1. LA TECNONOGIA RFID
L’acronimo RFDI, Radio Frequency IDentification, individua una tecnologia di identificazione e tracciatura di oggetti, persone o animali mediante trasmissioni a radio frequenza. Ha iniziato a svilupparsi attivamente intorno agli anni ’90 ed oggi sta finalmente raggiungendo la sua piena maturità: le caratteristiche più evidenti che contraddistinguono positivamente questa tecnologia da altri sistemi di identificazione come i noti codici a barre, sono insite nel fatto che RFID è in grado di funzionare a distanza e senza bisogno di visibilità diretta tra trasmettitore e ricevitore.1.1 Architettura del sistema RFID
L’architettura di un sistema RFID, schematizzata in Figura 1.1, si compone di tre elementi fondamentali, i Tag, i Reader ed un sistema di gestione dei dati ricevuti.
Figura 1.1 - Architettura di un classico sistema RFID
I Tag sono transponder a radiofrequenza di piccole dimensioni costituiti da un chip il quale fornisce semplici funzioni di logica di controllo e forniti di una memoria digitale interna; il tutto è connesso ad un’antenna integrata che ne permette le comunicazioni a radio frequenza; sono applicati come etichette ad oggetti, persone o quant’altro si voglia identificare e tracciare.
I Reader sono ricetrasmettitori controllati da un microprocessore interno, la cui funzione è quella di interrogare e ricevere le informazioni in risposta dai Tag.
Il Sistema di gestione è essenzialmente un computer o un server connesso in rete con i Reader mediante WiFi, USB, Ethernet etc. il quale memorizza ed elabora i dati acquisiti dai Reader e provenienti dai Tag, provvedendo a funzioni varie, come l’aggiornamento costante di un database o l’implementazione di eventuali software per processare le informazioni in modo utile in base all’applicazione: inventario, tracciatura, localizzazione etc.
Il sistema RFID offre un ottimo livello di gestione dell’identificazione in scenari di ogni tipo, quali industrie, magazzini, negozi, centri commerciali, biblioteche, farmacie, ospedali e qualunque altro scenario che richieda una precisa e veloce tracciatura di un gran numero di elementi in tempo reale.
Per comprendere la grande innovazione che questa tecnologia apporta, si elencano di seguito i punti di forza che contraddistinguono RFID dai più vecchi sistemi di identificazione, dei quali i codici a barre sono un valido esempio:
RFID non richiede visuale diretta (in inglese LoS, Line of Sight) per la comunicazione tra Reader e Tag, quest’ultimo può infatti trovarsi all’interno di un armadietto, in un cassetto, o nascosto nella confezione di un prodotto, senza che questo ne impedisca la ricetrasmissione;
i Tag possono essere letti a grande distanza, a partire da qualche metro per quelli passivi fino a decine di metri per quelli attivi;
un Reader è in grado di interrogare svariati Tag contemporaneamente, restituendo molte letture nel giro di pochi secondi dei Tag presenti nel Read Range del trasmettitore;
un Reader è in grado non solo di leggere, ma anche di programmare e scrivere informazioni all’interno dei Tag durante la comunicazione a distanza;
la quantità di informazioni memorizzabile in un Tag RFID mediante la memoria elettronica integrata, sebbene non superi qualche Kbyte di capacità, è estremamente maggiore rispetto a quanto possibile memorizzare ad esempio in una etichetta di codici a barre.
1.1.1 Tag RFID
Tutti i Tag utilizzano l’energia a radiofrequenza per comunicare, anche se è possibile distinguere varie modalità di funzionamento ed in base a questo si possono identificare tre tipologie di Tag: attivi, passivi e semi-passivi.
Tag attivi: una batteria integrata fornisce l’energia necessaria sia per
l’attivazione dei circuiti interni che per la trasmissione dei dati; un Reader in questo modo può interrogare l’ambiente circostante con bassi livelli di EIRP ed il Tag è in grado di rispondere autonomamente mediante segnali estremamente stabili, caratterizzati da livelli di potenza che consentono di raggiungere distanze fino a svariate decine di metri. Se paragonati ai Tag di tipo passivo, hanno dimensioni fisiche ragguardevoli ed un costo per unità relativamente elevato (figura 1.2-a, pagina seguente).
