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UHF RFID无源标签的芯片的供电来源是什么

1 小序

国外基于CDMARFID空中接口钻研事情,至今仍旧停顿在有源标签、只发不收的钻研阶段,其直接缘故原由平日归咎于无源标签未能实现芯片低功耗设计,可见芯片的低功耗设计是异常需要的。是以,只有首先弄清无源标签的供电机理,继而针对UHF RFID空中接口的利用情况进行阐发,才可能寻得完备的办理规划。本文旨在先容UHF RFID无源标签的芯片特殊的供电机理。

2 UHF RFID无源标签供电特征

2.1 借助无线功率传输供电

无线功率传输是使用无线电磁辐射措施将电能从一个地方传送到另一个地方,其事情道理如图1所示。事情历程是将电能经射频振荡转换为射频能,射频能经发射天线转换为无线电电磁场能,无线电电磁场能经空间传播到达接管天线,再由接管天线转换回射频能,检波变为直流电能。

1896年意大年夜利人马可尼(Guglielmo Marchese Marconi)发现了无线电,实现了超过空间的无线电旌旗灯号传输。1899年,美国人泰斯拉(Nikola Tesla)提出了用无线功率传输的思路,并于科罗拉多州建立了一个60m高、底部加感、顶部加容的天线,使用150kHz的频率,将300kW输入功率在间隔长达42km的间隔上传输,在接管端得到了10kW的无线接管功率。

UHF RFID无源标签供电沿用了这个思路,由涉猎器经由过程射频向标签供电。然则,UHF RFID无源标签供电与Tesla试验有伟大年夜的区别:频率超过跨过近万倍,天线尺寸缩短达千倍。因为无线传输损耗与频率平方成正比,与间隔的平方成正比,显然,传输损耗增长是伟大年夜的。最简单的无线传播模式是自由空间传播,传播损耗与传播波长的平方成反比,与间隔的平方成正比,自由空间传播损耗为LS=20lg(4πd/λ)。若间隔d单位为m,频率f单位为MHz,则LS= -27.56+20lgd+20lgf。

UHF RFID系统基于无线功率传输机理,无源标签没有自备供电电源,需借助于接管涉猎器发射的射频能量,经由过程倍压整流,即狄克逊泵(Dickson charge pump)建立直流供电电源。

UHF RFID空中接口适用的通信间隔主要抉择于涉猎器发射功率和空间基础传播损耗。UHF频段RFID涉猎器发射功率平日被限定为33dBm。由基础传播损耗公式,轻忽其它任何可能孕育发生的损耗,可以算出经由过程无线功率传输到达标签的射频功率。UHF RFID空中接口通信间隔与基础传播损耗的关系和到达标签的射频功率如表1所示:

表1 通信间隔与传播损耗和到达标签射频功率的关系

注:假定涉猎器发射功率为33dBm。

由表1可见,UHF RFID无线功率传输具有传输损耗大年夜的特征,因为RFID服从国家短间隔通信规则,涉猎器发射功率受限,以是标签可供电功率低。跟着通信间隔加大年夜,无源标签接管射频能量按频方率下降,供电能力迅速减弱。

2.2 借助片上储能电容充放电实施供电

(1)电容器充放电特点

无源标签使用无线功率传输获取能源,转变为直流电压,对片上电容充电储能,然后经由过程放电对负载供电。是以,无源标签的供电历程便是电容充放电历程。电容充放电历程如图2所示,建立历程是纯充电历程,供电历程是放电和弥增补电历程,弥增补电必需在放电电压到达芯片最低供电电压曩昔开始。

(2)电容器充放电参数

1)充电参数

充电光阴长数:τC=RC×C

充电电压:

充电电流

式中RC为充电电阻,C为储能电容。

2)放电参数

放电光阴长数:τD=RD×C

放电电压:

放电电流:

式中RD为放电电阻,C为储能电容。

以上阐清楚明了无源标签的供电特点,既不是恒压源,也不是恒流源,而是储能电容充放电。当片上储能电容充电到达芯片电路事情电压V0以上,便能对标签供电。储能电容开始供电的同时,其供电电压就开始下降,降至芯片事情电压V0以下时,储能电容掉去供电能力,芯片将不能继承事情。是以,空中接口标签应具有足够的对标签弥增补电的能力。

