Khi một thẻ nằm trong vùng hoạt động của đầu đọc, hình vẽ bên dưới trình bày cơ bản về hệ thống điều chế phản hồi. Đầu đọc phát ra sóng điện từ với hệ số năng lượng bức xạ là P1.G1 vào không gian xung quanh. Do đó, thẻ nhận được năng lượng P2 Pe, tương ứng với điện trường E tại khoảng cách r.
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của anten thụ động.
1.3.1 Mạch tƣơng đƣơng của anten.
Ta có phương trình trở kháng cơ bản của thẻ là:
ZT RT jXT
Tuy nhiên trong thực tế, trở kháng vào của thẻ có thể được thay thế một cách dễ dàng hơn trong dạng mạch song song bao gồm điện trở tải RL và một tụ vào C2
và một điện trở có thể điều chỉnh Zmod như hình vẽ:
Hình 1.12: Mạch tương đương của anten trên thẻ thụ động.
Trở kháng ZT của thẻ có thể xác định được thông qua mạch tương đương như sau:
mod 2 1 1 1 R R C j jX R Z L T T T
Các đại lượng RT và XT cúng có thể được xác định một cách đơn giản như sau: mod 2 1 1 1 Re Z R C j R L T và mod 2 1 1 1 Im Z R C j X L T
1.3.2 Năng lƣợng cung cấp cho thẻ thụ động.
Thẻ thụ động không có nguồn năng lượng đi kèm. Nếu thẻ ở trong vùng hoạt động thì một điện áp cảm ứng U0 xuất hiện trên anten của thẻ bởi điện trường E tại khoảng cách r. Một phần điện áp cảm ứng UTở đầu cuối của anten.
Chỉ có phần điện áp này được chỉnh lưu và cung cấp cho hoạt động của anten.
Trong trưòng hợp năng lượng trở kháng bức xạ Rr và trở kháng vào ZT của anten tương đương nhau thì ta có: P2 Pe
Hình 1.13: Mô hình năng lượng của anten.
Để sử dụng nguồn năng lượng thấp này ta sử dụng điốt tách sóng Schottky với trở kháng phù hợp để chỉnh lưu.
Điốt Schottky có mạch tương đương như sau: (Hình 1.14).
Hình 1.14: Cấu trúc và mạch tương đương của điốt Schottky.
j
C là dung kháng lớp tiếp giáp ký sinh của chip và RS là điện trở mất mát của các cực điốt. Rj là điện trở tiếp giáp của điốt và được tính như sau:
j T n R 8.33 105
trong đó, n là yếu tố lý tưởng, T là nhiệt độ Kelvin, Is là dòng bão hoà và Iblà dòng điện dịch qua điốt.
Cấu tạo của điốt Schottky cho phép chúng hoạt động trong một phạm vi rộng. Trong thẻ của hệ thống RFID lớp p chính đã được sử dụng. Do đó độ dịch không của tín hiệu là nhỏ. Nếu dòng điều khiển trên -10dB (0.1 mW) đường đặc trưng của điốt nằm trong vùng tuyến tính.
Lúc đó, giá trị đỉnh của chỉnh lưu là Uchip ~Uin Uchip~ Pin
Trong trường hợp năng lượng hoạt động dưới -20dB (10W) ta có:
in chip in
chip U U P
U ~ 2 ~
Hình 1.15: Sự phụ thuộc của năng lượng vào và điện áp ra trên anten.
1.3.3 Sự phản xạ và sự khử.
Trường điện từ phát ra từ đầu đọc không chỉ bị phản xạ bởi thẻ mà còn bị phản xạ bởi các vật nằm trong vùng lân cận khi thể tích của nó lớn hơn bước sóng
0
của trường. Các trường phản xạ chồng lên trường chính do đầu đọc phát ra. Điều đó lần lượt làm cho giảm hoặc thậm chí là khử (do chồng pha ngược nhau) và sự mở rộng (khuếch đại) (do chồng pha cùng nhau) của trường trong thời gian
2 0
giữa các điểm cực tiểu riêng. Đồng thời, việc rất nhiều sóng phản xạ riêng tại các khoảng cách khác nhau dẫn tới độ lớn của điện trường E không giống nhau ở xung quanh đầu đọc, có nhiều vùng điện trường bị khử hẳn. Hiện tượng này có thể được khắc phục bằng cách bọc anten trong môi trường kim loại.
1.3.4 Điều chế .
Anten của thẻ phản xạ một phần năng lượng phát đến tại các lỗ hổng phân bố
As
của anten thẻ. Theo cách này, một phần nhỏ năng lượng của nguồn P1 được phát bởi đầu đọc quay trở lại đầu đọc do thẻ khi nhận năng lượng P3
Sự phụ thuộc của phân bố lỗ hổng vào mối quan hệ giữa ZT và ZA được sử dụng trong thẻ RFID để gửi dữ liệu từ thẻ về đầu đọc. Để làm được điều đó, trở kháng vào ZT của thẻ được thay đổi theo thời gian tương ứng với dòng dữ liệu cần truyền bằng việc chuyển mạch đóng hay mở chuyển mạch với một trở kháng mắc thêm Zmod tương ứng với dòng dữ liệu cần phát. Kết quả ta được, phân bố lỗ hổng và năng lường phản xạ bởi thẻ thay đổi theo thời gian tương ứng với dữ liệu, như vậy, nó đã được điều chế. Do đó điều chế được gọi là điều chế .
CHƯƠNG 2
CÁC DẢI TẦN ĐANG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG RFID 2.1 Tần số và quy định.
Sóng vô tuyến là loại sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 0,1cm đến 1000km. Có thể hiểu theo cách khác, sóng vô tuyến có tần số nằm trong khoảng từ 30Hz đến 300GHz. Có rất nhiều loại sóng điện từ khác nhau như: tia hồng ngoại, sóng ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại , tia gamma, tia X và tia vũ trụ. [5]
Hệ thống RFID thường sử dụng tần số sóng vô tuyến trong khoảng từ 30KHz đến 5,8GHz. Các tần số khác nhau có các đặc tính khác nhau và do đó nó có các tiện lợi với các ứng dụng khác nhau. Ví dụ như các Tag làm việc ở tần số thấp rất tốt cho việc nhận dạng các món đồ phi kim loại, chúng cũng rất phù hợp cho việc nhận dạng các vật thể chứa nhiều nướcnhư hoa quả tươi nhưng khoảng cách nhận dạng được lại rất ngắn( cỡ 0,33m). Các Tag làm việc ở tần số cao làm việc tốt hơn với các vật thể kim loại như các bao gói và có thể làm việc xung quanh các món đồ chứa nhiều nước với khoảng cách nhận dạng tối đa là 1m. Tags làm việc ở tần số UHF có thể chuyển dữ liệu nhanh hơn ở tần số thấp và tần số cao. Tuy nhiên chúng cần nhiều công suất hơn và khả năng truyền qua kim loại thấp hơn. Và vì đó là sóng điện từ ở tầm nhìn thẳng nên không gian giữa RFID và Reader không được che chắn. UHF Tag có khả năng quét tốt hơn đối với tất cả các thùng hàng giống như chúng vượt qua cửa khoá để quét kho hàng bên trong. Hình 2.1 nêu ra các dải tần chính dành cho các ứng dụng RFID. [6]
Sóng vô tuyến có thể bị ảnh hưởng bởi các vật liệu mà nó truyền qua. Một vật liệu được gọi là thấu xạ hoặc gần thấu xạ cho một tần số nhất định nếu nó để cho sóng RF đi qua mà không bị tổn hao năng lượng. Một vật liệu được gọi là không thấu xạ nếu nó ngăn cản phản xạ và làm tán xạ sóng RF. Một vật liệu có thể cho phép sóng RF truyền qua nó nhưng lại bị mất một phần năng lượng lớn thì được gọi là các vật liệu hấp thụ sóng RF. Tính chất của sự hấp thụ hoặc không thấu xạ là tương đối bởi vì nó còn phụ thuộc vào tần số. Ví dụ , một vật liệu được gọi là không thấu xạ tại một tần só nhất định có thể trở thành thấu xạ tại một tần số khác. Đặc tính RF của một số vật liệu khác nhau được thể hiện rõ trong bảng 2-1. Tiếp theo chúng ta sẽ đi phân tích các loại tần số sóng vô tuyến. [5]
Bảng 2-1: Các đặc tính của RF đối với một số loại vật liệu khác nhau Chất liệu Dải tần thấp Dải tần cao Dải siêu cao tần Dải tần viba Chất liệu Dải tần thấp Dải tần cao Dải siêu cao tần Dải tần viba Quần áo Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Gỗ khô Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Hấp thụ
Graphít Thấu xạ Thấu xạ Không thấu xạ Không thấu xạ Chất lỏng
(một vài loại)
Thấu xạ Thấu xạ Hấp thụ Hấp thụ
Kim loại Thấu xạ Thấu xạ Không thấu xạ Không thấu xạ Dầu môtô Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ
Các sản phẩm từ giấy
Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ
Nhựa Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ Thấu xạ ( một vài loại) Dầu gội đầu Thấu xạ Thấu xạ Hấp thụ Hấp thụ
Nước Thấu xạ Thấu xạ Hấp thụ Hấp thụ Gỗ ướt Thấu xạ Thấu xạ Hấp thụ Hấp thụ
2.1.1 Dải tần số thấp (LF).
Những tần số trong khoảng 30-300Khz được gọi là tần số thấp. Hệ thống RFID thường sử dụng dải tần 125-134Khz. Dải tần số thấp tiêu biểu cho RFID là 125KHz hoặc 134Khz. Hệ thống RFID hoạt động ở tần số thấp thường dùng loại Tag bị động, nó có tốc độ truyền dữ liệu thấp từ Tag đến bộ đọc, và nó làm việc hiệu quả trong môi trường có cả kim loại, chất lỏng, bụi, tuyết hoặc bùn (đây là một đặc tính rất quan trọng). Các Tag tích cực hoạt động ở tần số thấp thì rất sẵn có trên thị trường do tính hiệu quả của các loại thẻ này. Hệ thống Tag làm việc ở tần số thấp đã thiết lập được cơ sở rất rộng lớn. Dải tần này này được chấp nhận trên toàn thế giới.
2.1.2 Dải tần số cao (HF).
Dải tần số cao là từ 3MHz- 30Mhz với tần số đặc trưng sử dụng trong hệ thống RFID là 13,56MHz. Hệ thống RFID hoạt động ở tần số cao sử dụng các Tag bị động có tốc độ truyền dữ liệu thấp, hoạt động tốt trong môi trường lim loại và chất lỏng. Hệ thống tần số cao được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các bệnh viện (nơi mà nó không làm nhiễu các thiết bị có trong bệnh viện). Dải tần số cao được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Dải tần tiếp theo được gọi là tần số rất cao (VHF: Very High Frequency) và chúng nằm trong khoảng 30-300MHz. Nhưng hiện nay không có bất kỳ hệ thống RFID nào hoạt động trong dải tần này. Vì vậy chúng ta không thảo luận thêm về loại tần số này.
2.1.3 Dải tần số siêu cao tần (UHF).
UHF nằm trong khoảng 300Mhz- 1GHz. Ở Hoa Kỳ, hệ thống RFID hoạt động ở tần số siêu cao tần sử dụng thẻ bị động làm việc tại 915MHz, còn ở Châu Âu là 868Mhz. Hệ thống RFID hoạt động ở tần số siêu cao tần sử dụng thẻ tích cực làm việc tại tần số tương ứng là 315Mhz và 433MHz tại Hoa Kỳ và Châu Âu. Do vậy hệ thống này có thể hoạt động trên cả hai loại thẻ và nó có tốc độ truyền dữ liệu
từ Tag đến bộ đọc rất nhanh, nhưng tốc độ truyền dữ liệu lại thấp trong môi trường có kim loại và chất lỏng (tuy nhiên nó lại không đúng trong những trường hợp khi tần số UHF thấp, ví dụ như 315MHz và 433MHz). Những hệ thống RFID sử dụng tần số siêu cao tần đã được phát triển rộng rãi vì hiện tại nó được sự uỷ quyền của một số lượng lớn các doanh nghiệp tư nhân và công cộng, chẳng hạn như các thương nhân trên thế giới, Bộ quốc phòng Hoa Kỳ,v.v.. Dải tần này không được chấp nhận rỗng rãi trên thế giới. Dải tần UHF dành cho RFID trên thế giới được minh hoạ thông qua hình 2.2. [5]
Hình 2.2: Dải tần cho RFID hoạt động tại dải UHF trên thế giới.
2.1.4 Dải tần viba (Microwave Frequency).
Dải tần viba có tần số từ 1GHz trở lên. Hệ thống RFID tiêu biểu sẽ hoạt động tại tần số 2,45GHz hoặc 5,8GHz, mặc dù hệ thống cũ thì thông dụng hơn, chúng có thể sử dụng cả thẻ thụ động và bán tích cực. Hệ thống này có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và bộ đọc là nhanh nhất, nhưng nó lại hoạt động kém hiệu quả khi có sự hiện diện của kim loại và các chất lỏng. Như đã biết chiều dài của một anten thì tỷ lệ nghịch với tần số, anten của thẻ thụ động làm việc trong dải tần viba có chiều dài ngắn nhất và nhỏ nhất vì chip sử dụng để tạo ra nó có thể rất nhỏ. Dải tần 2,4GHz
còn được gọi là dải tần công nghiệp, khoa học, y học và nó được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Thế giới hạn chế việc cung cấp các dải tần hoạt động cho RFID. Vì vậy, những tần số đã được thảo luận ở trên có lẽ là không có hiệu lực trên toàn thế giới. Bảng 2-2 liệt kê một số ví dụ về các giới hạn sử dụng tần số cho RFID cùng với công suất cho phép tối đa và việc tái sử dụng. [5]
Bảng 2-2: Các quy định tần số cho RFID trên thế giới. Quốc gia/ Quốc gia/
Lãnh thổ
Dải tần thấp
Dải tần
cao Dải siêu cao tần Dải tần viba Hoa kỳ 125-
134KHz
13,56MHz 10W ERP
902-928MHz, 1W ERP hoặc 4W ERP với 1 anten định hướng đảm bảo ít nhất là 50 kênh 2400-2483,5MHz, 4W ERP. 5725-5850MHz, 4W ERP Châu Âu 125- 134KHz 13,56MHz 865-865,5MHz, 0.1W ERP, LBT. 865,6-867,6MHz, 2W ERP, LBT. 867,6-868MHz, 0.5W ERP, LBT 2,45GHz Nhật Bản 125- 134KHz 13,56MHz Không cho phép. MPHPT đã mở ra dải tần 950- 956MHz để thử nghiệm 2,45GHz Singapore 125- 134KHz 13,56MHz 923-925MHz, 2W ERP 2,45GHz
Trung Quốc
125- 134KHz
13,56MHz Không cho phép. Tương lai sẽ sử dụng dải tần: 840-843MHz và (hoặc) 917-925MHz. SAC đã được giao trách nhiệm hình thành các quy định cho RFID
2446-2454MHz, 0.5W ERP
ERP (Effective radiated power): công suất phát xạ chính. LBT (Listen Before Talk): Nghe trước khi nói
MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affairs, Posts and Telecommunications): Bộ quản lý công cộng, Bộ nội vụ, Bộ Bưu chính viễn thông.
SAC (Standardization Administration of China): Tổ chức quản lý chuẩn quốc gia Trung Quốc.
2.2 Thực trạng sử dụng tần số trong RFID. [3,5]
Một trong những đặc tính quan trọng của Tag và bộ đọc liên kết chính là tần số hoạt động. Tần số hoạt động có thể phải dựa vào các ứng dụng, các chuẩn và các quy định. Dải tần RFID sử dụng phổ biến là: Tần số thấp tại dải tần 135khz hoặc thấp hơn; tần số cao là 13,56MHz; tần số siêu cao tần bắt đầu tại 433MHz; tần số viba là 2,45GHz và 5,8GHz. Nhìn chung, các tần số này xác định cho việc truyền dữ liệu giữa Tag và bộ đọc. Tần số thấp thì tốc độ truyền dữ liệu cũng thấp. Công nghệ RFID sử dụng ba phương thức truyền thông dựa trên tần số của sóng radio như bảng 2-3. [3]
Bảng 2-3: Các tần số vô tuyến sử dụng trong RFID.
Tần số Đặc tính Tần số thấp ( 100 500KHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình Chi phí thấp Tốc độ đọc dữ liệu thấp
Tần số trung bình ( 10 50MHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình Chi phí thấp Tốc độ đọc dữ liệu trung bình Tần số cao ( 850 950KHz; 2,4 5,8GHz) Sử dụng trong phạm vi bán kính rộng Chi phí cao Tốc độ đọc dữ liệu cao
Tuy nhiên, tốc độ không chỉ liên quan đến các giải pháp thiết kế RFID. Điều kiện môi trường có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định dải tần số làm việc tối ưu đối với các ứng dụng đặc biệt. Ví dụ như chất nền mà các Tag được gắn vào( chẳng hạn như lon nước ngọt) và sự tồn tại của các thiết bị tạo ra các sóng vô tuyến khác (như lò vi sóng và các thiết bị điện thoại không dây). Các thiết bị này tương ứng có thể tạo ra ảnh hưởng đối với dải tần UHF và dải tần viba.
Với tần số cao hơn thì anten phải nhỏ hơn, kích cỡ của tag cũng nhỏ hơn và dải tần thì phải rộng hơn, nhưng điểm đặc trưng là cần nhiều sự điều chỉnh hơn, quá trình sử dụng bị hạn chế và giá cả thì luôn cao. Bảng 2-4 tóm tắt những dải tần số thông dụng nhất, các ứng dụng thông dụng và các đặc điểm chính.