Capitolo 1 Tag RFID in banda UHF

Tag RFID in banda UHF

Nella zona media della banda UHF (850 MHz÷960 MHz) le sottobande utilizzate nella tecnologia RFID sono assegnate in maniera diversa nelle varie nazioni [1, pag.53].

In particolare:

• 865 MHz÷870 MHz in Europa • 902 MHz÷928 MHz in USA • 950 MHz in Asia

La situazione attuale dell’allocazione frequenziale e delle potenze massime ammesse in trasmissione è riportata in Fig. 1.1.

1.1 Componenti del sistema RFID

Un sistema RFID si compone di tre elementi fondamentali:

• TAG: è un transponder a radio frequenza (RF) di piccole dimensioni costituito

da una antenna e da un circuito integrato (chip) nella cui memoria vengono raccolti i dati di identificazione dell’oggetto su cui è applicato il Tag.

Nella catena di distribuzione, i Tag RFID vengono principalmente usati come supporto del codice identificativo universale di oggetti (EPC- Electronic Product Code) ovvero un identificativo a 64÷96 bit che caratterizza in maniera univoca il prodotto e che viene scritto all’interno della memoria del Tag stesso.

• READER: è un ricetrasmettitore controllato da un microprocessore ed usato

per interrogare e ricevere le informazioni di risposta dai TAG usando segnali a radiofrequenza.

Esistono Reader fissi, come quelli montati sui portali di accesso ai magazzini o sui nastri trasportatori, e Reader portatili, esteticamente del tutto simili ai terminali usati per la lettura dei codici a barre.

• SISTEMA DI GESTIONE (Management System-Host System, ecc.): è un sistema informativo che, quando esiste, è connesso in rete con i Reader. Tale sistema consente, a partire dai codici identificativi provenienti dai Tag, di ricavare tutte le informazioni disponibili associate agli oggetti e di gestire tali informazioni per gli scopi dell’applicazione.

L’identificativo trasmesso dal Tag è un semplice codice che, a differenza di quelli a barre, ha la particolarità di essere univoco[1, pag.49]. Entrando quindi in un sistema informativo ed usando il codice univoco come chiave di ricerca, si possono ricavare dettagliate ed aggiornate informazioni sul particolare oggetto a cui il Tag è associato.

Fig. 1.4 – Sistema RFID

1.2 Applicazioni

I sistemi RFID permettono la trasmissione di dati a corto raggio senza contatto fisico. I Tag hanno una funzione simile a quella dei codici a barre, ma offrono alcuni notevoli vantaggi: possono essere rilevati anche quando sono sporchi o bloccati da ostacoli e contengo molte più informazioni.

L’impiego principale dei Tag RFID è quello dell’identificazione di oggetti, e una classe di applicazioni nella quale l’uso degli RFID sta diventando pervasivo è quella relativa alla catena di distribuzione delle merci (Supply Chain).

Fig. 1.6 – RFID nella catena di distribuzione

I sistemi elettronici di raccolta pedaggi, le etichette impiantate negli animali, il controllo degli accessi con biglietti e tessere, i sistemi di bloccaggio centralizzato per autoveicoli, gli skipass, sono tutte forme di sistemi RFID.

Funzioni RFID sono integrate, ad esempio, nei passaporti statunitensi e tedeschi, in alcune carte sanitarie ed in altri documenti e tra breve anche nelle banconote [1, pag.50].

Si comprende, quindi, come le applicazioni basate sui sistemi RFID siano in rapido sviluppo e sfruttino, da un lato, le continue evoluzioni di questa tecnologia e dall’altro la consapevolezza, che progressivamente il mercato sta acquisendo, dei vantaggi apportati dalla sua introduzione in diversi settori.

1.3 Classificazione dei Tag UHF

I Tag UHF si possono distinguere in base alla gestione delle fonti di energia: si hanno così Tag PASSIVI, ATTIVI e BATTERY-ASSISTED PASSIVE (BAP).

