Các thẻ RFID thụ động sẽ sử dụng cảm ứng từ do điện áp cuộn dây anten sinh ra để hoạt động. Cảm ứng từ của điện áp xoay chiều này được chỉnh lưu để cung cấp một nguồn điện áp cho thẻ. Khi điện áp một chiều đĩ đạt đến một mức nhất định, thì thẻ bắt đầu hoạt động. Vì vậy bằng cách tạo ra một tín hiệu năng lượng RF, reader cĩ thể liên lạc được từ xa với thẻ mà khơng cần đến nguồn năng lượng bên ngồi cho thẻ (ví dụ pin). Nên cuộn dây anten đĩng vai trị rất quan trọng trong các ứng dụng RFID,nĩ cung cấp năng lượng cho các thẻ thụ động,và tạo ra một kênh liên lạc giữa thẻ và reader. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu sơ qua về các cách chế tạo anten cùng các cơng thức vật lý liên quan để tìm ra các tham số chuẩn xác nhất cĩ thể.
Trước tiên ta cần phải xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến cuộn dây anten ta chế tạo ,chẳng hạn như đặt thẻ so với cuộn dây anten như thế nào (tạo một gĩc bao nhiêu độ) , hay nên chọn dây cĩ đường kính bao nhiêu để trở kháng của nĩ là thấp sẽ giúp cho hệ số chất lượng Q của anten cao lên,...
Theo định luật Ampe khi một dịng điện đi qua một dây dẫn thì nĩ sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đĩ. Từ trường được tạo ra bởi một phần tử dịng điện, trên một vịng dây dẫn với chiều dài hữu hạn được cho bởi cơng thức dưới đây:
I = dịng điện
r = khoảng cách tính từ trung tâm dây μ0 = 4 π x 10-7 (H/m)
Trong trường hợp đặc biệt với một dây cĩ chiều dài vơ hạn thì: α1 = -180°
α2 = 0°
Và biểu thức trên cĩ thể được viết lại như sau:
Hình 2.15 Tính tốn từ trường B tại vị trí P do dịng điện I trên một dây dẫn điện thẳng gây ra
I = dịng điện
a = bán kính của vịng
r = khoảng cách tính từ trung tâm của vịng μ0 = 4π x 10-7 (H/m)
Theo định luật Faraday thì sự thay đổi của từ trường theo thời gian qua một bề mặt bao quanh bởi một đường dẫn khép kín thì sẽ tạo ra một điện áp xung quanh nĩ. Hình dưới đây chỉ ra một ví dụ đơn giản của một ứng dụng RFID được rút ra từ định luật Faradaỵ Khi anten của thẻ và reader được đặt gần nhau, thì sự thay đổi của từ trường B theo thời gian được tạo ra bởi cuộn dây anten reader sẽ gây ra một
điện áp bên trong cuộn dây anten của thẻ đặt gần đĩ. Chính điện áp này là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện dịng điện trên cuộn dây đĩ. Đĩ chính là định luật Faradaỵ
Hình 2.16 Cấu hình một ứng dụng RFID
Điện áp gây ra trên cuộn dây anten của thẻ là tỉ lệ với tốc độ thay đổi của thơng lượng từ trường Ψ theo thời gian.Và nĩ cĩ cơng thức là :
N = số vịng của cuộn dây anten
Ψ = thơng lượng từ trường qua mỗi vịng dây
Thơng lượng từ trường Ψ là tổng từ trường B đi qua tồn bộ bề mặt cuộn dây anten,và được tìm ra theo cơng thức:
B = từ trường
S = diện tích bề mặt cuộn dây
Biểu thức tính tốn cho điện áp Vo sinh ra trong một vịng cuộn dây là:
lợị
f = tần số của tín hiệu đến N = số vịng của cuộn dây S = diện tích vịng (m2)
Q = hệ số chất lượng của mạch Βo = cường độ của tín hiệu đến α = gĩc tới của tín hiệu
Hình 2.17 Sự phụ thuộc về hướng của anten thẻ so với anten reader
Điện áp cảm ứng xuất hiện đi ngang qua cuộn dây anten là một hàm của gĩc các tín hiệu đến. Điện áp cảm ứng đạt giá trị lớn nhất khi cuộn dây anten đặt tại vị trí song song với tín hiệu đến , tại đĩ ta sẽ cĩ gĩc α = 0.Như vậy cĩ nghĩa là để khả năng đọc thẻ được tốt nhất trong thực tế , thì ta nên để thẻ theo phương song song với cuộn dây anten.
Ngồi ra khi chế tạo anten ta cũng cần phải chú ý đến đường kính dây dựa trên các kí hiệu số theo tiêu chuẩn của từng quốc gia, ví dụ với Hoa Kỳ ta dựa vào số kí hiệu AWG (American Wire Gauge). Dây cĩ đường kính càng nhỏ thì trở kháng DC của nĩ sẽ càng caọ Trở kháng DC với diện tích mặt cắt ngang như nhau tại các vị trí được cho bởi cơng thức:
l = tổng chiều dài dây
σ = độ dẫn điện của dây (mho/m) S = diện tích mặt cắt ngang = π r2 a = bán kính dây
Thơng thường trở kháng DC phải được giữ ở giá trị thấp nhất cĩ thể để giúp cho hệ số chất lượng Q của anten càng cao càng tốt. Bởi vậy, phải chọn dây cĩ đường kính càng lớn càng tốt để chế tạo anten cho các ứng dụng RFID trong thực tế.
