Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (Luận án tiến sĩ)
Trang 1LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thànhquả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuấthiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và 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
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Khang và đặc biệt
là PGS.TS Đào Ngọc Chiến đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thờigian hỗ trợ tôi về mọi mặt để hoàn thành luận án này
Tác giả chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu quốc tế MICA, trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gianqua Chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử Viễn thông, PhòngĐào tạo- Bộ phận Đào tạo sau Đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điềukiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận
án Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, các thànhviên phòng thí nghiệm CRD lab – Viện Điện tử Viễn thông đã dành cho tôi
Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn phòng thí nghiệm đo lường, Viện Điện tử - Viễn thông
đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm
Cuối cùng, tôi xin dành tất cả sự yêu thương và lời cảm ơn đến các thành viên trong giađình, những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian vừa qua Đâychính là động lực to lớn giúp tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Nghiên cứu sinh
Đoàn Thị Ngọc Hiền
Trang 3MỤC 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 1
Chương 1 ANTEN RFID 7 1.1 Công nghệ RFID 7
1.1.1 Hệ thống RFID trường gần 8
1.1.2 Hệ thống RFID trường xa 8
1.2 Thẻ RFID 9
1.3 Các tham số chính của anten thẻ RFID 9
1.3.1 Trở kháng đầu vào của anten 9
1.3.2 Băng thông 10
1.3.3 Hệ số định hướng của anten 10
1.3.4 Hệ số tăng ích của anten 11
1.3.5 Hiệu suất bức xạ 11
1.3.6 Phân cực 12
1.3.7 Khoảng đọc của anten 12
1.4 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 các tông và giấy 13
1.4.1.3 Gỗ 14
1.4.1.4 Ván ép 14
1.4.1.5 Gốm 14
1.4.2 Vật liệu tiên tiến 15
1.4.2.1 Vải cách điện 15
1.4.2.2 Siêu vật liệu 16
1.5 Phối hợp trở kháng giữa anten và chip 21
1.5.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm 21
Trang 41.5.2 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 nhau 26
1.6 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 thuần kháng dung 29
1.7 Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten thẻ RFID 31 1.7.1 Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ 31
1.7.2 Phương pháp sử dụng tấm 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 không hoàn hảo 33
1.8 Kết luận chương 1 34
Chương 2 THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID TÍCH HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC DỆT 36 2.1 Giới thiệu chương 36
2.2 Anten có thể tích hợp được 36
2.3 Vật liệu đế điện môi của anten có thể tích hợp được 36
2.4 Các kỹ thuật chế tạo anten có thể tích hợp được 37
2.4.1 Anten có thể tích hợp được dạng cứng 38
2.4.2 Anten có thể tích hợp được dạng mềm dẻo 38
2.5 Các bước thiết kế anten thẻ RFID có thể tích hợp được 39
2.6 Cấu trúc và đặc tính của anten thẻ RFID có thể tích hợp được đề xuất 39
2.6.1 Lựa chọn vật liệu 39
2.6.2 Tính toán các tham số kích thước của anten 40
2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất 41
2.6.4 Kết quả mô phỏng 43
2.6.5 Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu đến đặc tính của anten 45
2.6.5.1 Độ dày của đế vải 45
2.6.5.2 Hệ số điện môi của đế vải 47
2.6.5.3 Đường kính sợi dây đồng 48
2.6.6 Thực nghiệm và đo đạc 49
2.7 Kết luận chương 2 51
Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID HAI BĂNG TẦN, ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO
Trang 53.1 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 của cấu trúc AMC 56
3.3.2 Thiết kế cấu trúc AMC 59
3.3.2.1 Cấu trúc AMC hình vuông 61
3.3.2.2 Cấu trúc AMC một khe 63
3.3.2.3 Cấu trúc ba khe 65
3.3.3 Khảo sát đặc tính của cấu trúc AMC ba khe 67
3.4 Cấu trúc và các đặc tính của anten đề xuất 70
3.4.1 Cấu trúc của anten 70
3.4.2 Khảo sát đặc tính của bề mặt dẫn từ nhân tạo 73
3.4.3 Khảo sát đặc tính của 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 3 87
KẾT LUẬN CHUNG 88
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
Trang 6DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo
ASK Amplitude Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch biên độ
CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính
DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo
EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ
FSK Frequency Shift Keying Modulation Điều chế dịch chuyển theo tần số
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 một phần
Trang 7DANH SÁCH BẢNG
1.1 Các quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số
khu vực trên thế giới 10
1.2 Các thông số của anten sử dụng mặt phản xạ 31
1.3 Các thông số của anten sử dụng cấu trúc EBG 33
2.1 Bảng các tham số đặc tính của các loại đế điện môi cho anten có thể tích hợp 37 2.2 Bảng các tham số kích thước của anten dệt đề xuất (mm) 43
2.3 So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số anten đã công bố 51 3.1 Bảng các tham số kích thước của anten lưỡng cực (mm) 53
3.2 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC hình vuông (mm) 61
3.3 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC một khe (mm) 64
3.4 Các tham số kích thước của cấu trúc phần tử AMC ba khe (mm) 66
3.5 Bảng các tham số kích thước của anten đề xuất (mm) 71
3.6 Bảng các giá trị khoảng đọc tối đa đo được (m) 85 3.7 So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số anten đã công bố 86
Trang 8DANH SÁCH HÌNH VẼ
1.1 Hệ thống RFID 7
1.2 Mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip 9
1.3 Thẻ RFID Avery Dennison AD-301R6-P bằng giấy 14
1.4 Thẻ RFID UHF0055 bằng gốm 15
1.5 Gradient của bước nhảy pha giao thoa dφ/dr tạo ra vec tơ sóng trên bề mặt có thể bẻ cong ánh sáng truyền và phản xạ theo các hướng tùy ý 18
1.6 Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng vòng ghép hỗ cảm: (a) Cấu trúc anten, (b) Mô hình mạch điện tương đương [1] 22
1.7 (a) Mô hình mạch điện tương đương của vòng tiếp điện, (b) Mô hình tự cảm LL 23
1.8 Mô hình tính độ tự cảm tương hỗ của 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 của anten, (b) Hình chiếu bằng của anten (c) Mô 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 tấm phát xạ hình vuông 29
1.14 Anten lưỡng cực với tải thuần dung kháng mắc ở đầu cuối 30
1.15 Anten sử dụng mặt phẳng phản xạ 31
1.16 Cấu trúc thiết kế của anten sử dụng tấm patch ký sinh 32
1.17 Cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 32
1.18 Mô hình mạch cộng hưởng LC của cấu trúc EBG 33
1.19 Anten sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ có dạng hình nấm 33
1.20 Mặt trước và mặt sau của anten có cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo 34 1.21 Đồ thị phương hướng bức xạ củ anten truyền thống và anten có cấu trúc DGS có cùng kích thước 34
2.1 Anten có thể tích hợp được sử dụng băng đồng gắn lên đế vải 38
2.2 Các bước thiết kế anten thẻ RFID 40
Trang 92.3 Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực vi dải: (a) Hình chiếu bằng, (b) Hình
chiếu đứng 41
2.4 Cấu trúc hình học của anten dệt được đề xuất: (a) Mặt trước của anten, (b) Mặt sau của anten, (c) Hình chiếu đứng của anten 42
2.5 Hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất 43
2.6 Hệ số tăng ích của anten dệt đề xuất 44
2.7 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten dệt đề xuất: (a) Mặt phẳng E, (b) Mặt phẳng H 44
2.8 Mật độ phân bố dòng điện mặt của anten dệt đề xuất 45
2.9 Đồ thị bức xạ 3D của anten dệt đề xuất 45
2.10 Hệ số phản xạ của anten với đế điện môi có độ dày khác nhau 46
2.11 Hệ số tăng ích của anten với đế điện môi có độ dày khác nhau 46
2.12 Hệ số phản xạ của anten với các loại đế vải khác nhau 47
2.13 Hệ số tăng ích của anten với các loại đế vải khác nhau 47
2.14 Hệ số phản xạ của anten với sợi đồng có đường kính khác nhau 48
2.15 Hệ số tăng ích của anten với sợi đồng có đường kính khác nhau 49
2.16 Mẫu anten chế tạo 49
2.17 Thí nghiệm đo hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất: (a) Hệ thống đo đạc, (b) Màn hình hiện thị kết quả đo hệ số phản xạ 50
