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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Hà nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đoàn Thị Ngọc Hiền Tập thể hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Khang PGS TS Đào Ngọc Chiến i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Khang đặc biệt PGS.TS Đào Ngọc Chiến trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian hỗ trợ tơi mặt để hồn thành luận án Tác giả chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu quốc tế MICA, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả tập trung nghiên cứu thời gian qua Chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử Viễn thơng, Phòng Đào tạo- Bộ phận Đào tạo sau Đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu, học tập thực luận án Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên đồng nghiệp, thành viên phòng thí nghiệm CRD lab – Viện Điện tử Viễn thông dành cho Đồng thời, tơi xin gửi lời cảm ơn phòng thí nghiệm đo lường, Viện Điện tử - Viễn thông tạo điều kiện giúp đỡ trình đo đạc mơ hình chế tạo thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin dành tất yêu thương lời cảm ơn đến thành viên gia đình, người động viên, giúp đỡ nhiều thời gian vừa qua Đây động lực to lớn giúp tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đoàn Thị Ngọc Hiền ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH BẢNG vii DANH SÁCH HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU Chương ANTEN RFID 1.1 Công nghệ RFID 1.1.1 Hệ thống RFID trường gần 1.1.2 Hệ thống RFID trường xa 1.2 Thẻ RFID 1.3 Các tham số anten thẻ RFID 1.3.1 Trở kháng đầu vào anten 1.3.2 Băng thông 10 1.3.3 Hệ số định hướng anten 10 1.3.4 Hệ số tăng ích anten 11 1.3.5 Hiệu suất xạ 11 1.3.6 Phân cực 12 1.3.7 Khoảng đọc anten 12 Các loại vật liệu đế điện môi 13 1.4.1 Vật liệu truyền thống 13 1.4.1.1 Các loại vật liệu polymer 13 1.4.1.2 Bìa tơng giấy 13 1.4.1.3 Gỗ 14 1.4.1.4 Ván ép 14 1.4.1.5 Gốm 14 Vật liệu tiên tiến 15 1.4.2.1 Vải cách điện 15 1.4.2.2 Siêu vật liệu 16 Phối hợp trở kháng anten chip 21 1.5.1 21 1.4 1.4.2 1.5 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm iii 1.6 1.7 1.8 1.5.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng mạng chữ T 25 1.5.3 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng khe lồng 26 Các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten thẻ RFID 27 1.6.1 Kỹ thuật uốn gấp khúc 27 1.6.2 Kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten PIFA 29 1.6.3 Kỹ thuật dùng tải kháng dung 29 Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích độ định hướng anten thẻ RFID 31 1.7.1 Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ 31 1.7.2 Phương pháp sử dụng patch ký sinh 31 1.7.3 Phương pháp sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ 32 1.7.4 Phương pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khơng hồn hảo 33 Kết luận chương 34 Chương THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID TÍCH HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 36 DỆT 2.1 Giới thiệu chương 36 2.2 Anten tích hợp 36 2.3 Vật liệu đế điện môi anten tích hợp 36 2.4 Các kỹ thuật chế tạo anten tích hợp 37 2.4.1 Anten tích hợp dạng cứng 38 2.4.2 Anten tích hợp dạng mềm dẻo 38 2.5 Các bước thiết kế anten thẻ RFID tích hợp 39 2.6 Cấu trúc đặc tính anten thẻ RFID tích hợp đề xuất 39 2.6.1 Lựa chọn vật liệu 39 2.6.2 Tính tốn tham số kích thước anten 40 2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất 41 2.6.4 Kết mô 43 2.6.5 Đánh giá ảnh hưởng vật liệu đến đặc tính anten 45 2.6.5.1 Độ dày đế vải 45 2.6.5.2 Hệ số điện môi đế vải 47 2.6.5.3 Đường kính sợi dây đồng 48 Thực nghiệm đo đạc 49 Kết luận chương 51 2.6.6 2.7 Chương THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID HAI BĂNG TẦN, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO SỬ DỤNG BỀ MẶT DẪN TỪ NHÂN TẠO iv 52 3.1 Giới thiệu chương 52 3.2 Thiết kế anten lưỡng cực đơn 52 3.3 Cấu trúc AMC 56 3.3.1 Nguyên lý hoạt động cấu trúc AMC 56 