Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế anten rfid thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Hà nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đoàn Thị Ngọc Hiền Tập thể hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Khang PGS TS Đào Ngọc Chiến i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Khang đặc biệt PGS.TS Đào Ngọc Chiến trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian hỗ trợ tơi mặt để hồn thành luận án Tác giả chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu quốc tế MICA, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả tập trung nghiên cứu thời gian qua Chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử Viễn thơng, Phịng Đào tạo- Bộ phận Đào tạo sau Đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu, học tập thực luận án Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên đồng nghiệp, thành viên phịng thí nghiệm CRD lab – Viện Điện tử Viễn thông dành cho Đồng thời, tơi xin gửi lời cảm ơn phịng thí nghiệm đo lường, Viện Điện tử - Viễn thông tạo điều kiện giúp đỡ trình đo đạc mơ hình chế tạo thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin dành tất yêu thương lời cảm ơn đến thành viên gia đình, người động viên, giúp đỡ nhiều thời gian vừa qua Đây động lực to lớn giúp tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đoàn Thị Ngọc Hiền ii 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 Chương ANTEN RFID 1.1 Công nghệ RFID 1.1.1 Hệ thống RFID trường gần 1.1.2 Hệ thống RFID trường xa 1.2 Thẻ RFID 1.3 Các tham số anten thẻ RFID 1.3.1 Trở kháng đầu vào anten 1.3.2 Băng thông 10 1.3.3 Hệ số định hướng anten 10 1.3.4 Hệ số tăng ích anten 11 1.3.5 Hiệu suất xạ 11 1.3.6 Phân cực 12 1.3.7 Khoảng đọc 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 tơng 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 anten 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 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 kháng dung 29 Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten thẻ RFID 31 1.7.1 Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ 31 1.7.2 Phương pháp sử dụng 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 khơng hồn hảo 33 Kết luận chương 34 Chương THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID TÍCH HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 36 DỆT 2.1 Giới thiệu chương 36 2.2 Anten tích hợp 36 2.3 Vật liệu đế điện môi anten tích hợp 36 2.4 Các kỹ thuật chế tạo anten tích hợp 37 2.4.1 Anten tích hợp dạng cứng 38 2.4.2 Anten tích hợp dạng mềm dẻo 38 2.5 Các bước thiết kế anten thẻ RFID tích hợp 39 2.6 Cấu trúc đặc tính anten thẻ RFID tích hợp đề xuất 39 2.6.1 Lựa chọn vật liệu 39 2.6.2 Tính tốn tham số kích thước anten 40 2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất 41 2.6.4 Kết mô 43 2.6.5 Đánh giá ảnh hưởng vật liệu đến đặc tính anten 45 2.6.5.1 Độ dày đế vải 45 2.6.5.2 Hệ số điện môi đế vải 47 2.6.5.3 Đường kính sợi dây đồng 48 Thực nghiệm đo đạc 49 Kết luận chương 51 2.6.6 2.7 Chương 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 cấu trúc AMC 56 3.3.2 Thiết kế cấu trúc AMC 59 3.3.2.1 Cấu trúc AMC hình vng 61 3.3.2.2 Cấu trúc AMC khe 63 3.3.2.3 Cấu trúc ba khe 65 Khảo sát đặc tính cấu trúc AMC ba khe 67 Cấu trúc đặc tính anten đề xuất 70 3.4.1 Cấu trúc anten 70 3.4.2 Khảo sát đặc tính bề mặt dẫn từ nhân tạo 73 3.4.3 Khảo sát đặc tính 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 87 88 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 Cơng nghệ mơ máy tính DC Direct Current Dòng điện chiều DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất khơng hồn 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 phần vi DANH SÁCH BẢNG 1.1 Các quy định dải tần băng thông hệ thống RFID UHF số khu vực giới 10 1.2 Các thông số anten sử dụng mặt phản xạ 31 1.3 Các thông số anten sử dụng cấu trúc EBG 33 2.1 Bảng tham số đặc tính loại đế điện mơi cho anten tích hợp 37 2.2 Bảng tham số kích thước anten dệt đề xuất (mm) 43 2.3 So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố 51 3.1 Bảng tham số kích thước anten lưỡng cực (mm) 53 3.2 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC hình vuông (mm) 61 3.3 