بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID- ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

مدولاسیون بار کلید زنی به زمین با استفاده از عایق زمین برای ترانسپوندرهای HF RFID غیر فعال

تراکنش های IEEE در خصوص سیستم های مجتمع در مقیاس بسیار بزرگ

چکیده

این مقاله نسبت به ارائه یک طرح مدولاسیون بار کلید زنی / سویچینگ اتصال به زمین برای ترانسپوندرهای HF RFID غیر فعال / پاسیو اقدام می نماید. طرح مدولاسیون پیشنهادی به ترانسپوندرهای HF اجازه برقراری ارتباط با سیستم / فرد خواننده اطلاعات در یک میدان قوی، همراه با شاخص مدولاسیون سطح بالاتر، با استفاده از کلمپ های ساده RF ، در مقایسه با طرح های مقاومتی و خازنی متعارف مدولاسیون بار را خواهد داد. علاوه بر این، در این مبحث یک یکسو کننده تضعیف گر ولت عایق زمین جهت حذف تاثیرات دیود های پارازیتی در فرآیندهای CMOS نیز ارائه می گردد، که از این طریق قابلیت افزایش فاصله ارتباطاتی نیز وجود خواهد داشت. یک نمونه ترانسپوندر۱۳٫۵۶-MHz  در یک فرآیند CMOS 0.35-mm استاندارد بکار گرفته می شود. نتایج برآورد شده معرف آن هستند که ترانسپوندر پیشنهادی قابلیت حصول عمق مدولاسیون بیش از ۳۵-mV برای شدت میدان مغناطیسی از ۱۵/۰ الی ۵/۷ A/m را خواهد داشت.

کلمات کلیدی: عایق زمین، مدولاسیون بار کلید زنی به زمین، HF RFID، مدولاسیون بار، ترانسپوندر غیر فعال / پاسیو، یکسو کننده تضعیف گر ولت

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۱- مقدمه

فناوری RFID رشد فزاینده ای را در خلال سالیان اخیر تجربه کرده است [۱]،  [۲].  یکی  از  مولفه های کلیدی سیستم RFID وجود یک ترانسپوندر، یا تراشه tag chip، است که قابلیت حمل اطلاعات، با قابلیت دسترسی بدان بوسیله یک فرد خواننده یا یک محقق، را دارا می باشد. بدون منابع فعال توان / نیرو همانند باطری، ترانسپوندرهای پاسیو کم هزینه و فشرده می باشند. آنها متناسب کاربردهایی نظیر مدیریت زنجیره تامین هستند که در آن هزینه به عنوان یک مورد دارای اهمیت ویژه تلقی می گردد، علاوه براین می توان سیستم های کاشت بیوپزشکی را نیز نام برد که در آن می بایست نسبت به حفظ بعد برچسب ایمپلنت یا وسیله کشت شده در حد ممکن کوچک اقدام نمود تا در معرض حداقل هجوم قرار داشته باشد. با این وجود، ترانسپوندر های غیر فعال دارای محدوده عملیاتی کوچکتری در مقایسه با ترانسپوندرهای فعال می باشند [۳]. ارتقای محدوده عملیاتی یکی از چالش های اصلی طراحی برای ترانسپوندرهای غیر فعال می باشد. با این حال برای این ترانسپوندر کاملا مهم می باشد تا قابلیت پراکنده سازی حداقلی توان را حفظ نماید، چرا که نیروی در دسترس یک ترانسپوندر غیر فعال بسیار محدود است.

