Thiết kế tối ưu anten cho thẻ rfid ở tần số 2 45ghz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o ĐÀO TRẦN MINH QUÂN THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CHO THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TpHCM, tháng 12/2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ………………………………… CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:ĐÀO TRẦN MINH QUÂN Ngày, tháng, năm sinh: 05-06-1986 Phái: Nam Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử MSHV: 09140019 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CHO THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25-01-2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 27-12-2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz Ở đây, chúng ta giả định rằng hàm cost thực hiện việc dịch các giá trị biến vào phạm vi thích  hợp và hoặc chuyển đổi từ nhị phân thành các số thực. Một biến x có giới hạn bởi xhi xlo, đó                                                x=xlo+(xhi‐xlo)*pop(1,:)  Như vậy, nếu các biến cho tập hợp trong (3.3) bị ràng buộc bởi ‐5 ≤xn≤ 5, sau đó nhiễm sắc thể  đầu tiên có giá trị    Dùng tập hợp trong (3.3) ngõ vào có kết quả (3.5) là  (3.6) (3.7)   Các biến nhị phân có thể phải được chuyển đổi sang các giá trị liên tục   x=xlo+(xhi‐xlo)*([2.^(‐[1:nbits])]*reshape(pop(1,:),nbits,nvar))  Nếu các biến trong quần thể (2.4) nằm trong khoảng ‐5 ≤xn≤ 5, thì nhiễm sắc thể đầu tiên có  giá trị  chrom1 = [3.75 0 0 0]  (3.8) Đơi khi, chuỗi nhị phân khơng cần chuyển đổi, hoặc chuỗi đại diện cho một sự lựa chọn một số liên tục.  Xây dựng hàm cost là một bước rất quan trọng trong việc tối ưu hóa.Khi hàm phải được gọi  nhiều lần để đánh giá giá trị của các cá thể, thường có sự cân bằng giữa sự tính tốn chính  xác và thời gian đánh giá Để giảm bớt thời gian hội tụ, chỉ có các biến có liên quan của hàm  cost cần được lấy. Ví dụ, khi tối đa hóa độ lợi của anten microstrip, kích thước của miếng patch  là rất quan trọng, trong khi màu sắc của anten thì khơng. Một số cơng thức của hàm cost được  dễ dàng, để tối ưu hóa hơn so với cơng thức khác. Ví dụ, tối ưu hóa vị trí của số khơng trên  vịng trịn đơn vị cho một  mảng hoạt động ,tốt so với tối ưu hóa các thành phần trọng lượng khi giảm thiểu búp sóng phụ của yếu tố mảng. Thời gian cho hàm cost phải cẩn thận trước khi việc tối ưu hóa có giá trị đáng kể sau đó.  Thơng thường, các hàm cost phải thõa mãn nhiều một mục tiêu.Một ví dụ, độ lợi anten có  thể được tối đa lúc, các trọng số của anten được giảm thiểu Đây loại vấn đề được biết đến như đa mục tiêu tối ưu hóa Một cách chung của các cách với nhiều mục tiêu để bình thường hóa các giá trị của từng mục tiêu, giá trị của mỗi trọng số, sau đó cộng các giá  trị với để có được một giá trị duy nhất cho hàm cost tổng qt.Vì vậy, đầu ra của hàm  cost có N số hạng là  -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 45                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - Cost =                                        (3.9)  Với =1 ≤cn≤ 1.Thông thường, Cost quan trọng để điều khiển trọng số liên quan với giá trị cost 3.5.1.3 Sự chọn lọc tự nhiên  Chỉ có các cá thể tốt nhất của quần thể mới được phép tồn tại đến thế hệ kế tiếp. Có hai cách  phổ biến để gọi chọn lọc tự nhiên. Cách đầu tiên là giữ nhiễm sắc thể khỏe mạnh natsel và  loại bỏ phần cịn lại Trước tiên, hàm cost được sắp xếp theo thứ tự để xác định tính phù hợp tương đối của nhiễm sắc thể:                                                            [cost ind]=sort(cost)    Sắp xếp giá trị cost trong (3.7)   (3.10) Các vector cột ind là hàng mà giá trị có tại (3.7). Tiếp theo,quần thể được sắp xếp để tương ứng với cost và chỉ natsel  = 4 nhiễm sắc thể được giữ lại:                                                  pop=pop(ind(1:natsel),:)                                                  cost=cost(1:natsel)            Kết quả population cost được cho bởi  (3.11) Một cách tiếp cận thứ hai, gọi là sự tạo giới hạn, giữ tất cả các nhiễm sắc thể có giá trị cost  thấp một giá trị giới hạn.                                                 pop=pop(find(cost  1.  Để minh họa cho khái niệm của bắt chéo biến liên tục, ta quan sát hai parents sau:  mother = [1 6] father = [3 1 2]   Trước hết, thực bắt chéo với biến trọng số ngẩu nhiên b=rand=0.78642  chrom3=b*chrom1+(1‐b)*chrom2  chrom3=[1.4272 2 2.5728 3.1457 4.1457 5.1457]  chrom4=(1‐b)*chrom1+b*chrom2  chrom4 = [2.5728 2 1.4272 0.85433 1.8543 2.8543]    Kế tiếp, một biến trọng số ngẩu nhiên được thử cho mỗi biến trong nhiễm sắc thể:  b=rand (1, 6) = [0.30415 0.79177 0.22736 0.24999 0.61258 0.61086]  chrom3=b.*chrom1+ (1‐b).*chrom2  chrom3= [2.3917 2 1.4547 0.99997 3.4503 4.4434]  chrom4= (1‐b).*chrom1+b.*chrom2  chrom4= [1.6083 2 2.5453 3 2.5497 3.5566]    Kết quả bắt chéo tuyến tính trong  chrom3=0.5*chrom1+0.5*chrom2  chrom3= [2 2 2 2 3 4]  chrom4=1.5*chrom1‐0.5*chrom2  chrom4= [0 2 4 6 7 8]  chrom5=‐.5*chrom1+1.5*chrom2  chrom5= [4 2 0 ‐2 ‐1 0]    Tính khám phá bắt chéo thực hiện  -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 51                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - b=0.78642  chrom3=chrom1‐b*(chrom1‐chrom2)  chrom3= [2.5728 2 1.4272 0.85432 1.8543 2.8543]  chrom4=chrom1+b*(chrom1‐chrom2)  chrom4= [‐0.57284 2 4.5728 7.1457 8.1457 9.1457]    Bắt chéo đơn điểm liên tục thực hiện         a=round (rand*6)         a=5         chrom3= [chrom1(1:a‐1) chrom1(a)‐b*(chrom1 (a)‐chrom2 (a)) chrom2 (a+1:6)]         chrom3= [1 2 3 4 1.8543 2]         chrom4= [chrom2(1:a‐1) chrom2(a)+b*(chrom1(a)‐chrom2(a)) chrom1(a+1:6)]         chrom4= [3 2 1 0 4.1457 6]    3.5.1.6 Tạo đột biến  Đột biến gây ra các biến ngẫu nhiên trong dân số. Tỷ lệ đột biến là một phần của các bit hoặc  giá trị trong một dân số sẽ thay đổi. Đột biến nhị phân thay đổi một sang khơng hoặc  khơng đến một. Lệnh MATLAB để thực hiện việc này  pop(mutindx)=abs(pop(mutindx)‐1)  Đột biến cho các biến liên tục có thể có nhiều hình thức khác nhau. Một cách là thay thế hồn  tồn các giá trị đột biến được chọn với một giá trị ngẫu nhiên mới  pop(mutindx)=rand(1,nmut);  Cách tiếp cận này giữ tất cả các giá trị biến trong giới hạn chấp nhận được.Tính thay thế là gây  nhiễu giá trị biến được chọn một cách ngẩu nhiên.Sự cẩn thận phải được thực hiện để đảm  bảo rằng các giá trị khơng kéo dài bên ngồi các giới hạn của các biến.    3.5.1.7 Kết thúc việc chạy  Q trình tạo ra thế hệ này lặp lặp lại cho đến khi một điều kiện chấm dứt đã đạt được.Thơng thường điều kiện kết thúc là:  • Thiết lập số lần lặp lại • Đặt thời gian tới.  • Một giá trị cost  thấp hơn so với một tối thiểu chấp nhận được.  • Thiết lập số đánh giá hàm cost.  • Một giải pháp tốt nhất vẫn khơng thay đổi sau một số lần lặp lại.  • Thực hiện chấm dứt.  Nhữngkết quả cuối cùng của tiến trình này dẫn đến việc dân số thế hệ tiếp theo của nhiễm  sắc thể là khác nhau từ các thế hệ ban đầu. Nói chung sự phù hợp sẽ tăng bởi tiến trình này  trong dân số, khi chỉ có các nhiễm sắc thể tốt nhất từ các thế hệ trước được lựa chọn cho việc  thực hiện.[4]    -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 52                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - 3.5.2 Giải thuật cho Genetic Algorithm   3.5.3 Kết mơ cho GA Như đã trình bày ở phần trước, thuật tốn Genetic Algorithm đã được tích hợp chương trình mơ phỏng CST 2009, ta lựa chọn các thơng số đầu vào thích hợp cho việc tính  tốn, cụ thể sau:      + Thành phần phân tích: chiều dài L (mm), chiều rộng W (mm)  + Kích thước dân số population: 100       + Chọn lựa quần thể ban đầu: Latin Hyper Cube distribution       + Tỉ lệ đột biến: 4%         Kết quả sau khi mô phỏng cho kết quả sau:  Bảng 3.2: Kết quả mô phỏng cho W = 5.331 mm  W(mm) h(mm) t (mm) L(mm) Z0=Zchip(Ω) 2.45              2.3 5.331 0.1 21.272 60   -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 53                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - (a)      (b)    (d)                             (c)    Hình 3.5 (a) anten thiết kế, (b) giá trị S11 2.45GHz, (c) giá trị phần thực Z11, (d) giá trị phần ảo Z11 Bảng 3.3 Kết so sánh hai anten W = 2mm W==5.331mm mô Tần số cộng hưởng (GHz) S11 (dB) Phần thực Z11 Phần ảo Z11 Chiều dài L (mm) Trước tối ưu 2.45 -41.247 60.2597 -j0.94 23.862 350 2.1 98.16% Sau tối ưu 2.45 -24.868 53.519 -j0.047 21.227 5.331 345 2.03 97.85% Chiều Băng Độ rộng thông lợi W (MHz) (dBi) (mm) Hiệu suất xạ (%) -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 54                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz Nhận xét: Anten thiết kế với thuật toán tối ưu Genetic Algorithm đạt tần số cộng hưởng 2.45GHz, trở kháng vào Z11 xấp xỉ 60 Ω Bên cạnh đó, giá trị thực sau mở rộng W = 5.331mm cho ta kết không sai lệch nhiều so với ban đầu W = 2mm thật thu hẹp chiều dài ăng ten.Đây mục tiêu việc thiết kế ăng ten RFID -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 55                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - CHƯƠNG 4  ĐO ĐẠC TRÊN ZBV 8  4.1 Thực q trình đo đạc Anten thiết kế có đặc điểm là mặt phẳng đối xứng ở giữa hai monopole và cũng là mặt phẳng đất.Do để tiến hành đo đạc, ta thực hiện đặt một mặt phẳng đất trực giao với anten và  nằm ngay mặt phẳng đối xứng.  Để dễ dàng cho việc đo đạc hơn, ta có thể phân tích trên một monopole, nghĩa đặt một  monopole của anten vng góc với mặt phẳng đất.Phương pháp đã được kiểm chứng và  cơng bố trên [6][7]. Với cách thức đo trên, thì trở kháng ngõ vào của anten sẽ là  , điện  áp cung cấp khơng đổi dịng điện IA tăng lên gấp đôi.  Sau số kết thu mô CST 2009 kết thu máy Network Analyzer ZBV8 với trở kháng port SMA 50 Ω (a) (c) (b) (d) -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 56                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz - (e) (f) Hình 4.1 (a) mơ hình anten CST 2009, (b) mơ hình anten thực tế, (c) giá trị S11 mô đo đạc, (d) đồ thị Smith đo đạc anten (e) giá trị phần thực Z11, (f) giá trị phần ảo Z11, 4.2 Nhận xét kết đo Giá trị Tần số(GHz) S11(dB) Phần thực Z11 Phần ảo Z11 Mô 2.448 -6.3456 23.62 j27.04 Đo đạc 2.45 -7.202 25.968 j22.887         Kết quả đo đạc và thực nghiệm có kết quả gần Ở ta thấy phần cảm kháng  của anten mô phỏng đo đạc là j27.04232. Dựa vào đồ thị Smith, ta thấy phần cảm tương ứng với  Điều này là hợp lý vì có thêm chiều dài của port SMA là 11 mm xấp xỉ   với giá trị   = 88.83 mm.  λ = Từ ta có thể kết luận: anten thiết kế hồn tồn phù hợp với kết quả thực tế để có thể xem  xét ứng dụng vào thực tiễn.            -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 57                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz -   CHƯƠNG 5  KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN  5.1 Kết Luận       Nhìn chung đề tài về “Thiết kế và tối ưu anten thẻ RFID 2.45GHz” đã đạt được một số nội dung bản sau:        + Biết được các kiến thức về hệ thống RFID, mà đặc biệt là về cấu trúc của anten thẻ trong  hệ thống.        + Các kiến thức về anten vi dải như: cơng thức thiết kế anten vi dải, các tính chất ảnh hưởng tới kích thước anten (ảnh hưởng của trường Fringing lên chiều dài và chiều rộng, ảnh hưởng của chất nền, tổn hao của vật liệu thiết kế anten) để ứng dụng vào trong việc tạo ra  một anten RFID hoạt động ở băng tần microwave, cụ thể là ở 2.45GHz.  + Đưa mơ hình cho việc thiết kế ăng ten thẻ RFID mà cụ thể ăng ten microtrip patch  hoạt động ở 2.45GHz (được mơ tả một giải thuật ở 3.1).Mơ hình có tính thực tiễn cao, từ khâu chọn vật liệu thiết kế, loại anten, chip, cũng q trình tối ưu hóa cho anten để đạt độ lợi cao, kích thước nhỏ gọn cho thẻ RFID. Các kết quả trong bảng tổng kết (3.1), (3.2),  (3.3) cho ta biết tính xác, độ tin cậy cao của chương trình mơ phỏng CST 2009, một  số tính chất của anten vi dải để ứng dụng vào việc thu gọn kích thước anten, tăng độ lợi, đảm  bảo tần số cộng hưởng 2.45GHz và trở kháng đầu vào cho anten.        + Các kiến thức về thuật toán Genetic Algorithms (GA) với lưu đồ giải thuật ở (3.5.2).Giải  thuật GA đã được biết đến phương pháp tối ưu thiết kế anten.Với đầu vào của  giải thuật là chiều dài và chiều rộng của anten, kết quả trong bảng (3.2) cho thấy được tính tối ưu của thuật tốn nhằm thu gọn kích thước anten đạt tần số cộng hưởng 2.45GHz.  + Phương pháp đo đạc kiểm nghiệm lại kết quả thiết kế đối với một anten RFID.Phương pháp đã được kiểm chứng trong [5] [6] bằng cách đặt một mặt phẳng đất vng góc với  anten. Vì anten RFID thiết kế là một dipole có tính chất đối xứng qua mặt phẳng đất nên trường hợp này ta chỉ kiểm chứng kết quả đo thông qua đo một monopole.         Tuy nhiên, điều kiện chưa cho phép nên việc thiết kế chỉ dừng lại ở mức độ thiết kế, đo đạc, chưa thể đưa vào sản xuất mong muốn ban đầu.  5.2 Hướng phát triển       Ngồi những kiến thức có được từ đề tài, người thực hiện xin đưa một số hướng phát  triển sau này:       + Dựa vào lưu đồ trong 3.1 ta có thể thiết kế một loại anten khác cho hệ thống RFID như: hoạt động ở một băng tần khác (UHF, LF, HF…), hoặc với một hình dạng khác (dipole, hình trịn,  hình gấp khúc, bowtie) hay một kích thước khác.       + Genetic Algorithm đã được ứng dụng nhiều trong anten. Vì vậy ta có thể ứng dụng thuật  tốn GA nhằm thu gọn kích thước cho các loại anten của thẻ RFID, cụ thể dipole ở tần số  UHF, HF, LF với bước sóng lớn ngun nhân làm cho kích thước anten lớn theo, bên cạnh  các thuật tốn tối ưu khác (Particle Swarm Optimization, Nelder Mead SimplexAlgorithm…) hay cách thu gọn anten khác (uốn khúc, zích zắc…).  -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 58                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2.45GHz      + Cải thiện thuật toán GA trong CST 2009 bằng cách đưa thêm tính chất cịn thiếu của  thuật tốn: tính bắt chéo, tăng quy mơ dân số, cách lựa chọn cho lai ghép.       + Áp dụng những kiến thức có để tiến hành sản xuất điều kiện cho phép.  -GVHD: TS.Phan Hồng Phương 59                         HVTH: Đào Trần Minh Quân  ... Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2. 45GHz - 2. 2 Các thông số anten 2. 2.1 Trở kháng vào [1]Trở kháng vào anten, tỷ số điện... Quân  THIẾT KẾ TỐI ƯU ANTEN CỦA THẺ RFID Ở TẦN SỐ 2. 45GHz - q =                  (2. 6)    2. 2 .2 Hệ số phản xạ Thường thì một anten được? ?thiết? ?kế. .. 3.4 Thiết kế anten microstrip patch, tần số cộng hưởng 2. 45GHz Dựa vào các cơng thức trên, ta? ?thiết? ?kế? ?anten? ?vi dải hình chữ nhật sao? ?cho? ?thỏa mãn điều kiện  là? ?anten? ?vừa cộng hưởng? ?ở? ?tần? ?số? ?2. 45GHz,  và có trở kháng vào Z11