Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (tt)

MHz (916 –932 MHz) với độ định hướng 5.8 dB 7.0 dB tương ứng với tần số 845 MHz 925 MHz Khoảng đọc tối đa anten chế tạo thử nghiệm 6m 4.4m tương ứng với hai dải tần tiêu chuẩn FCC (902 – 928 MHz) IN (840 – 845 MHz) KẾT LUẬN CHUNG Nội dung luận án tìm hiểu anten dệt RFID nghiên cứu cấu trúc AMC nhằm tăng độ linh hoạt, giảm nhỏ kích thước, tăng độ định hướng khoảng cách đọc anten mà không làm suy giảm nhiều thông số khác anten Đóng góp khoa học luận án Luận án có đóng góp khoa học sau: - Đề xuất cấu trúc anten dệt sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động RFID có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp Bên cạnh đó, luận án đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc anten đề xuất có dạng khác biệt với cấu trúc anten lưỡng cực thông thường, ứng dụng cho thẻ RFID dạng dệt có hình dạng đặc biệt - Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn chi phí thấp Bên cạnh đó, luận án đề xuất cấu trúc AMC giảm nhỏ kích thước bề mặt dẫn từ nhân tạo ứng dụng cho việc thiết kế anten thẻ RFID cần khoảng cách đọc lớn Hướng phát triển luận án Hướng phát triển luận án bao gồm: - Nghiên cứu thiết kế anten phân cực tròn sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF - Nghiên cứu thiết kế anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho đầu đọc RFID UHF 24 MỞ ĐẦU Giới thiệu anten RFID sử dụng vật liệu tiên tiến Trong năm gần đây, công nghệ truyền thông không dây kỹ thuật số giới phát triển mạnh mẽ đáp ứng nhu cầu người dùng liên lạc trao đổi thông tin.Thời đại Internet vạn vật (IoT) đòi hỏi phương pháp cho phép liên lạc đối tượng khác với chi phí cực thấp, yêu cầu độ tin cậy độ bền cao môi trường khác Cùng với phát triển nhanh chóng cơng nghệ nhận dạng tần số vô tuyến, thẻ RFID UHF thụ động sử dụng ngày phổ biến trình nhận dạng Những thẻ cho phép nhận dạng không dây đối tượng cách nhanh chóng Ngồi ra, khả tích hợp chức cảm biến vào thẻ RFID ưu điểm công nghệ Tuy nhiên ứng dụng đòi hỏi anten cho hệ thống RFID phải có đặc tính vượt trội cụ thể sau: Anten có kích thước nhỏ gọn, có độ định hướng cao, hệ số tăng ích lớn, tích hợp vào nhiều dạng đối tượng ứng dụng truyền thông không dây… Sự xuất cấu trúc vật liệu tiên tiến năm gần giúp giải vấn đề Đầu tiên phải kể đến cấu trúc anten dệt Một anten dệt vi dải đơn giản bao gồm phát xạ nằm mặt mặt phẳng đất nằm mặt điện mơi Vật liệu điện mơi vải cotton, nỉ, lụa, 100\% polyester Các vật liệu dẫn điện (Zelt, Electron đồng nguyên chất) sử dụng để chế tạo thành phần xạ Bên cạnh cấu trúc anten dệt, cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo quan tâm nghiên cứu Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo dạng siêu vật liệu Siêu vật liệu loại vật liệu nhân tạo chế tạo cách xếp cấu trúc "nguyên tử" để tạo vật liệu có tính chất điện từ theo ý muốn Những tính chất khơng tồn vật liệu tự nhiên mà người biết Sự xếp cấu trúc theo trật tự hỗn loạn Ngoài cấu trúc có kích thước nhỏ nhiều lần so với bước sóng hoạt động siêu vật liệu Siêu vật liệu có ưu điểm vượt trội so với vật liệu thơng thường nhờ vào khả điều chỉnh số điện môi Các thông số anten sử dụng siêu vật liệu cải thiện đáng kể giảm suy hao phản xạ , tăng hiệu suất , băng thơng, hệ số tăng ích, độ định hướng Những vấn đề tồn - Các anten dệt giới thiệu trước đa phần có dạng anten dipole thơng thường, chưa đáp ứng ứng dụng đòi hỏi anten có dạng logo hay uốn gấp khúc - Kỹ thuật tăng độ định hướng anten cách sử dụng bề mặt phản xạ đòi