Khóa luận Phân tích ANTEN cho thẻ RFID trường xa

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực. Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự động sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency Identification). Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ không dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt. Việc tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ này giúp chúng ta tiếp cận và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đó chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế. Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten, hệ thống RFID và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống này. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, khoá luận đã thực hiện được những nội dung sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten mạch dải - Tìm hiểu hệ thống RFID - Tìm hiểu, phân tích nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của anten dùng cho RFID (trường xa). - Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải cấu trúc zíc zắc dùng cho RFID hoạt động ở dải tần 2.45GHZ TÓM TẮT NỘI DUNG Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, anten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng. Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, hệ thống RFID (Radio Frequency Identification), em đã nghiên cứu và thiết kế được một anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID, hoạt động ở dải tần 2.45GHz. Quá trình mô phỏng có sự trợ giúp của phần mềm Ansoft Designer.

doc75 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 3279 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Phân tích ANTEN cho thẻ RFID trường xa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
đế điện môi h với hằng số điện môi . Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λo), lớp điện môi có độ dày h (0.003λo ≤ h ≤ 0.05λo) và độ dài L trong khoảng λo/3 < L < λo/2. Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi εr từ 2.2 ÷ 12. Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của anten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn hơn. Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích hợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước anten nhỏ hơn, nhưng hiệu suất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn. Trong khi đó, anten mạch dải thường tích hợp với mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp. Hình 11: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên Phân tích anten mạch dải theo phương pháp đường truyền dẫn, một phần tử anten mạch dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với hai khe bức xạ song song có chiều dài mỗi khe là W và dặt cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được xem như một dipole từ. Hình 12: Khe bức xạ Anten mạch dải Các phần tử bức xạ dùng cấu trúc mạch dải thường có nhiều hình dạng khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, dipole, hình tròn, elip, hình tam giác…các dạng này đều dễ chế tạo, có đặc tính bức xạ linh hoạt và độ phân cực chéo thấp. Hình 13: Các dạng anten mạch ải điển hình Mỗi phần tử anten mạch dải có thể sử dụng như một anten độc lập, hoặc chúng có thể kết hợp với nhau thành hệ anten. Phần tử bức xạ của anten mạch dải nằm ở phía trên của tấm kim loại (màn chắn dẫn điện) nên có thể dễ dàng kết hợp các phần tử anten với các mạch tích cực (mạch khuyếch đại, đổi tần…) hoặc các mạch xử lý tín hiệu nằm ở phía sau màn chắn để tạo ra hệ anten tích cực hoặc anten có xử lý tín hiệu. Phần tử anten mạch dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền mạch dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại), hoặc dung cáp đồng trục có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn. Hình vẽ: Đường vi dải Cáp đồng trục Hình 14: Tiếp điện cho anten mạch dải Ngày nay, anten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh cực, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, hàng không, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng, đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in. Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có được sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, độ phân cực, kiểu bức xạ, trở kháng làm việc… Tuy nhiên, nhược điểm của loại anten này là công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một vài phần trăm). Ta có thể nâng hiệu suất bằng cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể tăng 35%. Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của anten. Sóng này có thể loại trừ mà vẫn giữ được dải tần rộng nếu sử dụng phương pháp hốc cộng hưởng. CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG RFID 2.1 Hệ thống RFID. 2.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID): Trong vài năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động ngày càng phát triển và trở nên khá phổ biến trong các ngành như công nghiệp dịch vụ, mua sắm, phân phối, quản lý và được sử dụng tại rất nhiều các cơ quan, nhà máy, bệnh viện và các tổ chức khác. Chúng cung cấp cho chúng ta các thông tin về con người, hàng hoá, động vật trong việc di chuyển. Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID. Mã vạch RFID Thẻ thông minh Quang học Giọng nói Hệ thống nhận dạng tự động Sinh học Vân tay Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động 2.1.1.1 Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode): Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất. Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau. Chúng được xắp xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau của dòng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng. 2.1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học: Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống trong đó nhận dạng con người là chủ yếu. Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi người. Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc. 2.1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh (smart card): Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại có thêm một chip để xử lý thông tin. Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại. Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện. Thẻ được cung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó. Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều. Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần. Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý. Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn. Trong thực tế, chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này. Hình 16: Mô hình công ty ứng dụng RFID 2.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID. Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng bằng thẻ thông minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện trường do đầu đọc phát ra. Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó. Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triển. Hình 16 cho thấy mô hình công ty ứng dụng RFID. 2.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID. Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một đầu đọc (reader), một thẻ (tag) và phần mềm xử lý trung gian. Đầu đọc sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được đó. 2.1.3.1 Tag / thẻ Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát (transponder), được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến vừa có khả năng tự động phát đi trả lời. Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm các thành phần sau: - Mạch giải mã - Bộ nhớ - Nguồn cung cấp - Điều khiển giao tiếp - Anten Thẻ có ba loại: tích cực, bán thụ động và thụ động. Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của đầu đọc. Thẻ là một mạch cộng hưởng có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của đầu đọc. Để nhận năng lượng từ đầu đọc, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần. Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với đầu đọc để có thể nhận được năng lượng từ đầu đọc. Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực. Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn cung cấp bên trong, pin. Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần của anten đầu đọc. Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần. Nó có thể tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn. Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữ liệu. 2.1.3.2 Đầu đọc (Reader) Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là đầu đọc. Nó thực sự là một bộ thu phát (transceiver) nhưng bởi vì chức năng chủ yếu của nó là “đọc thẻ”. Vì vậy nó được gọi là “đầu đọc”. Đầu đọc có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần khác trong đầu đọc như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển giao tiếp. Anten đầu đọc có kích thước rất đa dạng từ vài cm cho tới hàng chục, trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. 2.1.3.3 Middleware Phần mềm Middleware sẽ quản lý đầu và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa đầu đọc và cơ sở dữ liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc. Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả đầu đọc và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng. 2.1.4 Phân loại hệ thống RFID Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, hệ thống RFID có thể được phân loại thành RFID trường gần và RFID trường xa. Còn về phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại hệ thống RFID thành hệ thống RFID thụ động, tích cực và bán tích cực. RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ đầu đọc tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM). Cả hai phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten RF - Trường khu gần và trường khu xa. 2.1.4.1 RFID trường gần Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên cuộn dây anten của thẻ. Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π). Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từ đầu đọc tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường. Hệ thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động. Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten đầu đọc, cường độ trường của thành phần từ trường trực giao với mặt phẳng anten đầu đọc thì rất mạnh, trái lại thành phần cường độ trường song song với mặt phẳng anten đầu đọc thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten đầu đọc, đầu đọc sẽ không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ. 2.1.4.2 RFID trường xa Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ đầu đọc tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Đầu đọc sẽ phát ra năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và đầu đọc sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ. Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng UHF như là 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba như là 2.45GHz hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu đầu đọc đối với tín hiệu phản xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Đầu đọc đang ngày càng được cải tiến độ nhạy sao cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao động từ 3 – 5m. Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn. 2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động mà hệ thống sử dụng. Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt. Do phải đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần được cấp phép (dải ISM). Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải tần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứng dụng RFID. Hình 18: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID Các tần số trong khoảng 30kHz – 400kHz được coi là dải tần thấp (LF). Hệ thống RFID LF hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz. Các hệ thống này thường sử dụng thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp và thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF). Thẻ LF tích cực cũng có mặt trong một số các ứng dụng RFID khác. Băng cao tần (HF) có dải tần từ 3MHz tới 30MHz, và băng 13.56MHz là tần số tiêu biểu được sử dụng trong dải tần này cho ứng dụng RFID. Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động, cũng có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp, và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng. Băng siêu cao tần (UHF) có dải tần từ 300MHz tới 1GHz. Một hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống RFID UHF tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz hoặc 433MHz. Hệ thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc cao. Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. Băng tần vi ba (MWF) có dải tần trên 1GHz. Hệ thống RFID MWF hoạt động tại một trong các tần số 2.45GHz, 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số được sử dụng phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi. Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và reader nhanh nhất trong tất cả các hệ thống trên. Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn. Bảng dưới đây sẽ tổng hợp các băng tần được sử dụng cũng như các thông số đi kèm của chúng. Bảng 1: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan Bảng 2: Giới hạn về công suất và tần số trong các hệ thống RFID tại một số các quốc gia khác nhau 2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống RFID. 2.1.6.1 Ưu điểm: - Khả năng xử lý đồng thời: RFID có khả năng xử lý đồng thời nhiều đối tượng cùng một lúc. Trong khi các hệ thống nhận dạng tự động khác xử lý đơn hoặc xử lý theo chuỗi. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ kiểm tra và giảm lượng ách tắc hơn các hệ thống khác. a) xử lý đơn b) xử lý nối tiếp c) xử lý đồng thời Hình 19: Các phương pháp xử lý dữ liệu - Khả năng xử lý không cần nhân công: Trong khi các hệ thống khác đòi hỏi phải có nhân công trực tiếp thao tác để có thể nhận dạng thì hệ thống RFID có thể nhận dạng mà không cần đến sự hỗ trợ của con người. Giảm chi phí nhân công và lỗi nhân công. - Khả năng cập nhật, thay đổi dữ liệu trực tiếp: Hệ thống RFID có khả năng đọc/ghi thông tin trên thẻ một cách dễ dàng. - Các đối tượng cần nhận dạng có thể được kiểm soát trong bất kỳ một điều kiện và không gian giới hạn nào. - Mỗi đối tượng cần nhận dạng trong hệ thống RFID chỉ có một số nhận dạng duy nhất. Cũng như khả năng mã hoá dữ liệu. - Lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn trên tag. Phụ thuộc vào nhà sản xuất, nó có thể chứa từ 64 cho tới 512bit thông tin. - Tuổi thọ cũng như độ bền lâu hơn trong trường hợp thẻ thụ động không cần pin. 2.1.6.2 Nhược điểm: - Giá thành của hệ thống RFID hiện nay vẫn còn cao, chưa thể áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực cần nhận dạng. - Các chuẩn của công nghệ RFID hiện nay vẫn chưa được thống nhất. - Chịu ảnh hưởng của các chất liệu cần nhận dạng như là kim loại và chất lỏng đối với thẻ thụ động. 2.1.7 Ứng dụng và xu hướng phát triển của RFID 2.1.7.1 Ứng dụng: ● Ứng dụng trong quản lý, theo dõi người, vật nuôi: - Chứng minh thư điện tử. - Quản lý nhân sự (công nhân, nhân viên, sinh viên, học sinh…). - Theo dõi gia súc chăn nuôi. ● Ứng dụng trong hệ thống quản lý dữ liệu, thư viện: - Quản lý thư viện, bảo tàng. ● Ứng dụng trong hệ thống quản lý hàng hoá, mua sắm và thanh toán. - Kiểm kê hàng hóa xuất nhập qua cửa khẩu hoặc kho hàng. - Mua hàng hoá trong siêu thị. - Thẻ thanh toán điện tử. ● Ứng dụng trong y tế. - Bệnh án điện tử - Quản lý thuốc… ● Ứng dụng trong hệ thống bảo mật, cảnh báo. - Thẻ ra vào. - Ô tô, xe máy. - Cảnh báo mất đồ vật. ● Ứng dụng trong lĩnh vực bưu điện, hàng không, giao thông vận tải: - Quản lý, theo dõi bưu phẩm, hàng hoá - Trạm thu phí, kiểm soát giao thông… Hình 20: Ứng dụng RFID điển hình 2.1.7.2 Xu hướng phát triển Theo các nhà nghiên cứu, các nhà khoa học máy tính nhận định: công nghệ xác thực bằng tần sóng RFID sớm muộn sẽ trở nên phổ biến và các tổ chức cần chuẩn bị đón nhận nó. RFID được đánh giá là một trong những "công nghệ thần kỳ" bởi nó hứa hẹn kết nối mọi vật dụng hàng ngày thông qua một mạng không dây, và trên lý thuyết, có thể tìm lại những đồ dùng từng được sản xuất. Các nhà khoa học máy tính gọi RFID là "Internet của hàng hóa" bởi bất cứ thứ gì từ lọ dầu gội đầu đến đôi giày thể thao đều sẽ "search" được. Nhưng vấn đề gặp phải hiện nay là công nghệ này cần có chi phí đầu tư cao và cần có những tiêu chuẩn chung để áp dụng phổ biến trong mọi lĩnh vực. Tuy nhiên trong những năm gần đây, sự quan tâm, đầu tư của các công ty, các nhà khoa học, chính phủ các nước đã thúc đẩy công nghệ RFID có những bước phát triển mạnh mẽ, các chuẩn chung của công nghệ này được thiết lập. Chính vì vậy công nghệ RFID hứa hẹn sẽ được ứng dụng đại trà hoá trong tương lai. Ở Việt Nam hiện nay, RFID chưa được biết đến nhiều, song cũng đã có những công ty kinh doanh trong lĩnh vực này; đã có những đơn vị nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới này. Hiện tại, Trung tâm công nghệ cao, thuộc Viện điện tử - tin học - tự động hóa, đang nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ phần mềm cho các hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường. Ngay tại Trung tâm cũng đã ứng dụng công nghệ này với hệ thống phần mềm quản lý ra vào cửa của cán bộ công nhân viên. Xin được trích dẫn lời ông Trần Thanh Hải, Phó vụ trưởng Vụ Thương mại điện tử Bộ Thương mại được đăng trên báo điện tử www.VnExpress.vn : "Đúng là công nghệ RFID còn mới mẻ ở Việt Nam và chưa có chính sách nào hỗ trợ, hướng dẫn về vấn đề này. Trong thời gian tới, Bộ Thương mại sẽ có những nghiên cứu về RFID cụ thể hơn. Việc mời chuyên gia Nhật Bản sang làm việc là một trong những hoạt động đầu tiên của chúng tôi để quảng bá về công nghệ mới này". Hy vọng trong tương lai không xa, công nghệ RFID sẽ được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Hình 21 : Biểu đồ tăng trưởng số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1981 đến tháng 8 năm 2006. Bảng3 : Số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1991 đến tháng 8 năm 2006. So sánh mức tăng trưởng các giai đoạn: - 1991 đến 1995: 102% - 1995 đến 2000: 212% - 2000 đến 2005: 314% Như vậy ta nhận thấy, RFID ngày càng phát triển, với tốc độ ngày càng nhanh. Hình 22: Biểu đồ phân bố số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước tính đến tháng 8 năm 2006. 