Per chi è nuovo all'RFID passivo, sorge una domanda comune: poiché i tag RFID non hanno batterie, cosa alimenta effettivamente il chip? La risposta non è che il tag genera la propria elettricità; piuttosto, raccoglie energia RF limitata dal campo elettromagnetico emesso dal lettore RFID e la converte in una tensione CC utilizzabile dal chip. Questo processo è noto come RF Energy Harvesting-o l'acquisizione wireless di energia da parte del tag.
Sulla base della vasta esperienza di Xminnov nella progettazione di antenne per tag RFID, nel confezionamento dei chip e nei test applicativi, fattori come la portata di lettura, la compatibilità dei materiali, la sensibilità del chip e le dimensioni dell'antenna dipendono tutti in definitiva da una questione fondamentale: se il tag può ottenere energia sufficiente e stabile nella sua effettiva posizione operativa.
Pertanto, per comprendere il power Harvesting dei tag RFID è necessario guardare oltre il semplice fatto che "i tag passivi non necessitano di batterie". Ciò che determina veramente le prestazioni del sistema è l'intera catena energetica-che va dalla potenza di trasmissione del lettore all'antenna del tag, all'adattamento dell'impedenza, alla rettifica e alla gestione dell'energia, fino all'avvio del chip e alla comunicazione backscatter.
Che cos'è il Power Harvesting dei tag RFID?
Il power Harvesting del tag RFID si riferisce al processo mediante il quale un tag RFID utilizza l'energia elettromagnetica RF (radiofrequenza) generata da un lettore per fornire potenza operativa ai suoi circuiti elettronici interni. Prendiamo ad esempio i comuni tag RFID UHF passivi; in genere non hanno una batteria convenzionale. Quando un lettore irradia un segnale RF nello spazio tramite la sua antenna, l'antenna del tag cattura una parte di quell'energia. L'antenna converte le onde elettromagnetiche in segnali elettrici RF; questi passano quindi attraverso un'interfaccia RF e un circuito di rettifica, convertendo il segnale CA ad alta-frequenza in una tensione CC. Una volta soddisfatte le condizioni di avvio del chip, la logica digitale interna, la memoria e altri moduli funzionali del tag iniziano a funzionare.
Allo stesso tempo, il tag non genera attivamente un nuovo operatore wireless per la comunicazione, come farebbe un dispositivo Wi-Fi. Per i tag UHF passivi conformi a EPC Gen2/ISO 18000-63, la trasmissione dei dati viene ottenuta principalmente tramite la "retrodiffusione" che modifica l'impedenza sul terminale dell'antenna per creare stati di riflessione variabili che il lettore può rilevare. La specifica GS1 EPC Gen2 adotta esplicitamente la modulazione del backscatter come meccanismo di comunicazione tra il tag e l'interrogatore. Da un punto di vista ingegneristico, un tag RFID passivo esegue effettivamente due azioni sequenziali:
Innanzitutto, raccoglie energia dal campo RF del lettore; quindi, utilizza quell'energia per alimentare le operazioni del chip e facilitare la comunicazione backscatter.
Ciò spiega perché la "portata di lettura" di un tag RFID non può essere semplicemente equiparata alla dimensione dell'antenna-un'antenna più grande non garantisce automaticamente una portata più lunga. Il tag deve prima acquisire una potenza di ingresso RF sufficiente per portare il chip in uno stato operativo e successivamente garantire che il segnale retrodiffuso possa essere rilevato in modo affidabile dal lettore.
Come funziona unEtichetta RFIDconvertire l'energia RF in energia elettrica?
In termini di architettura circuitale, un tipico tag RFID passivo può essere semplificato come segue:Antenna RFID → Corrispondenza di impedenza → Raddrizzatore → Gestione alimentazione CC → IC RFID.
L'antenna del tag è responsabile della cattura dell'energia elettromagnetica generata dal lettore. Per l'RFID UHF, l'antenna è in genere una struttura conduttiva (stampata o incisa) progettata per una banda di frequenza specifica, mentre i tag HF/NFC spesso utilizzano antenne a bobina per raccogliere energia tramite accoppiamento magnetico a campo vicino.
Il segnale RF catturato dall'antenna non può essere utilizzato direttamente per alimentare il chip digitale. All'interno del circuito integrato RFID, l'ingresso RF deve essere sottoposto a rettifica e gestione dell'alimentazione per essere convertito in una tensione CC relativamente stabile. La ricerca sull'alimentazione RF mostra che le architetture tipiche utilizzano un'antenna, una struttura risonante e un circuito raddrizzatore per trasformare l'energia elettromagnetica in energia CC.