•

alimentazione elettrica propria ma ricavano l’energia necessaria per il funzionamento dal segnale proveniente dal Reader.

La distanza operativa tipica di questo tipo di Tag è di 2÷5 metri e dipende, oltre che dalla frequenza di lavoro, dalla potenza emessa dal Reader.

• ATTIVI: sono dotati di batteria ed emettono continuamente un segnale di

identificazione; sono di solito più grandi e più costosi dei precedenti ed il continuo funzionamento causa di cicli di vita inferiori. Permettono distanze di lettura di decine di metri.

Fig. 1.8 – Principio di funzionamento di un Tag UHF Attivo

• BATTERY-ASSISTED PASSIVE: usano una fonte di energia per alimentare solo alcuni componenti dei Tag. Vengono anche classificati come:

- Semi-passivi: sono quelli in cui la batteria di cui sono dotati è utilizzata solo per attivare il microchip o apparati ausiliari (sensori), ma non per alimentare il trasmettitore in quanto in trasmissione si comportano come Tag passivi. Le distanze a cui possono operare sono, al massimo, dell’ordine di qualche decina di metri.

Fig. 1.9 – Principio di funzionamento di un Tag UHF Semi-passivo

- Semi-attivi: tale definizione indica Tag nei quali la batteria è usata per alimentare chip e trasmettitore.

Per motivi di risparmio energetico, la batteria non alimenta il Tag se non quando riceve un segnale dal lettore (interrogazione). In tal modo viene garantita una lunga durata della batteria.

Questa tipologia di Tag è utilizzata per applicazioni in cui non è necessaria una localizzazione continua nel tempo dell’oggetto.

La presenza di una fonte indipendente di alimentazione garantisce maggiori prestazioni di lettura rispetto ai Tag passivi.

1.4 TAG RFID Passivi: descrizione e principi di

funzionamento

I Tag RFID Passivi non hanno nessuna fonte interna di energia, come ad esempio una batteria, per sostenere il funzionamento ma ricevono tutta l’energia necessaria dall’onda elettromagnetica trasmessa dal lettore (Reader).

Il Reader manda energia per attivare e, successivamente, comandare il Tag che risponde, reirradiando, con i suoi dati di identificazione.

In un Tag Passivo si possono distinguere almeno tre componenti: il circuito integrato (chip), l’antenna ed il substrato.

Fig. 1.10 – Componenti di un Tag passivo

Il chip opera tutte le funzioni necessarie all’operatività del Tag che, essenzialmente, consistono nell’immagazzinamento dei dati, nella conversione dell’energia RF ricevuta dall’antenna in alimentazione elettrica e nelle funzioni di modulazione della riflessione dell’energia ricevuta necessaria per la trasmissione dei dati.

L’antenna è collegata elettricamente al chip. Raccoglie la maggior quantità possibile di energia RF, irradiata da Reader, per consentire l’alimentazione del Tag e ne riflette una parte per la trasmissione.

Le prestazioni di un Tag Passivo (distanze operative, capacità della logica di controllo) dipendono quindi fortemente dalla capacità dell’antenna di immagazzinare l’energia e di rifletterla.

Il substrato fornisce il supporto fisico per l’assemblaggio del Tag ed il “collante” per mantenerne insieme i componenti.

I Tag Passivi non possiedono un vero e proprio trasmettitore ma usano il campo elettromagnetico generato dal segnale del Reader come sorgente di energia per alimentare i propri circuiti e rispondere, tramite reirradiazione, al Reader che li sta interrogando.

I Reader per Tag Passivi devono quindi emettere segnali RF che siano in grado di fornire anche l’energia necessaria per la risposta.

Per ricavare l’energia e comunicare con il Reader, questo tipo di Tag si basa sull’accoppiamento elettromagnetico e sull’effetto di backscattering.

