Princípios Físicos

Os princípios fundamentais para a existência de RFID foram descobertos pelo célebre físico inglês Michael Faraday, quando descobriu no século XIX a indução mútua de correntes elétricas por campos magnéticos e a indução mútuas entre espiras; elementos de suma importância para a alimentação de dispositivos RFID passivos.

Outros passos importantes foram dados com o aperfeiçoamento da tecnologia de rádio e a invenção do radar. Os rádios de Galena eram muitos populares nos primórdios da radiodifusão, quando a maior parte das casas não possuía energia, exatamente por usarem a energia das próprias ondas de rádio para funcionar; princípio este que viria a ser usado anos mais tarde nos dispositivos RFID passivos e semi­passivos. Os radares, inventados na Segunda Grande Guerra, serviram tanto para derrotar a Luftwaffe quanto para formar toda a base de comunicação por retrodispersão.

Sabendo que todos os objetos refletem ondas de rádio, seria muito interessante se um aparelho pudesse emitir um determinado sinal e receber outro diferente como resposta; e é exatamente nessa ideia que se baseia a Identificação por Rádio Frequência. Um dispositivo emite um determinado sinal que é modificado pelas etiquetas (tags) RFID e refletido, “respondendo” ao sinal enviado.

E como essa modificação é feita? Isto varia para cada classe de etiquetas RFID; sendo que as referidas classes são:

Classe 1: Etiquetas RFID passivas.

Classe 2: Etiqueta de Classe 1 com mais memória e/ou capacidade de responder a protocolos adicionais.

Classe 3: Etiquetas semi­ativas, que possuem fontes de energia internas, mas não a usam para modificar as ondas de rádio incidentes.

Classe 4: Etiquetas ativas, que possuem uma fonte de energia para todas as suas funções.

Para as classes 1, 2 e 3 os princípios são praticamente os mesmo, assim sendo, o enfoque desta sessão será no funcionamento destas 3.

Ondas de radar são refletidas por todos os objetos; e ainda transportam energia em si, o que torna possível a comunicação por retrodispersão em dispositivos passivos. Estes dispositivos possuem uma antena, que serve para 2 propósitos; obter energia das ondas e comunicar­se com os leitore

A energia que pode ser obtida varia de acordo com inúmeros fatores, como a distância entre o leitor e a etiqueta, a potência do leitor, e a eficiência da própria etiqueta. Sua quantidade veria de acordo com o casamento da impedância entre a antena e o circuito da etiqueta. O máximo de energia é obtido quando as partes imaginárias da impedância do circuito e da antena cancelam­-se por completo, restando apenas uma simples resistência real.

Contudo, quando o casamento não é perfeito, há resíduos complexos, que consistem em indutâncias ou capacitâncias parasíticas, que diminuem a energia recebida. Isto é ao mesmo tempo um problema e uma solução. Se a distância da fonte dentro da qual a etiqueta funciona é reduzida por este fenômeno, a variação intencional das impedâncias através de switches, capacitores e indutores no circuito é o que torna possível modular a quantidade de energia refletida, permitindo assim a "transmissão" de uma resposta por parte etiqueta.

Para melhor entendermos e quantificarmos a quantidade de energia transmitida e absorvida, precisamos entender a equação de Friis (Equação 4.1)

A Equação de Friis nos dá a energia recebida PR por qualquer antena, e não apenas etiquetas RFID, em função da Potência PT da antena Transmissora, dos ganhos GT e GR das antenas, que por sua vez dependem de suas orientações (dadas geralmente em coordenadas polares φ e θ); dos coeficiente de reflexão, o quais serão explicados mais à frente, devido à sua importância especial; e a polarização das ondas eletromagneticas transmitidas, que também depende do tipo de antena; tópico do qual mais falar-se-á posteriormente.

Para que a etiqueta possa funcionar, diversos fatores devem casar. A distância entre o leitor e a etiqueta r deve ser suficiente para que a intensidade PT/4πr² não seja pequena demais, conforme o que se pode ver numa representação do espalhamento isotrópico do sinal (Figura 4.1); ou a etiqueta simplesmente não terá energia suficienta para funcionar.

Vale notar que, para muitas das Tecnologias de Identificação por Rádio Frequência, um caso mais preciso do comportamento da Intensidade do Sinal é o exposto na Figura 4.2, logo abaixo:

Além da distância r, temos que levar em consideração a orientação das antenas, já que o caso exposto na Figura 4.2 é o mais frequente. Os ganhos dependem da orientação relativa entre as antenas do receptor e do transmissor, sendo que o máximo é obtido quando os vetores normais dos planos associados às antenas são coincidentes. É preciso levar em conta ainda a questão da polarização (os termos p^T e p^R da equação) das OEM (Ondas Eletromagnéticas) envolvidas, contudo, como este assunto é mais complexo, será tratado posteriormente.