Tag passivi: non presentano alcuna fonte di alimentazione interna, i circuiti del
chip ricavano l’energia per il funzionamento direttamente dall’onda incidente trasmessa dal Reader e con la stessa energia, mediante un fenomeno di modulazione del segnale riflesso denominato backscattering, re irradiano la propria risposta con una potenza in grado di raggiungere distanze decisamente ridotte rispetto al caso di Tag attivi; il funzionamento di tali Tag dipende quindi non solo dal livello di adattamento tra l'impedenza dell'antenna e del chip, ma anche da fattori esterni come l’attenuazione del canale di trasmissione e la potenza trasmessa dal Reader, raggiungendo distanze massime di qualche metro. La loro memoria interna, poche centinaia di byte, seppur sufficiente all’inserimento di un codice identificativo, è estremamente ridotta se paragonata a quella dei Tag attivi che raggiunge invece capacità di qualche Kbyte, mentre un punto di forza dei Tag passivi sono le dimensioni decisamente inferiori, con spessori paragonabili a quelli di un foglio di carta, mentre i costi per unità si aggirano intorno a pochi centesimi di euro (figura 1.2-b, pagina seguente).
Tag semi-passivi: come i Tag attivi utilizzano una batteria integrata, ma solo per
l’alimentazione dei circuiti interni, mentre la comunicazione con il Reader avviene allo stesso modo dei Tag Passivi, mediante modulazione di backscattering (figura 1.2-c).
(a) (b) (c)
Figura 1.2 - Esempi di Tag passivi (a), semi-passivi (b), attivi (c)
Oltre alla suddivisione in base al tipo di alimentazione, si identificano altri parametri caratteristici:
sensibilità: è il livello minimo di potenza incidente necessaria per l’attivazione del Tag, che dunque dipende essenzialmente dalla potenza di soglia del chip, dal tipo di antenna ad esso collegata e dal livello di adattamento tra chip ed antenna. Valori tipici di potenza di attivazione si aggirano intorno ai -10dBm;
portata: o “Read Range”, è la distanza massima alla quale il Tag può essere letto da un Reader, dunque dipende oltre che dalla sensibilità del Tag, anche dalla potenza trasmessa dal Reader (per i Tag passivi e semi-passivi), ovvero dalla potenza che il Tag è in grado di irradiare mediante la propria batteria interna (per i Tag attivi). Dipende inoltre dal livello di attenuazione (indicato con il termine inglese Path Loss) introdotto dal canale nel quale si propagano le onde elettromagnetiche;
chip: il tipo di chip installato in un Tag ne caratterizza totalmente le prestazioni e le funzionalità. Da esso dipendono i parametri di sensibilità e portata appena introdotti, i tipi di protocollo e le modulazioni supportate (tipicamente ASK, PSK e loro varianti), il livello di sensibilità alle interferenze, la quantità di memoria disponibile e la velocità massima di lettura, di scrittura e di trasmissione dei dati al Reader. Inoltre il chip può gestire anche più antenne [43] [45] in base al numero di ingressi, nel caso in cui sia voglia sfruttare il funzionamento in diversità; per i Tag passivi il chip caratterizza anche il livello di D-RCS (Differential Radar Cross Section),
parametro che sarà discusso in seguito e che incide sulla bontà della modulazione di backscattering;
antenna: il tipo di antenna integrata può essere di tipo diverso, in UHF si possono trovare antenne a dipolo corto, dipolo corto ripiegato o anche antenne a loop: in genere sono antenne caricate alle estremità e spesso presentano meandri per migliorarne le prestazioni. Oltre ad incidere sui parametri ovvi come la direttività e l’impedenza d’ingresso (quest’ultima fondamentale per l’adattamento in impedenza con il chip), caratterizzano anche il comportamento del Tag che può essere di tipo Near Field o Far Field. Naturalmente anche le dimensioni esterne, seppur largamente imposte dalla frequenza di lavoro, possono essere modificate (ad esempio ridotte mediante un design a dipolo ripiegato o a meandri) in base al tipo di applicazione; protocollo: il protocollo utilizzato tra Tag e Reader ne stabilisce una serie di
parametri di comunicazione tra i quali spicca il criterio implementato per l’anticollisione quando si leggono più Tag contemporaneamente. Il protocollo dunque è importante sia per le prestazioni che per la compatibilità tra sistemi diversi: attualmente il più recente standard utilizzato da tutti i Tag sul mercato è l’EPC Global Class 1 Gen 2 [1] il quale ad esempio implementa un algoritmo di anticollisione basato sul Dynamic Framed Slotted ALOHA1 (DFSA) [2]-[3].