Per distanze relativamente lunghe, rispetto alla lunghezza d’onda emessa dall’antenna del Reader, nell’antenna del Tag prevalgono gli effetti del campo elettromagnetico, che varia periodicamente nel tempo. L’antenna del Tag riflette parte della potenza elettromagnetica ricevuta che può essere rilevata dall’antenna del Reader. Il fenomeno della riflessione delle onde elettromagnetiche è conosciuto come backscattering. Per ottenere le condizioni di campo lontano alle distanze operative impiegate, vengono generalmente sfruttate le bande con minore lunghezza d’onda (UHF, HF).

Quando l’onda elettromagnetica emessa dal Reader incide sull’antenna del Tag, una parte dell’energia è assorbita per fornire potenza al Tag attraverso un ordinario circuito rettificatore da tensione alternata a continua, mentre una parte è riflessa all’indietro verso il Reader.

Nella Fig. 1.12 è illustrato lo schema a blocchi del sistema Tag-Reader ad accoppiamento elettromagnetico funzionante, in backscattering, nella banda UHF.

La sequenza di eventi nell’interrogazione in backscatter del Tag da parte del Reader può essere così riassunta:

1. La logica di controllo del Reader invia dati dell’interrogazione al trasmettitore che genera il segnale RF per l’antenna a dipolo del Tag.

2. Il segnale si propaga nello spazio e viene ricevuto dall’antenna a dipolo del Tag. 3. La potenza di alimentazione viene estratta da un circuito rettificatore/limitatore. 4. Un circuito di segnalazione abilita il funzionamento dei rimanenti circuiti

segnalando la disponibilità di alimentazione.

5. Il rivelatore/decodificatore fornisce i dati decodificati alla logica di controllo (che eventualmente provvederà a scriverli nella memoria).

6. Il rivelatore/decodificatore segnala all’oscillatore che pilota il modulatore gli Fig. 1.12 – Schema di principio del sistema Tag-Reader ad accoppiamento elettromagnetico

I Tag Passivi, inoltre, non generano la frequenza portante che usano per la trasmissione ma modulano il segnale di backscattering attraverso la variazione dell’impedenza della propria antenna (“load modulation”).

Sfruttando tale principio si elimina anche la necessità di oscillatori locali per generare una portante a RF e si riduce, pertanto, la potenza necessaria per l’alimentazione del Tag. Il tipo di modulazione spesso utilizzata nella identificazione a radiofrequenza è una B-ASK (Binary -Amplitude Shift Keying) dove l’impedenza di ingresso del chip (Zc) varia tra due valori: uno è quello per cui risulta l’adattamento con l’impedenza di ingresso l’antenna del Tag mentre l’altro corrisponde al completo disadattamento.

Compito del Reader è captare le conseguenti variazioni nel segnale riflesso.

Fig. 1.13 – Il segnale di backscattering è modulato dalle variazioni dell’impedenza Zc

1.5 Adattamento di impedenza

Nei sistemi passivi il segnale di potenza ricevuto dall’antenna del Tag alimenta il chip. E’ quindi necessario un perfetto adattamento tra l’impedenza di ingresso dell’antenna del Tag (Zant) e quella in ingresso al chip (Zchip) per attivare il chip e far così in modo che il Tag sia in grado di rispondere al Reader che lo interroga. Questa condizione è di fondamentale importanza in quanto si sta parlando di Tag Passivi nei quali l’unica potenza è ricavata dall’onda elettromagnetica: se l’antenna del Tag non è in grado di trasferire energia sufficiente ad attivare il chip, questo non funziona.

Il front-end di un Tag RFID Passivo di solito comprende uno o più diodi Schottky utilizzati nel circuito rettificatore nel Tag che fanno sì che tipicamente l’impedenza di ingresso del chip abbia una parte reattiva molto più elevata di quella resistiva. Poiché il chip include uno stadio di immagazzinamento di energia, la sua reattanza di ingresso (Xchip) è capacitiva con valori che, per la maggior parte dei sistemi RFID in banda UHF, è dell’ordine di -100 Ω÷-400 Ω mentre la resistenza di ingresso (Rchip) ha valori circa dieci volte inferiori [2].