2.18 Hệ số phản xạ của anten dệt đề xuất 50
3.1 Cấu trúc hình học anten lưỡng cực với tải thuần dung kháng mắc ở đầu cuối chưa có mạng phối hợp trở kháng chữ T 53
3.2 Mô hình ứng dụng của chip UCODE G2XM 54
3.3 Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực đơn 54
3.4 Kết quả mô phỏng trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực đơn 54
3.5 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten lưỡng cực đơn 55
3.6 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten lưỡng cực đơn 55
3.7 Đồ thị bức xạ ba chiều của anten lưỡng cực đơn 56
3.8 Cấu trúc anten sử dụng mặt phản xạ 57
3.9 Khoang cộng hưởng giữa mặt phẳng đất và 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 giữa hai phần tử cấu trúc AMC tạo ra điện dung C0 61
Trang 103.13 Cấu trúc phần tử AMC hình vuông: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếubằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử 623.14 Pha phản xạ của cấu trúc phần tử AMC hình vuông 623.15 Cấu trúc phần tử AMC một khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng,(c) Vùng điện trường giữa hai phần tử của bề mặt dẫn từ nhân tạo được đề xuất 633.16 Pha phản xạ của cấu trúc AMC một khe 643.17 Cấu trúc phần tử AMC ba khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c)Vùng điện trường giữa hai phần tử của bề mặt dẫn từ nhân tạo được đề xuất 653.18 Pha phản xạ của cấu trúc AMC ba khe 663.19 Pha phản xạ của ba cấu trúc phần tử bề mặt dẫn từ nhân tạo 663.20 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Lb thay đổi, các tham số còn lạigiữ nguyên 673.21 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Lethay đổi, các tham số còn lạigiữ nguyên 683.22 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Wathay đổi, các tham số còn lạigiữ nguyên 683.23 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Wbs thay đổi, các tham số cònlại giữ nguyên 693.24 Pha phản xạ của cấu trúc AMC với tham số Hathay đổi, các tham số còn lạigiữ nguyên 693.25 Cấu trúc hình học của lưỡng cực 703.26 Cấu trúc hình học của anten thẻ được đề xuất: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hìnhchiếu bằng 713.27 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước g, các tham số khácgiữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 723.28 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Wa, các tham sốkhác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 733.29 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Ha, các tham sốkhác giữ nguyên (a) Phần thực, (b) Phần ảo 743.30 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Lm, các tham sốkhác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 753.31 Trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích thước Wm, các tham sốkhác giữ nguyên: (a) Phần thực, (b) Phần ảo 763.32 Trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề mặt dẫn từnhân tạo 77
Trang 113.33 Hệ số phản xạ của anten lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhântạo 773.34 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten lưỡng cực ở hai tần số 845 MHz và
925 MHz: (a) Lưỡng cực đơn, (b) Lưỡng cực có bề mặt dẫn từ nhân tạo 783.35 Kết quả mô phỏng băng thông của anten đề xuất 793.36 Anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm 2 x 2 phần tử: (a) Hình chiếuđứng, (b) Hình chiếu bằng 803.37 Anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm 6 x 6 phần tử: (a) Hình chiếuđứng, (b) Hình chiếu bằng 813.38 Trở kháng đầu vào (a) và hệ số phản xạ (b) của anten đề xuất với bề mặt dẫn
từ nhân tạo có kích thước khác nhau 823.39 Mẫu anten chế tạo: (a) Mắt cắt đứng, (a) Mặt cắt ngang, (c) Lưỡng cực và chip 843.40 Sơ đồ khối hệ thống đo khoảng cách đọc của anten thẻ RFID UHF 853.41 Giao diện phần mềm Universal Reader Assistant của đầu đọc RFID Thing-magic Me6 853.42 So sánh kết quả tính toán và đo đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa của antenthẻ 86
Trang 12MỞ ĐẦU
1 Anten RFID sử dụng vật liệu tiên tiến
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông không dây kỹ thuật số trên thế giớiđang phát triển mạnh mẽ đáp ứng các nhu cầu của người dùng trong liên lạc trao đổi thôngtin Thời đại của Internet vạn vật (IoT) đòi hỏi các phương pháp mới cho phép liên lạc giữacác đối tượng khác nhau với chi phí thấp, yêu cầu độ tin cậy và độ bền cao trong các môitrường khác nhau [2] Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nhận dạng tần số
vô tuyến, các thẻ RFID UHF thụ động được sử dụng ngày càng phổ biến trong quá trìnhnhận dạng [3] Những thẻ này cho phép nhận dạng không dây các đối tượng một cách nhanhchóng Ngoài ra, khả năng tích hợp các chức năng cảm biến vào thẻ RFID là một ưu điểmcủa công nghệ này Các ứng dụng này đòi hỏi anten cho các hệ thống RFID phải có các đặctính vượt trội cụ thể như sau:
• Anten có độ mềm dẻo và độ bền cao để có thể tích hợp vào nhiều dạng đối tượng trongcác ứng dụng truyền thông không dây
• Anten có kích thước nhỏ gọn
• Anten có hệ số tăng ích lớn
Hệ thống RFID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sốngnhư các hệ thống điều khiển truy nhập, hậu cần, hệ thống theo dõi giám sát, Trước đây, cácthẻ RFID được chế tạo từ các vật liệu thông thường như composite, giấy, gỗ, sứ, Ưu điểmcủa các vật liệu này là giá thành rẻ Tuy nhiên, với các ứng dụng truyền thông không dây, ví
dụ như thẻ đeo gắn trên người, đòi hỏi anten có độ mềm dẻo, có độ bền cao và trọng lượngnhẹ thì các vật liệu này không đáp ứng được
Sự xuất hiện của các cấu trúc vật liệu tiên tiến trong những năm gần đây đã giúp giảiquyết những vấn đề này Đầu tiên phải kể đến cấu trúc anten đeo được Anten đeo được làmột loại anten đặc biệt được thiết kế cho phép có thể gắn trên quần áo hoặc cơ thể người [4].Cấu trúc này phù hợp với các ứng dụng gắn trên cơ thể người do bức xạ điện từ chủ yếu theohướng vuông góc với bề mặt anten Anten có kích thước nhỏ, mỏng, trọng lượng nhẹ, chi phíchế tạo thấp Thành phần bức xạ và mặt phẳng đất của anten đều được chế tạo từ vật liệuđồng [5] Các vật liệu dẫn điện (Zelt, Electron và đồng nguyên chất) được sử dụng để chếtạo thành phần bức xạ trong khi các vật liệu không dẫn điện (lụa, nỉ, len, polyeste ) được sửdụng làm đế của anten
Bên cạnh cấu trúc anten đeo được, các cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo cũng rất đượcquan tâm nghiên cứu Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo là một dạng của siêu vật liệu Siêu vật
Trang 13liệu là loại vật liệu nhân tạo được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc "nguyên tử" để
có thể tạo ra các vật liệu có tính chất điện từ theo ý muốn Những tính chất này không tồntại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết Sự sắp xếp các cấu trúc này có thểtheo một trật tự hoặc hỗn loạn Ngoài ra các cấu trúc này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần sovới bước sóng hoạt động của siêu vật liệu [6]
Tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từthẩm và hằng số điện môi Nguyên lý cơ bản của siêu vật liệu là tạo ra các mạch cộng hưởngđiện từ nhờ những cấu trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này,điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên Nhờ đó, sự truyền sóng điện từ trongcác cấu trúc siêu vật liệu cũng có thể tính toán được trước và điều chỉnh theo ý muốn Về mặt
lý thuyết khi thiết kế anten, kích thước của anten phụ thuộc vào tần số hoạt động và hằng sốđiện môi của vật liệu chế tạo anten Vật liệu có hằng số điện môi càng lớn thì kích thước củaanten càng nhỏ Đặc tính này là cố định đối với từng loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên Tuynhiên, vật liệu có hằng số điện môi lớn có giá thành rất đắt Vì vậy siêu vật liệu có ưu điểmvượt trội so với vật liệu thông thường nhờ vào khả năng có thể điều chỉnh hằng số điện môi.Các thông số của anten sử dụng siêu vật liệu được cải thiện đáng kể như giảm suy hao phản
xạ [7], tăng hiệu suất [8–12], băng thông [13–16], hệ số tăng ích [14, 17, 18], độ định hướng[11, 14, 16, 19] Ở tài liệu [7], hệ số suy hao phản xạ của anten vi dải hình chữ nhật giảmhơn 5dB từ -12,68 dB xuống -17,72 dB khi có thêm cấu trúc siêu vật liệu dạng chữ E Antensiêu vật liệu với bộ cộng hưởng vòng kín giới thiệu trong tài liệu [9] hoạt động ở hai dải tần