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC khe (mm) 64 3.4 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC ba khe (mm) 66 3.5 Bảng tham số kích thước anten đề xuất (mm) 71 3.6 Bảng giá trị khoảng đọc tối đa đo (m) 85 3.7 So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố 86 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Hệ thống RFID 1.2 Mơ hình mạch điện phối hợp trở kháng anten chip 1.3 Thẻ RFID Avery Dennison AD-301R6-P giấy 14 1.4 Thẻ RFID UHF0055 gốm 15 1.5 Gradient bước nhảy pha giao thoa dφ/dr tạo vec tơ sóng bề mặt bẻ cong ánh sáng truyền phản xạ theo hướng tùy ý 1.6 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng vòng ghép hỗ cảm: (a) Cấu trúc anten, (b) Mơ hình mạch điện tương đương [1] 1.7 18 22 (a) Mơ hình mạch điện tương đương vịng tiếp điện, (b) Mơ hình tự cảm LL 23 1.8 Mơ hình tính độ tự cảm tương hỗ 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 anten, (b) Hình chiếu anten (c) Mơ 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 phát xạ hình vng 29 1.14 Anten lưỡng cực với tải dung kháng mắc đầu cuối 30 1.15 Anten sử dụng mặt phẳng phản xạ 31 1.16 Cấu trúc thiết kế anten sử dụng patch ký sinh 32 1.17 Cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 32 1.18 Mơ hình mạch cộng hưởng LC cấu trúc EBG 33 1.19 Anten sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 33 1.20 Mặt trước mặt sau anten có cấu trúc mặt phẳng đất khơng hoàn hảo 34 1.21 Đồ thị phương hướng xạ củ anten truyền thống anten có cấu trúc DGS có kích thước 34 2.1 Anten tích hợp 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 anten lưỡng cực vi dải: (a) Hình chiếu bằng, (b) Hình chiếu đứng 2.4 41 Cấu trúc hình học anten dệt đề xuất: (a) Mặt trước anten, (b) Mặt sau anten, (c) Hình chiếu đứng anten 42 2.5 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất 43 2.6 Hệ số tăng ích anten dệt đề xuất 44 2.7 Đồ thị xạ phương hướng anten dệt đề xuất: (a) Mặt phẳng E, (b) Mặt phẳng H 44 2.8 Mật độ phân bố dòng điện mặt anten dệt đề xuất 45 2.9 Đồ thị xạ 3D anten dệt đề xuất 45 2.10 Hệ số phản xạ anten với đế điện môi có độ dày khác 46 2.11 Hệ số tăng ích anten với đế điện mơi có độ dày khác 46 2.12 Hệ số phản xạ anten với loại đế vải khác 47 2.13 Hệ số tăng ích anten với loại đế vải khác 47 2.14 Hệ số phản xạ anten với sợi đồng có đường kính khác 48 2.15 Hệ số tăng ích anten với sợi đồng có đường kính khác 49 2.16 Mẫu anten chế tạo 49 2.17 Thí nghiệm đo hệ số phản xạ anten dệt đề xuất: (a) Hệ thống đo đạc, (b) Màn hình thị kết đo hệ số phản xạ 50 2.18 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất 50 3.1 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực với tải dung kháng mắc đầu cuối chưa có mạng phối hợp trở kháng chữ T 53 3.2 Mơ hình ứng dụng chip UCODE G2XM 54 3.3 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực đơn 54 3.4 Kết mô trở kháng đầu vào anten lưỡng cực đơn 54 3.5 Kết mô hệ số phản xạ anten lưỡng cực đơn 55 3.6 Đồ thị xạ phương hướng anten lưỡng cực đơn 55 3.7 Đồ thị xạ ba chiều anten lưỡng cực đơn 56 3.8 Cấu trúc anten sử dụng mặt phản xạ 57 3.9 Khoang cộng hưởng mặt phẳng đất 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 hai phần tử cấu trúc AMC tạo điện dung C0 61 ix 3.13 Cấu trúc phần tử AMC hình vng: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử 62 3.14 Pha phản xạ cấu trúc phần tử AMC hình vng 62 3.15 Cấu trúc phần tử AMC khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo đề xuất 63 3.16 Pha phản xạ cấu trúc AMC khe 64 3.17 Cấu trúc phần tử AMC ba khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo đề xuất 65 3.18 Pha phản xạ cấu trúc AMC ba khe 66 3.19 Pha phản xạ ba cấu trúc phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo 66 3.20 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Lb thay đổi, tham số lại giữ nguyên 67 3.21 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Le thay đổi, tham số lại giữ nguyên 68 3.22 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Wa thay đổi, tham số lại giữ nguyên 68 3.23 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Wbs thay đổi, tham số lại giữ nguyên 69 3.24 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Ha thay đổi, tham số lại giữ nguyên 69 3.25 Cấu trúc hình học lưỡng cực 