đã nghiên cứu và thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID, hoạt động ở dải tần 2 45GHz

Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Minh Tuấn, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận. Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo GS.TSKH Phan Anh, thầy đã cho em những ý kiến quý báu để em hoàn thành khoá luận của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử - Viễn Thông, các thầy cô trong trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, những người đã luôn nhiệt tình trong giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong bốn năm học vừa qua. Và em cũng xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Thông tin vô tuyến đã tạo điều kiện tốt nhất cho em và các bạn hoàn thành khóa luận của mình. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và các bạn của tôi, những người đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua và nhất là trong thời gian thực hiện khóa luận này. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình viết bài vì thời gian có hạn và kiến thức thực tế của em còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô giáo để bài viết của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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. Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức hạn chế nên khoá luận chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để hoàn thiện hơn bào viết của mình. Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN MẠCH DẢI 2 1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten 2 1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten 2 1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten 2 1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten 3 1.1.3.1 Trường bức xạ 3 1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ 4 1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ 9 1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích 10 1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten 12 1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải 13 1.2.1 Đường truyền vi dải 13 1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải 13 1.2.1.2 Các tham số cơ bản 14 1.2.1.3 Trở kháng đặc tính biến thiên của theo tần số 17 1.2.2 Anten mạch dải 17 1.2.2.1 Khái niệm 17 1.2.2.2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản 17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG RFID 21 2.1 Hệ thống RFID 2.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID) 21 2.1.1.1 Hệ thống mã vạch 21 2.1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học 22 2.1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh 22 2.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID 23 2.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống RFID 24 2.1.3.1 Tag / thẻ 24 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 2.1.3.2 Đầu đọc (Reader) 25 2.1.3.3 Middleware 25 2.1.4 Phân loại hệ thống RFID 25 2.1.4.1 RFID trường gần 26 2.1.4.2 RFID trường xa 26 2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID 27 2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống RFID 29 2.1.6.1 Ưu điểm 29 2.1.6.2 Nhược điểm 30 2.1.7 Ứng dụng và xu hướng phát triển của RFID 30 2.1.7.1 Ứng dụng 30 2.1.7.2 Xu hướng phát triển 32 2.2 Anten trong hệ thống RFID 35 2.2.1 Nguyên lý hoạt động 35 2.2.1.1 Trường gần 35 2.2.1.2 Trường xa 36 2.2.2 Các loại anten dùng trong hệ thống RFID 37 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ANTEN CHO THẺ RFID TRƯỜNG XA 39 3.1 Đường Radio 41 3.2 EIRP và ERP 43 3.3 Độ tăng ích của anten thẻ 44 3.4 Hệ số phối hợp phân cực 44 3.5 Hệ số truyền công suất 44 3.6 RCS của anten 47 3.7 Tính toán khoảng đọc 50 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN 52 4.1 Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dung cho hệ thống RFID 52 4.2 Đo đạc thực nghiệm 60 4.3 Nhận xét- đánh giá 64 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power ERP: Effective Radiated Power FR-4: Flame Resistant 4 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 CÁC BẢNG 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. Bảng3 : Số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước từ năm 1991 đến tháng 8 năm 2006. Bảng 4 Hệ số phản xạ và hệ số truyền công suất là một hàm của tổn hao trả về. Bảng 5: Hệ số K trong một vài trường hợp điện trở tải của anten khác nhau Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten Hình 2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ ϕθ , Hình 3: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực Hình 4: Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền sóng Hình 6: Đường truyền vi dải Hình 7: Phân bố trường của đường truyền vi dải Hình 8: Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac Hình 9: Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi dải được tính theo phương pháp của Wheeler Hình 10: Anten mạch dải Hình 11: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên Hình 12: Khe bức xạ Anten mạch dải Hình 13: Các dạng anten mạch dải điển hình Hình 14: Tiếp điện cho anten mạch dải Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động Hình 16: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng trong công ty Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID Hình 18: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID Hình 19: Các phương pháp xử lý dữ liệu Hình 