چگونه RFID انرژی را از سیگنال های RF برداشت می کند

برای کسانی که تازه به RFID غیرفعال می‌پردازند، یک سوال رایج پیش می‌آید: از آنجایی که برچسب‌های RFID فاقد باتری هستند، در واقع چه چیزی تراشه را تغذیه می‌کند؟ پاسخ این نیست که برچسب برق خود را تولید می کند. بلکه انرژی RF محدودی را از میدان الکترومغناطیسی ساطع شده توسط خواننده RFID دریافت می کند و آن را به یک ولتاژ DC قابل استفاده توسط تراشه تبدیل می کند. این فرآیند به عنوان برداشت انرژی RF-یا کسب توان بی‌سیم توسط برچسب شناخته می‌شود.
بر اساس تجربه گسترده Xminnov در طراحی آنتن تگ RFID، بسته بندی تراشه و آزمایش برنامه، عواملی مانند محدوده خواندن، سازگاری مواد، حساسیت تراشه و اندازه آنتن در نهایت به یک مسئله اساسی بستگی دارد: اینکه آیا برچسب می تواند انرژی کافی و پایدار را در محل کار واقعی خود به دست آورد یا خیر.
بنابراین، درک برداشت توان تگ RFID مستلزم نگاهی فراتر از این واقعیت ساده است که «برچسب‌های غیرفعال به باتری نیاز ندارند». آنچه واقعاً عملکرد سیستم را تعیین می‌کند، کل زنجیره انرژی است-از توان ارسال خواننده تا آنتن برچسب، تطبیق امپدانس، تصحیح و مدیریت توان، تا راه‌اندازی تراشه و ارتباطات پراکنده.

برداشت توان تگ RFID چیست؟

برداشت توان تگ RFID به فرآیندی اطلاق می شود که توسط آن یک برچسب RFID از انرژی الکترومغناطیسی RF (فرکانس رادیویی) تولید شده توسط خواننده برای تامین توان عملیاتی مدارهای الکترونیکی داخلی خود استفاده می کند. به عنوان مثال، تگ های متداول UHF RFID غیرفعال را در نظر بگیرید. آنها معمولاً فاقد باتری معمولی هستند. هنگامی که یک خواننده یک سیگنال RF را از طریق آنتن خود به فضا می فرستد، آنتن برچسب بخشی از آن انرژی را جذب می کند. آنتن امواج الکترومغناطیسی را به سیگنال های الکتریکی RF تبدیل می کند. اینها سپس از یک رابط RF و مدار یکسوسازی عبور می کنند و سیگنال AC فرکانس بالا را به ولتاژ DC تبدیل می کنند. هنگامی که شرایط راه اندازی تراشه برآورده شد، منطق دیجیتال داخلی برچسب، حافظه و سایر ماژول های کاربردی شروع به کار می کنند.
در عین حال، برچسب به طور فعال یک حامل بی سیم جدید برای ارتباط ایجاد نمی کند، همانطور که یک دستگاه Wi-. برای برچسب‌های UHF غیرفعال منطبق با EPC Gen2/ISO 18000-63، انتقال داده در درجه اول از طریق "backscatter" - اصلاح امپدانس در پایانه آنتن برای ایجاد حالت‌های بازتابی متفاوتی که خواننده می‌تواند تشخیص دهد، انجام می‌شود. مشخصات GS1 EPC Gen2 به صراحت از مدولاسیون پس پراکندگی به عنوان مکانیسم ارتباطی بین برچسب و بازپرس استفاده می کند. از دیدگاه مهندسی، یک تگ RFID غیرفعال به طور موثر دو عمل متوالی را انجام می دهد:
اول، انرژی را از میدان RF خواننده برداشت می کند. سپس، از آن انرژی برای نیرو بخشیدن به عملیات تراشه و تسهیل ارتباط پراکندگی پس از آن استفاده می کند.
این توضیح می‌دهد که چرا «محدوده خواندن» یک برچسب RFID را نمی‌توان به سادگی با اندازه آنتن یکسان کرد-یک آنتن بزرگ‌تر به‌طور خودکار برد طولانی‌تری را تضمین نمی‌کند. تگ باید ابتدا توان ورودی RF کافی را به دست آورد تا تراشه را به حالت عملیاتی برساند و متعاقباً اطمینان حاصل شود که سیگنال پراکنده برگشتی می تواند به طور قابل اعتماد توسط خواننده شناسایی شود.

چگونه یکبرچسب RFIDتبدیل انرژی RF به برق؟

از نظر معماری مدار، یک تگ غیرفعال RFID را می توان به صورت زیر ساده کرد:آنتن RFID → تطبیق امپدانس → یکسو کننده → مدیریت برق DC → آی سی RFID.
آنتن برچسب وظیفه گرفتن انرژی الکترومغناطیسی تولید شده توسط خواننده را بر عهده دارد. برای UHF RFID، آنتن معمولاً یک ساختار رسانا (چاپ شده یا حکاکی شده) است که برای یک باند فرکانسی خاص طراحی شده است، در حالی که برچسب های HF/NFC اغلب از آنتن های سیم پیچ برای برداشت انرژی از طریق جفت مغناطیسی میدان نزدیک{{1} استفاده می کنند.
سیگنال RF گرفته شده توسط آنتن نمی تواند به طور مستقیم برای تغذیه تراشه دیجیتال استفاده شود. در داخل آی سی RFID، ورودی RF باید تحت یکسوسازی و مدیریت توان قرار گیرد تا به یک ولتاژ DC نسبتاً پایدار تبدیل شود. تحقیقات در مورد تغذیه RF نشان می دهد که معماری های معمولی از یک آنتن، یک ساختار تشدید کننده و یک مدار یکسو کننده برای تبدیل انرژی الکترومغناطیسی به توان DC استفاده می کنند.
در سیستم‌های UHF RFID، این فرآیند به شدت به قابلیت‌های اصلاح قسمت جلویی تراشه- بستگی دارد. مدل های تحقیقاتی و مهندسی معمولاً تبدیل توان RF دریافتی به توان DC را از طریق یکسوساز برای فعال کردن آی سی برچسب توصیف می کنند.
در اینجا یک جزئیات اغلب نادیده گرفته می شود: برچسب تمام توان RF منتشر شده توسط خواننده را "گرفته" نمی کند.
توانی که در واقع به تگ می رسد قبلاً تحت تأثیر عواملی مانند فاصله انتشار، جهت آنتن، توان خروجی خواننده، قطبش، اشیاء اطراف و بازتاب های محیطی است. هنگامی که انرژی به برچسب می رسد، توسط بازده آنتن، تطبیق امپدانس و ویژگی های ورودی تراشه محدودتر می شود. در نهایت، تنها کسری از کل زنجیره انرژی در واقع وارد تراشه می شود و به طور موثر به برق DC تبدیل می شود.
بنابراین، برداشت توان برچسب RFID اساساً یک چالش تبدیل انرژی است که با سطوح توان کم و تلفات انرژی بالا مشخص می شود.

UHF و HF/NFC از روش های مختلفی برای برداشت انرژی استفاده می کنند

اگرچه هر دو UHF RFID و HF/NFC RFID می توانند به صورت غیرفعال عمل کنند، تفاوت های قابل توجهی در مکانیسم های جفت انرژی آنها وجود دارد.
UHF RFID اساساً بر انتشار امواج الکترومغناطیسی میدان دور{0} تکیه دارد. خواننده انرژی RF را به فضا پرتاب می کند. آنتن برچسب بخشی از این انرژی را می گیرد و آن را از طریق مدار جلویی{2}} تراشه تصحیح می کند. این روش برای برنامه‌هایی که به محدوده خواندن طولانی‌تری نیاز دارند، مانند انبارداری، تدارکات، خرده‌فروشی، و مدیریت دارایی مناسب است.
HF RFID و NFC عمدتاً در حدود 13.56 مگاهرتز کار می کنند. برچسب ها معمولاً از آنتن های سیم پیچ برای برداشت انرژی از طریق جفت مغناطیسی میدان نزدیک- استفاده می کنند. قدرت جفت بین سیم پیچ برچسب و آنتن خواننده به طور قابل توجهی بر دامنه عملکرد و پایداری برچسب تأثیر می گذارد.
در برخی از سیستم‌های HF/NFC، آنتن برچسب یک شبکه تشدید با یک خازن را تشکیل می‌دهد که امکان جفت انرژی کارآمدتر را در فرکانس هدف فراهم می‌کند. تحقیقات در مورد مدارهای منبع تغذیه RFID به طور مشابه ساختاری را به کار می گیرد که در آن یک سلف و خازن تشدید کننده انرژی را از میدان الکترومغناطیسی برداشت می کنند، که سپس از طریق یک مدار یکسو کننده به برق DC تبدیل می شود.
بنابراین، در حالی که خلاصه کردن "برداشت انرژی غیرفعال RFID" به سادگی به عنوان "برچسب امواج رادیویی را دریافت می کند و الکتریسیته تولید می کند" کاملاً نادرست نیست، برای اهداف طراحی مهندسی بسیار ساده است. UHF دور-برداشت میدان و HF/NFC نزدیک-همراه با منطق طراحی متمایز در مورد پیکربندی آنتن، فاصله اتصال، تطبیق امپدانس، و محیط‌های کاربردی است.

از دیدگاه سازنده RFID، قابلیت برداشت انرژی برچسب چگونه ارزیابی می شود؟

در Xminnov، هنگام اجرای پروژه‌های برچسب RFID، عملکرد جامع یک برچسب را در محیط‌های واقعی{0}} بر اندازه‌گیری‌های محدوده خواندن{1} جدا شده در آزمایشگاه اولویت‌بندی می‌کنیم.
ابتدا، باند فرکانس و پروتکل هدف باید شناسایی شود-مانند EPC Gen2/ISO 18000-63 برای UHF RFID، یا استانداردهای ISO مربوطه برای HF/NFC. سپس، یک ساختار آنتن مناسب بر اساس ویژگی های ورودی تراشه انتخاب می شود.
مراحل بعدی شامل آزمایش تطبیق امپدانس برچسب، فرکانس تشدید، عملکرد در مواد مختلف و رفتار فعال سازی در یک میدان RF واقعی است. برای تگ های UHF، همچنین لازم است که حساسیت تگ، عملکرد پس پراکندگی و حساسیت خواننده را به طور جامع ارزیابی کنیم. اگر برچسب‌ها در نهایت برای استفاده در تجهیزات فلزی، قطعات خودرو، بسته‌بندی مایع، یا در فضاهای محدود در نظر گرفته شده‌اند، ما معمولاً آزمایش مواد واقعی را بر اتکا به نتایج آزمایش فضای آزاد ترجیح می‌دهیم.
این به این دلیل است که می تواند تفاوت قابل توجهی بین "محدوده خواندن در هوای آزاد" اندازه گیری شده در آزمایشگاه و "محدوده خواندن موثر" پس از نصب برچسب روی محصول وجود داشته باشد.