Generalmente i Tag RFID, soprattutto nel caso di Tag passivi dove le potenze in gioco risultano piccole, sono in grado di funzionare solamente lontano da ostacoli o al massimo in vicinanza di materiali isolanti ed elettromagneticamente non assorbenti, dal momento che la presenza ravvicinata di materiali conduttori come i metalli ne altera la capacità di modulazione in backscattering, mentre la vicinanza a materiali assorbenti, come i liquidi, tende a ridurne la capacità di attivazione del chip ed i livelli di potenza re irradiata, dal momento che gran parte della potenza incidente sul Tag o re irradiata indietro verso il Reader viene invece assorbita dal materiale circostante.
1 Gli algoritmi della famiglia slotted Aloha sono basati sulla suddivisone dell’asse dei tempi in slot: ogni
utente invia il proprio segnale all’interno di uno di questi intervalli, selezionato in modo pseudo-casuale. La trasmissione avviene con successo solo nel caso in cui non avvengano collisioni di più segnali trasmessi simultaneamente all’interno della stessa slot; in caso contrario, si effettua un nuovo tentativo.
Alcune soluzioni adottate per venire incontro a questi problemi solo l’utilizzo di: distanziali
basse frequenze metal Tags
plasmonic structure Tags
Distanziali: una soluzione semplice, ma anche poco efficace per ridurre i
problemi di funzionamento e di Read Range a contatto con metalli o liquidi, prevede il posizionamento dei Tag aggiungendo un distanziale di qualche millimetro e realizzato in materiale inerte alle radiofrequenze. I miglioramenti sono ovviamente piuttosto lievi.
Basse frequenze: generalmente l’utilizzo di basse frequenze nelle bande LF o
HF, rispetto alle bande UHF rende la comunicazione meno sensibile all’ambiente circostante. Questo aspetto sarà analizzato meglio nel paragrafo successivo.
Metal Tag: un’altra soluzione decisamente efficace prevede l’utilizzo di metal
Tag, espressamente progettati per lavorare a contatto non solamente di un metallo ma anche di un recipiente contenente liquidi o qualunque altro materiale: sfruttano la presenza di un piano di massa metallico inserito appositamente al loro interno, che provvede alle due funzioni di schermare il Tag dalle interferenze del materiale sottostante e di fungere da piano riflettore per l’antenna integrata. E’ posto dunque a una distanza tale da permettere una somma costruttiva del segnale da esso riflesso. Ovviamente, come tutte le antenne a riflettore[7], i metal Tag funzionano bene solamente ad alta frequenza (UHF) e solo all’interno di bande molto strette (la distanza tra Tag e riflettore è fortemente legata alla lunghezza d’onda de segnale), ma in quegli intervalli frequenziali forniscono prestazioni molto buone e portate discrete, a volte anche superiori a quelle dei Tag standard. Le dimensioni fisiche risultano essere maggiori a causa del piano metallico che deve avere un' area schermante adeguata e che deve essere inserito mediante un distanziale di un certo spessore, funzione della lunghezza d’onda. In figura 1.3 (pagina seguente) sono presentati alcuni esempi di metal Tag, in particolare, in Figura 1.3-b è mostrata la soluzione ideata dai laboratori di ricerca dell’University of Kansas' Information and Telecommunication Technology Center, che
hanno realizzato un particolare tipo di Tag metallico consistente in un’antenna a patch con piano di massa sottostante, che tra le varie soluzioni presenti sul mercato, ha fornito uno dei migliori risultati di Read Range (6m) in presenza di metallo o liquido, seppur realizzato con uno spessore di poco più di 1mm.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 1.3 - Esempi di Metal Tag
Plasmonic Structure [4]-[6]: una quarta soluzione molto interessante per venire
incontro ai problemi di Tag in prossimità di metalli o liquidi, si rivela essere un nuovo approccio grazie ad una tecnologia proprietaria di “QinetiQ”. Mediante la “biomimetica”, cioè lo studio consapevole dei processi biologici e biomeccanici della natura come fonte di ispirazione per il miglioramento delle tecnologie umane, il team di sviluppo di QinetiQ ha studiato il modo in cui la struttura alare della farfalla “Morpho” (illustrata a lato) è in grado di riflettere la luce. Tale concetto è stato implementato nell’RFID progettando un materiale brevettato con il nome di Plasmonic Structure col quale vengono fabbricati i Tag, sostituendo questa struttura all’antenna integrata, che non è più presente; questo materiale non è altro che un dielettrico dalle caratteristiche molto interessanti da un punto di vista elettromagnetico.
