Dla tych, którzy dopiero zaczynają przygodę z pasywnym RFID, pojawia się częste pytanie: skoro znaczniki RFID nie mają baterii, co tak naprawdę zasila chip? Odpowiedź nie jest taka, że tag generuje własną energię elektryczną; raczej zbiera ograniczoną energię RF z pola elektromagnetycznego emitowanego przez czytnik RFID i przekształca ją w napięcie prądu stałego wykorzystywane przez chip. Proces ten nazywany jest zbieraniem energii RF-lub bezprzewodowym pozyskiwaniem mocy przez tag.
Bazując na rozległym doświadczeniu firmy Xminnov w projektowaniu anten znaczników RFID, pakowaniu chipów i testowaniu aplikacji, czynniki takie jak zasięg odczytu, kompatybilność materiałowa, czułość chipa i rozmiar anteny ostatecznie zależą od zasadniczej kwestii: czy znacznik może uzyskać wystarczającą i stabilną energię w swoim rzeczywistym miejscu pracy.
Dlatego zrozumienie pozyskiwania mocy przez znaczniki RFID wymaga spojrzenia poza prosty fakt, że „znaczniki pasywne nie wymagają baterii”. To, co tak naprawdę określa wydajność systemu, to cały łańcuch energetyczny-od mocy nadawczej czytnika do anteny znacznikowej, dopasowania impedancji, prostowania i zarządzania energią, aż do uruchomienia chipa i komunikacji z rozproszeniem wstecznym.
Co to jest zbieranie mocy znaczników RFID?
Pozyskiwanie energii przez znacznik RFID oznacza proces, w którym znacznik RFID wykorzystuje energię elektromagnetyczną RF (częstotliwość radiową) generowaną przez czytnik w celu zapewnienia mocy operacyjnej swoim wewnętrznym obwodom elektronicznym. Weźmy na przykład popularne pasywne znaczniki RFID UHF; zazwyczaj brakuje im konwencjonalnej baterii. Kiedy czytnik emituje sygnał RF w przestrzeń kosmiczną za pośrednictwem anteny, antena znacznikowa wychwytuje część tej energii. Antena przetwarza fale elektromagnetyczne na sygnały elektryczne RF; następnie przechodzą one przez interfejs RF i obwód prostowniczy, przekształcając-sygnał prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości na napięcie prądu stałego. Po spełnieniu warunków uruchomienia chipa, wewnętrzna logika cyfrowa, pamięć i inne moduły funkcjonalne znacznika zaczynają działać.
Jednocześnie tag nie generuje aktywnie nowego operatora sieci bezprzewodowej do komunikacji, jak miałoby to miejsce w przypadku urządzenia Wi-Fi. W przypadku pasywnych znaczników UHF zgodnych z normą EPC Gen2/ISO 18000-63 transmisja danych odbywa się głównie poprzez modyfikację impedancji na końcówce anteny metodą „rozproszenia wstecznego” w celu wytworzenia różnych stanów odbicia wykrywalnych przez czytnik. Specyfikacja GS1 EPC Gen2 wyraźnie przyjmuje modulację rozproszenia wstecznego jako mechanizm komunikacji pomiędzy znacznikiem a modułem zapytującym. Z inżynierskiego punktu widzenia pasywny znacznik RFID skutecznie wykonuje dwie sekwencyjne działania:
Po pierwsze, pobiera energię z pola RF czytnika; następnie wykorzystuje tę energię do zasilania operacji chipa i ułatwiania komunikacji w trybie rozpraszania wstecznego.
To wyjaśnia, dlaczego „zasięgu odczytu” znacznika RFID nie można po prostu przyrównać do rozmiaru anteny-większa antena nie gwarantuje automatycznie większego zasięgu. Znacznik musi najpierw uzyskać wystarczającą moc wejściową RF, aby doprowadzić chip do stanu operacyjnego, a następnie zapewnić, że sygnał rozproszony wstecznie może zostać niezawodnie wykryty przez czytnik.
Jak działaZnacznik RFIDkonwertować energię RF na energię elektryczną?
Pod względem architektury obwodu typowy pasywny znacznik RFID można uprościć w następujący sposób:Antena RFID → Dopasowanie impedancji → Prostownik → Zarządzanie zasilaniem DC → Układ scalony RFID.
Antena tagowa odpowiedzialna jest za wychwytywanie energii elektromagnetycznej generowanej przez czytnik. W przypadku RFID UHF antena jest zazwyczaj strukturą przewodzącą (drukowaną lub wytrawioną) zaprojektowaną dla określonego pasma częstotliwości, podczas gdy w znacznikach HF/NFC często wykorzystuje się anteny cewkowe do gromadzenia energii za pomocą sprzężenia magnetycznego-pola bliskiego.
Sygnał RF przechwycony przez antenę nie może zostać wykorzystany bezpośrednio do zasilania chipa cyfrowego. Wewnątrz układu scalonego RFID wejście RF musi zostać poddane prostowaniu i zarządzaniu energią, aby zostało przekształcone w stosunkowo stabilne napięcie prądu stałego. Badania nad zasilaniem RF pokazują, że typowe architektury wykorzystują antenę, strukturę rezonansową i obwód prostownika do przekształcania energii elektromagnetycznej w prąd stały.
