Para aqueles que são novos no RFID passivo, surge uma pergunta comum: como as etiquetas RFID não possuem baterias, o que realmente alimenta o chip? A resposta não é que a etiqueta gere a sua própria eletricidade; em vez disso, ele coleta energia de RF limitada do campo eletromagnético emitido pelo leitor RFID e a converte em uma tensão CC utilizável pelo chip. Esse processo é conhecido como RF Energy Harvesting-ou aquisição de energia sem fio pela tag.
Com base na ampla experiência da Xminnov em design de antenas de etiquetas RFID, embalagem de chips e testes de aplicações, fatores como alcance de leitura, compatibilidade de materiais, sensibilidade do chip e tamanho da antena, em última análise, dependem de uma questão fundamental: se a etiqueta pode obter energia suficiente e estável em seu local de operação real.
Portanto, compreender a coleta de energia das etiquetas RFID requer olhar além do simples fato de que “etiquetas passivas não precisam de baterias”. O que realmente determina o desempenho do sistema é toda a cadeia de energia-que abrange desde a potência de transmissão do leitor até a antena da etiqueta, correspondência de impedância, retificação e gerenciamento de energia, até a inicialização do chip e comunicação de retroespalhamento.
O que é coleta de energia de etiqueta RFID?
A coleta de energia da etiqueta RFID refere-se ao processo pelo qual uma etiqueta RFID utiliza energia eletromagnética RF (radiofrequência) gerada por um leitor para fornecer energia operacional para seus circuitos eletrônicos internos. Veja as etiquetas RFID UHF passivas comuns, por exemplo; eles normalmente não possuem uma bateria convencional. Quando um leitor irradia um sinal de RF para o espaço através de sua antena, a antena da etiqueta captura uma parte dessa energia. A antena converte as ondas eletromagnéticas em sinais elétricos de RF; estes então passam por uma interface RF e um circuito de retificação, convertendo o sinal CA de alta-frequência em uma tensão CC. Uma vez atendidas as condições de inicialização do chip, a lógica digital interna da etiqueta, a memória e outros módulos funcionais começam a operar.
Ao mesmo tempo, a tag não gera ativamente uma nova operadora sem fio para comunicação, como faria um dispositivo Wi-Fi. Para tags UHF passivas compatíveis com EPC Gen2/ISO 18000-63, a transmissão de dados é obtida principalmente por meio de "backscatter" - modificando a impedância no terminal da antena para criar estados de reflexão variados que o leitor pode detectar. A especificação GS1 EPC Gen2 adota explicitamente a modulação de retroespalhamento como mecanismo de comunicação entre a etiqueta e o interrogador. Do ponto de vista da engenharia, uma etiqueta RFID passiva executa efetivamente duas ações sequenciais:
Primeiro, ele coleta energia do campo RF do leitor; então, ele utiliza essa energia para alimentar as operações do chip e facilitar a comunicação de retroespalhamento.
Isso explica por que o "alcance de leitura" de uma etiqueta RFID não pode ser simplesmente equiparado ao tamanho da antena-uma antena maior não garante automaticamente um alcance maior. A etiqueta deve primeiro adquirir potência de entrada de RF suficiente para levar o chip a um estado operacional e, subsequentemente, garantir que o sinal retroespalhado possa ser detectado de forma confiável pelo leitor.
Como é que umEtiqueta RFIDconverter energia de RF em energia elétrica?
Em termos de arquitetura de circuito, uma etiqueta RFID passiva típica pode ser simplificada da seguinte forma:Antena RFID → Correspondência de Impedância → Retificador → Gerenciamento de Energia DC → RFID IC.
A antena do tag é responsável por captar a energia eletromagnética gerada pelo leitor. Para RFID UHF, a antena normalmente é uma estrutura condutora (impressa ou gravada) projetada para uma banda de frequência específica, enquanto as tags HF/NFC geralmente empregam antenas em espiral para coletar energia por meio de acoplamento magnético de{1}campo próximo.
O sinal RF capturado pela antena não pode ser usado diretamente para alimentar o chip digital. Dentro do IC RFID, a entrada de RF deve passar por retificação e gerenciamento de energia para ser convertida em uma tensão CC relativamente estável. Pesquisas sobre alimentação de RF mostram que arquiteturas típicas utilizam uma antena, uma estrutura ressonante e um circuito retificador para transformar energia eletromagnética em energia CC.
