Nghiên cứu về lý thuyết anten, hệ thống RFID và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống này

Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin.

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Minh Tuấn, người đã tận tình giúp đỡ, chỉbảo, 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 nămhọc 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 bêncạnh động viên, giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua và nhất là trong thời gianthực hiện khóa luận này

Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình viết bài vì thời gian có hạn vàkiến thức thực tế của em còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Vì vậy emrất mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô giáo để bài viết của em được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008

Sinh viên

Dương Đình Sáng

TÓM TẮT NỘI DUNG

Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin Nhất làvới công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, anten đã cónhững thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãntối đa nhu cầu của người sử dụng

Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, hệthống RFID (Radio Frequency Identification), em đã nghiên cứu và thiết kế được mộtanten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID, hoạt động ở dải tần2.45GHz 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 chắcchắn còn rất nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để hoànthiện hơn bào viết của mình

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2008

Sinh viên

Dương Đình Sáng

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

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

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 đếntháng 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

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  , 

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 sóngHình 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 WheelerHình 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 2006Hình 22: Biểu đồ phân bố số anten được cấp bằng sáng chế của một số nước tính

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 xaHình 27: Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống

RFID trường xaHình 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 S11 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 giữaHình 41: Thông số return loss S11 của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở

giữaHình 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

giữaHình 44: Hình 3-D mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS của anten zíc zắc

hình tam giác tiếp điện ở giữaHình 45: Thông số return loss S11 của anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở

giữaHình 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

giữaHình 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

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

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN

MẠCH DẢI1.1 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 haicách:

- Dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây songhành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v…Sóng điện từtruyền 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 tựdo

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoàiđược gọi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyếnđiện 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 hướngsang 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 hiệnbức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướngbất 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 tínhcao

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 máyphát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder)

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vựcthông tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuầnlàm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tínhiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệthống; trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng, bao gồm các phần

tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phốinăng 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 vôtuyến điện cùng với thiết bị anten như sau:

1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten:

1.1.3.1 Trường bức xạ

Để khảo sát đặc tính trường của dòng, ta thường chia không gian khảo sát làm

hai khu vực chính: trường gần và trường xa.

Trường gần là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá nhỏ

so với bước sóng (r << λ) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thống bức xạ

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Thiết bị điều chế

Khi đó có thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát so với nguồn,tương tự như trường hợp trường chuẩn tĩnh

Năng lượng của trường gần có tính dao động Năng lượng này trong một phần tưchu kỳ đầu thì dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian xung quanh và trong phần

tư chu kỳ tiếp theo lại dịch chuyển ngược trở lại, giống như sự trao đổi năng lượng

trong một mạch dao động Vì vậy trường ở khu gần còn được gọi là trường cảm ứng,

và khu gần được gọi là khu cảm ứng.

Trường xa là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá lớn

so với bước sóng (r >> λ) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:) Khi ấy ta không thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểmkhảo sát Điện trường và từ trường của khu xa luôn đồng pha nhau, do đó năng lượngbức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào không gian xung quanh Trường ở khu vực này

có đặc tính sóng lan truyền nên trường xa còn được gọi là khu sóng, hay khu bức xạ.

Khi khảo sát các bài toán bức xạ thì chúng ta thường chỉ quan tâm đến trường xa

Ta có thể rút ra một số tính chất tổng quát của trường ở xa trong không gian tự

do của một hệ thống nguồn hỗn hợp như sau:

- Trường bức xạ có dạng sóng chạy, lan truyền từ nguồn ra xa vô tận Biên độ

trường suy giảm tỷ lệ nghịch với khoảng cách

- Vectơ điện tích và từ trường có hướng vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền lan Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện-từ ngang.

- Sự biến đổi của cường độ điện tích và từ trường trong không gian (khi R

không đổi) được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ G e ( , )





 Các hàm

số này phụ thuộc vào phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của hệ thống bức

xạ Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm phức số

1.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ

a) Đồ thị phương hướng biên độ và pha

Gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướngkhảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi, là hàm phương hướng của hệ thống bức

f



Biên độ của các hàm phương hướng có quan hệ với phân bố biên độ của cácthành phần trường, còn argument có quan hệ với phân bố pha của trường trên một mặtcầu có bán kính R, tâm đặt tại gốc tọa độ.

