Tin tức

Là phần cơ bản nhất của công nghệ Internet of Things thụ động, thẻ thụ động UHF RFID đã được sử dụng rộng rãi trong một số lượng lớn ứng dụng như bán lẻ siêu thị, hậu cần và kho bãi, lưu trữ sách, truy xuất nguồn gốc chống hàng giả, v.v. Chỉ trong năm 2021, toàn cầu số tiền vận chuyển là hơn 20 tỷ đồng.Trong các ứng dụng thực tế, chính xác thì chip của thẻ thụ động UHF RFID dựa vào điều gì để cung cấp năng lượng?

Đặc tính cấp nguồn của thẻ thụ động UHF RFID

1. Được cung cấp năng lượng không dây

Truyền tải điện không dây đang sử dụng bức xạ điện từ không dây để truyền năng lượng điện từ nơi này sang nơi khác.Quá trình làm việc là chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng tần số vô tuyến thông qua dao động tần số vô tuyến và năng lượng tần số vô tuyến được chuyển đổi thành năng lượng trường điện từ vô tuyến thông qua ăng-ten phát.Năng lượng trường điện từ vô tuyến truyền trong không gian và đến ăng-ten thu, sau đó được ăng-ten thu chuyển đổi trở lại năng lượng tần số vô tuyến và sóng phát hiện trở thành năng lượng DC.

Năm 1896, Guglielmo Marchese Marconi người Ý đã phát minh ra radio, giúp thực hiện việc truyền tín hiệu vô tuyến xuyên không gian.Năm 1899, Nikola Tesla người Mỹ đề xuất ý tưởng sử dụng hệ thống truyền tải điện không dây và chế tạo một ăng-ten cao 60m, điện cảm nạp ở đáy, điện dung nạp phía trên Colorado, sử dụng tần số 150kHz để đưa vào nguồn điện 300kW.Nó truyền trên khoảng cách lên tới 42km và thu được 10kW công suất thu không dây ở đầu nhận.

Nguồn cung cấp năng lượng cho thẻ thụ động UHF RFID tuân theo ý tưởng này và đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ thông qua tần số vô tuyến.Tuy nhiên, có một sự khác biệt rất lớn giữa nguồn cung cấp năng lượng thẻ thụ động UHF RFID và thử nghiệm Tesla: tần số cao hơn gần mười nghìn lần và kích thước ăng-ten giảm một nghìn lần.Vì suy hao truyền dẫn không dây tỷ lệ với bình phương tần số và tỷ lệ với bình phương khoảng cách nên rõ ràng mức tăng suy hao truyền dẫn là rất lớn.Chế độ lan truyền không dây đơn giản nhất là lan truyền trong không gian tự do.Suy hao truyền tỷ lệ nghịch với bình phương bước sóng truyền và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.Suy hao truyền trong không gian tự do là LS=20lg(4πd/λ).Nếu đơn vị của khoảng cách d là m và đơn vị của tần số f là MHz thì LS= -27,56+20lgd+20lgf.

Hệ thống UHF RFID dựa trên cơ chế truyền tải điện không dây.Thẻ thụ động không có nguồn điện riêng.Nó cần nhận năng lượng tần số vô tuyến do đầu đọc phát ra và thiết lập nguồn điện một chiều thông qua chỉnh lưu nhân đôi điện áp, nghĩa là thiết lập nguồn điện một chiều thông qua bơm sạc Dickson.

Khoảng cách liên lạc áp dụng của giao diện không khí UHF RFID chủ yếu được xác định bởi công suất truyền của đầu đọc và tổn thất truyền sóng cơ bản trong không gian.Công suất truyền của đầu đọc RFID băng tần UHF thường được giới hạn ở 33dBm.Từ công thức suy hao truyền dẫn cơ bản, bỏ qua mọi tổn thất có thể xảy ra khác, có thể tính được công suất RF tới thẻ thông qua truyền tải điện không dây.Mối quan hệ giữa khoảng cách liên lạc của giao diện vô tuyến UHF RFID với tổn thất truyền sóng cơ bản và công suất RF tới thẻ được thể hiện trong bảng:

Từ bảng có thể thấy rằng truyền tải điện không dây UHF RFID có đặc điểm tổn thất truyền tải lớn.Vì RFID tuân thủ các quy tắc liên lạc khoảng cách ngắn quốc gia nên công suất truyền của đầu đọc bị hạn chế nên thẻ có thể cung cấp năng lượng thấp.Khi khoảng cách liên lạc tăng lên, năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ thụ động nhận được sẽ giảm theo tần số và khả năng cung cấp điện giảm nhanh chóng.

