לאלו החדשים ל-RFID פסיבי, עולה שאלה נפוצה: מכיוון שתגי RFID חסרים סוללות, מה בעצם מפעיל את השבב? התשובה היא לא שהתג מייצר חשמל משלו; במקום זאת, הוא קוצר אנרגיית RF מוגבלת מהשדה האלקטרומגנטי הנפלט על ידי קורא ה-RFID וממיר אותו למתח DC שמיש את השבב. תהליך זה ידוע כ-RF Energy Harvesting-או רכישה אלחוטית של כוח על ידי התג.
בהתבסס על הניסיון הרב של Xminnov בתכנון אנטנות תג RFID, אריזת שבבים ובדיקות יישומים, גורמים כמו טווח קריאה, תאימות חומרים, רגישות שבב וגודל האנטנה תלויים בסופו של דבר בסוגיה מהותית: האם התג יכול להשיג מספיק אנרגיה ויציבה במיקום ההפעלה שלו בפועל.
לכן, הבנת קצירת הכוח של תגי RFID דורשת הסתכלות מעבר לעובדה הפשוטה ש"תגים פסיביים אינם זקוקים לסוללות". מה שבאמת קובע את ביצועי המערכת הוא כל שרשרת האנרגיה-המתפרשת מעוצמת השידור של הקורא לאנטנת התג, התאמת עכבות, תיקון וניהול צריכת חשמל, כל הדרך להפעלה של שבבים ופיזור תקשורת לאחור.
מהי קצירת כוח תג RFID?
קצירת כוח תג RFID מתייחס לתהליך שבו תג RFID משתמש באנרגיה אלקטרומגנטית RF (תדר רדיו) שנוצר על ידי קורא כדי לספק כוח הפעלה למעגלים האלקטרוניים הפנימיים שלו. קחו למשל תגיות UHF RFID פסיביות; בדרך כלל אין להם סוללה קונבנציונלית. כאשר קורא מקרין אות RF לחלל דרך האנטנה שלו, אנטנת התג לוכדת חלק מהאנרגיה הזו. האנטנה ממירה את הגלים האלקטרומגנטיים לאותות חשמליים RF; אלה עוברים לאחר מכן דרך ממשק RF ומעגלי תיקון, וממירים את אות ה-AC בתדר- הגבוה למתח DC. ברגע שתנאי האתחול של השבב מתקיימים, ההיגיון הדיגיטלי הפנימי של התג, הזיכרון ושאר המודולים הפונקציונליים מתחילים לפעול.
יחד עם זאת, התג אינו מייצר באופן פעיל ספק אלחוטי חדש לתקשורת, כפי שמכשיר Wi-Fi היה עושה. עבור תגי UHF פסיביים התואמים ל-EPC Gen2/ISO 18000-63, העברת נתונים מושגת בעיקר באמצעות "פיזור לאחור" - שינוי העכבה במסוף האנטנה כדי ליצור מצבי השתקפות משתנים שהקורא יכול לזהות. מפרט GS1 EPC Gen2 מאמץ באופן מפורש אפנון פיזור לאחור כמנגנון התקשורת בין התג והחוקר. מנקודת מבט הנדסית, תג RFID פסיבי מבצע למעשה שתי פעולות עוקבות:
ראשית, הוא קוצר אנרגיה משדה ה-RF של הקורא; לאחר מכן, הוא מנצל את האנרגיה הזו כדי להפעיל את פעולות השבב ולהקל על תקשורת פיזור לאחור.
זה מסביר מדוע לא ניתן להשוות את "טווח הקריאה" של תג RFID פשוט לגודל האנטנה-אנטנה גדולה יותר אינה מבטיחה באופן אוטומטי טווח ארוך יותר. התג חייב תחילה לרכוש מספיק כוח קלט RF כדי להביא את השבב למצב תפעולי, ולאחר מכן להבטיח שהאות המפוזר לאחור יכול להיות מזוהה באופן אמין על ידי הקורא.
איך עושה אתג RFIDלהמיר אנרגיית RF לכוח חשמלי?
במונחים של ארכיטקטורת מעגלים, ניתן לפשט תג RFID פסיבי טיפוסי באופן הבא:אנטנת RFID ← התאמת עכבה ← מיישר ← ניהול מתח DC ← RFID IC.
אנטנת התג אחראית ללכידת האנרגיה האלקטרומגנטית שנוצרת על ידי הקורא. עבור UHF RFID, האנטנה היא בדרך כלל מבנה מוליך (מודפס או חרוט) המיועד לרצועת תדרים ספציפית, בעוד שתגי HF/NFC משתמשים לרוב באנטנות סליל לקצירת אנרגיה באמצעות צימוד מגנטי של שדה קרוב-.
לא ניתן להשתמש באות ה-RF שנקלט על ידי האנטנה ישירות כדי להפעיל את השבב הדיגיטלי. בתוך ה-RFID IC, קלט ה-RF חייב לעבור תיקון וניהול הספק כדי להפוך למתח DC יציב יחסית. מחקר על הזנת RF מראה כי ארכיטקטורות טיפוסיות משתמשות באנטנה, מבנה תהודה ומעגל מיישר כדי להפוך אנרגיה אלקטרומגנטית להספק DC.
במערכות UHF RFID, תהליך זה מסתמך במידה רבה על יכולות התיקון של החזית-של השבב. מודלים של מחקר והנדסה מתארים בדרך כלל את ההמרה של הספק RF שהתקבל להספק DC באמצעות מיישר כדי להפעיל את IC התג.
יש כאן פרט שמתעלמים ממנו לעתים קרובות: התג אינו "לוכד" את כל כוח ה-RF הנפלט על ידי הקורא.
הכוח שמגיע בפועל לתג כבר מושפע מגורמים כמו מרחק התפשטות, כיוון האנטנה, הספק פלט של הקורא, קיטוב, עצמים מסביב והשתקפויות סביבתיות. ברגע שהאנרגיה מגיעה לתג, היא מוגבלת עוד יותר על ידי יעילות האנטנה, התאמת עכבה ומאפייני הקלט של השבב. בסופו של דבר, רק חלק משרשרת האנרגיה הכוללת נכנס למעשה לשבב ומומר למעשה להספק DC.
לכן, קצירת כוח תגית RFID היא בעצם אתגר המרת אנרגיה המאופיין ברמות הספק נמוכות והפסדי אנרגיה גבוהים.
UHF ו-HF/NFC משתמשים בשיטות שונות לקצירת אנרגיה
למרות שגם UHF RFID וגם HF/NFC RFID יכולים לפעול באופן פסיבי, ישנם הבדלים משמעותיים במנגנוני צימוד האנרגיה שלהם.
UHF RFID מסתמך בעיקר על התפשטות גל אלקטרומגנטי-בשדה רחוק. הקורא מקרין אנרגיית RF לחלל; אנטנת התג לוכדת חלק מהאנרגיה הזו ומתקנת אותה באמצעות המעגל הקדמי-של השבב. שיטה זו- מתאימה היטב ליישומים הדורשים טווחי קריאה ארוכים יותר, כגון מחסנים, לוגיסטיקה, קמעונאות וניהול נכסים.
HF RFID ו-NFC פועלים בעיקר סביב 13.56 מגה-הרץ. תגים משתמשים בדרך כלל באנטנות סליל כדי לאסוף אנרגיה באמצעות צימוד מגנטי של שדה קרוב. חוזק הצימוד בין סליל התג לאנטנת הקורא משפיע באופן משמעותי על טווח הפעולה והיציבות של התג.
בחלק ממערכות HF/NFC, אנטנת התג יוצרת רשת תהודה עם קבל, המאפשרת צימוד אנרגיה יעיל יותר בתדר היעד. מחקר במעגלי אספקת חשמל RFID משתמש באופן דומה במבנה שבו משרן וקבל תהודה קוטפים אנרגיה מהשדה האלקטרומגנטי, אשר מומרת לאחר מכן להספק DC באמצעות מעגל מיישר.
לכן, בעוד שסיכום "קציר אנרגיית RFID פסיבי" פשוט כ"התג קולט גלי רדיו ומייצר חשמל" אינו נכון לחלוטין, הוא פשטני מדי למטרות תכנון הנדסי. קצירת שדה-מרחוק וצימוד HF/NFC ליד-שדה כרוכים בלוגיקה עיצובית ברורה לגבי תצורת אנטנה, מרחק צימוד, התאמת עכבות וסביבות יישומים.
מנקודת מבט של יצרן RFID, כיצד מוערכת יכולת קצירת האנרגיה של תג?
ב-Xminnov, בעת ביצוע פרויקטים של תג RFID, אנו נותנים עדיפות לביצועים המקיפים של תג בסביבות-במציאות על פני מדידות מבודדות של טווח קריאה- שנלקחו במעבדה.
ראשית, יש לזהות את רצועת התדר והפרוטוקול היעד-כגון EPC Gen2/ISO 18000-63 עבור UHF RFID, או תקני ISO הרלוונטיים עבור HF/NFC. לאחר מכן, נבחר מבנה אנטנה מתאים על סמך מאפייני הקלט של השבב.
השלבים הבאים כוללים בדיקת התאמת העכבה של התג, תדר התהודה, ביצועים בחומרים שונים והתנהגות הפעלה בתוך שדה RF ממשי. עבור תגי UHF, יש צורך גם להעריך בצורה הוליסטית את רגישות התגים, ביצועי הפיזור לאחור ורגישות הקוראים. אם התגים מיועדים בסופו של דבר לשימוש על ציוד מתכת, חלקי רכב, אריזות נוזלים או בחללים סגורים, בדרך כלל אנו נותנים עדיפות לבדיקת חומרים בפועל על פני הסתמכות אך ורק על תוצאות בדיקת שטח פנוי.
הסיבה לכך היא שיכול להיות הבדל משמעותי בין "טווח הקריאה באוויר חופשי" הנמדד במעבדה לבין "טווח הקריאה היעיל" לאחר התקנת התג על המוצר.
