Thiết kế mô phỏng và chế tạo ăng ten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LÊ CÔNG CƯỜNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz Chuyên ngành: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN

CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ CÔNG CƯỜNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN

CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz

Chuyên ngành: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN

Hà Nội – Năm 2012

Lê Công Cường  

MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN 4

1.1 Khái niệm về ăng-ten 4

1.2 Hệ phương trình Maxwell 5

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 6

1.4 Các thông số cơ bản của ăng-ten 7

1.4.1.1 Trở kháng vào của ăng-ten 7

1.4.1.2 Hiệu suất của ăng-ten 8

1.4.1.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích 9

1.4.1.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten 10

1.4.1.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 12

1.4.1.6 Tính phân cực của ăng-ten 12

1.4.1.7 Dải tần của ăng-ten 13

1.4.1.8 Hệ số sóng đứng (VSWR) 14

1.4.1.9 Vùng bức xạ của ăng-ten 14

1.5 Các hệ thống ăng-ten 15

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13.56MHz 17

2.1 Ăng-ten cho ứng dụng đầu đọc RFID 13.56 MHz 17

2.1.1 Lựa chọn kiểu ăng-ten 17

2.1.2 Tính chất của ăng-ten dạng vòng 18

2.2 Lựa chọn IC Reader 20

2.2.1 Tiêu chí lựa chọn IC RFID Reader 20

2.2.2 Cấu trúc của IC MFRC531 21

Lê Công Cường  

2.2.3 Cấu trúc của đầu đọc RFID 23

2.2.4 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ Tag 24

2.3 Thiết kế ăng-ten 30

2.3.1 Kích thước của ăng-ten 30

2.3.2 Thiết kế ăng-ten mạch in 32

2.3.3 Tính toán, mô phỏng các thông số của ăng-ten 33

2.3.4 Tính toán băng thông cho ăng-ten 39

2.3.5 Thiết kế mạch lọc cho ăng-ten 41

2.3.6 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 43

2.3.7 Kết quả mô phỏng 48

2.3.8 Thiết kế phần cứng Ăng-ten 49

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz 50

3.1 Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz 50

3.2 Thiết kế đầu đọc RFID 13,56 MHz 50

3.3 Thiết kế phần mềm 57

3.3.1 Thiết kế phần mềm cho Vi điều khiển 57

3.3.2 Thiết kế phần mềm quản lý trên máy tính 58

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 60

4.1 Kết quả đặt được 60

4.2 Bàn luận 60

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Lê Công Cường  

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến – Đại học Bách Khoa Hà Nôi Các số liệu, thiết kế và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu vào khác

Học viên

Lê Công Cường

Lê Công Cường  

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến đã hướng dẫn, giúp đỡ

và tạo mọi điều kiện trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu để hoàn thành luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các thầy cô tại Viện nghiên cứu quốc tế MICA – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả trong thời gian thực tập hoàn thành luận văn

Lê Công Cường  

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VSWR : Voltage Standing Wave Ratio

RFID : Radio – Frequency Identification

ASK : Amplitude Shift Keying

Lê Công Cường  

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hệ thống ăng-ten thu và phát 4

Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực 11

Hình 1.3: Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc 11

Hình 1.4: Phân vùng bức xạ của ăng-ten 15

Hình 2.1: Kiểu ăng-ten mạch in cho đầu đọc RFID 13.56 MHz 17

Hình 2.2: Ăng-ten dạng vòng bé trong tọa độ cầu 18

Hình 2.3: Phân bố điện trường của ăng-ten dạng vòng bé 19

Hình 2.4: Sơ đồ mạch tương đương 19

Hình 2.5: MFRC531 21

Hình 2.6: Cấu trúc của IC MFRC531 22

Hình 2.7: Cấu trúc của mạch RFID Reader 23

Hình 2.8: Quá trình giao tiếp giữa mạch Reader và thẻ Tag 24

Hình 2.9: Quá trình truyền năng lượng 24

Hình 2.10: Tác động của của 1 phần tử dòng điện 25

Hình 2.11: Tác động của dây dẫn hình tròn 25

Hình 2.12: 100% ASK – ISO14443A 28

Hình 2.13: Bit ‘1’ – Miller 28

Hình 2.14: Bit ‘0’ – Miller 28

Hình 2.15: Bit ‘0’ – 1 Miller 29

Hình 2.16: Quá trình truyền dư liệu từ thẻ Tag đến mạch RFID Reader 29

Hình 2.17: Quan hệ giữa chiều dài ăng-ten và khoảng cách giao tiếp 31

Hình 2.18: Ăng-ten của mạch RFID Reader 32

Hình 2.19: Các lớp ăng-ten mạch in 33

Hình 2.20: Mô hình tương đương của Ăng-ten 33

Hình 2.21: Ăng-ten trên phần mềm Sonet Suite (2D và 3D) 34

Hình 2.22: Đặt thông số các lớp điện môi 35

Hình 2.23: Đặt thông số vật liệu làm ăng-ten 35

Hình 2.24: Mô phỏng tính toán thông số R L C a, ,a a .36

Lê Công Cường  

Hình 2.25: Các thông số của nguồn phát 37

Hình 2.26: Giá trị của L a 37

Hình 2.27: Giá trị của R a 38

Hình 2.28: Giá trị của C a 38

Hình 2.29: Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và băng thông của ăng-ten 39

Hình 2.30: ISO14443A 40

Hình 2.31: Giá trị R s 40

Hình 2.32: Mạch lọc thông thấp 41

Hình 2.33: Mạch lọc cho khối phát 42

Hình 2.34: Mạch lọc cho khối phát và thu của ăng-ten 43

Hình 2.35: Mạch phối hợp trở kháng 44

Hình 2.36: Mạch tính toán giá trị phối hợp trở kháng 44

Hình 2.37: Sơ đồ tương đương của Z2 46

Hình 2.38: Sơ đồ mạch tương đương của ăng-ten 47

Hình 2.39: Sơ đồ mô phỏng ăng-ten 48

Hình 2.40: Kết quả mô phỏng của ăng-ten 49

Hình 3.1: Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz 50

Hình 3.2: Cấu trúc đầu đọc RFID 13,56 MHz 51

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của đầu đọc RFID 13,56 MHz 54

Hình 3.3: Sơ đồ sắp xếp linh kiện 55

Hình 3.4: Sơ đồ mạch in 55

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán của đầu đọc RFID 13,56 MHz 57

Hình 3.6: Giao diện phần mềm quản lý 58

Lê Công Cường 1

• Cơ sở thực tiễn:

RFID có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quản lý đối tượng, quản lý nhân

sự, quản lý hàng hóa bán lẻ trong siêu thị, nghiên cứu động thực vật học, quản lý hàng hóa xuất, nhập trong xí nghiệp hay nhà kho, quản lý xe cộ qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu, kiểm kê, chống trộm, tự động chấm công, bố mẹ theo dõi con cái,

tự động nhận diện, an ninh khu vực, quản lý thủy hải sản…

Ăng-ten ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hoạt động của hệ thống RFID, do vậy

tác giả đã chọn đề tài: “Thiết kế mô phỏng và chế tạo Ăngten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz” làm luận văn thạc sỹ của mình

Lịch sử nghiên cứu

Việc nghiên cứu thiết kế ăng-ten cho hệ thống RFID được tiến hành từ trước Cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II cho đến nay và ngày càng phát triển với nhiều kiểu ăng-ten mới, vật liệu mới, công nghệ mới, tần số cao được tạo ra Đối với Việt Nam, do còn hạn chế về cơ sở vật chất nên chưa thể nghiên cứu chế tạo ăng-ten RFID ở tần số cao (GHz) mà mới dừng lại ở ăng-ten RFID tần số MHz

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Mục đích nghiên cứu: Nắm vững cơ sở lý thuyết về thiết kế ăng-ten và phương pháp phân tích, mô phỏng, chế tạo ăng-ten RFID 13,56 MHz, đồng

Lê Công Cường 2

thời tiến đến làm chủ công nghệ thiết kế toàn bộ hệ thống ứng dụng RFID 13,56 MHz bao gồm ăng-ten, đầu đọc và phần mềm ứng dụng

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Các kiểu ăng-ten trong giải tần HF (3 ÷ 30 MHz) phù hợp với ứng dụng RFID 13,56 MHz

- Các vi mạch tích hợp kết nối ăng-ten có chức năng cấu thành nên đầu đọc RFID 13,56 MHz

- Lập trình theo các chuẩn giao thức quốc tế giữa đầu đọc và thẻ Tag

• Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:

