Новини

Будучи найосновнішою частиною пасивної технології Інтернету речей, пасивні мітки UHF RFID широко використовувалися у великій кількості програм, таких як роздрібна торгівля в супермаркетах, логістика та складування, архіви книг, відстеження для боротьби з підробками тощо. Лише у 2021 році глобальний сума доставки становить понад 20 млрд.У практичних застосуваннях, що саме чіп пасивної мітки UHF RFID покладається на живлення?

Характеристики живлення UHF RFID пасивної мітки

1. Працює від бездротової мережі

Бездротова передача енергії використовує бездротове електромагнітне випромінювання для передачі електричної енергії з одного місця в інше.Робочий процес полягає в перетворенні електричної енергії в радіочастотну енергію за допомогою радіочастотних коливань, а радіочастотна енергія перетворюється в радіоелектронну енергію електромагнітного поля через передавальну антену.Енергія радіоелектромагнітного поля поширюється в просторі й досягає приймальної антени, а потім приймальною антеною перетворюється назад на радіочастотну енергію, і хвиля виявлення стає енергією постійного струму.

У 1896 році італієць Гульєльмо Маркезе Марконі винайшов радіо, яке здійснило передачу радіосигналів у космосі.У 1899 році американець Нікола Тесла запропонував ідею використання бездротової передачі енергії та створив антену висотою 60 метрів, індуктивність, навантажену в нижній частині, ємність, навантажену вгорі в Колорадо, використовуючи частоту 150 кГц для введення 300 кВт потужності.Він передає на відстань до 42 км і отримує 10 кВт потужності бездротового прийому на приймальному кінці.

Джерело живлення пасивної мітки UHF RFID слідує цій ідеї, і зчитувач подає живлення до мітки через радіочастоту.Однак існує величезна різниця між джерелом живлення пасивної мітки UHF RFID і тестом Tesla: частота майже в десять тисяч разів вища, а розмір антени зменшений у тисячу разів.Оскільки втрати бездротової передачі пропорційні квадрату частоти та пропорційні квадрату відстані, зрозуміло, що збільшення втрат при передачі є величезним.Найпростішим бездротовим режимом розповсюдження є розповсюдження у вільному просторі.Втрати при розповсюдженні обернено пропорційні квадрату довжини хвилі розповсюдження та пропорційні квадрату відстані.Втрати на розповсюдження у вільному просторі становлять LS=20lg(4πd/λ).Якщо одиницею відстані d є м, а одиницею частоти f є МГц, тоді LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Система UHF RFID заснована на механізмі бездротової передачі енергії.Пасивний тег не має власного джерела живлення.Йому потрібно отримати радіочастотну енергію, випромінювану зчитувачем, і встановити джерело живлення постійного струму за допомогою випрямлення подвоєння напруги, що означає встановлення джерела живлення постійного струму через зарядний насос Діксона.

Застосовна відстань зв’язку повітряного інтерфейсу UHF RFID в основному визначається потужністю передачі зчитувача та основними втратами при розповсюдженні в просторі.Потужність передачі зчитувача RFID діапазону UHF зазвичай обмежена 33 дБм.За базовою формулою втрат на розповсюдження, ігноруючи будь-які інші можливі втрати, можна розрахувати радіочастотну потужність, що досягає мітки через бездротову передачу енергії.Зв’язок між відстанню зв’язку радіоінтерфейсу UHF RFID та основними втратами при розповсюдженні та потужністю радіочастот, що досягає мітки, наведено в таблиці:

З таблиці видно, що бездротова передача енергії UHF RFID має характеристики великих втрат при передачі.Оскільки RFID відповідає національним правилам зв’язку на короткій відстані, потужність передачі зчитувального пристрою обмежена, тому мітка може забезпечувати низьку потужність.Зі збільшенням відстані зв’язку радіочастотна енергія, отримана пасивним тегом, зменшується відповідно до частоти, а потужність джерела живлення швидко зменшується.

2. Реалізувати джерело живлення шляхом заряджання та розряджання вбудованих конденсаторів для зберігання енергії

(1) Характеристики заряду та розряду конденсатора

Пасивні мітки використовують бездротову передачу енергії для отримання енергії, перетворення її в напругу постійного струму, заряджання та зберігання конденсаторів на мікросхемі, а потім живлення навантаження через розряд.Отже, процес живлення пасивних міток - це процес зарядки та розрядки конденсатора.Процес встановлення — це чистий процес заряджання, а процес живлення — це процес розрядки та додаткового заряджання.Додаткова зарядка повинна початися до того, як напруга розряду досягне мінімальної напруги живлення мікросхеми.

