RCS là phép đo lượng công suất sẽ tán xạ theo một hướng cho trước khi một đối tượng được kích thích bởi một sóng tới. Trong trường hợp này, RCS của anten thẻ là lượng công suất tán xạ theo hướng từ thẻ về đầu đọc khi thẻ được kích thích bởi sóng tới từ đầu đọc. IEEE định nghĩa RCS là 4π lần tỷ số của công suất tán xạ trên một đơn vị góc khối tại một hướng xác định chia cho công suất trên một đơn vị diện tích trong
B ản g 4 H ệ số p hả n xạ v à hệ s ố tr uy ền c ôn g su ất là m ột h àm c ủa tổ n ha o tr ả về
mặt phẳng sóng tới tán xạ từ một hướng xác định. Chính xác hơn, nó là giới hạn của tỷ số đó khi khoảng cách R, từ điểm tán xạ đến điểm mà tại đó công suất tán xạ đo được, tiến tới vô cùng:
Trong đó Escat là điện trường tán xạ từ đối tượng (anten thẻ) và Einc là trường tới trên đối tượng (anten thẻ). RCS cũng có thể được cho dưới dạng sau:
Trong đó Sscat biểu thị mật độ phân bố công suất tán xạ, Sinc là mật độ công suất tới đối tượng tán xạ, và R là khoảng cách từ đối tượng.
Đơn vị của RCS là m2. Tuy nhiên, điều này cũng không liên quan gì tới kích thước vật lý của đối tượng mặc dù nếu đối tượng có kích thước vật lý càng lớn thì có RCS càng lớn. Các giá trị tiêu biểu của RCS thường nằm trong khoảng 10-5m2 đối với các kích thước nhỏ và 10+6m2 đối với kích thước lớn. Do RCS có dải động lớn, cho nên thường sử dụng thang công suất loga với giá trị tham chiếu là σref = 1m2.
Tán xạ anten
Công suất tán xạ trở lại từ một tải của anten (ZT) có thể được chia làm hai phần, phần thứ nhất được gọi là chế độ cấu trúc, do dòng cảm ứng trên anten khi anten xem như đường đay cuối khong phản xạ với trở kháng liên hợp phức. Phần thứ hai được gọi là chế độ anten, do mất phối hợp trở kháng giữa anten và tải. Ở đây chúng ta quan tâm tới chế độ anten để tính RCS.
Các công thức RCS đối với chế độ-anten
Phần thực của trở kháng anten được chia thành hai phần: trở kháng bức xạ Rr, và trở kháng tổn hao RL.
Mật độ công suất nhận được tại anten thẻ khi sóng điện từ phát từ đầu đọc là :
2
4 R G P
S reader ant reader ant
π −
−
=
Nếu trở kháng tải là liên hiệp phức của trở kháng anten, nghĩa là RT = RL + Rr và XA = -XT ta có : ant e ant ta chip tag P S A P − = − = . −
Với Ae−ant là diện tích hiệu dụng của anten thẻ.
ant tag ant e G A− = − π λ 4 2
Công suất bức xạ bởi thẻ RFID theo hướng trực tiếp tới đầu đọc được tính:
ant tag chip tag radiated re K P G P − = . − . − Với hệ số K: 2 2 4 T A A Z Z R K + =
Bảng 5: Hệ số K trong một vài trường hợp điện trở tải của anten khác nhau
Bằng lý thuyết kết họp với thực nghiệm, rút ra nhận xét và công thức:
- Một cách lý tưởng, RCS chế độ-anten lớn hơn 4 lần (hay 6dB) khi ngắn mạch cộng hưởng (RL = 0 và XT = -XA), tương ứng với trường hợp được phối hợp trở kháng liên hợp. Điều này được sử dụng để truyền dữ liệu từ tag tới reader trong các hệ thống RFID tán xạ trở lại.
- Trường hợp anten hở mạch, không có công suất bức xạ.
