[PCB ART 2] – RFID e comunicazione contactless

Oggi, in questa nuova puntata della nostra rubrica dedicata alla progettazione di antenne, parliamo, finalmente, di un sistema di identificazione basato sulle antenne che comunicano a radiofrequenza. RFID, acronimo di Radio Frequency IDentification, è una sigla che si riferisce ad un complesso sistema di informazioni codificate e trasmesse tramite sistemi di invio e ricezione dati che consentono lo sviluppo di applicazioni tra le più disparate: accesso selettivo, tracciamento merci, comunicazione di informazioni, identificazione univoca di beni o persone e così via dicendo.
Come si arriva a creare qualcosa di questo tipo? Come sono fatte le antenne? Quali le applicazioni più utili?
Nello spirito di questa rubrica, cercheremo di analizzare tutti gli aspetti caratteristici della progettazione, dalle basi dell'elettromagnetismo fino alla caratterizzazione delle antenne e dei tag RFID. Siete pronti? Buona lettura.

I tag RFID, come abbiamo avuto modo di vedere quando abbiamo discusso di quali possibilità esistono, utilizzano una tensione indotta per effettuare operazioni. La tensione indotta è in AC; il fenomeno dell'induzione determina una caduta di potenziale ed un certo valore di corrente al suo interno. La tensione viene poi rettificata così da trasformarla in un livello di alimentazione continuo (DC) sia sufficiente a fungere da tensione operativa.
Se si fornisce un segnale a radiofrequenza, il lettore può comunicare con un dispositivo remoto che non ha alimentazione esterna, per esempio una batteria.
Si tratta quindi di "energizzare" e di instaurare una comunicazione tra un lettore ed un tag attraverso l'antenna.
Quest'ultima non può essere "qualsiasi" ma dovrà essere scelta accuratamente a seconda dell'applicazione e la geometria ed i parametri caratteristici saranno la chiave per rendere operativo l'intero sistema.

Un segnale a radiofrequenza può essere irradiato in maniera efficace se la dimensione lineare dell'antenna è confrontabile con la lunghezza d'onda operativa. La lunghezza d'onda alla frequenza di 13,56 MHz è pari a 22 m (per la precisione 22,12); questo significa che è abbastanza difficile realizzare fisicamente un'antenna adatta per questo tipo di applicazione. Ed è per questo motivo che vengono sfruttati i ben noti principi della fisica e della campistica per poterle comunque realizzare. Studiare i campi elettromagnetici significa essere a conoscenza dei teoremi di reciprocità, dualità e così via dicendo.
Tali teoremi conducono a soluzioni pratiche della quali una è rappresentata dalla creazione di antenne che sono null'altro che piccoli circuiti risonanti alla frequenza di interesse.
Al loro interno scorrerà una corrente in grado di irradiare un campo magnetico, in condizioni di campo vicino, che decadrà con dipendenza cubica dal raggio. Questo è abbastanza evidente perché, soprattutto un'antenna omnidirezionale crea attorno a sé un campo di irradiazione che consente di approssimare la sorgente come puntiforme e descrivere il campo come una sfera di raggio sempre crescente.
La dipendenza cubica si spiega analizzando il volume della sfera.
Questo tipo di antenna prende il nome di dipolo magnetico.

Nelle applicazioni che utilizzano tag passivi a 13,56 MHz bastano induttanze anche dell'ordine dei uH e condensatori di qualche centinaia di pF.
Il trasferimento di tensione tra lettore ed antenna avviene grazie al principio di induzione.
L'efficienza del trasferimento può essere aumentata creando circuiti con fattori di qualità (Q) sempre migliori.

Le basi del fenomeno

Non è possibile pensare di concentrare tutta la teoria della fisica che serve per questo argomento in un unico grande articolo; è per questo motivo che analizzeremo soltanto le equazioni più importanti. Vi ricordiamo, comunque, fin d'ora che per qualunque necessità o dubbio o bisogno di approfondimento, siamo a disposizione dei commenti.

Analizzare l'andamento di corrente e tensione all'interno di un sistema semplice come un conduttore percorso da corrente significa valutare il suo comportamento analizzando la geometria descritta nella figura che segue

e questo può esser fatto grazie all'equazione

in cui abbiamo indicato con I la corrente, r la distanza dal centro del filo, μ0 la permeabilità di spazio libero, una costante che vale 4π10^-7 (H/m).
Valutare il campo magnetico prodotto da un'antenna circolare come questa

significa riscrivere l'equazione come segue

Ed ecco comparire in questa formulazione esattamente la dipendenza che avevamo accennato. Questo decadimento viene ben rappresentato qui di seguito

A cosa serve analizzare geometrie così semplici? Esse costituiscono la base di ogni sistema e per questo motivo è indispensabile comprenderle al meglio.