Quando un’onda generata da un Reader investe questo genere di Tag (immagine a lato), la Plasmonic Structure della quale esso è composto cattura ed assorbe tutta l’onda incidente evitando di farla disperdere nelle vicinanze. Di conseguenza il Tag si trova isolato dal materiale al quale è applicato o nel quale è immerso e non ne risente l’influenza: il risultato è che il Tag funziona come se tale materiale non fosse presente; l’onda catturata oscilla all’interno del dielettrico, dando luogo ad una regione ad alta concentrazione energetica e tale energia attiva il chip, il quale invia la risposta verso il Reader modulando l’onda assorbita che viene infine rilasciata. Come dimostrano gli esperimenti effettuati[5] tali Tag funzionano meglio delle tecnologie classiche, fornendo approssimativamente i seguenti range di lettura massimi:
Tag su metallo 10 metri
Tag su plastica, vicino a Metallo 8 metri
Tag immerso in acqua 2.5 metri
1.1.2 Reader RFID
Come già detto, il Reader è il ricetrasmettitore utilizzato per la comunicazione con i Tag da un lato e con il sistema di controllo (server o PC) dall’altro: un Reader deve dunque fornire l’energia necessaria per l’attivazione dei Tag in base alla loro sensibilità e nel caso di Tag passivi o semi-passivi devono fornire anche una ulteriore porzione di energia sufficiente da rendere il Tag in grado di emettere il segnale di risposta. Ovviamente il tipo di Reader determina le bande frequenziali nelle quali può lavorare (LF, HF, UHF) ed i tipi di protocollo supportati. Si possono individuare altri parametri che caratterizzano un Reader RFID tra i quali potenza in uscita, antenna, isolamento, software di controllo e parametri in uscita.
Potenza in uscita ed EIRP: per quanto sopra detto risulta chiaro che
l’Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP) dipendente ovviamente anche dall’antenna utilizzata, è direttamente proporzionale al massimo Read Range del sistema ed il suo livello massimo è regolamentato dal paese in cui si trova a lavorare il Reader. La potenza utilizzata in trasmissione è tipicamente regolabile a step, ed in base al tipo di lettore valori di picco tipici possono andare da circa 100mW fino ad 1 o 2W per i modelli ad alte prestazioni (il guadagno dell’antenna utilizzata ne definirà poi l’EIRP massimo, che non può superare i valori consentiti dalla legge).
Antenne ed isolamento: il numero di antenne direttamente collegabili al Reader ne determina la versatilità ed ovviamente il numero dei connettori è direttamente proporzionale al costo finale dell’apparato. Si utilizzano tipicamente antenne molto direttive, ma un parametro molto importante è soprattutto il livello di isolamento tra i canali in trasmissione e ricezione, necessario per non mascherare il debole segnale di ritorno dai Tag, soprattutto se passivi. Per aumentare questo livello di isolamento esistono Reader dalla struttura bistatica la quale utilizza due antenne diverse una per il trasmettitore, l’altra per il ricevitore, a differenza dei Reader monostatici in cui un’unica antenna esegue entrambe le funzioni grazie alla presenza di un circolatore (figura 1.4).
Figura 1.4 - Schema a circolatore per Reader RFID monostatico
Software di controllo e parametri in uscita: il software di gestione fornito con
il Reader ne determina le funzionalità direttamente utilizzabili dall’utente finale. Tra i parametri forniti dal Reader e presentati in uscita sul software, oltre all’identificativo dei
Tag letti ed altre informazioni logistiche, spesso sono presenti altri parametri come il livello di RSSI, l’efficienza di lettura etc.