Tuy nhiên khi tỉ số > 3
A A
R X
, công suất bức xạ trở lại sẽ lớn hơn trường hợp anten ngắn mạch. T Z 0 * A Z ∞ K 2 2 4 T A A Z Z R K + = 1 0
A (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
A R
X /
Hình 30: Biểu đồ công suất bức xạ trở lại của một anten phối hợp lien hợp phức được chuẩn hoá bởi công suất bức xạ trở lại của một anten tương tự khi ngắn mạch bởi
tỉ số giá trị tuyệt đối điện kháng chia cho điện trở anten
Một anten thẻ tán xạ nhỏ nhất, RCS được tính: ant tag e radiated re K A G S P − − = . . δ hay 2 2 2 2 T A A ant tag Z Z R G + = − π λ δ 3.7 Tính toán khoảng đọc
Khoảng đọc của hệ thống RFID thụ động phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và những thông số sau đây:
- a. Tần số hoạt động và hiệu suất của cuộn anten - b. Hệ số Q của anten và mạch cộng hưởng - c. Hướng của anten
- d. Dòng kích thích - e. Độ nhạy của phía thu
- f. Thuật toán mã hoá (điều chế) và giải mã (giải điều chế) - g. Số bit dữ liệu và thuật toán tách sóng (biên dịch)
- h. Điều kiện của môi trường hoạt động (kim loại, chất lỏng…)
Khoảng đọc của hệ 13.56MHz thì tương đối dài hơn so với hệ 125kHz. Vì hiệu suất của anten tăng khi tần số tăng lên. Với một tần số hoạt động cho trước thì các thông số từ a đến c liên quan đến cấu trúc của anten và mạch cộng hưởng. Các điều kiện từ c tới e được xác định bởi cấu trúc mạch của dầu đọc. Điều kiện f là giao thức thông tin của thiết bị, và g liên quan tới chương trình phần mềm để tách lấy dữ liệu.
Giả thiết thiết bị hoạt động ở một điều kiện cho trước, khoảng đọc của thiết bị sẽ bị chi phối bởi hiệu suất của cuộn anten. Rõ ràng là khoảng đọc càng dài nếu anten có kích thước càng lớn với một thiết kế phù hợp.
Đo khoảng đọc
(a)
(b)
Hình 21: Đo khoảng đọc trong một phòng không có tiếng vọng; (a) Mô hình hệ thống. (b) Mô hình thực
Khoảng đọc có thể đo được bằng cách sử dụng một đầu đọc với một anten đã biết EIRP. Để có kết quả chính xác hơn, nên thực hiện đo trong một phòng không có tiếng vọng để tránh các hiệu ứng đa đường. Khoảng cách lớn nhất mà một thẻ có thể liên lạc được với đầu đọc sẽ được ghi lại.
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN
Lý thuyết về anten, anten mạch dải, đường truyền vi dải và hệ thống hệ thống RFID trong chương 1,2 ,3 là cơ sở để tiến hành thiết kế anten mạch dải sử dụng cho hệ thống RFID.
Khoá luận đã thiết kế thành công anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc dùng cho hệ thống RFID hoạt động tại dải tần 2.45GHz.
4.1. Mô phỏng, thiết kế anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dùng cho hệ thống RFID. tần 2.45GHz dùng cho hệ thống RFID.
Để mô phỏng và thiết kế, tôi sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) của hãng Ansoft.
Lớp điện môi: Sử dụng vật liệu FR-4 Hằng số điện môi εr =4.4
Độ dày h = 1.6mm - Cấu trúc, kích thước:
(a)
(b)
L1= 2 mm L2= 2 mm L3= 9.5 mm L4= 4 mm W1= 1 mm W2= 0.5 mm W3 = 35 mm W4= 50 mm
Hình 33 : Hình 3-D mô phỏng anten bằng phần mềm Ansoft HFSS
- Giản đồ bức xạ: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 35: Bức xạ 3-D của anten
Hình 37: Hệ số khuyếch đại Gain của anten
Hình 39 : Hệ số sóng đứng và return loss của anten
Một số mô hình anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động tại dải tần 2.45GHz dùng cho hệ thống RFID
- Anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa
Hình 41: Thông số return loss S11
Hình 43: Hệ số khuyếch đại Gain của anten
- Anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa
Hình 45 : Thông số return loss S11
Hình 47: Hệ số khuyếch đại Gain của anten
4.2 Đo đạc thực nghiệm
Ở phần trước chúng ta đã phỏng anten mạch dải cấu trúc zíc zắc bằng phần mềm Ansoft design (HFSS), nó cho ta kết quả tương đối tốt và phù hợp với yêu cầu đã đặt ra.