- Nắm vững phương pháp phân tích, thiết kế, mô phỏng ăng-ten RFID tần số 13,56 MHz

- Chế tạo thành công ăng-ten dạng mạch in cho đầu đọc RFID 13,56 MHz

- Chế tạo thành công đầu đọc RFID 13,56 MHz bao gồm cả thiết kế phần cứng và phần mềm

Phương pháp nghiên cứu

• Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế ăng-ten, phân tích ứng dụng RFID

để lựa chọn kiểu ăng-ten phù hợp

• Bước 2: Thiết kế ăng-ten bằng phần mềm chuyên dụng, mô phỏng và tính toán các thông số của ăng-ten

• Bước 3: Chế tạo và hiệu chỉnh ăng-ten

• Bước 4: Xây dựng đầu đọc RFID 13,56 MHz và phần mềm ứng dụng để kiểm chứng lại hoạt động của ăng-ten

Cấu trúc của luận văn

Tác giả chia luận văn gồm các phần sau:

Mở đầu

Chương 1: Cơ sở lý thuyết ăng-ten

Chương 2: Thiết kế ăng-ten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz

Lê Công Cường 3

Chương 3: Thiết kế hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz Chương 4: Kết quả và bàn luận

Kết luận

Lê Công Cường 4

Thiết bị điều chế Máy phát

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thống bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Ăng-ten

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN

1.1 Khái niệm về ăng-ten

Ăng-ten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài

Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòi hỏi ăng-ten 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 trường hợp tổng quát, ăng-ten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều

hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử ăng-ten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp ăng-ten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp ăng-ten thu) [1]

Hình 1.1 Hệ thống ăng-ten thu và phát [1]

Lê Công Cường 5

1.2 Hệ phương trình Maxwell

Lý thuyết ăng-ten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện

động lực học: các phương trình Maxwell

Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo

thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức eiωt

)cos(

- E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m)

- H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)

- J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( 2

εp 1 i (1.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường)

- ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)

Lê Công Cường 6

- σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một

số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên

Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như sau:

1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ

so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới

Lê Công Cường 7

hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo

ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi

từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện

từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1]

1.4 Các thông số cơ bản của ăng-ten

Trong thực tế kỹ thuật một ăng-ten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [2]:

- Dải tần của ăng-ten

1.4.1 Trở kháng vào của ăng-ten

Lê Công Cường 8

Trở kháng vào của ăng-ten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào ăng-ten và dòng điện IA trong ăng-ten

A A A

Thành phần kháng của trở kháng vào của ăng-ten được xác định bởi đặc tính phân

bố dòng điện và điện áp dọc theo ăng-ten (đối với ăng-ten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng Hầu hết các ăng-ten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến ăng-ten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của ăng-ten

1.4.2 Hiệu suất của ăng-ten

Ăng-ten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của ăng-ten ηA chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào ăng-ten Pvào hay PA

Lê Công Cường 9

PA = Pbx + Pth (1.8) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:

P A =I Ae2 R A = I Ae2 (R bx +R th) (1.9)

Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành:

th bx

bx th

bx

bx

R P

P

P

+

=+

Ăng-ten lý tưởng là ăng-ten có hiệu suất ηA = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Ăng-ten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc

là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

Hệ số định hướng của ăng-ten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ ăng-ten có hướng tính sang ăng-ten vô hướng (ăng-ten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó

) 0 (

) , ( )

0 (

) , ( )

P D

bx

bx θ ϕ θ ϕϕ

θ = = (1.11) Trong đó:

- D(θ1,ϕ1) là hệ số định hướng của ăng-ten có hướng ứng với phương (θ1,ϕ1);

Lê Công Cường 10

- Pbx (θ1,ϕ1) và Pbx (0) là công suất bức xạ của ăng-ten có hướng tính ứng với hướng (θ1,ϕ1) và công suất bức xạ của ăng-ten vô hướng tại cùng điểm xét

- E(θ1,ϕ1), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(θ1,ϕ1) lần công suất bức xạ Pbx(0) của ten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(θ1,ϕ1)

ăng-Hệ số tăng ích của ăng-ten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống ăng-ten khi chuyển từ một ăng-ten có hướng sang một ăng-ten vô hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ)