由此可见,无源标签供电要领与其突发通信的特征相适应,无源标签供电还必要有持续充电的支持。

2.3 供需平衡

浮充供电是另一种供电要领,浮充供电能力与放电能力相适应。但它们都有一个合营的问题,即UHF RFID无源标签的供电必要供需平衡。

(1)面向突发通信的供需平衡供电要领

UHF RFID无源标签现行标准ISO/IEC18000-6属于突发通信系统,对付无源标签,接管时段不发射旌旗灯号,应答时段虽然接管载波,但等效于获取振荡源,是以可以觉得是单工事情要领。对付这种利用,若把接管时段作为对储能电容充电时段,应答时段作为储能电容放电时段,则充放电电荷量相等维持供需平衡成为保持系统正常运行的必需前提。   由上述UHF RFID无源标签的供电机理可知,UHF RFID无源标签的供电电源既不是恒流源,也不是恒压源。当标签储能电容充电到高于电路正常事情电压时,开始供电;当标签储能电容放电到低于电路正常事情电压时,竣事供电。

对付突发通信,例如无源标签UHF RFID空中接口,可以在标签发送应答突发前充够电荷,足以包管应答完成前还能保持足够的电压。于是除了标签可接管到足够强的射频辐射外,还要求芯片拥有足够大年夜的片上电容和足够长的充电光阴。标签应答功耗和应答光阴也必需相适应。因为标签与涉猎器的间隔有远近不合,应答光阴有是非区别,储能电容面积受限等身分,采纳时分供需平衡可能是艰苦的。

(2)面向继续通信的浮充供电要领

对付继续通信,要想保持储能电容不间断供电,必需做到随放随充,充电速率与放电速率邻近,也便是在停止通信前,保持供电能力。

无源标签码分射频识别和UHF RFID无源标签现行标准ISO/IEC18000-6具有合营的特征,标签接管状态必要解调和解码,应答状态要调制和发送,是以,更应该按继续通信来设计标签芯片供电系统。为了使充电速率与放电速率邻近,必需将标签接管的大年夜部分能量用于充电。

3 共享射频资本

3.1 无源标签的射频前端

无源标签对来自涉猎器的射频能量,除作为标签信片电源之外,更紧张的是经由过程无线数据传输实现涉猎器对标签的指令旌旗灯号传送,标签对涉猎器的应答旌旗灯号传送。无源标签对来自涉猎器的射频能量的利用如图3所示:

由图3可见,标签接管的射频能量要分作三份,分手用于芯片建立电源、解调旌旗灯号(包括指令旌旗灯号和同步时钟)和供给应答载波。

现行标准UHF RFID的事情要领具有以下特征:下行信道采纳广播事情要领,上行信道采纳多标签共用单信道排序应答的要领,是以,就信息传输而言,属于单工事情要领。然则因为标签自己不能供给传输载波,标签应答必要借助涉猎器供给载波,是以在标签应答时,就发送状态而言,通信两端处于双工事情装态。

在不合的事情状态,标签投入事情的电路单元不合,不合的电路单元事情所需的功率也不一样,所有的功率都来自标签接管的射频能量。是以,必要合理分共同合时节制射频能量分配。

3.2 不合事情时段的射频能量利用

当标签进入涉猎器射频场开始建立电源时,无论此时涉猎器发送的是什么旌旗灯号,标签都邑将整个接管射频能量供给给倍压整流电路,对片上储能电容充电,藉以建立芯片供电电源。

当涉猎器发送指令旌旗灯号时,涉猎器的发送旌旗灯号是受指令数据编码和扩展频谱序列的幅度调制的旌旗灯号。标签所接管的旌旗灯号中存在载波分量和代表指令数据和扩展频谱序列的边带分量,接管旌旗灯号的总能量、载波能量、边带分量大年夜小与调制有关。此时调制分量被用来传输指令和扩展频谱序列的同步信息,总能量被用来对片上储能电容充电,片上储能电容同时开始对片上同步提取电路和指令旌旗灯号解调电路单元供电。是以,在涉猎器发送指令时段,标签接管射频能量被用于标签继承充电、同步旌旗灯号提取、指令旌旗灯号解调和识别。标签储能电容处于浮充供电状态。