Figura 1.5 - Esempi di Reader da “Caen RFID S.r.l.”
1.1.3 Frequenze di lavoro
La tecnologia RFID può operare in svariate bande frequenziali [2], tra le quali le più ampiamente utilizzate sono le seguenti:
banda LF (Low Frequency) centrata a 125 KHz oppure 134 KHz;
banda HF (High Frequency) centrata a 13.56 MHz, è una delle bande maggiormente utilizzata in tutto il mondo;
banda UHF (Ultra High Frequency) centrata a 868 MHz per l’Europa oppure a 915 MHz in altre regioni come U.S.A. ed Australia. La UHF è una banda relativamente nuova per i sistemi RFID e si sta espandendo grazie ai grandi vantaggi che apporta. Esistono anche applicazioni RFID in bande UHF alte, centrate a 2.45GHz e 5.8GHz. La scelta della frequenza di lavoro è un parametro critico che dipende dal tipo di applicazione alla quale il sistema RFID deve essere applicato: innanzitutto, come vedremo meglio nel paragrafo seguente, il principio fisico che permette la
comunicazione tra Tag e Reader varia, infatti a bassa frequenza LF, HF viene sfruttato il principio di accoppiamento magnetico in campo vicino mediante antenne a spira e tali Tag sono in grado di funzionare solo fino a pochi centimetri di distanza. Alle alte frequenze UHF invece la ricetrasmissione avviene mediante accoppiamento elettromagnetico, tipicamente in campo lontano ed il loro impiego apporta numerosi vantaggi rispetto alle basse frequenze (LF ed HF), tra cui:
velocità di trasmissione: in termini di bit-rate è estremamente maggiore alle UHF, parametro fondamentale nel caso sia necessario localizzare un grande numero di Tag in breve tempo. Si pensi alla localizzazione dei bagagli in un aeroporto o dei libri in una biblioteca;
Read Range: all’aumentare della frequenza si favorisce la comunicazione a distanza maggiore (a parità di potenza trasmessa), che passa da pochi centimetri per le HF a qualche metro per le UHF;
potenza: per operare a parità di prestazioni, a frequenza maggiore si può ridurre la potenza in trasmissione (le onde elettromagnetiche si propagano più facilmente alle alte frequenze);
antenne: a parità di prestazioni, le dimensioni si riducono drasticamente alle UHF ed i fasci si restringono;
riflessioni: frequenze più alte sono più semplici da schermare e riflettere e questo è fondamentale per il funzionamento in backscattering dei Tag passivi, anche se aumentano le interazioni con i materiali vicini che possono più facilmente provocare interferenze a causa proprio delle riflessioni indesiderate;
assorbimento: le UHF soffrono però anche di svantaggi, dal momento che presentano maggiori difficoltà nel penetrare materiali dielettrici ed assorbenti, mentre le frequenze più basse hanno il grande vantaggio di fornire ottime prestazioni in presenza di materiali assorbenti come può essere il liquido in una bottiglia o il corpo umano.
1.1.4 Principio di funzionamento
Come già accennato in precedenza , l’accoppiamento che permette la comunicazione tra Reader e Tag può essere di tipo magnetico (induttivo) in banda LF, HF in campo vicino oppure di tipo elettromagnetico in banda UHF sia in campo lontano che vicino2.
I sistemi RFID appartenenti al primo caso, ovvero quelli che si basano su un accoppiamento magnetico tra Reader e Tag in campo vicino, sono sistemi che operano a frequenze fino a 100MHz ed il loro funzionamento è limitato a distanze minori o comparabili alla lunghezza d’onda (figura 1.6). I Tag sono tipicamente passivi e le loro antenne, come quelle del Reader, sono realizzate mediante spire stampate su un film sottile oppure con un avvolgimento intorno ad un nucleo di ferrite: quando un Tag si trova all’interno del campo magnetico vicino del Reader, il flusso variabile nel tempo periodicamente si concatena con l’antenna a spira del Tag ai cui terminali viene indotta, secondo la legge di Lenz, una tensione in grado di attivare il chip. In parallelo alle antenne è presente un condensatore per variare la frequenza di tuning di un circuito LC: il massimo accoppiamento tra le antenne si ottiene alla frequenza di risonanza.
Figura 1.6 - Accoppiamento magnetico (induttivo) in campo vicino di sistemi RFID
2Un punto nello spazio si trova nella regione di campo lontano di un’antenna quando la sua distanza è tale
da soddisfare le seguenti tre proprietà, due delle quali funzioni della lunghezza d’onda [7] d ≫ λ ; d ≫ D ; d >2Dλ2 dove: “d” è la distanza dall’antenna [m]
“D” è la dimensione (fisica) massima dell’antenna [m] “λ” è la lunghezza d’onda, λ =c[ms]
I sistemi RFID invece appartenenti alla seconda tipologia, ovvero quelli per cui le comunicazioni tra Tag e Reader si basano su accoppiamento elettromagnetico, sono caratterizzati da frequenze di lavoro che superano i 100MHz e le distanze in gioco sono relativamente grandi rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (figura 1.7). In questo caso il Tag, che può essere sia di tipo attivo che passivo o semi-passivo, viene interrogato ed attivato dal campo elettromagnetico irradiato dall’antenna Reader: le antenne di Reader e Tag saranno in generale dei patch o dipoli stampati su materiale rigido (come FR4) o flessibile (come carta o poliestere).
Nel caso di Tag attivi, il segnale di ritorno sarà irradiato allo stesso modo dalla propria antenna mediante batteria, mentre per Tag passivi o semi-passivi l’antenna rifletterà parte della potenza elettromagnetica ricevuta mediante un meccanismo denominato backscattering, che verrà analizzato in maggior dettaglio nel prossimo paragrafo.
Figura 1.7 - Accoppiamento elettromagnetico di sistemi RFID a frequenze UHF
Recentemente i sistemi RFID in banda UHF hanno iniziato ad essere utilizzati anche in campo vicino a distanze minori della lunghezza d’onda, sfruttando lo stesso meccanismo di accoppiamento elettromagnetico che è stato appena esposto, con la differenza che tale interazione avviene in campo vicino e dunque a pochi centimetri dall’antenna. Questo per poter sfruttare i benefici della vicinanza tra Tag e Reader come la robustezza agli agenti esterni, insieme a tutti i vantaggi dei sistemi alle frequenze UHF prima esposti. E’ possibile utilizzare gli stessi Reader e Tag che venivano utilizzati in campo lontano ovvero si possono progettare Tag, Reader ed antenne UHF ad hoc per lavorare in campo vicino.
1.1.5 Tag Passivi e Backscattering
Un paragrafo a parte merita il fenomeno fisico denominato backscattering [8]-[9] che sta alla base del funzionamento dei Tag passivi UHF, infatti la loro risposta avviene mediante un meccanismo di riflessione dell’onda elettromagnetica incidente proveniente dal Reader, denominato appunto backscattering.
Come mostrato in figura 1.8, un sistema UHF RFID basato su Tag passivi funziona essenzialmente alla pari di un sistema Radar nel quale il Reader (Radar Transreceiver) fornisce il segnale a radiofrequenza per le comunicazioni in entrambe le direzioni: il Tag, che può dunque vedersi come un bersaglio con una propria Radar Cross Section (RCS), non possiede nessun generatore di energia, bensì sfrutta la potenza incidente dal Reader, sulla quale modula la propria risposta riflessa, tipicamente mediante modulazioni ASK, PSK o loro varianti.