2.2 Anten trong hệ thống RFID: 2.2.1 Nguyên lý hoạt động Trong các hệ thống RFID trường gần và trường xa, do đặc tính trường điện từ tại mối khu là khác nhau nên cơ chế ghép năng lượng giữa đầu đọc và thẻ là khác nhau. 2.2.1.1 Trường gần Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh. Điện trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi loại anten được sử dụng: Điện trường sẽ tồn tại khi anten dipole được sử dụng; trái lại, với anten vòng nhỏ thì sẽ chỉ có từ trường tồn tại. Sự ghép ứng giữa anten thẻ và đầu đọc có thể nhận được qua giao thoa với từ trường hoặc điện trường. Trong các hệ thống RFID trường gần thì hệ thống ghép cảm ứng được dùng rộng rãi hơn cả so với hệ thống ghép dung ứng. a) Ghép cảm ứng Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây anten đầu đọc sẽ tạo ra một từ trường mạnh cảm ứng vào cuộn anten của thẻ. Khi một phần năng lượng trường tới được hấp thụ vào anten cuộn của thẻ, sẽ tạo ra một điện áp Ui trên anten của thẻ. Điện áp này được chỉnh lưu và làm nguồn nuôi cho microchip trong thẻ. Một tụ CR được mắc song song với anten cuộn của đầu đọc, điện dung được chọn sao cho nó cùng với điện cảm anten cuộn hình thành nên một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số phát đi của đầu đọc. Trên anten của đầu đọc sẽ sinh ra các dòng rất lớn bằng cách thiết lập mạch cộng hưởng song song, có thể dùng để tạo ra từ trường cảm ứng cho hoạt động của thẻ. Hình 23: Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và đầu đọc trong hệ thống RFID ghép cảm ứng. Hiệu suất truyền giữa anten đầu đọc và thẻ tỷ lệ với tần số hoạt động, số vòng dây, diện tích ghép anten, góc của cuộn dây, và khoảng cách giữa hai cuộn dây. b) Ghép dung ứng Trong hệ thống RFID ghép dung ứng, anten sẽ tạo ra và tương tác với điện trường. Trong các hệ thống này, chính phân bố của điện tích chứ không phải dòng điện sẽ quyết định độ lớn của trường và do đó độ lớn ghép ứng (coupling strength). Do độ lớn ghép ứng phụ thuộc vào số lượng các điện tích được gia tốc, nên các hệ thống dựa trên ghép dung ứng sẽ ít được sử dụng hơn nhiều so với các hệ thống ghép cảm ứng. Dipole là một anten thích hợp đối với các hệ thống ghép dung ứng do điện trường sẽ tồn tại thay vì từ trường. Không chỉ các hệ thống ghép cảm ứng mới cần các mạch cộng hưởng để có hệ số ghép lớn nhất mà các hệ thống ghép dung ứng cũng vậy. Do bản thân anten có điện dung của chính nó, điện cảm được ghép vào song song với thẻ và giao tiếp với đầu đọc. Ngoài ra, cũng như các hệ thống ghép cảm ứng, thẻ có thể liên lạc với đọc bằng cách thay đổi trở kháng của nó. c) Điều chế tải Giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc trong cả hai hệ thống RFID ghép cảm ứng và dung ứng đều được thực hiện nhờ thay đổi trở kháng tải của thẻ. Khi thẻ nằm trong khoảng đọc của đầu đọc, nó sẽ nhận được năng lượng phát ra từ anten đầu đọc qua từ trường hoặc điện trường. Kết quả phản hồi từ thẻ trên anten đầu đọc cho thấy sự thay đổi của điện và từ trường. Sự thay đổi này sẽ được đầu đọc nhận biết. Dữ liệu được truyền từ thẻ tới đầu đọc trong khoảng thời gian mà trở kháng tải hoặc dung kháng được bật và tắt bị điều khiển theo dữ liệu. Kiểu truyền dữ liệu này được gọi là điều chế tải. Thẻ thay đổi trở kháng của nó bằng cách bật hoặc tắt trở kháng tải hoặc dung kháng, từ đây đưa ra hai khái niệm điều chế tải điện kháng và điều chế tải dung kháng. Khi điều chế tải điện kháng, trở kháng được tắt hoặc bật trong thời gian tồn tại chuỗi dữ liệu. Tương tự đối với điều chế tải dung kháng. Đầu đọc nhận biết được những sự thay đổi này như một kiểu điều chế kết hợp giữa biên độ và pha. 2.2.1.2 Trường xa Thẻ trong hệ thống RFID trường xa sẽ nhận sóng EM bức xạ từ anten của đầu đọc. Anten thẻ sẽ nhận năng lượng và biến đổi thành một điện áp trên hai cổng của microchip. Một diode sẽ chỉnh lưu điện áp này và đưa tới một tụ điện, tụ này sẽ nạp năng lượng đó nhằm cấp nguồn cho các mạch điện tử trong microchip. Thẻ có thể nằm ở các vị trí ngoài trường khu gần của đầu đọc. Do đó, trong các hệ thống RFID trường xa giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ thường được thực hiện nhờ sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ ngược (backscattering). (Đầu đọc sẽ gửi đi một sóng điện từ tại một tần số nhất định. Sóng này sẽ được thẻ thu nhận, và thẻ sau đó sẽ phát trở lại cho đầu đọc một sóng tại một tần số khác với các thông tin về microchip đã được mã hoá trong các sóng đó). Sự thay đổi của trở kháng tải (của microchip) sẽ gây ra mất phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và tải. Sự mất phối hợp trở kháng sẽ làm biến đổi tín hiệu phản xạ từ thẻ. Nói cách khác, biên độ của sóng phản xạ từ thẻ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tổng của anten thẻ. Bằng cách thay đổi tải của anten thẻ theo thời gian, thẻ có thể phản xạ lại nhiều hoặc ít so với sóng tới như một kiểu mã hoá ID của thẻ. Hình 24: Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường xa 2.2.2 Các loại anten dùng trong hệ thống RFID. Hệ thống RFID bao gồm đầu đọc và thẻ, mỗi thiết bị đều có anten riêng. Đặc điểm của từng thiết bị sẽ quyết định đến chủng loại và kích thước của anten sử dụng. Mặt khác, đối với các ứng dụng khác nhau sẽ có những yêu cầu về mặt tính năng và kích thước khác nhau. Trong khi đó, mỗi loại anten lại có những đặc tính kỹ thuật và vật lý khác nhau. Do vậy, hầu hết các loại anten đều được sử dụng trong hệ thống RFID tùy theo từng ứng dụng cụ thể. Hình 25: Các loại anten dùng trong hệ thống RFID CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ANTEN CHO THẺ RFID TRƯỜNG XA Một thẻ RFID tiêu biểu sẽ bao gồm một anten và một chip vi xử lý. Đặc tính của chip thì đã được quyết định bởi nhà sản xuất chip và người dùng không thể thay đổi được. Nên mấu chốt của