白皮书-变色龙自调谐

一, 背景

在许多的应用领域RFID已经超过了概念验证阶段，包括可重复使用的集装箱，数据中心资产和零售的衣服。核心技术是被验证了的，主要的标准都具备了，早期导入者已经执行了生产纳入实用中。但是，标签读取的一致性限制了RFID在许多应用中的优势，需要额外的系统安装成本和/或继续工作下的额外的劳动力。很多一致性的问题都和基于现有RFID芯片的性能水平随着不同的事件之间有巨大的变化有关。标签会由于一系列的环境问题导致性能降低，使其不协调，继而使用传统的标签就出现了读取范围的降低或丢失了读取次数。

RFMICRON开发了一个变色龙技术来解决去调谐问题，且提供了RFID标签和系统的一个新的性能水平。

二, 标签设计和阻抗匹配

RFID无源标签有不同的形状和尺寸，但是所有的标签都由芯片或者IC，连接到天线而组成。有许多不同结构的无线，所有都是由某种导体材料在精选的形状下做成，然后从读卡器收集RF信号且发送从芯片产生的信号。标签天线是和特定的芯片一切设计的，还会考虑标签的预期应用，计划用到的频率。

为了最大化标签的性能，在芯片和天线之间(双向)的RF功率转换需要通过一个叫阻抗匹配的过程来最优化。芯片和天线都有一个电子“阻抗”都可以在它们之间的连接点测得。

图1显示了一个金属标签的样品上带了芯片；从芯片到天线的连接点在生产时就建立了连接。

图2是天线和芯片阻抗在连接点的简化电路图

一个阻抗可以通过阻抗(R)和电抗(X)的组合来表达。在图2中，天线被看作是源(继而Rs和Xs)，而出于本讨论的目的，芯片可以看做是负载(继而Rl和Xl)。

一个匹配好的阻抗提供了最佳的性能要求芯片和天线阻抗相互的“共轭复数”。一个共轭复数就是简单指Rs=Rl和Xs=-Xl

传统的RFID芯片有一个单一固定的阻抗，它们的R和X值都在芯片的规格书上可以看到。标签天线设计师能够使用这个信息来设计一个阻抗匹配的天线，其阻抗是和此芯片匹配的. 不幸的是，这适当的匹配只能用于一个特定的频率和一组环境条件中。

三, 标签去调谐

尽管传统标签芯片的阻抗是固定的，但是天线的阻抗却不是。天线的阻抗随频率而变化，受附近的液体和金属影响而改变射频场。当固定的芯片阻抗和变化的天线阻抗不匹配的时候，标签就会被“去调谐”。例如，一个标签在典型的条件下(美国频率915Mhz且远离干扰材料) 阻抗匹配了，有可能在868Mhz的欧洲频率或放置在仓库的金属横梁附近会被严重地去调谐。所以一个更加精准的芯片一天线电路的表现就如图3所示。(注意Rs也将变化，但是其变化对标签性能影响很小。

图3，可变天线阻抗和一个固定阻抗芯片的原理图。

传统的RFID标签芯片，有一个固定的阻抗，在一个宽范围的频率和环境不能提供一个良好的匹配给一个标签天线。标签生产商可以在某种程度上想办法规避此问题。比如，宽带(或“全球”)标签能减少频率的改变对天线阻抗的影响，但是会以牺牲所有频率段的性能为代价。金属安装的标签（或在金属上）能直接放置在金属物体, 但是仍然会受附近的其它材料去调谐。

四, 变色龙的解决方案

RFMICRON发明且在硅片上验证了一个新奇的自调谐机制（称作变色龙技术），使得标签来适当地在一个宽范围的频率和环境条件保持调谐。变色龙引擎嵌入了一个标签芯片, 在每一组条件下来自动调整芯片的阻抗和天线最优化地匹配。芯片包含了一组电路单元（电容）在变色龙引擎的控制下能够开启或关闭阻抗匹配网络。工作流程如下：

1,一旦信号被标签天线所接收到，变色龙引擎唤醒并开始工作。变色龙信号处理电路只需非常低的功率来工作，能在比常规芯片工作要求低得多的功耗下完成自调谐。变色龙电路的工作是自动的而不需要任何的读卡器命令---一个基于变色龙的芯片就像其它任何的ISO 18000-6C/EPC GEN 2 芯片一样。完整的自调谐过程只花了不到120ms,这对于剩下的系统是不引人注目的。

2，变色龙引擎从评估进入到芯片的功耗开始，然后开始调整匹配网络来发现达成最大功率转换时的设置。此设置代表了对于目前的工作频率和环境条件天线的最佳阻抗匹配。

3，一旦调谐完成，功率足够用于全芯片工作，变色龙电路示意芯片的剩下部分来上电，和读卡器正常沟通。一旦在和读卡器通信的开始阶段，变色龙引擎就会自调谐，且保持这个调谐直到阶段结束。

带变色龙芯片的阻抗匹配示意图如图4那样工作，芯片的阻抗是动态调整的。来匹配变化的天线阻抗.

五,系统含义

鉴于它们没有内部供电,今天的UHF RFID标签提供出色的性能。在最佳的条件下,用现代的读卡器,有些标签可以达到读取距离30米，用特殊的多单元无线甚至可以读取更远的距离。但是，在大多数应用中，最大读取距离不如最小读取距离重要，就是标签在所有预期工作条件下被持续读取的距离。一个资产标签能在户外的开放环境读取10米，但是在一个杂乱的仓库的金属表面只能读取1米，就没有一个在室外读取5米，在仓库读取3米的标签有用。

做为一个使用传统芯片的标签可变性能的举例，图5显示了一系列有名望的金属标签的读取距离和频率间的关系，这些数据据来自于对应的制造商。

在图中的三个曲线显示了三款不同的标签的性能，每一款都是用来工作在不同区域的频率段。欧洲，美国和日本法规频率段是用绿色，蓝色和红色高亮度表示的。从此图中可得出两个简单的总结:

1，首先,除了标签针对的区域之外,没有一款标签能提供一个有意义的性能水平在一个区域。另外，因为美国频带的宽度，取决于读卡器随机选择的通信通道,美国标签会在4至6.5米的范围性能变化。这些问题可以通过设计宽带标签来做某种程度的解决，但是这样的设计用于金属场景是相当困难的，且需要在距离之间做相当大的折衷才能达到一个宽带响应。

2,很明显，任何的去调谐在标签的响应导致的频率位移,会对标签性能造成主要的影响。从曲线中可以看出，一个20Mhz的从峰值的频率位移都会减半任何标签的性能。这样的位移非常普遍，举两个可以看见此位移的例子：

2.1，室外资产标签在从雨到湿的时候，会遭受20Mhz的位移。
2.2，相比于标签间远距离自由放置的情况下,在零售店的衣服的仓库标签紧密放置的时候,会有20Mhz的位移。

标签性能的变化事实上通常可以用小心的系统设计来适应，也就是通过增加另外的读卡器和天线，通过细心的调谐读卡器输出功率和天线位置，或引入制程改变来限制标签是如何出现在读卡器端的。不管怎样，这样的适应会导致硬件成本的增加，系统集成的时间和成本，和/或继续进行的工作和维护成本。这样的费用可能相当高，特别是一个优化调谐了的系统需要经常例行地重新校正来保持一致的性能。

一个更好的方法是在变化环境下将标签性能恒定。如上所述的宽带标签（全球）可以提供帮助。在这之上，变色龙技术可以在任何时间同时允许标签来调整变化的频率环境。从工作的芯片测试结果证明,变色龙自调谐电路的适当工作，和其对标签性能的影响。图6显示了带和不带变色龙技术的金属标签样机的频率响应。(南频-应用案例-电力开关柜-无源无线金属标签测温 http://www.dwintech.com/switchgear.html )

用于测试中的天线设计是在响应曲线图的上面;对于这个测试，无线是距离金属表面1毫米，大约成一个放在金属上的绝缘。

两曲线的唯一区别就是使用与否变色龙自调谐电路。红线显示了不带自调谐的响应---这响应可以通过一个传统的固定阻抗的芯片来实现。黑色线显示了同样的标签带了自调谐能力的响应。

对于有些用户，一个RFID系统提供一个99%的读取率或甚至95%--或许就完全足够了。一个大的零售商使了RFID来频繁地做销售区库存清单，他说道：RFID系统提供的精度相对于老的系统仍然是一个区大的改进，且它们舒适，在一个库存清点中丢失的物件会在下一个清点中发现。

另外，许多应用-特别是这些不是低成本可随意丢弃的物体的标识的资产或运货，假如读取率可以提升一点点接近于100%将会实现重要的价值。对于这些应用，革除了非常少数量的少读的成本,和紧随的异常处理成本，能极大地提升RFID布局的经济性。

RFmicron发明了变色龙技术,来解决RFID性能的最后的几个百分比。通过自调谐，基于变色龙的标签能提供更一致的性能，产生更小的少读，更少的例外处理和更简单的，快速的和便宜的系统设计和实施。

文件名: White Paper WP001F17 Chameleon® Self Tuning.pdf

使用了RFMicron变色龙技术参考阅读:

1, 本公众号17年1月17日之推送"智能尿布,无源,无线"

2, 汽车漏水检测, 提升效率,减少返修成本 http://www.dwintech.com/Improve_Quality_and_Reliability_by_Detecting_Leaks_Sooner.html

3, 马达温度监控来提升效率  http://www.dwintech.com/monitor_temperatures_to_improve_efficiency_and_uptime_kpis.html

4, 空调压缩机温度监控 http://www.dwintech.com/hvac_compressor_unit.html

5, 容器液位检测 http://www.dwintech.com/liquid_level_monitor.html
 
6, 测温,水分演示视频 http://www.dwintech.com/rfmicron_demo_RFM3250-AFR.html

7, 变色龙技术让低成本传感器变得可能 http://www.dwintech.com/chameleon_sensors_white_paper.html

RFMicron料号清单:

1, RFM3200 温度标签(环境和材料)

2, RFM3250 温度标签(恶劣环境)

3, RFM2100 湿度标签(环境和材料)

4, RFM2110 湿度标签(汽车,飞机)

5, RFM2120 湿度标签(医疗)

6, 压力和接近传感器(工业,汽车)
7, RFM5104-A 无线预见性维护系统
8, RFM5101-A 湿度和温度传感器开发套件
9, RFM5102-A 湿度和温度传感器开发套件
10, RFM5103-A 物联网开发平台
11, RFM5105-A 无线失禁管理系统
12, RFM5106-A 汽车漏水检测套件快速检测漏水来改善质量和可靠性
13, Magnus-S3 温度传感器芯片
14, Magnus-S2 湿度传感器芯片

技术原理:读卡器端无线给电,传感器采集这个来自远端(约10米)读卡器的RF能量,产生电能,传感器开始工作,传感器返回ID号和温度(水分,压力,接近,温度...)数据给读卡器

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网站 http://www.dwintech.com/rfmicron_faq.html

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