një periudhë të furnizimit me energji, etiketa do të furnizojë të gjithë energjinë RF të marrë në një qark ndreqës të dyfishimit të tensionit për të ngarkuar kondensatorin e ruajtjes së energjisë në çip, duke vendosur kështu një furnizim me energji çipi.Më pas, etiketa nxjerr sinkronizimin nga sinjali i marrë i frekuencës së radios, zbaton demodulimin e komandës ose modulon dhe transmeton të dhënat e përgjigjes, të cilat të gjitha përdorin energjinë e marrë të frekuencës së radios.

3. Kërkesat për energji RF për aplikime të ndryshme

(1) Kërkesat e energjisë RF për transmetimin e energjisë pa tel

Transferimi i energjisë pa tel krijon furnizimin me energji elektrike për etiketën, kështu që kërkon tension të mjaftueshëm për të drejtuar qarkun e çipit, dhe fuqi të mjaftueshme dhe aftësi të vazhdueshme të furnizimit me energji.

Furnizimi me energji elektrike i transmetimit të energjisë pa tel është të vendosë furnizimin me energji duke marrë energjinë e fushës RF të lexuesit dhe korrigjimin e dyfishimit të tensionit kur etiketa nuk ka furnizim me energji elektrike.Prandaj, ndjeshmëria e tij e marrjes kufizohet nga rënia e tensionit të tubit të diodës së zbulimit të pjesës së përparme.Për çipat CMOS, ndjeshmëria marrëse e korrigjimit të dyfishimit të tensionit është ndërmjet -11 dhe -0.7dBm, është pengesa e etiketave pasive.

(2) Kërkesat për energji RF për zbulimin e sinjalit të marrë

Ndërsa korrigjimi i dyfishimit të tensionit vendos furnizimin me energji të çipit, etiketa duhet të ndajë një pjesë të energjisë së marrë të frekuencës së radios për të siguruar një qark të zbulimit të sinjalit, duke përfshirë zbulimin e sinjalit të komandës dhe zbulimin sinkron të orës.Për shkak se zbulimi i sinjalit kryhet me kusht që të jetë vendosur furnizimi me energji elektrike i etiketës, ndjeshmëria e demodulimit nuk kufizohet nga rënia e tensionit të tubit të diodës së zbulimit të pjesës së përparme, kështu që ndjeshmëria marrëse është shumë më e lartë se fuqia me valë Ndjeshmëria e marrjes së transmetimit, dhe i përket zbulimit të amplitudës së sinjalit, dhe nuk ka kërkesë për fuqinë e energjisë.

(3) Kërkesat për energji RF për përgjigjen e etiketës

Kur etiketa i përgjigjet dërgimit, përveç zbulimit të orës sinkrone, ai gjithashtu duhet të kryejë modulim pseudo-PSK në transportuesin e marrë (që përmban zarfin e modulimit të orës) dhe të realizojë transmetimin e kundërt.Në këtë kohë, kërkohet një nivel i caktuar fuqie dhe vlera e tij varet nga distanca e lexuesit nga etiketa dhe ndjeshmëria e lexuesit për të marrë.Meqenëse mjedisi i punës i lexuesit lejon përdorimin e modeleve më komplekse, marrësi mund të zbatojë një dizajn të pjesës së përparme me zhurmë të ulët, dhe identifikimi i frekuencave radio të ndarjes së kodit përdor modulimin e spektrit të përhapur, si dhe fitimin e spektrit të përhapur dhe përfitimin e sistemit PSK , ndjeshmëria e lexuesit mund të projektohet të jetë mjaft e lartë.Kështu që kërkesat për sinjalin e kthimit të etiketës janë reduktuar mjaftueshëm.

Për ta përmbledhur, fuqia e radiofrekuencës së marrë nga etiketa ndahet kryesisht si energjia e korrigjimit të dyfishuesit të tensionit të transmetimit pa tel, dhe më pas sasia e duhur e nivelit të zbulimit të sinjalit të etiketës dhe sasia e duhur e energjisë së modulimit të kthimit ndahen për të arritur një energji të arsyeshme. shpërndarjen dhe sigurimin e ngarkimit të vazhdueshëm të kondensatorit të ruajtjes së energjisë.është një dizajn i mundshëm dhe i arsyeshëm.

Mund të shihet se energjia e radiofrekuencës së marrë nga etiketat pasive ka kërkesa të ndryshme aplikimi, kështu që kërkohet një dizajn i shpërndarjes së energjisë së radiofrekuencës;kërkesat e aplikimit të energjisë së radiofrekuencave në periudha të ndryshme pune janë të ndryshme, prandaj është e nevojshme të kemi një dizajn të shpërndarjes së energjisë së radiofrekuencës sipas nevojave të periudhave të ndryshme të punës;Aplikacione të ndryshme kanë kërkesa të ndryshme për energjinë RF, ndër të cilat transmetimi i energjisë pa tel kërkon fuqinë më të madhe, kështu që shpërndarja e energjisë RF duhet të fokusohet në nevojat e transmetimit të energjisë pa tel.

Etiketat pasive UHF RFID përdorin transmetimin e energjisë pa tel për të krijuar një furnizim me energji etiketë.Prandaj, efikasiteti i furnizimit me energji elektrike është jashtëzakonisht i ulët dhe aftësia e furnizimit me energji është shumë e dobët.Çipi i etiketës duhet të projektohet me konsum të ulët të energjisë.Qarku i çipit mundësohet duke ngarkuar dhe shkarkuar kondensatorin e ruajtjes së energjisë në çip.Prandaj, për të siguruar funksionimin e vazhdueshëm të etiketës, kondensatori i ruajtjes së energjisë duhet të ngarkohet vazhdimisht.Energjia e radiofrekuencës e marrë nga etiketa ka tre aplikime të ndryshme: korrigjimi i dyfishimit të tensionit për furnizimin me energji elektrike, marrja dhe demodulimi i sinjalit të komandës dhe modulimi dhe transmetimi i sinjalit të përgjigjes.Midis tyre, ndjeshmëria e marrjes së korrigjimit të dyfishimit të tensionit kufizohet nga rënia e tensionit të diodës ndreqës, e cila bëhet një ndërfaqe ajri.ngushtica.Për këtë arsye, marrja dhe demodulimi i sinjalit dhe modulimi dhe transmetimi i sinjalit të përgjigjes janë funksionet bazë që duhet të sigurojë sistemi RFID.Sa më e fortë të jetë aftësia e furnizimit me energji të etiketës ndreqës të dyfishuesit të tensionit, aq më konkurrues është produkti.Prandaj, kriteri për shpërndarjen racionale të energjisë RF të marrë në projektimin e sistemit të etiketës është rritja e furnizimit me energji RF me korrigjimin e dyfishuesit të tensionit sa më shumë që të jetë e mundur me premisën e sigurimit të demodulimit të sinjalit të marrë dhe transmetimit të përgjigjes. sinjal.