Em sistemas RFID UHF, esse processo depende muito dos recursos de retificação do front-end-do chip. Modelos de pesquisa e engenharia normalmente descrevem a conversão da potência de RF recebida em energia CC por meio de um retificador para ativar o IC da etiqueta.
Há um detalhe frequentemente esquecido aqui: a etiqueta não “captura” toda a potência de RF emitida pelo leitor.
A potência que realmente atinge a etiqueta já é influenciada por fatores como distância de propagação, orientação da antena, potência de saída do leitor, polarização, objetos ao redor e reflexões ambientais. Uma vez que a energia atinge a etiqueta, ela é ainda mais limitada pela eficiência da antena, pela correspondência de impedância e pelas características de entrada do chip. Em última análise, apenas uma fração da cadeia energética total entra realmente no chip e é efetivamente convertida em energia CC.
Portanto, a coleta de energia das etiquetas RFID é essencialmente um desafio de conversão de energia caracterizado por baixos níveis de potência e altas perdas de energia.
UHF e HF/NFC empregam métodos diferentes para captação de energia
Embora tanto o RFID UHF quanto o RFID HF/NFC possam operar passivamente, existem diferenças significativas em seus mecanismos de acoplamento de energia.
RFID UHF depende principalmente da-propagação de ondas eletromagnéticas de campo distante. O leitor irradia energia RF para o espaço; a antena tag captura uma parte dessa energia e a retifica por meio do circuito frontal-do chip. Esse método é adequado-para aplicações que exigem intervalos de leitura mais longos, como armazenamento, logística, varejo e gerenciamento de ativos.
HF RFID e NFC operam principalmente em torno de 13,56 MHz. As tags normalmente utilizam antenas em espiral para coletar energia por meio de acoplamento magnético de campo próximo. A força de acoplamento entre a bobina da etiqueta e a antena do leitor impacta significativamente o alcance operacional e a estabilidade da etiqueta.
Em alguns sistemas HF/NFC, a antena tag forma uma rede ressonante com um capacitor, permitindo um acoplamento de energia mais eficiente na frequência alvo. A pesquisa em circuitos de fonte de alimentação RFID emprega de forma semelhante uma estrutura onde um indutor e um capacitor ressonante coletam energia do campo eletromagnético, que é então convertida em energia CC por meio de um circuito retificador.
Portanto, embora resumir a “coleta passiva de energia RFID” simplesmente como “a etiqueta recebe ondas de rádio e gera eletricidade” não seja totalmente incorreto, é muito simplista para fins de projeto de engenharia. A coleta de-campo distante UHF e o acoplamento de{2}}campo próximo HF/NFC envolvem lógicas de projeto distintas em relação à configuração da antena, distância de acoplamento, correspondência de impedância e ambientes de aplicação.
Do ponto de vista de um fabricante de RFID, como é avaliada a capacidade de captação de energia de uma etiqueta?
Na Xminnov, ao executar projetos de tags RFID, priorizamos o desempenho abrangente de uma tag em ambientes do-mundo real em vez de medições de intervalo de leitura-isoladas feitas em laboratório.
Primeiro, a banda de frequência alvo e o protocolo devem ser identificados,-como EPC Gen2/ISO 18000-63 para RFID UHF ou os padrões ISO relevantes para HF/NFC. A seguir, uma estrutura de antena apropriada é selecionada com base nas características de entrada do chip.
As etapas subsequentes envolvem testar a correspondência de impedância da etiqueta, frequência de ressonância, desempenho em vários materiais e comportamento de ativação dentro de um campo de RF real. Para etiquetas UHF, também é necessário avaliar holisticamente a sensibilidade da etiqueta, o desempenho do retroespalhamento e a sensibilidade do leitor. Se as etiquetas forem destinadas ao uso em equipamentos de metal, peças automotivas, embalagens de líquidos ou em espaços confinados, geralmente priorizamos testes de materiais reais em vez de confiar apenas nos resultados de testes em{2}}espaço livre.
Isso ocorre porque pode haver uma diferença significativa entre o “alcance de leitura ao ar livre” medido em laboratório e o “alcance de leitura efetivo” após a etiqueta ser montada no produto.