3.3.2 Thiết kế cấu trúc AMC 59 3.3.2.1 Cấu trúc AMC hình vng 61 3.3.2.2 Cấu trúc AMC khe 63 3.3.2.3 Cấu trúc ba khe 65 Khảo sát đặc tính cấu trúc AMC ba khe 67 Cấu trúc đặc tính anten đề xuất 70 3.4.1 Cấu trúc anten 70 3.4.2 Khảo sát đặc tính bề mặt dẫn từ nhân tạo 73 3.4.3 Khảo sát đặc tính mạng phối hợp trở kháng chữ T 75 3.4.4 Cơ chế hoạt động hai băng tần 77 3.5 Thực nghiệm 82 3.6 Kết luận chương 87 88 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 3.3.3 3.4 KẾT LUẬN CHUNG v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo ASK Amplitude Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch biên độ CST Computer Simulation Technology Cơng nghệ mơ máy tính DC Direct Current Dòng điện chiều DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất khơng hồn hảo EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Modulation Điều chế dịch chuyển theo tần số IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp MLA Meander Line Antenna Anten uốn gấp khúc PDMS Polydimethylsiloxane Polydimethylsiloxane PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten PIFA PSK Phase Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch pha RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao PEC Perfect Electrical Conductor Vật liệu dẫn điện hoàn hảo PRS Partially Reflective Surface Bề mặt phản xạ phần vi DANH SÁCH BẢNG 1.1 Các quy định dải tần băng thông hệ thống RFID UHF số khu vực giới 10 1.2 Các thông số anten sử dụng mặt phản xạ 31 1.3 Các thông số anten sử dụng cấu trúc EBG 33 2.1 Bảng tham số đặc tính loại đế điện mơi cho anten tích hợp 37 2.2 Bảng tham số kích thước anten dệt đề xuất (mm) 43 2.3 So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố 51 3.1 Bảng tham số kích thước anten lưỡng cực (mm) 53 3.2 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC hình vuông (mm) 61 3.3 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC khe (mm) 64 3.4 Các tham số kích thước cấu trúc phần tử AMC ba khe (mm) 66 3.5 Bảng tham số kích thước anten đề xuất (mm) 71 3.6 Bảng giá trị khoảng đọc tối đa đo (m) 85 3.7 So sánh kết mô anten đề xuất với số anten công bố 86 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Hệ thống RFID 1.2 Mơ hình mạch điện phối hợp trở kháng anten chip 1.3 Thẻ RFID Avery Dennison AD-301R6-P giấy 14 1.4 Thẻ RFID UHF0055 gốm 15 1.5 Gradient bước nhảy pha giao thoa dφ/dr tạo vec tơ sóng bề mặt bẻ cong ánh sáng truyền phản xạ theo hướng tùy ý 1.6 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng vòng ghép hỗ cảm: (a) Cấu trúc anten, (b) Mơ hình mạch điện tương đương [1] 1.7 18 22 (a) Mơ hình mạch điện tương đương vòng tiếp điện, (b) Mơ hình tự cảm LL 23 1.8 Mơ hình tính độ tự cảm tương hỗ hai dây dẫn song song 24 1.9 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng chữ T: (a) Cấu trúc anten, (b) Mô hình mạch điện tương đương 25 1.10 Anten lưỡng cực với mạng phối hợp trở kháng khe lồng nhau: (a) Hình chiều đứng anten, (b) Hình chiếu anten (c) Mơ hình mạch điện tương đương 27 1.11 Cấu trúc anten lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc 28 1.12 Một số cấu trúc anten thẻ RFID lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc để giảm nhỏ kích thước anten 28 1.13 Anten PIFA có phát xạ hình vng 29 1.14 Anten lưỡng cực với tải dung kháng mắc đầu cuối 30 1.15 Anten sử dụng mặt phẳng phản xạ 31 1.16 Cấu trúc thiết kế anten sử dụng patch ký sinh 32 1.17 Cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 32 1.18 Mơ hình mạch cộng hưởng LC cấu trúc EBG 33 1.19 Anten sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 33 1.20 Mặt trước mặt sau anten có cấu trúc mặt phẳng đất khơng hoàn hảo 34 1.21 Đồ thị phương hướng xạ củ anten truyền thống anten có cấu trúc DGS có kích thước 34 2.1 Anten tích hợp sử dụng băng đồng gắn lên đế vải 38 2.2 Các bước thiết kế anten thẻ RFID 40 viii 2.3 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực vi dải: (a) Hình chiếu bằng, (b) Hình chiếu đứng 2.4 41 Cấu trúc hình học anten dệt đề xuất: (a) Mặt trước anten, (b) Mặt sau anten, (c) Hình chiếu đứng anten 42 2.5 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất 43 2.6 Hệ số tăng ích anten dệt đề xuất 44 2.7 Đồ thị xạ phương hướng anten dệt đề xuất: (a) Mặt phẳng E, (b) Mặt phẳng H 44 2.8 Mật độ phân bố dòng điện mặt anten dệt đề xuất 45 2.9 Đồ thị xạ 3D anten dệt đề xuất 45 2.10 Hệ số phản xạ anten với đế điện môi có độ dày khác 46 2.11 Hệ số tăng ích anten với đế điện mơi có độ dày khác 46 2.12 Hệ số phản xạ anten với loại đế vải khác 47 2.13 Hệ số tăng ích anten với loại đế vải khác 47 2.14 Hệ số phản xạ anten với sợi đồng có đường kính khác 48 2.15 Hệ số tăng ích anten với sợi đồng có đường kính khác 49 2.16 Mẫu anten chế tạo 49 2.17 Thí nghiệm đo hệ số phản xạ anten dệt đề xuất: (a) Hệ thống đo đạc, (b) Màn hình thị kết đo hệ số phản xạ 50 2.18 Hệ số phản xạ anten dệt đề xuất 50 3.1 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực với tải dung kháng mắc đầu cuối chưa có mạng phối hợp trở kháng chữ T 53 3.2 Mơ hình ứng dụng chip UCODE G2XM 54 3.3 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực đơn 54 3.4 Kết mô trở kháng đầu vào anten lưỡng cực đơn 54 3.5 Kết mô hệ số phản xạ anten lưỡng cực đơn 55 3.6 Đồ thị xạ phương hướng anten lưỡng cực đơn 55 3.7 Đồ thị xạ ba chiều anten lưỡng cực đơn 56 3.8 Cấu trúc anten sử dụng mặt phản xạ 57 3.9 Khoang cộng hưởng mặt phẳng đất bề mặt PRS 58 3.10 Một số cấu trúc AMC 59 3.11 Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo: (a) Cấu trúc hình học, (b) Sơ đồ mạch điện tương đương 60 3.12 Vùng điện trường hai phần tử cấu trúc AMC tạo điện dung C0 61 ix 3.13 Cấu trúc phần tử AMC hình vng: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử 62 3.14 Pha phản xạ cấu trúc phần tử AMC hình vng 62 3.15 Cấu trúc phần tử AMC khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo đề xuất 63 3.16 Pha phản xạ cấu trúc AMC khe 64 3.17 Cấu trúc phần tử AMC ba khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường hai phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo đề xuất 65 3.18 Pha phản xạ cấu trúc AMC ba khe 66 3.19 Pha phản xạ ba cấu trúc phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo 66 3.20 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Lb thay đổi, tham số lại giữ nguyên 67 3.21 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Le thay đổi, tham số lại giữ nguyên 68 3.22 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Wa thay đổi, tham số lại giữ nguyên 68 3.23 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Wbs thay đổi, tham số lại giữ nguyên 69 3.24 Pha phản xạ cấu trúc AMC với tham số Ha thay đổi, tham số lại giữ nguyên 69 3.25 Cấu trúc hình học lưỡng cực 70 3.26 Cấu trúc hình học anten thẻ đề xuất: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu 71 3.27 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước g, tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 72 3.28 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Wa , tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 73 3.29 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Ha , tham số khác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 74 3.30 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Lm , tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 75 3.31 Trở kháng vào anten thay đổi tham số kích thước Wm , tham số khác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 76 3.32 Trở kháng đầu vào anten lưỡng cực đơn anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo x 77 ... nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten đeo dạng chữ sử dụng cấu trúc dệt dành cho thẻ thụ động RFID • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo. .. dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF Phạm vi nghiên cứu • Anten dệt sử dụng cấu trúc dệt, anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID • Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz... cạnh cấu trúc anten đeo được, 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