L'induzione

L'elettromagnetismo non è altro che un insieme di fenomeni fisici spiegabili attraverso leggi delle quali una delle più importanti è sicuramente quella di Faraday, la legge sull'induzione elettromagnetica ad opera di un campo magnetico variabile attraverso un'interfaccia.
Nella figura che segue viene mostrato esattamente lo schema di principio del fenomeno una geometria circolare, base di un'applicazione RFID.

Questo perché quando il tag ed il lettore sono vicini l'uno all'altro il campo magnetico variabile B prodotto dal lettore induce una differenza di potenziale all'interno dell'avvolgimento presente nell'antenna e questo causa lo scorrere di una corrente la cui entità è legata proprio alla tensione

Come ben noto, il segno negativo rappresenta un fattore di correzione proposto da Lenz che sta a testimoniare il fatto che il flusso concatenato è di segno opposto a quello indotto.
Per identificare l'entità del flusso magnetico si calcola il prodotto scalare tra il campo magnetico e la superficie attraverso la quale fluisce, cioè il risultato sarà proporzionale al coseno dell'angolo formato dai due vettori; da questa considerazione discende che il miglior accoppiamento sarà realizzato quando i due avvolgimenti saranno paralleli tra loro.

Caratteristiche Ohmiche

Parliamo di avvolgimenti, e di fili quindi non possiamo non parlare di conduttori e dei materiali di cui sono costituiti. È nota la formula della resistenza in DC

ed è intuitivo che il suo valore debba essere mantenuto il più basso possibile per avere un circuito d'antenna con fattore di qualità maggiore. Meglio optare, dunque, per un diametro maggiore.

In AC, invece, i portatori di carica sono equamente distribuiti attraverso l'intera sezione del filo. Man mano che la frequenza aumenta, il campo magnetico risulta di valore maggiore al centro del filo; questo fenomeno è noto come “effetto pelle".
La profondità alla quale, all'interno del conduttore, si ha un abbassamento della densità dei portatori varia come 1/e, e questo dipende dal fatto che permeabilità e conducibilità del mezzo influiscono in maniera importante.
L'effetto “skin depth” si può ottenere calcolando

L'induttanza delle antenne

Ci vuole, come abbiamo detto, un conduttore perché ci sia flusso e campo magnetico. Quest'ultimo, variabile nel tempo, induce una corrente. Per calcolare l'induttanza L si scrive

che tiene conto del numero di avvolgimenti, quindi di spire, della corrente e del flusso magnetico. La dipendenza è, dunque, proporzionale al numero di avvolgimenti ed inversamente proporzionale all'intensità la corrente.
Se del filo fissiamo la lunghezza ed il raggio (rispettivamente l ed a), abbiamo

Se l'avvolgimento è circolare avremo

Per geometria sempre circolare ma avvolgimenti multipli, avremmo

Più spire diverse aggiunte alla geometria di prima danno

Ma la geometria a spirale è probabilmente quella più frequente

E gli esempi di certo non finiscono qui.

L'induttanza di una struttura planare, per esempio, caratterizzata soltanto, da una larghezza da una altezza e da uno spessore, può complicare la valutazione dell'impedenza se utilizziamo avvolgimenti planari a spirale. Se consideriamo un induttore realizzato con segmenti sottili

l'induttanza risulterà dalla somma delle induttanze

ove è evidente che bisogna sommare tutti i contributi di mutua induttanza positivi nonché quelli negativi.
La mutua induttanza non è altro che quel contributo risultato dal campo magnetico prodotto dai conduttori adiacenti ed è positiva quando la direzione della corrente è concorde, negativa in caso contrario. La mutua induttanza tra due conduttori paralleli è una funzione della lunghezza (l) del conduttore e del fattore di mutua induttanza (F):

M=2lF

Antenna rettangolare planare a spirale

Questo è probabilmente il primo vero importantissimo esempio di antenna. Probabilmente anche quella che avete visto più spesso perché si tratta di un esempio applicativo davvero completo.
Ciascuno degli avvolgimenti singolarmente crea una mutua induttanza con gli altri, enumerando i segmenti come in figura

ritroviamo valori di corrente, spessori, fattori di skin depth caratteristici.
L'induttanza totale è pari alla somma di tutte le autoinduttanze di ciascun segmento (L0=L1+L2+.....+L16).
A ciò vanno aggiunte le mutue induttanze positive, M+, che si compongono di due contributi dovuti alla mutua interazione di ciascun segmento sugli altri come per esempio su l1:

M+(l1)= 2(M1,5 + M1,9+M1,13)

E naturalmente analogo discorso va fatto su M-.

