UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽的芯片是依靠什么來(lái)供電的

1 引言

國(guó)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(wú)源標(biāo)簽未能實(shí)現(xiàn)芯片低功耗設(shè)計(jì)，可見(jiàn)芯片的低功耗設(shè)計(jì)是非常必要的。因此，只有首先弄清無(wú)源標(biāo)簽的供電機(jī)理，繼而針對(duì)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(wú)源標(biāo)簽的芯片特殊的供電機(jī)理。

2 UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽供電特點(diǎn)

2.1 借助無(wú)線(xiàn)功率傳輸供電

無(wú)線(xiàn)功率傳輸是利用無(wú)線(xiàn)電磁輻射方法將電能從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，其工作原理如圖1所示。工作過(guò)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(xiàn)轉(zhuǎn)換為無(wú)線(xiàn)電電磁場(chǎng)能，無(wú)線(xiàn)電電磁場(chǎng)能經(jīng)空間傳播到達(dá)接收天線(xiàn)，再由接收天線(xiàn)轉(zhuǎn)換回射頻能，檢波變?yōu)橹绷麟娔堋?/p>

1896年意大利人馬可尼(Guglielmo Marchese Marconi)發(fā)明了無(wú)線(xiàn)電，實(shí)現(xiàn)了跨越空間的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳輸。1899年，美國(guó)人泰斯拉(Nikola Tesla)提出了用無(wú)線(xiàn)功率傳輸?shù)乃悸?，并于科羅拉多州建立了一個(gè)60m高、底部加感、頂部加容的天線(xiàn)，利用150kHz的頻率，將300kW輸入功率在距離長(zhǎng)達(dá)42km的距離上傳輸，在接收端獲得了10kW的無(wú)線(xiàn)接收功率。

UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽供電沿用了這個(gè)思路，由閱讀器通過(guò)射頻向標(biāo)簽供電。但是，UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽供電與Tesla試驗(yàn)有巨大的差別：頻率高出近萬(wàn)倍，天線(xiàn)尺寸縮短達(dá)千倍。由于無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)是巨大的。最簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)傳播模式是自由空間傳播，傳播損耗與傳播波長(zhǎng)的平方成反比，與距離的平方成正比，自由空間傳播損耗為L(zhǎng)S=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(wú)線(xiàn)功率傳輸機(jī)理，無(wú)源標(biāo)簽沒(méi)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(guò)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(jiàn)，UHF RFID無(wú)線(xiàn)功率傳輸具有傳輸損耗大的特點(diǎn)，由于RFID遵從國(guó)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(wú)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(chǔ)能電容充放電實(shí)施供電

(1)電容器充放電特性

無(wú)源標(biāo)簽利用無(wú)線(xiàn)功率傳輸獲取能源，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海瑢?duì)片上電容充電儲(chǔ)能，然后通過(guò)放電對(duì)負(fù)載供電。因此，無(wú)源標(biāo)簽的供電過(guò)程就是電容充放電過(guò)程。電容充放電過(guò)程如圖2所示，建立過(guò)程是純充電過(guò)程，供電過(guò)程是放電和補(bǔ)充充電過(guò)程，補(bǔ)充充電必需在放電電壓到達(dá)芯片最低供電電壓以前開(kāi)始。

(2)電容器充放電參數(shù)

1)充電參數(shù)

充電時(shí)間長(zhǎng)數(shù)：τC=RC×C

充電電壓：

充電電流：

式中RC為充電電阻，C為儲(chǔ)能電容。

2)放電參數(shù)

放電時(shí)間長(zhǎng)數(shù)：τD=RD×C

放電電壓：

放電電流：

式中RD為放電電阻，C為儲(chǔ)能電容。

以上說(shuō)明了無(wú)源標(biāo)簽的供電特性，既不是恒壓源，也不是恒流源，而是儲(chǔ)能電容充放電。當(dāng)片上儲(chǔ)能電容充電到達(dá)芯片電路工作電壓V0以上，便能對(duì)標(biāo)簽供電。儲(chǔ)能電容開(kāi)始供電的同時(shí)，其供電電壓就開(kāi)始下降，降至芯片工作電壓V0以下時(shí)，儲(chǔ)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(duì)標(biāo)簽補(bǔ)充充電的能力。

由此可見(jiàn)，無(wú)源標(biāo)簽供電方式與其突發(fā)通信的特點(diǎn)相適應(yīng)，無(wú)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(gè)共同的問(wèn)題，即UHF RFID無(wú)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(wú)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(duì)于無(wú)源標(biāo)簽，接收時(shí)段不發(fā)射信號(hào)，應(yīng)答時(shí)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(duì)于這種應(yīng)用，若把接收時(shí)段作為對(duì)儲(chǔ)能電容充電時(shí)段，應(yīng)答時(shí)段作為儲(chǔ)能電容放電時(shí)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(yùn)行的必需條件。 　　由上述UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽的供電機(jī)理可知，UHF RFID無(wú)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(chǔ)能電容充電到高于電路正常工作電壓時(shí)，開(kāi)始供電;當(dāng)標(biāo)簽儲(chǔ)能電容放電到低于電路正常工作電壓時(shí)，停止供電。

對(duì)于突發(fā)通信，例如無(wú)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(zhǎng)的充電時(shí)間。標(biāo)簽應(yīng)答功耗和應(yīng)答時(shí)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(shí)間有長(zhǎng)短差別，儲(chǔ)能電容面積受限等因素，采用時(shí)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(duì)于連續(xù)通信，要想維持儲(chǔ)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(wú)源標(biāo)簽碼分射頻識(shí)別和UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6具有共同的特點(diǎn)，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(lái)設(shè)計(jì)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(wú)源標(biāo)簽的射頻前端

無(wú)源標(biāo)簽對(duì)來(lái)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(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)閱讀器對(duì)標(biāo)簽的指令信號(hào)傳送，標(biāo)簽對(duì)閱讀器的應(yīng)答信號(hào)傳送。無(wú)源標(biāo)簽對(duì)來(lái)自閱讀器的射頻能量的應(yīng)用如圖3所示：

由圖3可見(jiàn)，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(hào)(包括指令信號(hào)和同步時(shí)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(diǎn)：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(shí)，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(lái)自標(biāo)簽接收的射頻能量。因此，需要合理分配合適時(shí)控制射頻能量分配。

3.2 不同工作時(shí)段的射頻能量應(yīng)用

當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器射頻場(chǎng)開(kāi)始建立電源時(shí)，無(wú)論此時(shí)閱讀器發(fā)送的是什么信號(hào)，標(biāo)簽都會(huì)將全部接收射頻能量提供給倍壓整流電路，對(duì)片上儲(chǔ)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(hào)時(shí)，閱讀器的發(fā)送信號(hào)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(hào)。標(biāo)簽所接收的信號(hào)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(hào)的總能量、載波能量、邊帶分量大小與調(diào)制有關(guān)。此時(shí)調(diào)制分量被用來(lái)傳輸指令和擴(kuò)展頻譜序列的同步信息，總能量被用來(lái)對(duì)片上儲(chǔ)能電容充電，片上儲(chǔ)能電容同時(shí)開(kāi)始對(duì)片上同步提取電路和指令信號(hào)解調(diào)電路單元供電。因此，在閱讀器發(fā)送指令時(shí)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(hào)提取、指令信號(hào)解調(diào)和識(shí)別。標(biāo)簽儲(chǔ)能電容處于浮充供電狀態(tài)。

當(dāng)標(biāo)簽對(duì)閱讀器進(jìn)行應(yīng)答時(shí)，閱讀器的發(fā)送信號(hào)是受擴(kuò)頻展頻譜chip率分速率時(shí)鐘的幅度調(diào)制的信號(hào)。標(biāo)簽所接收的信號(hào)中存在載波分量和代表擴(kuò)展頻譜chip率分速率時(shí)鐘的邊帶分量。此時(shí)調(diào)制分量被用來(lái)傳輸擴(kuò)展頻譜序列的chip率分速率時(shí)鐘信息，總能量被用來(lái)對(duì)片上儲(chǔ)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(chǔ)能電容同時(shí)開(kāi)始對(duì)片上chip同步提取電路和應(yīng)答信號(hào)調(diào)制電路單元供電。因此，在閱讀器接收應(yīng)答時(shí)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(hào)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(chǔ)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(chǎng)，開(kāi)始建立電源時(shí)段外，標(biāo)簽是將全部接收射頻能量提供倍壓整流電路，對(duì)片上儲(chǔ)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(hào)中提取同步，實(shí)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(wú)線(xiàn)功率傳輸?shù)纳漕l能量需求

無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(wú)線(xiàn)功率傳輸?shù)碾娫词窃跇?biāo)簽沒(méi)有電源的情況下通過(guò)接收閱讀器射頻場(chǎng)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(duì)于CMOS芯片，倍壓整流接收靈敏度在-11～-0.7dBm之間，是無(wú)源標(biāo)簽的瓶頸。

(2)接收信號(hào)檢測(cè)的射頻能量需求

倍壓整流建立芯片供電電源的同時(shí)，標(biāo)簽要分一部分接收到的射頻能提供信號(hào)檢測(cè)電路，包括指令信號(hào)檢測(cè)和同步時(shí)鐘檢測(cè)。由于是在標(biāo)簽已經(jīng)建立電源的條件下實(shí)施信號(hào)檢測(cè)，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(wú)線(xiàn)功率傳輸接收靈敏度，而且屬于信號(hào)幅度檢測(cè)，沒(méi)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(shí)，除需要檢測(cè)同步時(shí)鐘外，還需要對(duì)接收載波(含有時(shí)鐘調(diào)制包絡(luò))進(jìn)行偽PSK調(diào)制并實(shí)現(xiàn)反向發(fā)射。此時(shí)，要求有一定的功率電平，其值取決于閱讀器對(duì)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(jì)，接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低噪聲前端設(shè)計(jì)，加以碼分射頻識(shí)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(jì)成足夠高，以致對(duì)標(biāo)簽返回信號(hào)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(wú)線(xiàn)功率傳輸倍壓整流能源，其次分配適量的標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)電平和適量的返回調(diào)制能量，實(shí)現(xiàn)合理的能量分配，保證對(duì)儲(chǔ)能電容的持續(xù)充電是可能的、合理的設(shè)計(jì)。

可見(jiàn)，無(wú)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(jì);不同的工作時(shí)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(shí)段需求的射頻功率分配設(shè)計(jì);不同的應(yīng)用對(duì)射頻能量的大小需求不一樣，其中無(wú)線(xiàn)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(xiàn)功率傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4 總結(jié)

UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽借助無(wú)線(xiàn)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(jì)。借助于片上儲(chǔ)能電容充放電實(shí)施對(duì)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(chǔ)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(hào)接收和解調(diào)、應(yīng)答信號(hào)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(hào)接收解調(diào)和應(yīng)答信號(hào)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(jìng)爭(zhēng)力。因此，標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)中合理分配所接收的射頻能量的準(zhǔn)則是：保證接收信號(hào)解調(diào)和應(yīng)答信號(hào)發(fā)送的前提下，盡可能增加倍壓整流的射頻能量供給。