当标签对涉猎器进行应答时,涉猎器的发送旌旗灯号是受扩频展频谱chip率分速度时钟的幅度调制的旌旗灯号。标签所接管的旌旗灯号中存在载波分量和代表扩展频谱chip率分速度时钟的边带分量。此时调制分量被用来传输扩展频谱序列的chip率分速度时钟信息,总能量被用来对片上储能电容充电和受应答数据调制并向涉猎器发送应答,片上储能电容同时开始对片上chip同步提取电路和应答旌旗灯号调制电路单元供电。是以,在涉猎器接管应答时段,标签接管射频能量被用于标签继承充电,chip同步旌旗灯号提取和受应答数据调制并发送应答。标签储能电容处于浮充供电状态。

总之,除标签进入涉猎器射频场,开始建立电源时段外,标签是将整个接管射频能量供给倍压整流电路,对片上储能电容充电,藉以建立芯片供电电源。随后,标签又从所接管的射频旌旗灯号中提取同步,实施指令解调,或进行应答数据调制发送,这都要用到所接管的射频能量。

3.3 不合利用的射频能量需求

(1)无线功率传输的射频能量需求

无线功率传输为标签建立供电电源,是以既要求供给足以驱动芯片电路的电压,又要求具有足够的功率和持续的供电能力。

无线功率传输的电源是在标签没有电源的环境下经由过程接管涉猎器射频场能,倍压整流建立电源,是以,其接管灵敏度受前端检波二极管管压降限定,对付CMOS芯片,倍压整流接管灵敏度在-11~-0.7dBm之间,是无源标签的瓶颈。

(2)接管旌旗灯号检测的射频能量需求

倍压整流建立芯片供电电源的同时,标签要分一部分接管到的射频能供给旌旗灯号检测电路,包括指令旌旗灯号检测和同步时钟检测。因为是在标签已经建立电源的前提下实施旌旗灯号检测,解调灵敏度不受前端检波二极管管压降限定,是以接管灵敏度远高于无线功率传输接管灵敏度,而且属于旌旗灯号幅度检测,没有功率强度要求。

(3)标签应答的射频能量需求

当标签应答发送时,除必要检测同步时钟外,还必要对接管载波(含无意偶尔钟调制包络)进行伪PSK调制并实现反向发射。此时,要求有必然的功率电平,其值取决于涉猎器对标签的间隔和涉猎器接管灵敏度。因为涉猎器事情情况容许采纳较为繁杂的设计,接管机可以实现低噪声前端设计,加以码分射频识别采纳扩展频谱调,还有扩展频谱增益和PSK轨制增益,涉猎器灵敏度可能设计成足够高,乃至对标签返复书号要求降到足够低。

综上所述,将标签接管射频功率主要分配作无线功率传输倍压整流能源,其次分配适量的标签旌旗灯号检测电平和适量的返回调制能量,实现合理的能量分配,包管对储能电容的持续充电是可能的、合理的设计。

可见,无源标签所接管的射频能量有多种利用需求,是以必要有射频功率分配设计;不合的事情时段射频能量的利用需求不一样,是以必要有按不合事情时段需求的射频功率分配设计;不合的利用对射频能量的大年夜小需求不一样,此中无线功率传输要求功率最大年夜,是以射频功率分配该当偏重无线功率传输的需求。

4 总结

UHF RFID无源标签借助无线功率传输建立标签供电电源,是以,供电效率极低,供电能力很弱,标签芯片必需采纳低功耗设计。借助于片上储能电容充放电实施对芯片电路供电,是以,为包管标签持续事情,必需持续为储能电容充电。标签所接管的射频能量有三种不合的利用:倍压整流供电、指令旌旗灯号接管和解调、应答旌旗灯号调制和发送,此中,倍压整流接管灵敏度受整流二极管管压降的制约,成为空中接口的瓶颈。为此,旌旗灯号接管解调和应答旌旗灯号调制和发送是RFID系统必需包管的基础功能,倍压整流标签供电能力越强,产品越有竞争力。是以,标签系统设计中合理分配所接管的射频能量的准则是:包管接管旌旗灯号解调和应答旌旗灯号发送的条件下,尽可能增越发压整流的射频能量提供。

责任编辑:ct

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