1 .Sơ đồ khối
4. Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4001 và Chip EM4095
4.4 Thiếtkế anten cho reader:
Các thẻ RFID thụ động sẽ sử dụng cảm ứng từ do điện áp cuộn dây anten [4] sinh ra đểhoạt 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 khơng cần đến nguồn năng lượng bên ngồi cho thẻ (ví dụ pin). Nên cuộn dây anten đóng vai trị 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:
(3.8) I = dịng diện
R = khoảng cách tính từ trục dây
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 90
Trong trường hợp đặc biệt với một dây có chiều dài vơ hạn thì: α1 = -180o
α2 = 0o
Và biểu thức trên có thể được viết lại như sau:
(3.9)
Hình 3.14 Tính tốn từ trường B tại vị trí P c=do dịng điện I trên một dây dẫn thẳng gây ra
Từ trường tạo ra bởi một vòng cuộn dây anten trịn được cho bởi cơng thức:
(3.10)
I = dịng điện
a = bán kính của vịng
r = khoảng cách tính từ tâm vịng
µ0 = 4π x 10-7 (H/m)
Theo định luật Faraday, sự thay đổi của từ trường theo thời gian qua một bề mặt bao quanh bởi một đường dẫn khép kín 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, sự thay đổi của từ trường B theo thời gian được tạo ra bởi cuộn dây anten reader sẽ gây ra một điện áp
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 91
bên trong cuộn dây anten của thẻ đặt gần đó. Chính điện áp này là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện dịng điện trên cuộn dây đó. Đó chính là định luật Faraday.
Hình 3.15 Cấu hình một ứng dụng RFID
Điện áp gây ra trên cuộn dây anten của thẻ tỉ lệ với tốc độ thay đổi của thông lượng từ trường Ψ theo thời gian có cơng thức là :
(3.11) N = số vòng của cuộn dây anten
Ψ = thông lượng từ trường qua mỗi vịng dây
Thơng lượng từ trường Ψ là tổng từ trường B đi qua toàn bộ bề mặt cuộn dây anten,và được tìm ra theo cơng thức:
(3.12) B = từ trường
S = diện tích bề mặt cuộn dây
Biểu thức tính tốn cho điện áp Vo sinh ra trong một vòng cuộn dây là: (3.13) f = tần số của tín hiệu đến
N = số vịng của cuộn dây S = diện tích vịng (m2)
PHẠM QUỐC TN: Cao học ĐT K3 92
Βo = cường độ của tín hiệu đến α = góc tới của tín hiệu
Trong cơng thức ở trên, hệ số chất lượng Q là thước đo để chọn lọc tần số có lợi.
Hình 3.16 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, 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:
(3.14) 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
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 93
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 tồn bộ diện tích mặt cắt ngang của dây. Khi tần số tăng lên, th. 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 cơng thức tính tốn độ sâu lớp bề mặt: (3.15) f = tần số µ (F/m) = µ0 µr µ0 = 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
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 94
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:
(3.15)
Như đã nói ở trên, một phần tử dịng 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 vịng dây có độ tự cảm lớn hơn so với độ tự cảm của đoạn dây cùng chất liệu,và một cuộn dây càng có nhiều vịng thì độ tự cảm của nó càng tăng lên. Ta sẽ tổng quát lại tất cả điều đó bằng một cơng thức cơ bản nhất dưới đây, ở đó 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:
(3.16) N = số vòng dây
I = dịng điện
Ψ= thơng lượng của từ trường
Từ cơng thức này ta có thể suy ra được các cơng thức tính tốn 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 tốn theo nhiều cách khác nhau. Ta có thể quấn dây theo kiểu dạng cuộn hình trịn, hình vng, hình lục giác,...Ta cũng
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 95
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 trịn, với chất liệu dây quấn là đồng.
Với một cuộn dây đồng chỉ có một vịng đơn thì độ tự cảm của nó được cho bởi cơng thức :
(3.17) Trong đó:
a = bán kính vịng (cm) d = đường kính dây (cm)
Hình 3.17 Đường kính dây và vịng cuộn dây trịn
Từ đó ta rút ra cơng thức tính độ tự cảm của cuộn dây đồng có N vịng là: (3.18)
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)
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 96
Hình 3.18 Cuộn dây có N vịng
Nhìn từ cơng 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, tơi 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.