É preciso ainda considerar as reflexões ΓR e ΓT, que são basicamente o princípio de funcinamento das etiquetas, conforme exposto anteriormente. Para melhor entendermos o funcionamento da tecnologia é imperativo compreender como a reflexão funciona.

A maior parte dos corpos reflete OEMs, e assim não é diferente com os materiais dos quais são feitas as etiquetas RFID; contudo, refletir não é apenas suficiente, conforme já exposto acima; é necessário modificar o sinal refletido. Por sorte, a reflexão depende da natureza da antena e do circuito (Figura 4.3), especificamente de suas impedâncias; que podem ser variada. A questão da alteração da OEM enviada torna-se mais complicada pelo fato de que, conforme as impedâncias são alteradas, a energia recebida também o é, já que o fator ΓR influencia o resultado final da Equação de Friis; principalmente para etiquetas que trabalham distantes dos leitores em Frequências Ultra-Altas.

Sabendo que a velocidade de propagação de uma OEM no é c (cerca de 3×10⁸ m/s² no ar), e que a relação λ=c/f nos dá o comprimento de onda para uma certa frequência (cujas faixas são devidamente regulamentadas, assim como a potência transmitida); como por exemplo, 915 Mhz. Assim, λ é cerca de 3,2767×10⁻¹ m. Com um ganho GR(θT,φT), teremos um padrão similar ao da Figura 2, devido à concentração da energia em certa área. Tal fato não ocorreria caso a distribuição fosse isotrópica; o que acaba por criar uma distância e orientação ideais para cada padrão e norma; sendo a mais comum: θT=0, φT=0 e r = 0,7.

Quanto ao ganho da etiqueta, este varia de acordo com a geometria da antena da mesma. O trabalho perderia o foco acaso todas as possibilidades fossem analisadas; assim que apenas a arquitetura mais comum, a de um dipolo, que consiste em dois fios colineares de ponta a ponta com uma pequena separação entre eles, apesar de que geralmente trata-se do mesmo fio enrolado. O padrão da radiação emitida/refletida por tal disposição da antena pode ser bem visto na Figura 4.4, considerando os fios do dipolo orientados ao longo do eixo y.

Tendo em mente o fato da antena funcionar como uma espira para estes casos, podemos perceber, pela Lei de Lenz, que as orientaçõe mais favorável e desfavorável, respectivamente, são as figuras 4.5 e 4.6. O fato de que a área da antena não varia não importa, pois o campo magnético varia conforme o tempo (vide figura 4.7), induzindo uma corrente através da antena e energizando o chip da etiqueta.

Polarização

Quanto à Polarização da Onda de Rádio Emitida, é preciso entender a composição de uma OEM para viabilizar o entendimento das informações seguintes. Uma OEM é composta por duas componentes perpendiculares entre si e oscilantes de acordo com uma função senoidal; porém, com uma diferença de fase de π/2. Ambas as componentes deslocam-se na mesma direção e sentido, sendo este o sentido de propagação da onda em si.

Se para a luz passamos por um polaróide, um conjunto de moléculas alongadas que absorve parte das componentes que estão com elas alinhadas; para ondas de rádio é mais prático modificar o formato/disposição da antena, pois assim o ângulo com relação à horizontal das componentes será definido na emissão. Para um par antenas planas como as da Figura 4.7 abaixo, teremos uma OEM linearmente polarizada, o que bem pode-se ver pelo campo elétrico.

A Polarização Linear é extremamente interessante para aplicações em que se possa garantir a orientação da antena das etiquetas RFID, como processos industriais de extrema precisão, pois tem um longo alcance em comparação com as demais formas de polarização.

Contudo, essa maneira é extremamente ineficiente caso não seja possível garantir que as etiquetas estão corretamente alinhadas, pois é possível que muitas, ou mesmo todas, as etiquetas não consigam absorver a energia necessária para funcionar, apenas devido à orientação. Para tal, a fim de garanti que tal coisa não ocorra, muitos leitores emitem os sinais com polarização circular, pois este garante que alguma energia do sinal original será passada às etiquetas, ao custo de alcance.

Para conseguir tal polarização, a antena torna-se um pouco mais complexa, pois é muitas vezes circular, é plana, é separada em suas partes, cada qual com uma alimentação diferente. A alimentação é o segredo, já que esta gera uma diferença de fase de π/2, criando um sinal cicularmente polarizado (Figura 4.8).

[6]: Figuras retiradas ou modificadas do item 6 da Bibliografia

Sumário