Для новачків у пасивній RFID виникає поширене запитання: оскільки в RFID-мітках відсутні батареї, що насправді живить чіп? Відповідь полягає не в тому, що тег генерує власну електроенергію; скоріше, він збирає обмежену радіочастотну енергію від електромагнітного поля, випромінюваного зчитувачем RFID, і перетворює її на напругу постійного струму, яку може використовувати чіп. Цей процес відомий як збір радіочастотної енергії-або бездротове отримання живлення за допомогою мітки.
Виходячи з великого досвіду Xminnov у розробці антен RFID-міток, упаковці чіпів і тестуванні додатків, такі фактори, як дальність зчитування, сумісність матеріалів, чутливість чіпа та розмір антени, зрештою, залежать від фундаментального питання: чи може мітка отримувати достатню та стабільну енергію у своєму фактичному робочому місці.
Таким чином, щоб зрозуміти збір енергії міток RFID, потрібно вийти за рамки простого факту, що «пасивним міткам не потрібні батареї». Що справді визначає ефективність системи, так це весь енергетичний ланцюг-від потужності передачі зчитувача до антени мітки, узгодження імпедансу, випрямлення та керування живленням, аж до запуску мікросхеми та зв’язку зворотного розсіювання.
Що таке RFID Tag Power Harvesting?
Збір потужності тегів RFID відноситься до процесу, за допомогою якого тег RFID використовує електромагнітну енергію РЧ (радіочастот), що генерується зчитувачем, для забезпечення робочого живлення внутрішніх електронних схем. Візьмемо, наприклад, звичайні пасивні UHF RFID-мітки; зазвичай у них відсутній звичайний акумулятор. Коли зчитувач випромінює радіочастотний сигнал у простір через свою антену, антена-мітка вловлює частину цієї енергії. Антена перетворює електромагнітні хвилі в радіочастотні електричні сигнали; потім вони проходять через радіочастотний інтерфейс і схему випрямлення, перетворюючи високо{3}}сигнал змінного струму на напругу постійного струму. Після виконання умов запуску чіпа внутрішня цифрова логіка тега, пам’ять та інші функціональні модулі починають працювати.
Водночас тег не генерує активно нового бездротового оператора для зв’язку, як це зробив би пристрій Wi-Fi. Для пасивних УВЧ-міток, сумісних з EPC Gen2/ISO 18000-63, передача даних в основному досягається через «зворотне розсіювання» — модифікацію імпедансу на терміналі антени для створення різних станів відбиття, які може виявити зчитувач. Специфікація GS1 EPC Gen2 явно використовує модуляцію зворотного розсіювання як механізм зв’язку між тегом і запитувачем. З інженерної точки зору, пасивна RFID-мітка ефективно виконує дві послідовні дії:
По-перше, він збирає енергію з радіочастотного поля зчитувача; потім він використовує цю енергію для живлення операцій чіпа та полегшення зворотного зв’язку.
Це пояснює, чому «дальність зчитування» мітки RFID не можна просто прирівняти до розміру антени-більша антена автоматично не гарантує більшої дальності. Тег повинен спочатку отримати достатню вхідну радіочастотну потужність, щоб привести мікросхему в робочий стан, а потім переконатися, що сигнал, розсіяний назад, може бути надійно виявлений зчитувачем.
Як працює анRFID-міткаперетворювати радіочастотну енергію в електричну?
З точки зору архітектури схеми типову пасивну RFID-мітку можна спростити таким чином:RFID-антена → Відповідність імпедансу → Випрямляч → Керування живленням постійного струму → RFID IC.
Антена мітки відповідає за захоплення електромагнітної енергії, яку генерує зчитувач. Для UHF RFID антена зазвичай є провідною структурою (друкованою або вигравіруваною), розробленою для певного діапазону частот, тоді як HF/NFC-мітки часто використовують спіральні антени для збору енергії через -магнітний зв’язок ближнього поля.
Радіочастотний сигнал, захоплений антеною, не можна використовувати безпосередньо для живлення цифрового чіпа. Всередині RFID IC вхід RF має пройти виправлення та керування живленням, щоб перетворитися на відносно стабільну напругу постійного струму. Дослідження РЧ-живлення показують, що типові архітектури використовують антену, резонансну структуру та схему випрямляча для перетворення електромагнітної енергії в енергію постійного струму.
