Nghiên cứu và thiết kế anten cho hệ thống rfid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHAN ĐĂNG HUÂN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG RFID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM THÀNH CÔNG HÀ NỘI – 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG HỆ THỐNG RFID Giới thiệu hệ thống RFID .8 Lịch sử phát triển hệ thống RFID Phân loại hệ thống RFID 12 3.1 RFID trường gần 13 3.2 RFID trường xa 13 Các thành phần hệ thống RFID .14 3.1 Thẻ (tag) .15 3.1.1 Dung lượng 16 3.1.2 Tần số hoạt động .16 3.1.3 Khoảng đọc tần số 18 3.1.4 Phân loại thẻ 19 3.1.4.1 Thẻ thụ động 19 3.1.4.2 Thẻ tích cực 23 3.1.4.3 Thẻ bán tích cực .25 3.2 Đầu đọc .29 3.2.1 Giới thiệu chung 29 3.2.2 Thành phần vật lý thành phần logic đầu đọc 30 3.2.2.1 Thành phần vật lý 30 3.2.2.2 Thành phần logic 32 3.2.3 Phân loại 33 II Ưu, nhược điểm ứng dụng hệ thống RFID .35 Ưu điểm hệ thống RFID .35 Nhược điểm 36 Một số ứng dụng RFID .36 3.1 Quản lý nhân chấm công 36 3.2 Quản lý bệnh nhân bệnh viện 37 3.3 Quản lý sản phẩm, hàng hóa 37 CHƯƠNG ANTEN DÙNG TRONG HỆ THỐNG RFID 39 I Nh%ng thông số&khi thi't k'&anten cho hệ&thống RFID 40 Đường Radio 40 EIRP ERP 43 Độ tăng ích anten thẻ .43 Hệ số phối hợp phân cực 44 Hệ số truyền công suất .44 RCS anten 47 Bức xạ anten .47 Các công thức RCS ch' độ anten 48 II Phân tích anten vi )ải )*ng cho hệ&thống RFID 49 +,m hiểu về&anten vi )ải -.c /0&thuật cấp ngu1n cho anten vi )ải .50 2.1 Cấp ngu1n b2ng đường truyền vi )ải 51 2.2 Cấp ngu1n b2ng probe đ1ng trục 51 2.3 Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 52 2.4 Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 53 Băng thông anten vi dải (MSA) 54 Nguyên lý xạ anten vi dải 55 4.1 Trường xạ anten vi dải .57 4.2 Một số công thức 58 4.2.1 Trường xạ .58 4.2.2 Công suất xạ 59 4.2.3 Công suất tiêu tán 60 4.2.4 Năng lượng tích lũy .60 4.2.5 Trở kháng vào .60 4.2.6 Sự phân cực sóng 61 Các mơ hình phân tích anten vi dải 62 5.1 Mơ hình đường truyền (Transmission line) 63 5.1.1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) .63 5.1.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 64 5.1.3 Điện dẫn .65 5.1.4 Trở kháng vào tần số cộng hưởng 67 5.2 Mơ hình hốc cộng hưởng 69 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 72 I Thi't k' 72 Mục đích 72 Yêu cầu .73 Tính tốn 74 II K't mô 78 Các thông số đạt 78 Tăng độ rộng băng thông 83 KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phan Đăng Huân Sinh ngày: 21 -12 -1988 Chuyên ngành: K0 thuật truyền thông Mã số học viên: CB120693 Khóa: 2012 -2013 Tơi xin cam đoan luận văn nghiên cứu vi't Tất tài liệu tham khảo ghi đầy đủ luận văn Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power ERP: Effective Radiated Power FR-4: Flame Resistant HF: High Frequency HFSS: High Frequency Structure Simulator ISM: Industrial Scientific and Medical radio band LF: Low Frequency MWF: Microwave Frequency RCS: Radar Cross Section RFID: Radio Frequency Identification UHF: Ultra High Frequency DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Các mốc thời gian phát triển RFID Hình Nh%ng cột mốc quan trọng phát triển hệ thống RFID từ 1960-1990 Hình Nh%ng mốc quan trọng từ 1990 đ'n Hình Một số thẻ RFID thơng dụng Hình Khoảng tần số RFID Hình Các thơng số liên quan đ'n hệ thống RFID trường xa trường gần Hình Hoạt động thẻ thụ động Hình Các thành phần thẻ thụ động Hình Một số thẻ thụ động Hình 10 Một số thẻ EAS Hình 11 Thủ tục master-slaver gi%a ứng dụng, đầu đọc thẻ Hình 12 Một số loại đầu đọc cố định Hình 13 Các loại đầu đọc cầm tay Hình 14 Các phương pháp xử lý d% liệu Hình 15 Nguyên lý hoạt động đầu đọc thẻ hệ thống RFID thụ động trường xa Hình 16 Cơ ch' hoạt động truyền lượng thông tin hệ thống RFID Hình 17 Cơng suất truyền thẻ RFID mạch tương đương Hình 18 Quan hệ gi%a hệ số truyền công suất tổn hao ngược >,nh 19 Anten vi )ải >,nh 20 Cấp ngu1n cho đường truyền vi )ải >,nh 21 Cấp ngu1n b2ng probe đ1ng trục >,nh 22 Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled >,nh 23 Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled Hình 24 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình ch% nhật Hình 25 H2ng số điện mơi hiệu dụng Hình 26 Chiều dài vật lý chiều dài hiệu dụng patch Hình 27 Patch ch% nhật mạch tương đương Hình 28 Biểu diễn trở kháng vào Hình 29 Phân bố điện tích dịng điện Hình 30 Thẻ qt thơng minh sử dụng cơng nghệ RFID Hình 31 Hình dạng anten thẻ thi't k' Hình 32 Hình dạng anten thẻ thi't k' HFSS phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 33 Hình dạng anten thẻ thi't k' HFSS phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Hình 34 Thơng số S11 anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 35 Đ1 thị Smith anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 36 Đ1 thị tỉ số sóng đứng phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 37 Đ1 thị xạ 3D anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 38 Sự phân bố điện từ trường anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Hình 39 Thông số S11 anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Hình 40 Đ1 thị Smith anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Hình 41 Đ1 thị tỉ số sóng đứng anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Hình 42 Bức xạ 3D anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Hình 43 Hình dạng anten HFSS sau thay đổi kích thước Hình 44 Thông số S11 anten sau thay đổi kích thước Hình 45 Đ1 thị Smith anten sau thay đổi kích thước Hình 46 Bức xạ 3D anten sau thay đổi kích thước Hình 47 Sự phân bố E H mặt phẳng phi =0 90 độ Hình 48 Tỉ số sóng đứng anten sau thay đổi kích thước Hình 49 Mặt trước anten Hình 50 Mặt sau anten Hình 51 Anten gắn cáp nối vào thi't bị đo Hình 52 Thơng số S11 sau đo Hình 53 Đ1 thị Smith hình ZVL Hình 54 Đ1 thị so sánh thông số S11 anten mô đo thực nghiệm CHƯƠNG HỆ THỐNG RFID Giới thiệu hệ thống RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) công nghệ cho phép thi't bị đọc thông tin chứa chip không ti'p xúc trực ti'p khoảng cách xa, không thực giao ti'p vật lý gi%a hai vật khơng nhìn thấy Cơng nghệ cho ta phương pháp truyền, nhận d% liệu từ điểm đ'n điểm khác K0 thuật RFID sử dụng truyền thơng khơng dây dải tần sóng vơ tuy'n để truyền d% liệu từ thẻ (tag) đ'n đầu đọc (reader) Thẻ đính kèm gắn vào đối tượng nhận dạng (bao g1m người) Đầu đọc scan d% liệu thẻ gửi thơng tin đ'n sở d% liệu có lưu tr% d% liệu thẻ Công nghệ RFID cho phép nhận bi't đối tượng thơng qua thu phát sóng giúp cho người giám sát quản lý dễ dàng hơn, mắc lỗi, tốn thời gian giảm thiểu nhân lực quản lý Ví dụ cơng ty việc sử dụng máy tính để quản lý sản phẩm từ xa nhờ việc gắn thẻ lên sản phẩm nhờ họ bi't thông tin chúng (số lượng, ngu1n gốc, đặc điểm, hạn sử dụng ) kiểm kho, không sợ giao nhầm hàng Hoặc siêu thị thay phải x'p hàng chờ tính tiền (b2ng phương pháp code bar hay cịn gọi mã vạch ) cần đẩy xe hàng qua cổng giám sát, thi't bị tự động nhận dạng hàng, nhân viên không cần phải lướt mã vạch sản