У тех, кто плохо знаком с пассивной RFID, возникает общий вопрос: поскольку в RFID-метках нет батарей, что на самом деле питает чип? Ответ не в том, что метка генерирует собственное электричество; скорее, он собирает ограниченную радиочастотную энергию из электромагнитного поля, излучаемого считывателем RFID, и преобразует ее в напряжение постоянного тока, используемое чипом. Этот процесс известен как сбор радиочастотной энергии-или беспроводное получение энергии с помощью метки.
Основываясь на обширном опыте Xminnov в разработке антенн RFID-меток, упаковке чипов и тестировании приложений, такие факторы, как дальность считывания, совместимость материалов, чувствительность чипа и размер антенны, в конечном итоге зависят от фундаментального вопроса: может ли метка получать достаточную и стабильную энергию в фактическом рабочем месте.
Поэтому для понимания сбора энергии RFID-метками необходимо выйти за рамки простого факта, что «пассивным меткам не нужны батарейки». Что действительно определяет производительность системы, так это вся энергетическая цепочка,-от мощности передачи считывателя до меточной антенны, согласования импеданса, выпрямления и управления питанием, вплоть до запуска чипа и обратного рассеяния.
Что такое сбор энергии RFID-меток?
Под сбором энергии RFID-метки понимается процесс, при котором RFID-метка использует электромагнитную энергию RF (радиочастоты), генерируемую считывателем, для обеспечения рабочей мощности своих внутренних электронных схем. Возьмем, к примеру, обычные пассивные метки UHF RFID; им обычно не хватает обычной батареи. Когда считыватель излучает радиочастотный сигнал в космос через свою антенну, антенна метки улавливает часть этой энергии. Антенна преобразует электромагнитные волны в электрические радиочастотные сигналы; затем они проходят через радиочастотный интерфейс и схему выпрямления, преобразуя высокочастотный сигнал переменного тока в напряжение постоянного тока. Как только условия запуска чипа выполнены, внутренняя цифровая логика, память и другие функциональные модули метки начинают работать.
В то же время тег не создает активно нового оператора беспроводной связи для связи, как это делает устройство Wi-Fi. Для пассивных меток УВЧ, соответствующих стандарту EPC Gen2/ISO 18000-63, передача данных в основном достигается за счет «обратного рассеяния» — изменения импеданса на антенном терминале для создания различных состояний отражения, которые может обнаружить считыватель. Спецификация GS1 EPC Gen2 явно использует модуляцию обратного рассеяния в качестве механизма связи между меткой и запросчиком. С инженерной точки зрения пассивная RFID-метка эффективно выполняет два последовательных действия:
Во-первых, он собирает энергию из радиочастотного поля читателя; затем он использует эту энергию для обеспечения работы чипа и облегчения связи с обратным рассеянием.
Это объясняет, почему «дальность считывания» RFID-метки нельзя просто приравнять к размеру антенны.-Антенна большего размера не гарантирует автоматически большую дальность действия. Метка должна сначала получить достаточную входную радиочастотную мощность, чтобы привести чип в рабочее состояние, а затем обеспечить надежное обнаружение считывателем сигнала обратного рассеяния.
КакRFID-меткапреобразовать радиочастотную энергию в электроэнергию?
С точки зрения архитектуры схемы типичную пассивную RFID-метку можно упростить следующим образом:RFID-антенна → Согласование импеданса → Выпрямитель → Управление питанием постоянного тока → RFID IC.
Антенна метки отвечает за улавливание электромагнитной энергии, генерируемой считывателем. Для UHF RFID антенна обычно представляет собой проводящую структуру (напечатанную или выгравированную), предназначенную для определенного диапазона частот, тогда как метки HF/NFC часто используют катушечные антенны для сбора энергии посредством магнитной связи в ближнем поле.
Радиочастотный сигнал, улавливаемый антенной, не может быть использован непосредственно для питания цифрового чипа. Внутри RFID-микросхемы ВЧ-вход должен пройти выпрямление и управление питанием, чтобы преобразоваться в относительно стабильное напряжение постоянного тока. Исследования в области радиочастотного питания показывают, что типичные архитектуры используют антенну, резонансную структуру и схему выпрямителя для преобразования электромагнитной энергии в мощность постоянного тока.
В системах UHF RFID этот процесс во многом зависит от возможностей исправления внешнего интерфейса чипа-. Исследовательские и инженерные модели обычно описывают преобразование полученной радиочастотной мощности в мощность постоянного тока через выпрямитель для активации микросхемы метки.
Здесь есть одна деталь, которую часто упускают из виду: метка не «улавливает» всю радиочастотную мощность, излучаемую считывателем.
На мощность, которая фактически достигает метки, уже влияют такие факторы, как расстояние распространения, ориентация антенны, выходная мощность считывателя, поляризация, окружающие объекты и отражения от окружающей среды. Как только энергия достигает метки, она дополнительно ограничивается эффективностью антенны, согласованием импеданса и входными характеристиками чипа. В конечном счете, только часть всей энергетической цепи фактически попадает в чип и эффективно преобразуется в мощность постоянного тока.
Таким образом, сбор энергии RFID-метками, по сути, представляет собой задачу преобразования энергии, характеризующуюся низким уровнем мощности и высокими потерями энергии.
UHF и HF/NFC используют разные методы сбора энергии.
Хотя и UHF RFID, и HF/NFC RFID могут работать пассивно, существуют существенные различия в их механизмах энергетической связи.
UHF RFID в первую очередь опирается на распространение электромагнитных волн в дальней-зоне. Считыватель излучает радиочастотную энергию в пространство; меточная антенна улавливает часть этой энергии и исправляет ее через входную-схему чипа. Этот метод хорошо-хорошо подходит для приложений, требующих более длинных диапазонов считывания, таких как складирование, логистика, розничная торговля и управление активами.
HF RFID и NFC работают в основном на частоте 13,56 МГц. Метки обычно используют катушечные антенны для сбора энергии посредством магнитной связи ближнего-поля. Сила связи между катушкой метки и антенной считывателя существенно влияет на дальность действия и стабильность метки.
В некоторых системах HF/NFC меточная антенна образует резонансную сеть с конденсатором, обеспечивая более эффективную связь энергии на целевой частоте. В исследованиях цепей питания RFID аналогичным образом используется структура, в которой индуктор и резонансный конденсатор собирают энергию электромагнитного поля, которая затем преобразуется в мощность постоянного тока через схему выпрямителя.
Таким образом, хотя обобщение «пассивного сбора энергии RFID» просто как «метка принимает радиоволны и генерирует электричество» не совсем неверно, это слишком упрощенно для целей инженерного проектирования. Сбор данных в дальней-зоне УВЧ и соединение HF/NFC в ближней-зоне требуют различных логических схем проектирования, касающихся конфигурации антенны, расстояния связи, согласования импеданса и условий применения.
Как оценивается способность метки собирать энергию с точки зрения производителя RFID?
В Xminnov при реализации проектов RFID-меток мы отдаем приоритет комплексным характеристикам меток в реальных-средах мира, а не измерениям изолированного диапазона считывания-, проводимым в лаборатории.
Сначала необходимо определить целевой диапазон частот и протокол,-например, EPC Gen2/ISO 18000-63 для UHF RFID или соответствующие стандарты ISO для HF/NFC. Далее выбирается соответствующая структура антенны на основе входных характеристик микросхемы.
Последующие шаги включают тестирование согласования импеданса метки, резонансной частоты, производительности на различных материалах и поведения активации в реальном радиочастотном поле. Для меток УВЧ также необходимо комплексно оценить чувствительность метки, характеристики обратного рассеяния и чувствительность считывателя. Если метки в конечном итоге предназначены для использования на металлическом оборудовании, автомобильных деталях, упаковке жидкостей или в замкнутых пространствах, мы обычно отдаем предпочтение фактическому тестированию материала, а не полагаться исключительно на результаты испытаний в-свободном пространстве.
Это связано с тем, что может существовать значительная разница между «дальностью считывания на открытом воздухе», измеренной в лаборатории, и «эффективной дальностью считывания» после установки метки на изделие.
