I principi di funzionamento

Il motivo principale di successo e di diffusione della tecnologia RFID è la presenza di una memoria all’interno del tag che è in grado contenere tutte le informazioni riguardo alla storia del prodotto a cui è associato, senza bisogno di una fonte di energia esterna che la mantenga attiva; in un mondo in cui le informazioni sono sempre più importanti come chiave competitiva, questo strumento è stato visto da molti come la soluzione.

Nonostante la descrizione generale del funzionamento della tecnologia sia abbastanza semplice, le teorie su cui si basa sono diverse; tra queste le principali sono quelle relative all’elettromagnetismo, alle antenne, ai circuiti integrati e ai sistemi informativi (Battezzati & Hygounet, 2006).

Ovviamente la più importante è la teoria sull’elettromagnetismo, ovvero sul fenomeno fisico di trasporto di energia tramite la propagazione di onde elettromagnetiche, sia nel vuoto che attraverso materiali. Ogni onda è caratterizzata da una lunghezza d’onda (λ) e da una frequenza (f) che sono inversamente proporzionali secondo la seguente equazione:

𝑓 =𝑐 𝜆

Le tre leggi fondamentali dell’elettromagnetismo sono (Battezzati & Hygounet, 2006): 1) La legge di Faraday: “un campo magnetico che oscilla nel tempo genera un

campo elettrico indotto”;

2) la legge di Ampere: “un flusso elettrico in un conduttore genera un campo magnetico”;

3) La legge di Lorentz: “un campo magnetico può influenzare il materiale magnetico che lo genera, amplificandone l’intensità attraverso la magnetizzazione del materiale stesso”.

James C. Maxwell unificò queste differenti leggi in una singola teoria e creò delle equazioni matematiche per descriverla; secondo Maxwell l’onda elettromagnetica è composta sia da un campo elettrico che magnetico e questi oscillano con fase perpendicolare uno rispetto all’altro. La connessione tra i due è dovuta al fatto che quando una particella elettrica viene accelerata, genera un campo elettrico; se questa particella oscilla, il campo elettrico oscillerà con essa e un campo elettrico che varia nel tempo e nello spazio ha sempre un campo magnetico associato. Riporto in Figura 6 la rappresentazione di un’onda elettromagnetica.

Figura 6. Rappresentazione di un’onda elettromagnetica (Michahelles, 2008)

Nel caso dell’RFID, l’applicazione di questi principi può essere vista in un sistema a due nodi: il principale, o primario, attivo, il secondo invece passivo; come mostrato in Figura 7, il campo magnetico (H) generato dalla corrente elettrica alternata (I) che circola nel nodo attivo attraversa il nodo passivo, inducendo una tensione e quindi generando una corrente elettrica indotta (I’).

Figura 7. Schema della trasmissione di energia tra nodo attivo e passivo (Battezzati & Hygounet, 2006)

Questo è il principio di funzionamento dei tag passivi, dove l’energia viene fornita dall’antenna del reader, che funge da nodo attivo; l’intensità della tensione creata nel tag non dipende soltanto dalla corrente elettrica prodotta dal nodo attivo, ma anche dalla mutua induttanza tra essi, ovvero la capacità di generare una tensione in un circuito dalla corrente elettrica proveniente dall’altro (Battezzati & Hygounet, 2006).

L’intensità del campo magnetico (H) e di quello elettrico (E) generati, possono essere calcolate con le seguenti formule:

𝐸 = _{4 𝑥 𝜋 𝑥 𝜀 𝑟}𝑞 ₂ 𝐻 = _{2 𝑥 𝜋 𝑥 𝑟}𝐼

È importante notare come entrambi i campi siano inversamente proporzionali alla distanza (r) dalla sorgente che li ha creati; secondo la teoria, però, il campo magnetico è prevalente in prossimità della sorgente (Campo vicino o Near Field) mentre il campo elettrico a distanze maggiori (Campo lontano o Far Field) (Yan, Zhang, Yang, & Ning, 2008). La distinzione tra i due campi, come rappresentato in Figura 8, dipende dalla distanza (r) e dalla massima larghezza dell’antenna (D) secondo l’equazione:

Figura 8. Divisione Near Field e Far Field (Battezzati & Hygounet, 2006)

A seconda che si voglia operare in campo vicino o lontano, si utilizzano frequenze e quindi tag diversi: nel caso Near Field, le frequenze sono basse (LF, Low Frequencies o HF, High Frequencies) e l’accoppiamento tra l’antenna del reader e quella del tag è di tipo induttivo (Inductive Coupling, Figura 9), prevalgono cioè gli effetti della corrente indotta dal campo magnetico che varia periodicamente nel tempo; poiché il tag si trova immerso in questo campo, il flusso variabile si concatena con le spire dell’antenna del tag dando origine alla corrente indotta in maniera simile a quello che avviene tra le pareti di un trasformatore; lo scambio di energia è ottimale quando le antenne sono parallele; per quanto riguarda il Far Field, le frequenze sono più alte (UHF, Ultra High Frequencies) e l’accoppiamento è di tipo capacitivo, ovvero prevalgono gli effetti del campo elettromagnetico (anche detto effetto Backscatter, Figura 10) in un sistema paragonabile a quello del radar (Ahson & Mohammad, 2008).

Figura 10. Accoppiamento in campo lontano (Michahelles, 2008)

Il materiale usato per il circuito dell’antenna è molto importante perché ne determina la resistenza e quindi l’energia che il sistema è in grado di assorbire; i materiali più utilizzati per ridurre le perdite sono: alluminio, bronzo e rame.

Esiste un fattore detto Fattore di Qualità (Q) che viene calcolato per misurare le perdite all’interno della bobina e nella connessione tra antenna e chip; per massimizzare le prestazioni del sistema e ridurre l’energia richiesta è importante determinare il corretto fattore di qualità, in quanto da questo si può identificare il voltaggio richiesto nel reader per far funzionare il tag e di conseguenza le dimensioni dell’antenna del reader; esistono diverse formule per calcolare il valore di Q in base alle applicazioni in cui verrà utilizzato il sistema (Ahson & Mohammad, 2008).

Nella pratica, i valori teorici delle prestazioni di lettura vengono influenzati da molti altri fattori: nel campo vicino prevalgono le caratteristiche conduttive dei materiali in quanto c’è il rischio di creare delle correnti parassite che alterano il campo magnetico, mentre per lunghe distanze il problema maggiore è ambientale: ostacoli naturali, temperatura e condizioni climatiche, materiali da attraversare… (Jones & Chung, 2008)