20: Ứng dụng RFID điển hình 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 Hình 22: Biểu đồ phân bố số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước tính đến tháng 8 năm 2006 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 23: Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và đầu đọc trong hệ thống RFID ghép cảm ứng. Hình 24: Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường xa Hình 25: Các loại anten dùng trong hệ thống Hình 26: Nguyên lý hoạt giữa đầu đọc và thẻ trong một hệ thống RFID thụ động trường xa Hình 27: Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống RFID trường xa Hình 28: Công suất truyền trong thẻ RFID và mạch tương đương của nó Hình 29: Quan hệ giữa hệ số truyền công suất với tổn hao trả về 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 Hình 31: Đo khoảng đọc trong một phòng không có tiếng vọng Hình 32: Cấu trúc anten zíc zắc 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 Hình 35: Bức xạ 3-D của anten Hình 36: Giản đồ 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 11 S của anten Hình 39: Hệ số sóng đứng và return loss của anten Hình 40: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFS của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 41: Thông số return loss 11 S của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Hình 42: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 43: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Hình 44: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 45: Thông số return loss 11 S của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 46: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 47: Hệ số khuyếch đại Gain của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa Hình 48: Cấu trúc anten thực nghiệm Hình 48: Thông số return loss của anten thực nghiệm Hình50: Độ rộng băng thông Hình 51: Hệ số sóng đứng và return loss của anten thực nghiệm Hình 52: Đồ thị Smith của anten thực nghiệm Hình 53: Thông số return loss mô phỏng và thực nghiệm Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ 1 Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN MẠCH DẢI 1.1 Một số kiến thức cơ bản về anten 1.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten: Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách: - Dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v…Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc. - Bức xạ sóng ra không gian: Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào. Trong thông tin không dây anten làm nhiệm vụ bức xạ và hấp thụ sóng điện từ. Nó được sử dụng như một bộ chuyển đổi sóng điện từ từ các hệ truyền dẫn định hướng sang môi trường không gian tự do. Anten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau. Với phát thanh - truyền hình làm nhiệm vụ quảng bá thông tin thì anten phát thực hiện bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten phát bức xạ với hướng tính cao 1.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten: Một hệ truyền thông tin không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản: máy phát – anten phát – anten thu – máy thu. Đường truyền dẫn sóng điện từ giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder). Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ 2 [...]... 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... 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. .. 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. .. (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. .. được xác định bởi công thức: we = 120 πh Z0 εe Khi đó ta có tần số ngưỡng: fc = c 2we ε e Độ rộng hiệu ứng dưới dạng hàm của tần số được tính: we ( f ) = w − we − w 1+ ( f / fc )2 Khi đó ta có trở kháng đặc tính được tính theo công thức: Z0 ( f ) = 120 πh we ( f ) ε e ( f ) 1 .2. 2 Anten mạch dải 1 .2. 2.1 Khái niệm Anten mạch dải (anten mạch in) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước... năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) Sơ đồ chung của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten như sau: Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Hệ thống cảm thụ bức xạ Anten phát Máy phát Hệ thống gia công tín hiệu Anten thu Thiết bị xử lý tin Thiết bị điều chế Hệ thống phát Máy thu Hệ thống thu... 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... 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 Dương Đình Sáng 27 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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. .. 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... một kết cấu bức xạ kiểu khe 1 .2. 2 .2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản Dương Đình Sáng 17 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Hình vẽ: Hình 10: Anten mạch dải Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten . 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. . ID) 21 2. 1.1.1 Hệ thống mã vạch 21 2. 1.1 .2 Hệ thống nhận dạng sinh học 22 2. 1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh 22 2. 1 .2 Khái niệm về hệ thống RFID 23 2. 1.3 Cấu tạo chung của hệ thống. theo tần số 17 1 .2. 2 Anten mạch dải 17 1 .2. 2.1 Khái niệm 17 1 .2. 2 .2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản 17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG RFID 21 2. 1 Hệ thống RFID 2. 1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto