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 đó 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 có thể liên lạc được từ xa với thẻ mà không cần đến nguồn năng lượng bên ngoài cho thẻ (ví dụ pin). Nên cuộn dây anten đóng vai trò rất quan trọng trong các ứng dụng RFID,nó 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 công thức vật lý liên quan để tìm ra các tham số chuẩn xác nhất có 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 góc bao nhiêu độ) , hay nên chọn dây có đường kính bao nhiêu để trở kháng của nó là thấp sẽ giúp cho hệ số chất lượng Q của anten cao lên,...
Theo định luật Ampe khi một dòng điện đi qua một dây dẫn thì nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đó. Từ trường được tạo ra bởi một phần tử dòng điện, trên một vòng dây dẫn với chiều dài hữu hạn được cho bởi công thức dưới đây:
I = dòng 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 có chiều dài vô hạn thì: α1 = -180°
α2 = 0°
Và biểu thức trên có thể được viết lại như sau:
Hình 2.15 Tính toán từ trường B tại vị trí P do dòng điện I trên một dây dẫn điện thẳng gây ra
Từ trường tạo ra bởi một vòng cuộn dây anten tròn được cho bởi công thức:
I = dòng điện
a = bán kính của vòng
r = khoảng cách tính từ trung tâm của vòng 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 nó. Hình dưới đây chỉ ra một ví dụ đơn giản của một ứng dụng RFID được rút ra từ định luật Faraday. Khi anten của thẻ và reader được đặt gần nhau, thì sự thay đổi
điện áp bên trong cuộn dây anten của thẻ đặt gần đó. Chính điện áp này là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện dòng điện trên cuộn dây đó. Đó chính là định luật Faraday.
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 thông lượng từ trường Ψ theo thời gian.Và nó có công thức là :
N = số vòng của cuộn dây anten
Ψ = thông lượng từ trường qua mỗi vòng dây
Thông lượng từ trường Ψ là tổng từ trường B đi qua toàn bộ bề mặt cuộn dây anten,và được tìm ra theo công thức:
B = từ trường
S = diện tích bề mặt cuộn dây
Biểu thức tính toán cho điện áp Vo sinh ra trong một vòng cuộn dây là:
f = tần số của tín hiệu đến N = số vòng của cuộn dây S = diện tích vòng (m2)
Q = hệ số chất lượng của mạch Βo = cường độ của tín hiệu đến α = góc tới của tín hiệu
Trong công thức ở trên, hệ số chất lượng Q là thước đo để chọn lọc tần số có lợi.
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 góc 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 đó ta sẽ có góc α = 0.Như vậy có 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.
Ngoài 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 có đường kính càng nhỏ thì trở kháng DC của nó sẽ càng cao. Trở kháng DC với diện tích mặt cắt ngang như nhau tại các vị trí được cho bởi công 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
Thông thường trở kháng DC phải được giữ ở giá trị thấp nhất có thể để giúp cho hệ số chất lượng Q của anten càng cao càng tốt. Bởi vậy, phải chọn dây có 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 toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của dây. Khi tần số tăng lên, thì từ trường tại trung tâm của dây tăng lên. Do đó, điện kháng gần vị trí trung tâm dây cũng tăng và dẫn đến mật độ dòng điện trong khu vực cũng tăng lên. Nên, điện tích di chuyển theo con đường từ trung tâm dây tiến đến mép dây. Và kết quả là, mật độ dòng sẽ giảm giảm tại trung tâm dây và tăng tại vị trí gần mép dây. Đây gọi là một hiệu ứng lớp bề mặt của dây. Độ sâu của dây tại nơi mà mật độ dòng điện giảm tới 1/e, hay là 37% (= 0.3679) giá trị của nó 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 môi trường. Dưới đây là công thức tính toán độ sâu lớp bề mặt:
f = tần số μ (F/m) = μομr
μo = 4 π x 10-7 (h/m)
μr = 1 cho đồng, nhôm, 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 nhôm = 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 toán các trở kháng AC được cho bởi:
Như đã nói ở trên, một phần tử dòng điện khi chạy qua một dây dẫn thì sẽ tạo ra một từ trường xung quanh nó. Sự thay đổi về từ trường theo thời gian có khả năng tạo ra một dòng 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 vòng dây thì có độ tự cảm lớn hơn so với độ tự cảm của đoạn dây cùng chất liệu,và một cuộn dây càng có nhiều vòng thì độ tự cảm của nó càng tăng lên. Ta sẽ tổng quát lại tất cả điều đó bằng một công thức cơ bản nhất dưới đây, ở đó độ tự cảm L của dây được xác định bằng tỷ lệ của tổng thông lượng từ trường với dòng điện I đi qua dây:
N = số vòng dây I = dòng điện
Ψ= thông lượng của từ trường
Từ công thức này ta có thể suy ra được các công thức tính toán khác phù hợp với từng cách quấn dây ,để thu được các thông số cần thiết giúp cho sai số trong quá trình quấn dây giảm đi.
Độ tự cảm của cuộn dây có thể được tính toán theo nhiều cách khác nhau. Ta có thể quấn dây theo kiểu dạng cuộn hình tròn, hình vuông, hình lục giác,...Ta cũng có
thể chế tạo dưới dạng các đường mạch trên một bảng mạch in.Ở đây ,tôi chọn cách quấn dây theo dạng cuộn hình tròn, với chất liệu dây quấn là đồng.
Với một cuộn dây đồng chỉ có một vòng đơn thì độ tự cảm của nó được cho bởi công thức :
Trong đó:
a = bán kính vòng (cm) d = đường kính dây (cm)
Hình 2.18 Đường kính dây và một vòng cuộn dây tròn
Từ đó ta rút ra công thức tính độ tự cảm của cuộn dây đồng có N vòng là:
Trong đó:
a = bán kính trung bình của cuộn dây(cm) N = số vòng dây
b = chiều dày cuộn (cm) h = độ cao cuộn dây (cm)
Hình 2.19 Cuộn dây tròn có N vòng
Nhìn từ công thức ta thấy rằng L phụ thuộc vào bốn tham số là a,h,b,N. Rất khó 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 đó ta sẽ ước lượng b theo N. Ở đồ án này , ta cần quấn cuộn dây có giá trị L = 720uH. Tương ứng với giá trị đó, tôi xác định được các tham số cần thiết là:
A=4.75 cm B=0.3 cm N=73 vòng H=0.8 cm
Trong đó: dây đồng quấn ta sẽ chọn loại đường kính 0.0515cm.