Haberler

Pasif Nesnelerin İnterneti teknolojisinin en temel parçası olan UHF RFID pasif etiketleri, süpermarket perakende satış, lojistik ve depolama, kitap arşivleri, sahteciliğe karşı izlenebilirlik vb. gibi çok sayıda uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Yalnızca 2021 yılında küresel olarak kullanıma sunulacaktır. nakliye tutarı 20 milyarın üzerindedir.Pratik uygulamalarda, UHF RFID pasif etiketinin çipi güç sağlamak için tam olarak neye güveniyor?

UHF RFID pasif etiketinin güç kaynağı özellikleri

1. Kablosuz güçle çalışır

Kablosuz güç iletimi, elektrik enerjisini bir yerden başka bir yere aktarmak için kablosuz elektromanyetik radyasyondan faydalanmaktır.Çalışma süreci, radyo frekansı salınımı yoluyla elektrik enerjisini radyo frekansı enerjisine dönüştürmek ve radyo frekansı enerjisi, verici anten aracılığıyla radyo elektromanyetik alan enerjisine dönüştürülmektir.Radyo elektromanyetik alan enerjisi uzayda yayılır ve alıcı antene ulaşır, ardından alıcı anten tarafından tekrar radyo frekansı enerjisine dönüştürülür ve algılama dalgası DC enerjiye dönüşür.

1896 yılında İtalyan Guglielmo Marchese Marconi, radyo sinyallerinin uzaya iletilmesini sağlayan radyoyu icat etti.1899 yılında Amerikalı Nikola Tesla, kablosuz güç aktarımı kullanma fikrini öne sürdü ve Colorado'da 60 m yüksekliğinde, alt kısmında endüktans yüklü, üst kısmında kapasitans yüklü, 300kW güç girişi için 150kHz frekans kullanan bir anten kurdu.42 km'ye kadar mesafe boyunca iletim yapar ve alıcı tarafta 10kW kablosuz alım gücü elde eder.

UHF RFID pasif etiket güç kaynağı bu fikri takip eder ve okuyucu, radyo frekansı aracılığıyla etikete güç sağlar.Ancak UHF RFID pasif etiket güç kaynağı ile Tesla testi arasında çok büyük bir fark var: frekans neredeyse on bin kat daha yüksek ve anten boyutu bin kat küçülüyor.Kablosuz iletim kaybı frekansın karesiyle ve mesafenin karesiyle orantılı olduğundan iletim kaybındaki artışın çok büyük olduğu açıktır.En basit kablosuz yayılma modu boş alan yayılımıdır.Yayılma kaybı, yayılma dalga boyunun karesiyle ters orantılı ve mesafenin karesiyle orantılıdır.Boş uzay yayılma kaybı LS=20lg(4πd/λ)'dır.d mesafesinin birimi m ve frekansın birimi MHz ise LS= -27.56+20lgd+20lgf olur.

UHF RFID sistemi kablosuz güç aktarım mekanizmasına dayanmaktadır.Pasif etiketin kendi güç kaynağı yoktur.Okuyucu tarafından yayılan radyo frekansı enerjisini alması ve voltajı ikiye katlama düzeltmesi yoluyla bir DC güç kaynağı oluşturması gerekir; bu, Dickson şarj pompası aracılığıyla bir DC güç kaynağı kurulması anlamına gelir.

UHF RFID hava arayüzünün uygulanabilir iletişim mesafesi esas olarak okuyucunun iletim gücü ve uzaydaki temel yayılma kaybı ile belirlenir.UHF bantlı RFID okuyucunun iletim gücü genellikle 33dBm ile sınırlıdır.Temel yayılma kaybı formülünden, diğer olası kayıplar göz ardı edilerek, kablosuz güç iletimi yoluyla etikete ulaşan RF gücü hesaplanabilir.UHF RFID hava arayüzünün iletişim mesafesi ile temel yayılım kaybı ve etikete ulaşan RF gücü arasındaki ilişki tabloda gösterilmektedir:

Tablodan UHF RFID kablosuz güç iletiminin büyük iletim kaybı özelliklerine sahip olduğu görülmektedir.RFID ulusal kısa mesafe iletişim kurallarına uygun olduğundan okuyucunun iletim gücü sınırlıdır, dolayısıyla etiket düşük güç sağlayabilir.İletişim mesafesi arttıkça pasif etiketin aldığı radyo frekansı enerjisi frekansa göre azalır ve güç kaynağı kapasitesi hızla azalır.