vấn đề thiết kế anten cho thẻ đó là tối đa khoảng đọc với một chip vi xử lý cho trước dưới các ràng buộc khác nhau (như là giới hạn về kích thước của anten, cho trước trở kháng của anten, biểu đồ bức xạ, và chi phí…). Thông thường, các yêu cầu đối với anten của hệ RFID với các chip vi xử lý cho trước có thể được tổng hợp lại như sau: - Phối hợp trở kháng tối ưu khi nhận các tín hiệu lớn nhất từ đầu đọc để cấp nguồn cho chip vi xử lý. - Đủ nhỏ để có thể gắn vào bất kỳ đối tượng cần nhận dạng nào. - Không bị ảnh hưởng bởi chất liệu của đối tượng cần nhận dạng nhằm bảo toàn hiệu suất. - Có biểu đồ bức xạ theo yêu cầu (đẳng hướng, định hướng hay hình bán cầu). - Có cấu trúc cơ học chắc chắn; và bền - Chi phí về chất liệu cũng như sản xuất thấp Dưới các điều kiện khác nhau cho các ứng dụng RFID khác nhau, một số các khía cạnh sau đây cần phải xem xét khi thiết kế anten tag cho RFID: - Băng tần: Loại anten sử dụng thì phụ thuộc hoàn toàn vào tần số hoạt động. Trong các ứng dụng RFID LF và HF, các anten cuộn xoắn được sử dụng phổ biến nhất để thu nhận tín hiệu từ đầu đọc bằng cách ghép cảm ứng. Ở các tần số UHF và MWF, các anten dipole, anten khe và các anten mạch dải được sử dụng rộng rãi. - Kích thước: Yêu cầu về kích thước của thẻ phải nhỏ sao cho chúng có thể gắn được vào bất kỳ một đối tượng cần nhận dạng nào (hộp các-tông, thẻ hành lý hàng không, thẻ ID hay nhãn in…). Yêu cầu về kích thước là một trong những thách thức khi thiết kế anten thẻ cho RFID. Kích thước nhỏ thì sẽ giới hạn khả năng ghép cảm ứng của anten vòng đặc biệt tại các tần số LF và HF, và kế cả hiệu suất của anten tại các tần số UHF và MWF cũng thấp. Và như vậy thì đương nhiên khoảng đọc của RFID cũng sẽ giảm đi đáng kể. - Biểu đồ bức xạ: Một số ứng dụng yêu cầu anten tag có những biểu đồ bức xạ xác định như là đẳng hướng, định hướng hay hình bán cầu. - Độ nhạy với đối tượng: Hoạt động của thẻ sẽ bị thay đổi khi nó được gắn trên một đối tượng cần nhận dạng (hộp các-tông) mà trong đó lại chứa các chất liệu gây tổn hao lớn như là chai nhựa chứa nước hoặc dầu hay các thùng kim loại. Do đó anten sẽ phải được điều chỉnh tới hoạt động tối ưu trên từng đối tượng cụ thể hoặc sẽ phải được thiết kế sao cho nó ít bị ảnh hưởng đối với các loại đối tượng kể trên nhất khi nó được đính kèm vào. - Chi phí: Thẻ RFID cần phải có chi phí càng thấp càng tốt đối với các ứng dụng cần nhiều thẻ. Điều này cũng có nghĩa là cấu trúc cũng như chất liệu lựa chọn làm anten sẽ bị hạn chế, kể cả chip vi xử lý. Các chất liệu được sử dụng làm anten là dải dẫn điện và chất điện môi. Chất điện môi bao gồm poliexte dẻo, mềm đối với LF và HF và các đế bo mạch in cứng như là FR4 cho các ứng dụng ở UHF và MWF. - Độ tin cậy: Thẻ RFID phải là một thiết bị tin cậy, có khả năng thích nghi với các điều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, và các tác động khác nhau khi gán nhãn, in và dát mỏng. Trong khoá luận này chỉ tập trung phân tích, thiết kế anten thẻ RFID thụ động trường xa Đối với các hệ thống RFID trường xa, thiết kế anten thẻ đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong toàn bộ hệ thống về cả hiệu suất và độ tin cậy do thẻ RFID thụ động hoạt động dựa vào trường điện từ mà chúng thu nhận được từ các đầu đọc. Hình 26: Nguyên lý hoạt giữa đầu đọc và thẻ trong một hệ thống RFID thụ động trường xa Đầu đọc sẽ phát đi một tín hiệu RF liên tục chứa nguồn dòng xoay chiều và tín hiệu đồng hồ tới thẻ ở tần số sóng mang mà đầu đọc đang sử dụng. Điện áp RF cảm ứng trên anten thẻ được biến đổi thành dòng trực tiếp và cấp nguồn cho vi xử lý. Vi xử lý thường cần khoảng 1.2V từ tín hiệu của đầu đọc. Sau đó vi xử lý sẽ gửi lại thông tin cho đầu đọc bằng cách biến đổi trở kháng đầu vào RF phức. Trở kháng thường được thay đổi giữa hai trạng thái khác nhau (phối hợp và không phối hợp) để điều chế tín hiệu tán xạ trở lại. Khi nhận được tín hiệu điều chế này, đầu đọc sẽ giải mã và nhận thông tin của thẻ. 3.1 Đường Radio Trong hệ thống RFID, khoảng đọc bị giới hạn bởi khoảng cách lớn nhất mà tại đó thẻ vẫn có thể nhận được đủ năng lượng để hoạt động và phản hồi trở lại cho đầu đọc, và khoảng cách lớn nhất mà tại đó đầu đọc vẫn có thể thu được tín hiệu này của thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID thì nhỏ hơn so với cả hai khoảng cách này. Về cơ bản, độ nhạy của đầu đọc là đủ cao, do đó khoảng đọc được xác định bằng khoảng cách từ thẻ tới đầu đọc. Xem xét hệ thống RFID dưới đây: Hình 27: Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống RFID trường xa Hướng cấp nguồn (từ đầu đọc tới thẻ) Trong đó công suất đầu ra của đầu đọc là Preader-tx, độ tăng ích của anten đầu đọc là Greader-ant, khoảng cách giữa anten đầu đọc và anten thẻ là R, độ tăng ích của anten thẻ là Gtag-ant. Theo công thức truyền sóng trong không gian tự do của Friis, công suất nhận được tại anten thẻ sẽ là: Trong đó λ là bước sóng trong không gian tự do tại tần số hoạt động và χ là hệ số phân cực giữa anten đầu đọc và anten thẻ. Nếu hai anten phân cực hoàn toàn giống nhau, thì χ sẽ bằng 1 (0dB). Đối với hầu hết các hệ thống RFID trường xa, anten đầu đọc thường phân cực tròn trong khi anten thẻ lại phân cực tuyến tính, do đó χ sẽ rơi vào khoảng 0.5 (-3dB). Phầncông suất thu được bởi anten thẻ sẽ được đưa tới cấp nguồn cho chip vi xử lý, nó sẽ bằng: Trong đó Ptag-chip là công suất cấp nguồn cho chip, τ là hệ số truyền công suất được quyết định bởi sự phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và chip vi xử lý. Khoảng đọc sẽ lớn nhất đối với đường cấp nguồn radio là khi Ptag-chip bằng với công suất ngưỡng của chip vi xử lý Ptag-threshold, là công suất ngưỡng tối thiểu đủ để cấp nguồn cho vi xử lý hoạt động. Ta có khoảng cách cấp nguồn: để tiện hơn: Trongđó: Hướng tán xạ trở lại (từ thẻ tới đầu đọc) Hướng phản hồi thông tin từ thẻ trở lại đầu đọc này chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn trường tán xạ trở lại của thẻ. Dựa trên một công thức monostatic radar (ra-đa sử dụng chung một anten cho cả thu lẫn phát), lượng công suất điều chế thu được tại đầu đọc sẽ là: Trong đó σ là mặt cắt radar (RCS) của thẻ RFID. Khi công suất thu được bằng với độ nhạy của đầu đọc Preader-threshold, thì khoảng cách lớn nhất của hướng phản hồi sẽ là: Hay Trong đó: Ta thấy rằng khoảng đọc đựơc quyết định bởi công suất đầu ra của đầu đọc Preader-tx, độ tăng ích của anten đầu đọc Greader-ant, độ tăng ích của anten thẻ Gtag-ant, hệ số phân cực χ, hệ số truyền công suất của thẻ τ, RCS của thẻ σ, công suất ngưỡng của chip vi xử lý Ptag-threshold, độ nhạy máy thu của đầu thu Preader-threshold. Hai thông số sau cùng thì đã mặc định đối với đầu đọc và chip vi xử lý. Các thông số còn lại có thể được tối ưu hoá để đạt được khoảng đọc xa hơn. 3.2 EIRP và ERP Như đã đề cập ở mục trên, khoảng đọc lớn nhất tỷ lệ thuận với công suất đầu ra của đầu đọc và độ tăng ích của anten đầu đọc. Công suất đầu ra và độ tăng ích của anten đầu đọc càng cao thì khoảng đọc càng xa. Tuy nhiên, công suất đầu ra luôn bị giới hạn bởi các quy định riêng của từng quốc gia. EIRP là một đại lượng đo công suất bức xạ mà một bộ phát đẳng hướng (G = 1 (0dB)) cần phải phát để tạo ra một công suất bức xạ quy ước tại một điểm thu cũng như tại một thiết bị kiểm tra nào đó: PEIRP = Preader-tx Greader-ant Ngoài EIRP ra, đại lượng ERP cũng được sử dụng khá phổ biến. ERP liên quan đến anten dipole hơn là anten phát đẳng hướng. Nó biểu thị công suất bức xạ mà một anten dipole (G = 1.64 (2.15dB)) sẽ cần để tạo ra một công suất bức xạ yêu cầu tại vị trí của máy thu cũng như tại thiết bị kiểm tra. Có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai đại lượng này. PEIRP = 1.64PERP 3.3 Độ tăng ích của anten thẻ Độ tăng ích của anten thẻ, Gtag-ant, cũng là một thông số quan trọng khác liên quan tới khoảng đọc. Khoảng đọc sẽ lớn nhất theo hướng bức xạ cực đại, hướng bức xạ này bị giới hạn chủ yếu bởi kích thước, biểu đồ bức xạ của anten, và tần số hoạt động. Đối với một anten đẳng hướng kiểu dipole nhỏ, độ tăng ích vào khoảng 0 – 2dBi. Đối với một số anten phát định hướng như là anten dải, độ tăng ích có thể lên tới 6dBi hoặc hơn thế. 3.4 Hệ số phối hợp phân cực Phân cực của anten thẻ phải phù hợp với phân cực của anten đầu đọc nhằm tối đa khoảng đọc, điều này được thể hiện qua hệ số phối hợp phân cực. Đối với các hệ thống RFID trường xa, anten đầu đọc luôn luôn được phân cực tròn bởi vì hướng của thẻ là ngẫu nhiên. Sử dụng một anten thẻ phân cực tuyến tính sẽ có một hệ số mất mát sai phân cực, khoảng 0.5 (- 3dB). Anten thẻ phân cực tròn chỉ được dùng ở một số ứng dụng đặc biệt và tín hiệu có thể tăng lên tới 3dB. 3.5 Hệ số truyền công suất Theo Hình 26, xem xét một anten thẻ với một góc mở hiệu dụng, Ae-max (theo m2), được đặt trong trường của một anten đầu đọc với mật độ công suất S (W/m2). Nó sẽ nhận năng lượng từ sóng tới và truyền năng lượng tới chip vi xử lý với trở kháng tải ZT. Một phần năng lượng nhận được của anten thẻ sẽ được đưa tới microchip, phần còn lại sẽ phản xạ và bức xạ ngược lại bởi anten tới đầu đọc. Lượng công suất được đưa tới microchip có thể được tính định lượng bằng một hệ số gọi là hệ số truyền công suất τ .Gọi công suất mà anten thu được từ sóng tới là Ptag-ant, và công suất được đưa đến microchip là Ptag-chip. Thì: Ptag-ant = S.Ae-max Ptag-chip = τ.Ptag-ant Hệ số truyền công suất, τ, được quyết định bởi sự phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và microchip. Để có được sự phối hợp trở kháng phù hợp giữa anten và microchip là yếu tố cực kỳ quan trọng trong RFID do vấn đề thiết kế và sản xuất IC là rất đắt đỏ. Anten thẻ RFID thường được thiết kế cho một số microchip nhất định có sẵn trên thị trường. Thường tránh bổ sung thêm các phần tử phụ vào thẻ RFID do các vấn đề về chi phí và sản xuất. Để giải quyết vấn đề này, anten thẻ cần phối hợp trở kháng trực tiếp với microchip có trở kháng phức thay đổi theo tần số và công suất đầu vào được cấp cho microchip. Hình dưới là mạch tương đương, ZT = RT + jXT là trở kháng phức của chip và ZA = RA + jXA là trở kháng phức của anten. Trở kháng chip hình thành do các hiệu ứng ký sinh trong quá trình sản xuất chip. Cả hai ZA và ZT đều phụ thuộc vào tần số. Ngoài ra, trở kháng ZT còn thay đổi theo công suất cấp cho chip. Hình 28: Công suất truyền trong thẻ RFID và mạch tương đương của nó: (a) công suất truyền trong cấu trúc thẻ RFID; (b) mạch tương đương Để mô tả quá trình truyền của sóng cấp nguồn, người ta thường dùng đại lượng hệ số phản xạ sóng cấp nguồn (power wave) Γ: Công suất đưa đến chip là: Ptag-chip = (1 - |Γ|2).Ptag-ant Hệ số truyền công suất có thể được biểu diễn bằng: Khi anten được phối hợp tốt với chip, có nghĩa là RT = RA, và XT = -XA thì |Γ| = 0, τ = 1, và công suất truyền tối đa tương ứng sẽ là: Ptag-chip-max = Ptag-ant = S.Ae-max Khi anten bị ngắn mạch, trở kháng của chip RT = 0 và điện kháng của chip XT = -XA, |Γ| sẽ bằng một và τ = 0. Do đó, sẽ không có năng lượng được đưa tới cho chip hoạt động. Lúc này sẽ thay thế hệ số truyền công suất τ, bằng một đại lượng thông dụng hơn, đó là tổn hao trả về (return loss (RL)), nhằm để miêu tả các đặc tính phối hợp trở kháng. Tổn hao trả về được định nghĩa như sau: RL(dB)= -20log10(|Γ|) Có thể dễ dàng lấy được kết quả RL từ các đo đạc hoặc từ các chương trình mô phỏng. Với đại lượng này, hệ số phản xạ tương ứng và hệ số truyền công suất sẽ dễ dàng tính được. Hình 29: Quan hệ giữa hệ số truyền công suất với tổn hao trả về Bảng 4 Hệ số phản xạ và hệ số truyền công suất là một hàm của tổn hao trả về 3.6 RCS của anten RCS là phép đo lượng công suất sẽ tán xạ theo một hướng cho trước khi một đối tượng được kích thích bởi một sóng tới. Trong trường hợp này, RCS của anten thẻ là lượng công suất tán xạ theo hướng từ thẻ về đầu đọc khi thẻ được kích thích bởi sóng tới từ đầu đọc. IEEE định nghĩa RCS là 4π lần tỷ số của công suất tán xạ trên một đơn vị góc khối tại một hướng xác định chia cho công suất trên một đơn vị diện tích trong mặt phẳng sóng tới tán xạ từ một hướng xác định. Chính xác hơn, nó là giới hạn của