từ 2,15 GHz đến 2,19 GHz và 3,2 GHz đến 5,25 GHz, có kích thước giảm đáng kể so vớianten không sử dụng bộ cộng hưởng vòng kín, đồng thời hiệu suất bức xạ của anten lên tới97% Tài liệu [19] đã trình bày một cấu trúc anten siêu vật liệu băng rộng có độ định hướngcao sử dụng bề mặt chọn lọc tần số Anten thu được có độ định hướng 13, 6dBi, băng thôngcũng tăng 10% so với anten không có cấu trúc siêu vật liệu Ngoài ra vấn đề giảm kích thướccủa anten cũng là một đòi hỏi của hệ thống nhận dạng sóng vô tuyến Việc ứng dụng siêu vậtliệu cũng giúp cải thiện được vấn đề này [12, 14, 18, 20–22]
Trang 14Trong các ứng dụng phổ biến của công nghệ RFID như hệ thống điều khiển truy nhập,
hệ thống hậu cần logistic, hệ thống định vị trong nhà, , thẻ RFID thường được chế tạo sửdụng các vật liệu truyền thống như polymer, gỗ, giấy, sứ Ưu điểm của các vật liệu này làgiá thành rẻ, dễ dàng chế tạo Tuy nhiên với các ứng dụng thẻ đeo trên cơ thể người, các vậtliệu này chưa phù hợp vì chúng là vật liệu cứng, tạo cảm giác không thoải mái cho người
sử dụng Vì vậy hướng nghiên cứu phát triển anten dệt cho các ứng dụng thẻ đeo đã đượcquan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Anten dệt thường được thiết kế dựa trên cácanten truyền thống như bow-tie, lưỡng cực, xoắn ốc [32] và sử dụng đế điện môi bằng vải.Tính chất của vật liệu chế tạo anten góp phần quyết định đến hoạt động của anten, ví dụ độ
từ thẩm và độ dày của đế điện môi quyết định chủ yếu đến băng thông của anten trong khi
độ dẫn điện của thành phần phát xạ là nhân tố quan trọng quyết định hiệu suất của anten.Anten dệt được đề xuất trong [33] sử dụng đế cao su có độ dày 3,94mm, hằng số điện môi
εr = 1, 52 có băng thông rộng, phân cực tròn và độ mềm dẻo cao tuy nhiên hệ số tăng íchcủa anten chưa lớn
Trong [34, 35], chất liệu nỉ được sử dụng để chế tạo anten có băng thông rộng nhưng hiệusuất bức xạ chưa cao, kích thước anten lớn Anten hai băng tần giới thiệu trong [36] được chếtạo dựa trên vật liệu PDMS mềm dẻo có kích thước khá nhỏ, băng thông rộng nhưng cấu trúccủa anten phức tạp, khó chế tạo Thêm vào đó, các anten được giới thiệu ở trên chủ yếu đều
có cấu trúc hình học dạng anten dipole Các ứng dụng ngày càng phát triển hiện nay, ngoàicác yêu cầu về đặc tính, thẻ RFID khi gắn trên các sản phẩm may mặc còn cần có tính thẩm
mỹ Ví dụ, thẻ có thể cần có cấu trúc hình học dạng chữ hoặc logo của sản phẩm Vì vậy,việc nghiên cứu thiết kế anten dệt có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc dạng chữ hoặc logo là mộtthách thức cần được nghiên cứu giải quyết
Một vấn đề nữa đặt ra là có rất nhiều ứng dụng của công nghệ RFID đòi hỏi anten cókhoảng cách đọc xa, thậm chí từ 10m đến 20m Ví dụ các ứng dụng trong kho hàng, bến bãihay cầu cảng, Điều này có nghĩa bên cạnh việc đầu đọc RFID phải có công suất lớn thìanten thẻ cũng phải có độ định hướng cao, hệ số tăng ích lớn Một kỹ thuật đơn giản thườngđược sử dụng để tăng độ định hướng của anten là sử dụng bề mặt phản xạ Tuy nhiên kỹ thuậtnày đòi hỏi bề mặt phản xạ phải đặt cách phần tử bức xạ của anten một khoảng λ/4, điều nàydẫn đến anten có kích thước rất lớn Sự ra đời của siêu vật liệu với các đặc tính riêng của nó
mà các vật liệu truyền thống không có được đã góp phần giải quyết vấn đề này Các nghiêncứu thiết kế anten dành cho thẻ RFID sử dụng siêu vật liệu để cải thiện các đặc tính của anten
đã thu được một số thành tựu đáng kể Năm 2014, một cấu trúc anten thẻ thụ động RFID kếthợp sử dụng vật dẫn từ nhân tạo đã được trình bày trong [37, 38] Nhờ đó đã cải thiện đượckhoảng cách đọc của anten Tuy nhiên anten này có nhược điểm là kích thước lớn, cấu trúcphức tạp và là anten đơn băng tần
Trong công trình [10, 12, 20] đã đưa ra các thiết kế anten sử dụng siêu vật liệu để tăng
Trang 15độ tăng ích, độ định hướng, hiệu suất bức xạ, đồng thời giảm nhỏ kích thước của anten Tuynhiên các cấu trúc này được thiết kế dành cho anten đầu đọc của hệ thống RFID Vì vậy việcnghiên cứu thiết kế anten thẻ RFID sử dụng nguyên lý siêu vật liệu có cấu trúc thấp, độ địnhhướng cao, khoảng cách đọc lớn là một vấn đề cần được nghiên cứu có tính thời sự và thựctiễn.
3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
• Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten đeo được dạng chữ sử dụng cấu trúc dệt dành chothẻ thụ động RFID
• Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụđộng RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao và khoảng cách đọc lớn
Đối tượng nghiên cứu
• Anten đeo được cấu trúc dệt dạng chữ dành cho thẻ thụ động RFID
• Anten sử dụng bề mặt 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 thụđộng RFID
• Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz và dải tần 2,45GHz
4 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận:
• Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp để giảm nhỏ kíchthước, cải thiện một số tham số cho anten thẻ thụ động RFID UHF với cấu trúc đơngiản, dễ dàng chế tạo
• Các kết quả nghiên cứu của luận án được các công bố có giá trị khoa học, góp phầntạo ra các sản phẩm thương mại trong tương lai
Về thực tiễn:
• Các giải pháp giúp tăng độ linh hoạt, độ định hướng và các mô hình anten RFID đượcthiết kế trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trongchế tạo các anten thẻ thụ động RFID
Trang 165 Nội dung nghiên cứu
Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương
• Chương 1: Anten RFID
Tổng quan về công nghệ RFID, cấu trúc và các tham số chính của anten thẻ RFID, kỹthuật phối hợp trở kháng giữa anten và chip được trình bày trong chương này Vật liệu
đế điện môi được sử dụng để chế tạo anten, một số kỹ thuật để cải thiện hệ số tăng ích
và giảm nhỏ kích thước của anten RFID cũng được phân tích chi tiết Ngoài ra, các kỹthuật giảm nhỏ kích thước cũng như kỹ thuật tăng độ định hướng của anten cũng đượcgiới thiệu trong chương này
• Chương 2: Thiết kế anten RFID sử dụng cấu trúc dệt
Chương 2 trình bày các kỹ thuật phổ biến trong chế tạo anten đeo được và đế điện môibằng vải áp dụng trong việc thiết kế anten thẻ RFID UHF có cấu trúc mềm dẻo Antenbao gồm một lưỡng cực nhỏ gọn được dệt trên đế điện môi bằng vải Cấu trúc anten
có dạng chữ viết tắt Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) Anten có kích thước tổngthể 45mm × 16mm × 0.254mm(0, 37λ × 0, 13λ × 0, 002λ), băng thông mô phỏng
|S11|<-10 dB là 15 MHz (dải tần số 840 MHz - 855 MHz), bức xạ đơn hướng với độđịnh hướng là 1,63dB Anten chế tạo được phối hợp trở kháng và kết nối với cáp đồngtrục 50Ω, hệ số phản xạ đo đạc |S11|=-17.6dB Kết quả này chứng minh tính khả thicủa việc sử dụng kỹ thuật dệt và đế điện môi bằng vải trong các mô hình anten thẻRFID
• Chương 3: Thiết kế anten thẻ RFID hai băng tần độ định hướng cao sử dụng bề
mặt dẫn từ nhân tạo
Chương 3 đề xuất giải pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo trong việc thiết kế antenthẻ RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn Anten baogồm một lưỡng cực nhỏ gọn, một bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm các miếng kim loại định
kỳ 4 × 4 kích thước 34mmx34mm và một mặt phản xạ Anten lưỡng cực được phốihợp trở kháng với chip UCODE G2XM bởi một mạng phối hợp trở kháng dạng chữ
T Bề mặt dẫn từ nhân tạo được thiết kế để hoạt động như một bề mặt dây dẫn từ tínhnhân tạo, cho phép anten có cấu hình thấp và bức xạ đơn hướng Bề mặt dẫn từ nhântạo có kích thước hữu hạn tạo ra tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten, kếthợp với tần số cộng hưởng của lưỡng cực cho anten hoạt động băng tần kép Lưỡngcực và bề mặt dẫn từ nhân tạo được thiết kế ở mặt trên và mặt dưới của đế FR-4 giúptiết kiệm chi phí và việc chế tạo anten dễ dàng hơn Anten có kích thước tổng thể190mm × 190mm × 15.8mm (tương ứng với 0, 55λ × 0, 55λ × 0, 046λ), băng thông
mô phỏng |S11|<-10 dB là 15 MHz (dải tần số 840 MHz - 855 MHz) và 16 MHz (dải
Trang 17tần số 916 MHz - 932 MHz), bức xạ đơn hướng với độ định hướng lần lượt là 7,0 dB
và 5,8 dB tương ứng với tần số 925 MHz và 845 MHz Sau khi chế tạo và đo đạc thửnghiệm, anten thu được có khoảng đọc lớn nhất là 6 m và 4,4 m tương ứng với dải tần(902 MHz – 928 MHz) theo chuẩn Bắc Mỹ và (840 MHz – 845 MHz) theo chuẩn Ấn
Độ Các khoảng đọc này phù hợp với tính toán lý thuyết và việc mô phỏng kết quả này
đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo trong các
mô hình anten thẻ RFID
6 Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án bao gồm:
• Đề xuất cấu trúc anten dệt dành cho thẻ thụ động RFID dạng chữ HUST có kích thướcnhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo Anten hoạt động ở tần số 2,45GHz, cókích thước 45mm × 16mm × 1, 254mm, băng thông 20 MHz và hệ số tăng ích 2,2dBi Kết quả đo đạc hệ số phản xạ của anten chế tạo thử nghiệm phù hợp với kết quả
mô phỏng Cấu trúc anten đề xuất có thể mở rộng ứng dụng cho việc thiết kế anten thẻRFID thụ động ở các dải tần khác
• Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFIDUHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc lớn Anten hoạt động ở dảitần UHF có kích thước 190mm × 190mm × 15.8mm, băng thông 15 MHz (840 MHz
- 855 MHz) và 16 MHz (916 MHz - 932 MHz), bức xạ đơn hướng với độ định hướnglần lượt là 7,0 dB và 5,8 dB tương ứng với tần số 925 MHz và 845 MHz Việc sử dụng
bề mặt dẫn từ nhân tạo không chỉ cải thiện đáng kể độ định hướng của anten mà còntạo ra tần số cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten Anten chế tạo thử nghiệm cókhoảng đọc lớn nhất là 6, 0m và 4, 4m tương ứng với dải tần 902 MHz – 928 MHztheo chuẩn Bắc Mỹ và 840 MHz – 845 MHz theo chuẩn Ấn Độ
Trang 18là không yêu cầu điều kiện nhìn thẳng như hệ thống mã vạch và có thể nhận dạng nhiều đốitượng tại cùng một thời điểm Hiện nay công nghệ RFID được ứng dụng rộng rãi ở các thưviện, trong các hệ thống điều khiển truy nhập và các hệ thống hậu cần Hình 1.1 minh họamột hệ thống RFID cơ bản Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: đầu đọc, thẻ và máytính Thẻ bao gồm đế cùng với anten được chế tạo trên đó và chip gắn trên anten Thẻ RFIDđược bảo vệ bởi một lớp nhựa nằm phía trên cùng Mỗi thẻ có một mã định danh riêng vàduy nhất Đầu đọc gửi và nhận thông tin từ thẻ sau đó gửi đến máy tính Trong thực tế, các hệthống RFID được phân thành hai loại: hệ thống RFID trường gần và hệ thống RFID trườngxa.
Hình 1.1: Hệ thống RFID
Trang 191.1.1 Hệ thống RFID trường gần
Trong hệ thống RFID trường gần, đầu đọc truyền một dòng điện xoay chiều qua cuộn dâytạo ra một từ trường biến thiên xung quanh anten đầu đọc Khi thẻ RFID nằm trong vùng từtrường của đầu đọc sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều trên anten của thẻ do hiện tượng cảmứng điện từ Kỹ thuật điều chế được sử dụng trong việc truyền thông tin từ thẻ đến đầu đọc.Tín hiệu được giải mã nhờ sự thay đổi của cường độ điện trường Đầu đọc có thể phát hiện
ra sự thay đổi rất nhỏ của dòng điện gây ra bởi sự biến thiên của từ trường Cảm ứng điện từ
là một cách đơn giản để thực hiện các hệ thống RFID Tuy nhiên phương pháp này có nhượcđiểm lớn là khoảng cách phát hiện ngắn, đặc biệt, khi tần số càng cao thì khoảng cách pháthiện càng nhỏ Đối với yêu cầu của các ứng dụng hiện nay và trong tương lai, các thuộc tínhcủa các hệ thống RFID trường gần không đáp ứng được Do đó, các hệ thống RFID trường
xa có lẽ là sự lựa chọn cho tương lai trong nhiều lĩnh vực ứng dụng
1.1.2 Hệ thống RFID trường xa
Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID trường xa dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từcủa các sóng điện từ [39] Kỹ thuật tán xạ ngược được sử dụng để truyền dữ liệu [40] Antenlưỡng cực của đầu đọc sẽ truyền và nhận sóng Điện trường và từ trường vuông góc với nhau
và vuông góc với hướng lan truyền của sóng điện từ Sóng điện từ, khi được cảm ứng bởianten thẻ, tạo ra một điện áp xoay chiều trên các cực của anten IC điều chỉnh điện áp cungcấp dòng điện một chiều (DC) cần thiết từ điện áp xoay chiều Tín hiệu kích hoạt IC cũng cóthể mang theo thông tin mới được ghi vào bộ nhớ của IC Thẻ điều chế tín hiệu số để truyềnthông tin được lưu trữ vào IC [41] Đầu đọc bắt được sóng truyền từ thẻ và chuyển đổi thôngtin nhận được thành mã nhị phân Dữ liệu nhị phân sẽ được chuyển đến máy tính xử lý.Anten có thể được điều chỉnh theo tần số mong muốn bằng cách điều chỉnh kích thước
và hình dạng của nó Trường hợp anten không phối hợp trở kháng, anten thẻ phản hồi lại mộtphần năng lượng từ sóng điện từ và đầu đọc có thể phát hiện ra năng lượng này Lượng nănglượng được tán xạ ngược từ thẻ có thể thay đổi tùy theo trở kháng anten thẻ khác nhau Trởkháng anten có thể được thay đổi bởi các phần tử tích cực (tranzitor hoặc diode) nằm trong
IC, được đặt giữa hai nhánh của anten Khi tranzitor hoặc diode dẫn điện, nó sẽ ngắn mạchhai nhánh của anten, theo đó trở kháng của anten sẽ thay đổi Thông tin từ thẻ đến đầu đọcđược truyền bằng phương pháp điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM) hoặc điều chếdịch pha (PM), điều chế dịch chuyển theo biên độ (ASK), điều chế dịch chuyển theo tần số(FSK) và điều chế dịch chuyển theo pha (PSK) [41] Điều chế biên độ là biên độ của tín hiệutruyền từ thẻ đến đầu đọc thay đổi theo mã nhị phân của IC [39] Điều chế tần số là thay đổitần số tín hiệu theo mã nhận dạng của IC
Trang 201.2 Thẻ RFID
Thẻ RFID về cơ bản là một bộ thu và phát tín hiệu vô tuyến Thẻ bao gồm hai phần, anten
và chip (IC) Chức năng chính của anten là thu các trường điện từ bức xạ bởi đầu đọc ở tần
số xác định Năng lượng điện từ nhận được được chuyển đổi thành năng lượng điện và đượccung cấp cho mạch tích hợp Chip gắn trên thẻ có khả năng lưu trữ thông tin, thực thi chuỗilệnh và trao đổi thông tin với đầu đọc Anten thẻ hoạt động ở tần số cộng hưởng xác định Vìvậy, khi đầu đọc truyền tín hiệu RF với tần số xác định, thẻ sẽ nhận tín hiệu và cung cấp chochip Sau khi nhận đủ điện áp chip sẽ truyền lại tín hiệu ở cùng tần số đến đầu đọc Mục đíchcủa việc phối hợp trở kháng anten với tải của nó là để đảm bảo rằng công suất tối đa đượctruyền từ anten sang chip Phối hợp trở kháng giữa anten và chip có thể đạt được bằng cáchthay đổi kích thước của anten hoặc bằng cách bớt các phần tử thụ động Hình 1.2 minh họa
mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip Công suất truyền từ anten đến tảihay chip được tính theo công thức sau:
V 1
Anten M ch tích h p
R ic
Hình 1.2: Mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip
1.3 Các tham số chính của anten thẻ RFID
1.3.1 Trở kháng đầu vào của anten
Đối với thẻ RFID thụ động, trở kháng đầu vào của anten là tham số đầu tiên cần đượcquan tâm khi thiết kế Khác với thẻ RFID tích cực, anten thẻ RFID thụ động thực hiện cảhai chức năng truyền tin và truyền năng lượng Hiệu suất truyền năng lượng của anten được
Trang 21Bảng 1.1: Các quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu
quyết định bởi hai yếu tố: sự phối hợp trở kháng giữa anten - chip và sự biến đổi năng lượngthành dòng điện cung cấp cho mạch điện Trong phạm vi luận án này, tác giả chỉ nghiên cứu
sự phối hợp trở kháng giữa anten và chip
1.3.2 Băng thông
Băng thông của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêucầu đầu ra như trở kháng đầu vào, hệ số tăng ích, hiệu suất bức xạ, Độ rộng băng thông củamột anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên một khoảng tần
số nào đó Phần lớn các anten trong thương mại đều sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1,5:1 [42] Bảng1.1 minh họa quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vựctrên thế giới [43]
1.3.3 Hệ số định hướng của anten
Hệ số định hướng của anten theo một hướng được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ côngsuất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho với mật độ công suất bức xạ cũng ởkhoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạgiống nhau trong cả hai trường hợp [42]
D (θ, φ) = S (θ, φ)
trong đó, S (θ, φ) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (θ, φ) đã cho ở khoảng cách
R, S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên với giả thiết anten bức xạđồng đều theo các hướng
Bằng cách sử dụng anten đẳng hướng, đầu đọc RFID có thể phát hiện được thẻ trongpham vi vài mét với công suất đầu ra 1 watt Cấu hình này khả thi nếu các thẻ RFID được đặt
Trang 22ở bất kỳ hướng nào đối với đầu đọc Trong thực tế, anten của đầu đọc được đặt ở rìa và cácthẻ được đặt ở vị trí trung tâm, mối quan hệ góc với anten đầu đọc được xác định khá rõ Vìvậy công suất được bức xạ theo các hướng khác trở nên lãng phí Anten định hướng thườngđược đề xuất để hạn chế hiện tượng này Khi đó, công suất phát bức xạ mạnh hơn theo cáchướng mà thẻ có thể được tìm thấy nhiều nhất.