2. Çip üzerindeki enerji depolama kapasitörlerini şarj edip boşaltarak güç kaynağını uygulayın

(1) Kapasitör şarj ve deşarj özellikleri

Pasif etiketler, enerji elde etmek, onu DC voltajına dönüştürmek, çip üzerindeki kapasitörleri şarj etmek ve depolamak ve ardından deşarj yoluyla yüke güç sağlamak için kablosuz güç iletimini kullanır.Bu nedenle pasif etiketlerin güç kaynağı işlemi, kapasitörün şarj edilmesi ve boşaltılması işlemidir.Kurulum işlemi saf bir şarj işlemidir ve güç kaynağı işlemi bir deşarj ve ek şarj işlemidir.Ek şarj, deşarj voltajı çipin minimum besleme voltajına ulaşmadan önce başlamalıdır.

(2) Kondansatör şarj ve deşarj parametreleri

1) Şarj parametreleri

Şarj süresi uzunluğu: τC=RC×C

Şarj voltajı:

şarj akımı:

burada RC şarj direnci ve C enerji depolama kapasitörüdür.

2) Deşarj parametreleri

Deşarj süresi uzunluğu: τD=RD×C

Deşarj gerilimi:

Deşarj akımı:

Formülde RD deşarj direncini, C ise enerji depolama kapasitörünü göstermektedir.

Yukarıdakiler pasif etiketlerin güç kaynağı özelliklerini göstermektedir.Ne sabit bir voltaj kaynağı ne de sabit bir akım kaynağıdır, ancak enerji depolama kapasitörünün şarj edilmesi ve boşaltılmasıdır.Çip üzerindeki enerji depolama kapasitörü, çip devresinin çalışma voltajı V0'ın üzerinde şarj edildiğinde, etikete güç sağlayabilir.Enerji depolama kapasitörü güç sağlamaya başladığında güç kaynağı voltajı düşmeye başlar.Çip çalışma voltajı V0'ın altına düştüğünde enerji depolama kapasitörü güç kaynağı özelliğini kaybeder ve çip çalışmaya devam edemez.Bu nedenle hava arayüzü etiketinin, etiketi yeniden şarj edebilecek yeterli kapasiteye sahip olması gerekir.

Pasif etiketlerin güç kaynağı modunun patlamalı iletişim özelliklerine uygun olduğu ve pasif etiketlerin güç kaynağının da sürekli şarj desteğine ihtiyaç duyduğu görülmektedir.

3 Arz ve talep dengesi

Yüzen şarj güç kaynağı başka bir güç kaynağı yöntemidir ve yüzen şarj güç kaynağı kapasitesi, boşaltma kapasitesine uyarlanır.Ancak hepsinin ortak bir sorunu var; UHF RFID pasif etiketlerin güç kaynağının arz ve talebi dengelemesi gerekiyor.

(1) Seri iletişim için arz ve talep dengesi güç kaynağı modu

UHF RFID pasif etiketlerinin mevcut standardı ISO/IEC18000-6, patlama iletişim sistemine aittir.Pasif etiketlerde alım süresi boyunca herhangi bir sinyal iletilmez.Tepki periyodu taşıyıcı dalgayı almasına rağmen salınım kaynağının elde edilmesine eşdeğer olduğundan simpleks iş olarak kabul edilebilir.Yol.Bu uygulama için alım periyodu enerji depolama kondansatörünün şarj periyodu olarak kullanılırsa ve cevap periyodu da enerji depolama kondansatörünün deşarj periyodu ise, arz-talep dengesini sağlamak için eşit miktarda şarj ve deşarj olur. sistemin normal çalışmasını sürdürmek için gerekli bir koşuldur.Yukarıda bahsedilen UHF RFID pasif etiketinin güç kaynağı mekanizmasından, UHF RFID pasif etiketinin güç kaynağının ne sabit bir akım kaynağı ne de sabit bir voltaj kaynağı olmadığı bilinebilmektedir.Etiket enerji depolama kapasitörü devrenin normal çalışma voltajından daha yüksek bir voltaja şarj edildiğinde güç kaynağı başlar;etiket enerji depolama kapasitörü devrenin normal çalışma voltajından daha düşük bir voltaja boşaltıldığında güç kaynağı durdurulur.

Pasif etiket UHF RFID hava arayüzü gibi patlama iletişimi için, şarj, etiket bir yanıt patlaması göndermeden önce şarj edilebilir; bu, yanıt tamamlanana kadar yeterli voltajın korunmasını sağlamaya yetecek kadardır.Bu nedenle, etiketin alabileceği yeterince güçlü radyo frekansı radyasyonuna ek olarak çipin, çip üzerinde yeterince büyük bir kapasitansa ve yeterince uzun bir şarj süresine sahip olması da gerekir.Etiket yanıtı güç tüketimi ve yanıt süresi de uyarlanmalıdır.Etiket ile okuyucu arasındaki mesafe, tepki süresinin farklı olması, enerji depolama kapasitörünün alanının sınırlı olması ve diğer faktörlerden dolayı zaman bölümünde arz ve talebi dengelemek zor olabilir.

(2) Sürekli iletişim için değişken güç kaynağı modu

Sürekli iletişim için, enerji depolama kapasitörünün kesintisiz güç kaynağını korumak için, aynı anda hem boşaltılması hem de şarj edilmesi gerekir ve şarj hızı, boşaltma hızına benzer, yani güç kaynağı kapasitesi daha önce korunur. iletişim sonlandırılır.

Pasif etiket kod bölmeli radyo frekansı tanımlama ve UHF RFID pasif etiket akım standardı ISO/IEC18000-6 ortak özelliklere sahiptir.Etiket alma durumunun demodüle edilmesi ve kodunun çözülmesi ve yanıt durumunun modüle edilmesi ve gönderilmesi gerekir.Bu nedenle sürekli iletişime göre tasarlanmalıdır.Etiket çipli güç kaynağı sistemi.Şarj hızının deşarj hızına benzer olması için etiketin aldığı enerjinin büyük bir kısmının şarj için kullanılması gerekir.

Paylaşılan RF kaynakları

1. Pasif etiketler için RF ön ucu

Pasif etiketler sadece etiketlerin ve kartpostalların okuyuculardan gelen radyo frekans enerjisine güç kaynağı olarak kullanılmaz, daha da önemlisi okuyucudan etikete talimat sinyali iletimi ve etiketten okuyucuya yanıt sinyali iletimi de sağlanır. kablosuz veri iletimi yoluyla gerçekleştirilir.Etiket tarafından alınan radyo frekansı enerjisi, sırasıyla çipin güç kaynağını kurması, sinyali demodüle etmesi (komut sinyali ve senkronizasyon saati dahil) ve yanıt taşıyıcısını sağlaması için kullanılan üç parçaya bölünmelidir.

Mevcut standart UHF RFID'nin çalışma modu aşağıdaki özelliklere sahiptir: aşağı bağlantı kanalı yayın modunu benimser ve yukarı bağlantı kanalı, çoklu etiket paylaşımlı tek kanallı sıra yanıtı modunu benimser.Bu nedenle bilgi aktarımı açısından simpleks çalışma moduna aittir.Ancak etiketin kendisi iletim taşıyıcısını sağlayamadığı için etiket yanıtının okuyucunun yardımıyla taşıyıcıyı sağlaması gerekir.Bu nedenle etiket yanıt verdiğinde, gönderme durumu söz konusu olduğunda iletişimin her iki ucu da çift yönlü çalışma durumundadır.

Farklı çalışma durumlarında etiketin devreye aldığı devre birimleri farklı olduğu gibi, farklı devre birimlerinin çalışması için gereken güç de farklıdır.Gücün tamamı etiketin aldığı radyo frekansı enerjisinden gelir.Bu nedenle RF enerji dağılımının makul ve uygun olduğunda kontrol edilmesi gerekmektedir.

2. Farklı çalışma saatlerinde RF enerjisi uygulaması

Etiket okuyucunun RF alanına girdiğinde ve güç üretmeye başladığında, okuyucu o anda hangi sinyali gönderirse göndersin, etiket, çip üzerindeki enerji depolama kapasitörünü şarj etmek için alınan tüm RF enerjisini voltajı ikiye katlayan doğrultucu devresine besleyecektir. Böylece çipin güç kaynağı kuruluyor.

