Tài liệu Nghiên cứu thiết kế anten rfid thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH SÁCH BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH SÁCH HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. ANTEN RFID 1.1 7 Công nghệ RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.1 Hệ thống RFID trường gần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.2 Hệ thống RFID trường xa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Thẻ RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Các tham số chính của anten thẻ RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Trở kháng đầu vào của anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Băng thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3 Hệ số định hướng của anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.4 Hệ số tăng ích của anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.5 Hiệu suất bức xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.6 Phân cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.7 Khoảng đọc của anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Các loại vật liệu đế điện môi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.1 Vật liệu truyền thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.1.1 Các loại vật liệu polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.1.2 Bìa các tông và giấy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.1.3 Gỗ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1.4 Ván ép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1.5 Gốm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Vật liệu tiên tiến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.2.1 Vải cách điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.2.2 Siêu vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Phối hợp trở kháng giữa anten và chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5.1 21 1.4 1.4.2 1.5 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm . . . . . . iii 1.6 1.7 1.8 1.5.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng mạng chữ T . . . . . . . . . . 25 1.5.3 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng khe lồng nhau . . . . . . . . 26 Các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten thẻ RFID . . . . . . . . . . . . . . 27 1.6.1 Kỹ thuật uốn gấp khúc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.6.2 Kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten PIFA . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.6.3 Kỹ thuật dùng tải thuần kháng dung . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten thẻ RFID . 31 1.7.1 Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.7.2 Phương pháp sử dụng tấm patch ký sinh . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.7.3 Phương pháp sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ . . . . . . . . . . . 32 1.7.4 Phương pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo . . . 33 Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Chương 2. THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID TÍCH HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 36 DỆT 2.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 Anten có thể tích hợp được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3 Vật liệu đế điện môi của anten có thể tích hợp được . . . . . . . . . . . . . 36 2.4 Các kỹ thuật chế tạo anten có thể tích hợp được . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4.1 Anten có thể tích hợp được dạng cứng . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.2 Anten có thể tích hợp được dạng mềm dẻo . . . . . . . . . . . . . . 38 2.5 Các bước thiết kế anten thẻ RFID có thể tích hợp được . . . . . . . . . . . 39 2.6 Cấu trúc và đặc tính của anten thẻ RFID có thể tích hợp được đề xuất . . . . 39 2.6.1 Lựa chọn vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6.2 Tính toán các tham số kích thước của anten . . . . . . . . . . . . . 40 2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.6.4 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6.5 Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu đến đặc tính của anten . . . . . . . 45 2.6.5.1 Độ dày của đế vải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6.5.2 Hệ số điện môi của đế vải . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6.5.3 Đường kính sợi dây đồng . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Thực nghiệm và đo đạc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6.6 2.7 Chương 3. THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID HAI BĂNG TẦN, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO SỬ DỤNG BỀ MẶT DẪN TỪ NHÂN TẠO iv 52 3.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2 Thiết kế anten lưỡng cực đơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Cấu trúc AMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc AMC . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2 Thiết kế cấu trúc AMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3.2.1 Cấu trúc AMC hình vuông . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3.2.2 Cấu trúc AMC một khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3.2.3 Cấu trúc ba khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Khảo sát đặc tính của cấu trúc AMC ba khe . . . . . . . . . . . . . 67 Cấu trúc và các đặc tính của anten đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.1 Cấu trúc của anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.2 Khảo sát đặc tính của bề mặt dẫn từ nhân tạo . . . . . . . . . . . . 73 3.4.3 Khảo sát đặc tính của mạng phối hợp trở kháng chữ T . . . . . . . . 75 3.4.4 Cơ chế hoạt động hai băng tần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.6 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . . . . . . . . . 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3.3 3.4 KẾT LUẬN CHUNG v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo ASK Amplitude Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch biên độ CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính DC Direct Current Dòng điện một chiều DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Modulation Điều chế dịch chuyển theo tần số IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp MLA Meander Line Antenna Anten uốn gấp khúc PDMS Polydimethylsiloxane Polydimethylsiloxane PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten PIFA PSK Phase Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch pha RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao PEC Perfect Electrical Conductor Vật liệu dẫn điện hoàn hảo PRS Partially Reflective Surface Bề mặt phản xạ một phần vi DANH SÁCH BẢNG 1.1 Các quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vực trên thế giới . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Các thông số của anten sử dụng mặt phản xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3 Các thông số của anten sử dụng cấu trúc EBG . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1 Bảng các tham số đặc tính của các loại đế điện môi cho anten có thể tích hợp 37 2.2 Bảng các tham số kích thước của anten dệt đề xuất (mm) . . . . . . . . . . 43 2.3 So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số anten đã công bố . 51 3.1 Bảng các tham số kích thước của anten lưỡng cực (mm) . . . . . . . . . . . 53 3.2 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC hình vuông (mm) . . . 61 3.3 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC một khe (mm) . . . . . 64 3.4 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC ba khe (mm) . . . . . . 66 3.5 Bảng các tham số kích thước của anten đề xuất (mm) . . . . . . . . . . . . 71 3.6 Bảng các giá trị khoảng đọc tối đa đo được (m) . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.7 So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số anten đã công bố . 86 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Hệ thống RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip . . . . . . . . . . 9 1.3 Thẻ RFID Avery Dennison AD-301R6-P bằng giấy . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 Thẻ RFID UHF0055 bằng gốm 15 1.5 Gradient của bước nhảy pha giao thoa dφ/dr tạo ra vec tơ sóng trên bề mặt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . có thể bẻ cong ánh sáng truyền và phản xạ theo các hướng tùy ý . . . . . . 1.6 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng vòng ghép hỗ cảm: (a) Cấu trúc anten, (b) Mô hình mạch điện tương đương [1] . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 18 22 (a) Mô hình mạch điện tương đương của vòng tiếp điện, (b) Mô hình tự cảm LL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.8 Mô hình tính độ tự cảm tương hỗ của hai dây dẫn song song . . . . . . . . 24 1.9 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng chữ T: (a) Cấu trúc anten, (b) Mô hình mạch điện tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.10 Anten lưỡng cực với mạng phối hợp trở kháng khe lồng nhau: (a) Hình chiều đứng của anten, (b) Hình chiếu bằng của anten (c) Mô hình mạch điện tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.11 Cấu trúc anten lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc . . . . . . . . . . 28 1.12 Một số cấu trúc anten thẻ RFID lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc để giảm nhỏ kích thước anten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.13 Anten PIFA có tấm phát xạ hình vuông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.14 Anten lưỡng cực với tải thuần dung kháng mắc ở đầu cuối . . . . . . . . . . 30 1.15 Anten sử dụng mặt phẳng phản xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.16 Cấu trúc thiết kế của anten sử dụng tấm patch ký sinh . . . . . . . . . . . . 32 1.17 Cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.18 Mô hình mạch cộng hưởng LC của cấu trúc EBG . . . . . . . . . . . . . . 33 1.19 Anten sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm . . . . . . . . . 33 1.20 Mặt trước và mặt sau của anten có cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo . 34 1.21 Đồ thị phương hướng bức xạ củ anten truyền thống và anten có cấu trúc DGS có cùng kích thước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1 Anten có thể tích hợp được sử dụng băng đồng gắn lên đế vải . . . . . . . . 38 2.2 Các bước thiết kế anten thẻ RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 viii 2.3 Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực vi dải: (a) Hình chiếu bằng, (b) Hình chiếu đứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 41 Cấu trúc hình học của anten dệt được đề xuất: (a) Mặt trước của anten, (b) Mặt sau của anten, (c) Hình chiếu đứng của anten . . . . . . . . . . . . . . 42 2.5 Hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6 Hệ số tăng ích của anten dệt đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.7 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten dệt đề xuất: (a) Mặt phẳng E, (b) Mặt phẳng H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Mật độ phân bố dòng điện mặt của anten dệt đề xuất . . . . . . . . . . . . 45 2.9 Đồ thị bức xạ 3D của anten dệt đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.10 Hệ số phản xạ của anten với đế điện môi có độ dày khác nhau . . . . . . . . 46 2.11 Hệ số tăng ích của anten với đế điện môi có độ dày khác nhau . . . . . . . . 46 2.12 Hệ số phản xạ của anten với các loại đế vải khác nhau . . . . . . . . . . . . 47 2.13 Hệ số tăng ích của anten với các loại đế vải khác nhau . . . . . . . . . . . . 47 2.14 Hệ số phản xạ của anten với sợi đồng có đường kính khác nhau . . . . . . . 48 2.15 Hệ số tăng ích của anten với sợi đồng có đường kính khác nhau . . . . . . . 49 2.16 Mẫu anten chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.17 Thí nghiệm đo hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất: (a) Hệ thống đo đạc, (b) Màn hình hiện thị kết quả đo hệ số phản xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.18 Hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực với tải thuần dung kháng mắc ở đầu cuối chưa có mạng phối hợp trở kháng chữ T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2 Mô hình ứng dụng của chip UCODE G2XM . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3 Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực đơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Kết quả mô phỏng trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực đơn . . . . . . . 54 3.5 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten lưỡng cực đơn . . . . . . . . . . 55 3.6 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten lưỡng cực đơn . . . . . . . . . . . . 55 3.7 Đồ thị bức xạ ba chiều của anten lưỡng cực đơn . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8 Cấu trúc anten sử dụng mặt phản xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.9 Khoang cộng hưởng giữa mặt phẳng đất và bề mặt PRS . . . . . . . . . . . 58 3.10 Một số cấu trúc AMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.11 Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo: (a) Cấu trúc hình học, (b) Sơ đồ mạch điện tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.12 Vùng điện trường giữa hai phần tử cấu trúc AMC tạo ra điện dung C0 . . . 61 ix 3.13 Cấu trúc phần tử AMC hình vuông: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.14 Pha phản xạ của cấu trúc phần tử AMC hình vuông . . . . . . . . . . . . . 62 3.15 Cấu trúc phần tử AMC một khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử của bề mặt dẫn từ nhân tạo được đề xuất 63 3.16 Pha phản xạ của cấu trúc AMC một khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.17 Cấu trúc phần tử AMC ba khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử của bề mặt dẫn từ nhân tạo được đề xuất 65 3.18 Pha phản xạ của cấu trúc AMC ba khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.19 Pha phản xạ của ba cấu trúc phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo . . . . . . . . . 66 3.20 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Lb thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.21 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Le thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.22 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Wa thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.23 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Wbs thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.24 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Ha thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.25 Cấu trúc hình học của lưỡng cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.26 Cấu trúc hình học của anten thẻ được đề xuất: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.27 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước g, các tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.28 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Wa , các tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.29 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Ha , các tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.30 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Lm , các tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.31 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Wm , các tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.32 Trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 77 3.33 Hệ số phản xạ của anten lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.34 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten lưỡng cực ở hai tần số 845 MHz và 925 MHz: (a) Lưỡng cực đơn, (b) Lưỡng cực có bề mặt dẫn từ nhân tạo . . . 