2. Thực hiện cung cấp điện bằng cách sạc và xả các tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip

(1) Đặc tính nạp và phóng điện của tụ điện

Thẻ thụ động sử dụng khả năng truyền tải điện không dây để thu năng lượng, chuyển đổi nó thành điện áp DC, sạc và lưu trữ các tụ điện trên chip, sau đó cấp nguồn cho tải thông qua quá trình phóng điện.Vì vậy, quá trình cấp nguồn của thẻ thụ động là quá trình nạp và xả tụ điện.Quy trình thiết lập là quy trình sạc thuần túy và quy trình cung cấp điện là quy trình phóng điện và sạc bổ sung.Quá trình sạc bổ sung phải bắt đầu trước khi điện áp phóng điện đạt đến điện áp cung cấp tối thiểu của chip.

(2) Thông số nạp và phóng điện của tụ điện

1) Thông số sạc

Độ dài thời gian sạc: τC=RC×C

Điện áp sạc:

dòng điện sạc:

trong đó RC là điện trở sạc và C là tụ điện lưu trữ năng lượng.

2) Thông số xả

Độ dài thời gian phóng điện: τD=RD×C

Điện áp phóng điện:

Dòng xả:

Trong công thức, RD là điện trở phóng điện và C là tụ điện lưu trữ năng lượng.

Ở trên cho thấy các đặc tính cung cấp năng lượng của thẻ thụ động.Nó không phải là nguồn điện áp không đổi cũng không phải là nguồn dòng điện không đổi mà là quá trình sạc và xả của tụ điện lưu trữ năng lượng.Khi tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip được sạc trên điện áp làm việc V0 của mạch chip, nó có thể cấp nguồn cho thẻ.Khi tụ điện lưu trữ năng lượng bắt đầu cấp nguồn, điện áp nguồn của nó bắt đầu giảm.Khi nó giảm xuống dưới điện áp hoạt động của chip V0, tụ điện lưu trữ năng lượng sẽ mất khả năng cấp nguồn và chip không thể tiếp tục hoạt động.Do đó, thẻ giao diện vô tuyến phải có đủ dung lượng để nạp lại thẻ.

Có thể thấy rằng chế độ cấp nguồn của thẻ thụ động phù hợp với đặc điểm của truyền thông liên tục và việc cấp nguồn cho thẻ thụ động cũng cần được hỗ trợ sạc liên tục.

3 Cân bằng cung cầu

Cung cấp năng lượng sạc nổi là một phương pháp cung cấp năng lượng khác và công suất cung cấp năng lượng sạc nổi được điều chỉnh phù hợp với công suất xả.Nhưng chúng đều có một vấn đề chung, đó là nguồn điện của thẻ thụ động UHF RFID cần cân bằng cung cầu.

(1) Chế độ cấp nguồn cân bằng cung cầu cho truyền thông liên tục

Tiêu chuẩn ISO/IEC18000-6 hiện tại của thẻ thụ động UHF RFID thuộc về hệ thống truyền thông bùng nổ.Đối với thẻ thụ động, không có tín hiệu nào được truyền đi trong thời gian nhận.Mặc dù chu kỳ đáp ứng nhận sóng mang nhưng nó tương đương với việc thu được nguồn dao động nên có thể coi là công đơn giản.Đường.Đối với ứng dụng này, nếu thời gian nhận được sử dụng làm thời gian sạc của tụ điện lưu trữ năng lượng và thời gian đáp ứng là thời gian phóng điện của tụ điện lưu trữ năng lượng thì lượng điện tích và phóng điện bằng nhau để duy trì sự cân bằng cung và cầu sẽ trở thành điều kiện cần thiết để duy trì hoạt động bình thường của hệ thống.Có thể biết từ cơ chế cung cấp năng lượng của thẻ thụ động UHF RFID nêu trên rằng nguồn điện của thẻ thụ động UHF RFID không phải là nguồn dòng điện không đổi cũng như nguồn điện áp không đổi.Khi tụ điện lưu trữ năng lượng thẻ được sạc đến điện áp cao hơn điện áp làm việc bình thường của mạch, nguồn điện sẽ khởi động;khi tụ điện lưu trữ năng lượng của thẻ được phóng điện đến điện áp thấp hơn điện áp hoạt động bình thường của mạch thì nguồn điện sẽ bị dừng.