tỷ số đó khi khoảng cách R, từ điểm tán xạ đến điểm mà tại đó công suất tán xạ đo được, tiến tới vô cùng: Trong đó Escat là điện trường tán xạ từ đối tượng (anten thẻ) và Einc là trường tới trên đối tượng (anten thẻ). RCS cũng có thể được cho dưới dạng sau: Trong đó Sscat biểu thị mật độ phân bố công suất tán xạ, Sinc là mật độ công suất tới đối tượng tán xạ, và R là khoảng cách từ đối tượng. Đơn vị của RCS là m2. Tuy nhiên, điều này cũng không liên quan gì tới kích thước vật lý của đối tượng mặc dù nếu đối tượng có kích thước vật lý càng lớn thì có RCS càng lớn. Các giá trị tiêu biểu của RCS thường nằm trong khoảng 10-5m2 đối với các kích thước nhỏ và 10+6m2 đối với kích thước lớn. Do RCS có dải động lớn, cho nên thường sử dụng thang công suất loga với giá trị tham chiếu là σref = 1m2. Tán xạ anten Công suất tán xạ trở lại từ một tải của anten () có thể được chia làm hai phần, phần thứ nhất được gọi là chế độ cấu trúc, do dòng cảm ứng trên anten khi anten xem như đường đay cuối khong phản xạ với trở kháng liên hợp phức. Phần thứ hai được gọi là chế độ anten, do mất phối hợp trở kháng giữa anten và tải. Ở đây chúng ta quan tâm tới chế độ anten để tính RCS. Các công thức RCS đối với chế độ-anten Phần thực của trở kháng anten được chia thành hai phần: trở kháng bức xạ Rr, và trở kháng tổn hao RL. Mật độ công suất nhận được tại anten thẻ khi sóng điện từ phát từ đầu đọc là : Nếu trở kháng tải là liên hiệp phức của trở kháng anten, nghĩa là RT = RL + Rr và XA = -XT ta có : Với là diện tích hiệu dụng của anten thẻ. Công suất bức xạ bởi thẻ RFID theo hướng trực tiếp tới đầu đọc được tính: Với hệ số K: Bảng 5: Hệ số K trong một vài trường hợp điện trở tải của anten khác nhau 0 K 1 0 Bằng lý thuyết kết họp với thực nghiệm, rút ra nhận xét và công thức: - Một cách lý tưởng, RCS chế độ-anten lớn hơn 4 lần (hay 6dB) khi ngắn mạch cộng hưởng (RL = 0 và XT = -XA), tương ứng với trường hợp được phối hợp trở kháng liên hợp. Điều này được sử dụng để truyền dữ liệu từ tag tới reader trong các hệ thống RFID tán xạ trở lại. - Trường hợp anten hở mạch, không có công suất bức xạ. Tuy nhiên khi tỉ số , công suất bức xạ trở lại sẽ lớn hơn trường hợp anten ngắn mạch. Hình 30: Biểu đồ công suất bức xạ trở lại của một anten phối hợp lien hợp phức được chuẩn hoá bởi công suất bức xạ trở lại của một anten tương tự khi ngắn mạch bởi tỉ số giá trị tuyệt đối điện kháng chia cho điện trở anten Một anten thẻ tán xạ nhỏ nhất, RCS được tính: hay 3.7 Tính toán khoảng đọc Khoảng đọc của hệ thống RFID thụ động phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và những thông số sau đây: a. Tần số hoạt động và hiệu suất của cuộn anten b. Hệ số Q của anten và mạch cộng hưởng c. Hướng của anten d. Dòng kích thích e. Độ nhạy của phía thu f. Thuật toán mã hoá (điều chế) và giải mã (giải điều chế) g. Số bit dữ liệu và thuật toán tách sóng (biên dịch) h. Điều kiện của môi trường hoạt động (kim loại, chất lỏng…) Khoảng đọc của hệ 13.56MHz thì tương đối dài hơn so với hệ 125kHz. Vì hiệu suất của anten tăng khi tần số tăng lên. Với một tần số hoạt động cho trước thì các thông số từ a đến c liên quan đến cấu trúc của anten và mạch cộng hưởng. Các điều kiện từ c tới e được xác định bởi cấu trúc mạch của dầu đọc. Điều kiện f là giao thức thông tin của thiết bị, và g liên quan tới chương trình phần mềm để tách lấy dữ liệu. Giả thiết thiết bị hoạt động ở một điều kiện cho trước, khoảng đọc của thiết bị sẽ bị chi phối bởi hiệu suất của cuộn anten. Rõ ràng là khoảng đọc càng dài nếu anten có kích thước càng lớn với một thiết kế phù hợp. Đo khoảng đọc (a) (b) Hình 21: Đo khoảng đọc trong một phòng không có tiếng vọng; (a) Mô hình hệ thống. (b) Mô hình thực Khoảng đọc có thể đo được bằng cách sử dụng một đầu đọc với một anten đã biết EIRP. Để có kết quả chính xác hơn, nên thực hiện đo trong một phòng không có tiếng vọng để tránh các hiệu ứng đa đường. Khoảng cách lớn nhất mà một thẻ có thể liên lạc được với đầu đọc sẽ được ghi lại. CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN Lý thuyết về anten, anten mạch dải, đường truyền vi dải và hệ thống hệ thống RFID trong chương 1,2 ,3 là cơ sở để tiến hành thiết kế anten mạch dải sử dụng cho hệ thống RFID. Khoá luận đã thiết kế thành công anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID hoạt động tại dải tần 2.45GHz. 4.1. Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dùng cho hệ thống RFID. Để mô phỏng và thiết kế, tôi sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) của hãng Ansoft. Lớp điện môi: Sử dụng vật liệu FR-4 Hằng số điện môi Độ dày h = 1.6mm - Cấu trúc, kích thước: (a) (b) Hình 32 : Cấu thúc anten zíc zắc. (a) Mặt trên (b) Mặt dưới L1= 2 mm L2= 2 mm L3= 9.5 mm L4= 4 mm W1= 1 mm W2= 0.5 mm W3 = 35 mm W4= 50 mm Hình 33 : Hình 3-D mô phỏng anten bằng phần mềm Ansoft HFSS Hình 34: Phân bố trường E theo biên độ ở bề mặt anten - Giản đồ bức xạ: Hình 35: Bức xạ 3-D của anten Hình 36: Bức xạ của anten trong mặt phẳng Hình 37: Hệ số khuyếch đại Gain của anten Hình 38 : Thông số tổn hao trả về_return loss của anten Hình 39 : Hệ số sóng đứng và return loss của anten Một số mô hình anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dùng cho hệ thống RFID - Anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 40: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFS Hình 41: Thông số return loss Hình 42: Bức xạ 3-D của anten Hình 43: Hệ số khuyếch đại Gain của anten - Anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 44: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS Hình 45 : Thông số return loss Hình 46: Bức xạ 3-D của anten Hình 47: Hệ số khuyếch đại Gain của anten 4.2 Đo đạc thực nghiệm Ở phần trước chúng ta đã phỏng anten mạch dải cấu trúc zíc zắc bằng phần mềm Ansoft design (HFSS), nó cho ta kết quả tương đối tốt và phù hợp với yêu cầu đã đặt ra. Trong phần này, chúng ta sẽ tiến hành đo bằng thực nghiệm. - Anten mạch in (a) (b) Hình 48: Cấu trúc anten zíc zắc đã thực nghiệm. (a)Mặt trước ; (b) Mặt sau - Giản đồ bức xạ và các thông số: Hình 49: Thông số return loss Hình50 : Độ rộng băng thông Hình 51 : Hệ số sóng đứng và return loss của anten Hình 52: Đồ thị Smith Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm Hình 53: Thông số return loss mô phỏng và thực nghiệm Tính khoảng đọc Giả thiết sử dụng đầu đọc có các thông số sau : f = 2450 MHz, EIRP = 4W (= 33dBm, = 6dBi), = - 65dBm. Cùng với các thông số anten: = 1.64dBi, với giả thiết : = - 3dB, -8 dBm. - Trường hợp anten và chip được phối hợp trở kháng (trở kháng tải là liên hiệp phức của trở kháng anten) : = 0dB, = -13.372dBsm. Sử dụng công thức ở chương 3 ta có : 2m 11.5m - Trường hợp anten ngắn mạch cộng hưởng (RL = 0 và XT = -XA) 2m 16.3m Kết quả cho thấy ngắn hơn nhiều , khoảng đọc của hệ thống xác định bởi khoảng cách nhỏ hơn. Hệ thống có sự khác biệt lớn giữa hai khoảng cách này là do độ tăng ích và độ nhạy của anten đầu đọc lớn hơn nhiều anten thẻ. 4.3 Nhận xét- đánh giá Dựa trên lý thuyết về anten kết hợp với kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính ; để đạt được giá trị tần số phối hợp trở kháng mong muốn của anten, đầu tiên tăng số đường gấp khúc, chiều dài chiều rộng của anten sau đó giảm dần cho đến khi đạt được giá trị mong muốn. Trong chương 4, từ việc mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS, em chế tạo thành công anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động ở dải tần 2.45Ghz ứng dụng cho RFID. Thực nghiệm cho biết một số thông số của anten : thông số tổn hao trả về, trở kháng của anten, hệ số sóng đứng… Việc so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho chúng ta một số nhận xét- đánh giá : Về cơ bản, việc mô phỏng và thực nghiệm là cho kết quả tương đối phù hợp, điều này cho thấy phần mềm Ansoft HFSS là phần mềm mô phỏng thiết kế anten đáng tin cậy. Tuy nhiên kết quả mô phỏng và thực nghiệm vẫn có những sai số nhất định. So sánh thông số return loss của anten giữa mô phỏng và thực nghiệm hình 53, chúng ta thấy kết quả tương đối tương đồng, tuy nhiên độ sâu và giá trị của đỉnh cộng hưởng của anten là khác nhau. Quá trình mô phỏng và thực nghiệm tồn tại những sai số là do nhiều nguyên nhân khác nhau : Các thông số về vật liệu như hằng số điện môi, độ dày mạch in, độ dày lớp đồng… ; điều kiện đo đạc, ảnh hưởng môi trường bức xạ…ngay cả phần mềm mô phỏng… Để đạt được kết quả thực nghiệm theo mong muốn, ngoài việc đảm bảo các yêu cầu nói trên chúng ta cần có những vận dụng linh hoạt. Từ kết quả mô phỏng để rút ra những nhận xét chung, từ đó có những điều chỉnh trong thực nghiệm : thay đổi độ dày tấm điện môi ; điều chỉnh chiều dài, chiều rộng của anten để đạt được các thông số mong muốn. Với hai mô hình anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa, và anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa, kết quả mô phỏng là rất tốt (tốt hơn mô hình anten đã chế tạo). Do điều kiện về thời gian cũng như một số hạn chế về điều kiện thực hành nên em chưa thể thực hành. Nhưng với việc thiết kế thành công mô hình đã trình bày ở trên, khẳng định rằng việc thiết kế thành công hai mô hình còn lại, cũng như những mô hình khác là hoàn toàn có cơ sở. Công nghệ RFID đang phát triển mạnh mẽ, ngày càng trở nên phổ biến. Đây là công nghệ đầy hứa hẹn với những ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Việc nghiên cứu, thiết kế anten ứng dụng cho lĩnh vực này là hết sức cần thiết. Anten em thiết kế có thể ứng dụng hoạt động ở dải tần 2.45GHz cho cả hệ thống RFID chủ động và thụ động. Với việc đòi hỏi tính bảo mật ngày càng cao, dải tần 2.45GHz có những ưu thế vượt trội so với dải tần khác của hệ thống RFID, đó là băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao. Chính vì vậy đảm bảo cho việc mã hoá và truyền dữ liệu an toàn, nhanh chóng. KẾT LUẬN Khoá luận đã đề cập một số liến thức cơ bản về anten, đường truyền vi dải và anten mạch dải. Đó là cơ sở để nghiên cứu, thiết kế anten trong khoá luận này. Đồng thời khoá luận cũng đã cung cấp một cái nhìn tổng quan hệ thống RFID, chú trọng phân tích đặc tính, nguyên lý hoạt động của anten (trường xa) trong hệ thống này. Từ cơ sở lý thuyết, kết hợp với mô phỏng; khoá luận đã chế tạo thành công anten hoạt động ở dải tần 2.45GHz, ứng dụng cho RFID. Tuy mới đạt được những kết quả bước đầu nhưng là bước quan trọng để em tiếp tục nghiên cứu, chế tạo anten nói chung, anten dùng cho RFID nói riêng ứng dụng vào thực tiễn. Việc thực hiện khoá luận đã giúp cho em nắm vững hơn các kiến thức về kỹ thuật anten; tìm hiểu, tiếp cận công nghệ RFID đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] GS.TSKH Phan Anh. Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội. [2] GS.TSKH Phan Anh. Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. [3] GS.TSKH Phan Anh. Giáo trình Lý thuyết và Kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN. [4] Nguyễn Thế Anh. Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten RFID, Luận văn THs. Hà Nội, 2005. [5] Phạm Minh Việt. Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Thiết bị RFID 2.45GHz hoạt động tầm xa 10m, Công ty THHH TM-DV Xuân Phi. Tiếng Anh [7] Applications & Practice RFID, Online Magazine IEEE. Vol.45. No.9. September 2007. [8] RFID Fundamentals, Informationsforum RFID, 2006. [9] Hongil Kwon , Bomson Lee. Meander Line RFID Tag at UHF Band Evaluated with Radar Cross Sections, IEEE, APMC2005 Proceedings. Optimisationto Improvethe Efficiencyof Small Meander Line RFID Antennas. [10] K.C.Gupta, Ramesh Garg, Inder Bahl, Parakash Brahtia. Micotrip Line and Slotlines, Artech House Boston.London. [11] Kyeong-Sik Min, Tran Viet Hong, and Duk-Woo Kim. A Design of a Meander Line Antenna using Magneto-Dielectric Material for RFID System, IEEE, APMC2005 Proceedings. [12] Seok Bae, Yasuhiko Mano. A Small Meander VHF & UiFAntennaby Magneto-dielectric Materials, IEEE, APMC2005 Proceedings. Và các tài lệu, bài báo, tạp chí khác trên mạng.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docPhân tích ANTEN cho thẻ RFID trường xa.doc
Luận văn liên quan