78 3.35 Kết quả mô phỏng băng thông của anten đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.36 Anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm 2 x 2 phần tử: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.37 Anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm 6 x 6 phần tử: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.38 Trở kháng đầu vào (a) và hệ số phản xạ (b) của anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo có kích thước khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.39 Mẫu anten chế tạo: (a) Mắt cắt đứng, (a) Mặt cắt ngang, (c) Lưỡng cực và chip 84 3.40 Sơ đồ khối hệ thống đo khoảng cách đọc của anten thẻ RFID UHF . . . . . 85 3.41 Giao diện phần mềm Universal Reader Assistant của đầu đọc RFID Thingmagic Me6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.42 So sánh kết quả tính toán và đo đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa của anten thẻ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 86 MỞ ĐẦU 1. Anten RFID sử dụng vật liệu tiên tiến Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông không dây kỹ thuật số trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ đáp ứng các nhu cầu của người dùng trong liên lạc trao đổi thông tin. Thời đại của Internet vạn vật (IoT) đòi hỏi các phương pháp mới cho phép liên lạc giữa các đối tượng khác nhau với chi phí thấp, yêu cầu độ tin cậy và độ bền cao trong các môi trường khác nhau [2]. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến, các thẻ RFID UHF thụ động được sử dụng ngày càng phổ biến trong quá trình nhận dạng [3]. Những thẻ này cho phép nhận dạng không dây các đối tượng một cách nhanh chóng. Ngoài ra, khả năng tích hợp các chức năng cảm biến vào thẻ RFID là một ưu điểm của công nghệ này. Các ứng dụng này đòi hỏi anten cho các hệ thống RFID phải có các đặc tính vượt trội cụ thể như sau: • Anten có độ mềm dẻo và độ bền cao để có thể tích hợp vào nhiều dạng đối tượng trong các ứng dụng truyền thông không dây. • Anten có kích thước nhỏ gọn. • Anten có hệ số tăng ích lớn. Hệ thống RFID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống như các hệ thống điều khiển truy nhập, hậu cần, hệ thống theo dõi giám sát,... Trước đây, các thẻ RFID được chế tạo từ các vật liệu thông thường như composite, giấy, gỗ, sứ,... Ưu điểm của các vật liệu này là giá thành rẻ. Tuy nhiên, với các ứng dụng truyền thông không dây, ví dụ như thẻ đeo gắn trên người, đòi hỏi anten có độ mềm dẻo, có độ bền cao và trọng lượng nhẹ thì các vật liệu này không đáp ứng được. Sự xuất hiện của các cấu trúc vật liệu tiên tiến trong những năm gần đây đã giúp giải quyết những vấn đề này. Đầu tiên phải kể đến cấu trúc anten đeo được. Anten đeo được là một loại anten đặc biệt được thiết kế cho phép có thể gắn trên quần áo hoặc cơ thể người [4]. Cấu trúc này phù hợp với các ứng dụng gắn trên cơ thể người do bức xạ điện từ chủ yếu theo hướng vuông góc với bề mặt anten. Anten có kích thước nhỏ, mỏng, trọng lượng nhẹ, chi phí chế tạo thấp. Thành phần bức xạ và mặt phẳng đất của anten đều được chế tạo từ vật liệu đồng [5]. Các vật liệu dẫn điện (Zelt, Electron và đồng nguyên chất) được sử dụng để chế tạo thành phần bức xạ trong khi các vật liệu không dẫn điện (lụa, nỉ, len, polyeste...) được sử dụng làm đế của anten. Bên cạnh cấu trúc anten đeo được, các cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo cũng rất được quan tâm nghiên cứu. Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo là một dạng của siêu vật liệu. Siêu vật 1 liệu là loại vật liệu nhân tạo được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc "nguyên tử" để có thể tạo ra các vật liệu có tính chất điện từ theo ý muốn. Những tính chất này không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự sắp xếp các cấu trúc này có thể theo một trật tự hoặc hỗn loạn. Ngoài ra các cấu trúc này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động của siêu vật liệu [6]. Tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số điện môi. Nguyên lý cơ bản của siêu vật liệu là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ nhờ những cấu trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên. Nhờ đó, sự truyền sóng điện từ trong các cấu trúc siêu vật liệu cũng có thể tính toán được trước và điều chỉnh theo ý muốn. Về mặt lý thuyết khi thiết kế anten, kích thước của anten phụ thuộc vào tần số hoạt động và hằng số điện môi của vật liệu chế tạo anten. Vật liệu có hằng số điện môi càng lớn thì kích thước của anten càng nhỏ. Đặc tính này là cố định đối với từng loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên. Tuy nhiên, vật liệu có hằng số điện môi lớn có giá thành rất đắt. Vì