У системах UHF RFID цей процес значною мірою залежить від можливостей виправлення передньої частини чіпа-. Дослідницькі та інженерні моделі зазвичай описують перетворення отриманої радіочастотної потужності в потужність постійного струму за допомогою випрямляча для активації мікросхеми мітки.
Тут є деталь, яку часто забувають: тег не «вловлює» всю потужність радіочастот, яку випромінює зчитувач.
Потужність, яка фактично досягає мітки, вже залежить від таких факторів, як відстань розповсюдження, орієнтація антени, вихідна потужність зчитувача, поляризація, навколишні об’єкти та відбиття навколишнього середовища. Коли енергія досягає мітки, вона додатково обмежується ефективністю антени, узгодженням імпедансу та вхідними характеристиками чіпа. Зрештою, лише частина загального енергетичного ланцюга фактично потрапляє в чіп і ефективно перетворюється на живлення постійного струму.
Таким чином, збір потужності RFID-міток є, по суті, проблемою перетворення енергії, що характеризується низькими рівнями потужності та високими втратами енергії.
UHF і HF/NFC використовують різні методи збору енергії
Хоча як UHF RFID, так і HF/NFC RFID можуть працювати пасивно, існують значні відмінності в їх механізмах зв’язку енергії.
UHF RFID в основному базується на поширенні-електромагнітних хвиль у далекому полі. Зчитувач випромінює радіочастотну енергію в простір; антена-мітка вловлює частину цієї енергії та випрямляє її через передню -схему чіпа. Цей метод добре -підходить для додатків, які потребують довшого діапазону зчитування, таких як складування, логістика, роздрібна торгівля та управління активами.
HF RFID і NFC працюють переважно на частоті 13,56 МГц. У тегах зазвичай використовуються спіральні антени для збору енергії через-магнітний зв’язок ближнього поля. Сила зв’язку між котушкою мітки та антеною зчитувача значно впливає на робочий діапазон і стабільність мітки.
У деяких системах HF/NFC антена-мітка утворює резонансну мережу з конденсатором, забезпечуючи більш ефективний зв’язок енергії на цільовій частоті. Дослідження схем джерела живлення RFID так само використовує структуру, в якій котушка індуктивності та резонансний конденсатор збирають енергію з електромагнітного поля, яка потім перетворюється на постійний струм через схему випрямляча.
Тому, хоча підсумовувати «пасивний збір енергії RFID» просто як «мітка приймає радіохвилі та генерує електроенергію» не зовсім неправильно, це надто спрощено для цілей інженерного проектування. УВЧ-з’єднання далекого-поля та зв’язок HF/NFC ближнього-поля передбачає різні логіки проектування щодо конфігурації антени, відстані зв’язку, узгодження імпедансу та середовища застосування.
З точки зору виробника RFID, як оцінюється здатність мітки до збору енергії?
У Xminnov, реалізуючи проекти RFID-тегів, ми надаємо перевагу повній продуктивності міток у реальних-середовищах світу над ізольованими-вимірюваннями діапазону читання, зробленими в лабораторії.
По-перше, необхідно визначити цільовий діапазон частот і протокол-, як-от EPC Gen2/ISO 18000-63 для UHF RFID або відповідні стандарти ISO для HF/NFC. Далі вибирається відповідна структура антени на основі вхідних характеристик чіпа.
Подальші кроки передбачають перевірку відповідності імпедансу мітки, резонансної частоти, ефективності на різних матеріалах і поведінки активації в реальному радіочастотному полі. Для УВЧ-міток також необхідно цілісно оцінити чутливість міток, продуктивність зворотного розсіювання та чутливість зчитувача. Якщо мітки в кінцевому підсумку призначені для використання на металевому обладнанні, автомобільних деталях, упаковці для рідин або в обмеженому просторі, ми зазвичай надаємо пріоритет фактичному тестуванню матеріалу, а не покладаємося лише на результати тестування у вільному-простірові.
Це пов’язано з тим, що може бути значна різниця між «діапазоном зчитування у вільному повітрі», виміряним у лабораторії, та «діапазоном ефективного зчитування» після встановлення мітки на продукт.