Figura 1.8 - Backscattering in sistema RFID UHF per Tag passivi
Consideriamo dunque la struttura interna di un Tag passivo (figure 1.8 e 1.10 a pagina seguente) in cui sia l’antenna che il chip presentano una certa impedenza di ingresso (denominate rispettivamente 𝑍𝑍𝑎𝑎 𝑒𝑒 𝑍𝑍𝑐𝑐): il chip ottiene l’energia per il proprio
funzionamento dal segnale RF trasmesso dal Reader ed il Tag invia i propri dati indietro modificando la propria impedenza di ingresso tra due stati, così da modulare il segnale riflesso di backscattering: infatti per ognuno dei due stati dell’impedenza 𝑍𝑍𝑐𝑐1 e 𝑍𝑍𝑐𝑐2 il Tag
presenterà una certa Radar Cross Section (RCS1 ed RCS2) dipendente dal livello di
𝜌𝜌
𝑖𝑖=
𝑍𝑍𝑐𝑐𝑖𝑖−𝑍𝑍𝑎𝑎𝑍𝑍𝑐𝑐𝑖𝑖+𝑍𝑍𝑎𝑎
(1.1)
La profondità di modulazione è quindi caratterizzata dal valore della RCS differenziale o ΔRCS, calcolata dalla relazione (1.2):
𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥 = |𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥
1(𝜌𝜌
1) − 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥
2(𝜌𝜌
2)|
(1.2)Entrando più nello specifico, il segnale trasmesso nel Forward Link (dal Reader verso il Tag) è caratterizzato da un’onda sinusoidale a RF modulata con le istruzioni per il Tag, la quale è trasmessa nella fase di interrogazione del Tag stesso e da un’onda continua sinusoidale non modulata, trasmessa durante il periodo di attesa di risposta dal Tag (figura 1.9)
Figura 1.9 - Scambio di dati tra un Reader ed un Tag passivo
Nel Reverse Link (dal Tag verso il Reader) i dati sono dunque trasmessi indietro durante uno dei periodi di onda continua del Reader, facendo in modo che l’impedenza del Tag moduli in ampiezza o in fase il segnale di backscattering variando l’ampiezza o la fase del segnale re irradiato, modificando la parte reale (Rc) o quella immaginaria (Xc)
dell’impedenza del chip. Si prenda come riferimento la figura 1.10 nelle quale si mostra come l’antenna dei Tag RFID tipicamente sia collegata direttamente al chip e si supponga una modulazione di ampiezza ASK.
In formule la descrizione delle impedenze è mostrata in (1.3):
�𝑍𝑍
𝑍𝑍
𝑎𝑎= 𝛥𝛥
𝑎𝑎+ 𝑗𝑗𝑋𝑋
𝑎𝑎𝑐𝑐
= 𝛥𝛥
𝑐𝑐+ 𝑗𝑗𝑋𝑋
𝑐𝑐(1.3)
Durante la trasmissione da parte del Tag dello zero logico(off), antenna e chip si trovano in adattamento di impedenza, vale a dire che l’impedenza d’antenna del Tag è pari al complesso coniugato dell’impedenza del chip a cui è collegata 𝑍𝑍𝑎𝑎 = 𝑍𝑍𝑐𝑐∗: in questa
modalità, come è noto, abbiamo il massimo trasferimento di potenza dall’antenna verso il Tag, potenza che essendo assorbita dal Tag non viene re irradiata verso il Reader. Durante la trasmissione da parte del Tag dell’uno logico (on) invece l’impedenza del chip viene modificata in modo da porre l’antenna ad un certo livello di disadattamento, in questo modo non abbiamo più il massimo trasferimento di potenza, quindi la porzione di potenza che, a causa del disadattamento non viene assorbita dal chip del Tag, verrà riflessa dal chip stesso verso la propria antenna e dunque dal Tag verso il Reader.
In modo simile a quanto esposto naturalmente è possibile variare la fase del segnale re irradiato modulando due stati diversi, per ottenere una modulazioni di fase.
Risulta chiaro dunque il motivo per il quale nei Tag passivi viene introdotto il nuovo parametro di confronto che prende il nome di Radar Cross Section differenziale del Tag (ΔRCS già presentata in formula 1.2): deriva dalla teoria dei sistemi Radar e caratterizza le proprietà di riflessione con una quantità complessa che identifica la potenza del segnale modulato di backscattering del Tag e ricevuto dal Reader e dunque il livello di profondità della modulazione utilizzata. Viene chiamato differenziale in quanto si riferisce al livello relativo della differenza della RCS quando il Tag si trova nei due stati on – off. E’ un parametro identificativo del Tag e dipende dalle sue caratteristiche, cioè dal tipo di chip utilizzato, dal tipo di antenna ed ovviamente dalla variazione del livello di adattamento d’impedenza tra i due.
