Đối với những người mới sử dụng RFID thụ động, một câu hỏi thường gặp được đặt ra: vì thẻ RFID thiếu pin, điều gì thực sự cung cấp năng lượng cho con chip? Câu trả lời không phải là thẻ tự tạo ra điện; thay vào đó, nó thu năng lượng RF hạn chế từ trường điện từ do đầu đọc RFID phát ra và chuyển đổi nó thành điện áp DC mà chip có thể sử dụng được. Quá trình này được gọi là Thu thập năng lượng RF-hoặc thu năng lượng không dây bằng thẻ.
Dựa trên kinh nghiệm sâu rộng của Xminnov trong thiết kế ăng-ten thẻ RFID, đóng gói chip và thử nghiệm ứng dụng, các yếu tố như phạm vi đọc, khả năng tương thích vật liệu, độ nhạy chip và kích thước ăng-ten cuối cùng đều xoay quanh một vấn đề cơ bản: liệu thẻ có thể thu được đủ năng lượng và ổn định tại vị trí hoạt động thực tế của nó hay không.
Do đó, việc hiểu rõ việc thu năng lượng của thẻ RFID đòi hỏi phải nhìn xa hơn thực tế đơn giản là "thẻ thụ động không cần pin". Yếu tố thực sự xác định hiệu suất của hệ thống là toàn bộ chuỗi năng lượng-kéo dài từ công suất phát của đầu đọc đến ăng-ten thẻ, kết hợp trở kháng, chỉnh lưu và quản lý năng lượng, cho đến khởi động chip và giao tiếp tán xạ ngược.
Thu hoạch năng lượng thẻ RFID là gì?
Thu hoạch năng lượng thẻ RFID đề cập đến quá trình thẻ RFID sử dụng năng lượng điện từ RF (Tần số vô tuyến) do đầu đọc tạo ra để cung cấp năng lượng vận hành cho các mạch điện tử bên trong của nó. Lấy ví dụ như các thẻ RFID UHF thụ động phổ biến; họ thường thiếu pin thông thường. Khi đầu đọc phát tín hiệu RF vào không gian thông qua ăng-ten của nó, ăng-ten thẻ sẽ thu được một phần năng lượng đó. Ăng-ten chuyển đổi sóng điện từ thành tín hiệu điện RF; sau đó chúng đi qua giao diện RF và mạch chỉnh lưu, chuyển đổi tín hiệu AC tần số cao{3}}thành điện áp DC. Khi các điều kiện khởi động của chip được đáp ứng, logic kỹ thuật số bên trong, bộ nhớ và các mô-đun chức năng khác của thẻ bắt đầu hoạt động.
Đồng thời, thẻ không chủ động tạo ra nhà cung cấp dịch vụ không dây mới để liên lạc như thiết bị Wi-Fi. Đối với các thẻ UHF thụ động tuân thủ EPC Gen2/ISO 18000-63, việc truyền dữ liệu chủ yếu đạt được thông qua "tán xạ ngược" - điều chỉnh trở kháng ở đầu cuối ăng-ten để tạo ra các trạng thái phản xạ khác nhau mà đầu đọc có thể phát hiện. Đặc tả GS1 EPC Gen2 sử dụng rõ ràng điều chế tán xạ ngược làm cơ chế liên lạc giữa thẻ và bộ dò tín hiệu. Từ góc độ kỹ thuật, thẻ RFID thụ động thực hiện hiệu quả hai hành động tuần tự:
Đầu tiên, nó thu năng lượng từ trường RF của đầu đọc; sau đó, nó sử dụng năng lượng đó để cung cấp năng lượng cho hoạt động của chip và tạo điều kiện cho giao tiếp tán xạ ngược.
Điều này giải thích tại sao "phạm vi đọc" của thẻ RFID không thể đơn giản được coi là kích thước ăng-ten-ăng-ten lớn hơn không tự động đảm bảo phạm vi dài hơn. Trước tiên, thẻ phải có đủ năng lượng đầu vào RF để đưa chip về trạng thái hoạt động và sau đó đảm bảo rằng tín hiệu tán xạ ngược có thể được đầu đọc phát hiện một cách đáng tin cậy.
Làm thế nào mộtThẻ RFIDchuyển đổi năng lượng RF thành năng lượng điện?
Về mặt kiến trúc mạch, thẻ RFID thụ động điển hình có thể được đơn giản hóa như sau:Ăng-ten RFID → Kết hợp trở kháng → Bộ chỉnh lưu → Quản lý nguồn DC → IC RFID.
Ăng-ten thẻ có nhiệm vụ thu năng lượng điện từ do đầu đọc tạo ra. Đối với UHF RFID, ăng-ten thường là cấu trúc dẫn điện (được in hoặc khắc) được thiết kế cho một dải tần số cụ thể, trong khi thẻ HF/NFC thường sử dụng ăng-ten dạng cuộn để thu năng lượng thông qua-khớp nối từ trường gần.
Tín hiệu RF thu được bởi ăng-ten không thể được sử dụng trực tiếp để cấp nguồn cho chip kỹ thuật số. Bên trong IC RFID, đầu vào RF phải trải qua quá trình chỉnh lưu và quản lý nguồn để chuyển đổi thành điện áp DC tương đối ổn định. Nghiên cứu về cấp nguồn RF cho thấy các kiến trúc điển hình sử dụng ăng-ten, cấu trúc cộng hưởng và mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng điện từ thành nguồn DC.
Trong hệ thống UHF RFID, quá trình này chủ yếu dựa vào khả năng chỉnh sửa của giao diện người dùng{0}}của chip. Các mô hình nghiên cứu và kỹ thuật thường mô tả việc chuyển đổi nguồn RF nhận được thành nguồn DC thông qua bộ chỉnh lưu để kích hoạt IC thẻ.
Có một chi tiết thường bị bỏ qua ở đây: thẻ không "thu" được toàn bộ công suất RF do đầu đọc phát ra.
Công suất thực sự chạm tới thẻ đã bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như khoảng cách truyền, hướng ăng-ten, công suất đầu ra của đầu đọc, độ phân cực, vật thể xung quanh và phản xạ môi trường. Khi năng lượng đến thẻ, nó sẽ bị hạn chế hơn nữa bởi hiệu suất ăng-ten, kết hợp trở kháng và đặc tính đầu vào của chip. Cuối cùng, chỉ một phần trong tổng số chuỗi năng lượng thực sự đi vào chip và được chuyển đổi hiệu quả thành nguồn DC.
Do đó, việc thu năng lượng từ thẻ RFID về cơ bản là một thách thức chuyển đổi năng lượng được đặc trưng bởi mức năng lượng thấp và tổn thất năng lượng cao.
UHF và HF/NFC sử dụng các phương pháp khác nhau để thu năng lượng
Mặc dù cả UHF RFID và HF/NFC RFID đều có thể hoạt động thụ động nhưng có những khác biệt đáng kể trong cơ chế ghép năng lượng của chúng.
UHF RFID chủ yếu dựa vào-việc truyền sóng điện từ trường xa. Đầu đọc tỏa năng lượng RF vào không gian; ăng-ten thẻ thu một phần năng lượng này và điều chỉnh nó thông qua mạch điện-mặt trước của chip. Phương pháp này rất-phù hợp với các ứng dụng yêu cầu phạm vi đọc dài hơn, chẳng hạn như kho bãi, hậu cần, bán lẻ và quản lý tài sản.
HF RFID và NFC hoạt động chủ yếu ở tần số 13,56 MHz. Thẻ thường sử dụng ăng-ten cuộn để thu năng lượng thông qua-khớp từ trường gần. Cường độ ghép nối giữa cuộn thẻ và ăng-ten của đầu đọc tác động đáng kể đến phạm vi hoạt động và độ ổn định của thẻ.
Trong một số hệ thống HF/NFC, ăng-ten thẻ tạo thành mạng cộng hưởng với tụ điện, cho phép ghép năng lượng hiệu quả hơn ở tần số mục tiêu. Nghiên cứu về mạch cấp nguồn RFID tương tự sử dụng cấu trúc trong đó cuộn cảm và tụ điện cộng hưởng thu năng lượng từ trường điện từ, sau đó năng lượng này được chuyển thành nguồn DC thông qua mạch chỉnh lưu.
Do đó, mặc dù tóm tắt “thu hoạch năng lượng RFID thụ động” đơn giản là “thẻ nhận sóng vô tuyến và tạo ra điện” không hoàn toàn sai nhưng nó quá đơn giản đối với mục đích thiết kế kỹ thuật. Việc thu thập trường-xa UHF và ghép nối trường gần- HF/NFC liên quan đến logic thiết kế riêng biệt liên quan đến cấu hình ăng-ten, khoảng cách ghép nối, kết hợp trở kháng và môi trường ứng dụng.
Từ quan điểm của nhà sản xuất RFID, khả năng thu năng lượng của thẻ được đánh giá như thế nào?
Tại Xminnov, khi thực hiện các dự án thẻ RFID, chúng tôi ưu tiên hiệu suất toàn diện của thẻ trong-môi trường thế giới thực so với các phép đo phạm vi đọc-riêng biệt được thực hiện trong phòng thí nghiệm.
Đầu tiên, băng tần mục tiêu và giao thức phải được xác định-chẳng hạn như EPC Gen2/ISO 18000-63 cho UHF RFID hoặc các tiêu chuẩn ISO có liên quan cho HF/NFC. Tiếp theo, cấu trúc ăng-ten thích hợp được chọn dựa trên đặc điểm đầu vào của chip.
Các bước tiếp theo liên quan đến việc kiểm tra khả năng kết hợp trở kháng, tần số cộng hưởng, hiệu suất của thẻ trên các vật liệu khác nhau và hành vi kích hoạt trong trường RF thực tế. Đối với thẻ UHF, cũng cần đánh giá tổng thể độ nhạy của thẻ, hiệu suất tán xạ ngược và độ nhạy của đầu đọc. Nếu mục đích cuối cùng của thẻ là sử dụng trên thiết bị kim loại, phụ tùng ô tô, bao bì chất lỏng hoặc trong không gian hạn chế thì chúng tôi thường ưu tiên kiểm tra vật liệu thực tế hơn là chỉ dựa vào kết quả kiểm tra-không gian trống.
Điều này là do có thể có sự khác biệt đáng kể giữa "phạm vi đọc trong không khí tự do" được đo trong phòng thí nghiệm và "phạm vi đọc hiệu quả" sau khi thẻ được gắn trên sản phẩm.