Ed ora una domanda per voi: sapreste scrivere le espressioni complete?

Configurazione di un'antenna

L'induttanza di un circuito di lettura alla frequenza di 13,56 MHz è tipicamente pari a qualche uH. Essa può essere costituita da avvolgimento unico o doppio

Naturalmente il circuito risonante LC dovrà essere accordato in frequenza. Il fattore di qualità del circuito dipenderà sia dalla frequenza sia dalla banda di lettura.
Come avrete capito, non è possibile ottenere la qualità nella lettura e nel circuito di risonanza senza che ci sia una netta dipendenza dalle dimensioni geometriche. Ecco per quale motivo è indispensabile stabilire la geometria con precisione soprattutto in funzione dei limiti. La FCC, ad esempio, ne detta di suoi:

  • la precisione sul valore di frequenza è pari allo 0,01%, cioè +/- 1.356 kHz;
  • la banda è definita a +/- 7 kHz;
  • la potenza della frequenza fondamentale è pari a 10 mV/m alla distanza di 30 m dal trasmettitore;
  • la potenza delle armoniche è pari a -50.45 dB rispetto alla fondamentale.

Il tag

Cominciamo con alcuni esempi di possibili tag:

ve li mostriamo per darvi un'idea di come vadano condizionati, grazie all'utilizzo di condensatori ed induttori interni ed esterni.
L'espressione del fattore di qualità è pari al rapporto tra la frequenza fondamentale e la larghezza di banda. Maggiore sarà dunque la banda, più piccolo in modulo risulterà il fattore di qualità.

Facciamo un test: si tratta di un fatto positivo o negativo?

Accordiamolo

Per realizzare La condizione di “accordo”, il circuito può essere studiato secondo due metodologie diverse:

  1. metodo della misurazione di tensione;
  2. studio dei parametri S e dell'impedenza.

Nel primo caso si tratta di impostare il segnale di tensione alla frequenza di risonanza, connettere il generatore al circuito, utilizzare l'oscilloscopio per controllare cosa viene visualizzato, verificare delle alterazioni nei valori al variare della capacità ed interrompere la procedura quando si ottiene il massimo valore di tensione in uscita.

Il secondo metodo prevede anche l'utilizzo di un analizzatore di rete. In questo caso il parametro da misurare prima di tutti è S11, effettuando una calibrazione per poi effettuare il tuning del condensatore.

Le 3 immagini mostrano (da sx a dx): la caratterizzazione del parametro S11, lo studio dell'impedenza in con circuito risonante in parallelo e lo studio dell'impedenza in con circuito risonante in serie.

Range di lettura

Il range di lettura è definito come la massima distanza tra il lettore e il tag. Alcuni dei parametri incidono in maniera importante su questa grandezza, per esempio la frequenza operativa, il fattore d'antenna, l'orientazione della stessa. Ma anche il valore della corrente di eccitazione, la sensibilità del ricevitore, la codifica e la decodifica dell'informazione attraverso l'algoritmo. Anche il numero di dati codificati ha la sua importanza.
Tale valore di distanza alla frequenza operativa specificata è relativamente più lungo rispetto all'altra possibilità, ovvero la frequenza operativa di 125 kHz, e ciò dipende dal fatto che l'efficienza d'antenna aumenta man mano che aumenta la frequenza.
Evidentemente ci sarà una variabilità anche rispetto alle applicazioni che opereranno in prossimità piuttosto che su lunga distanza. Ecco alcuni esempi:

La parola a voi

Alla luce di quanto visto fino a questo momento, vi mostriamo adesso un paio di immagini. Sapreste caratterizzare le antenne?

E con ciò possiamo dire conclusa questa puntata di PCB ART 2, nella quale abbiamo analizzato il principio di funzionamento, il dimensionamento, le varie possibilità realizzative ma anche le caratteristiche funzionali dei tag RFID. Tutti gli aspetti salienti sono stati affrontati ma, come sempre, per qualunque dubbio o domanda siamo a vostra disposizione nei commenti.
Alla prossima.

2 Commenti

  1. Giorgio B. Giorgio B. 30 settembre 2014
  2. turista_diy turista_diy 5 gennaio 2015

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