70 3.26 Cấu trúc hình học anten thẻ đề xuất: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu 71 3.27 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước g, tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 72 3.28 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Wa , tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 73 3.29 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Ha , tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 74 3.30 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Lm , tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 75 3.31 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Wm , tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 76 3.32 Trở kháng đầu vào anten lưỡng cực đơn anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo x 77 n th c 50 800 820 840 860 880 900 Tn s (MHz) 920 940 960 920 940 960 (a) -5 |S11 | (dB) -10 -15 -20 2×2 phn t 4×4 phn t 6×6 phn t -25 -30 800 820 840 860 880 900 Tn s (MHz) (b) Hình 3.38: Trở kháng đầu vào (a) hệ số phản xạ (b) anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo có kích thước khác 3.5 Thực nghiệm Hình 3.39 minh họa anten thẻ RFID UHF đề xuất sau chế tạo thử nghiệm Lưỡng cực bề mặt dẫn từ nhân tạo in hai mặt đế điện môi FR-4 theo công nghệ PCB tiêu chuẩn Bốn chốt nhựa sử dụng để tao lớp khơng khí mặt phẳng đất đế điện môi FR-4 Việc đo khoảng cách đọc anten thẻ RFID thực để kiểm tra hiệu anten Hình 3.40 mơ tả hệ thống RFID sử dụng để đo khoảng cách 82 đọc anten Hệ thống bao gồm máy tính, đầu đọc RFID UHF, anten đầu đọc anten thẻ RFID đề xuất Đầu đọc Thingmagic Me6 phát triển công ty JADAK [100] kết nối với máy tính qua cổng USB Anten phân cực trịn MT-242025/TRH/A/A [101] kết nối với đầu đọc cáp đồng trục 50Ω Anten thẻ anten đầu đọc gắn cố định hai giá gỗ độ cao 1,2 m so với mặt đất Dựa vào phương trình truyền Friis [45] , khoảng đọc tối đa anten tính tốn theo lý thuyết cách sử dụng công thức sau: s λ0 Pt Gt Gtag ρ Rmax = (3.23) 4π Ptag 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 Độ lợi anten thẻ định nghĩa sau: Gtag = η.Dtag (3.24) Trong η Dtag hiệu suất xạ độ định hướng anten thẻ Giả sử suy hao từ đế điện môi không đáng kể, hiệu suất xạ anten chủ yếu phụ thuộc vào khơng phối hợp trở kháng, đó: η = 1− | Γ2 | (3.25) Thay hai công thức (3.3) (3.4) vào (3.2) ta có cơng thức tính khoảng đọc tối đa anten thẻ sau: Rmax λ = 4π s Pt Gt Dtag (1 − Γ2 )ρ Ptag (3.26) Từ tài liệu thông số kỹ thuật đầu đọc [100], anten đầu đọc [101] chip [87], có Pt = 30dBm, Gt = 7dBic Ptag = −15dBm Vì anten đầu đọc có phân cực trịn anten thẻ có phân cực tuyến tính, ρ giả sử bầng 0,5 Bằng cách thay giá trị Dtag Γ từ kết mô phần mềm HFSS vào công thức (3.5), khoảng đọc tối đa anten thẻ tính tốn minh họa hình 3.42 Kết cho thấy khoảng đọc tối đa anten 6,9 m 7,4 m tương ứng với tần số 845 MHz 925 MHz Khoảng đọc anten mẫu chế tạo đo cách dịch cột gỗ gắn anten thẻ đường thẳng xa khỏi vị trí cột gỗ gắn anten đầu đọc Khoảng đọc tối đa xác định vị trí xa mà đầu đọc cịn phát thẻ, cụ thể mã định danh thẻ cịn cột thứ hai hình giao diện phần mềm Universal Reader Assistant cung cấp mơ đun đầu đọc RFID Thingmagic Me6 Hình 3.41 minh họa kết phát thẻ RFID có ID 3005F B63AC1F 3841EC88 Phép đo khoảng cách thực máy đo khoảng cách laser Bosch GLM30 với phạm vi đo từ 0,15m đến 30m độ xác ±2mm 83 Thí nghiệm thực với bảy dải tần số tiêu chuẩn bao gồm ETSI cho Liên minh Châu Âu (866 MHz - 869 MHz), FCC cho Bắc Mỹ (902 MHz - 928 MHz), SRRC (920 MHz - 925 MHz ) cho Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa, KR2 (917 MHz - 923 MHz) cho Hàn Quốc, IN (840 MHz - 845 MHz) cho Ấn Độ, AU (920 MHz - 925 MHz) cho Úc NZ (922 MHz 927 MHz) cho New Zealand (a) (b) (c) Hình 3.39: Mẫu anten chế tạo: (a) Mắt cắt đứng, (a) Mặt cắt ngang, (c) Lưỡng cực chip Các giá trị khoảng đọc đo được trình bày bảng 3.6 minh họa hình 3.42 Mặc dù thí nghiệm khơng thể thực đo tồn dải tần khảo sát giới hạn lựa chọn tần số đầu đọc, kết đo bảy dải tần tiêu chuẩn cho phép xác nhận hiệu anten đề xuất Anten mẫu chế tạo thu hai khoảng đọc lớn dải tần theo tiêu chuẩn Ấn Độ Bắc Mỹ với giá trị tương ứng 4,4 m 6,0 m Điều khẳng định chế hoạt động hai băng tần cấu trúc anten đề xuất Kết cho thấy khoảng đọc đo ngắn so với tính tốn, điều giải thích ngun nhân độ xác q trình chế tạo anten 84 Anten u c RFID Anten th ng trục R Cáp Cáp USB
u c RFID UHF Máy tính (a) Hình 3.40: Sơ đồ khối hệ thống đo khoảng cách đọc anten thẻ RFID UHF Hình 3.41: Giao diện phần mềm Universal Reader Assistant đầu đọc RFID Thingmagic Me6 Bảng 3.6: Bảng giá trị khoảng đọc tối đa đo (m) Dải tần Khoảng đọc tối đa IN (840-845 MHz) 4,4 m ETSI (865-869 MHz) 2,8 m FCC (902-928 MHz) 6,0 m KR2 (917-923 MHz) 4,0 m SRRC (920-925 MHz) 2,2 m AU (920-925 MHz) 2,3 m NZ (922-927 MHz) 2,0 m 85 Bảng 3.7: So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố Anten Đế điện mơi Hệ số Kích thước (mm) khuếch đại (dBi) FR-4, [102] 84mm × 42mm × 14mm 2,18 210mm × 210mm × 6, 4mm 5,13 160mm × 80mm × 15mm 4,53 190mm × 190mm × 15, 8mm 6.75 εr = 4, h = 1, 0mm FR-4, [103] εr = 4, 4, h = 3, 2mm FR-4, [104] εr = 4, 4, h = 1, 6mm FR-4, Anten đề xuất εr = 4, 4, h = 0, 8mm 10 Tính tốn Thc nghim  ( FCC Khoảng đọc tối đ a IN KR2 ETSI AU/ SRRC NZ 800 820 840 860 880 900 T
n s (MHz) 920 940 960 Hình 3.42: So sánh kết tính tốn đo đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa anten thẻ Bảng 3.7 so sánh anten đề xuất với số anten thẻ RFID sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ công bố có dải tần hoạt động tương tự Bảng 3.7 cho thấy, anten đạt kích thước nhỏ gọn mà đảm bảo tốt tham số hệ số tăng ích anten có thêm ưu điểm 86 hoạt động hai băng tần anten khác hoạt động băng tần Tuy nhiên, để anten thu có tham số đặc tính việc chế tạo anten địi hỏi độ xác cao anten có độ nhạy lớn 3.6 Kết luận chương Chương mô tả cấu trúc anten đơn hướng, cấu hình nhỏ gọn với hai băng tần dành cho ứng dụng RFID UHF Anten bao gồm lưỡng cực kết hợp với bề mặt dẫn từ nhân tạo in mặt mặt đế điện môi FR-4 Anten phối hợp trở kháng với chip UCODE G2XM mạng phối hợp trở kháng chữ T Anten thiết kế mô dựa phần mềm mơ ANSYS Anten có kích thước tổng cộng 190mm × 190mm × 15.8mm( tương ứng với 0, 55λ × 0, 55λ × 0, 046λ) tần số 925 MHz, băng thông thu 15M Hz(840M Hz – 855M Hz) 18M Hz(916M hz – 932M Hz) với độ định hướng 5.8dB 7.0dB tương ứng với tần số 845M Hz 925M Hz Khoảng đọc tối đa anten chế tạo thử nghiệm 6m 4.4m tương ứng với hai dải tần tiêu chuẩn FCC (902M Hz – 928M Hz) IN (840M Hz – 845M Hz) Kết nghiên cứu chương trình bày cơng trình nghiên cứu [105, 106] nghiên cứu sinh 87 KẾT LUẬN CHUNG Cùng với việc hệ thống RFID ngày ứng dụng phổ biến lĩnh vực đời sống, yêu cầu đặt thẻ RFID khắt khe Các ứng dụng thẻ đeo đòi hỏi anten khơng có hình dạng thơng thường anten lưỡng cực, anten bowtie, mà cịn có dạng chữ, logo, Trên sở phân tích loại vật liệu đế điện môi, kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten, luận án đề xuất giải pháp thiết kế anten thẻ thụ động RFID sử dụng cấu trúc dệt đế điện môi vải Trường hợp cụ thể với thẻ RFID có thành phần phát xạ thiết kế dạng chữ viết tắt tên trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) giới thiệu luận án Mơ hình anten đề xuất chế tạo đo đạc thử nghiệm Kết đo đạc hệ số phản xạ anten phù hợp với kết mơ Bên cạnh đó, số kỹ thuật để cải thiện hệ số tăng ích hệ số định hướng anten RFID phân tích chi tiết Kỹ thuật phổ biến thường sử dụng để cải thiện độ tăng ích anten sử dụng bề mặt phản xạ Tuy nhiên việc làm tăng đáng kể kích thước anten Với đặc tính vượt trội siêu vật liệu điện từ mà vật liệu thông thường tự nhiên khơng có được, cấu trúc ngày quan tâm nghiên cứu ứng dụng thiết kế anten nói chung anten thẻ RFID nói riêng Trên sở đó, luận án đề xuất cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo Cấu trúc đề xuất áp dụng cho thiết kế anten thẻ RFID UHF hai băng tần, cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn Bề mặt dẫn từ nhân tạo thiết kế để hoạt động bề mặt dây dẫn từ tính nhân tạo đồng thời có kích thước hữu hạn tạo tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten, kết hợp với tần số cộng hưởng lưỡng cực giúp cho anten hoạt động băng tần kép Bằng cách sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo, hệ số định hướng anten cải thiện đáng kể Luận án đề xuất giải pháp thiết kế anten thẻ thụ động RFID có cấu trúc bao gồm lưỡng cực kết hợp với bề mặt dẫn từ nhân tạo Kết mô cho thấy cấu