Voor degenen die nieuw zijn met passieve RFID rijst een veel voorkomende vraag: aangezien RFID-tags geen batterijen hebben, wat drijft de chip dan eigenlijk aan? Het antwoord is niet dat de tag zijn eigen elektriciteit opwekt; in plaats daarvan haalt het beperkte RF-energie uit het elektromagnetische veld dat wordt uitgezonden door de RFID-lezer en zet dit om in een gelijkspanning die door de chip kan worden gebruikt. Dit proces staat bekend als RF Energy Harvesting-of het draadloos verkrijgen van stroom door de tag.
Gebaseerd op de uitgebreide ervaring van Xminnov op het gebied van het ontwerpen van RFID-tagantennes, het verpakken van chips en het testen van toepassingen, hangen factoren zoals leesbereik, materiaalcompatibiliteit, chipgevoeligheid en antennegrootte uiteindelijk allemaal af van een fundamentele kwestie: of de tag voldoende en stabiele energie kan verkrijgen op zijn feitelijke operationele locatie.
Om de energiewinning van RFID-tags te begrijpen, moet er dus verder worden gekeken dan het simpele feit dat "passieve tags geen batterijen nodig hebben." Wat de systeemprestaties werkelijk bepaalt, is de gehele energieketen-van het zendvermogen van de lezer tot de tagantenne, impedantiematching, rectificatie en energiebeheer, helemaal tot aan het opstarten van de chip en de backscatter-communicatie.
Wat is RFID-tag power harvesting?
Power Harvesting van RFID-tags verwijst naar het proces waarbij een RFID-tag gebruikmaakt van RF-elektromagnetische energie (radiofrequentie) die door een lezer wordt gegenereerd om de interne elektronische circuits van stroom te voorzien. Neem bijvoorbeeld gewone passieve UHF RFID-tags; ze missen doorgaans een conventionele batterij. Wanneer een lezer via zijn antenne een RF-signaal de ruimte in straalt, vangt de tagantenne een deel van die energie op. De antenne zet de elektromagnetische golven om in elektrische RF-signalen; deze gaan vervolgens door een RF-interface en een rectificatiecircuit, waarbij het hoog-AC-signaal wordt omgezet in een gelijkspanning. Zodra aan de opstartvoorwaarden van de chip is voldaan, beginnen de interne digitale logica, het geheugen en andere functionele modules van de tag te werken.
Tegelijkertijd genereert de tag niet actief een nieuwe draadloze provider voor communicatie, zoals een Wi-apparaat dat zou doen. Voor passieve UHF-tags die voldoen aan EPC Gen2/ISO 18000-63, wordt gegevensoverdracht voornamelijk bereikt door middel van "backscatter": het aanpassen van de impedantie bij de antenne-aansluiting om variërende reflectietoestanden te creëren die de lezer kan detecteren. De GS1 EPC Gen2-specificatie maakt expliciet gebruik van backscatter-modulatie als communicatiemechanisme tussen de tag en de ondervrager. Vanuit technisch perspectief voert een passieve RFID-tag effectief twee opeenvolgende acties uit:
Ten eerste haalt het energie uit het RF-veld van de lezer; vervolgens gebruikt het die energie om de werking van de chip aan te drijven en backscatter-communicatie te vergemakkelijken.
Dit verklaart waarom het 'leesbereik' van een RFID-tag niet eenvoudigweg kan worden gelijkgesteld met de antennegrootte.-Een grotere antenne garandeert niet automatisch een groter bereik. De tag moet eerst voldoende RF-ingangsvermogen verwerven om de chip in een operationele staat te brengen, en er vervolgens voor zorgen dat het terugverstrooide signaal betrouwbaar door de lezer kan worden gedetecteerd.
Hoe werkt eenRFID-tagRF-energie omzetten in elektrische energie?
In termen van circuitarchitectuur kan een typische passieve RFID-tag als volgt worden vereenvoudigd:RFID-antenne → Impedantieaanpassing → Gelijkrichter → DC-stroombeheer → RFID IC.
De tagantenne is verantwoordelijk voor het opvangen van de elektromagnetische energie die door de lezer wordt gegenereerd. Bij UHF RFID is de antenne doorgaans een geleidende structuur (gedrukt of geëtst) die is ontworpen voor een specifieke frequentieband, terwijl HF/NFC-tags vaak gebruik maken van spoelantennes om energie te oogsten via magnetische koppeling in het nabije-veld.
Het RF-signaal dat door de antenne wordt opgevangen, kan niet rechtstreeks worden gebruikt om de digitale chip van stroom te voorzien. Binnen de RFID IC moet de RF-invoer rectificatie en energiebeheer ondergaan om te worden omgezet in een relatief stabiele gelijkspanning. Uit onderzoek naar RF-voeding blijkt dat typische architecturen een antenne, een resonantiestructuur en een gelijkrichtercircuit gebruiken om elektromagnetische energie om te zetten in gelijkstroom.