hỏi anten có độ dày tối thiểu ¼ bước sóng dẫn đến kích thước anten lớn - Các anten thẻ RFID sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo giới thiệu có kích thước lớn hoạt động đơn băng Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten dệt dạng uốn gấp khúc sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động RFID - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao khoảng cách đọc lớn Đối tượng nghiên cứu: - Anten dệt dành cho thẻ thụ động RFID dạng uốn gấp khúc - Anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF Phạm vi nghiên cứu - Anten dệt sử dụng đế vải, anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID - Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz dải tần Microwave 2,45GHz Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án từ lý thuyết đến thực nghiệm Đầu tiên luận án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình sau tính tốn mơ phỏng, chế tạo mẫu đo lường, đánh giá Ý nghĩa khoa học đề tài Về lý luận: 10 Tính tốn Thực nghiệm FCC IN KR2 ETSI AU/ SRRC NZ 800 820 840 860 880 900 Tần số (MHz) 920 940 960 Hình 3.36 Mẫu anten chế Hình 3.38 Kết tính tốn đo tạo đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa anten thẻ Bảng 3.7 so sánh anten đề xuất với số anten thẻ RFID sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ cơng bố có dải tần hoạt động tương tự Anten đạt kích thước nhỏ gọn mà đảm bảo tốt tham số hệ số tăng ích anten có thêm ưu điểm hoạt động hai băng tần anten khác hoạt động băng tần Bảng 3.7: So sánh kết mô anten đề xuất với số anten cơng bố Anten Đế điện mơi Kích thước (mm) Hệ số khuếch đại (dBi) [96] Taconic TRF-45, 140mm × 80mm 6,46 εr=4,5, h=1,63mm × 50mm [97] FR-4, εr=4,4, 210mm × 210mm 5,13 h=3,2mm × 6,4mm [98] FR-4, εr=4,4, 160mm × 80mm 4,53 h=1,6mm × 15mm Anten FR-4, εr=4,4, 190mm × 190mm 6,75 đề xuất h=0,8mm × 15, 8mm 3.6 Kết luận Chương mô tả cấu trúc anten đơn hướng, cấu hình nhỏ gọn với hai băng tần dành cho ứng dụng RFID UHF Anten có kích thước tổng cộng 190mm × 190 mm × 15.8 mm (0.55λ × 0.55λ × 0.046λ) tần số 925 MHz, băng thông thu 15 MHz (840 – 855 MHz) 23 Trở kháng vào (Ohm) cực cộng hưởng mức tần số cao tạo bề mặt dẫn từ nhân tạo Hiện tượng sóng bề mặt lan truyền bề mặt dẫn từ nhân tạo kích thích tạo cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten 3.5 Thực nghiệm Hình 3.36 minh họa anten thẻ RFID UHF đề xuất sau chế tạo thử nghiệm Từ tài liệu thông số kỹ thuật mô đun đầu đọc, anten đầu đọc chip, có Pt = 30 dBm, Gt = dBic Ptag = -15 dBm Vì anten đầu đọc có phân cực tròn anten thẻ có phân cực tuyến tính, ρ giả sử 0,5 Bằng cách thay giá trị Dtag Γ từ kết mô phần mềm HFSS, khoảng đọc tối đa anten thẻ tính tốn minh họa hình 3.38 Kết cho thấy khoảng đọc tối đa anten 6,9 m 7,4 m tương ứng với tần số 845 MHz 925 MHz Khoảng đọc tối đa anten mẫu chế tạo đo cách giữ cho anten thẻ dịch chuyển cách xa anten đầu đọc dọc theo đường thẳng đến điểm xa mà đầu đọc phát thẻ Thí nghiệm thực với bảy dải tần số tiêu chuẩn cung cấp mơ đun đọc RFID Thingmagic Me6 Hình 3.32 Trở kháng đầu vào Hình 3.33 Hệ số phản xạ của anten đề xuất với bề mặt dẫn từ anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo có kích thước khác nhân tạo có kích thước khác 22 - Các kết nghiên cứu luận án góp phần phát triển giải pháp để giảm nhỏ kích thước, cải thiện số tham số cho anten thẻ thụ động RFID UHF với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo - Các kết nghiên cứu luận án đưa cơng bố có giá trị khoa học, góp phần tạo sản phẩm thương mại tương lai