Trong phần này, chúng ta sẽ tiến hành đo bằng thực nghiệm. - Anten mạch in
(b)
Hình 48: Cấu trúc anten zíc zắc đã thực nghiệm. (a)Mặt trước ; (b) Mặt sau
- Giản đồ bức xạ và các thông số:
Hình50 : Độ rộng băng thông
Hình 52: Đồ thị Smith
Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm
Tính khoảng đọc
Giả thiết sử dụng đầu đọc có các thông số sau : f = 2450 MHz, EIRP = 4W (
tx reader
P − = 33dBm, Greader−ant= 6dBi), Preader−threshold = - 65dBm.
Cùng với các thông số anten: Gtag−ant= 1.64dBi, với giả thiết : χ= - 3dB, =
−threshold tag
P -8 dBm.
- Trường hợp anten và chip được phối hợp trở kháng (trở kháng tải là liên hiệp phức của trở kháng anten) : τ = 0dB, δ= -13.372dBsm. Sử dụng công thức ở chương 3 ta có : ≈ −link power R 2m ≈ r backscatte R 11.5m
- Trường hợp anten ngắn mạch cộng hưởng (RL = 0 và XT = -XA)
≈ −link power R 2m ≈ r backscatte R 16.3m
Kết quả cho thấy Rpower−link ngắn hơn nhiều Rbackscatter, khoảng đọc của hệ thống xác định bởi khoảng cách nhỏ hơn. Hệ thống có sự khác biệt lớn giữa hai khoảng cách này là do độ tăng ích và độ nhạy của anten đầu đọc lớn hơn nhiều anten thẻ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.3 Nhận xét- đánh giá
Dựa trên lý thuyết về anten kết hợp với kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính ; để đạt được giá trị tần số phối hợp trở kháng mong muốn của anten, đầu tiên tăng số đường gấp khúc, chiều dài chiều rộng của anten sau đó giảm dần cho đến khi đạt được giá trị mong muốn.
Trong chương 4, từ việc mô phỏng bằng phần mềm Ansoft HFSS, em chế tạo thành công anten mạch dải có cấu trúc zíc zắc hoạt động ở dải tần 2.45Ghz ứng dụng cho RFID. Thực nghiệm cho biết một số thông số của anten : thông số tổn hao trả về, trở kháng của anten, hệ số sóng đứng… Việc so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho chúng ta một số nhận xét- đánh giá :
- Về cơ bản, việc mô phỏng và thực nghiệm là cho kết quả tương đối phù hợp, điều này cho thấy phần mềm Ansoft HFSS là phần mềm mô phỏng thiết kế anten đáng tin cậy.
- Tuy nhiên kết quả mô phỏng và thực nghiệm vẫn có những sai số nhất định. So sánh thông số return loss của anten giữa mô phỏng và thực nghiệm hình 53, chúng ta thấy kết quả tương đối tương đồng, tuy nhiên độ sâu và giá trị của đỉnh cộng hưởng của anten là khác nhau.
- Quá trình mô phỏng và thực nghiệm tồn tại những sai số là do nhiều nguyên nhân khác nhau : Các thông số về vật liệu như hằng số điện môi, độ dày mạch in, độ dày lớp đồng… ; điều kiện đo đạc, ảnh hưởng môi trường bức xạ…ngay cả phần mềm mô phỏng…
- Để đạt được kết quả thực nghiệm theo mong muốn, ngoài việc đảm bảo các yêu cầu nói trên chúng ta cần có những vận dụng linh hoạt. Từ kết quả mô phỏng để rút ra những nhận xét chung, từ đó có những điều chỉnh trong thực nghiệm : thay đổi độ dày tấm điện môi ; điều chỉnh chiều dài, chiều rộng của anten để đạt được các thông số mong muốn.
- Với hai mô hình anten zíc zắc hình chữ nhật tiếp điện ở giữa, và anten zíc zắc hình tam giác tiếp điện ở giữa, kết quả mô phỏng là rất tốt (tốt hơn mô hình anten đã chế tạo). Do điều kiện về thời gian cũng như một số hạn chế về điều kiện thực hành nên em chưa thể thực hành. Nhưng với việc thiết kế thành công mô hình đã trình bày ở trên, khẳng định rằng việc thiết kế thành công hai mô hình còn lại, cũng như những mô hình khác là hoàn toàn có cơ sở.
Công nghệ RFID đang phát triển mạnh mẽ, ngày càng trở nên phổ biến. Đây là công nghệ đầy hứa hẹn với những ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Việc nghiên cứu, thiết kế anten ứng dụng cho lĩnh vực này là hết sức cần thiết.
Anten em thiết kế có thể ứng dụng hoạt động ở dải tần 2.45GHz cho cả hệ thống RFID chủ động và thụ động. Với việc đòi hỏi tính bảo mật ngày càng cao, dải tần 2.45GHz có những ưu thế vượt trội so với dải tần khác của hệ thống RFID, đó là băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao. Chính vì vậy đảm bảo cho việc mã hoá và truyền dữ liệu an toàn, nhanh chóng.
KẾT LUẬN
Khoá luận đã đề cập một số liến thức cơ bản về anten, đường truyền vi dải và anten mạch dải. Đó là cơ sở để nghiên cứu, thiết kế anten trong khoá luận này. Đồng thời khoá luận cũng đã cung cấp một cái nhìn tổng quan hệ thống RFID, chú trọng phân tích đặc tính, nguyên lý hoạt động của anten (trường xa) trong hệ thống này.
Từ cơ sở lý thuyết, kết hợp với mô phỏng; khoá luận đã chế tạo thành công anten hoạt động ở dải tần 2.45GHz, ứng dụng cho RFID. Tuy mới đạt được những kết quả bước đầu nhưng là bước quan trọng để em tiếp tục nghiên cứu, chế tạo anten nói chung, anten dùng cho RFID nói riêng ứng dụng vào thực tiễn.
Việc thực hiện khoá luận đã giúp cho em nắm vững hơn các kiến thức về kỹ thuật anten; tìm hiểu, tiếp cận công nghệ RFID đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] GS.TSKH Phan Anh. Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội.
[2] GS.TSKH Phan Anh. Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] GS.TSKH Phan Anh. Giáo trình Lý thuyết và Kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.
[4] Nguyễn Thế Anh. Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten RFID, Luận văn THs. Hà Nội, 2005.
[5] Phạm Minh Việt. Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Thiết bị RFID 2.45GHz hoạt động tầm xa 10m, Công ty THHH TM-DV Xuân Phi.
Tiếng Anh
[7] Applications & Practice RFID, Online Magazine IEEE. Vol.45. No.9. September 2007.
[8] RFID Fundamentals, Informationsforum RFID, 2006.
[9] Hongil Kwon , Bomson Lee. Meander Line RFID Tag at UHF Band
Evaluated with Radar Cross Sections, IEEE, APMC2005 Proceedings. Optimisationto
Improvethe Efficiencyof Small Meander Line RFID Antennas.
[10] K.C.Gupta, Ramesh Garg, Inder Bahl, Parakash Brahtia. Micotrip Line and
Slotlines, Artech House Boston.London.
[11] Kyeong-Sik Min, Tran Viet Hong, and Duk-Woo Kim. A Design of a
Meander Line Antenna using Magneto-Dielectric Material for RFID System, IEEE, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[12] Seok Bae, Yasuhiko Mano. A Small Meander VHF & UiFAntennaby
Magneto-dielectric Materials, IEEE, APMC2005 Proceedings.