(2) Параметри заряду та розряду конденсатора

1) Параметри зарядки

Тривалість часу зарядки: τC=RC×C

Напруга зарядки:

струм підзарядки:

де RC - це зарядний резистор, а C - конденсатор накопичення енергії.

2) Параметри розряду

Тривалість часу розряду: τD=RD×C

Напруга розряду:

Струм розряду:

У формулі RD — опір розряду, а C — накопичувальний конденсатор.

Вище показано характеристики джерела живлення пасивних тегів.Це не джерело постійної напруги та джерело постійного струму, а заряджання та розряджання конденсатора накопичення енергії.Коли накопичувальний конденсатор на мікросхемі заряджається вище робочої напруги V0 схеми мікросхеми, він може подавати живлення на тег.Коли накопичувальний конденсатор починає подавати електроенергію, його напруга живлення починає падати.Коли вона падає нижче робочої напруги мікросхеми V0, накопичувальний конденсатор енергії втрачає свою здатність до живлення, і мікросхема не може продовжувати працювати.Таким чином, тег радіоінтерфейсу повинен мати достатню ємність для перезарядки мітки.

Можна побачити, що режим живлення пасивних міток підходить для характеристик пакетного зв’язку, а джерело живлення пасивних міток також потребує підтримки безперервної зарядки.

3 Баланс попиту та пропозиції

Джерело живлення з плаваючою зарядкою є ще одним способом живлення, і ємність джерела живлення з плаваючою зарядкою адаптована до ємності розряду.Але всі вони мають спільну проблему, тобто джерело живлення UHF RFID-міток має збалансувати попит і пропозицію.

(1) Режим живлення балансу пропозиції та попиту для пакетного зв’язку

Поточний стандарт ISO/IEC18000-6 пасивних міток UHF RFID належить до пакетної системи зв’язку.Для пасивних тегів сигнал не передається протягом періоду прийому.Хоча період відгуку отримує несучу хвилю, це еквівалентно отриманню джерела коливань, тому його можна вважати симплексною роботою.шлях.Для цієї програми, якщо період отримання використовується як період зарядки накопичувального конденсатора енергії, а період відгуку є періодом розрядки накопичувального конденсатора енергії, рівна кількість заряду та розряду для підтримки балансу попиту та пропозиції стає необхідна умова для підтримки нормальної роботи системи.З механізму живлення вищезгаданої пасивної мітки UHF RFID можна дізнатися, що джерело живлення пасивної мітки UHF RFID не є ні джерелом постійного струму, ні джерелом постійної напруги.Коли накопичувальний конденсатор заряджається до напруги, що перевищує нормальну робочу напругу ланцюга, починається подача живлення;коли накопичувальний конденсатор мітки розряджається до напруги, нижчої за звичайну робочу напругу схеми, живлення припиняється.

Для пакетного зв’язку, наприклад радіоінтерфейсу UHF RFID з пасивною міткою, заряд можна заряджати до того, як мітка надішле пакет відповіді, достатньо, щоб забезпечити підтримку достатньої напруги до завершення відповіді.Таким чином, окрім достатньо потужного радіочастотного випромінювання, яке може приймати тег, чіп також повинен мати достатньо велику ємність у чіпі та достатньо тривалий час заряджання.Споживана потужність відповіді мітки та час відповіді також повинні бути адаптовані.Через відстань між міткою та зчитувальним пристроєм час відгуку різний, площа конденсатора накопичувача енергії обмежена та інші фактори, може бути важко збалансувати попит і пропозицію в часовому розподілі.

(2) Плаваючий режим джерела живлення для безперервного зв'язку

Для безперервного зв’язку, щоб підтримувати безперебійне живлення конденсатора накопичувача енергії, його потрібно розряджати та заряджати одночасно, а швидкість заряджання подібна до швидкості розрядки, тобто ємність джерела живлення підтримується до спілкування припинено.

Радіочастотна ідентифікація з кодовим розділенням пасивної мітки та пасивна мітка UHF RFID поточного стандарту ISO/IEC18000-6 мають спільні характеристики.Стан отримання мітки потрібно демодулювати та декодувати, а стан відповіді потрібно модулювати та відправляти.Тому його слід розробляти відповідно до безперервного спілкування.Тег чіп системи живлення.Для того, щоб швидкість заряджання була подібною до швидкості розрядки, більша частина енергії, отриманої міткою, повинна використовуватися для заряджання.

Загальні ресурси РФ

1. Радіочастотний інтерфейс для пасивних тегів

Пасивні мітки використовуються не тільки як джерело живлення міток і листівок для радіочастотної енергії від зчитувачів, але, що більш важливо, передача сигналу команд від зчитувача до мітки та передача сигналу відповіді від мітки до зчитувача є реалізується через бездротову передачу даних.Радіочастотна енергія, отримана міткою, повинна бути розділена на три частини, які відповідно використовуються мікросхемою для встановлення джерела живлення, демодуляції сигналу (включаючи командний сигнал і тактовий сигнал синхронізації) і забезпечення відповідної несучої.

Режим роботи поточного стандарту UHF RFID має наступні характеристики: канал низхідної лінії зв’язку приймає режим широкомовної передачі, а канал висхідної лінії зв’язку приймає режим одноканальної відповіді послідовності кількох тегів.Тому за передачею інформації він відноситься до симплексного режиму роботи.Однак, оскільки тег сам по собі не може надати носій передачі, відповідь тегу повинна надати носій за допомогою зчитувача.Таким чином, коли тег відповідає, що стосується стану надсилання, обидва кінці зв’язку перебувають у дуплексному робочому стані.

У різних робочих станах блоки схеми, які запускає тег, відрізняються, і потужність, необхідна для роботи різних блоків схеми, також різна.Вся потужність надходить від радіочастотної енергії, яку отримує тег.Таким чином, необхідно розумно та за необхідності контролювати розподіл радіочастотної енергії.

2. Застосування радіочастотної енергії в різні години роботи

Коли тег потрапляє в радіочастотне поле зчитувача та починає нарощувати потужність, незалежно від того, який сигнал надсилає зчитувач у цей час, тег подаватиме всю отриману радіочастотну енергію до схеми випрямляча з подвоєнням напруги для зарядки накопичувального конденсатора енергії на кристалі. , тим самим встановлюючи живлення чіпа.

Коли зчитувач передає командний сигнал, сигнал передачі зчитувача є сигналом, закодованим командними даними та амплітудно модульованим послідовністю розширеного спектру.Є компоненти несучої та компоненти бічної смуги, що представляють командні дані та послідовності розширеного спектру в сигналі, отриманому тегом.Загальна енергія, енергія несучої та компоненти бічної смуги прийнятого сигналу пов’язані з модуляцією.У цей час компонент модуляції використовується для передачі інформації синхронізації команди та послідовності розширеного спектру, а загальна енергія використовується для зарядки конденсатора накопичення енергії на кристалі, який одночасно починає подавати живлення на мікросхему. схема виділення синхронізації і блок демодуляції командного сигналу.Отже, протягом періоду, коли зчитувач надсилає інструкцію, радіочастотна енергія, отримана тегом, використовується для того, щоб тег продовжував заряджатися, витягувати сигнал синхронізації, демодулювати та ідентифікувати сигнал інструкції.Конденсатор для накопичення енергії мітки знаходиться в стані джерела живлення плаваючого заряду.

Коли тег відповідає зчитувальному пристрою, переданий сигнал зчитувального пристрою є сигналом, який модулюється амплітудою розширеного спектру розширеного спектру чіп-швидкості підшвидкості синхронізації.У сигналі, отриманому тегом, є несучі компоненти та компоненти бічної смуги, що представляють тактову частоту підшвидкості чіпа з розширеним спектром.У цей час компонент модуляції використовується для передачі інформації про частоту мікросхеми та тактової частоти послідовності з розширеним спектром, а загальна енергія використовується для заряджання вбудованого конденсатора накопичувача енергії та модуляції отриманих даних і надсилання відповіді на читач.Схема виділення синхронізації мікросхеми та блок схеми модуляції сигналу відповіді забезпечують живлення.Таким чином, протягом періоду, коли зчитувач отримує відповідь, тег отримує радіочастотну енергію і використовується для того, щоб тег продовжував заряджатися, сигнал синхронізації мікросхеми витягується, дані відповіді модулюються, і відповідь надсилається.Конденсатор для накопичення енергії мітки знаходиться в стані джерела живлення плаваючого заряду.

Коротше кажучи, окрім входу мітки в радіочастотне поле зчитувача та початку встановлення періоду живлення, мітка подаватиме всю отриману радіочастотну енергію до схеми випрямляча з подвоєнням напруги для зарядки конденсатора накопичення енергії на кристалі, таким чином встановлюючи блок живлення мікросхеми.Згодом тег витягує синхронізацію з отриманого радіочастотного сигналу, реалізує демодуляцію команди або модулює та передає дані відповіді, усі з яких використовують отриману радіочастотну енергію.

3. Вимоги до радіочастотної енергії для різних застосувань

(1) Вимоги до радіочастотної енергії для бездротової передачі енергії

Бездротова передача живлення забезпечує джерело живлення для мітки, тому для керування ланцюгом мікросхеми потрібна достатня напруга, а також достатня потужність і можливість постійного живлення.

Джерело живлення бездротової передачі електроенергії полягає в тому, щоб встановити джерело живлення шляхом отримання енергії радіочастотного поля від зчитувача та випрямлення подвоєння напруги, коли мітка не має джерела живлення.Таким чином, його чутливість прийому обмежена падінням напруги на передній діодній трубці виявлення.Для мікросхем CMOS чутливість прийому випрямлення подвоєння напруги становить від -11 до -0,7 дБм, це вузьке місце пасивних міток.

(2) Вимоги до радіочастотної енергії для виявлення прийнятого сигналу

У той час як випрямлення подвоєння напруги встановлює джерело живлення мікросхеми, мітка повинна розділити частину отриманої радіочастотної енергії, щоб забезпечити схему виявлення сигналу, включаючи виявлення командного сигналу та виявлення синхронного годинника.Оскільки виявлення сигналу виконується за умови, що джерело живлення мітки встановлено, чутливість демодуляції не обмежується падінням напруги на передній діодній трубці виявлення, тому чутливість прийому набагато вища, ніж бездротова потужність чутливість прийому передачі, і це відноситься до виявлення амплітуди сигналу, і немає вимог до потужності.

(3) Вимоги до радіочастотної енергії для відгуку мітки

Коли тег відповідає на надсилання, окрім виявлення синхронного тактового сигналу, він також повинен виконати модуляцію псевдо-PSK на отриманій несучій (що містить огинаючу модуляції тактового сигналу) і реалізувати зворотну передачу.У цей час потрібен певний рівень потужності, і його значення залежить від відстані зчитувача до мітки та чутливості зчитувача до прийому.Оскільки робоче середовище зчитувача дозволяє використовувати більш складні конструкції, приймач може реалізувати конструкцію переднього кінця з низьким рівнем шуму, а радіочастотна ідентифікація з кодовим розділенням використовує модуляцію з розширеним спектром, а також посилення з розширеним спектром і посилення системи PSK , чутливість зчитувача може бути достатньо високою.Так що вимоги до зворотного сигналу етикетки досить знижені.

Підводячи підсумок, радіочастотна потужність, отримана міткою, в основному розподіляється як енергія випрямлення подвоювача напруги бездротової передачі енергії, а потім розподіляється відповідна кількість рівня виявлення сигналу мітки та відповідна кількість енергії зворотної модуляції для досягнення розумної енергії розподілу та забезпечення безперервного заряджання накопичувального конденсатора енергії.є можливим і розумним дизайном.

Можна побачити, що радіочастотна енергія, отримана пасивними мітками, має різні вимоги до застосування, тому потрібна схема розподілу радіочастотної потужності;вимоги до застосування радіочастотної енергії в різні робочі періоди різні, тому необхідно мати схему розподілу радіочастотної енергії відповідно до потреб різних робочих періодів;Різні програми мають різні вимоги до радіочастотної енергії, серед яких бездротова передача енергії потребує найбільшої потужності, тому розподіл радіочастотної потужності має зосереджуватися на потребах бездротової передачі енергії.

Пасивні мітки UHF RFID використовують бездротову передачу енергії для встановлення джерела живлення міток.Тому ефективність джерела живлення надзвичайно низька, а потужність джерела живлення дуже слабка.Мікросхема мітки повинна мати низьке енергоспоживання.Схема мікросхеми живиться від заряджання та розряджання вбудованого в мікросхему накопичувального конденсатора енергії.Тому, щоб забезпечити безперервну роботу мітки, накопичувальний конденсатор енергії повинен постійно заряджатися.Радіочастотна енергія, отримана міткою, має три різні застосування: випрямлення з подвоєнням напруги для джерела живлення, прийом і демодуляція командного сигналу, а також модуляція і передача сигналу відповіді.Серед них чутливість прийому випрямлення з подвоєнням напруги обмежена падінням напруги на випрямному діоді, який стає повітряним інтерфейсом.вузьке місце.З цієї причини прийом і демодуляція сигналу, а також модуляція і передача сигналу відповіді є основними функціями, які повинна забезпечувати система RFID.Чим сильніша здатність джерела живлення мітки випрямляча подвійника напруги, тим конкурентоспроможніший продукт.Таким чином, критерієм раціонального розподілу отриманої РЧ-енергії при проектуванні системи міток є збільшення подачі РЧ-енергії шляхом випрямлення подвоювача напруги, наскільки це можливо, за умови забезпечення демодуляції прийнятого сигналу та передачі відповіді. сигнал.