UHF RFID無源標(biāo)簽的芯片是依靠什么來供電的
2020-3-26新聞
1 引言
國外基于CDMA的RFID空中接口研究工作，至今仍然停留在有源標(biāo)簽、只發(fā)不收的研究階段，其直接原因通常歸咎于無源標(biāo)簽未能實現(xiàn)芯片低功耗設(shè)計，可見芯片的低功耗設(shè)計是非常必要的。因此，只有首先弄清無源標(biāo)簽的供電機(jī)理，繼而針對UHF RFID空中接口的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，才可能尋得完整的解決方案。本文旨在介紹UHF RFID無源標(biāo)簽的芯片特殊的供電機(jī)理。
2 UHF RFID無源標(biāo)簽供電特點
2.1 借助無線功率傳輸供電
無線功率傳輸是利用無線電磁輻射方法將電能從一個地方傳送到另一個地方，其工作原理如圖1所示。工作過程是將電能經(jīng)射頻振蕩轉(zhuǎn)換為射頻能，射頻能經(jīng)發(fā)射天線轉(zhuǎn)換為無線電電磁場能，無線電電磁場能經(jīng)空間傳播到達(dá)接收天線，再由接收天線轉(zhuǎn)換回射頻能，檢波變?yōu)橹绷麟娔堋?/span>
1896年意大利人馬可尼(Guglielmo Marchese Marconi)發(fā)明了無線電，實現(xiàn)了跨越空間的無線電信號傳輸。1899年，美國人泰斯拉(Nikola Tesla)提出了用無線功率傳輸?shù)乃悸?，并于科羅拉多州建立了一個60m高、底部加感、頂部加容的天線，利用150kHz的頻率，將300kW輸入功率在距離長達(dá)42km的距離上傳輸，在接收端獲得了10kW的無線接收功率。
UHF RFID無源標(biāo)簽供電沿用了這個思路，由閱讀器通過射頻向標(biāo)簽供電。但是，UHF RFID無源標(biāo)簽供電與Tesla試驗有巨大的差別：頻率高出近萬倍，天線尺寸縮短達(dá)千倍。由于無線傳輸損耗與頻率平方成正比，與距離的平方成正比，顯然，傳輸損耗增長是巨大的。最簡單的無線傳播模式是自由空間傳播，傳播損耗與傳播波長的平方成反比，與距離的平方成正比，自由空間傳播損耗為LS=20lg(4πd/λ)。若距離d單位為m，頻率f單位為MHz，則LS= -27.56+20lgd+20lgf。
UHF RFID系統(tǒng)基于無線功率傳輸機(jī)理，無源標(biāo)簽沒有自備供電電源，需借助于接收閱讀器發(fā)射的射頻能量，通過倍壓整流，即狄克遜泵(Dickson charge pump)建立直流供電電源。
UHF RFID空中接口適用的通信距離主要決定于閱讀器發(fā)射功率和空間基本傳播損耗。UHF頻段RFID閱讀器發(fā)射功率通常被限制為33dBm。由基本傳播損耗公式，忽略其它任何可能產(chǎn)生的損耗，可以算出通過無線功率傳輸?shù)竭_(dá)標(biāo)簽的射頻功率。UHF RFID空中接口通信距離與基本傳播損耗的關(guān)系和到達(dá)標(biāo)簽的射頻功率如表1所示：
表1 通信距離與傳播損耗和到達(dá)標(biāo)簽射頻功率的關(guān)系
注：假定閱讀器發(fā)射功率為33dBm。
由表1可見，UHF RFID無線功率傳輸具有傳輸損耗大的特點，由于RFID遵從國家短距離通信規(guī)則，閱讀器發(fā)射功率受限，所以標(biāo)簽可供電功率低。隨著通信距離加大，無源標(biāo)簽接收射頻能量按頻方率下降，供電能力迅速減弱。
2.2 借助片上儲能電容充放電實施供電
(1)電容器充放電特性
無源標(biāo)簽利用無線功率傳輸獲取能源，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海瑢ζ想娙莩潆妰δ?，然后通過放電對負(fù)載供電。因此，無源標(biāo)簽的供電過程就是電容充放電過程。電容充放電過程如圖2所示，建立過程是純充電過程，供電過程是放電和補充充電過程，補充充電必需在放電電壓到達(dá)芯片最低供電電壓以前開始。
(2)電容器充放電參數(shù)
1)充電參數(shù)
充電時間長數(shù)：τC=RC×C
充電電壓：
充電電流：
式中RC為充電電阻，C為儲能電容。
2)放電參數(shù)
放電時間長數(shù)：τD=RD×C
放電電壓：
放電電流：
式中RD為放電電阻，C為儲能電容。
以上說明了無源標(biāo)簽的供電特性，既不是恒壓源，也不是恒流源，而是儲能電容充放電。當(dāng)片上儲能電容充電到達(dá)芯片電路工作電壓V0以上，便能對標(biāo)簽供電。儲能電容開始供電的同時，其供電電壓就開始下降，降至芯片工作電壓V0以下時，儲能電容失去供電能力，芯片將不能繼續(xù)工作。因此，空中接口標(biāo)簽應(yīng)具有足夠的對標(biāo)簽補充充電的能力。
由此可見，無源標(biāo)簽供電方式與其突發(fā)通信的特點相適應(yīng)，無源標(biāo)簽供電還需要有持續(xù)充電的支持。
2.3 供需平衡
浮充供電是另一種供電方式，浮充供電能力與放電能力相適應(yīng)。但它們都有一個共同的問題，即UHF RFID無源標(biāo)簽的供電需要供需平衡。
(1)面向突發(fā)通信的供需平衡供電方式
UHF RFID無源標(biāo)簽現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6屬于突發(fā)通信系統(tǒng)，對于無源標(biāo)簽，接收時段不發(fā)射信號，應(yīng)答時段雖然接收載波，但等效于獲取振蕩源，因此可以認(rèn)為是單工工作方式。對于這種應(yīng)用，若把接收時段作為對儲能電容充電時段，應(yīng)答時段作為儲能電容放電時段，則充放電電荷量相等保持供需平衡成為維持系統(tǒng)正常運行的必需條件。 由上述UHF RFID無源標(biāo)簽的供電機(jī)理可知，UHF RFID無源標(biāo)簽的供電電源既不是恒流源，也不是恒壓源。當(dāng)標(biāo)簽儲能電容充電到高于電路正常工作電壓時，開始供電;當(dāng)標(biāo)簽儲能電容放電到低于電路正常工作電壓時，停止供電。
對于突發(fā)通信，例如無源標(biāo)簽UHF RFID空中接口，可以在標(biāo)簽發(fā)送應(yīng)答突發(fā)前充夠電荷，足以保證應(yīng)答完成前還能維持足夠的電壓。于是除了標(biāo)簽可接收到足夠強(qiáng)的射頻輻射外，還要求芯片擁有足夠大的片上電容和足夠長的充電時間。標(biāo)簽應(yīng)答功耗和應(yīng)答時間也必需相適應(yīng)。由于標(biāo)簽與閱讀器的距離有遠(yuǎn)近不同，應(yīng)答時間有長短差別，儲能電容面積受限等因素，采用時分供需平衡可能是困難的。
(2)面向連續(xù)通信的浮充供電方式
對于連續(xù)通信，要想維持儲能電容不間斷供電，必需做到隨放隨充，充電速度與放電速度相近，也就是在結(jié)束通信前，維持供電能力。
無源標(biāo)簽碼分射頻識別和UHF RFID無源標(biāo)簽現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6具有共同的特點，標(biāo)簽接收狀態(tài)需要解調(diào)和解碼，應(yīng)答狀態(tài)要調(diào)制和發(fā)送，因此，更應(yīng)該按連續(xù)通信來設(shè)計標(biāo)簽芯片供電系統(tǒng)。為了使充電速度與放電速度相近，必需將標(biāo)簽接收的大部分能量用于充電。
3 共享射頻資源
3.1 無源標(biāo)簽的射頻前端
無源標(biāo)簽對來自閱讀器的射頻能量，除作為標(biāo)簽信片電源之外，更重要的是通過無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)閱讀器對標(biāo)簽的指令信號傳送，標(biāo)簽對閱讀器的應(yīng)答信號傳送。無源標(biāo)簽對來自閱讀器的射頻能量的應(yīng)用如圖3所示：
由圖3可見，標(biāo)簽接收的射頻能量要分作三份，分別用于芯片建立電源、解調(diào)信號(包括指令信號和同步時鐘)和提供應(yīng)答載波。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)UHF RFID的工作方式具有以下特點：下行信道采用廣播工作方式，上行信道采用多標(biāo)簽共用單信道排序應(yīng)答的方式，因此，就信息傳輸而言，屬于單工工作方式。但是由于標(biāo)簽自己不能提供傳輸載波，標(biāo)簽應(yīng)答需要借助閱讀器提供載波，因此在標(biāo)簽應(yīng)答時，就發(fā)送狀態(tài)而言，通信兩端處于雙工工作裝態(tài)。
在不同的工作狀態(tài)，標(biāo)簽投入工作的電路單元不同，不同的電路單元工作所需的功率也不一樣，所有的功率都來自標(biāo)簽接收的射頻能量。因此，需要合理分配合適時控制射頻能量分配。
3.2 不同工作時段的射頻能量應(yīng)用
當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器射頻場開始建立電源時，無論此時閱讀器發(fā)送的是什么信號，標(biāo)簽都會將全部接收射頻能量提供給倍壓整流電路，對片上儲能電容充電，藉以建立芯片供電電源。
當(dāng)閱讀器發(fā)送指令信號時，閱讀器的發(fā)送信號是受指令數(shù)據(jù)編碼和擴(kuò)展頻譜序列的幅度調(diào)制的信號。標(biāo)簽所接收的信號中存在載波分量和代表指令數(shù)據(jù)和擴(kuò)展頻譜序列的邊帶分量，接收信號的總能量、載波能量、邊帶分量大小與調(diào)制有關(guān)。此時調(diào)制分量被用來傳輸指令和擴(kuò)展頻譜序列的同步信息，總能量被用來對片上儲能電容充電，片上儲能電容同時開始對片上同步提取電路和指令信號解調(diào)電路單元供電。因此，在閱讀器發(fā)送指令時段，標(biāo)簽接收射頻能量被用于標(biāo)簽繼續(xù)充電、同步信號提取、指令信號解調(diào)和識別。標(biāo)簽儲能電容處于浮充供電狀態(tài)。
當(dāng)標(biāo)簽對閱讀器進(jìn)行應(yīng)答時，閱讀器的發(fā)送信號是受擴(kuò)頻展頻譜chip率分速率時鐘的幅度調(diào)制的信號。標(biāo)簽所接收的信號中存在載波分量和代表擴(kuò)展頻譜chip率分速率時鐘的邊帶分量。此時調(diào)制分量被用來傳輸擴(kuò)展頻譜序列的chip率分速率時鐘信息，總能量被用來對片上儲能電容充電和受應(yīng)答數(shù)據(jù)調(diào)制并向閱讀器發(fā)送應(yīng)答，片上儲能電容同時開始對片上chip同步提取電路和應(yīng)答信號調(diào)制電路單元供電。因此，在閱讀器接收應(yīng)答時段，標(biāo)簽接收射頻能量被用于標(biāo)簽繼續(xù)充電，chip同步信號提取和受應(yīng)答數(shù)據(jù)調(diào)制并發(fā)送應(yīng)答。標(biāo)簽儲能電容處于浮充供電狀態(tài)。
總之，除標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器射頻場，開始建立電源時段外，標(biāo)簽是將全部接收射頻能量提供倍壓整流電路，對片上儲能電容充電，藉以建立芯片供電電源。隨后，標(biāo)簽又從所接收的射頻信號中提取同步，實施指令解調(diào)，或進(jìn)行應(yīng)答數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送，這都要用到所接收的射頻能量。
3.3 不同應(yīng)用的射頻能量需求
(1)無線功率傳輸?shù)纳漕l能量需求
無線功率傳輸為標(biāo)簽建立供電電源，因此既要求提供足以驅(qū)動芯片電路的電壓，又要求具有足夠的功率和持續(xù)的供電能力。
無線功率傳輸?shù)碾娫词窃跇?biāo)簽沒有電源的情況下通過接收閱讀器射頻場能，倍壓整流建立電源，因此，其接收靈敏度受前端檢波二極管管壓降限制，對于CMOS芯片，倍壓整流接收靈敏度在-11～-0.7dBm之間，是無源標(biāo)簽的瓶頸。
(2)接收信號檢測的射頻能量需求
倍壓整流建立芯片供電電源的同時，標(biāo)簽要分一部分接收到的射頻能提供信號檢測電路，包括指令信號檢測和同步時鐘檢測。由于是在標(biāo)簽已經(jīng)建立電源的條件下實施信號檢測，解調(diào)靈敏度不受前端檢波二極管管壓降限制，因此接收靈敏度遠(yuǎn)高于無線功率傳輸接收靈敏度，而且屬于信號幅度檢測，沒有功率強(qiáng)度要求。
(3)標(biāo)簽應(yīng)答的射頻能量需求
當(dāng)標(biāo)簽應(yīng)答發(fā)送時，除需要檢測同步時鐘外，還需要對接收載波(含有時鐘調(diào)制包絡(luò))進(jìn)行偽PSK調(diào)制并實現(xiàn)反向發(fā)射。此時，要求有一定的功率電平，其值取決于閱讀器對標(biāo)簽的距離和閱讀器接收靈敏度。由于閱讀器工作環(huán)境允許采用較為復(fù)雜的設(shè)計，接收機(jī)可以實現(xiàn)低噪聲前端設(shè)計，加以碼分射頻識別采用擴(kuò)展頻譜調(diào)，還有擴(kuò)展頻譜增益和PSK制度增益，閱讀器靈敏度可能設(shè)計成足夠高，以致對標(biāo)簽返回信號要求降到足夠低。
綜上所述，將標(biāo)簽接收射頻功率主要分配作無線功率傳輸倍壓整流能源，其次分配適量的標(biāo)簽信號檢測電平和適量的返回調(diào)制能量，實現(xiàn)合理的能量分配，保證對儲能電容的持續(xù)充電是可能的、合理的設(shè)計。
可見，無源標(biāo)簽所接收的射頻能量有多種應(yīng)用需求，因此需要有射頻功率分配設(shè)計;不同的工作時段射頻能量的應(yīng)用需求不一樣，因此需要有按不同工作時段需求的射頻功率分配設(shè)計;不同的應(yīng)用對射頻能量的大小需求不一樣，其中無線功率傳輸要求功率最大，因此射頻功率分配應(yīng)當(dāng)側(cè)重?zé)o線功率傳輸?shù)男枨蟆?/span>
4 總結(jié)
UHF RFID無源標(biāo)簽借助無線功率傳輸建立標(biāo)簽供電電源，因此，供電效率極低，供電能力很弱，標(biāo)簽芯片必需采用低功耗設(shè)計。借助于片上儲能電容充放電實施對芯片電路供電，因此，為保證標(biāo)簽持續(xù)工作，必需持續(xù)為儲能電容充電。標(biāo)簽所接收的射頻能量有三種不同的應(yīng)用：倍壓整流供電、指令信號接收和解調(diào)、應(yīng)答信號調(diào)制和發(fā)送，其中，倍壓整流接收靈敏度受整流二極管管壓降的制約，成為空中接口的瓶頸。為此，信號接收解調(diào)和應(yīng)答信號調(diào)制和發(fā)送是RFID系統(tǒng)必需保證的基本功能，倍壓整流標(biāo)簽供電能力越強(qiáng)，產(chǎn)品越有競爭力。因此，標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計中合理分配所接收的射頻能量的準(zhǔn)則是：保證接收信號解調(diào)和應(yīng)答信號發(fā)送的前提下，盡可能增加倍壓整流的射頻能量供給。
