Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Hình vẽ:
Hình 10: Anten mạch dải
Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten còn có tên gọi là anten mạch in.
Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, chiều dày lớp đế điện môi h với hằng số điện môi ε.
Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λo), lớp điện môi có độ dày h (0.003λo ≤ h ≤ 0.05λo) và độ dài L trong khoảng λo/3 < L < λo/2.
Một số vật liệu điện môi sử dụng trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi
εr từ 2.2 ÷ 12. Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2.2 sẽ tăng hiệu quả sử dụng của
anten: dải tần rộng hơn, suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, nhưng kích thước anten sẽ lớn hơn. Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số điện môi lớn thích hợp với các mạch vi sóng bởi mạch này yêu cầu tối thiểu hoá bức xạ tại biên cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước anten nhỏ hơn, nhưng hiệu suất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần cũng hẹp hơn. Trong khi đó, anten mạch dải thường tích hợp với mạch vi sóng nên bắt buộc phải có sự thoả hiệp.
Hình 11: Anten mạch dải nhìn từ mặt bên
Phân tích anten mạch dải theo phương pháp đường truyền dẫn, một phần tử anten mạch dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với hai khe bức xạ song song có chiều dài mỗi khe là W và dặt cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được xem như một dipole từ.
Hình 12: Khe bức xạ Anten mạch dải
Các phần tử bức xạ dùng cấu trúc mạch dải thường có nhiều hình dạng khác nhau như: hình vuông, hình chữ nhật, dipole, hình tròn, elip, hình tam giác…các dạng này đều dễ chế tạo, có đặc tính bức xạ linh hoạt và độ phân cực chéo thấp.
Hình 13: Các dạng anten mạch ải điển hình
Mỗi phần tử anten mạch dải có thể sử dụng như một anten độc lập, hoặc chúng có thể kết hợp với nhau thành hệ anten. Phần tử bức xạ của anten mạch dải nằm ở phía trên của tấm kim loại (màn chắn dẫn điện) nên có thể dễ dàng kết hợp các phần tử anten với
các mạch tích cực (mạch khuyếch đại, đổi tần…) hoặc các mạch xử lý tín hiệu nằm ở phía sau màn chắn để tạo ra hệ anten tích cực hoặc anten có xử lý tín hiệu.
Phần tử anten mạch dải có thể được tiếp điện bằng đường truyền mạch dải (được chế tạo theo công nghệ mạch in gắn liền với phiến kim loại), hoặc dung cáp đồng trục có đầu thăm nối với phiến kim loại còn vỏ cáp nối với màn chắn. Hình vẽ:
Đường vi dải Cáp đồng trục
Hình 14: Tiếp điện cho anten mạch dải
Ngày nay, anten mạch dải xuất hiện trong hầu hết các lĩnh cực, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, hàng không, thông tin vệ tinh, các thiết bị thông tin và truyền thông. Đây là loại anten có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với mọi loại hình dạng, đơn giản và rẻ tiền nhờ sử dụng công nghệ mạch in. Tuỳ theo cấu tạo khác nhau để có được sự linh hoạt về tần số cộng hưởng, độ phân cực, kiểu bức xạ, trở kháng làm việc…
Tuy nhiên, nhược điểm của loại anten này là công suất thấp, ảnh hưởng bức xạ nguồn nuôi và dải tần rất hẹp (một vài phần trăm). Ta có thể nâng hiệu suất bằng cách tăng độ dày lớp điện môi (khoảng 90% nếu không có sóng bề mặt) và dải tần có thể tăng 35%. Thực tế khi độ dày lớp điện môi tăng sẽ xuất hiện sóng bề mặt làm giảm công suất bức xạ, sóng bề mặt truyền trong lớp điện môi, tán xạ tại các góc và các gờ giới hạn bởi lớp điện môi và lớp đế, làm giảm đặc tính phân cực, phát xạ của anten. Sóng này có thể loại trừ mà vẫn giữ được dải tần rộng nếu sử dụng phương pháp hốc cộng hưởng.
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG RFID 2.1 Hệ thống RFID.