phẩm qua đầu đọc n%a Đó vài ví dụ số nhiều ứng dụng RFID Dạng đơn giản sử dụng hệ thống RFID bị động làm việc sau Đầu đọc truyền tín hiệu tần số vơ tuy'n điện tử qua anten đ'n chip Đầu đọc nhận thông tin trở lại từ chip gửi đ'n máy tính điều khiển đầu đọc xử lý thông tin lấy từ chip Các chip không ti'p xúc, khơng tích điện, chúng hoạt động b2ng cách sử dụng lượng nhận từ tín hiệu gửi đầu đọc Lịch sử phát triển hệ thống RFID Năm 1897, Guglielmo Marconi phát sóng vơ tuy'n làm tảng cho phát triển RFID Lịch sử RFID đánh dấu từ nh%ng năm 1930 cơng nghệ RFID có ngu1n từ năm 1987 Guglielmo Marconi phát sóng radio RFID áp dụng nguyên tắc vật lý truyền phát radio dạng lượng điện từ truyền nhận dạng d% liệu khác Năm 1937, phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển IFF ứng dụng th' chi'n thứ Vào nh%ng năm 1930 Army Navy gặp phải nh%ng thử thách xác định nh%ng mục tiêu mặt đất, biển bầu trời Vào năm 1937 phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống xác định Friend-or-Foe (IFF) cho phép nh%ng đối tượng thuộc quân ta (friend) ví dụ máy bay Allied phân biệt với máy bay địch (foe) K0 thuật trở nên phổ bi'n hệ thống điều khiển lưu thông hàng không bắt đầu vào cuối thập niên 50 Nh%ng năm 50, nh%ng ứng dụng sóng RF vào việc xác định vật thể suốt thập niên 50 giới hạn chủ y'u quân đội, phòng lab nghiên cứu, doanh nghiệp lớn nh%ng thi't bị có giá cao kích thước lớn Nh%ng thi't bị to lớn c1ng kềnh tiền thân nh%ng hệ thống gọi RFID ngày Cuối nh%ng năm 60 đầu nh%ng năm 70, nhiều công ty đưa nhiều sản phẩm tốt nhờ nh%ng công nghệ tiên ti'n Nh%ng công nghệ giúp nh%ng sản phẩm gọn giá rẻ cơng nghệ tích hợp IC, chip nhớ lập trình được, vi xử lý, nh%ng phần mềm ứng dụng đại ngày nh%ng ngơn ng% lập trình làm cho cơng nghệ RFID có xu hướng chuyển sang lĩnh vực thương mại rộng lớn Hình Các mốc thời gian phát triển RFID Hình 34 Thơng số S11 anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm - Đ1 thị Smith Hình 35 Đ1 thị Smith anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm 79 - Tỉ số sóng đứng Hình 36 Đ1 thị tỉ số sóng đứng phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm Nhìn vào đ1 thị ta thấy giá trị VSWR < - Đ1 thị xạ 3D Hình 37 Đ1 thị xạ 3D anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm 80 Nhìn vào đ1 thị xạ ta thấy độ lợi anten tăng lên Màu đỏ nghĩa phần lượng xạ hướng cực đại có giá trị độ lợi đạt số lần lớn mà anten xạ Cũng qua cho ta thấy hướng xạ anten theo hướng đứng - Sự phân bố E H mặt phẳng phi =0 90 độ Hình 38 Sự phân bố điện từ trường anten phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm 50 Ohm 81 Phối hợp trở kháng b2ng 50 Ohm - Thông số S11 Hình 39 Thơng số S11 anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm S11 < -10dB dải tần từ 2.3828 đ'n 2.4084GHz, Băng thông khoảng 25.6 MHz - Đ1 thị Smith Hình 40 Đ1 thị Smith anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm 82 - Đ1 thị tỉ số sóng đứng Hình 41 Đ1 thị tỉ số sóng đứng anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Ta thấy tỉ số sóng đứng VSWR < - Bức xạ 3D Hình 42 Bức xạ 3D anten phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm Tăng độ rộng băng thông Ta thay đổi chiều dày lớp điện môi từ 1.6 mm lên thành 3.2 mm tính lại k't mi'ng patch ta thông số sau 83 Thông số Giá trị Chiều dài patch L (mm) 38 Chiều rộng pacth W (mm) ≈ 28.7 Y0 (mm) 9.542 Độ rộng feed W0(mm) 6.12 Chiều dài feed L0 28.54 Hình dạng anten vẽ HFSS sau thay đổi thông số 1.6 lên 3.2 mm phối hợp trở kháng b2ng