W systemach RFID UHF proces ten w dużym stopniu opiera się na możliwościach prostowania interfejsu-chipu. Modele badawcze i inżynieryjne zazwyczaj opisują konwersję odebranej mocy RF na moc prądu stałego za pośrednictwem prostownika w celu aktywacji układu scalonego znacznika.
Często pomijany jest tutaj szczegół: znacznik nie „przechwytuje” całej mocy RF emitowanej przez czytnik.
Na moc faktycznie docierającą do znacznika wpływają już takie czynniki, jak odległość propagacji, orientacja anteny, moc wyjściowa czytnika, polaryzacja, otaczające obiekty i odbicia od środowiska. Gdy energia dotrze do znacznika, jest ona dodatkowo ograniczana przez wydajność anteny, dopasowanie impedancji i charakterystykę wejściową chipa. Ostatecznie tylko ułamek całego łańcucha energetycznego faktycznie trafia do chipa i jest skutecznie przekształcany w prąd stały.
Dlatego też pozyskiwanie energii przez znaczniki RFID jest zasadniczo wyzwaniem związanym z konwersją energii, charakteryzującym się niskim poziomem mocy i dużymi stratami energii.
UHF i HF/NFC wykorzystują różne metody pozyskiwania energii
Chociaż zarówno UHF RFID, jak i HF/NFC RFID mogą działać pasywnie, istnieją znaczne różnice w ich mechanizmach sprzęgania energii.
RFID UHF opiera się głównie na propagacji-fal elektromagnetycznych w dalekim polu. Czytnik emituje energię RF w przestrzeń; antena znacznikowa wychwytuje część tej energii i prostuje ją za pomocą-obwodów przednich chipa. Ta metoda-jest dobrze dostosowana do zastosowań wymagających większych zakresów odczytu, takich jak magazynowanie, logistyka, sprzedaż detaliczna i zarządzanie aktywami.
HF RFID i NFC działają głównie w okolicach 13,56 MHz. Tagi zazwyczaj wykorzystują anteny cewkowe do gromadzenia energii poprzez sprzężenie magnetyczne-pola bliskiego. Siła sprzężenia pomiędzy cewką znacznika a anteną czytnika znacząco wpływa na zasięg działania i stabilność znacznika.
W niektórych systemach HF/NFC antena znacznikowa tworzy sieć rezonansową z kondensatorem, umożliwiając bardziej efektywne sprzęganie energii na częstotliwości docelowej. W badaniach nad obwodami zasilania RFID w podobny sposób wykorzystuje się konstrukcję, w której cewka indukcyjna i kondensator rezonansowy zbierają energię z pola elektromagnetycznego, która następnie jest przekształcana w prąd stały za pośrednictwem obwodu prostownika.
Dlatego też podsumowanie „pasywnego gromadzenia energii RFID” w postaci „znacznika odbiera fale radiowe i wytwarza energię elektryczną” nie jest całkowicie błędne, ale jest zbyt uproszczone do celów projektowania technicznego. Wychwytywanie-dalekiego pola UHF i sprzęganie-bliskiego pola HF/NFC wiążą się z odrębną logiką projektowania dotyczącą konfiguracji anteny, odległości sprzęgania, dopasowania impedancji i środowisk aplikacji.
Jak ocenia się zdolność znacznika do gromadzenia energii z punktu widzenia producenta RFID?
W firmie Xminnov, realizując projekty znaczników RFID, priorytetowo traktujemy wszechstronne działanie znacznika w-rzeczywistych środowiskach, a nie pojedyncze pomiary-zakresu odczytu przeprowadzane w laboratorium.
Najpierw należy określić docelowe pasmo częstotliwości i protokół,-np. EPC Gen2/ISO 18000-63 dla UHF RFID lub odpowiednie standardy ISO dla HF/NFC. Następnie na podstawie charakterystyki wejściowej chipa dobierana jest odpowiednia konstrukcja anteny.
Kolejne kroki obejmują testowanie dopasowania impedancji znacznika, częstotliwości rezonansowej, działania na różnych materiałach i zachowania aktywacji w rzeczywistym polu RF. W przypadku znaczników UHF konieczna jest także całościowa ocena czułości znacznika, wydajności rozproszenia wstecznego i czułości czytnika. Jeśli znaczniki są ostatecznie przeznaczone do stosowania na sprzęcie metalowym, częściach samochodowych, opakowaniach płynów lub w zamkniętych przestrzeniach, zazwyczaj priorytetowo traktujemy rzeczywiste testy materiałów, a nie poleganie wyłącznie na wynikach testów w wolnej-przestrzeni.
Dzieje się tak dlatego, że może występować znacząca różnica pomiędzy „zakresem odczytu na świeżym powietrzu” zmierzonym w laboratorium a „efektywnym zasięgiem odczytu” po zamontowaniu znacznika na produkcie.