) , ( )

bx P G

P = (1.13)

1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten

Mọi ăng-ten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó ăng-ten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó ăng-ten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của ăng-ten Hướng tính của ăng-ten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của ăng-ten

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách

Lê Công Cường 11

bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của điểm xem xét

Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [3]

Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [3]

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các ăng-ten khác nhau Trong không gian, đồ thị phương hướng

Lê Công Cường 12

của ăng-ten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ϕ) và mặt phẳng đứng góc (θ)

Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất

1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và ăng-ten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

T

T G P

1.4.6 Tính phân cực của ăng-ten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector Ev Hr

biên độ và pha biến đổi Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng

Lê Công Cường 13

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng

Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng ăng-ten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng ăng-ten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng

1.4.7 Dải tần của ăng-ten

Dải tần của ten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của ten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của ăng-ten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của ăng-ten thường gọi là tần số công tác

ăng-Thường dải tần được phân làm 4 nhóm

- Ăng-ten dải tần hẹp (ăng-ten tiêu chuẩn):

- Ăng-ten dải tần tương đối rộng

<

f f

- Ăng-ten dải tần rộng

1 5 4

min max <

<

f f

Lê Công Cường 14

Trong đó: ∆f = fmax – fmin

1.4.8 Hệ số sóng đứng (VSWR)

Để ăng-ten hoạt động với hiệu suất lớn nhất, tức là phần lớn công suất đưa

từ nguồn phát đưa đến ăng-ten phải được ăng-ten phát đi thì phải có sự phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và nguồn phát,

Tức là : *

at s

- Z atlà điện kháng của ăng-ten: Z at =R at+ jX at

- Z slà điện kháng của nguồn phát: Z s =R s+ jX s

1.4.9 Vùng bức xạ của ăng-ten

Đối với một ăng-ten có chiều dài lớn nhất là D, và làm việc ở bước sóng λ thì bức

xạ do ăng-ten phát ra có thể chia làm 3 vùng như Hình 1.4

Lê Công Cường 15

Hình 1.4 Phân vùng bức xạ của ăng-ten

2D R

λ

- Vùng gần là vùng giữ trữ năng lượng của ăng-ten khi được cung cấp năng lượng từ nguồn do vậy có năng lượng lớn nhất

- Vùng giữa bắt đầu có sự bức xạ năng lượng của ăng-ten

- Vùng xa là vùng bức xạ hoàn toàn của ăng-ten

1.5 Các hệ thống ăng-ten

- Ăng-ten thông dụng: ăng-ten râu ôtô, ăng-ten tai thỏ tivi, ăng-ten vòng cho UHF, ăng-ten loga chu kỳ cho tivi, ăng-ten parabol trong thông tin vệ tinh

- Trạm tiếp sóng vi ba: ăng-ten mặt, ăng-ten parabol bọc nhựa

- Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ ăng-ten loa đặt trên vệ tinh, ăng-ten chảo thu sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)

- Ăng-ten phục vụ nghiên cứu khoa học

Quy ước về các dải tần số:

Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng

3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị

30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng

300-3000 KHz Medium Freq (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông

Lê Công Cường 16

tin duyên hải, tìm kiếm

3-30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng

ngắn, hàng hải, hàng không

30-300 MHz Very High Freq (VHF) TV, phát thanh FM, điều khiển giao

thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng

300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar

3-30 GHz Super High Freq

Lê Công Cường 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13.56MHz 2.1 Ăng-ten cho ứng dụng đầu đọc RFID 13.56 MHz

2.1.1 Lựa chọn kiểu ăng-ten

Tần số hoạt động của ứng dụng đầu đọc RFID là 13.56MHz, nên có bước sóng c 22m

f

λ= ≈ do vậy việc sử dụng một ăng-ten dây dẫn kiểu Dipole với chiều dài bằng một nửa bước sóng (11m) hoặc kiểu vòng với chiều dài bằng bước sóng (22m) cho ứng dụng đầu đọc RFID là không khả thi

Để thuận lợi cho tính toán luận văn sẽ sử dụng ăng-ten có kiểu dạng vòng (mô hình hóa đơn giản) và để phù hợp cho ứng dụng đầu đọc RFID ăng-ten

sẽ có chiều dài ngắn hơn nhiều lần so với bước sóng, được thiết kế đưới dạng mạch in kết hợp với mạch phối hợp trở kháng để ăng-ten có thể cộng hưởng ở

