Pre tých, ktorí sú novým pasívnym RFID, vyvstáva spoločná otázka: keďže štítkom RFID chýbajú batérie, čo vlastne čip poháňa? Odpoveď nie je taká, že štítok vyrába svoju vlastnú elektrinu; skôr zbiera obmedzenú RF energiu z elektromagnetického poľa vyžarovaného RFID čítačkou a premieňa ju na jednosmerné napätie použiteľné čipom. Tento proces je známy ako RF Energy Harvesting-alebo bezdrôtové získavanie energie štítkom.
Na základe rozsiahlych skúseností spoločnosti Xminnov s návrhom antény RFID štítkov, balením čipov a testovaním aplikácií faktory, ako je dosah čítania, kompatibilita materiálov, citlivosť čipu a veľkosť antény, v konečnom dôsledku závisia od základnej otázky: či štítok dokáže získať dostatočnú a stabilnú energiu na svojom skutočnom prevádzkovom mieste.
Pochopenie zberu energie štítkov RFID si preto vyžaduje pohľad za jednoduchý fakt, že „pasívne štítky nepotrebujú batérie“. To, čo skutočne určuje výkon systému, je celý energetický reťazec-od vysielacieho výkonu čítačky po anténu štítku, prispôsobenie impedancie, usmernenie a správu napájania až po spustenie čipu a komunikáciu so spätným rozptylom.
Čo je RFID Tag Power Harvesting?
Zber energie RFID tagu sa týka procesu, pri ktorom RFID tag využíva RF (rádiovú frekvenciu) elektromagnetickú energiu generovanú čítačkou na zabezpečenie prevádzkovej energie pre svoje vnútorné elektronické obvody. Vezmite si napríklad bežné pasívne UHF RFID štítky; zvyčajne im chýba konvenčná batéria. Keď čítačka vyžaruje RF signál do vesmíru prostredníctvom svojej antény, anténa štítku zachytí časť tejto energie. Anténa premieňa elektromagnetické vlny na RF elektrické signály; tieto potom prechádzajú cez RF rozhranie a usmerňovacie obvody, pričom konvertujú vysokofrekvenčný striedavý signál na jednosmerné napätie. Po splnení podmienok spustenia čipu začne fungovať vnútorná digitálna logika, pamäť a ďalšie funkčné moduly štítku.
Značka zároveň aktívne negeneruje nového bezdrôtového operátora na komunikáciu, ako by to robilo zariadenie Wi{0}}Fi. Pre pasívne štítky UHF vyhovujúce norme EPC Gen2/ISO 18000-63 sa prenos údajov dosahuje predovšetkým prostredníctvom „spätného rozptylu“ – modifikáciou impedancie na anténnom termináli, aby sa vytvorili rôzne odrazové stavy, ktoré môže čítačka rozpoznať. Špecifikácia GS1 EPC Gen2 explicitne používa moduláciu spätného rozptylu ako komunikačný mechanizmus medzi štítkom a snímačom. Z technického hľadiska pasívny štítok RFID efektívne vykonáva dve postupné akcie:
Najprv zbiera energiu z RF poľa čítačky; potom túto energiu využíva na napájanie operácií čipu a uľahčenie spätnej komunikácie.
To vysvetľuje, prečo „dosah čítania“ štítku RFID nemožno jednoducho prirovnať k veľkosti antény-väčšia anténa automaticky nezaručuje dlhší dosah. Štítok musí najskôr získať dostatočný RF vstupný výkon na uvedenie čipu do prevádzkového stavu a následne zabezpečiť, že spätne rozptýlený signál môže čítačka spoľahlivo detekovať.
Ako saRFID štítokpremeniť RF energiu na elektrickú energiu?
Pokiaľ ide o architektúru obvodu, typický pasívny štítok RFID možno zjednodušiť takto:RFID anténa → Impedančné prispôsobenie → Usmerňovač → Riadenie jednosmerného napájania → RFID IC.
Anténa štítku je zodpovedná za zachytávanie elektromagnetickej energie generovanej čítačkou. V prípade UHF RFID je anténa zvyčajne vodivá štruktúra (vytlačená alebo leptaná) navrhnutá pre konkrétne frekvenčné pásmo, zatiaľ čo štítky HF/NFC často využívajú cievkové antény na získavanie energie prostredníctvom magnetickej väzby v blízkom poli.
RF signál zachytený anténou nemožno použiť priamo na napájanie digitálneho čipu. Vo vnútri RFID IC musí RF vstup prejsť usmernením a riadením napájania, aby sa premenil na relatívne stabilné jednosmerné napätie. Výskum vysokofrekvenčného napájania ukazuje, že typické architektúry využívajú anténu, rezonančnú štruktúru a obvod usmerňovača na transformáciu elektromagnetickej energie na jednosmerný prúd.