In Fig. 1.14 è rappresentato il circuito equivalente di Thevenin di un Tag:

V(Ēinc) è la tensione indotta dal campo elettrico incidente sull’antenna del Tag mentre chip chip chip

Z =R + jX e Z_ant =R_ant + jX_ant sono le impedenze di ingresso rispettivamente del Fig. 1.14 – Circuito equivalente di un Tag

Per ottenere l’adattamento di impedenza, e quindi il massimo trasferimento di potenza, occorre che sia verificata la condizione Z_ant =Z_chip∗ .

L’impedenza di ingresso dell’antenna del Tag deve quindi essere induttiva se si vuol ottenere il corretto adattamento coniugato.

Volendo realizzare dispositivi a basso costo, non è conveniente introdurre reti di adattamento a componenti discreti da interporre tra antenna e chip ma si fa in modo di integrare meccanismi di sintonizzazione direttamente all’interno della geometria dell’antenna del Tag.

1.6 Parametri che caratterizzano le prestazioni di un Tag

Una delle più importanti caratteristiche di prestazione del sistema RFID è il range di lettura (reading range) cioè la massima distanza a cui il lettore RFID è in grado di rilevare il segnale di backscattering proveniente dal Tag.

Il minimo di potenza trasmessa richiesto per attivare il Tag, ad una data distanza e frequenza, è la potenza di soglia Pth (threshold power level).

Il range di lettura è sensibile alla potenza di soglia Pth, al materiale sul quale il Tag è posizionato e l’ambiente in cui ha luogo la propagazione. Dipende inoltre dall’adattamento tra l’impedenza di ingresso dell’antenna del Tag e del chip.

Il livello di adattamento può essere valutato attraverso l’efficienza di adattamento (Matching Efficiency) Alpha, parametro che assume valori compresi tra 0 e 1 e dove a 0 corrisponde una condizione di disadattamento ed a 1 di completo adattamento.

Il parametro Alpha è dato da:

{

} {

}

Zchip =Rchip+ jXchip è l’impedenza del chip.

Zant =Rant+ jXant è l’impedenza dell’antenna del Tag.

Un cattivo adattamento tra l’antenna e il chip può far diminuire enormemente la distanza a cui è possibile leggere il Tag passivo. Tale comportamento si può comprendere andando a considerare la potenza ricevuta dall’antenna del Tag data dall’equazione del collegamento di Friis dove si considera il mezzo di trasmissione privo di perdite, antenna del Tag e del Reader posizionate in modo che vi sia adattamento di polarizzazione, assenza di cammini multipli dovuti ad ostacoli e nessuna perdita per disadattamento.

Si ha quindi: 2 4 r t t r P P G G d

λ

π

Pr, potenza ricevuta dal Tag.
Pt, potenza trasmessa dal Reader.

Gr, guadagno dell’antenna ricevente del Tag.
Gt, guadagno dell’antenna trasmittente.

λ, lunghezza d’onda in spazio libero.

d, distanza tra il Reader e il Tag.

Basandosi sulla formula di Friis e nota la potenza minima necessaria per il funzionamento del transponder, è possibile ricavare il range di lettura, ovvero la distanza massima a cui il Tag può essere letto:

4 t t r read th PG G d Alpha P

λ

π

Pth è la minima potenza di soglia necessaria a fornire energia sufficiente per attivare il chip del Tag.

Alpha è il coefficiente che tiene conto dell’eventuale disadattamento di impedenza tra l’antenna (Z_ant =R_ant + jX_ant) ed il chip (Z_chip =R_chip+ jX_chip) e quindi delle perdite di potenza dovute ad un non corretto adattamento.

Appare evidente come un Alpha prossimo a zero, indice di cattivo adattamento, fa in modo che la distanza a cui il Tag risulta leggibile sia molto scarsa. Per incrementarla, oltre a migliorare l’adattamento, occorre andare ad intervenire sui due guadagni di antenna Gt e

1.7 Sistemi RFID on metal

Il problema che viene di seguito analizzato è quello relativo al comportamento del Tag in presenza di oggetti metallici.