b) Hàm phương hướng biên độ

Nếu định nghĩa hàm phương hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đốicủa biên độ cường độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi R không đổi, thì nóchính là biên độ của hàm phương hướng phức Trong trường hợp tổng quát, biên độcủa hàm phương hướng có thể là các hàm có dấu biến đổi khi  ,  thay đổi Do đóhàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là môđun của hàm phươnghướng phức Như vậy, hàm phương hướng biên độ của trường tổng sẽ là:

) , ( )

,

(   f m  

f  (chỉ số m là kí hiệu biên độ của hàm bức xạ)

Giản đồ phương hướng của anten được định nghĩa là một đồ thị không gian biểuthị sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường Giản đồ phương hướng xéttheo phương diện hình học, là một mặt được vẽ bởi đầu mút của vectơ có độ dài bằnggiá trị của hàm phương hướng f  ,   ứng với các góc (θ,φ) khác nhau.) khác nhau

Có nhiều cách khác nhau để biểu thị đặc tính phương hướng không gian củatrường bức xạ, cụ thể là:

- Biểu diễn 3-D: Giản đồ phương hướng được thiết lập bằng cách lấy một mặt

cầu bao bọc nguồn bức xạ Tâm của mặt cầu được chọn trùng với gốc của hệ tọa độcầu Khi ấy, mỗi điểm cường độ trường đo được trên mặt cầu sẽ tương ứng với mộtcặp giá trị nhất định của tọa độ góc (θ,φ) khác nhau.)

- Biểu diễn 2-D trong mặt phẳng E và H: Ngoài cách biểu diễn 3-D như trên,

giản đồ phương hướng còn được biểu diễn bởi 2 đồ thị 2-D trong mặt phẳng E và mặtphẳng H Giản đồ phương hướng 3-D có thể được xây dựng từ hai giản đồ 2-D này

Để có được giản đồ bức xạ 2-D, hệ anten được đo giản đồ phương hướng trong hai

mặt phẳng E và H của anten (mặt phẳng cắt) Mặt phẳng cắt thu được bằng cách giữ

nguyên một đại lượng θ hoặc ф và thay đổi đại lượng còn lại

- Biểu diễn dưới dạng các đường đẳng mức: Giản đồ phương hướng còn có thể

biểu diễn bởi các đường cong đẳng mức của cường độ trường Các đường cong này làcác đường khép kín Cực đại của giản đồ phương hướng và của các múi phụ được biểuthị bởi các dấu chấm trên mặt cầu Khi đem chiếu phần mặt cầu có các đường đẳng trịnói trên lên mặt phẳng ta sẽ nhận được giản đồ phương hướng của trường bức xạ Tuy nhiên, khi biểu diễn giản đồ phương hướng, cần phải chọn các mặt phẳng cắtsao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ:

- Khi giản đồ phương hướng có dạng tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt là mặtphẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị

- Khi giản đồ phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn

là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng cực đại của giản đồ phươnghướng Hướng trục của hệ tọa độ có thể chọn tùy ý nhưng thường được chọn sao chothích hợp với dạng của giản đồ phương hướng Nếu giản đồ phương hướng có trục đốixứng thì tốt nhất nên chọn trục đó làm trục tọa độ, còn không thì chọn hướng cực đạicủa giản đồ phương hướng

Giản đồ phương hướng 2-D có thể biểu diễn trong hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độvuông góc:

- Hệ toạ độ cực thường được sử dụng để vẽ giản đồ anten có độ định hướng

không cao Định dạng này đặc biệt hữu dụng để quan sát phân bố công suất trongkhông gian

- Hệ tọa độ vuông góc được sử dụng để biểu thị giản đồ phương hướng hẹp một

cách chi tiết Trường hợp này biên độ tín hiệu nằm trên trục y và góc nghiêng nằm trêntrục x Khi đó các giá trị của |fθ| hoặc |fφ) khác nhau.| có thể được biểu thị theo thang tỉ lệ thôngthường hay theo thang logarit

Để thuận tiện cho việc thiết lập và phân tích các giản đồ phương hướng, tathường dùng giản đồ phương hướng chuẩn hóa Về mặt toán học, hàm phương hướngchuẩn hóa là hàm hướng chia cho giá trị cực đại của môđun (lấy giá trị tuyệt đối).