Đối với giao tiếp liên tục, chẳng hạn như giao diện vô tuyến UHF RFID của thẻ thụ động, có thể sạc điện trước khi thẻ gửi một cụm phản hồi, đủ để đảm bảo có thể duy trì đủ điện áp cho đến khi phản hồi hoàn tất.Vì vậy, ngoài bức xạ tần số vô tuyến đủ mạnh mà thẻ có thể nhận được, chip còn được yêu cầu phải có điện dung trên chip đủ lớn và thời gian sạc đủ dài.Mức tiêu thụ điện năng và thời gian phản hồi của thẻ cũng phải được điều chỉnh.Do khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc, thời gian phản hồi khác nhau, diện tích của tụ điện lưu trữ năng lượng bị hạn chế và các yếu tố khác nên có thể khó cân bằng cung cầu trong phân chia thời gian.

(2) Chế độ cấp nguồn nổi để liên lạc liên tục

Để liên lạc liên tục, để duy trì nguồn điện liên tục của tụ điện lưu trữ năng lượng, nó phải được phóng điện và sạc cùng lúc, tốc độ sạc tương tự như tốc độ phóng điện, nghĩa là công suất nguồn điện được duy trì trước đó. việc liên lạc bị chấm dứt.

Nhận dạng tần số vô tuyến phân chia mã thẻ thụ động và tiêu chuẩn hiện tại của thẻ thụ động RFID UHF ISO/IEC18000-6 có những đặc điểm chung.Trạng thái nhận thẻ cần được giải điều chế và giải mã, trạng thái phản hồi cần được điều chế và gửi.Vì vậy, nó nên được thiết kế theo khả năng liên lạc liên tục.Hệ thống cấp nguồn chip Tag.Để tốc độ sạc tương tự như tốc độ phóng điện, phần lớn năng lượng mà thẻ nhận được phải được sử dụng để sạc.

Tài nguyên RF được chia sẻ

1. Giao diện RF cho thẻ thụ động

Thẻ thụ động không chỉ được sử dụng làm nguồn năng lượng của thẻ và bưu thiếp để truyền năng lượng tần số vô tuyến từ đầu đọc mà quan trọng hơn là việc truyền tín hiệu lệnh từ đầu đọc đến thẻ và truyền tín hiệu phản hồi từ thẻ đến đầu đọc là được thực hiện thông qua truyền dữ liệu không dây.Năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ nhận được phải được chia thành ba phần, tương ứng được sử dụng cho chip để thiết lập nguồn điện, giải điều chế tín hiệu (bao gồm tín hiệu lệnh và đồng hồ đồng bộ hóa) và cung cấp sóng mang phản hồi.

Chế độ làm việc của UHF RFID tiêu chuẩn hiện tại có các đặc điểm sau: kênh đường xuống áp dụng chế độ phát sóng và kênh đường lên áp dụng chế độ phản hồi chuỗi kênh đơn chia sẻ nhiều thẻ.Vì vậy, về mặt truyền tải thông tin, nó thuộc chế độ hoạt động đơn giản.Tuy nhiên, do bản thân thẻ không thể cung cấp sóng mang truyền dẫn nên phản hồi của thẻ cần cung cấp sóng mang đó với sự trợ giúp của đầu đọc.Do đó, khi thẻ phản hồi, liên quan đến trạng thái gửi, cả hai đầu của giao tiếp đều ở trạng thái hoạt động song công.

Ở các trạng thái hoạt động khác nhau, các đơn vị mạch được thẻ đưa vào hoạt động khác nhau và nguồn điện cần thiết để các đơn vị mạch khác nhau hoạt động cũng khác nhau.Tất cả năng lượng đều đến từ năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ nhận được.Vì vậy, cần phải kiểm soát việc phân bổ năng lượng RF một cách hợp lý và khi thích hợp.

2. Ứng dụng năng lượng RF trong các giờ làm việc khác nhau

Khi thẻ đi vào trường RF của đầu đọc và bắt đầu tạo nguồn, bất kể tín hiệu nào đầu đọc gửi vào lúc này, thẻ sẽ cung cấp toàn bộ năng lượng RF nhận được cho mạch chỉnh lưu tăng gấp đôi điện áp để sạc tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip. , từ đó thiết lập nguồn điện cho chip.

