(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án i tên đề tài anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Tên đề tài: Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Ngọc Hiền Sinh viên thực hiện: Bùi Thức Hậu 20192830 Nghiêm Tuấn Hùng 20192883 Nguyễn Phúc Hồng Sơn 20193084 A Lê Đức Hải 20192820 Mụ c lụ c Lời cảm ơn Chương I Cơ sở lý thuyết I Hệ thống RFID 1.1 Tổng quan công nghệ RFID 1.1.1 RFID trường gần 1.1.2 RFID trường xa 1.2.Thẻ RFID 1.3.Các tham số thẻ RFID 1.3.1.Băng thông 1.3.2 Hệ số định hướng 1.3.3 Hệ số tăng ích 1.3.4 Hiệu suất xạ 1.3.5 Khoảng đọc anten II Bề mặt siêu vật liệu điện từ (AMC) 2.1.Khái niệm siêu vật liệu 2.2.Các đặc tính siêu vật liệu 2.3.Ứng dụng siêu vật liệu anten Chương II Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ 1.Anten thẻ RFID 2.UHF RFID sử dụng siêu vật liệu B C 2.1 Phần tử đơn siêu vật liệu 13 2.2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu 15 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đoàn Thị Ngọc Hiền trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành môn đồ án thiết kế I Đồng thời, chúng em xin cảm ơn anh Nguyễn Văn Cương hỗ trợ hướng dẫn chúng em suốt trình mơ mơn học Đồng thời, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, anh chị phịng thí nghiệm CRD lab – Viện Điện tử Viễn thông giúp đỡ, cho chúng em mượn hệ thống để hồn thiện phần mơ C Chương I Cơ sở lý thuyết I Hệ thống RFID 1.1 Tổng quan cơng nghệ RFID RFID có tên tiếng anh đầy đủ Radio Frequency Identification Đây cơng nghệ nhận dạng khơng dây sóng vơ tuyến Hệ thống RFID thiết lập liên lạc tần số vô tuyến hai phần: đầu đọc thẻ Nó nhận dạng RFID xác định đối tượng Ưu điểm hệ thống RFID không yêu cầu điều kiện nhìn thẳng hệ thống mã vạch nhận dạng nhiều đối tượng thời điểm Bởi mà công nghệ RFID sử dụng rộng rãi thư viện, hệ thống điều khiển truy nhập hệ thống hậu cần Về cấu tạo, hệ thống RFID bao gồm ba thành phần chính: đầu đọc, thẻ máy tính Trong đó, thẻ bao gồm đế với anten chế tạo gắn chip anten Thẻ RFID thường bảo vệ lơp nhựa Mỗi thẻ có mã định danh riêng Đồng thời, đầu đọc gửi nhận thơng tin từ thẻ sau gửi đến máy tính Trên thực tế, hệ thống RFID phần thành hai loại: hệ thống RFID trường gần hệ thống RFID trường xa 1.1.1 RFID trường gần Trong hệ thống RFID trường gần, đầu đọc truyền dòng điện xoay chiều qua cuộn dây tạo từ trường biến thiên xung quanh anten đầu đọc Khi thẻ RFID nằm vùng từ trường đầu đọc xuất dòng xoay chiều anten thẻ tượng cảm ứng điện từ Kỹ thuật điều chế sử dụng việc truyền thông tin từ thẻ đến đầu đọc Tín hiệu giải mã nhờ thay đổi cường độ dòng điện gây biến thiên từ trường Cảm ứng điện từ cách đơn giản để thực hệ thống RFID Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm lớn khoảng cách phát ngắn, đặc biệt, tần số cao khoảng cách phát nhỏ Đối với yêu cầu ứng dụng tương lai, thuộc tính hệ thống RFID trường gần không đáp ứng Do đó, hệ thống RFID trường xa có lẽ lựa chọn cho tương lai nhiều lĩnh vực ứng dụng 1.1.2 RFID trường xa Với hệ thống RFID trường xa, hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ sóng điện từ Kỹ thuật tán xạ ngược sử dụng để truyền liệu Anten lưỡng cực đầu đọc truyền nhận sóng C Sóng điện từ cảm ứng thẻ anten thẻ, tạo điện áp xoay chiều cực anten Đầu đọc bắt sóng truyền từ thẻ chuyển đổi thông tin nhận thành mã nhị phân Dữ liệu nhị phân chuyển đến máy tính xử lý Anten điều chỉnh theo tần số mong muốn cách điều chỉnh kích thước hình dạng Trường hợp anten không phối hợp trở kháng, anten thẻ phản hồi lại phần lượng từ sóng điện từ đầu đọc phát lượng Lượng lượng tán xạ ngược từ thẻ thay đổi tùy theo trở kháng anten thẻ khác 1.2 Thẻ RFID Thẻ RFID phận thu phát tín hiệu vơ tuyến Thẻ bảo gồm hai phần, anten chip (IC) Chức anten thu trường điện từ xạ đầu đọc tần số xác định Năng lượng điện từ nhận được chuyển đổi thành lượng điện cung cấp cho mạch tích hợp Chip gắn thẻ có khả lưu trữ thơng tin, thực thi chuỗi lệnh trao đổi thông tin với đầu đọc Anten thẻ hoạt động tần số cộng hưởng xác định Vì vậy, đầu đọc truyền tín hiệu RF với tần số xác định, thẻ nhận tín hiệu cung cấp cho chip Sau nhận đủ điện áp chip truyền lại tín hiệu tần số đến đầu đọc Mục đích việc phối hợp trở kháng với tải để đảm bảo công suất tối đa truyền từ anten sang chip Phối hợp trở kháng anten chip đạt cách thay đổi kích thước anten cách bớt phần tử thụ động 1.3 Các tham số thẻ RFID 1.3.1.Băng thông Băng thông anten định nghĩa khoảng tần số mà anten đáp ứng yêu cầu trở kháng đầu vào, hệ số tăng ích, hiệu suất xạ,… Độ rộng băng thông anten thường xác định thơng qua hệ số sóng đứng chó phép khoảng tần số 1.3.2 Hệ số định hướng Hệ số định hướng anten theo hướng định nghĩa tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng khoảng cách ho với mật độ công suất bực xạ khoảng cách giả thiết anten bực xạ vô hướng, với điều kiện công suất xạ giống hai trường hợp Trong đó, S (θ; Φ) mật độ cơng suất xạ anten hướng (θ; Φ) cho khoảng cách R, So mật độ công suất hướng khoảng cách với giả thiết anten xạ đồng theo hướng C 1.3.3 Hệ số tăng ích Hệ số tăng ích anten xác định cách so sánh mật độ công suất xạ anten thực hướng khảo sát mật độ công suất xạ anten chuẩn hướng khoảng cách với giả thiết công suất đặt vào hai anten anten chuẩn có hiệu suất quy ước Hệ số tăng ích anten tính theo cơng thức sau: Trong đó, ηA hiệu suất xạ anten xác định tỷ số công suất xạ công suất đặt vào anten Hệ số tăng ích anten thẻ yếu tố ảnh hưởng đến khoảng đọc hệ thống RFID Anten có hệ số tăng ích lớn phạm vi phát thẻ đầu đọc xa Điều anten có hệ số tăng ích lớn nhận từ đầu đọc lượng xa 1.3.4 Hiệu suất xạ Hiệu suất xạ xác định nghĩa tỉ số công suất xạ từ anten công suất mà anten nhận được: Trong đó, Pr cơng suất xạ tư anten Pin công suất mà anten nhận Anten có hiệu suất xạ cao xạ phần lớn công suất nhận Nếu hầu hết công suất đầu vào anten hấp thụ dạng tổn thất anten phần số truyền cho có hiệu suất xạ thấp Điều công suất bị phản xạ trở lại dẫn đến phối hợp trở kháng công suất bị tổn hao điện trở phần tử xạ lớn Ngoài ra, Anten thẻ RFID thường gắn với chip có trở kháng phức việc phối hợp trở kháng anten chip cho hiệu suất xạ đạt tối đa vấn đề quan tâm thiết kế 1.3.5 Khoảng đọc anten Dựa vào phương trình truyền Friis, khoảng đọc tối đa hệ thống RFID tính theo cơng thức sau: R = max C Trong Rmax khoảng đọc tối đa, Pt công suất phát đầu đọc, λ0 bước sóng khơng gian tự do, Gt độ lợi anten đầu đọc, Gtag độ lợi anten thẻ, ρ hệ số suy hao khác phân cực anten thẻ anten đầu đọc, Ptag công suất yêu cầu tối thiểu thẻ Ngoài ra, khoảng đọc hệ thống RFID phụ thuộc vào số yếu tố khác hướng thẻ góc đọc, vị trí đặt thẻ, độ dài cáp kết nối anten đầu đọc - Hướng thẻ: Đặc điểm quan trọng anten có phân cực tuyến tính Nếu anten phân cực trịn, hướng thẻ khơng nên quan trọng Tuy nhiên, với anten tuyến tính, ta thực xoay thẻ để giải vấn đề Ví dụ, thẻ định hướng từ - mặt đồng hồ đầu đọc khơng đọc thẻ, ta xoay thẻ sang hướng - 12 Giải pháp áp dụng cho trường hợp thẻ có anten lưỡng cực đơn - Góc đọc: Để anten thẻ nhận lượng nhiều từ anten đầu đọc, thẻ RFID phải đối diện trực tiếp với anten - Vị trí đặt thẻ tương đối đầu đọc thẻ phần diện tích hiệu dụng "tiếp xúc" thẻ đầu đọc II Bề mặt siêu vật liệu điện từ (AMC) 2.1 Khái niệm siêu vật liệu Siêu vật liệu loại vật chất nhân tạo chế tạo cách xếp cấu trúc vi mô, gọi "nguyên tử", để tạo tính chất điện từ theo ý muốn Các cấu trúc 16 "nguyên tử" làm từ kim loại điện môi, có kích thước nhỏ từ đến 10 lần so với bước sóng hoạt động siêu vật liệu Sự xếp cấu trúc vi mơ theo trật tự hỗn loạn Tính chất điện từ loại vật liệu đặc trưng hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm số điện môi Nguyên lý siêu vật liệu tạo mạch cộng hưởng điện từ có khả điều khiển riêng biệt hai đại lượng vật lý trên, điều mà làm với vật liệu tự nhiên Thách thức nghiên cứu ứng dụng siêu vật liệu việc chế tạo vi mơ cấu trúc ba chiều Trong đó, siêu vật liệu phẳng dễ dàng chế tạo cơng nghệ có nhiều nhà nghiên cứu siêu vật liệu tập trung vào cấu trúc phẳng lớp vài lớp dễ tiếp cận Các cấu trúc gọi bề mặt dẫn từ nhân tạo Điểm đáng quan tâm lớn tập trung nghiên cứu phản xạ lan truyền sóng bề mặt Các bề mặt dẫn từ nhân tạo làm giảm hiệu ứng lan truyền cách đưa thay đổi đột ngột tính chất quang học 2.2 Các đặc tính siêu vật liệu Tính chất điện tử loại siêu vật liệu đặc trưng đại lượng vật lý độ từ thẩm số điện môi Nguyên lý siêu vật liệu tạo mạch cộng hưởng điện có khả điều khiển riêng biệt hai đại lượng vật lý trên, điều mà làm vật liệu tự nhiên C Hiện nay, thách thức lớn nghiên cứu ứng dụng siêu vật liệu chế tạo vi mô cấu trúc ba chiều Với vật liệu phẳng, dễ dàng chế tạo cơng nghệ có Nhờ đó, nhiều nhà nghiên cứu siêu vật liệu tập trung vào cấu trúc phẳng lớp vài lớp, tiếp cận dễ dàng nhiều Tất cấu trúc gọi bề mặt dẫn từ nhân tạo Các bề mặt dẫn từ nhân tạo làm giảm hiệu ứng lan truyền cách đưa thay đổi đột ngột tính chất quang học Các ảnh hưởng tượng vật lý bao gồm phản xạ, khúc xạ dị thường chuyển đổi phân cực 2.3 Ứng dụng siêu vật liệu anten Hiện nay, siêu vật liệu loại vật liệu sử dụng nhiều thiết kế hệ thống anten có kích thước nhỏ gọn cấu hình thấp, cách đặt AMC (vật liệu dẫn từ nhân tạo) HIS (bề mặt trở kháng cao) xung quanh phần từ xạ anten Ngồi ra, siêu vật liệu cịn sử dụng phần cấu trúc anten phận cấp liệu hệ thống anten Sử dụng siêu vật liệu thiết kế anten dẫn đến việc giảm kích thước anten, cải thiện độ lợi tăng cường băng thơng Nhờ đó, hệ thống anten đa băng tần tạo Ngoài ra, tùy theo yêu cầu kỹ thuật anten mà siêu vật liệu sử dụng làm chức khác anten Chương II Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ Anten thẻ RFID Dựa theo báo, chip RFID Alien H3 sử dụng, mô sử dụng miếng lumped port có trở kháng 27 – j200Ω để thay cho chip Đế sử dụng Rogers RT / 5870 với độ dày 0,79 mm Bảng kích thước anten thẻ sử dụng báo C Hình 1: Hình ảnh mơ anten thẻ - Kết mơ Hình 2: hệ số S(11) anten thẻ C Hình 3: đồ thị xạ (gain total) UHF RFID sử dụng siêu vật liệu 2.1 Phần tử đơn siêu vật liệu Khối vật liệu hiển thị Hình Hình (a) cho biết cấu trúc khối, theo báo, miếng kim loại kết dính bọt có độ dài 1,6 mm Các dải uốn khúc sử dụng, dải uốn khúc làm tăng chiều dài điện Để giảm độ tự cảm mạnh dải uốn khúc, bốn patch hình chữ nhật thêm vào xung quanh, nâng cao điện dung patch dải hình chữ thập Các kích thước sau: L = 40mm, L1 = 10mm, L2 = 6mm, L3 = 3mm, W = 1mm C (a) (b) Hình 4: Cấu trúc đơn vị siêu vật liệu (a) Mô (b) Kích thước Tối ưu tham số giảm L2 từ 6mm xuống 5.78 mm Kết thu sau chạy mơ phần mềm HFSS Hình 5: Đáp ứng pha C Sau thu tần số cộng hưởng 915 MHz Về mặt lý thuyết, siêu vật liệu bao gồm vơ số đơn vị Chín phần tử kết hợp anten thẻ Hình Hình 6: Bố cục siêu vật liệu anten thẻ 2.2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu Từ thiết kế mô phần thẻ RFID siêu vật liệu Đặt thẻ RFID lên siêu vật liệu Khoảng cách dipole siêu vật liệu 10mm (như hình dưới) C Hình 7: mơ anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu Chạy mô thu kết Hình 7: Hệ số S(11) Kết đồ thị S(11), cho thấy tần số cộng hưởng 928 MHz Mặc dù có sai lệch 13 MHz, chúng nằm phạm vi dài tần UHF RFID Kết hệ số gain hình Hình 8: Đồ thị xạ (Gain total) anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu C C ... UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu ? ?i? ??n từ 1 .Anten thẻ RFID 2 .UHF RFID sử dụng siêu vật liệu B C 2.1 Phần tử đơn siêu vật liệu 13 2.2 UHF RFID sử dụng siêu vật. .. đọc anten II Bề mặt siêu vật liệu ? ?i? ??n từ (AMC) 2.1.Kh? ?i niệm siêu vật liệu 2.2.Các đặc tính siêu vật liệu 2.3.Ứng dụng siêu vật liệu anten Chương II Anten thẻ RFID. .. thẻ phần diện tích hiệu dụng "tiếp xúc" thẻ đầu đọc II Bề mặt siêu vật liệu ? ?i? ??n từ (AMC) 2.1 Kh? ?i niệm siêu vật liệu Siêu vật liệu lo? ?i vật chất nhân tạo chế tạo cách xếp cấu trúc vi mô, gọi