2.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID):
Trong vài năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động ngày càng phát triển và trở nên khá phổ biến trong các ngành như công nghiệp dịch vụ, mua sắm, phân phối, quản lý và được sử dụng tại rất nhiều các cơ quan, nhà máy, bệnh viện và các tổ chức khác. Chúng cung cấp cho chúng ta các thông tin về con người, hàng hoá, động vật trong việc di chuyển. Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID.
2.1.1.1 Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode):
Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất. Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau. Chúng được xắp xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau của dòng laser đối với
Mã vạch Mã vạch RFID RFID Thẻ thông minh Thẻ thông minh Quang học Quang học Giọn g nói Giọn g nói Hệ thống nhận dạng tự động Hệ thống nhận dạng tự động Sinh học Sinh học Vân tay Vân tay Hình 15: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động
2.1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học:
Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống trong đó nhận dạng con người là chủ yếu. Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi người. Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc.
2.1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh (smart card):
Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại có thêm một chip để xử lý thông tin. Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại. Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện. Thẻ được cung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó. Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần. Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý. Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn. Trong thực tế, chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này.
Hình 16: Mô hình công ty ứng dụng RFID
2.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID.
Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng bằng thẻ thông minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện trường do đầu đọc phát ra.
Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó. Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triển.
2.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID.
Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID
Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một đầu đọc (reader), một thẻ (tag) và phần mềm xử lý trung gian. Đầu đọc sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được đó.
2.1.3.1 Tag / thẻ
Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát (transponder), được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến vừa có khả năng tự động phát đi trả lời.
Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm các thành phần sau: - Mạch giải mã
- Bộ nhớ
- Nguồn cung cấp - Điều khiển giao tiếp - Anten
Thẻ có ba loại: tích cực, bán thụ động và thụ động.
Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của đầu đọc. Thẻ là một mạch cộng hưởng có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của đầu đọc. Để nhận năng lượng từ đầu đọc, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần. Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với đầu đọc để có thể nhận được năng lượng từ đầu đọc.
Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực. Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn cung cấp bên trong, pin. Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần của anten đầu
đọc. Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần. Nó có thể tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn.
Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữ liệu.
2.1.3.2 Đầu đọc (Reader)
Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là đầu đọc. Nó thực sự là một bộ thu phát (transceiver) nhưng bởi vì chức năng chủ yếu của nó là “đọc thẻ”. Vì vậy nó được gọi là “đầu đọc”. Đầu đọc có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần khác trong đầu đọc như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển giao tiếp.
Anten đầu đọc có kích thước rất đa dạng từ vài cm cho tới hàng chục, trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
2.1.3.3 Middleware
Phần mềm Middleware sẽ quản lý đầu và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa đầu đọc và cơ sở dữ liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc. Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả đầu đọc và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng.
2.1.4 Phân loại hệ thống RFID
Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, hệ thống RFID có thể được phân loại thành RFID trường gần và RFID trường xa. Còn về phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại hệ thống RFID thành hệ thống RFID thụ động, tích cực và bán tích cực.
RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ đầu
đọc tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM). Cả hai phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten RF - Trường khu gần và trường khu xa.
2.1.4.1 RFID trường gần
Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên cuộn dây anten của thẻ. Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π).
Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từ đầu đọc tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường. Hệ thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten đầu đọc, cường độ trường của thành phần từ trường trực giao với mặt phẳng anten đầu đọc thì rất mạnh, trái lại thành phần cường độ trường song song với mặt phẳng anten đầu đọc thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten đầu đọc, đầu đọc sẽ không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ.
2.1.4.2 RFID trường xa
Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ đầu đọc tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Đầu đọc sẽ phát ra năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và đầu đọc sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ.
Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng UHF như là 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba như là 2.45GHz hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu đầu đọc đối với tín hiệu phản xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Đầu đọc đang ngày càng được cải tiến độ nhạy sao
cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao động từ 3 – 5m. Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn.
2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID
Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động mà hệ thống sử dụng. Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt. Do phải đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần được cấp phép (dải ISM). Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải tần