Tại DC, các điện tích mang được phân bố đều qua tồn bộ diện tích mặt cắt ngang của dâỵ Khi tần số tăng lên, thì từ trường tại trung tâm của dây tăng lên. Do
đĩ, điện kháng gần vị trí trung tâm dây cũng tăng và dẫn đến mật độ dịng điện trong khu vực cũng tăng lên. Nên, điện tích di chuyển theo con đường từ trung tâm dây tiến đến mép dâỵ Và kết quả là, mật độ dịng sẽ giảm giảm tại trung tâm dây và tăng tại vị trí gần mép dâỵ Đây gọi là một hiệu ứng lớp bề mặt của dâỵ Độ sâu của dây tại nơi mà mật độ dịng điện giảm tới 1/e, hay là 37% (= 0.3679) giá trị của nĩ dọc theo bề mặt, được biết đến với tên gọi là độ sâu lớp bề mặt và phụ thuộc vào tần số hoạt động và độ từ thẩm, độ dẫn điện của mơi trường. Dưới đây là cơng thức tính tốn độ sâu lớp bề mặt:
f = tần số μ (F/m) = μομr
μo = 4 π x 10-7 (h/m)
μr = 1 cho đồng, nhơm, bạc,... = 4000 với chất liệu là sắt tinh khiết σ = độ dẫn điện của chất liệu (mho/m) = 5.8 x 107 (mho/m) với chất liệu là đồng = 3.82 x 107 (mho/m) với chất liệu là nhơm = 4.1 x 107 (mho/m) với chất liệu là vàng = 6.1 x 107 (mho/m) với chất liệu là bạc
Ta đã biết rằng, trở kháng của dây tỉ lệ với tần số, tức là tần số tăng thì trở kháng cũng tăng, và trở kháng do độ sâu lớp bề mặt tạo ra thì được gọi là trở kháng AC. Một biểu thức gấn đúng để tính tốn các trở kháng AC được cho bởi:
Như đã nĩi ở trên, một phần tử dịng điện khi chạy qua một dây dẫn thì sẽ tạo ra một từ trường xung quanh nĩ. Sự thay đổi về từ trường theo thời gian cĩ khả năng tạo ra một dịng điện chạy qua một dây dẫn khác – và cái này được gọi là “độ tự cảm”. Độ tự cảm L phụ thuộc vào các đặc điểm vật lý của dây dẫn. Một vịng dây thì cĩ độ tự cảm lớn hơn so với độ tự cảm của đoạn dây cùng chất liệu,và một cuộn dây càng cĩ nhiều vịng thì độ tự cảm của nĩ càng tăng lên. Ta sẽ tổng quát lại tất cả điều đĩ bằng một cơng thức cơ bản nhất dưới đây, ở đĩ độ tự cảm L của dây được xác định bằng tỷ lệ của tổng thơng lượng từ trường với dịng điện I đi qua dây:
N = số vịng dây I = dịng điện
Ψ= thơng lượng của từ trường
Từ cơng thức này ta cĩ thể suy ra được các cơng thức tính tốn khác phù hợp với từng cách quấn dây ,để thu được các thơng số cần thiết giúp cho sai số trong quá trình quấn dây giảm đị
Độ tự cảm của cuộn dây cĩ thể được tính tốn theo nhiều cách khác nhaụ Ta cĩ thể quấn dây theo kiểu dạng cuộn hình trịn, hình vuơng, hình lục giác,...Ta cũng cĩ
thể chế tạo dưới dạng các đường mạch trên một bảng mạch in.Ở đây ,tơi chọn cách quấn dây theo dạng cuộn hình trịn, với chất liệu dây quấn là đồng.
Với một cuộn dây đồng chỉ cĩ một vịng đơn thì độ tự cảm của nĩ được cho bởi cơng thức :
Trong đĩ:
a = bán kính vịng (cm) d = đường kính dây (cm)
Hình 2.18 Đường kính dây và một vịng cuộn dây trịn Từ đĩ ta rút ra cơng thức tính độ tự cảm của cuộn dây đồng cĩ N vịng là:
Trong đĩ:
a = bán kính trung bình của cuộn dây(cm) N = số vịng dây
b = chiều dày cuộn (cm) h = độ cao cuộn dây (cm)
Hình 2.19 Cuộn dây trịn cĩ N vịng
Nhìn từ cơng thức ta thấy rằng L phụ thuộc vào bốn tham số là a,h,b,N. Rất khĩ để tính ra kết quả chính xác giá trị của từng tham số tương ứng với giá trị N cần
thiết.Và để dễ dàng hơn ta sẽ cố định các tham số h,(a-b) . Từ đĩ ta sẽ ước lượng b theo N. Ở đồ án này , ta cần quấn cuộn dây cĩ giá trị L = 720uH. Tương ứng với giá trị đĩ, tơi xác định được các tham số cần thiết là:
A=4.75 cm
B=0.3 cm N=73 vịng H=0.8 cm
Trong đĩ: dây đồng quấn ta sẽ chọn loại đường kính 0.0515cm.