Bij UHF RFID-systemen is dit proces sterk afhankelijk van de rectificatiemogelijkheden van de voorkant van de chip-. Onderzoeks- en engineeringmodellen beschrijven doorgaans de omzetting van ontvangen RF-vermogen in gelijkstroom via een gelijkrichter om het tag-IC te activeren.
Er is hier een detail dat vaak over het hoofd wordt gezien: de tag "vangt" niet het volledige RF-vermogen op dat door de lezer wordt uitgezonden.
Het vermogen dat de tag daadwerkelijk bereikt, wordt al beïnvloed door factoren zoals voortplantingsafstand, antenne-oriëntatie, uitgangsvermogen van de lezer, polarisatie, omringende objecten en omgevingsreflecties. Zodra de energie de tag bereikt, wordt deze verder beperkt door de antenne-efficiëntie, impedantie-matching en de ingangskarakteristieken van de chip. Uiteindelijk komt slechts een fractie van de totale energieketen daadwerkelijk in de chip en wordt effectief omgezet in gelijkstroom.
Daarom is het oogsten van stroom door RFID-tags in wezen een uitdaging op het gebied van energieconversie, die wordt gekenmerkt door lage energieniveaus en hoge energieverliezen.
UHF en HF/NFC gebruiken verschillende methoden voor het oogsten van energie
Hoewel zowel UHF RFID als HF/NFC RFID passief kunnen werken, zijn er aanzienlijke verschillen in hun energiekoppelingsmechanismen.
UHF RFID is voornamelijk afhankelijk van de voortplanting van elektromagnetische golven in het verre-veld. De lezer straalt RF-energie de ruimte in; de tag-antenne vangt een deel van deze energie op en corrigeert deze via de circuits aan de voorkant van de chip. Deze methode is zeer geschikt voor toepassingen die een groter leesbereik vereisen, zoals opslag, logistiek, detailhandel en activabeheer.
HF RFID en NFC werken voornamelijk rond 13,56 MHz. Tags maken doorgaans gebruik van spoelantennes om energie te oogsten via magnetische koppeling in het nabije-veld. De koppelsterkte tussen de tagspoel en de lezerantenne heeft een aanzienlijke invloed op het werkingsbereik en de stabiliteit van de tag.
In sommige HF/NFC-systemen vormt de tagantenne een resonant netwerk met een condensator, waardoor een efficiëntere energiekoppeling op de doelfrequentie mogelijk wordt. Onderzoek naar RFID-voedingscircuits maakt op vergelijkbare wijze gebruik van een structuur waarbij een inductor en een resonante condensator energie uit het elektromagnetische veld verzamelen, die vervolgens via een gelijkrichtercircuit wordt omgezet in gelijkstroom.
Hoewel het dus niet geheel onjuist is om "passieve RFID-energieoogst" simpelweg samen te vatten als "de tag ontvangt radiogolven en elektriciteit opwekt", is het te simplistisch voor technische ontwerpdoeleinden. Bij UHF far-field harvesting en HF/NFC near-field-koppeling zijn verschillende ontwerplogica's betrokken met betrekking tot antenneconfiguratie, koppelingsafstand, impedantie-matching en toepassingsomgevingen.
Hoe wordt vanuit het perspectief van een RFID-fabrikant het vermogen van een tag om energie te oogsten geëvalueerd?
Bij Xminnov geven we bij het uitvoeren van RFID-tagprojecten prioriteit aan de uitgebreide prestaties van een tag in reële- omgevingen boven geïsoleerde lees- metingen van het leesbereik in een laboratorium.
Eerst moeten de doelfrequentieband en het protocol worden geïdentificeerd-zoals EPC Gen2/ISO 18000-63 voor UHF RFID, of de relevante ISO-normen voor HF/NFC. Vervolgens wordt een geschikte antennestructuur geselecteerd op basis van de ingangskarakteristieken van de chip.
Daaropvolgende stappen omvatten het testen van de impedantiematching van de tag, de resonantiefrequentie, de prestaties op verschillende materialen en het activeringsgedrag binnen een feitelijk RF-veld. Voor UHF-tags is het ook noodzakelijk om de taggevoeligheid, de backscatterprestaties en de gevoeligheid van de lezer holistisch te evalueren. Als de tags uiteindelijk bedoeld zijn voor gebruik op metalen apparatuur, auto-onderdelen, vloeistofverpakkingen of in besloten ruimtes, geven we over het algemeen prioriteit aan daadwerkelijke materiaaltests boven het uitsluitend vertrouwen op gratis-testresultaten in de ruimte.
Dit komt omdat er een aanzienlijk verschil kan zijn tussen het "leesbereik in vrije lucht", gemeten in het laboratorium, en het "effectieve leesbereik" nadat de tag op het product is gemonteerd.
