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UHF RFID无源标签的芯片供电机理

点击数:  更新时间:2018-01-11 09:15:57 【打印此页】 【关闭

 1 引言

  国外基于CDMA的RFID空中接口研究工作,至今仍然停留在有源标签、只发不收的研究阶段,其直接原因通常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非常必要的。因此,只有首先弄清无源标签的供电机理,继而针对UHF RFID空中接口的应用环境进行分析,才可能寻得完整的解决方案。本文旨在介绍UHF RFID无源标签的芯片特殊的供电机理。

  2 UHF RFID无源标签供电特点

  2.1 借助无线功率传输供电

  无线功率传输是利用无线电磁辐射方法将电能从一个地方传送到另一个地方,其工作原理如图1所示。工作过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收天线,再由接收天线转换回射频能,检波变为直流电能。

UHF RFID无源标签的芯片供电机理

  1896年意大利人马可尼(Guglielmo Marchese Marconi)发明了无线电,实现了跨越空间的无线电信号传输。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,利用150kHz的频率,将300kW输入功率在距离长达42km的距离上传输,在接收端获得了10kW的无线接收功率。

  UHF RFID无源标签供电沿用了这个思路,由阅读器通过射频向标签供电。但是,UHF RFID无源标签供电与Tesla试验有巨大的差别:频率高出近万倍,天线尺寸缩短达千倍。由于无线传输损耗与频率平方成正比,与距离的平方成正比,显然,传输损耗增长是巨大的。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,与距离的平方成正比,自由空间传播损耗为LS=20lg(4πd/λ)。若距离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,需借助于接收阅读器发射的射频能量,通过倍压整流,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距离主要决定于阅读器发射功率和空间基本传播损耗。UHF频段RFID阅读器发射功率通常被限制为33dBm。由基本传播损耗公式,忽略其它任何可能产生的损耗,可以算出通过无线功率传输到达标签的射频功率。UHF RFID空中接口通信距离与基本传播损耗的关系和到达标签的射频功率如表1所示:

UHF RFID无源标签的芯片供电机理

  表1 通信距离与传播损耗和到达标签射频功率的关系

  注:假定阅读器发射功率为33dBm。

  由表1可见,UHF RFID无线功率传输具有传输损耗大的特点,由于RFID遵从国家短距离通信规则,阅读器发射功率受限,所以标签可供电功率低。随着通信距离加大,无源标签接收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)电容器充放电特性

  无源标签利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,然后通过放电对负载供电。因此,无源标签的供电过程就是电容充放电过程。电容充放电过程如图2所示,建立过程是纯充电过程,供电过程是放电和补充充电过程,补充充电必需在放电电压到达芯片最低供电电压以前开始。

UHF RFID无源标签的芯片供电机理

  (2)电容器充放电参数

  1)充电参数

  充电时间长数: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

  放电时间长数: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。

  以上说明了无源标签的供电特性,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工作电压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,降至芯片工作电压V0以下时,储能电容失去供电能力,芯片将不能继续工作。因此,空中接口标签应具有足够的对标签补充充电的能力。

  由此可见,无源标签供电方式与其突发通信的特点相适应,无源标签供电还需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方式,浮充供电能力与放电能力相适应。但它们都有一个共同的问题,即UHF RFID无源标签的供电需要供需平衡。

  (1)面向突发通信的供需平衡供电方式

  UHF RFID无源标签现行标准ISO/IEC18000-6属于突发通信系统,对于无源标签,接收时段不发射信号,应答时段虽然接收载波,但等效于获取振荡源,因此可以认为是单工工作方式。对于这种应用,若把接收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保持供需平衡成为维持系统正常运行的必需条件。   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工作电压时,开始供电;当标签储能电容放电到低于电路正常工作电压时,停止供电。

  对于突发通信,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,足以保证应答完成前还能维持足够的电压。于是除了标签可接收到足够强的射频辐射外,还要求芯片拥有足够大的片上电容和足够长的充电时间。标签应答功耗和应答时间也必需相适应。由于标签与阅读器的距离有远近不同,应答时间有长短差别,储能电容面积受限等因素,采用时分供需平衡可能是困难的。

  (2)面向连续通信的浮充供电方式

  对于连续通信,要想维持储能电容不间断供电,必需做到随放随充,充电速度与放电速度相近,也就是在结束通信前,维持供电能力。

  无源标签码分射频识别和UHF RFID无源标签现行标准ISO/IEC18000-6具有共同的特点,标签接收状态需要解调和解码,应答状态要调制和发送,因此,更应该按连续通信来设计标签芯片供电系统。为了使充电速度与放电速度相近,必需将标签接收的大部分能量用于充电。

  3 共享射频资源

  3.1 无源标签的射频前端

  无源标签对来自阅读器的射频能量,除作为标签信片电源之外,更重要的是通过无线数据传输实现阅读器对标签的指令信号传送,标签对阅读器的应答信号传送。无源标签对来自阅读器的射频能量的应用如图3所示:

UHF RFID无源标签的芯片供电机理

  由图3可见,标签接收的射频能量要分作三份,分别用于芯片建立电源、解调信号(包括指令信号和同步时钟)和提供应答载波。

  现行标准UHF RFID的工作方式具有以下特点:下行信道采用广播工作方式,上行信道采用多标签共用单信道排序应答的方式,因此,就信息传输而言,属于单工工作方式。但是由于标签自己不能提供传输载波,标签应答需要借助阅读器提供载波,因此在标签应答时,就发送状态而言,通信两端处于双工工作装态。

  在不同的工作状态,标签投入工作的电路单元不同,不同的电路单元工作所需的功率也不一样,所有的功率都来自标签接收的射频能量。因此,需要合理分配合适时控制射频能量分配。

  3.2 不同工作时段的射频能量应用

  当标签进入阅读器射频场开始建立电源时,无论此时阅读器发送的是什么信号,标签都会将全部接收射频能量提供给倍压整流电路,对片上储能电容充电,藉以建立芯片供电电源。

  当阅读器发送指令信号时,阅读器的发送信号是受指令数据编码和扩展频谱序列的幅度调制的信号。标签所接收的信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,接收信号的总能量、载波能量、边带分量大小与调制有关。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信号解调电路单元供电。因此,在阅读器发送指令时段,标签接收射频能量被用于标签继续充电、同步信号提取、指令信号解调和识别。标签储能电容处于浮充供电状态。

  当标签对阅读器进行应答时,阅读器的发送信号是受扩频展频谱chip率分速率时钟的幅度调制的信号。标签所接收的信号中存在载波分量和代表扩展频谱chip率分速率时钟的边带分量。此时调制分量被用来传输扩展频谱序列的chip率分速率时钟信息,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阅读器发送应答,片上储能电容同时开始对片上chip同步提取电路和应答信号调制电路单元供电。因此,在阅读器接收应答时段,标签接收射频能量被用于标签继续充电,chip同步信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,除标签进入阅读器射频场,开始建立电源时段外,标签是将全部接收射频能量提供倍压整流电路,对片上储能电容充电,藉以建立芯片供电电源。随后,标签又从所接收的射频信号中提取同步,实施指令解调,或进行应答数据调制发送,这都要用到所接收的射频能量。

  3.3 不同应用的射频能量需求

  (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,因此既要求提供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情况下通过接收阅读器射频场能,倍压整流建立电源,因此,其接收灵敏度受前端检波二极管管压降限制,对于CMOS芯片,倍压整流接收灵敏度在-11~-0.7dBm之间,是无源标签的瓶颈。

  (2)接收信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,标签要分一部分接收到的射频能提供信号检测电路,包括指令信号检测和同步时钟检测。由于是在标签已经建立电源的条件下实施信号检测,解调灵敏度不受前端检波二极管管压降限制,因此接收灵敏度远高于无线功率传输接收灵敏度,而且属于信号幅度检测,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,除需要检测同步时钟外,还需要对接收载波(含有时钟调制包络)进行伪PSK调制并实现反向发射。此时,要求有一定的功率电平,其值取决于阅读器对标签的距离和阅读器接收灵敏度。由于阅读器工作环境允许采用较为复杂的设计,接收机可以实现低噪声前端设计,加以码分射频识别采用扩展频谱调,还有扩展频谱增益和PSK制度增益,阅读器灵敏度可能设计成足够高,以致对标签返回信号要求降到足够低。

  综上所述,将标签接收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信号检测电平和适量的返回调制能量,实现合理的能量分配,保证对储能电容的持续充电是可能的、合理的设计。

  可见,无源标签所接收的射频能量有多种应用需求,因此需要有射频功率分配设计;不同的工作时段射频能量的应用需求不一样,因此需要有按不同工作时段需求的射频功率分配设计;不同的应用对射频能量的大小需求不一样,其中无线功率传输要求功率最大,因此射频功率分配应当侧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,因此,供电效率极低,供电能力很弱,标签芯片必需采用低功耗设计。借助于片上储能电容充放电实施对芯片电路供电,因此,为保证标签持续工作,必需持续为储能电容充电。标签所接收的射频能量有三种不同的应用:倍压整流供电、指令信号接收和解调、应答信号调制和发送,其中,倍压整流接收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,信号接收解调和应答信号调制和发送是RFID系统必需保证的基本功能,倍压整流标签供电能力越强,产品越有竞争力。因此,标签系统设计中合理分配所接收的射频能量的准则是:保证接收信号解调和应答信号发送的前提下,尽可能增加倍压整流的射频能量供给。

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