Về thực tiễn: Các cấu trúc anten thẻ sử dụng nguyên lý vật liệu tiên tiến đề xuất hoạt động hệ thống nhận dạng sóng vơ tuyến RFID Những đóng góp luận án Những đóng góp khoa học luận án bao gồm: - Đề xuất cấu trúc anten dệt sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động RFID dạng uốn gấp khúc có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo - Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn Cấu trúc nội dung luận án Luận án bao gồm chương Nôi dung chương giới thiệu tổng quan cơng nghệ RFID, cấu trúc tham số anten thẻ RFID Các kỹ thuật phối hợp trở kháng anten chip số kỹ thuật để cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten RFID phân tích chi tiết Chương trình bày giải pháp sử dụng cấu trúc dệt đế điện môi vải áp dụng việc thiết kế anten thẻ RFID UHF có cấu trúc mềm dẻo Anten bao gồm lưỡng cực nhỏ gọn dệt đế điện môi vải Cấu trúc anten có dạng uốn gấp khúc viết tắt Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) Chương đề xuất giải pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo việc thiết kế anten thẻ RFID UHF hai băng tần có cấu hình thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn CHƯƠNG ANTEN RFID Chương giới thiệu tổng quan công nghệ RFID, cấu trúc, tham số anten thẻ RFID kỹ thuật phối hợp trở kháng anten chip Một đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng khả hoạt động anten thẻ RFID vật liệu đế điện môi sử dụng để chế tạo anten phân tích cụ thể Bên cạnh đó, số giải pháp nhằm giảm nhỏ kích thước, cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten RFID phân tích chi tiết 1.1 Công nghệ RFID Hệ thống RFID bao gồm đầu đọc kết nối với máy tính liên lạc với thẻ thông qua tần số vô tuyến Thẻ bao gồm đế với anten chế tạo IC gắn anten Đầu đọc gửi nhận thông tin đến từ thẻ sau gửi đến máy Hình 1.1 Hệ thống RFID tính 1.2 Thẻ RFID Thẻ RFID thu phát tín hiệu vơ tuyến Thẻ bao gồm hai phần, anten mạch tích hợp (IC) Chức anten thu trường điện từ xạ đầu đọc tần số xác định Năng lượng điện từ nhận được chuyển đổi thành lượng điện cung cấp cho mạch tích hợp Chip gắn thẻ có khả lưu trữ thông tin truyền đến đầu đọc, thực thi chuỗi lệnh lưu trữ thông tin gửi đầu đọc Khi thiết kế anten cần phối hợp trở kháng anten với tải để đảm bảo công suất tối đa truyền từ anten sang chip cách thay đổi kích thước anten cách thêm phần tử thụ động 1.3 Các tham số anten thẻ RFID 1.3.1 Trở kháng đầu vào 1.3.2 Băng thông 1.3.3 Hệ số định hướng 1.3.4 Hệ số tăng ích 1.3.5 Hiệu suất xạ 1.3.6 Phân cực 1.3.7 Khoảng đọc 1.4 Các loại vật liệu đế điện môi Về vật liệu làm đế điện môi ảnh hưởng đến hiệu suất xạ thẻ thơng qua đặc tính nó, hệ số suy hao hệ số điện môi Hiện nay, chưa có nghiên cứu đưa khái niệm vật liệu tiên Để phân tích điểm vượt trội cấu trúc anten đề xuất, việc so sánh đặc tính anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo với anten lưỡng cực đơn thực Theo hình 3.32, trở kháng vào anten lưỡng cực đơn có điểm giao trở kháng vào anten đề xuất có hai điểm giao với trở kháng vào chip Hình 3.34 Đồ thị xạ phương hướng anten lưỡng cực hai tần số 845 MHz 925 MHz: (a) Lưỡng cực đơn, (b) Lưỡng cực có bề mặt dẫn từ nhân tạo Anten lưỡng cực đơn có trở kháng vào Z11 = 22 + j189 (Ω) tần số 925 MHz, anten đề xuất có trở kháng vào Z11 = 19 + j190 (Ω) tần số 845 MHz Z11 = 23 + j192 (Ω) tần số 925 MHz Theo hình 3.33, anten lưỡng cực đơn hoạt động dải tần với số cộng hưởng 925 MHz, hệ số phản xạ |S11| =-31,0 dB băng thông thu 34 MHz (910 – 944 MHz) Anten đề xuất hoạt động hai dải tần với băng