1.3.4 Hệ số tăng ích của anten
Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ củaanten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng vàcùng khoảng cách với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau và anten chuẩn có hiệusuất quy ước bằng 1 Hệ số tăng ích của anten được tính theo công thức sau [42]:
Hệ số tăng ích của anten thẻ là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến khoảng đọc của
hệ thống RFID Anten có hệ số tăng ích càng lớn thì phạm vi phát hiện được thẻ của đầu đọccàng xa Điều này có được là do anten có hệ số tăng ích lớn hơn sẽ nhận được từ đầu đọcnăng lượng lớn hơn
xạ lớn Anten thẻ RFID thường được gắn với chip có trở kháng phức vì vậy việc phối hợp trởkháng giữa anten và chip sao cho hiệu suất bức xạ đạt được tối đa luôn là vấn đề được quantâm khi thiết kế và chế tạo
Trang 231.3.6 Phân cực
Phân cực của anten là sự định hướng của các véc tơ trường điện từ−→
E tại một vài điểmtrong không gian Nếu véctơ−→
E giữ nguyên sự định hướng tại mỗi điểm trong không gian thì
đó là sự phân cực tuyến tính Còn nếu véc tơ−→
E quay trong không gian, thì đó là sự phân cựctròn hoặc elip [42]
Trong hệ thống RFID, nếu các thẻ được căn chỉnh đúng vị trí với phân cực anten, antenphân cực tuyến tính sẽ đọc được xa hơn so với anten phân cực tròn Do công suất bức xạkhông bị chia thành nhiều trục, trường của anten phân cực tuyến tính sẽ mở rộng ra xa hơn
so với anten phân cực tròn nên cho phép phạm vi đọc lớn hơn
1.3.7 Khoảng đọc của anten
Dựa vào phương trình truyền Friis, khoảng đọc tối đa của hệ thống RFID được tính theocông thức sau [45]:
• Góc đọc: Để anten thẻ nhận được năng lượng nhiều nhất từ anten đầu đọc, thẻ RFIDphải đối diện trực tiếp với anten
• Vị trí đặt thẻ tương đối giữa đầu đọc và thẻ là phần diện tích hiệu dụng "tiếp xúc" giữathẻ và đầu đọc
• Độ dài cáp kết nối giữa anten và đầu đọc ảnh hưởng đến suy hao tín hiệu truyền giữaanten và đầu đọc
Trang 241.4 Các loại vật liệu đế điện môi
Để tiết kiệm chi phí chế tạo, vật liệu đế điện môi phải có giá thành rẻ Ngoài ra, các vậtliệu này phải thân thiện với môi trường và không gây hại cho môi trường Thậm chí sẽ tốthơn nữa, nếu thẻ RFID có thể được sản xuất trực tiếp trên bề mặt của đối tượng hoặc đượcnhúng bên trong cấu trúc đối tượng [46]
Về cơ bản vật liệu làm đế điện môi sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ của thẻ thông quacác đặc tính của nó, như hệ số suy hao và hằng số điện môi [47] Hằng số điện môi của vậtliệu đặc trưng cho tính chất điện của vật liệu đó [48] Hệ số suy hao là một thước đo tiêuchuẩn về tổn thất của điện môi được dùng để mô tả tỷ lệ của cường độ dòng dẫn với cường
độ dòng dịch chuyển [49] Hệ số suy hao đặc trưng cho chất lượng của chất điện môi, chấtđiện môi tốt sẽ có độ suy hao rất nhỏ Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào đưa ra chuẩn về vậtliệu tiên tiến trong lĩnh vực thiết kế anten RFID Trong luận án này tác giả để xuất phân chiacác loại vật liệu đế điện môi được chia thành hai nhóm:
• Vật liệu truyền thống: bao gồm các loại vật liệu phổ biến như polymer, gỗ, giấy, vánép
• Vật liệu tiên tiến: bao gồm các loại vật liệu có các tính chất đặc biệt mà vật liệu truyềnthống không có được như vật liệu vải cách điện và siêu vật liệu
1.4.1 Vật liệu truyền thống
1.4.1.1 Các loại vật liệu polymer
Các loại vật liệu đế điện môi polymer giá thành thấp bao gồm polyesters (PE), bonate (PC) và polyethylene terephthalate (PET) Những vật liệu này có khả năng chịu nhiệt
polycar-độ kém, vì vậy sử dụng chúng trong quá trình gia công nhiệt trở nên khó khăn [50] Đặc biệt
là vật liệu PET ngày nay được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thẻ RFID với kỹ thuật ăn mòntruyền thống Vật liệu PE có các đặc tính kém hơn nên không được sử dụng rộng rãi trongsản xuất hàng loạt thẻ RFID
1.4.1.2 Bìa các tông và giấy
Lợi ích của giấy làm đế điện môi là: giá thành rẻ, sẵn có, bề mặt khá đồng nhất và cókhả năng phân hủy sinh học [51] Giấy chỉ mất vài tháng để phân hủy Tuy nhiên nhược điểmcủa loại vật liệu này là dễ bị thấm nước Có nhiều loại giấy khác nhau về độ dày, kết cấu vàtính chất điện môi Giấy và các tông không chịu được quá trình ăn mòn truyền thống, do đócần có các phương pháp chế tao anten mới Nói chung, các tông có tính chất tương tự như
Trang 25giấy Do cấu trúc của các tông dày hơn so với giấy, các quy trình ứng dụng mực dẫn điệncùng với các quy trình gia công dễ thực hiện hơn Hình minh họa thẻ RFID Avery DennisonAD-301R6-P bằng giấy.
Hình 1.3: Thẻ RFID Avery Dennison AD-301R6-P bằng giấy
1.4.1.3 Gỗ
Gỗ cũng có thể được lựa chọn làm đế điện môi cho thẻ RFID Vật liệu này có khả năngphân hủy sinh học, thẩm mỹ và được sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực ứng dụng RFID,như hậu cần, xây dựng và bán lẻ Tuy nhiên, gỗ có nhược điểm là dễ hấp thụ độ ẩm Vì vậy
gỗ không phù hợp với phương pháp chế tạo sử dụng kỹ thuật vẽ cọ, do không đủ mềm dẻo.Nếu đế điện môi rất mỏng, gỗ trở nên mềm dẻo hơn và dễ bị nứt
1.4.1.4 Ván ép
Ván ép được làm bằng các tấm gỗ veneer mỏng [52] Các tấm veneer này được dán lạivới nhau Cấu trúc lớp veneer và đặc biệt là lớp dính giữa các lớp veneer có khả năng chốnglại sự hấp thụ nước Sự phân bố độ ẩm bên trong ván ép không phải lúc nào cũng đồng nhất,các lớp bên ngoài ván ép hút ẩm nhanh hơn các lớp bên trong [53] Các thẻ RFID sử dụng vậtliệu đế điện môi bằng gỗ dán có thể được đặt ở nhiều khu vực khác nhau, từ điều kiện bênngoài với nhiệt độ và độ ẩm không khí khác nhau, đến điều kiện bên trong có không khí khá
ổn định Bề mặt gỗ dán có độ nhám lớn gây khó khăn cho quá trình sản xuất anten RFID,đặc biệt với kỹ thuật in phun [52]
1.4.1.5 Gốm
Gốm thường được sử dụng làm chất điện môi cho thẻ RFID gắn với các đối tượng bằngkim loại Ưu điểm của vật liệu gốm là có hệ số điện môi lớn làm cho các đặc tính của antennhư trở kháng, hiệu suất bức xạ cũng như đồ thị phương hướng bức xạ ít bị ảnh hưởng bởimôi trường xung quanh Thêm vào đó thẻ RFID sử dụng đế bằng vật liệu gốm có khả năngchịu nhiệt, chịu va đập tốt hơn các vật liệu khác Hình 1.4 minh họa thẻ RFID UHF0055
Trang 26bằng gốm của hãng ADC [54] Anten có kích thước 25mm × 9mm × 3mm, hoạt động ở tần
và dễ dàng gắn trên cơ thể người Vật liệu được sử dụng là các loại vải có tính chất tương tựvới đế điện môi Phần dẫn điện của anten có thể làm bằng sợi đồng mảnh Vải dệt thường cóhằng số điện môi rất thấp, giúp giảm suy hao sóng bề mặt và cải thiện băng thông của anten.Vải được sử dụng làm đế điện môi của anten có hai loại: sợi tự nhiên và sợi nhân tạo Một
số tính chất của vải ảnh hưởng đến các thông số của anten sẽ được trình bày dưới đây:
• Hệ số điện môi của vải
Một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc tính của anten là độ điệnthẩm phức của đế điện môi Độ điện thẩm phức được định nghĩa là [55]:
ε = ε0εr= ε0(εr1− jεr2) (1.7)trong đó ε0 là độ điện thẩm của chân không
Ngoài ra, tần số, nhiệt độ, độ nhám bề mặt và cả độ ẩm của vật liệu đều ảnh hưởng đếntính chất điện môi của vật liệu Phần thực của hằng số điện môi tương đối, εr1, đượcgọi là hằng số điện môi Tỷ lệ của phần ảo so với phần thực được gọi là hệ số suy hao
Trang 27tanδ = −εr2/εr1 (1.9)Suy hao sóng bề mặt có thể giảm do hằng số điện môi của vải thấp, từ đó cải thiệnđược băng thông và hiệu suất của anten [56, 57].
• Hấp thụ độ ẩm
Độ ẩm làm thay đổi đáng kể hiệu suất của anten khi vải hấp thụ nước vì nước có hằng
số điện môi cao hơn nhiều so với vải Các sợi liên tục trao đổi các phân tử nước vớikhông khí và thay đổi trạng thái cân bằng động với nhiệt độ và độ ẩm của môi trườngxung quanh Tần số cộng hưởng và băng thông của anten cũng bị ảnh hưởng Do antendệt được sử dụng gần da, nên độ ẩm của vải do mồ hôi của con người cũng cần đượclưu ý khi khảo sát đặc tính của anten Bên cạnh đó, khi sợi vải hấp thụ nước, chúngphồng lên theo chiều ngang gây ra sự co giãn của vải làm ảnh hưởng đến cấu trúc củaanten
• Độ dày của đế điện môi
Băng thông và hiệu suất của anten vi dải chủ yếu được xác định bởi hằng số điện môi
và độ dày của đế Để tối đa hóa băng thông của anten, độ dày lớp đế có độ từ thấmtương đối cố định trước được lựa chọn Tuy nhiên, giá trị này có thể không tối ưu hóahiệu suất anten nên độ dày của vật liệu điện môi là sự thỏa hiệp giữa hiệu suất và băngthông của anten Băng thông của anten được tính xấp xỉ theo công thức sau [44]:
trong đó Q là hệ số phẩm chất của anten Hệ số Q bị ảnh hưởng bởi suy hao sóng khônggian Qrad, suy hao Ohmic Qc, các sóng bề mặt Qswvà suy hao chất điện môi Qdđượcxác định bằng biểu thức sau:
1/Q = 1/Qrad+ 1/Qc+ 1/Qd+ 1/Qsw (1.11)
Đối với các đế điện môi mỏng, h << λ0, hệ số phẩm chất liên quan đến bức xạ (Qrad)
tỷ lệ nghịch với độ dày của đế điện môi Do đó, việc tăng độ dày của đế làm giảm hệ
số phẩm chất Q và tăng băng thông của anten Hơn thế nữa, bề dày của đế cũng ảnhhưởng kích thước hình học của anten
1.4.2.2 Siêu vật liệu
Siêu vật liệu là một loại vật chất nhân tạo được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc
vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để tạo ra các tính chất điện từ theo ý muốn Các cấu trúc
Trang 28"nguyên tử" được làm từ kim loại hoặc điện môi, có kích thước nhỏ hơn từ 7 đến 10 lần sovới bước sóng hoạt động của siêu vật liệu Sự sắp xếp các cấu trúc vi mô có thể theo một trật
tự hoặc hỗn loạn
Tính chất điện từ của mỗi loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm
và hằng số điện môi Nguyên lý cơ bản của siêu vật liệu là tạo ra các mạch cộng hưởng điện
từ có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng vật lý trên, điều mà không thể làm đượcvới các vật liệu tự nhiên Thách thức trong các nghiên cứu ứng dụng siêu vật liệu là việc chếtạo vi mô các cấu trúc ba chiều Trong khi đó, siêu vật liệu phẳng có thể dễ dàng chế tạo bằngcác công nghệ hiện có vì vậy nhiều nhà nghiên cứu siêu vật liệu tập trung vào các cấu trúcphẳng một lớp hoặc vài lớp có thể dễ tiếp cận hơn Các cấu trúc này được gọi là bề mặt dẫn
từ nhân tạo Điểm đáng quan tâm lớn nhất được tập trung nghiên cứu đó là sự phản xạ và lantruyền sóng bề mặt Các bề mặt dẫn từ nhân tạo làm giảm hiệu ứng lan truyền bằng cách đưa
ra những thay đổi đột ngột về tính chất quang học Ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý như
sự phản xạ, khúc xạ dị thường, sự chuyển đổi phân cực được trình bày trong phần dưới đây
• Phản xạ, khúc xạ dị thường
Khi sóng điện từ phẳng gặp ranh giới giữa hai môi trường đồng nhất với các chỉ sốkhúc xạ khác nhau sẽ bị tách thành chùm phản xạ truyền trở lại môi trường thứ nhất vàchùm truyền đi vào môi trường thứ hai Các hệ số phản xạ và truyền, hướng của chúngđược xác định bởi tính liên tục của các thành phần trường tại biên và được đưa ra bởicác phương trình Fresnel và định luật Snell, tương ứng
Nếu thêm vào bề mặt điện môi một mảng theo chu kỳ các bộ cộng hưởng bước sóngcon có độ dày không đáng kể tạo thành một bề mặt dẫn từ nhân tạo thì hệ số phản xạ
và hệ số truyền sẽ bị thay đổi đáng kể do các điều kiện biên bị thay đổi bởi sự kíchthích của dòng điện hiệu dụng trên bề mặt dẫn từ nhân tạo Các sóng phản xạ và sóngtruyền có sự thay đổi pha từ −π đến π (tùy thuộc vào bước sóng của sóng tới so với
bộ cộng hưởng trên bề mặt dẫn từ nhân tạo) Khi sự thay đổi pha là đồng nhất dọc trêntoàn bộ bề mặt, các hướng phản xạ và khúc xạ không thay đổi Tuy nhiên, một trongnhững ưu điểm của bề mặt dẫn từ nhân tạo là có thể tạo ra sự biến đổi pha không gian
để kiểm soát hiệu quả hướng truyền sóng và hình dạng của mặt sóng Hướng truyềnsóng có thể được điều khiển bằng nguyên lý Fermat, trong đó đường truyền tối ưu đểtruyền chùm sáng phải đứng yên trong thời gian truyền tương ứng với các thay đổi nhỏcủa đường truyền Ví dụ, bề mặt dẫn từ nhân tạo có sự phân bố không gian của các phathay đổi do sự tán xạ điện từ tại các anten Định luật về pha tĩnh này đảm bảo rằng cácsóng con bắt đầu từ một điểm nguồn sẽ có cùng pha khi đến điểm đích sau khi phản xạhoặc truyền qua mặt siêu âm Một tập hợp các định luật khúc xạ và phản xạ tổng quát
Trang 29có thể được bắt nguồn từ định luật pha tĩnh:
cos (θt) sin (ϕt) = n1
t k 0
dφ dy
Hình 1.5: Gradient của bước nhảy pha giao thoa dφ/dr tạo ra vec tơ sóng trên bề mặt có
thể bẻ cong ánh sáng truyền và phản xạ theo các hướng tùy ý
Định luật này chỉ ra rằng các chùm ánh sáng truyền qua và phản xạ có thể bị bẻ congtheo các hướng tùy ý trong nửa không gian tương ứng của chúng, tùy thuộc vào hướng
và độ lớn của gradient pha giao thoa, cũng như các chỉ số khúc xạ của môi trường xungquanh
Để chứng minh bằng thực nghiệm các luật tổng quát, người ta phải chia ra các bộ tán
xạ nhỏ có thể điều khiển thay đổi pha của các sóng tán xạ và đặt vào một mảng, tạothành một bề mặt nhân tạo Biên độ tán xạ phải giống nhau cho tất cả các bộ tán xạ
và khoảng cách giữa các bộ tán xạ lân cận trong mảng phải nhỏ hơn nhiều so với bướcsóng Những điều kiện này đảm bảo rằng sự chồng chất của sóng hình cầu phát ra
từ các bộ tán xạ tạo ra sóng khúc xạ và phản xạ với mặt sóng phẳng, theo nguyên lýHuygens Khi một chùm ánh sáng chiếu vào anten, năng lượng quang được ghép thành
Trang 30sóng điện từ bề mặt truyền qua lại trên bề mặt anten, chúng đi kèm với dao động điệntích bên trong anten Những sóng điện từ bề mặt kết hợp với điện tích dao động nàyđược gọi là plasmon bề mặt Đối với sóng kích thích có độ dài cố định, cộng hưởngxảy ra khi độ dài anten L ≈ λ/2 , trong đó λ là bước sóng plasmon bề mặt Khi đósóng điện từ tới cùng pha với dòng anten bị kích thích Do đó, pha của dòng anten vàpha của sóng điện từ được tạo bởi dòng dao động (tức là sóng tán xạ từ anten) có thểđược điều khiển bằng cách chọn độ dài anten thích hợp.
• Chuyển đổi phân cực
Trạng thái phân cực là đặc tính của sóng điện từ và sự chuyển đổi giữa các trạng tháiphân cực cần thiết cho nhiều ứng dụng điện từ và quang tử hiện đại Ví dụ trong cảmbiến tiên tiến, chuyển đổi phân cực tuyến tính sang phân cực tròn làm cho chùm tiachống lại sự biến đổi môi trường, tán xạ và nhiễu xạ Trong những năm gần đây, việcchuyển đổi giữa các trạng thái phân cực bằng cách sử dụng các bề mặt dẫn từ nhân tạongày càng được quan tâm nghiên cứu do tính linh hoạt trong thiết kế của chúng Cácnguyên tử meta đơn có tính đối xứng có thể duy trì trạng thái phân cực Tuy nhiên, khitính đối xứng bị phá vỡ các trạng thái phân cực có thể được tùy chỉnh Chuyển đổi phâncực băng hẹp giữa các trạng thái phân cực tuyến tính và phân cực tròn ( 4φ = π/2,1/4 bước sóng) hoặc xoay phân cực tuyến tính (4φ = π, nửa bước sóng) được thựchiện bằng cách sử dụng các bề mặt dẫn từ nhân tạo một lớp hay nhiều lớp
Theo ma trận Jones [43, 44], việc truyền các sóng tới phân cực tuyến tính (Ex, Ey) quamột bề mặt dẫn từ nhân tạo có thể được mô tả như sau:
Et x
Et y
Ei y
!
= bTlin E
i x
Ei y
!
(1.13)
Đối với các sóng tới phân cực tròn, phương trình trên có dạng:
Et +
– Tất cả các thành phần trong ma trận Jones có thể khác nhau nếu bề mặt dẫn từ
nhân tạo thiếu sự đối xứng phản xạ hoặc đối xứng quay
Trang 31– Nếu cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo có đối xứng gương, Txy = Tyxvà T++= T−−
và nếu phân cực tuyến tính song song hoặc vuông góc với mặt phẳng đối xứng,
Txy = Tyx= 0
Khi thiết kế các siêu bề mặt điện tữ để chuyển đổi phân cực giữa các loại tương tự(phân cực tuyến tính x và y hoặc phân cực tròn trái hoặc phải), chúng ta cần tối đa hóacác thành phần ngoài đường chéo của ma trận Jones Để chuyển đổi giữa các phân cựctuyến tính và tròn, các bề mặt dẫn từ nhân tạo cần phải cho phép độ lệch pha π/2 giữacác thành phần trực giao
– Chuyển đổi phân cực tuyến tính sang tròn
Một mảng anten có mặt phẳng mặt đất hoạt động ở tần số microwave để tăngcường hiệu quả bức xạ và hướng chùm tia Sự kết hợp này cũng tăng cườngchuyển đổi phân cực trong phản xạ cho các mảng cộng hưởng kim loại khôngđẳng hướng Công việc ban đầu ở tần số microwave đã chứng minh rằng chuyểnđổi băng hẹp sang các trạng thái phân cực khác nhau, bao gồm phân cực tuyếntính và phân cực vuông góc với sóng tới, có thể tùy thuộc vào các tham số cấutrúc, góc tới và tần số hoạt động Người ta cũng đã chứng minh rằng có thể sửdụng một cặp lưỡng cực điện được định hướng vuông góc (ví dụ như các bộ cộnghưởng chéo hình chữ nhật, hình elip, v.v ,để điều khiển các trạng thái phân cực.Kiểu cấu trúc này tương tự như cấu trúc trong các chất hấp thụ hoàn hảo, trong
đó giao thoa Fabry Pérot đóng vai trò quan trọng Khi bề mặt dẫn từ nhân tạo bịkích thích bởi sóng tới phân cực tuyến tính tạo ra hai sóng có biên độ bằng nhau,phân cực tuyến tính trực giao và độ lệch pha π/2, tạo ra chùm tia khúc xạ phâncực tròn uốn cong khỏi bề mặt Bằng cách tăng số lượng lớp lên hai hoặc ba,trường gần có thể tăng cường đáng kể chuyển đổi phân cực tuyến tính sang vòngtròn cũng như băng thông hoạt động
– Xoay phân cực tuyến tính
Đáp ứng đối kháng phẳng có thể thực hiện xoay theo hướng phân cực tuyến tính.Chuyển đổi phân cực tuyến tính sử dụng các tính chất dị hướng của siêu vật liệu
Để tán xạ về phía trước, lưới được đặt phía sau cho phép thành phần phân cực yđược đi qua trong khi chặn thành phần phân cực x; để tán xạ trở lại, lưới được dặtphía trước phản xạ thành phần phân cực và cho phép thành phần phân cực x điqua Khi độ dày của các lớp đế polyimide được điều chỉnh cẩn thận, nhiễu giaothoa tăng cường chuyển đổi phân cực và giao thoa triệt tiêu của các phản xạ đồngphân cực làm giảm phần lớn sự mất phản xạ ở nhiều tần số
Khi độ dày của các lớp đệm polyimide được điều chỉnh cẩn thận, nhiễu giao thoatăng cường chuyển đổi phân cực và giao thoa triệt tiêu của các phản xạ đồng phân
Trang 32cực làm giảm phần lớn sự mất phản xạ (mất chèn) ở nhiều tần số [58] , một cơchế tương tự như lớp phủ chống phản xạ siêu vật liệu và chất hấp thụ hoàn hảo.
1.5 Phối hợp trở kháng giữa anten và chip
Anten dipole được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng không dây do có cấu trúcđơn giản, bức xạ đa hướng, dễ điều chỉnh trở kháng của anten, hệ số phẩm chất và anten cókích thước nhỏ Đặc biệt, trong ứng dụng RFID, anten dipole microstrip được sử dụng làmanten thẻ Để phối hợp trở kháng với chip RFID điện dung trong thực tế, người ta sử dụngcác phương pháp bao gồm vòng ghép điện cảm, cấu trúc ghép điện dung hay mạng phối hợptrở kháng chữ T [59] Phần này sẽ trình bày phương pháp phối hợp trở kháng mạng chữ Tbằng cách sử dụng mạch tương đương
1.5.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm
Cấu trúc anten dipole phối hợp trở kháng bằng kỹ thuật sử dụng vòng ghép điện cảm và
mô hình mạch điện tương đương được minh họa trong hình 1.6 Thẻ bao gồm một antenlưỡng cực, một vòng ghép điện cảm và chip Thành phần phát xạ được mô hình hóa thànhmột mạch RLC nối tiếp (Ra, La, Ca) Vòng ghép hỗ cảm tương đương điện trở RLoop nối tiếpvới cuộn cảm LLoop Chip được mô hình hóa tương đương mạch RC song song (RC, CC).Trở kháng vào của anten nhìn từ chip được tính theo công thức sau [1]:
M : độ tự cảm tương hỗ giữa vòng ghép điện cảm và thành phần phát xạ
Để tần số hoạt động của anten gần với tần số cộng hưởng f0, trở kháng đầu vào của thànhphần phát xạ và vòng ghép điện cảm được tính theo công thức sau:
Za = Ra,0+ jRa,0Qa f
f0 −f0f
Trang 33Hình 1.6: Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng vòng ghép hỗ cảm: (a) Cấu trúc anten,
(b) Mô hình mạch điện tương đương [1]
Thay thế phương trình 1.16 và 1.17 vào phương trình 1.15, thu được phần thực và phần
ảo của trở kháng anten Zant như sau:
Trang 34Để tính gần đúng các tham số của mạch, các đoạn dây dẫn được coi là dây dẫn hoàn hảovới dòng điện đồng nhất và tổn thất không đáng kể Hình 1.6(a) cho thấy mạch tương đươngcủa vòng ghép điện cảm gồm một điện trở và một cuộn cảm Giả thiết chu vi của vòng ghép
hỗ cảm là P, với một vòng kích thước nhỏ (P < λ0/3), điện trở được tính như sau:
ln
2l
w + t
+ 0.50049 + w + t
dab: khoảng cách giữa hai dây dẫn
l: độ dài của dây dẫn (hình 1.8)
Hình 1.7: (a) Mô hình mạch điện tương đương của vòng tiếp điện, (b) Mô hình tự cảm LL
Giả sử Lgaplà độ tự cảm của khe giữa các đầu cuối tiếp điện Độ tự cảm tổng của vòngghẹp với khoảng cách được tính như sau:
LL = (L1+ L2+ L3+ L4) − Lgap−2(M13+ M24) = 2(L1+ L2−M13−M24) − Lgap (1.26)Thành phần phát xạ của anten được mô hình hóa thành một mạch RLC nối tiếp Trong
đó, cuộn cảm kết hợp với tụ điện nối tiếp tạo thành mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng
Trang 35l
zx
y
dab
Hình 1.8: Mô hình tính độ tự cảm tương hỗ của hai dây dẫn song song
của anten Với một vòng dây dẫn có chu vi (λ0/3 ≤ P < πλ0), điện trở bức xạ của anten cóthể mô hình hóa Điện trở bức xạ tương đương với tổn thất của anten anten trong quá trìnhbiến đổi dòng điện thành sóng bức xạ Tóm lại, điện trở tổng bao gồm điện trở bức xạ và điệntrở suy hao Giả sử dây dẫn của anten được coi là không tổn hao, Ra,0bằng tổng điện trở vàđược tính như sau:
Trong đó, η = 120π (Ω), P là chu vi của vòng tiếp điện, Q(1)11(λP
0) là tích phân của chuỗicác hàm Bessel:
Thay thế P vào phương trình 1.28 để tính Q(1)11(λP
0), sau đó thay thế tiếp vào phương trình1.27 ta sẽ tính được Ra Mặt khác, độ tự cảm của anten được tính theo công thức trong tàiliệu [60]:
La = 0, 4(la+ lb) ln
2la.lbw(la+ lb)
Trang 361.5.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng mạng chữ T
Cấu trúc anten dipole sử dụng mạng phối hợp trở kháng chữ T và mô hình mạch điệntương đương được minh họa trong hình 1.9 Thẻ bao gồm một anten dipole, một đườngstripline mạng chữ T và chip Mạng chữ T hoạt động như một bộ biến đổi để phối hợp trởkháng giữa trở kháng của anten và trở kháng của chip thông qua việc điều chỉnh hệ số α [61].Các tham số kích thước của thẻ như sau:
Hình 1.9: Anten dipole với mạng phối hợp trở kháng chữ T: (a) Cấu trúc anten, (b) Mô hình
mạch điện tương đương
• Kích thước thẻ: XT ag× YT ag
• Kích thước dipole: XD× YD
• Kích thước mạng chữ T: XT × YT
• Độ rộng đường vi dải: WT
• YCT C: Khoảng cách giữa dipole và đường stripline của mạng chữ T
• ZT: Trở kháng dây chêm tạo bởi đường stripline của mạng chữ T và dipole
• ZD: Trở kháng dipole
Trang 37• ZT: Trở kháng chip
• K: số sóng
Công suất truyền từ chip được tính theo công thức sau:
PChip = PAnt(1− | η2tag |) = PAnt
1− | ZAnt− Z∗
1.5.3 Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng khe lồng nhau
Mô hình anten sử dụng kỹ thuật sử dụng khe lồng nhau để phối hợp trở kháng và môhình mạch điện tương đương được minh họa trong hình 1.10 Kỹ thuật phù hợp với các antenlưỡng cực kích thước lớn Việc phối hợp trở kháng giữa chip và anten được thực hiện nhờ vàothành phần trở kháng ảo của khe có tính cảm kháng Trở kháng của anten được điều chỉnhbởi tỷ số giữa a và b Tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của khe, anten hoạt động như
Trang 38một lưỡng cực băng thông rộng có dạng khe hình chữ H Khi độ rộng của khe b l, thànhphần trở kháng ảo lớn Ngược lại khi tăng b, thành phần trở kháng ảo giảm.
l a
d g b
1.6 Các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten thẻ RFID
Do phần lớn các thẻ RFID được gắn trên các đối tượng có kích thước nhỏ vì vậy yêu cầugiảm nhỏ kích thước mà không làm giảm hiệu suất bức xạ luôn được đặt ra trong quá trìnhthiết kế anten thẻ RFID Hiện nay, hai kỹ thuật giảm nhỏ kích thước được sử dụng phổ biếncho anten thẻ RFID bao gồm: kỹ thuật uốn gấp khúc và kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten chữ
F ngược [59]
1.6.1 Kỹ thuật uốn gấp khúc
Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách uốn gấp khúc hai nhánh của anten lưỡng cực, tạo
ra các cuộn cảm và điện dung phân tán tác động đến trở kháng vào của anten [62] Hình 1.11minh họa cấu trúc của anten lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc (MLA) Mật độ dòngđiện phân bố chủ yếu ở các đường nằm ngang của anten Tần số cộng hưởng của anten uốngấp khúc thấp hơn nhiều so với anten lưỡng cực truyền thống Tuy nhiên anten thu được cóbăng thông hẹp và hiệu suất bức xạ thấp hơn
Trang 39Hình 1.11: Cấu trúc anten lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc
0,05 × 0,04
0,27 × 0,01
(a)
(b)0,24 × 0,05
(c)
Hình 1.12: Một số cấu trúc anten thẻ RFID lưỡng cực sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc để
giảm nhỏ kích thước anten
Một số mẫu anten thẻ RFID sử dụng kỹ thuật uốn gấp khúc nhằm giảm nhỏ kích thướccủa anten được trình bày trong hình 1.12 Hình 1.12(a) minh họa cấu trúc anten thẻ RFIDMLA ở tần số f = 953M Hz tiếp điện bằng mạng phối hợp trở kháng chữ T [63] Cấu trúcanten thẻ RFID MLA ở tần số f = 915M Hz phối hợp trở kháng bằng vòng ghéo điện cảmđược mô tả trong hình 1.12(b) [64] Hình 1.12(c) minh họa cấu trúc anten thẻ RFID MLA
Trang 40gấp xoắn ốc tiếp điện bằng mạng phối hợp trở kháng chữ T hoạt động ở tần số f = 900M Hz[65].
1.6.2 Kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten PIFA
Anten PIFA là một anten vi dải hình chữ nhật được kết nối với mặt phẳng đất bởi mộtphiến kim loại được gọi là chốt ngắn mạch Anten được gọi là anten PIFA vì hình chiếu cạnhcủa anten với lớp điện môi không khí có dạng như hình chữ F úp mặt xuống nhằm giảmchiều cao của anten.Anten PIFA thường được thiết kế để hoạt động với kích thước tấm phát
xạ bằng 1/4 bước sóng cộng hưởng Điều này có được là do sự xuất hiện của chốt ngắn mạchgiúp giảm nhỏ kích thước của anten đi 1/4 lần so với anten vi dải khác (thường cộng hưởngvới kích thước tấm phát xạ bằng 1/2 lần bước sóng hoạt động) Hình 1.13 minh họa cấu trúcanten PIFA có tấm phát xạ hình vuông hoạt động ở tần số f = 870M Hz [66]
εr0,19 × 0,19
Hình 1.13: Anten PIFA có tấm phát xạ hình vuông
1.6.3 Kỹ thuật dùng tải thuần kháng dung
Kỹ thuật dùng tải thuần kháng dung được sử dụng để giảm nhỏ kích thước anten lưỡngcực Phân bố dòng điện trên chấn tử được xác định theo phương pháp gần đúng, khi đó chấn
tử tương đương một đoạn dây song hành mắc tải điện dung ở đầu cuối Do mắc tải nên trởkháng đầu cuối có giá trị hữu hạn, dòng điện đầu cuối khác không tức là phân bố dòng điện
sẽ tương tự trường hợp chấn tử được kéo dài thêm một đoạn Hình 1.14 minh họa anten lưỡngcực với tải thuần dung kháng mắc ở đầu cuối [42] Hàm phân bố dòng điện trên chấn tử mắctải điện dung ở đầu cuối được tính theo công thức sau: