UHF RFID無源標籤的晶片是依靠什麼來供電的

1 引言

國外基於CDMA的RFID空中接口研究工作，至今仍然停留在有源標籤、只發不收的研究階段，其直接原因通常歸咎於無源標籤未能實現晶片低功耗設計，可見晶片的低功耗設計是非常必要的。因此，只有首先弄清無源標籤的供電機理，繼而針對UHF RFID空中接口的應用環境進行分析，才可能尋得完整的解決方案。本文旨在介紹UHF RFID無源標籤的晶片特殊的供電機理。

2 UHF RFID無源標籤供電特點

2.1 藉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射頻振蕩轉換為射頻能，射頻能經發射天線轉換為無線電電磁場能，無線電電磁場能經空間傳播到達接收天線，再由接收天線轉換回射頻能，檢波變為直流電能。

1896年義大利人馬可尼(Guglielmo Marchese Marconi)發明了無線電，實現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的思路，並於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無源標籤供電沿用了這個思路，由閱讀器通過射頻向標籤供電。但是，UHF RFID無源標籤供電與Tesla試驗有巨大的差別：頻率高出近萬倍，天線尺寸縮短達千倍。由於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系統基於無線功率傳輸機理，無源標籤沒有自備供電電源，需藉助於接收閱讀器發射的射頻能量，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於閱讀器發射功率和空間基本傳播損耗。UHF頻段RFID閱讀器發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生的損耗，可以算出通過無線功率傳輸到達標籤的射頻功率。UHF RFID空中接口通信距離與基本傳播損耗的關係和到達標籤的射頻功率如表1所示：

表1 通信距離與傳播損耗和到達標籤射頻功率的關係

註：假定閱讀器發射功率為33dBm。

由表1可見，UHF RFID無線功率傳輸具有傳輸損耗大的特點，由於RFID遵從國家短距離通信規則，閱讀器發射功率受限，所以標籤可供電功率低。隨著通信距離加大，無源標籤接收射頻能量按頻方率下降，供電能力迅速減弱。

2.2 藉助片上儲能電容充放電實施供電

(1)電容器充放電特性

無源標籤利用無線功率傳輸獲取能源，轉變為直流電壓，對片上電容充電儲能，然後通過放電對負載供電。因此，無源標籤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晶片最低供電電壓以前開始。

(2)電容器充放電參數

1)充電參數

充電時間長數：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

放電時間長數：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。

以上說明了無源標籤的供電特性，既不是恆壓源，也不是恆流源，而是儲能電容充放電。當片上儲能電容充電到達晶片電路工作電壓V0以上，便能對標籤供電。儲能電容開始供電的同時，其供電電壓就開始下降，降至晶片工作電壓V0以下時，儲能電容失去供電能力，晶片將不能繼續工作。因此，空中接口標籤應具有足夠的對標籤補充充電的能力。

由此可見，無源標籤供電方式與其突發通信的特點相適應，無源標籤供電還需要有持續充電的支持。

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。但它們都有一個共同的問題，即UHF RFID無源標籤的供電需要供需平衡。

(1)面向突發通信的供需平衡供電方式

UHF RFID無源標籤現行標準ISO/IEC18000-6屬於突發通信系統，對於無源標籤，接收時段不發射信號，應答時段雖然接收載波，但等效於獲取振蕩源，因此可以認為是單工工作方式。對於這種應用，若把接收時段作為對儲能電容充電時段，應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正常運行的必需條件。 　　由上述UHF RFID無源標籤的供電機理可知，UHF RFID無源標籤的供電電源既不是恆流源，也不是恆壓源。當標籤儲能電容充電到高於電路正常工作電壓時，開始供電;當標籤儲能電容放電到低於電路正常工作電壓時，停止供電。

對於突發通信，例如無源標籤UHF RFID空中接口，可以在標籤發送應答突發前充夠電荷，足以保證應答完成前還能維持足夠的電壓。於是除了標籤可接收到足夠強的射頻輻射外，還要求晶片擁有足夠大的片上電容和足夠長的充電時間。標籤應答功耗和應答時間也必需相適應。由於標籤與閱讀器的距離有遠近不同，應答時間有長短差別，儲能電容面積受限等因素，採用時分供需平衡可能是困難的。

(2)面向連續通信的浮充供電方式

對於連續通信，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，也就是在結束通信前，維持供電能力。

無源標籤碼分射頻識別和UHF RFID無源標籤現行標準ISO/IEC18000-6具有共同的特點，標籤接收狀態需要解調和解碼，應答狀態要調製和發送，因此，更應該按連續通信來設計標籤晶片供電系統。為了使充電速度與放電速度相近，必需將標籤接收的大部分能量用於充電。

3 共享射頻資源

3.1 無源標籤的射頻前端

無源標籤對來自閱讀器的射頻能量，除作為標籤信片電源之外，更重要的是通過無線數據傳輸實現閱讀器對標籤的指令信號傳送，標籤對閱讀器的應答信號傳送。無源標籤對來自閱讀器的射頻能量的應用如圖3所示：

由圖3可見，標籤接收的射頻能量要分作三份，分別用於晶片建立電源、解調信號(包括指令信號和同步時鐘)和提供應答載波。

現行標準UHF RFID的工作方式具有以下特點：下行信道採用廣播工作方式，上行信道採用多標籤共用單信道排序應答的方式，因此，就信息傳輸而言，屬於單工工作方式。但是由於標籤自己不能提供傳輸載波，標籤應答需要藉助閱讀器提供載波，因此在標籤應答時，就發送狀態而言，通信兩端處於雙工工作裝態。

在不同的工作狀態，標籤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籤接收的射頻能量。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用

當標籤進入閱讀器射頻場開始建立電源時，無論此時閱讀器發送的是什麼信號，標籤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，藉以建立晶片供電電源。

當閱讀器發送指令信號時，閱讀器的發送信號是受指令數據編碼和擴展頻譜序列的幅度調製的信號。標籤所接收的信號中存在載波分量和代表指令數據和擴展頻譜序列的邊帶分量，接收信號的總能量、載波能量、邊帶分量大小與調製有關。此時調製分量被用來傳輸指令和擴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電路單元供電。因此，在閱讀器發送指令時段，標籤接收射頻能量被用於標籤繼續充電、同步信號提取、指令信號解調和識別。標籤儲能電容處於浮充供電狀態。

當標籤對閱讀器進行應答時，閱讀器的發送信號是受擴頻展頻譜chip率分速率時鐘的幅度調製的信號。標籤所接收的信號中存在載波分量和代表擴展頻譜chip率分速率時鐘的邊帶分量。此時調製分量被用來傳輸擴展頻譜序列的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答數據調製並向閱讀器發送應答，片上儲能電容同時開始對片上chip同步提取電路和應答信號調製電路單元供電。因此，在閱讀器接收應答時段，標籤接收射頻能量被用於標籤繼續充電，chip同步信號提取和受應答數據調製並發送應答。標籤儲能電容處於浮充供電狀態。

總之，除標籤進入閱讀器射頻場，開始建立電源時段外，標籤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，藉以建立晶片供電電源。隨後，標籤又從所接收的射頻信號中提取同步，實施指令解調，或進行應答數據調製發送，這都要用到所接收的射頻能量。

3.3 不同應用的射頻能量需求

(1)無線功率傳輸的射頻能量需求

無線功率傳輸為標籤建立供電電源，因此既要求提供足以驅動晶片電路的電壓，又要求具有足夠的功率和持續的供電能力。

無線功率傳輸的電源是在標籤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體管壓降限制，對於CMOS晶片，倍壓整流接收靈敏度在-11～-0.7dBm之間，是無源標籤的瓶頸。

(2)接收信號檢測的射頻能量需求

倍壓整流建立晶片供電電源的同時，標籤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。由於是在標籤已經建立電源的條件下實施信號檢測，解調靈敏度不受前端檢波二極體管壓降限制，因此接收靈敏度遠高於無線功率傳輸接收靈敏度，而且屬於信號幅度檢測，沒有功率強度要求。

(3)標籤應答的射頻能量需求

當標籤應答發送時，除需要檢測同步時鐘外，還需要對接收載波(含有時鐘調製包絡)進行偽PSK調製並實現反向發射。此時，要求有一定的功率電平，其值取決於閱讀器對標籤的距離和閱讀器接收靈敏度。由於閱讀器工作環境允許採用較為複雜的設計，接收機可以實現低噪聲前端設計，加以碼分射頻識別採用擴展頻譜調，還有擴展頻譜增益和PSK制度增益，閱讀器靈敏度可能設計成足夠高，以致對標籤返回信號要求降到足夠低。

綜上所述，將標籤接收射頻功率主要分配作無線功率傳輸倍壓整流能源，其次分配適量的標籤信號檢測電平和適量的返回調製能量，實現合理的能量分配，保證對儲能電容的持續充電是可能的、合理的設計。

可見，無源標籤所接收的射頻能量有多種應用需求，因此需要有射頻功率分配設計;不同的工作時段射頻能量的應用需求不一樣，因此需要有按不同工作時段需求的射頻功率分配設計;不同的應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當側重無線功率傳輸的需求。

4 總結

UHF RFID無源標籤藉助無線功率傳輸建立標籤供電電源，因此，供電效率極低，供電能力很弱，標籤晶片必需採用低功耗設計。藉助於片上儲能電容充放電實施對晶片電路供電，因此，為保證標籤持續工作，必需持續為儲能電容充電。標籤所接收的射頻能量有三種不同的應用：倍壓整流供電、指令信號接收和解調、應答信號調製和發送，其中，倍壓整流接收靈敏度受整流二極體管壓降的制約，成為空中接口的瓶頸。為此，信號接收解調和應答信號調製和發送是RFID系統必需保證的基本功能，倍壓整流標籤供電能力越強，產品越有競爭力。因此，標籤系統設計中合理分配所接收的射頻能量的準則是：保證接收信號解調和應答信號發送的前提下，儘可能增加倍壓整流的射頻能量供給。

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