محدوده عملیاتی ترانسپوندرهای غیر فعال به واسطه عوامل مختلفی محدود می شوند که منوط به باند فرکانس عملیاتی است. ترانسپوندر های غیر فعال قابلیت کار در محدوده بسامد کم (LF) حول و حوش ۱۳۵ kHz را خواهند داشت[۴]، در حالیکه محدوده بسامد زیاد (HF) آنها ۵۶/۱۳ MHz است [۱], [۵], [۶]، به علاوه رنج بسامد بسیار بسیار زیاد (UHF) حدود ۸۶۰ الی ۹۶۰ MHz  [۳], [۶]، [۷]، رنج میکروویو حدود ۴۵/۲ GHz [3], [6] است و همچنین رنج میلیمتر- ویو (mm-wave) [8]. ارتباطات بین یک فرد خواننده و یک ترانسپوندر در باندهای LF و HF بر مبنای تزویج القایی در نزدیک میدان مغناطیسی می باشد. در مقابل، ارتباط بین یک خواننده و یک ترانسپوندر  در باند UHF و بیش از آن از طریق امواج الکترومغناطیسی در میدان دور دست می باشد. همان گونه که در شکل ۱نشان داده شده است، ارتباط بین خواننده و ترانسپوندر غیر فعال را می توان به دو دسته ارتباطات دانلینک (downlink) و آپلینک (uplink) تقسیم نمود. در ارتباط دانلینک، خواننده اقدام به ارسال موج حامل مدوله شده نموده و ترانسپوندر به هنگام تشخیص داده ها اقدام به ترمیم توان توان می نماید. در ارتباط آپلینک ترانسپوندر از یک روش مدولاسیون بار در باندهای LF و HF یا دیدگاه پراکنش در باند UHF و فراتر از آن جهت انتقال داده ها به عقب به سمت خواننده اقدام می کند. محدوده عملیاتی ترانسپوندر های غیر فعال بر مبنای ارتباطات دانلینک و آپلینک مشخص می شود. به هنگامی که ترانسپوندر به خواننده نزدیکتر باشد، این میدان قدرتمندتر خواهد بود. به طور مشابه، چنین میدانی در صورتی ضعیف تر خواهد بود که ترانسپوندر دورتر از خواننده قرارگرفته باشد. همان گونه که در شکل ۲ مشخص می باشد، محدوده عملیاتی برای یک ترانسپوندر از d₁ الی d₂ است که به وسیله عملکرد ترانسپوندر در میدان قدرتمند و میدان ضعیف به ترتیب مشخص می شود. البته به حداقل رسانی d₁ (نزدیک به صفر) و به حداکثر رسانی d₂ جهت حصول گسترده ترین محدوده عملیاتی نیز به عنوان یک مورد مطلوب مدنظر می باشد.

…

این مقاله یک طرح مدولاسیون بار کلید زنی اتصال به زمین جدید برای ترانسپوندرهای HF را ارائه می نماید. این طرح پیشنهادی به ترانسپوندرهای HF اجازه می دهد تا قابلیت برقراری ارتباط با خواننده در یک میدان قوی تنها با استفاده از کلمپهای ساده RF بدون مدارهای اضافه کنترل قدرت، که برایند آن مدارهای نهایی کم توان می باشد، را داشته باشند. یک یکسو کننده تضعیف گر ولت با عایق زمین همچنین جهت حذف مسایل مرتبط با زیر لایه و دیود های ESD در کلمپ های RF توسعه یافته اند. فاصله عملیاتی یک ترانسپوندر مدار ۱۳٫۵۶-MHz RFID را می توان به صورت قابل توجهی با استفاده از فناوری های پیشنهادی ارتقا داد. این مقاله به شرح ذیل سازماندهی شده است. بخش ۲ جزئیات محدودیت های حوزه عملیاتی ترانسپوندرهای HF متعارف را مورد بحث قرار می دهد. بخش ۳ مدولاسیون بار کلید زنی به زمین با یک یکسو کننده تضعیف گر ولت عایق را ارائه می نماید. بخش ۴ و ۵ رویه های پیاده سازی مدار و نتایج برآورد مدار ترانسپوندر HF RFID پیشنهادی را به ترتیب عرضه نموده و در نهایت در بخش ۶ نتیجه گیری ارائه می گردد.

…

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۲-  قیدهای محدوده عملیاتی ترانسپوندرهای HF متعارف

الف. محدودیت و عمق مدولاسیون بار تحت شرط میدان – قوی

در ترانسپوندرهای HF، مدولاسیون بار به وسیله تغییر شدت فاز مدار رزنانس ترانسپوندر برای ارتباطات آپلینک تکمیل می شود، همان گونه که در این مورد سبب بروز تغییر امپدانس مشاهده شده به وسیله خواننده گردیده و به صورت متعاقب قابلیت تشخیص به وسیله گیرنده خواننده را خواهد داشت. شکل ۳ نشان دهنده طرح های مدولاسیون بار خازنی و مقاومتی با یکسو کننده های نیم موج کلی می باشد. در اینجا، L_TANK برای تزویج القایی با آنتن تحت مکالمه و C_TANK با قابلیت تشدید همراه با L_TANK در فرکانس عملیاتی می باشد. در مدار مدولاسیون بار خازنی [۱], [۷] که در شکل ۳ (الف) نشان داده شده است، خازن مدولاسیون C_MOD به وسیله یک جریان داده دیجیتال Data_mod کلید زنی / باز و بسته می شود. با توجه به اضافه نمودن C_MOD، بسامد هم نوای ولتاژ RF ورودی  تغییر یافته و این مورد سبب ترکیب اندازه و گوناگونی فاز امپدانس مشاهده شده به وسیله خواننده برای بازیافت داده خواهد شد. از طرف دیگر، شکل ۳ (ب) نشان دهنده مدار مدولاسیون بار مقاومتی می باشد که در آن مقاومت R_MOD با یک جریان داده باز و بسته می شود. چنین موردی سبب ایجاد یک تلفیق دامنه ای بر روی ترانسپوندر برای دریافت به وسیله خواننده خواهد شد. گوناگونی های ساختاری طرح های مدولاسیون بار خازنی و مقاومتی نیز، به طور مثال در مدولاسیون بار خازنی گزارش شده قبلی، در یک یکسو کننده تضعیف گر ولت، وجود دارند [۱۰]. با این حال، اصل عملیات مدولاسیون بار در یکسو کننده نیم موج و یکسو کننده تضعیف گر موج مشابه می باشد.

ب. محدودیت بر ولتاژ dc یکسو کننده تحت شرط میدانی ضعیف

در ارتباطات دانلینک، مدار جلویی ترانسپوندر جهت تولید یک ولتاژ ورودی dc در یک محیط میدانی قدرتمند با بیش از یک مرتبه تغییر لازم می باشد. با این وجود، پیاده سازی عملی دیودها در کلمپ RF ممکن است سبب محدود شدن فاصله عملیاتی ترانسپوندر تحت شرایط میدانی ضعیف شود. از آنجایی که دیود به طور غالب در پردازش های CMOS استاندارد موجود نمی باشد، این دیودها در مدار کلمپینگ RF که در شکل ۴ نشان داده شده اند به وسیله ترانزیستور pMOS متصل به دیود در شکل ۵ (الف) مشخص می گردند. ترانزیستورهای MP1-MP3 قابلیت کلمپ نمودن مقدار پیک مثبت  را خواهند داشت، در حالیکه ترانزیستورهای MP4-MP6 می توانند نسبت به کلمپ نمودن ولتاژ پیک منفی اقدام نمایند. ذکر این نکته ضروری است که ترانزیستورهای pMOS  که به عنوان اثر بدنه یک ترانزیستور pMOS انتخاب می شوند را می توان از طریق اطمینان از پتانسیل ولتاژ یکسان بین بدنه و ترمینال های سورس در یک پردازش CMOS ان- چاهه(N-well) حذف نمود. در یک ترانزیستور  pMOS متصل به دیود، یک دیود اصلی DP و دو دیود پارازیتی D_nw و D_sub، همان گونه که در شکل ۵ (ب) نشان داده شده است، موجود می باشند. دیود اصلی DP از ترمینال سورس به ترمینال گیت مدنظر خواهد بود که معرف ارتباط جریان در برابر ولتاژ سورس – گیت ابزاره pMOS متصل به دیود می باشد. از آنجایی که هر ابزاره pMOS در محدوده یک ان-چاهه مجزا است، دیود پارازیتی D_nw از ترمینال درین – گیت به ترمینال سورس ان – چاهه می باشد و با DP شنت شده و در تعامل با تابع کلمپینگ و جریان های رسانا در چرخه متضاد خواهد بود. دیود زیر لایه (بستر) D_sub مرتبط با pMOS متصل به – دیود از زیر لایه – P به  ان- چاه تراشه خواهد بود.

…

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۳- طرح پیشنهادی مدولاسیون بار کلیدزنی به زمین با استفاده از عایق زمین