vậy siêu vật liệu có ưu điểm vượt trội so với vật liệu thông thường nhờ vào khả năng có thể điều chỉnh hằng số điện môi. Các thông số của anten sử dụng siêu vật liệu được cải thiện đáng kể như giảm suy hao phản xạ [7], tăng hiệu suất [8–12], băng thông [13–16], hệ số tăng ích [14, 17, 18], độ định hướng [11, 14, 16, 19]. Ở tài liệu [7], hệ số suy hao phản xạ của anten vi dải hình chữ nhật giảm hơn 5dB từ -12,68 dB xuống -17,72 dB khi có thêm cấu trúc siêu vật liệu dạng chữ E. Anten siêu vật liệu với bộ cộng hưởng vòng kín giới thiệu trong tài liệu [9] hoạt động ở hai dải tần từ 2,15 GHz đến 2,19 GHz và 3,2 GHz đến 5,25 GHz, có kích thước giảm đáng kể so với anten không sử dụng bộ cộng hưởng vòng kín, đồng thời hiệu suất bức xạ của anten lên tới 97%. Tài liệu [19] đã trình bày một cấu trúc anten siêu vật liệu băng rộng có độ định hướng cao sử dụng bề mặt chọn lọc tần số. Anten thu được có độ định hướng 13, 6dBi, băng thông cũng tăng 10% so với anten không có cấu trúc siêu vật liệu. Ngoài ra vấn đề giảm kích thước của anten cũng là một đòi hỏi của hệ thống nhận dạng sóng vô tuyến. Việc ứng dụng siêu vật liệu cũng giúp cải thiện được vấn đề này [12, 14, 18, 20–22]. 2. Những vấn đề còn tồn tại Hệ thống nhận dạng vô tuyến RFID được giới thiệu vào những năm 1980. Tuy nhiên trong vòng hơn mười năm qua mới có nhiều công trình công bố về anten dành cho thẻ RFID và được các nhà nghiên cứu trên thế giới ngày càng quan tâm. Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về anten RFID [23–26]. các nghiên cứu phát triển anten thẻ RFID còn rất hạn chế [27, 28], chủ yếu là các nghiên cứu thiết kế anten cho đầu đọc RFID [29–31]. Anten thẻ RFID dựa trên vật liệu tiên tiến hiện vẫn còn là lĩnh vực chưa được tập trung nghiên cứu phát triển nhiều ở Việt Nam. 2 Trong các ứng dụng phổ biến của công nghệ RFID như hệ thống điều khiển truy nhập, hệ thống hậu cần logistic, hệ thống định vị trong nhà,..., thẻ RFID thường được chế tạo sử dụng các vật liệu truyền thống như polymer, gỗ, giấy, sứ. Ưu điểm của các vật liệu này là giá thành rẻ, dễ dàng chế tạo. Tuy nhiên với các ứng dụng thẻ đeo trên cơ thể người, các vật liệu này chưa phù hợp vì chúng là vật liệu cứng, tạo cảm giác không thoải mái cho người sử dụng. Vì vậy hướng nghiên cứu phát triển anten dệt cho các ứng dụng thẻ đeo đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Anten dệt thường được thiết kế dựa trên các anten truyền thống như bow-tie, lưỡng cực, xoắn ốc [32] và sử dụng đế điện môi bằng vải. Tính chất của vật liệu chế tạo anten góp phần quyết định đến hoạt động của anten, ví dụ độ từ thẩm và độ dày của đế điện môi quyết định chủ yếu đến băng thông của anten trong khi độ dẫn điện của thành phần phát xạ là nhân tố quan trọng quyết định hiệu suất của anten. Anten dệt được đề xuất trong [33] sử dụng đế cao su có độ dày 3,94mm, hằng số điện môi εr = 1, 52 có băng thông rộng, phân cực tròn và độ mềm dẻo cao tuy nhiên hệ số tăng ích của anten chưa lớn. Trong [34, 35], chất liệu nỉ được sử dụng để chế tạo anten có băng thông rộng nhưng hiệu suất bức xạ chưa cao, kích thước anten lớn. Anten hai băng tần giới thiệu trong [36] được chế tạo dựa trên vật liệu PDMS mềm dẻo có kích thước khá nhỏ, băng thông rộng nhưng cấu trúc của anten phức tạp, khó chế tạo. Thêm vào đó, các anten được giới thiệu ở trên chủ yếu đều có cấu trúc hình học dạng anten dipole. Các ứng dụng ngày càng phát triển hiện nay, ngoài các yêu cầu về đặc tính, thẻ RFID khi gắn trên các sản phẩm may mặc còn cần có tính thẩm mỹ. Ví dụ, thẻ có thể cần có cấu trúc hình học dạng chữ hoặc logo của sản phẩm. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế anten dệt có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc dạng chữ hoặc logo là một thách thức cần được nghiên cứu giải quyết. Một vấn đề nữa đặt ra là có rất nhiều ứng dụng của công nghệ RFID đòi hỏi anten có khoảng cách đọc xa, thậm chí từ 10m đến 20m. Ví dụ các ứng dụng trong kho hàng, bến bãi hay cầu cảng,.... Điều này có nghĩa bên cạnh việc đầu đọc RFID phải có công suất lớn thì anten thẻ cũng phải có độ định hướng cao, hệ số tăng ích lớn. Một kỹ thuật đơn giản thường được sử dụng để tăng độ định hướng của anten là sử dụng bề mặt phản xạ. Tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi bề mặt phản xạ phải đặt cách phần tử bức xạ của anten một khoảng λ/4, điều này dẫn đến anten có kích thước rất lớn. Sự ra đời của siêu vật liệu với các đặc tính riêng của nó mà các vật liệu truyền thống không có được đã góp phần giải quyết vấn đề này. Các nghiên cứu thiết kế anten dành cho thẻ RFID sử dụng siêu vật liệu để cải thiện các đặc tính của anten đã thu được một số thành tựu đáng kể. Năm 2014, một cấu trúc anten thẻ thụ động RFID kết hợp sử dụng vật dẫn từ nhân tạo đã được trình bày trong [37, 38]. Nhờ đó đã cải thiện được khoảng cách đọc của anten. Tuy nhiên anten này có nhược điểm là kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và là anten đơn băng tần. Trong công trình [10, 12, 20] đã đưa ra các thiết kế anten sử dụng siêu vật liệu để tăng 3 độ tăng ích, độ định hướng, hiệu suất bức xạ, đồng thời giảm nhỏ kích thước của anten. Tuy nhiên các cấu trúc này được thiết kế dành cho anten đầu đọc của hệ thống RFID. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế anten thẻ RFID sử dụng nguyên lý siêu vật liệu có cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn là một vấn đề cần được nghiên cứu có tính thời sự và thực tiễn. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten đeo được dạng chữ sử dụng cấu trúc dệt dành cho thẻ thụ động RFID. • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao và khoảng cách đọc lớn . Đối tượng nghiên cứu • Anten đeo được cấu trúc dệt dạng chữ dành cho thẻ thụ động RFID. • Anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF. Phạm vi nghiên cứu • Anten dệt sử dụng cấu trúc dệt, anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID. • Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz và dải tần 2,45GHz. 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về lý luận: • Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp để giảm nhỏ kích thước, cải thiện một số tham số cho anten thẻ thụ động RFID UHF với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo. • Các kết quả nghiên cứu của luận án được các công bố có giá trị khoa học, góp phần tạo ra các sản phẩm thương mại trong tương lai. Về thực tiễn: • Các giải pháp giúp tăng độ linh hoạt, độ định hướng và các mô hình anten RFID được thiết kế trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong chế tạo các anten thẻ thụ động RFID. 4 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương. • Chương 1: Anten RFID Tổng quan về công nghệ RFID, cấu trúc và các tham số chính của anten thẻ RFID, kỹ thuật phối hợp trở kháng giữa anten và chip được trình bày trong chương này. Vật liệu đế điện môi được sử dụng để chế tạo anten, một số kỹ thuật để cải thiện hệ số tăng ích và giảm nhỏ kích thước của anten RFID cũng được phân tích chi tiết. Ngoài ra, các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước cũng như kỹ thuật tăng độ định hướng của anten cũng được giới thiệu trong chương này. • Chương 2: Thiết kế anten RFID sử dụng cấu trúc dệt Chương 2 trình bày các kỹ thuật phổ biến trong chế tạo anten đeo được và đế điện môi bằng vải áp dụng trong việc thiết kế anten thẻ RFID UHF có cấu trúc mềm dẻo. Anten bao gồm một lưỡng cực nhỏ gọn được dệt trên đế điện môi bằng vải. Cấu trúc anten có dạng chữ viết tắt Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST). Anten có kích thước tổng thể 45mm × 16mm × 0.254mm(0, 37λ × 0, 13λ × 0, 002λ), băng thông mô phỏng |S11|<-10 dB là 15 MHz (dải tần số 840 MHz - 855 MHz), bức xạ đơn hướng với độ định hướng là 1,63dB. Anten chế tạo được phối hợp trở kháng và kết nối với cáp đồng trục 50Ω, hệ số phản xạ đo đạc |S11|=-17.6dB. Kết quả này chứng minh tính khả thi của việc sử dụng kỹ thuật dệt và đế điện môi bằng vải trong các mô hình anten thẻ RFID. • Chương 3: Thiết kế anten thẻ RFID hai băng tần độ định hướng cao sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo Chương 3 đề xuất giải pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo trong việc thiết kế anten thẻ RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn. Anten bao gồm một lưỡng cực nhỏ gọn, một bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm các miếng kim loại định kỳ 4 × 4 kích thước 34mmx34mm và một mặt phản xạ. Anten lưỡng cực được phối hợp trở kháng với chip UCODE G2XM bởi một mạng phối hợp trở kháng dạng chữ T. Bề mặt dẫn từ nhân tạo được thiết kế để hoạt động như một bề mặt dây dẫn từ tính nhân tạo, cho phép anten có cấu hình thấp và bức xạ đơn hướng. Bề mặt dẫn từ nhân tạo có kích thước hữu hạn tạo ra tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten, kết hợp với tần số cộng hưởng của lưỡng cực cho anten hoạt động băng tần kép. Lưỡng cực và bề mặt dẫn từ nhân tạo được thiết kế ở mặt trên và mặt dưới của đế FR-4 giúp tiết kiệm chi phí và việc chế tạo anten dễ dàng hơn. Anten có kích thước tổng thể 190mm × 190mm × 15.8mm (tương ứng với 0, 55λ × 0, 55λ × 0, 046λ), băng thông mô phỏng |S11|<-10 dB là 15 MHz (dải tần số 840 MHz - 855 MHz) và 16 MHz (dải 5 tần số 916 MHz - 932 MHz), bức xạ đơn hướng với độ định hướng lần lượt là 7,0 dB và 5,8 dB tương ứng với tần số 925 MHz và 845 MHz. Sau khi chế tạo và đo đạc thử nghiệm, anten thu được có khoảng đọc lớn nhất là 6 m và 4,4 m tương ứng với dải tần (902 MHz – 928 MHz) theo chuẩn Bắc Mỹ và (840 MHz – 845 MHz) theo chuẩn Ấn Độ. Các khoảng đọc này phù hợp với tính toán lý thuyết và việc mô phỏng kết quả này đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo trong các mô hình anten thẻ RFID. 6. Những đóng góp chính của luận án Những đóng góp khoa học của luận án bao gồm: • Đề xuất cấu trúc anten dệt dành cho thẻ thụ động RFID dạng chữ HUST có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo. Anten hoạt động ở tần số 2,45GHz, có kích thước 45mm × 16mm × 1, 254mm, băng thông 20 MHz và hệ số tăng ích 2,2 dBi. Kết quả đo đạc hệ số phản xạ của anten chế tạo thử nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng. Cấu trúc anten đề xuất có thể mở rộng