Nei sistemi RFID UHF, questo processo fa molto affidamento sulle capacità di rettifica del front-end-del chip. I modelli di ricerca e ingegneria descrivono tipicamente la conversione della potenza RF ricevuta in potenza DC tramite un raddrizzatore per attivare il tag IC.
C'è un dettaglio spesso trascurato: il tag non "cattura" l'intera potenza RF emessa dal lettore.
La potenza che effettivamente raggiunge il tag è già influenzata da fattori quali la distanza di propagazione, l'orientamento dell'antenna, la potenza in uscita del lettore, la polarizzazione, gli oggetti circostanti e i riflessi ambientali. Una volta che l'energia raggiunge il tag, viene ulteriormente vincolata dall'efficienza dell'antenna, dall'adattamento dell'impedenza e dalle caratteristiche di ingresso del chip. Alla fine, solo una frazione dell’intera catena energetica entra effettivamente nel chip e viene effettivamente convertita in energia CC.
Pertanto, il power Harvesting dei tag RFID è essenzialmente una sfida di conversione energetica caratterizzata da bassi livelli di potenza ed elevate perdite di energia.
UHF e HF/NFC utilizzano metodi diversi per la raccolta di energia
Sebbene sia l’RFID UHF che l’RFID HF/NFC possano funzionare passivamente, esistono differenze significative nei loro meccanismi di accoppiamento energetico.
L'RFID UHF si basa principalmente sulla propagazione delle onde elettromagnetiche in campo lontano-. Il lettore irradia energia RF nello spazio; l'antenna tag cattura una parte di questa energia e la rettifica tramite i circuiti front-end del chip. Questo metodo è particolarmente-adatto per applicazioni che richiedono intervalli di lettura più lunghi, come magazzini, logistica, vendita al dettaglio e gestione delle risorse.
RFID HF e NFC operano principalmente intorno ai 13,56 MHz. I tag in genere utilizzano antenne a bobina per raccogliere energia attraverso l'accoppiamento magnetico a campo vicino-. La forza di accoppiamento tra la bobina del tag e l'antenna del lettore influisce in modo significativo sul raggio d'azione e sulla stabilità del tag.
In alcuni sistemi HF/NFC, l'antenna tag forma una rete risonante con un condensatore, consentendo un accoppiamento energetico più efficiente alla frequenza target. La ricerca sui circuiti di alimentazione RFID impiega in modo simile una struttura in cui un induttore e un condensatore risonante raccolgono energia dal campo elettromagnetico, che viene poi convertita in corrente continua tramite un circuito raddrizzatore.
Pertanto, sebbene riassumere la "raccolta passiva di energia RFID" semplicemente come "il tag riceve onde radio e genera elettricità" non è del tutto errato, è troppo semplicistico per scopi di progettazione ingegneristica. L'harvest UHF far-field e l'accoppiamento HF/NFC Near-field implicano logiche di progettazione distinte riguardanti la configurazione dell'antenna, la distanza di accoppiamento, l'adattamento dell'impedenza e gli ambienti applicativi.
Dal punto di vista di un produttore RFID, come viene valutata la capacità di raccolta di energia di un tag?
Noi di Xminnov, quando eseguiamo progetti di tag RFID, diamo priorità alle prestazioni complete di un tag negli ambienti-del mondo reale rispetto alle misurazioni del raggio di lettura-isolato effettuate in laboratorio.
Innanzitutto, è necessario identificare la banda di frequenza e il protocollo target-come EPC Gen2/ISO 18000-63 per RFID UHF o gli standard ISO pertinenti per HF/NFC. Successivamente, viene selezionata una struttura di antenna appropriata in base alle caratteristiche di ingresso del chip.
I passaggi successivi prevedono il test dell'adattamento dell'impedenza del tag, della frequenza di risonanza, delle prestazioni su vari materiali e del comportamento di attivazione all'interno di un campo RF reale. Per i tag UHF è inoltre necessario valutare olisticamente la sensibilità dei tag, le prestazioni del backscatter e la sensibilità del lettore. Se i tag sono destinati in definitiva all'uso su apparecchiature metalliche, parti di automobili, imballaggi di liquidi o in spazi ristretti, generalmente diamo priorità ai test effettivi sui materiali piuttosto che basarci esclusivamente sui risultati dei test-nello spazio libero.
Questo perché può esserci una differenza significativa tra la "portata di lettura in aria libera" misurata in laboratorio e la "portata di lettura effettiva" dopo aver montato il tag sul prodotto.