thông thu 15 MHz (840 – 855 MHz) 18 MHz (916 – 932 MHz), cộng hưởng hai tần số 845 MHz |S11| =-21 dB 925 MHz |S11| =-26 dB Những kết chứng minh bề mặt dẫn từ nhân tạo tạo đặc tính băng tần kép cho hệ thống anten Bên cạnh đó, để làm rõ chế hoạt động hai băng tần anten đề xuất, tác giả khảo sát đặc tính anten với ba kích thước khác bề mặt dẫn từ nhân tạo bao gồm bề mặt dẫn từ nhân tạo có × 2, × × phần tử Anten với bề mặt dẫn từ nhân tạo có × phần tử (anten đề xuất) cộng hưởng hai tần số 845 MHz |S11| =-21 dB 925 MHz |S11| =-26 dB Với bề mặt dẫn từ nhân tạo có × phần tử, anten cộng hưởng hai tần số 838 MHz |S11 | =-18 dB 885 MHz |S11| =-6 dB Từ kết mơ nhận thấy cộng hưởng mức tần số thấp tạo lưỡng 21 dày h = 0,8 mm Đế điện môi nằm cách mặt phẳng phản xạ khoảng cách Ha = 15 mm Lưỡng cực tiếp điện mạng chữ T Chip UCODE G2XM có trở kháng vào 22 - j195 (Ω) tần số 925 MHz 3.4.2 Khảo sát đặc tính mạng phối hợp trở kháng chữ T Luận án khảo sát trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Lm, Wm tham số Hình 3.26 Cấu trúc hình học lưỡng cực khác giữ nguyên 3.4.3 Khảo sát đặc tính bề mặt dẫn từ nhân tạo Luận án khảo sát trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước bề mặt dẫn từ nhân tạo bao gồm g, Wa, Ha tham số khác giữ nguyên 3.4.4 Cơ chế hoạt động hai băng tần Hình 3.32 Trở kháng đầu vào Hình 3.33 Hệ số phản xạ anten anten lưỡng cực đơn anten kết lưỡng cực đơn anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo 20 tiến lĩnh vực thiết kế anten RFID, luận án tác giả để xuất phân chia loại vật liệu đế điện môi chia thành hai nhóm: - Vật liệu truyền thống: bao gồm loại vật liệu phổ biến polymer, gỗ, giấy, ván ép Vật liệu tiên tiến: bao gồm loại vật liệu có đặc tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng có vật liệu vải cách điện siêu vật liệu 1.4.1 Vật liệu truyền thống - Các loại vật liệu polymer - Bìa tông giấy - Gỗ - Ván ép - Gốm 1.4.2 Vật liệu tiên tiến - Vải cách điện Vật liệu sử dụng nhiều cho ứng dụng thẻ đeo Các ứng dụng đòi hỏi anten có độ mềm dẻo, kích thước nhỏ gon, giá thành hợp lý dễ dàng gắn thể người Vật liệu sử dụng loại vải có tính chất tương tự với đế điện mơi Phần dẫn điện anten làm sợi đồng mảnh Vải dệt thường có số điện mơi thấp, giúp giảm suy hao sóng bề mặt cải thiện băng thơng anten Một số đặc tính vải ảnh hưởng đến thông số anten bao gồm hệ số điện môi, khả hấp thụ độ ẩm, độ dày đế điện môi - Siêu vật liệu Siêu vật liệu loại vật chất nhân tạo chế tạo cách xếp cấu trúc vi mô, gọi "nguyên tử", để tạo tính chất điện từ theo ý muốn Tính chất điện từ loại vật liệu đặc trưng hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm hệ số điện môi Nguyên lý siêu vật liệu tạo mạch cộng hưởng điện từ có khả điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà làm với vật liệu tự nhiên Điểm đáng quan tâm lớn tập trung nghiên cứu phản xạ lan truyền sóng bề mặt Các bề mặt dẫn từ nhân tạo làm giảm hiệu ứng lan truyền cách đưa thay đổi đột ngột tính chất quang học Các đặc tính phân tích qua tượng vật lý phản xạ, khúc xạ dị thường, chuyển đổi phân cực 1.5 Phối hợp trở kháng anten chip 1.5.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm 1.5.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng mạng chữ T 1.5.3 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng khe lồng 1.6 Các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten thẻ RFID 1.6.1 Kỹ thuật uốn gấp khúc 1.6.2 Kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten PIFA 1.6.3 Kỹ thuật dùng tải kháng dung 1.7 Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten RFID Có nhiều phương pháp khác nhà nghiên cứu sử dụng để cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten mảng nhiều anten, thay đổi vật liệu đế điện môi…, phạm vi luận án giới thiệu số kỹ thuật phù hợp với thiết kế thẻ RFID - Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ - Phương pháp sử dụng patch ký sinh - Phương pháp sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ - Phương pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khơng hồn hảo 1.8 Tổng kết chương Chương trình bày tổng quan công nghệ RFID, kỹ thuật chế tạo anten vật liệu sử dụng làm đế điện môi Các tham số kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten thẻ RFID giới thiệu chi tiết Đây sở lý thuyết cho nghiên cứu đề xuất chương sau luận án CHƯƠNG THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID CĨ THỂ TÍCH HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC DỆT 2.1 Giới thiệu chương Trong chương này, kỹ thuật chế tạo anten tích hợp trình bày Tiếp đó, giải pháp sử dụng kỹ thuật dệt đế điện mơi vải phân tích và áp dụng việc thiết kế anten thẻ RFID UHF có cấu trúc hình học dạng uốn gấp khúc Anten hoạt động tần số 2.45 GHz bao gồm thành phần phát xạ lớp điện môi 2.2 Giới thiệu tổng quan anten tích hợp 3.3.3 Khảo sát đặc tính cấu trúc AMC ba khe Luận án tiến hành khảo sát pha phản xạ cấu trúc AMC ba khe với tham số Lb, Le, Wa thay đổi, tham số lại Hình 3.19 Pha phản xạ cấu trúc phần tử giữ nguyên AMC ba khe 3.4 Cấu trúc đặc tính anten đề xuất 3.4.1 Cấu trúc anten Bảng 3.5 Các tham số kích thước anten đề xuất Hình 3.25 Cấu trúc hình học anten thẻ đề xuất: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu Cấu trúc hình học anten đề xuất mơ tả hình 3.25 Lưỡng cực bề mặt dẫn từ nhân tạo in mặt mặt đế Epoxy FR-4 với số điện môi εr= 4,4, hệ số suy hao tanδ= 0,025 độ 19 Hình 3.18 Cấu trúc phần tử AMC ba khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử 18 +++++ +++++ - Vùng điện trường tối đa hiển thị hình 3.18(c) đánh dấu phần diện tích IGBFF'B'G'I'I Luận án thu C=1,49pF, L=18,8nH, f=950 MHz Đồ thị pha phản xạ mô cấu trúc phần tử AMC hình vng minh họa hình 3.19 Kết mơ cho thấy pha phản xạ 0° tần số 910 MHz - MHz c Cấu trúc ba khe Hình 3.18 minh họa cấu trúc hình học phần tử AMC ba khe Các tham số kích thước cấu trúc bao gồm L=34mm, g=1mm, Ha=15mm, Wa=9,6mm, Le=33mm, Wb=16mm, Lbd=30mm, Wbs=6mm, Lb=14mm Cấu trúc phần tử khe mơ hình hóa thành mạch điện tương đương bao gồm cuộn cảm mắc song song với tụ điện 2.3 Vật liệu đế điện môi anten tích hợp 2.4 Các kỹ thuật chế tạo anten tích hợp - Anten tích hợp dạng cứng - Anten tích hợp dạng mềm dẻo 2.5 Các bước thiết kế anten thẻ RFID tích hợp Đầu tiên cần xác định yêu cầu đặc tính hoạt động anten Bước tiến hành lựa chọn vật liệu chế tạo mơ hình thiết kế anten Sau thực tính tốn tham số kích thước anten Bước cần mơ mơ hình thiết kế tối ưu tham số kích thước anten Bước cuối chế tạo đo đạc thực nghiệm 2.6 Cấu trúc đặc tính anten thẻ RFID tích hợp đề xuất 2.6.1 Lựa chọn vật liệu Khi thiết kế anten, vật liệu thành phần xạ đế điện môi anten chọn để phù hợp với ứng dụng cụ thể Đối với anten thẻ đeo RFID, vật liệu dùng để chế tạo đế anten cần có độ mềm dẻo độ bền cao Vật liệu dẫn điện yêu cầu điện trở thấp ổn định để giảm thiểu tổn thất Trong nghiên cứu này, Kevlar chọn làm đế có hệ số điện môi εr=3,58, hệ số suy hao tanδ=0,019 độ dày h=0.254mm Dây đồng có đường kính d = 0,4 mm lựa chọn để chế tạo phần tử xạ 2.6.2 Tính tốn tham số kích thước anten Anten thiết kế dựa mơ hình anten lưỡng cực vi dải Các tham số kích thước anten tính tốn dựa cấu trúc anten lưỡng cực vi dải Hình 2.5 minh họa cấu trúc hình học anten lưỡng cực vi dải Anten bao gồm hai nhánh, có độ rộng W chiều dài tổng cộng L Độ rộng anten tính theo cơng thức sau: = 0,05 = 6( ) Từ tính hệ số điện mơi hiệu dụng: +1 −1 ⎛ ⎞ = 3,34 = + 2 12ℎ ⎝ 1+ ⎠ hóa thành mạch điện tương đương bao gồm cuộn cảm mắc song song với mơt tụ điện Lớp điện mơi khơng khí có εr=1, μr=1, h=15mm Giá trị điện dung điện cảm tần số cộng hưởng tính C=1,11pF, L=18,8nH, f=1100 MHz Đồ thị pha phản xạ mô cấu trúc phần tử AMC hình vng minh họa hình 3.15 180 Hình 2.5 Cấu trúc hình học anten dipole microstrip: (a) Hình chiếu bằng, (b) Hình chiếu đứng Tiếp theo, độ dài hiệu dụng đường vi dải tính sau: = =33,5(mm) 120 60 -60 Độ dài tăng thêm đường vi dải: Δ = 0,412 ℎ + 0,3 − 0,258 -120 ℎ + 0,264 ℎ -180 600 = 0,12( ) + 0,8 Chiều dài thực L đường vi dải: = − 2Δ = 33,25( ) 2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất Cấu trúc hình học Wsub 45 Lsub 16 gap 0,2 anten đề xuất mô tả l1 4,1 l2 2,4 l3 2,05 hình 2.7 Anten bao l4 2,05 l5 1,5 l6 3,55 gồm thành phần phát xạ lớp l 14,35 d 0,4 điện môi Anten hoạt Bảng 2.2 Bảng tham số kích thước anten động tần số 2.45 dệt đề xuất (mm) GHz Thành phần xạ thiết kế dạng uốn gấp khúc viết tắt tên trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) sử dụng vật liệu sợi đồng Các chữ logo kết nối với xếp cho hai nhánh có độdài anten gần 700 800 900 1000 Tần số (MHz) 1100 1200 Hình 3.17 Pha phản xạ cấu Hình 3.15 Pha phản xạ cấu trúc phần tử AMC khe trúc phần tử AMC hình vuông Kết mô cho thấy pha phản xạ 0° tần số 1039 MHz b Cấu trúc AMC khe Vùng điện trường tối đa hiển thị hình 3.16(c) đánh dấu phần diện tích IECBB'C'E'I'I Luận án thu C=1,4pF, L=18,8nH, f=980 MHz Đồ thị pha phản xạ mô cấu trúc phần tử AMC hình vng minh họa hình 3.17 Kết mơ Hình 3.16 Cấu trúc phần tử AMC khe: cho thấy pha phản xạ (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) 0° tần số 930 Vùng điện trường hai phần tử 17 gồm phiến kim loại in bề mặt đế điện môi nối với mặt phẳng đất Trước tiên, luận án tiến hành xét cấu trúc AMC hình vng Trên sở mạch tương đương, tượng cộng hưởng xảy số tần số tương ứng mạch LC song song cộng hưởng Đầu tiên ta khảo sát sóng phẳng tới phiến kim loại bề mặt dẫn từ nhân tạo cách thiết lập PEC PMC xung quanh vng góc với điện trường từ trường tới Cấu trúc kết mơ hình hóa cách sử dụng đường truyền hình 3.12(b) Phiến kim loại hình vng hoạt động tụ điện, lớp điện mơi ngắn mạch mơ hình hóa tương đương cuộn cảm song song với tụ điện Tần số cộng hưởng bề mặt dẫn từ nhân tạo xác định giá trị tụ điện cuộn cảm 3.3.2 Thiết kế cấu trúc AMC Cấu trúc AMC thiết kế qua ba mơ hình bao gồm cấu trúc AMC hình vng, khe ba khe a Cấu trúc AMC hình vng Dây đồng dệt từ mặt trước mặt sau đế vải Anten phối hợp trở kháng với cáp đồng trục 50Ω Bề rộng đường vi dải nhánh cấu trúc anten thiết kế chọn 2mm tương đương 1/3 độ rộng đường vi dải theo tính tốn lý thuyết, chiều dài tổng cộng anten mô xấp xỉ 100mm gấp ba lần so với tính tốn lý thuyết Bảng 2.2 minh họa tham số kích thước anten đề xuất Hình 2.7 Cấu trúc hình học anten dệt đề xuất: (a) Mặt trước, (b) Mặt sau, (c) Hình chiếu đứng 2.6.4 Kết mơ Anten mơ có hệ số phản xạ S11 -18.26 dB, hệ số tăng ích 2,2 dB băng thơng 20 MHz tần số 2,45GHz Đồ thị xạ anten mặt phẳng E H minh họa hình 2.9 Băng thơng đảm bảo anten hoạt động hệ thống RFID tiêu chuẩn Hình 2.8 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất Hình 2.10 Hệ số tăng ích anten dệt đề xuất Hình 3.14 Cấu trúc phần tử AMC hình vng: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử Hình 3.14 minh họa cấu trúc hình học phần tử AMC hình vng Các tham số kích thước cấu trúc bao gồm L=34mm, g=1mm, Ha=15mm Cấu trúc phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo mơ hình 16 G2XM Phần thực phần ảo trở kháng đâu vào anten xấp xỉ với trở kháng chip, đạt giá trị 20+j195(Ω) tần số 900MHz (dBic) -5 -10 300 -15 -20 -25 -30 270 -25 -20 -15 240 -10 2.6.5 Hình 2.9 Đồ thị xạ phương hướng anten dệt đề xuất Đánh giá ảnh hưởng vật liệu đến đặc tính anten a Độ dày đế vải Hình 2.12 Hệ số phản xạ anten Hình 2.13 Hệ số tăng ích anten với đế điện mơi có độ dày khác với đế điện mơi có độ dày khác nhau Anten mơ với đế điện mơi Kevlar có độ dày 0.09 mm, 0.13 mm 0.24 mm Hình 2.12 2.13 minh họa hệ số phản xạ hệ số tăng ích anten với đế điện mơi có độ dày khác Kết cho thấy độ dày đế điện môi lớn, tần số cộng hưởng anten thấp Khi độ dày đế điện mơi tăng hệ số tăng ích anten giảm lượng nhỏ không đáng kể b Hệ số điện môi đế vải Anten mô với ba loại đế vải bao gồm: nỉ, len lông cừu len Vật liệu nỉ có hệ số điện môi εr = 1,22, hệ số suy hao tanδ = 0,0016 độ dày h = mm Vật liệu len lơng cừu có hệ số điện mơi εr = 1,04, hệ số suy hao tanδ = 0,024 độ dày h = mm 10 -5 330 (dBic ) -5 -10 300 -15 -20 -25 -30 270 -25 -20 -15 240 -10 30 60 90 120 210 -5 150 180 330 30 60 90 120 210 150 180 Hình 3.7 Đồ thị xạ phương hướng anten lưỡng cực 3.3 Cấu trúc AMC 3.3.1 Nguyên lý hoạt động cấu trúc AMC Giả sử bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm mảng phiến kim loại in đế điện mơi có hệ số điện mơi εr độ dày d Cấu trúc hình học bề mặt dẫn từ nhân tạo minh họa hình 3.12 Hình 3.12 Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo: (a) Cấu trúc hình học, (b) Sơ đồ mạch điện tương đương Cấu trúc đơn vị bề mặt siêu vật liệu điện từ xem vật dẫn từ nhân tạo (AMC) Cấu trúc AMC thiết kế cho pha phản xạ không tần số cộng hưởng Cấu trúc AMC đơn vị cấu trúc bao 15 -10 -20 -30 -40 1.8 Hình 3.4 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực đơn Lsub Wsub Lt1 Rt1 Lb1 Lb2 Wb1 70 20 18 10 Ws1 g1 g2 Ls1 Wt Lt Lm 0,4 0,09 10 2,48 2,05 Wm Lf Wf L1 Wff Wb2 0,54 15,3 0,8 0,585 Nỉ Len lông cừu Len 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 Tần số (GHz) 2.4 2.5 Hình 2.14 Hệ số phản xạ anten Hình 2.15 Hệ số tăng ích anten với đế điện môi với cá đế điện môi khác khác Cuối vật liệu len có hệ số điện môi εr = 3,5, hệ số suy hao tanδ = 0,02 độ dày h = 1,45 mm.Hệ số phản xạ S11 hệ số tăng ích anten đề xuất với đế vải khác minh họa hình 2.14 2.15 Kết mơ cho thấy đế vải có hệ số điện mơi lớn, anten có tần số cộng hưởng thấp Anten sử dụng đế nỉ với hệ số suy hao nhỏ có hệ số tăng ích lớn c Đường kính sợi dây đồng Bảng 3.2 Bảng tham số kích thước anten lưỡng cực (mm) Hình 3.6 Hệ số phản xạ S11 anten lưỡng Hình 3.5 Trở kháng vào anten cực đơn lưỡng cực đơn Kết mô trở kháng đầu vào anten lưỡng cực đơn minh họa hình 3.5 Anten phối hợp trở kháng với chip UCODE 14 Hình 2.16 Hệ số phản xạ anten Hình 2.17 Hệ số tăng ích anten với sợi đồng có đường kính khác với sợi đồng có đường kính khác nhau Hình 2.16 2.17 minh họa hệ số phản xạ hệ số tăng ích anten đề xuất với sợi dây đồng có đường kính 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm Kết mô cho thấy đường kính sợi đồng tăng tần số cộng hưởng anten lớn hệ số suy hao nhỏ Ngồi ra, dựa vào 11 hình 2.17 thấy tần số 2,45 GHz anten mô có hệ số tăng ích lớn với sợi đồng có đường kính 0,4 mm 2.6.6 Thực nghiệm đo đạc Hình 2.18 Mẫu anten chế tạo Hình 2.20 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất Hình 2.18 minh họa mẫu anten chế tạo thử nghiệm với sợi đồng có đường kính 0,4 mm Anten có kích thước tổng 45 mm x 16 mm x 0,254 mm Anten kết nối với cáp đồng trục 50Ω Hệ số phản xạ anten đo đạc máy phân tích mạng PNA-X Kết đo đạc hệ số phản xạ mẫu anten chế tạo thử nghiệm minh họa hình 2.20 Hệ số S11 đạt giá trị -13,3 dB tần số 2,45 GHz Bảng 2.3: So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố Anten Đế điện môi Kích thước (mm) Hệ số khuếch đại (dBi) [78] Vải bò, εr=1,68, 90mm × 90mm × 1mm 2,25 h=1,0mm, tanδ=0,03 [79] Vải bò, εr=1,68, 90mm × 50mm × 1mm 3,14 h=1,0mm, tanδ=0,025 Anten Kevlar, εr=3,58, 190mm × 190mm × 2,08 đề xuất h=0,254mm, 15,8mm tanδ=0,019 Bảng 2.3 so sánh anten đề xuất với số anten thẻ RFID sử dụng cấu trúc dệt cơng bố có dải tần hoạt động tương tự Anten đạt kích thước nhỏ gọn mà đảm bảo tốt tham số hệ số tăng ích anten 2.7 Kết luận 12 Chương mô tả cấu trúc anten dệt sử dụng đế vải dành cho ứng dụng RFID thẻ đeo Kết nghiên cứu cho thấy cấu trúc dệt đế điện mơi vải áp dụng để thiết kế chế tạo anten cho ứng dụng RFID thẻ đeo CHƯƠNG THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID HAI BĂNG TẦN, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO SỬ DỤNG BỀ MẶT DẪN TỪ NHÂN TẠO 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, giải pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo phân tích áp dụng việc thiết kế anten thẻ RFID UHF hai băng tần, đơn hướng, có cấu trúc nhỏ gọn Bên cạnh giải pháp sử dụng nhằm tăng khoảng cách đọc anten thẻ RFID Anten bao gồm lưỡng cực nhỏ gọn, bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm miếng kim loại định kỳ × mặt phản xạ Anten lưỡng cực phối hợp trở kháng với chip UCODE G2XM mạng phối hợp trở kháng dạng chữ T 3.2 Thiết kế anten lưỡng cực đơn Trước nghiên cứu cấu trúc anten sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo, luận án tập trung nghiên cứu thiết kế cấu trúc anten thẻ RFID lưỡng cực đơn Anten hoạt động tần số 900MHz Anten sử dụng đế điện mơi FR-4 có hệ số điện mơi εr =4,4, hệ số suy hao tanδ =0,025 độ dày h=0,8mm Phương pháp đường gấp khúc (meander line) tải đầu cuối điện dụng áp dụng để thu nhỏ kích thước anten Bên cạnh đó, luận án sử dụng mạng chữ T để phối hợp trở kháng anten chip UCODE G2XM Chip UCODE G2XM có trở kháng vào 24 - j195 (Ω) tần số 915 MHz Vì vậy, để anten thẻ đề xuất phối hợp trở kháng với chip, anten phải có trở kháng vào xấp xỉ 24 + j195 (Ω) dải tần mong muốn Anten lượng cực đơn có hai đầu cuối dạng chữ E Các đường gấp khúc sử dụng thiết kế mạng phối hợp trở kháng chữ T để thu nhỏ kích thước anten Cấu trúc hình học anten lưỡng cực có mạng phối hợp trở kháng chữ T minh họa hình 3.4 Các thông số anten lưỡng cực sau tối ưu trình bày bảng 3.2 13 ... dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF Phạm vi nghiên cứu - Anten dệt sử dụng đế vải, anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID - Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz... 3.2 Thiết kế anten lưỡng cực đơn Trước nghiên cứu cấu trúc anten sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo, luận án tập trung nghiên cứu thiết kế cấu trúc anten thẻ RFID lưỡng cực đơn Anten hoạt động. .. vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten dệt dạng uốn gấp khúc sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động RFID - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