Lê Công Cường 18

2.1.2 Tính chất của ăng-ten dạng vòng

Đối với ăng-ten dạng vòng thì nếu chu vi bé hơn một phần mười bước sóng

(2.2m) thì được gọi là ăng-ten dạng vòng bé (small loop antenna), do vậy ăng-ten của đầu đọc RFID là ăng-ten dạng vòng bé

Trường điện từ do ăng-ten dạng vòng bé đặt trong tọa độ cầu (Hình 2.2) sinh ra

khi có một sự dịch chuyển mcủa dòng điện được thể hiện bằng các phương trình

= là hằng số truyền sóng trong không khí

- ξ = µ ε0/ 0 là trở kháng truyền sóng trong không khí

- r là bán kính ăng-ten

Hình 2.2 Ăng-ten dạng vòng bé trong tọa độ cầu

Lê Công Cường 19

Nhận thấy, khi bán kính r tăng đến giá trị vô cùng thì B r = 0 (công thức (2-3)), do vậy ta có đồ thị EΦ,Bθ nhìn theo mặt cắt dọc như Hình 2.3

Hình 2.3 Phân bố điện trường của ăng-ten dạng vòng bé

Điện kháng của ăng-ten dạng vòng bé được tính như sau:

Đối với dòng điện không đổi thì trong sơ đồ mạch tương đương ko có tụ C

Trở kháng phát xạ của ăng-ten dạng vòng bé được tính theo công thức:

Lê Công Cường 20

ăng-2.2 Lựa chọn IC RFID Reader

2.2.1 Tiêu chí lựa chọn IC RFID Reader

Lựa chọn IC RFID Reader là một phần rất quan trọng trong nội dung thiết kế của luận văn, vì IC này xây dựng lên đầu đọc RFID, mà ăng-ten là một phần trong thiết

kế của mạch

Một số hãng sản xuất IC RFID Reader ở tần số 13.56MHz có thể kể ra như Texas Instruments với dòng IC TRF79xx, Austriamicrosystems với dòng IC AS3910, Ids-microchip với dòng IC R13MP, R14AB và NXP với dòng IC MFRC5xx, CLRC6xxx … Trong đó, NXP là công ty đứng đầu thế giới về thiết kế và sản xuất

IC RFID Reader 13.56 MHz, do vậy trong nội dung của luận văn sẽ sử dụng IC của NXP trong thiết kế

IC được lựa chọn là MFRC531(Hình 2.5) với các đặc điểm nổi bật như:

Lê Công Cường 21

- Hỗ trợ các chuẩn giao thức ISO/IEC14443A, ISO/IEC14443B

- Tốc độ giao tiếp với thẻ Tag nhanh: 106Kbd

- Công suất phát RF khá lớn cho phép khoảng cách giao tiếp với thẻ Tag có thể đạt 100mm mà không cần tầng khuếch đại công suất RF trước ăng-ten

- Dễ dàng ghép nối với Vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp song song hoặc SPI

Hình 2.5 MFRC531

2.3.2 Cấu trúc của IC MFRC531

Cấu trúc của IC MFRC531 được thể hiện ở Hình 2.6

Lê Công Cường 22

Hình 2.6 Cấu trúc của IC MFRC531

Trong đó các khối liên quan đến việc thiết kế ăng-ten là:

- Khối TRANSMITTER CONTROL là khối điều khiển trực tiếp ăng-ten với 2 chân là TX1 và TX2, phát xung điện áp với biên độ ±2.5V ở tần số 13.56 MHz, với góc phase có thể lập trình được Trở kháng đầu ra của các chân TX1, TX2

có thể lập trình được trong dải từ 1Ω÷100Ω

- Khối DEMODULATOR là khối giải mã tín hiệu nhận về qua chân RX theo phương pháp điều chế tải Thực chất là giải mã tín hiệu phản hồi tác động lên khối truyền để lấy thông tin

Lê Công Cường 23

- Khối kiểm tra tín hiệu phục vụ quá trình thiết kế ăng-ten bao gồm các chân:

o AUX: Kiểm ta tín hiệu nhận được từ ăng-ten (khi có truyền dữ liệu từ thẻ Tag đến ăng-ten)

o MFIN: Cho phép đưa tín hiệu kiểm tra theo chuẩn ISO/IEC 14443 A đến khối ăng-ten

o MFOUT: Cho phép lấy tín hiệu theo chuẩn ISO/IEC 14443 A từ khối

ăng-ten

2.3.3 Cấu trúc của đầu đọc RFID

Cấu trúc đầu đọc RFID được thể hiện ở Hình 2.7

Hình 2.7 Cấu trúc của đầu đọc RFID

Trong cấu trúc này gồm có 3 khối chính:

- Khối Vi điều khiển giao tiếp với IC Reader MFRC531 theo chuẩn song song hoặc SPI, có chức năng điều khiển mọi hoạt động của IC Reader, như hoạt động đọc thẻ Tag, ghi thẻ Tag, chọn thẻ Tag …

- MFRC531 là IC Reader, có nhiệm vụ thực hiện mọi thao tác với thẻ Tag, và giao tiếp với Vi điều khiển

- Ăng-ten là khối kết nối với IC MFRC531, và là một khối không thể thiếu được trong cấu trúc của mạch, nếu không có ăng-ten thì sẽ không có sự trao đổi thông tin giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag Việc thiết kế ăng-ten ảnh hưởng trực tiếp đến

Lê Công Cường 24

chất lượng hoạt động của hệ thống, do vậy vấn đề thiết kế ăng-ten là vấn đề được luận văn nghiên cứu và trình bày chi tiết

2.3.4 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag

Về cơ bản, có 3 quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag thông qua

ăng-ten (Hình 2.8):

- Quá trình truyền năng lượng từ đầu đọc đến thẻ Tag

- Quá trình gửi dữ liệu từ đầu đọc đến thẻ Tag

- Quá trình gửi dữ liệu từ thẻ Tag đến đầu đọc

Hình 2.8 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag

a) Quá trình truyền năng lượng

Quá trình truyền năng lượng từ đầu đọc RFID đến thẻ Tag tuân theo định luật

cảm ứng điện từ, được mô tả ở Hình 2.9

Hình 2.9 Quá trình truyền năng lượng

Lê Công Cường 25

Để tính giá trị điện áp sinh ra trên ăng-ten của thẻ Tag, ta áp dụng định luật

Ampere và định luật Faraday

Với định luật Ampere chúng ta biết rằng 1 phần tử dòng điện trong một dây đẫn

(Hình 2.10) tạo ra một từ trường Btại 1 điểm cách dây dẫn một khoảng rđược tính theo công thức (2-9):

Hình 2.10 Tác động của của 1 phần tử dòng điện

Trong trường hợp dân dẫn dài vô hạn, ta có α1= − 180o, α2= 0, dẫn đến công thức

0

2

I B r

µπ

Đối với dây dẫn hình tròn (Hình 2.11) ta có công thức

Hình 2.11 Tác động của dây dẫn hình tròn

Lê Công Cường 26

2 2 3/2 3

1 ( )

Từ công thức (2-11), ta nhận thấy từ trường B, tỷ lệ thuận với số vòng dây, cường

độ dòng điện, bình phương bán kính vòng dây, tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách Đây là một trong các lý do làm cho đầu đọc RFID chỉ đọc được thẻ Tag trong một khoảng cách nhất định, và để tăng khoảng cách này, ta có thể tăng bán kính vòng dây, hoặc cường độ dòng điện, hoặc số vòng dây

Với định luật Faraday ta có điện áp sinh ra trên ăng-ten của thẻ Tag được tính

Lê Công Cường 27

S- Diện tích bề mặt ăng-ten của thẻ Tag

N - Số vòng dây của ăng-ten trên thẻ Tag

a - Bán kính của ăng-ten trên đầu đọc RFID

b - Bán kính của ăng-ten trên thẻ Tag

r- Khoảng cách giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag

- Để tăng khoảng cách giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag, ngoài các yếu tố

đã rút ra từ công thức (2-11), ta có thể tăng bán kính hoặc số vòng dây của

ăng-ten đầu đọc RFID

- Độ biến thiên dòng điện trong ăng-ten đầu đọc RFID (di1

dt ) tỷ lệ thuận với tần số sóng mang, và trong luận văn này sử dụng IC Reader MFRC531 với tần số sóng mang là 13.56 MHz