Infatti, quando il Tag è posizionato su un oggetto (metallo, liquido, tessuto organico, etc), la permittività elettrica

ε

In molte applicazioni, i Tag RFID hanno bisogno di essere posti sopra superfici conduttrici e questo causa una elevata riduzione delle prestazioni del sistema RFID. La presenza di tale superficie nelle vicinanze dell’antenna del Tag ne cambia il diagramma di radiazione, l’efficienza e la frequenza di risonanza nonché l’impedenza di ingresso portando quindi ad una situazione in cui non si ha più l’adattamento.

Queste variazioni dipendono dalla dimensione e dalla forma dell’oggetto metallico ed anche dalla distanza a cui si trova rispetto al Tag.

Per far in modo che anche in tali condizioni il Tag RFID raggiunga pienamente il suo potenziale, occorre apportare alcune modifiche in fase di progettazione dello stesso.

Quando i Tag sono a diretto contatto con un mezzo conduttore, il motivo principale che riduce la loro efficienza di radiazione è riconducibile al fatto che l’onda incidente, proveniente dal Reader, viene totalmente riflessa dalla superficie metallica subendo uno sfasamento di 180˚. L’onda riflessa va, in questo modo, a cancellare l’onda incidente diminuendo così l’energia che l’antenna del Tag riceve.

In pratica, la vicinanza del conduttore, a causa della riflessione che introduce, porta ad una drastica diminuzione del valore della Rr ,cioè della resistenza di radiazione dell’antenna del Tag, con la conseguente impossibilità di irradiare potenza e quindi di rispondere al Reader .

Per annullare o ridurre lo sfasamento subito dall’onda incidente, una soluzione può essere quella di allontanare il Tag dal piano metallico utilizzando, ad esempio, un distanziatore trasparente alle RF.

Risulta interessante visualizzare cosa accade sull’antenna del Tag quando la distanza tra Tag e piano conduttore assume un valore pari a λ/2 e λ/4.

Fig. 1.15 – Principio di propagazione delle onde per un Tag a distanza λ/2 dal piano metallico

Quando la distanza è λ/2, l’onda riflessa cancella quella incidente perché lo sfasamento tra le due è di 180˚. Infatti, considerando la fase di 180˚ dovuta alla riflessione e quella di 360˚ introdotta dall’aver percorso uno spazio pari a λ (andata verso il piano e ritorno verso il Tag) l’onda riflessa subisce complessivamente uno sfasamento pari a 540˚ rispetto all’onda incidente.

In pratica si ritrova la stessa situazione in cui il Tag è a diretto contatto col metallo.

Le cose invece migliorano notevolmente se il Tag viene posto ad una distanza di λ/4:

Fig.1. 16 – Principio di propagazione dell’onda per un Tag a distanza λ/4 dal piano metallico

Procedendo come nel caso precedente e considerando che adesso l’onda percorre una

λ/2

In quest’ultimo caso, quindi, l’onda incidente e quella riflessa si vanno a sommare facendo sì che l’antenna del Tag possa fornire al chip il doppio della potenza rispetto al caso in cui vi sia assenza di superficie metallica.

Basandosi sui risultati appena trovati, sembra che il problema possa essere semplicemente

risolto mettendo il Tag non direttamente a contatto del metallo ma ad una distanza λ/4. Ma in banda UHF, ad una frequenza di lavoro di circa 900 MHZ, corrisponde una

lunghezza d’onda pari a 33.3 cm e questo vorrebbe dire porre il Tag ad una distanza pari a 8.33 cm dall’oggetto metallico. E’ chiaro, quindi, come tale proposta risulti non applicabile nella pratica.

Nasce da qui l’esigenza di adottare soluzioni che compensino gli effetti che il metallo ha sulle prestazioni del Tag; alcune, tra le tante presenti in letteratura, vengono riportate nel successivo capitolo.