Khi đầu đọc truyền tín hiệu lệnh, tín hiệu truyền của đầu đọc là tín hiệu được mã hóa bởi dữ liệu lệnh và biên độ được điều chế bởi chuỗi trải phổ.Có các thành phần sóng mang và thành phần dải biên biểu diễn dữ liệu lệnh và chuỗi trải phổ trong tín hiệu mà thẻ nhận được.Tổng năng lượng, năng lượng sóng mang và các thành phần dải biên của tín hiệu thu được có liên quan đến điều chế.Tại thời điểm này, thành phần điều chế được sử dụng để truyền thông tin đồng bộ hóa của lệnh và chuỗi trải phổ, đồng thời tổng năng lượng được sử dụng để sạc tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip, đồng thời bắt đầu cấp nguồn cho trên chip. mạch trích đồng bộ và bộ mạch giải điều chế tín hiệu lệnh.Do đó, trong khoảng thời gian đầu đọc gửi lệnh, năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ nhận được sẽ được sử dụng để thẻ tiếp tục sạc, trích xuất tín hiệu đồng bộ, giải điều chế và nhận dạng tín hiệu lệnh.Tụ lưu trữ năng lượng thẻ ở trạng thái cung cấp điện tích nổi.

Khi thẻ phản hồi với đầu đọc, tín hiệu được truyền đi của đầu đọc là tín hiệu được điều chế bởi biên độ của xung nhịp phụ tốc độ chip trải phổ trải phổ.Trong tín hiệu mà thẻ nhận được, có các thành phần sóng mang và thành phần dải biên đại diện cho xung nhịp tốc độ phụ của chip trải phổ.Tại thời điểm này, thành phần điều chế được sử dụng để truyền thông tin tốc độ chip và xung nhịp của chuỗi trải phổ và tổng năng lượng được sử dụng để sạc tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip và điều chỉnh dữ liệu nhận được và gửi phản hồi đến người đọc.Mạch trích xuất đồng bộ hóa chip và nguồn cung cấp đơn vị mạch điều chế tín hiệu phản hồi.Do đó, trong khoảng thời gian đầu đọc nhận được phản hồi, thẻ nhận năng lượng tần số vô tuyến và được sử dụng để thẻ tiếp tục sạc, tín hiệu đồng bộ hóa chip được trích xuất và dữ liệu phản hồi được điều chế và phản hồi được gửi đi.Tụ lưu trữ năng lượng thẻ ở trạng thái cung cấp điện tích nổi.

Nói tóm lại, ngoài việc thẻ đi vào trường RF của đầu đọc và bắt đầu thiết lập khoảng thời gian cấp nguồn, thẻ sẽ cung cấp tất cả năng lượng RF nhận được cho mạch chỉnh lưu tăng gấp đôi điện áp để sạc tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip, từ đó thiết lập một nguồn cung cấp năng lượng chip.Sau đó, thẻ trích xuất sự đồng bộ hóa từ tín hiệu tần số vô tuyến nhận được, thực hiện giải điều chế lệnh hoặc điều chế và truyền dữ liệu phản hồi, tất cả đều sử dụng năng lượng tần số vô tuyến nhận được.

3. Yêu cầu năng lượng RF cho các ứng dụng khác nhau

(1) Yêu cầu về năng lượng RF để truyền tải điện không dây

Truyền năng lượng không dây thiết lập nguồn điện cho thẻ, do đó, nó yêu cầu cả điện áp đủ để điều khiển mạch chip cũng như nguồn điện đủ và khả năng cung cấp điện liên tục.

Nguồn điện của truyền tải không dây là thiết lập nguồn điện bằng cách nhận năng lượng trường RF của đầu đọc và chỉnh lưu nhân đôi điện áp khi thẻ không có nguồn điện.Do đó, độ nhạy thu của nó bị hạn chế bởi sự sụt giảm điện áp của ống diode phát hiện đầu cuối.Đối với chip CMOS, độ nhạy thu của chỉnh lưu nhân đôi điện áp là từ -11 đến -0,7dBm, đây là điểm nghẽn của thẻ thụ động.

(2) Yêu cầu về năng lượng RF để phát hiện tín hiệu thu được

Trong khi chỉnh lưu nhân đôi điện áp thiết lập nguồn điện cho chip, thẻ cần chia một phần năng lượng tần số vô tuyến nhận được để cung cấp mạch phát hiện tín hiệu, bao gồm phát hiện tín hiệu lệnh và phát hiện đồng hồ đồng bộ.Do việc phát hiện tín hiệu được thực hiện trong điều kiện nguồn điện của thẻ đã được thiết lập nên độ nhạy giải điều chế không bị giới hạn bởi sự sụt giảm điện áp của ống diode phát hiện phía trước, do đó độ nhạy thu cao hơn nhiều so với nguồn không dây Độ nhạy thu truyền và nó thuộc về phát hiện biên độ tín hiệu và không có yêu cầu về cường độ nguồn.