جهت مخاطب سازی مشکلات مربوط به ترانسپوندر های HF فوق الذکر، یک طرح مدولاسیون  بار کلید زنی به زمین با عایق زمین در یکسو کننده تضعیف ولت پیشنهاد شده است. مدار معادل یکسو کننده تضعیف گر ولت پیشنهادی در شکل ۷ نشان داده شده است که شامل دو خازن C0 و C1، سه دیود D0 الی D2 و یک مدار کلمپینگ RF می باشد که به وسیله دیودهای DP1 الی DP6 مشخص شده است. دیود پارازیتی D_sub1 قابلیت مدل سازی دیود زیر لایه DP1 را خواهد داشت. دیود D2 نیز جهت احراز عایق زمین بین RF و زمین در شرایط عملیاتی اسمی به کار گرفت شد، در حالیکه ارتباطات آپلینک بین خواننده و ترانسپوندر به وسیله کلید زنی D2 به صورت ورودی و خروجی بین RF و زمین جهت حاصل آوردن مدولاسیون بار کلید زنی به زمین از طریق استفاده از یک سوییچ nMOS مربوط به MN1 مشخص گردید. با توجه به مدولاسیون پیشنهادی بار کلید زنی به زمین، یکسو کننده تضعیف گر ولت دارای دو مود عملیاتی می باشد که به وسیله یک جریان داده باینری Data-mod به صورت یا «۱» یا «۰» کنترل می شود و پیکربندی های این دو مود نیز در شکل ۸ (الف) و (ب) نشان داده شده است. در طی عملیات عادی، مقدار Data-mod به صورت «۰» می باشد و سوییچ MN1 نیز باز است. در این مود، پین – RF به وسیله دیود D2 از زمین عایق می باشد و بنابراین یکسو کننده تضعیف گر ولت در حالت عایق زمین به سر خواهد برد. به هنگامی که از Data-mod برای داده های ارسالی به خواننده استفاده شود، سوییچ MN1 باز شده تا اتصال کوتاه دو ترمینال دیود D2 فراهم شود. از آنجایی که پین – RF بدین روش به زمین متصل شده است، یکسو کننده تضعیف گر ولت در حالت اتصال به زمین بوده و دارای عملکرد مشابهی همانند یکسو کننده تضعیف گر ولت معمولی می باشد. دو مود عملیاتی در خصوص یکسو کننده تضعیف گر ولت پیشنهادی این اطمینان را حاصل می آورند که تاثیر مدولاسیون بار مکفی برای ارتباطات آپلینک تحت شرایط میدان قوی وجود دارد، در حالیکه یکسو کننده تضعیف گر ولت پیشنهادی در مود عایق زمین در طی عملیات معمولی قابلیت حذف تاثیر کلمپینگ دیود زیر لایه پارازیتی برای حاصل آوردن یک ولتاژ ورودی dc بالاتر تحت شرایط میدان ضعیف تر را خواهد داشت.

در مود اتصال کوتاه زمین، پین – RF به زمین متصل شده و از این طریق سیگنال در RF+ در امتداد پتانسیل زمین با دامنه V_p متغیر خواهد بود. به هنگامی که V_p > V_dsub صادق باشد، ولتاژ پیک منفی در RF- در V_dsub به وسیله دیود زیر بستر D_sub1 کلمپ می شود به گونه ای که سیگنال ولتاژ پیک به پیک  کاهش می یابد. از طرف دیگر، وجود D2 در یکسو کننده تضعیف گر موج عایق کننده زمین به RF+ اجازه ماندن در یک پتانسیل ولتاژ (V_p – V_d) را خواهد داد، که در آن V_d به عنوان افت ولتاژ مستقیم D2 به شمار می آید. در عین حال، سیگنال در پین – RF در امتداد RF+ متغیر خواهد بود به گونه ای که دامنه  نیز به صورت V_p مشخص می شود. از آنجایی که RF+ غالبا در پتانسیل ولتاژ مثبت حفظ می گردد، D_sub1 بسته شده و سبب ایجاد هر گونه تاثیر کلمپینگ بر روی  در مود عایق زمین نخواهد شد. مقدار پیک به پیک  بر این مبنا در مود عایق زمین تا هنگامی که ۲V_p صادق باشد به میزان V_p ≤ ۳V_d خواهد بود، در حالیکه ۳V_d نیز به عنوان دامنه محدود به شمار می آید که به وسیله مدار کلمپینگ RF در چرخه های مثبت و منفی حاصل آمده است. ذکر این نکته ضروری است که ولتاژ dc یکسو شده یک یکسو کننده تضعیف گر ولت غالبا به وسیله مقدار پیک به پیک  منهای افت ولتاژ دیودها مشخص می شود. در صورتی که جریان خروجی یکسو کننده تضعیف گر ولت نادیده گرفته شود، ولتاژ dc یکسو شدهV_dc(gs,w)  در حالت اتصال به زمین تحت شرایط میدانی ضعیف به واسطه اثر کلمپینگ D_sub1 در رنج بوده که چنین موردی به شرح ذیل بیان می گردد:

…

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۴- رویه های پیاده سازی مدار جلویی ترانسپوندر RFID 

شکل ۹ نشان دهنده نمودار بلوکی ترانسپوندر غیر فعال RFID با توجه به طرح پیشنهادی مدولاسیون بار کلید زنی زمین و یکسو کننده تضعیف گر ولت عایق زمین می باشد. داده ها و انرژی از یک خواننده RFID با استفاده از یک موج مدوله شده RF به سمت آنتن کنترلی ارسال می شود. یک القا گر کویل بیرون از تراشه (آف چیپ)، L_TANK برای تزویج القایی با آنتن کنترلی مورد استفاده قرار می گیرد. بقیه مدارهای جلویی بر روی تراشه، قرار دارند، همان گونه که بوسیله مستطیل نقطه نقطه چین مشخص شده است. یک خازن رو تراشه C_TANK قابلیت تشدید کنندگی با L_TANK در ۵۶/۱۳ MH_Z را خواهد داشت. یک ولتاژ RF نیز به وسیله شدت میدان مغناطیسی در میدان نزدیک موج RF القا شده و به وسیله مدار تشدید کننده تا سطحی تقویت می شود که قابلیت تامین نیروی ترانسپوندر را داشته باشد. یکسو کننده پیشنهادی تضعیف گر ولت عایق زمین جهت بازیافت توان از ورودی RF در ارتباطات دانلینک و برای مدولاسیون داده در ارتباطات آپلینک مورد استفاده قرار می گیرد. این داده ها به وسیله بلوک تشخیص گر داده مشخص می شوند. بلوک Bias & POR قابلیت تولید جریان های بایاس برای بلوک های آنالوگ را داشته و اقدام به صدور سیگنال Power-On-Reset (POR) برای مدارهای دیجیتال بر تراشه ای /روی تراشه ای می نمایند. ساعت نیز با استفاده از مدار رها ساز اسمیت تولید می شود. در شرایط میدانی – ضعیف، ترانسپوندر کار خود را به هنگامی آغاز خواهد نمود که ولتاژ dc داخلی به حول و حوش V 4/1 رسیده باشد. هر دوی ولتاژهای RF و dc ممکن است به میزان بیش از  حدی بالا بوده و سبب صدمه دیدگی بالقوه به ترانسپوندر در میدان قوی گردند. مدارهای کلمپینگ RF و dc بر این مبنا جهت محدود سازی ولتاژ کار ترانسپوندر در یک محدوده سطح ایمنی به کار گرفته می شوند. این سیستم جهت تشخیص سیگنال مدولاسیون شیف گسسته در دامنه (ASK) همراه با یک شاخص مدولاسیون با حالت تغییر پذیری از ۱۰% الی ۱۰۰% برای یک نرخ داده نوعی ۱۰۰ kb/s در فرکانس حامل ۵۶/۱۳ MHz طراحی شده است. بلوک مدولاسیون داده قابلیت پذیرش طرح مدولاسیون بار کلید زنی زمین برای ارتباطات آپلینک به منظور ارسال داده به خواننده را خواهد داشت.

…

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۵- نتایج برآورد

مدار جلویی RFID کامل در یک فرآیند N– چاهی سیگنال – ترکیبی چند – جفتی CMOS، ۳۵/۰- mm، ساخته شد. این تراشه به یک بسته بندی LCC سرامیکی ۲۸ پینی مونتاژ گردید. ریز نگار این تراشه مدار جلویی RFID در شکل ۱۲ نشان داده شده است و مدار آن نیز یک مساحت ۸۵/۰ میلیمتر × ۵/۰ میلیمتر را اشغال نموده است.

…

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID

۶- نتیجه گیری

یک طرح مدولاسیون بار کلید زنی – به زمین برای ترانسپوندرهای RFID ارائه شده است. در مقایسه با طرح های مدولاسیون بار خازنی و مقاومتی متعارف، طرح مدولاسیون پیشنهادی به ترانسپوندرهای HF اجازه برقراری ارتباط با خواننده در یک میدان قوی به صورت کاراتر حتی با یک کلمپ ساده RF، بدون نیاز به مدارهای کنترل توان بیشتر، را خواهد داد. یکسو کننده تضعیف گر ولت عایق – زمین پیشنهادی توانایی حذف تاثیر کلمپینگ دیودهای زیر لایه در کلمپ RF را دارا می باشند، بنابراین قابلیت گسترش فاصله عملیاتی / کاری ترانسپوندر در یک میدان ضعیف حاصل خواهد شد. نتایج برآورد نشان دهنده آن است که طرح پیشنهادی مدولاسیون بار کلید زنی به زمین همراه با عایق زمین سبب خواهد شد تا IC ترانسپوندر RFID قابلیت حاصل آوردن عمق مدولاسیون بیش از ۳۵ Vm برای شدت میدان مغناطیسی از ۱۵/۰ الی ۵/۷ A/m را داشته باشد.

بار کلید زنی به زمین عایق ترانسپوندرهای HF RFID