Okuyucu komut sinyalini ilettiğinde, okuyucunun iletim sinyali, komut verileri tarafından kodlanan ve yaygın spektrum dizisi tarafından modüle edilen genlik olan bir sinyaldir.Etiketin aldığı sinyalde komut verilerini ve yayılı spektrum dizilerini temsil eden taşıyıcı bileşenler ve yan bant bileşenleri bulunmaktadır.Alınan sinyalin toplam enerjisi, taşıyıcı enerjisi ve yan bant bileşenleri modülasyonla ilgilidir.Şu anda, modülasyon bileşeni, komutun senkronizasyon bilgisini ve yaygın spektrum dizisini iletmek için kullanılır ve toplam enerji, aynı anda çip üzerine güç sağlamaya başlayan çip üzerindeki enerji depolama kapasitörünü şarj etmek için kullanılır. senkronizasyon çıkarma devresi ve komut sinyali demodülasyon devre ünitesi.Bu nedenle okuyucunun talimat gönderdiği süre boyunca etiketin aldığı radyo frekansı enerjisi, etiketin şarj olmaya devam etmesi, senkronizasyon sinyalini çıkarması, talimat sinyalini demodüle etmesi ve tanımlaması için kullanılır.Etiket enerji depolama kapasitörü, değişken şarjlı güç kaynağı durumundadır.

Etiket okuyucuya yanıt verdiğinde, okuyucunun iletilen sinyali, yayılmış spektrum yayılmış spektrum çip hızı alt hız saatinin genliği tarafından modüle edilen bir sinyaldir.Etiketin aldığı sinyalde, yayılı spektrum çip hızı alt hız saatini temsil eden taşıyıcı bileşenler ve yan bant bileşenleri bulunmaktadır.Şu anda, modülasyon bileşeni, yaygın spektrum dizisinin çip hızı ve hız saati bilgilerini iletmek için kullanılır ve toplam enerji, çip üzerindeki enerji depolama kapasitörünü şarj etmek ve alınan verileri modüle etmek ve alıcıya bir yanıt göndermek için kullanılır. okuyucu.Çip senkronizasyon çıkarma devresi ve yanıt sinyali modülasyon devre ünitesi güç sağlar.Dolayısıyla okuyucunun yanıtı aldığı süre boyunca etiket, radyo frekansı enerjisini alır ve etiketin şarj olmaya devam etmesi için kullanılır, çip senkronizasyon sinyali çıkarılır ve yanıt verileri modüle edilerek yanıt gönderilir.Etiket enerji depolama kapasitörü, değişken şarjlı güç kaynağı durumundadır.

Kısaca okuyucunun RF alanına giren ve bir güç kaynağı süresi oluşturmaya başlayan etikete ek olarak, etiket, aldığı tüm RF enerjisini, çip üzerindeki enerji depolama kapasitörünü şarj etmek için voltajı iki katına çıkaran bir doğrultucu devresine besleyecek ve böylece çip güç kaynağı.Daha sonra etiket, alınan radyo frekansı sinyalinden senkronizasyonu çıkarır, komut demodülasyonunu uygular veya yanıt verilerini modüle eder ve iletir; bunların tümü alınan radyo frekansı enerjisini kullanır.

3. Farklı uygulamalar için RF enerji gereksinimleri

(1) Kablosuz güç iletimi için RF enerji gereksinimleri

Kablosuz güç aktarımı, etiket için güç kaynağını oluşturur, dolayısıyla hem çip devresini çalıştırmak için yeterli voltajın yanı sıra yeterli güç ve sürekli güç kaynağı kapasitesi gerektirir.

Kablosuz güç aktarımının güç kaynağı, okuyucunun RF alan enerjisini alarak ve etiketin güç kaynağı olmadığında voltajı ikiye katlayarak düzeltme yaparak güç kaynağını oluşturmaktır.Bu nedenle alım hassasiyeti, ön uç algılama diyot tüpünün voltaj düşüşüyle ​​sınırlıdır.CMOS yongaları için, voltaj ikiye katlama düzeltmesinin alım hassasiyeti -11 ile -0,7dBm arasındadır, bu pasif etiketlerin darboğazıdır.

(2) Alınan sinyal tespiti için RF enerji gereksinimleri

Voltajın iki katına çıkarılması düzeltmesi çip güç kaynağını oluştururken, komut sinyali tespiti ve senkron saat tespiti dahil olmak üzere bir sinyal tespit devresi sağlamak için etiketin alınan radyo frekansı enerjisinin bir kısmını bölmesi gerekir.Sinyal tespiti, etiketin güç kaynağının tesis edilmiş olması koşulu altında gerçekleştirildiğinden, demodülasyon hassasiyeti, ön uç tespit diyot tüpünün voltaj düşüşü ile sınırlı değildir, dolayısıyla alma hassasiyeti, kablosuz güçten çok daha yüksektir. İletim alma hassasiyeti, sinyal genlik tespitine aittir ve güç gücü gereksinimi yoktur.

(3) Etiket yanıtı için RF enerji gereksinimleri

Etiket göndermeye yanıt verdiğinde, senkron saati tespit etmenin yanı sıra, alınan taşıyıcı üzerinde (saat modülasyon zarfını içeren) sözde PSK modülasyonu gerçekleştirmesi ve ters iletimi gerçekleştirmesi de gerekir.Bu esnada belirli bir güç seviyesi gereklidir ve bu seviyenin değeri okuyucunun etikete olan uzaklığına ve okuyucunun alım hassasiyetine bağlıdır.Okuyucunun çalışma ortamı daha karmaşık tasarımların kullanılmasına izin verdiğinden, alıcı düşük gürültülü bir ön uç tasarımı uygulayabilir ve kod bölmeli radyo frekansı tanımlaması, yayılmış spektrum modülasyonunun yanı sıra yayılmış spektrum kazancını ve PSK sistem kazancını kullanır. okuyucunun duyarlılığı yeterince yüksek olacak şekilde tasarlanabilir.Böylece etiketin dönüş sinyali gereksinimleri yeterince azaltılmıştır.

Özetlemek gerekirse, etiket tarafından alınan radyo frekansı gücü esas olarak kablosuz güç iletimi voltajı iki katına çıkarıcı düzeltme enerjisi olarak tahsis edilir ve daha sonra makul bir enerji elde etmek için uygun miktarda etiket sinyali algılama seviyesi ve uygun miktarda geri dönüş modülasyon enerjisi tahsis edilir. Dağıtımı ve enerji depolama kapasitörünün sürekli şarj edilmesini sağlayın.mümkün ve makul bir tasarımdır.

Pasif etiketler tarafından alınan radyo frekansı enerjisinin çeşitli uygulama gereksinimlerine sahip olduğu, dolayısıyla bir radyo frekansı güç dağıtım tasarımının gerekli olduğu görülebilmektedir;Radyo frekansı enerjisinin farklı çalışma periyotlarındaki uygulama gereksinimleri farklıdır, dolayısıyla farklı çalışma periyotlarının ihtiyaçlarına göre bir radyo frekansı güç dağıtım tasarımına sahip olmak gerekir;Farklı uygulamaların RF enerjisi için farklı gereksinimleri vardır; bunların arasında kablosuz güç iletimi en fazla gücü gerektirir; bu nedenle RF güç tahsisi, kablosuz güç iletiminin ihtiyaçlarına odaklanmalıdır.

UHF RFID pasif etiketleri, bir etiket güç kaynağı oluşturmak için kablosuz güç iletimini kullanır.Bu nedenle güç kaynağı verimliliği son derece düşük ve güç kaynağı kapasitesi çok zayıf.Etiket çipi düşük güç tüketimi ile tasarlanmalıdır.Çip devresi, çip üzerindeki enerji depolama kapasitörünün şarj edilmesi ve boşaltılmasıyla çalıştırılır.Bu nedenle etiketin sürekli çalışmasını sağlamak için enerji depolama kapasitörünün sürekli olarak şarj edilmesi gerekir.Etiket tarafından alınan radyo frekansı enerjisinin üç farklı uygulaması vardır: güç kaynağı için voltajı ikiye katlayan düzeltme, komut sinyali alımı ve demodülasyonu ve yanıt sinyali modülasyonu ve iletimi.Bunlar arasında, voltajı iki katına çıkaran doğrultmanın alım hassasiyeti, bir hava arayüzü haline gelen doğrultucu diyotun voltaj düşüşüyle ​​​​sınırlanır.darboğaz.Bu nedenle sinyal alımı ve demodülasyonu ile yanıt sinyali modülasyonu ve iletimi RFID sisteminin sağlaması gereken temel işlevlerdir.Gerilim katlayıcı doğrultucu etiketinin güç kaynağı kapasitesi ne kadar güçlü olursa, ürün o kadar rekabetçi olur.Bu nedenle, etiket sisteminin tasarımında alınan RF enerjisinin rasyonel olarak dağıtılmasının kriteri, alınan sinyalin demodülasyonunun ve yanıtın iletilmesinin sağlanması amacıyla RF enerji beslemesinin voltaj katlayıcı düzeltme yoluyla mümkün olduğunca arttırılmasıdır. sinyal.