V systémoch UHF RFID sa tento proces vo veľkej miere opiera o možnosti usmerňovania predného-endu čipu. Výskumné a inžinierske modely zvyčajne opisujú premenu prijatého RF výkonu na jednosmerný prúd cez usmerňovač na aktiváciu tagu IC.
Je tu často prehliadaný detail: štítok „nezachytáva“ celý RF výkon vyžarovaný čítačkou.
Výkon, ktorý skutočne dosiahne štítok, je už ovplyvnený faktormi, ako je vzdialenosť šírenia, orientácia antény, výstupný výkon čítačky, polarizácia, okolité objekty a odrazy prostredia. Keď energia dosiahne štítok, je ďalej obmedzená účinnosťou antény, prispôsobením impedancie a vstupnými charakteristikami čipu. V konečnom dôsledku len zlomok celkového energetického reťazca skutočne vstupuje do čipu a je efektívne premenený na jednosmerný prúd.
Zber energie RFID tagov je preto v podstate výzvou na premenu energie charakterizovanú nízkou úrovňou výkonu a vysokými energetickými stratami.
UHF a HF/NFC využívajú rôzne metódy získavania energie
Hoci UHF RFID aj HF/NFC RFID môžu fungovať pasívne, existujú významné rozdiely v ich mechanizmoch spájania energie.
UHF RFID sa spolieha predovšetkým na šírenie elektromagnetických vĺn-poľom. Čítačka vyžaruje RF energiu do priestoru; štítková anténa zachytí časť tejto energie a usmerní ju prostredníctvom predného- obvodu čipu. Táto metóda je-vhodná pre aplikácie vyžadujúce dlhší rozsah čítania, ako je skladovanie, logistika, maloobchod a správa majetku.
HF RFID a NFC fungujú hlavne okolo 13,56 MHz. Štítky zvyčajne využívajú cievkové antény na získavanie energie prostredníctvom-magnetickej väzby v blízkom poli. Sila spojenia medzi cievkou tagu a anténou čítačky výrazne ovplyvňuje prevádzkový dosah a stabilitu tagu.
V niektorých systémoch HF/NFC tvorí štítková anténa rezonančnú sieť s kondenzátorom, čo umožňuje efektívnejšie prepojenie energie na cieľovej frekvencii. Výskum v oblasti napájacích obvodov RFID podobne využíva štruktúru, v ktorej induktor a rezonančný kondenzátor získavajú energiu z elektromagnetického poľa, ktorá sa potom premieňa na jednosmerný prúd cez obvod usmerňovača.
Preto aj keď zhrnutie „pasívneho získavania energie RFID“ jednoducho ako „štítok prijíma rádiové vlny a generuje elektrinu“ nie je úplne nesprávne, na účely inžinierskeho dizajnu je príliš zjednodušené. UHF ďaleké-zberanie poľa a HF/NFC blízke-poľné prepojenie zahŕňajú odlišné konštrukčné logiky týkajúce sa konfigurácie antény, väzbovej vzdialenosti, impedančného prispôsobenia a aplikačného prostredia.
Ako sa z pohľadu výrobcu RFID hodnotí schopnosť štítku získavať energiu?
V spoločnosti Xminnov pri realizácii projektov štítkov RFID uprednostňujeme komplexný výkon štítkov v reálnych -prostrediach sveta pred izolovanými meraniami rozsahu čítania{1}} vykonanými v laboratóriu.
Najprv je potrebné identifikovať cieľové frekvenčné pásmo a protokol,-ako napríklad EPC Gen2/ISO 18000-63 pre UHF RFID alebo príslušné normy ISO pre HF/NFC. Ďalej sa vyberie vhodná štruktúra antény na základe vstupných charakteristík čipu.
Následné kroky zahŕňajú testovanie impedančného prispôsobenia tagu, rezonančnej frekvencie, výkonu na rôznych materiáloch a aktivačného správania v rámci skutočného RF poľa. Pre UHF tagy je tiež potrebné holisticky vyhodnotiť citlivosť tagov, výkon spätného rozptylu a citlivosť čítačky. Ak sú štítky v konečnom dôsledku určené na použitie na kovových zariadeniach, automobilových súčiastkach, obaloch kvapalín alebo v stiesnených priestoroch, vo všeobecnosti uprednostňujeme skutočné testovanie materiálu pred spoliehaním sa výlučne na výsledky testov-vo voľnom priestore.
Môže totiž existovať významný rozdiel medzi „dosahom čítania na voľnom vzduchu“ nameraným v laboratóriu a „účinným dosahom čítania“ po namontovaní štítku na výrobok.
