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.

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 TÓM TẮT NỘI DUNG Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 Dương Đình Sáng MỤC LỤC Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 Dương Đình Sáng 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 Dương Đình Sáng 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 Dương Đình Sáng 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 Hình 42: Bức xạ 3-D của anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 Dương Đình Sáng 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). Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực thông tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong Dương Đình Sáng Trường Đại học CôngNghệ 2 [...]... 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 phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại hệ thống 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... 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 Hình 1: Cấu trúc chung của hệ thống anten 1.1.3 Các thông số đặc trưng của anten: 1.1.3.1 Trường bức xạ Để khảo sát đặc tính trường... 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 cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID. .. của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay 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 Dương Đình Sáng 22 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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... 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 thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các 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... 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 lý theo 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 Dương Đình... thẻ RFID Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phải thông 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 dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống. .. 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 công nghệ không dây này Dương Đình Sáng 21 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp 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 bằng thẻ thông minh trên Nó cũng là thiết. .. giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc... 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 hốc cộng hưởng Dương Đình Sáng 19 Trường Đại học CôngNghệ Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG RFID 2.1 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 và trở . d ng trong th c t . N i dung c a khoá lu n t p trung nghi n c u v l thuy t anten, h th ng RFID v th nghi m thi t k anten cho h th ng n y. B ng. l thuy t v th c nghi m, khoá lu n đã th c hi n đư c nh ng n i dung sau đ y: - Nghi n c u l thuy t v anten v anten m ch dải - T m hi u h th ng RFID