(3) Yêu cầu về năng lượng RF cho phản hồi của thẻ

Khi thẻ phản hồi việc gửi, ngoài việc phát hiện đồng hồ đồng bộ, nó còn cần thực hiện điều chế giả PSK trên sóng mang nhận được (chứa đường bao điều chế đồng hồ) và thực hiện truyền ngược.Tại thời điểm này, cần có một mức năng lượng nhất định và giá trị của nó phụ thuộc vào khoảng cách của đầu đọc đến thẻ và độ nhạy của đầu đọc để nhận.Do môi trường làm việc của đầu đọc cho phép sử dụng các thiết kế phức tạp hơn nên máy thu có thể triển khai thiết kế mặt trước có độ ồn thấp và nhận dạng tần số vô tuyến phân chia mã sử dụng điều chế trải phổ, cũng như độ lợi trải phổ và độ lợi hệ thống PSK. , độ nhạy của đầu đọc có thể được thiết kế đủ cao.Vì vậy, các yêu cầu về tín hiệu trả về của nhãn đã giảm đủ.

Tóm lại, công suất tần số vô tuyến mà thẻ nhận được chủ yếu được phân bổ làm năng lượng chỉnh lưu nhân đôi điện áp truyền tải không dây, sau đó phân bổ mức phát hiện tín hiệu thẻ thích hợp và lượng năng lượng điều chế phản hồi thích hợp để đạt được năng lượng hợp lý. phân phối và đảm bảo việc sạc liên tục của tụ điện lưu trữ năng lượng.là một thiết kế khả thi và hợp lý.

Có thể thấy rằng năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ thụ động nhận được có nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau nên cần phải có thiết kế phân phối nguồn tần số vô tuyến;yêu cầu ứng dụng năng lượng tần số vô tuyến trong các khoảng thời gian làm việc khác nhau là khác nhau nên cần có thiết kế phân phối công suất tần số vô tuyến theo nhu cầu của các khoảng thời gian làm việc khác nhau;Các ứng dụng khác nhau có yêu cầu khác nhau về năng lượng RF, trong đó việc truyền tải điện không dây đòi hỏi nhiều năng lượng nhất, do đó việc phân bổ công suất RF nên tập trung vào nhu cầu truyền tải điện không dây.

Thẻ thụ động UHF RFID sử dụng truyền tải điện không dây để thiết lập nguồn điện cho thẻ.Vì vậy, hiệu suất cung cấp điện cực kỳ thấp và khả năng cung cấp điện rất yếu.Chip thẻ phải được thiết kế với mức tiêu thụ điện năng thấp.Mạch chip được cấp nguồn bằng cách sạc và xả tụ điện lưu trữ năng lượng trên chip.Vì vậy, để đảm bảo nhãn hoạt động liên tục, tụ điện lưu trữ năng lượng phải được sạc liên tục.Năng lượng tần số vô tuyến mà thẻ nhận được có ba ứng dụng khác nhau: chỉnh lưu tăng gấp đôi điện áp để cung cấp điện, thu và giải điều chế tín hiệu lệnh cũng như điều chế và truyền tín hiệu phản hồi.Trong số đó, độ nhạy thu của chỉnh lưu tăng gấp đôi điện áp bị hạn chế bởi sự sụt giảm điện áp của diode chỉnh lưu, trở thành giao diện không khí.nút thắt cổ chai.Vì lý do này, việc thu và giải điều chế tín hiệu cũng như điều chế và truyền tín hiệu phản hồi là những chức năng cơ bản mà hệ thống RFID phải đảm bảo.Khả năng cấp nguồn của thẻ chỉnh lưu nhân đôi điện áp càng mạnh thì sản phẩm càng có tính cạnh tranh.Do đó, tiêu chí để phân phối hợp lý năng lượng RF nhận được trong thiết kế hệ thống thẻ là tăng nguồn cung cấp năng lượng RF bằng cách chỉnh lưu nhân đôi điện áp càng nhiều càng tốt trên cơ sở đảm bảo giải điều chế tín hiệu nhận được và truyền phản hồi. tín hiệu.