Dưới đây là ví dụ về giản đồ phương hướng chuẩn hoá trong hệ tọa độ cực và

hệ tọa độ vuông góc:

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

Để so sánh giản đồ phương hướng của các anten khác nhau, ta đưa ra khái niệm

độ rộng của giản đồ phương hướng Độ rộng của giản đồ phương hướng được định

nghĩa là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suấtbức xạ giảm đến một giá trị nhất định Thường thì độ rộng của giản đồ phương hướngđược xác định ở hai mức:

- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà

theo đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không

- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức nửa công suất (-3dB) là góc giữa

hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng vớicường độ trường giảm đi 2lần)

c) Hàm phương hướng pha

Đặc tính phương hướng pha của anten biểu thị trong các hàm số arg f và arg f

của công thức (1.3) Ở đây, arg f và arg fchỉ biểu thị pha của hàm phương hướng,còn pha của các thành phần vectơ trường tại điểm khảo sát được xác định bởi:

Với k là hệ số truyền sóng và R là khoảng cách từ điển khảo sát tới anten

1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ

Ta đã biết ba đặc tính cơ bản của trường bức xạ là đặc tính phương hướng biên

độ, đặc tính phương hướng pha và đặc tính phân cực Ở phần này ta sẽ xem xét về đặctính phân cực của trường bức xạ

Biên độ phức của vectơ điện trường được xác định bằng công thức:

] [

R

e ik

Nếu ở hướng nào đó mà cả hai hàm số f và f đều khác không, còn argumentcủa chúng bằng nhau thì vectơ E sẽ có hai thành phần theo hướng i và i Nhưng

vì hai thành phần này đồng pha nhau nên hướng của E trong không gian sẽ khôngđổi, ta cũng nhận được trường phân cực thẳng

Nếu hiệu argument của hai thành phần bằng  , nghĩa là có thể coi một trong haithành phần hướng cùng chiều với vectơ đơn vị, còn thành phần thứ hai hướng ngượcchiều với vectơ đơn vị nhưng hai thành phần này đồng pha nhau Ta có hướng củavectơ E trong không gian cũng không biến đổi và vẫn nhận được trường phân cựcthẳng

Khi ở tất cả các hướng đều nhận được trường phân cực thẳng, ta nói anten bức xạsóng phân cực thẳng Nếu ở hướng nào đó có f và f khác không, còn arg f và



f

arg có giá trị khác nhau tùy ý thì trường ở hướng ấy sẽ là trường phân cực elip.Thực vậy, nếu gọi các vectơ thành phần trên hướng i và i là E1 và E2,còn hiệu argument của chúng bằng 2 (arg f - arg f = 2 ), ta có thể viết biểu thứcgiá trị tức thời phức số các thành phần trường (với giả thiết trường biến thiên điều hòatheo thời gian) như sau:

) arg (

m e f R

ik E



) arg (

m e f R

ik E

Khi E1m = E2m thì phân cực elip biến thành phân cực tròn

Mặt phẳng tạo bởi vectơ điện trường và hướng truyền sóng được gọi là mặtphẳng phân cực

1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích

Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất

bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi

anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của haianten là giống nhau.

Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồnnguyên tố nào đó đã biết Nếu lấy anten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng

có thể được định nghĩa: hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suấtbức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiệncông suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp

0

1 1 1

1

) , ( ) , (

Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho

và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc anten

Tính toán cuối cùng cho ta:

) , ( F D d

d sin ) , ( F

) , ( F 4

0

2 0

2 m

1 1

2 m

(

F 2

m   là hàm phương hướng chuẩn hoá

Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất

bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn(thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết côngsuất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho

mức độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bằng tỉ số của công suất bức xạtrên công suất đặt vào anten:

Trong đó: P là công suất bức xạ

P 0 là công suất đặt vào antenĐối với anten có tổn hao thì P < P 0 nên A  1 Đối với anten lý tưởng (khôngtổn hao) thì A  1

Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau, thì anten thực (có A  1)

sẽ có công suất bức xạ A P0 Như vậy, so với khi công suất bức xạ bằng nhau thìtrong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng A

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:

) , ( )

, ( )



Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạcủa anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính địnhhướng của anten mà còn biểu thị tổn hao trên anten

1.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten

1.1.4.1 Khái niệm chung

Trong đường truyền nói chung, tiếp điện cho anten nói riêng, việc phối hợp trởkháng là hết sức quan trọng

Nội dung của phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 5, trong đó sử dụng mộtmạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường là mộtmạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở khángvào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đường truyền Khi ấy

sự phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ không cònnữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạqua lại nhiều lần Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh

Hình 5: Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường

truyền sóng

1.1.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng

Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng vì những lí do sau :

- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đạicòn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống kháctrong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấpv.v

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dànanten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khiphân chọn công suất

1.2 Đường truyền vi dải và anten mạch dải

1.2.1 Đường truyền vi dải

Hệ thống kỹ thật siêu cao tần trong những ngày đầu dùng đường truyền ống dẫnsóng và cáp đồng trục là chủ yếu, về sau phát triển thêm công nghệ đường truyền dải

và dần trở nên chiếm ưu thế Vào những năm 50, những người nghiên cứu đang tìmkiếm một cách thức đơn giản hơn và rẻ hơn để chế tạo nhiều hàm tích hợp trong mộtkhối đã phát triển mạch dải (stripline) và vi dải (microstrip) Ống dẫn sóng có ưu điểm

là khả năng truyền tải công suất lớn, tổn hao nhỏ nhưng kích thước lớn và chi phí cao.Cáp đồng trục cho độ rộng dải thông lớn và dễ sử dụng nhưng khó kết nối với các thiết

bị siêu cao tần khác Công nghệ đường truyền dải đã cung cấp các đường truyền cóachi phí thấp, dễ phối họp với các phần tử tích cực như diot, tranzito, phạm vi trở khángđặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải thông tương đối rộng

1.2.1.1 Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải.

Hình 6: Đường truyền vi dải Đường truyền vi dải gồm dải dẫn điện với độ rộng “w” và độ dày “t” phân cách với đất nhờ lớp điện môi (hay còn gọi là chất nền) có độ dày “h” và hệ số ε r như được minh hoạ ở hinh trên.

Hình 7: Phân bố trường của đường truyền vi dải

Ưu điểm chính của mạch vi dải so với mạch dải là tất cả các thành phần tích cực

có thể được đặt ở mặt trên của bản mạch Còn nhược điểm của nó là khi cần có độcách điện cao, chẳng hạn với bộ lọc hay thiết bị chuyển mạch, có thể phải xem xét đếntấm lá chắn ngoài

Do không dự tính trước được đáp ứng của mạch nên mạch vi dải có thể phát xạ.Trong đường truyền vi dải, các tín hiệu có tần số khác nhau đi thẳng với tốc độ khácnhau gây ra sự phân tán

1.1.2.2 Các tham số cơ bản

a) Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng

Hình 8: Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac

Khi độ dày của chất dẫn t = 0, trở kháng đặc tính Z 0 và hệ số điện môi hiệu

ứng ε e được tính theo công thức Wheeler và Schneider:

0

h W h

W h W W h Z

e e

2

1 2

1

h W F

r r

/ 1

) / 12 1 (

) / 1 ( 041 0 ) / 12 1 ( ) / (

W h

h W W

h h

W

F

1 /

1 /





h W

h W

Sai số tương đối của evà Z0 phải nhỏ hơn 1% Trong đó W/h được tính:

r A

A

B B B

2 1 ) 1 2 ln(

1 2

120 2

r r

Z A

12

160

Giá trị của trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng là hàm của tỉ số W/h

được minh hoạ hình dưới đây, ở đây e

om với r = 1) cũng được vẽ bởi một đường cong gạch đứt

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

b) Ảnh hưởng của độ dày chất dẫn

Công thức đơn giản và chính xác của trở kháng đặc tính Z 0 và hệ số điện môi hiệuứng εe với độ dày chất dẫn hữu hạn là:

0

h W h

W h W W h Z

e e

e

e e e

Trong đó:

t h

W

t W h

t h

W h

W e

2 ln 1 25 1 120

4 ln 1 25 1

C h W F

r r

2

12

1 





h W

h t

C r

/

/6.4

1





Lưu ý rằng Z0và e không bị ảnh hưởng của độ dày chất dẫn khi tỉ số t/h nhỏ.

Tuy nhiên độ dày chất dẫn sẽ ảnh hưởng đến suy hao chất dẫn trong đường truyền vidải

1.1.2.3 Trở kháng đặc tính biến thiên của theo tần số

Trở kháng đặc tính biết thiên một cách phức tạp do sự phụ thuộc của tần số vàohình học và điện môi Khi đó ta cần có phương pháp để tính trở kháng đặc tính

Một phương pháp điển hình của Owen là xác định độ rộng hiệu ứng w e, tiếp đólấy đường truyền vi dải làm mô hình cho một cấu trúc ống dẫn sóng hai chiều Độ rộnghiệu ứng của ống dẫn sóng được xác định bởi công thức:

e e

Z

h w

w

c f

 2



Độ rộng hiệu ứng dưới dạng hàm của tần số được tính:

2

)/(1)

(

c

e e

f f

w w w f

120 )

(

0

f f

w

h f

Anten mạch dải (anten mạch in) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó

có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe

< λ) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:o/2

Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi

ε r 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 kíchthước anten sẽ lớn hơn Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thíchhợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng nhưảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước anten nhỏ hơn, nhưng hiệusuất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn Trong khi đó, anten mạch dảithường 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 antenmạch 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 nhaunhư: hình vuông, hình chữ nhật, dipole, hình tròn, elip, hình tam giác…các dạng nàyđều 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 phíatrên 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 tínhiệu 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 (đượcchế 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 tronglĩnh 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 linhhoạt 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 xạnguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một vài phần trăm) Ta có thể nâng hiệu suất bằng cáchtăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thểtăng 35% Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảmcông suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờgiới 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 hốccộng hưởng

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG RFID2.1 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 vàtrở 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 chứckhác Chúng cung cấp cho chúng ta các thông tin về con người, hàng hoá, động vậttrong việc di chuyển Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID

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 vàđược ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạonên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau Chúng được xắp xếptheo 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

Mãvạch

Mãvạch

RFID

Thẻ thông minh

Thẻ thông minh

Giọngnói

Hệ thống nhận dạng tự động

Hệ thống nhận dạng tự động

Sinhhọc

Sinhhọc

Vân tay

Vân tay

Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động

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 dạngsinh 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 thẻđiện thoại Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kếtnối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện Thẻ được cung cấp năng lượng và xungđồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻđược truyền theo dạng nối tiếp hai chiều

Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằnghầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc vớikhoảng cách gần Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụnghoặc 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 côngnghệ 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 bằngthẻ thông minh trên Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theođược, đó chính là thẻ RFID Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính lànăng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phảithông 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 dạngdựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó Do những đặc tính ưu việt của công nghệcủa hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngàynay 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) vàphần mềm xử lý trung gian Đầu đọc sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lýtheo 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 cókhả năng tự động phát đi trả lời

Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm các thành phần sau:

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 cókhả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của đầu đọc Để nhận năng lượng từđầu đọc, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần Tức làthẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với đầu đọc để có thể nhận được năng lượng

đầu đọc Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúngcũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần Nó có thể tương tác vớireader ở khoảng cách xa hơn

Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vàotrường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữliệu

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 nốitiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạchđiều 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 hệthống 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 thựchiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc Khi các hệ thống RFID pháttriển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiếncho 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 từquan 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 hệthống 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 phươngpháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten RF - Trườngkhu 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 dâyanten của thẻ Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyếnđược sử dụng (r = λ) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:/2π).)

Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từđầu 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 trườnggần 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 củakhoảng cách từ cuộn anten Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là khoảngcách giữa đầu đọc và thẻ Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậythường 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 trựcgiao với mặt phẳng anten đầu đọc thì rất mạnh, trái lại thành phần cường độ trườngsong 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 thểnhận 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 đầuđọc tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM Đầu đọc sẽ phát ranăng 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 hưởngbởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ Bằng cách thay đổi trở kháng tảicủa 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 là2.45GHz hoặc 5.8GHz Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởimật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu đầu đọc đối với tín hiệuphản xạ từ thẻ Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngàycàng 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 suấtkhoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được Khoảng đọc của hệ thống có thể daođộng 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 hệthống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin diđộng, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ đượcphép hoạt động với dải tần được cấp phép (dải ISM) Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dảitần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứngdụng 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 thốngRFID LF hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz Các hệ thống nàythường sử dụng thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp và thíchhợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạngchủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF) Thẻ LFtích 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 sốtiêu 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 hoạtđộng 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 RFIDUHF 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 dữliệu giữa thẻ và đầu đọc cao Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa đượcchấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới.

Băng tần vi ba (MWF) có dải tần trên 1GHz Hệ thống RFID MWF hoạt động tạimột trong các tần số 2.45GHz, 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số được sử dụng phổbiến nhất và được chấp nhận rộng rãi Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cảthẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và reader nhanh nhấttrong tất cả các hệ thống trên Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nênanten 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 đikèm 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 lýtheo 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 nhậndạng mà không cần đến sự hỗ trợ của con người Giảm chi phí nhân công và lỗi nhâncông

- 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 dạngduy 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 thểchứa 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 rãitrong 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 lỏngđối 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