trúc anten đề xuất có hệ số định hướng cao nhiều so với cấu trúc anten lưỡng cực đơn không sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo Anten chế tạo đo đạc thử nghiệm Kết thực nghiệm chứng minh tính khả thi việc sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo mơ hình anten thẻ RFID Đóng góp khoa học luận án Luận án có đóng góp khoa học sau: • Đề xuất anten đeo sử dụng cấu trúc dệt dành cho thẻ thụ động RFID dạng chữ có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo Anten mô hoạt động tần số 2,45GHz, có kích thước 45mm × 16mm × 1, 254mm, băng thơng 20 MHz 88 hệ số tăng ích 2,2 dBi Cấu trúc đề xuất ứng dụng việc thiết kế anten thẻ RFID thụ động dải tần số khác • Đề xuất 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 mơ có kích thước 190mm × 190mm × 15.8mm, băng thông 15 MHz (840 MHz - 855 MHz) 16 MHz (916 MHz - 932 MHz), xạ đơn hướng với độ định hướng 7,0 dB 5,8 dB tương ứng với tần số 925 MHz 845 MHz Việc sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo không cải thiện đáng kể độ định hướng anten mà tạo tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten Anten chế tạo thử nghiệm có khoảng đọc lớn 6m 4, 4m tương ứng với dải tần 902 MHz – 928 MHz theo chuẩn Bắc Mỹ 840 MHz – 845 MHz theo chuẩn Ấn Độ Các kết mô đo đạc thực nghiệm chứng minh tính khả thi việc sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo thiết kế anten thẻ RFID Hướng phát triển luận án • Nghiên cứu thiết kế anten phân cực tròn sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF • Nghiên cứu thiết kế anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho đầu đọc RFID UHF 89 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN • Tạp chí Scopus: Doan Thi Ngoc Hien, Ta Son Xuat, Nguyen Van Khang, Nguyen Khac Kiem, Dao Ngoc Chien (2019) Low-Profile, Dual-Band, Unidirectional RFID Tag Antenna Using Metasurface Progress In Electromagnetics Research (PIER) Journals, vol 93, pp 131141 • Tạp chí nước: Doan Thi Ngoc Hien, Nguyen Van Khang, Dao Ngoc Chien (2017) A textile RFID antenna for wearable applications.Journal of Science and Technology Technical Universities, Vol 120c Doan Thi Ngoc Hien, Nguyen Van Khang, Dao Ngoc Chien (2017) A low-cost compact RFID tag antenna for toll-gate Proc The University of Danang Journal of Science and Technology, pp 12-15 • Hội thảo quốc tế: Doan Thi Ngoc Hien,Nguyen Van Khang, Dao Ngoc Chien (2016) A textile antenna for wearable applications using RFID technology International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication • Cơng trình có liên quan: S Xuat Ta, D Ngoc Chien, K Kiem Nguyen, Doan Thi Ngoc Hien (2017) Singlefeed, compact, GPS patch antenna using metasurface 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 60-63 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.-C Tsai, C.-W Chiu, H.-C Wang, T.-F Wu (2013) Inductively Coupled Loop Antenna Design for UHF RFID on-Body Applications Progress In Electromagnetics Research, vol 143, pp.315-330 [2] R Vyas, V Lakafosis, A Rida, N Chaisilwattana, S Travis, J Pan, and M M Tentzeris (2009) Paper-based RFID-enabled wireless platforms for sensing applications IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 57, no 5, pp.1370–1382 [3] G Marrocco (2016) Pervasive electromagnetics: sensing paradigms by passive RFID technology IEEE Wireless Communications, vol 5, no 4, pp 35–39 [4] Shivani Bisht Shalini Kumari Shivani Rai Brajlata Chauhan Tulika, Yashika Manwal (2010) Literature review on wearable textile antennas International Journal On Advanced Computer Theory And Engineering (IJACTE), vol 17, no 6, pp.10–17 [5] Brajlata Chauhan Ankita Priya, Ayush Kumar (2015) A review of textile and cloth fabric wearable antennas International Journal of Computer Applications, vol 16 [6] T Koschny, M Kafesaki, E Economou, and Costas Soukoulis (2004) Effective medium theory of left-handed materials Physical review letters, vol 93, pp.107402–10745 [7] Rajkumar Rajoria Pankaj Gupta (2013) Enhancement of the rectangular microstrip patch antenna performance using new e shaped metamaterial structure at 2.684 GHz International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, vol 2, pp 4219–4223 [8] F Jangal and N Bourey (2012) Enhance efficiency of high frequency antennas using lossy metamaterials 2012 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), pp 874–877 [9] A Gupta, S K Sharma, and R K Chaudhary (2015) A compact cpw-fed metamaterial antenna for high efficiency and wideband applications 2015 Twenty First National Conference on Communications (NCC), pp 1–4 [10] M Abdelkarim, S Naoui, L Latrach, and A Gharsallah (2017) Radiation efficiency improvement of RFID patch antenna using metamaterials 2017 International Conference on Green Energy Conversion Systems (GECS), pp 1–6 [11] S Bhattacharjee, R Saha, and S Maity (2014) Metamaterial based patch antenna with omega shaped slot for RFID system 2014 International Conference on Advances in Engineering Technology Research (ICAETR - 2014), pp 1–5 91 [12] S Naoui and A Gharsallah (2014) Improved microstrip dipole antenna by using metamaterials for RFID technology Proceedings of 2014 Mediterranean Microwave Symposium (MMS2014), pp 1–4 [13] J K Ji, G H Kim, and W M Seong (2010) Bandwidth enhancement of metamaterial antennas based on composite right/left-handed transmission line IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 9, pp.36–39 [14] S Naoui, L Latrach, and A Gharsallah (2015) RFID antenna by using metamaterials with negative effective permeability 2nd World Symposium on Web Applications and Networking (WSWAN), pp 1–4 [15] H X Araujo, S E Barbin, and L C Kretly (2012) Metamaterial cell patterns applied to quasi-yagi antenna for RFID applications 2012 IEEE Radio and Wireless Symposium, pages 383–386 [16] K Kanjanasit and C Wang (2012) A high directivity broadband aperture coupled patch antenna using a metamaterial based superstrate 2012 Loughborough Antennas Propagation Conference (LAPC), pp 1–4 [17] M A Antoniades, S A Rezaeieh, and A (2017) M Abbosh Bandwidth and directivity enhancement of metamaterial-loaded loop antennas for microwave imaging applications 2017 International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas, Innovative Structures, and Applications (iWAT), pp 249–252 [18] V Upadhyaya and V Sawant (2017) Low-profile high-gain micro-strip patch antenna using meta-materials for wireless applications 2017 International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET), pp 1111–1114 [19] D Mitra, A Sarkhel, O Kundu, and S R B Chaudhuri (2015) Design of compact and high directive slot antennas using grounded metamaterial slab IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 14, pp 811–814, Dec 2015 [20] E Y Ahmed and E Abdenacer (2018) Miniaturization of a printed dipole antenna using metamaterials for RFID uhf technolog 2018 International Conference on Advanced Communication Technologies and Networking (CommNet), pp 1–5, April 2018 [21] T K Upadhyaya, V V Dwivedi, S P Kosta, and Y P Kosta (2012) Miniaturization of triband patch antenna using metamaterials 2012 Fourth International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks, pp 45–48 [22] S K Jain, A Shrivastava, and G Shrivas (2015) Miniaturization of microstrip patch antenna using metamaterial loaded with SRR 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), pp 1224–1227 92 [23] Nguyễn Ngọc Lan (2018) Nghiên cứu giải pháp cải thiện số tham số anten mảng hệ thống thông tin vô tuyến, Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [24] Hoàng Thị Phương Thảo (2018) Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện từ, Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [25] Nguyễn Khắc Kiểm (2016) Nghiên cứu phát triển anten mimo cho thiết bị đầu cuối di động hệ mới, Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [26] Huỳnh Nguyên Bảo Phương (2014) Nghiên cứu phát triển cấu trúc ebg ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến hệ Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [27] Pham Viet Thong, Nguyen Viet Hoa, Tran Nhan Ai, Lam Tan Phat, Dang Mau Chien (2013) Chế tạo anten cho thẻ RFID thụ động băng tần UHF vi ba Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ, vol 16, no1 [28] Nguyễn Linh Lan (2008) Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến thông minh RFID ứng dụng quản lý nhân Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [29] Lê Công Cường (2011) Thiết kế mô chế tạo anten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [30] Nguyễn Thế Anh (2007) Nghiên cứu, thiết kế mô anten RFID Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội [31] Phan Đăng Huân (2014) Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống RFID Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [32] J C G Matthews and G Pettitt (2009) Development of flexible, wearable antennas 2009 3rd European Conference on Antennas and Propagation, pp 273–277 [33] C Hertleer, H Rogier, L Vallozzi, and L Van Langenhove (2009) A textile antenna for offbody communication integrated into protective clothing for firefighters, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 57, no 4, pp 919–925 [34] C Hertleer, H Rogier, L Vallozzi, and F Declercq (2007) A textile antenna based on highperformance fabrics, The Second European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2007, pp 1–5 [35] I Locher, M Klemm, T Kirstein, and G Trster (2006) Design and characterization of purely textile patch antennas IEEE Transactions on Advanced Packaging, vol 29, no 4, pp.777–788 93 [36] R B V B Simorangkir, Y Yang, L Matekovits, and K P Esselle (2017) Dual-band dualmode textile antenna on pdms substrate for body-centric communications IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 677–680 [37] D Kim (2014) Advanced design of RFID tag antennas using artificial magnetic conductors 2014 International Symposium on Antennas and Propagation Conference Proceedings, pp 627–628 [38] R C Hadarig, M E de Cos, and F Las-Heras (2013) UHF dipole-AMC combination for RFID applications IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 12, pp 1041– 1044 [39] Finkenzeller (2003) RFID handbook: Fundamentals and applications in contactless smart cards and identification John Wiley, Sons Ltd, Chichester, UK, vol 12, pp 427–430 [40] Stockman (1948) Communication by means of reflected power Proceedings of the institute of radio engineers, vol 36, pp.1196–1204 [41] Hamam H Dahmane Fennani, B (2011) RFID overview, pp 5–9 [42] Phan Anh (2007) Lý thuyết kỹ thuật anten Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [43] RFID4u (2019) Basics – RFID Regulations [Online] Available: https://rfid4u.com/rfidbasics-resources/basics-rfid-regulations/ [44] C.A Balanis (2005) Antenna theory: Analysis and design, 3rd edition Wiley Interscience: Hoboken [45] Wikipedia (2019) Friis transmission equation [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation [46] S L Merilampi, T Bjorninen, A Vuorimaki, L Ukkonen, P Ruuskanen, and L Sydanheimo (2010) The effect of conductive ink layer thickness on the functioning of printed UHF RFID antenna., Proceedings of the IEEE, vol 98, no 9, pp.1610–1619 [47] Virkki J Merilampi S Ukkonen L Kellomaki, T (2012) Towards washable wearable antennas: A comparison of coating materials for screen-printed textile-based UHF RFID tags International Journal of Antennas and Propagation [48] Virkki J Ukkonen L Sydanheimo L Virtanen (2012) J Inkjet-printed uhf RFID tags on renewable materials, Advances in Internet of Things, vol 2, no 4, pp.79–85 [49] S M Wentworth (2005) Fundamentals of electromagnetics with engineering applications John Wiley and Sons Inc, pp 590 [50] Nguyen H A D Park S Lee J Kim B Park, J (2015) Roll-to-roll gravure printed silver patterns to guarantee printability and functionality for mass production Current Applied Physics, vol 15, no 3, pp 367–376 94 [51] A Rida, L Yang, R Vyas, and M M Tentzeris (2009) Conductive inkjet-printed antennas on flexible low-cost paper-based substrates for RFID and wsn applications IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol 51, no 3, pp 13–23 [52] J Virtanen, J Virkki, L Sydanheimo, M Tentzeris, and L Ukkonen (2013) Automated identification of plywood using embedded inkjet-printed passive uhf RFID tags IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol 10, no 3, pp 796–806 [53] Van den Bulcke J De Windt I Dhaene J Van Acker J Li, W (2015) Moisture behaviour and structural changes of plywood during outdoor exposure European Journal of Wood and Wood Products, vol 74, no 2, pp 211–221 [54] ADC Company (2019) Industrial Ceramic RFID Tag UHF0055 [Online] Available: http://www.adcrfid.com/product/industrial-ceramic-rfid-tag-25-x-9-x-3-mm/ [55] J Baker-Jarvis, M D Janezic, and D C Degroot (2010) High-frequency dielectric measurements IEEE Instrumentation Measurement Magazine, vol 13, no 2, pp 24–31 [56] B Gupta, S Sankaralingam, and S Dhar (2010) Development of wearable and implantable antennas in the last decade: A review 2010 10th Mediterranean Microwave Symposium, pp 251–267 [57] P Salonen, Y Rahmat-Samii, M Schaffrath, and M Kivikoski (2004) Effect of textile materials on wearable antenna performance: A case study of GPS antennas IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, vol 1, pp 459–462 [58] Hou-Tong Chen et al (2016) A review of metasurfaces: physics and applications Reports on Progress in Physics [59] G Marrocco (2008) The art of UHF RFID antenna design: impedance-matching and sizereduction techniques IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol 50, no 1, pp 66-79 [60] Grover F W (2013) Inductance Calculations: Working Formulas and Tables Courier Corporation [61] J Choo, J Ryoo, J Hong, H Jeon, C Choi,Manos M Tentzeris (2009) T-matching Networks for the Efficient Matching of Practical RFID Tags 39th European Microwave Conference [62] G Marrocco (2003) Gain-optimized self-resonant meander line antennas for RFID applications IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 2, pp 302-305 [63] N Michishita and Y Yamada (2006) A novel impedance matching structure for a dielectric loaded 0.05 wavelength small meander line antenna 2006 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp 1347-1350 95 [64] Wonkyu Choi, H W Son, Chansoo Shin, Ji-Hoon Bae and Gilyoung Choi (2006) RFID tag antenna with a meandered dipole and inductively coupled feed 2006 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp 619-622 [65] Chihyun Cho, Hosung Choo and Ikmo Park (2006) Design of Novel RFID Tag Antennas for Metallic Objects 2006 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp 3245-3248 [66] M Hirvonen, P Pursula, K Jaakkola and K Laukkanen (2004) Planar inverted-F antenna for radio frequency identification Electronics Letters, vol 40, no 14, pp 848-850 [67] Alyani Ismail Adam R H Alhawari Anwer Sabah Mekki, Mohd Nizar Hamidon (2014) Gain enhancement of a microstrip patch antenna using a reflecting layer International Journal of Antennas and Propagation, vol 2015, pp 1–8 [68] Basari Eko Tjipto Rahardjo Taufal Hidayat, Fitri Yuli Zulkifli (2013) Bandwidth and gain enhancement of proximity coupled microstrip antenna using side parasitic patch The 2nd International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics and Telecommunications, pp 95–98 [69] Md Ruhul Amin Md Mortuza Ali Mst Nargis Aktar, Muhammad Shahin Uddin (2011) Enhanced gain and bandwidth of patch antenna using EBG substrates International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN), vol 3, no [70] R Hashim, Mothana Attiah (2018) Improvement of microstrip antenna performance on thick and high permittivity substrate with electromagnetic band gap Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems, vol 10, pp 661–669 [71] Nada N Tawfeeq (2017) Size reduction and gain enhancement of a microstrip antenna using partially defected ground structure and circular/cross slots International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol.7, pp 894–898 [72] Aris Tsolis, William Whittow, Antonis A Alexandridis and J (Yiannis) C Vardaxoglou (2014) Embroidery and Related Manufacturing Techniques for Wearable Antennas: Challenges and Opportunities Electronics Journal, vol 3, pp 314-338 [73] Ricardo Gonc¸alves Pedro Pinho Rita Salvado, Caroline Loss (2012) Textile materials for the design of wearable antennas: A survey Sensors Journal, vol 12, pp.15841–15857 [74] T Maleszka and P Kabacik, (2010) Bandwidth properties of embroidered loop antenna for wearable applications The 3rd European Wireless Technology Conference, pp 89-92 [75] Falguni Raval, Sweety Purohit (2014) Wearable textile patch antenna using jeans as substrate at 2.45 GHz International Journal of Engineering Research & Technology, vol 3, pp 2456–2460 96