ứng dụng cho việc thiết kế anten thẻ RFID thụ động ở các dải tần khác. • Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn. Anten hoạt động ở dải tần UHF có kích thước 190mm × 190mm × 15.8mm, băng thông 15 MHz (840 MHz - 855 MHz) và 16 MHz (916 MHz - 932 MHz), bức xạ đơn hướng với độ định hướng lần lượt là 7,0 dB và 5,8 dB tương ứng với tần số 925 MHz và 845 MHz. Việc sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo không chỉ cải thiện đáng kể độ định hướng của anten mà còn tạo ra tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten. Anten chế tạo thử nghiệm có khoảng đọc lớn nhất là 6, 0m và 4, 4m tương ứng với dải tần 902 MHz – 928 MHz theo chuẩn Bắc Mỹ và 840 MHz – 845 MHz theo chuẩn Ấn Độ. 6 CHƯƠNG 1 ANTEN RFID 1.1 Công nghệ RFID RFID là một công nghệ nhận dạng không dây bằng sóng vô tuyến (Radio Frequency Identification). Hệ thống RFID thiết lập liên lạc tần số vô tuyến giữa hai phần: đầu đọc và thẻ. Hệ thống nhận dạng RFID xác định duy nhất một đối tượng. Ưu điểm của hệ thống RFID là không yêu cầu điều kiện nhìn thẳng như hệ thống mã vạch và có thể nhận dạng nhiều đối tượng tại cùng một thời điểm. Hiện nay công nghệ RFID được ứng dụng rộng rãi ở các thư viện, trong các hệ thống điều khiển truy nhập và các hệ thống hậu cần. Hình 1.1 minh họa một hệ thống RFID cơ bản. Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: đầu đọc, thẻ và máy tính. Thẻ bao gồm đế cùng với anten được chế tạo trên đó và chip gắn trên anten. Thẻ RFID được bảo vệ bởi một lớp nhựa nằm phía trên cùng. Mỗi thẻ có một mã định danh riêng và duy nhất. Đầu đọc gửi và nhận thông tin từ thẻ sau đó gửi đến máy tính. Trong thực tế, các hệ thống RFID được phân thành hai loại: hệ thống RFID trường gần và hệ thống RFID trường xa. Hình 1.1: Hệ thống RFID 7 1.1.1 Hệ thống RFID trường gần Trong hệ thống RFID trường gần, đầu đọc truyền một dòng điện xoay chiều qua cuộn dây tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh anten đầu đọc. Khi thẻ RFID nằm trong vùng từ trường của đầu đọc sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều trên anten của thẻ do hiện tượng cảm ứng điện từ. Kỹ thuật điều chế được sử dụng trong việc truyền thông tin từ thẻ đến đầu đọc. Tín hiệu được giải mã nhờ sự thay đổi của cường độ điện trường. Đầu đọc có thể phát hiện ra sự thay đổi rất nhỏ của dòng điện gây ra bởi sự biến thiên của từ trường. Cảm ứng điện từ là một cách đơn giản để thực hiện các hệ thống RFID. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm lớn là khoảng cách phát hiện ngắn, đặc biệt, khi tần số càng cao thì khoảng cách phát hiện càng nhỏ. Đối với yêu cầu của các ứng dụng hiện nay và trong tương lai, các thuộc tính của các hệ thống RFID trường gần không đáp ứng được. Do đó, các hệ thống RFID trường xa có lẽ là sự lựa chọn cho tương lai trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. 1.1.2 Hệ thống RFID trường xa Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID trường xa dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ của các sóng điện từ [39]. Kỹ thuật tán xạ ngược được sử dụng để truyền dữ liệu [40]. Anten lưỡng cực của đầu đọc sẽ truyền và nhận sóng. Điện trường và từ trường vuông góc với nhau và vuông góc với hướng lan truyền của sóng điện từ. Sóng điện từ, khi được cảm ứng bởi anten thẻ, tạo ra một điện áp xoay chiều trên các cực của anten. IC điều chỉnh điện áp cung cấp dòng điện một chiều (DC) cần thiết từ điện áp xoay chiều. Tín hiệu kích hoạt IC cũng có thể mang theo thông tin mới được ghi vào bộ nhớ của IC. Thẻ điều chế tín hiệu số để truyền thông tin được lưu trữ vào IC [41]. Đầu đọc bắt được sóng truyền từ thẻ và chuyển đổi thông tin nhận được thành mã nhị phân. Dữ liệu nhị phân sẽ được chuyển đến máy tính xử lý. Anten có thể được điều chỉnh theo tần số mong muốn bằng cách điều chỉnh kích thước và hình dạng của nó. Trường hợp anten không phối hợp trở kháng, anten thẻ phản hồi lại một phần năng lượng từ sóng điện từ và đầu đọc có thể phát hiện ra năng lượng này. Lượng năng lượng được tán xạ ngược từ thẻ có thể thay đổi tùy theo trở kháng anten thẻ khác nhau. Trở kháng anten có thể được thay đổi bởi các phần tử tích cực (tranzitor hoặc diode) nằm trong IC, được đặt giữa hai nhánh của anten. Khi tranzitor hoặc diode dẫn điện, nó sẽ ngắn mạch hai nhánh của anten, theo đó trở kháng của anten sẽ thay đổi. Thông tin từ thẻ đến đầu đọc được truyền bằng phương pháp điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM) hoặc điều chế dịch pha (PM), điều chế dịch chuyển theo biên độ (ASK), điều chế dịch chuyển theo tần số (FSK) và điều chế dịch chuyển theo pha (PSK) [41]. Điều chế biên độ là biên độ của tín hiệu truyền từ thẻ đến đầu đọc thay đổi theo mã nhị phân của IC [39]. Điều chế tần số là thay đổi tần số tín hiệu theo mã nhận dạng của IC. 8 1.2 Thẻ RFID Thẻ RFID về cơ bản là một bộ thu và phát tín hiệu vô tuyến. Thẻ bao gồm hai phần, anten và chip (IC). Chức năng chính của anten là thu các trường điện từ bức xạ bởi đầu đọc ở tần số xác định. Năng lượng điện từ nhận được được chuyển đổi thành năng lượng điện và được cung cấp cho mạch tích hợp. Chip gắn trên thẻ có khả năng lưu trữ thông tin, thực thi chuỗi lệnh và trao đổi thông tin với đầu đọc. Anten thẻ hoạt động ở tần số cộng hưởng xác định. Vì vậy, khi đầu đọc truyền tín hiệu RF với tần số xác định, thẻ sẽ nhận tín hiệu và cung cấp cho chip. Sau khi nhận đủ điện áp chip sẽ truyền lại tín hiệu ở cùng tần số đến đầu đọc. Mục đích của việc phối hợp trở kháng anten với tải của nó là để đảm bảo rằng công suất tối đa được truyền từ anten sang chip. Phối hợp trở kháng giữa anten và chip có thể đạt được bằng cách thay đổi kích thước của anten hoặc bằng cách bớt các phần tử thụ động. Hình 1.2 minh họa mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip. Công suất truyền từ anten đến tải hay chip được tính theo công thức sau: Pt = 2[(Rant + Ric Ric V2 + (Xant + Xic )2 ] ant (1.1) )2 Từ phương trình trên có thể thấy rằng công suất tối đa có thể được truyền từ anten đến chip khi Ric = Rant và Xic = −Xant . Trong thực tế, trở kháng chip thường có tính dung kháng, nên trở kháng anten sẽ được thiết kế có tính cảm kháng. Rant Xant Xic V1 Ric M
ch tích hp Anten Hình 1.2: Mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip 1.3 1.3.1 Các tham số chính của anten thẻ RFID Trở kháng đầu vào của anten Đối với thẻ RFID thụ động, trở kháng đầu vào của anten là tham số đầu tiên cần được quan tâm khi thiết kế. Khác với thẻ RFID tích cực, anten thẻ RFID thụ động thực hiện cả hai chức năng truyền tin và truyền năng lượng. Hiệu suất truyền năng lượng của anten được 9 Bảng 1.1: Các quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vực trên thế giới Khu vực Quy định Dải tần Băng thông Công suất tối đa Mỹ FCC 902–928 MHz 26 MHz 4W EIRP Châu Âu EIST 865–868 MHz 3 MHz 2W ERP Nhật MIC 952–954 MHz 2 MHz 4W EIRP Ấn Độ DOT 865–867 MHz 2 MHz 4W EIRP Singapore IDA 923–925 MHz 2 MHz 2W ERP quyết định bởi hai yếu tố: sự phối hợp trở kháng giữa anten - chip và sự biến đổi năng lượng thành dòng điện cung cấp cho mạch điện. Trong phạm vi luận án này, tác giả chỉ nghiên cứu sự phối hợp trở kháng giữa anten và chip. 1.3.2 Băng thông Băng thông của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đầu ra như trở kháng đầu vào, hệ số tăng ích, hiệu suất bức xạ,... Độ rộng băng thông của một anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên một khoảng tần số nào đó. Phần lớn các anten trong thương mại đều sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1,5:1 [42]. Bảng 1.1 minh họa quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vực trên thế giới [43]. 1.3.3 Hệ số định hướng của anten Hệ số định hướng của anten theo một hướng được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho với mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong cả hai trường hợp [42]. D (θ, φ) = S (θ, φ) S0 (1.2) trong đó, S (θ, φ) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (θ, φ) đã cho ở khoảng cách R, S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng. Bằng cách sử dụng anten đẳng hướng, đầu đọc RFID có thể phát hiện được thẻ trong pham vi vài mét với công suất đầu ra 1 watt. Cấu hình này khả thi nếu các thẻ RFID được đặt 10 ở bất kỳ hướng nào đối với đầu đọc. Trong thực tế, anten của đầu đọc được đặt ở rìa và các thẻ được đặt ở vị trí trung tâm, mối quan hệ góc với anten đầu đọc được xác định khá rõ. Vì vậy công suất được bức xạ theo các hướng khác trở nên lãng phí. Anten định hướng thường được đề xuất để hạn chế hiện tượng này. Khi đó, công suất phát bức xạ mạnh hơn theo các hướng mà thẻ có thể được tìm thấy nhiều nhất. 1.3.4 Hệ số tăng ích của anten Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng và cùng khoảng cách với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau và anten chuẩn có hiệu suất quy ước bằng 1. Hệ số tăng ích của anten được tính theo công thức sau [42]: G (θ, φ) = ηA S (θ, φ) = ηA D (θ, φ) S0 (1.3) trong đó ηA là hiệu suất bức xạ của anten được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten. ηA = PP P0 (1.4) Hệ số tăng ích của anten thẻ là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến khoảng đọc của hệ thống RFID. Anten có hệ số tăng ích càng lớn thì phạm vi phát hiện được thẻ của đầu đọc càng xa. Điều này có được là do anten có hệ số tăng ích lớn hơn sẽ nhận được từ đầu đọc năng lượng lớn hơn. 1.3.5 Hiệu suất bức xạ Hiệu suất bức xạ được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten và công suất mà anten nhận được [44]: η= Pr Pin (1.5) Trong đó, Pr là công suất bức xạ từ anten và Pin là công suất mà anten nhận được. Anten có hiệu suất bức xạ cao khi bức xạ phần lớn công suất nhận được. Nếu hầu hết công suất đầu vào của anten được hấp thụ dưới dạng tổn thất trong anten và chỉ một phần trong số đó được truyền đi thì được cho là có hiệu suất bức xạ thấp. Điều này là do công suất bị phản xạ trở lại dẫn đến phối hợp trở kháng kém hoặc công suất bị tổn hao do điện trở của phần tử bức xạ lớn. Anten thẻ RFID thường được gắn với chip có trở kháng phức vì vậy việc phối hợp trở kháng giữa anten và chip sao cho hiệu suất bức xạ đạt được tối đa luôn là vấn đề được quan tâm khi thiết kế và chế tạo. 11