đường truyền 50 Ohm 84 Hình 43 Hình dạng anten HFSS sau thay đổi kích thước - Thơng số S11 tần số cộng hưởng 2.4 GHz Hình 44 Thơng số S11 anten sau thay đổi kích thước Băng thông -10dB rộng từ 2.38GHz - 2.43 GHz khoảng 50 Mhz Như băng thông anten tăng lên - Đ1 thị Smith 85 Hình 45 Đ1 thị Smith anten sau thay đổi kích thước - Đ1 thị xạ 3D Hình 46 Bức xạ 3D anten sau thay đổi kích thước 86 - Sự phân bố E H mặt phẳng phi =0 90 độ Hình 47 Sự phân bố E H mặt phẳng phi =0 90 độ - Tỉ số sóng đứng Hình 48 Tỉ số sóng đứng anten sau thay đổi kích thước 87 III Đo đạc thực nghiệm k't luận - Mặt trước mặt sau anten có độ dày 1.6 mm sau ch' tạo hàn đầu nối Hình 49 Mặt trước anten Hình 50 Mặt sau anten 88 - Ti'n hành đo đạc thơng số anten máy ZVL- Network Analyzer Hình 51 Anten gắn cáp nối vào thi't bị đo - Thơng số S11 anten Hình 52 Thơng số S11 sau đo 89 - Đ1 thị Smith Hình 53 Đ1 thị Smith hình ZVL - So sánh k't thông số S11 mô đo thực nghiệm Hình 54 Đ1 thị so sánh thơng số S11 anten mô đo thực nghiệm 90 Nhận xét - Dựa vào mô thực nghiệm ta thấy thơng số S11 >10 dB có nghĩa công suất vào anten chưa cao, phối hợp trở kháng chưa tốt, băng thơng cịn hẹp 91 KẾT LUẬN Luận văn đề cập số ki'n thức hệ thống RFID, mà đặc biệt cấu trúc anten thẻ hệ thống, phân tích đặc tính, nguyên lý hoạt động anten hệ thống Từ sở lý thuy't, k't hợp với mô phỏng, ch' tạo anten hoạt động dải tần 2.4 GHz ứng dụng cho RFID Tuy đạt nh%ng k't bước đầu bước quan trọng để em ti'p tục nghiên cứu, ch' tạo anten nói chung, anten dùng cho RFID nói riêng ứng dụng vào thực tiễn Việc thực luận văn giúp cho em nắm v%ng ki'n thức k0 thuật anten, tìm hiểu, ti'p cận cơng nghệ RFID phát triển mạnh mẽ Anten thi't k' ch' tạo nh%ng nhược điểm, tương lai em tìm hiểu khắc phục kích thước, hình dạng, băng thơng, phối hợp trở kháng 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ti'ng Việt [1] GS.TSKH Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội [2] GS.TSKH Phan Anh Lý thuy't k0 thuật anten, NXB Khoa học K0 thuật, Hà Nội [3] GS.TSKH Phan Anh Giáo trình Lý thuy't K0 thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuy'n, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN [4] Nguyễn Th' Anh Nghiên cứu, thi't k' mô anten RFID, Luận văn THs Hà Nội, 2005 [5] Phạm Minh Việt K0 thuật siêu cao tần, NXB Khoa học K0 thuật, Hà Nội [6] Thi't bị RFID 2.45GHz hoạt động tầm xa 10m, Công ty THHH TM-DV Xuân Phi Ti'ng Anh [7] Applications & Practice RFID, Online Magazine IEEE Vol.45 No.9 September 2007 [8] RFID Fundamentals, Informations forum 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 K.c.Gupta, Ramesh Garg, Inder Bahl, Parakash Brahtia Micotrip Line and Slotlines, Artech House Boston.London [10] 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 [11] Seok Bae, Yasuhiko Mano A Small Meander VHF & UHFAntenna by Magneto-dielectric Materials, IEEE, APMC2005 Proceedings [12] Và tài lệu, báo, tạp chí khác mạng 93 ... HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG HỆ THỐNG RFID Giới thiệu hệ thống RFID .8 Lịch sử phát triển hệ thống RFID Phân loại hệ thống RFID. .. tác với điện trường .Hệ thống RFID trường gần phương pháp đơn giản để thực hệ thống RFID thụ động Hạn ch' chủ y'u hệ thống RFID trường gần giới hạn khoảng đọc Đối với hệ thống RFID ghép cảm ứng,... 54 Đ1 thị so sánh thông số S11 anten mô đo thực nghiệm CHƯƠNG HỆ THỐNG RFID Giới thiệu hệ thống RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) công nghệ cho phép thi't bị đọc thông tin