Microchip CMOS EM4006 và datasheet đi kèm.
Thông số Ký hiệu Điều kiện test Min Max Đơn
vị
Nguồn cấp VDD 19 V
Dũng cấp IDD 60 150 àA
Điện áp chỉnh lưu
VREC IC1C2 = 1mA. Điều chế
VREC = (VC1 - VC2) - (VDD - VSS)
1.8 V
Điện áp DC VON2 I (VDD VSS)= 10mA. 2.4 3.3 V Điện dung cuộn
1–2
CRES VCoil = 100 mV RMS f = 10kHz.
92.6 96.4 pF
Điện trở nối tiếp RS 3 Ω
C nguồn cấp CSUP 140 pF
Hệ số phẩm chất Q 30 40
Tần số hoạt động f f = 13.56MHz 10M 15M Hz
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật chính cần quan tâm của EM2006
Thông số Ký hiệu Điều kiện test Min Max Đơn vị
Nguồn cấp VDD 3.3 5 V
Dòng cấp IDD 10 mA
Tần số hoạt động f 13.56MHz (anten phát) 13.555 13.567 MHz
Tần số hoạt động f 13.56MHz (anten thu) Sub-carrier 212 ~ 848kHz
13.555 13.567 MHz
Trở kháng đầu ra ZO 50 Ω
Công suất phát PT 200 mW
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật chính của reader EM4294.
Bài toán: Thiết kế một anten RFID thích hợp cho hệ thống trên.
Từ datasheet của microchip, sẽ chỉ quan tâm tới hai thông số: Đó là điện dung riêng của chip (C = 94.5pF) và ví trí tiếp điểm của chip.
1. Loại anten: Anten cuộn nhiều vòng dây.
2. Hình dáng: Hình vuông, để đơn giản và dễ dàng trong quá trình tính toán và sản xuất.
3. Đế: Một số các loại đế sau đây được xem xét: Polyester dẻo (ε = 4), PET (polyethylene terephthalate) (ε = 2.2 ~ 2.4), PVC (Polyvinyl chloride) (ε = 3.4), hay polyamide (ε = 2.5 ~ 2.6)... Trong trường hợp này, sử dụng Polyester dẻo.
4. Độ tự cảm: Độ tự cảm có thể dễ dàng tìm được từ công thức điều kiện cộng hưởng hoặc ngay bản thân trong datasheet của microchip cũng sẽ cho sẵn một hệ số tự cảm tiêu biểu. Hệ HF thường chỉ cần độ tự cảm thấp. Trong trường hợp này là L
= 1,46àH.
Từ độ tự cảm có thể dựa trên các tham số sau đây để tìm ra một anten với kích thước cụ thể: Số vòng dây, kích thước vật lý, độ rộng dải, khoảng cách giữa các vòng dây, hỗ cảm, chất liệu…Từ datasheet ta có:
Hệ số phẩm chất Q của tag sẽ là:
34.6( ) 3
58 . 0
0 ,
124 = Ω
= +
= +
S A
A
R R
Q X (3.1)
Ta thấy hệ số Q thoả mãn theo datasheet của EM4006, 30 < Q < 40. Trong đó RS là điện trở tiêu thụ mắc nối tiếp với điện dung CRES.
5. Điều kiện môi trường:
Do thẻ RFID HF hầu như không bị ảnh hưởng bởi môi trường chứa chất lỏng nên vấn đề cần quan tâm chỉ là môi trường kim loại.
6. Chi phí: Chi phí liên quan đến chất liệu làm anten và cả microchip.
Bài toán quy về tìm hình dạng thực của một anten cuộn RFID HF khi biết trước độ tự cảm. Để tính độ tự cảm của anten nhiều vòng hình vuông, có rất nhiều công thức khác nhau như Thompson hay Lee. Công thức Wheeler là công thức phổ biến và có độ chính xác có thể chấp nhận được để có thể tìm được một anten có kích thước tương đối khảo sát.
( ) ) . 14 . 22 ( 5 . . 37
2 2
0 H
a r
a L n
= à − (3.2) Trong đó: r = n(w + s)
à0 = 4π10-7 n là số vòng dây w là độ rộng dải (m)
s là khoảng cách giữa các dải (m) r là bán kính của cuộn dây (m)
a là bán kính trung bình của cuộn dây hình vuông (m)
Khảo sát anten RFID HF có các kích thước trên đây sử dụng phần mềm IE3D. Để có thể tìm ra được kích thước tối ưu, kinh nghiệm cho thấy nên tăng số vòng dây sau đó giảm dần xuống để đạt được độ tự cảm yêu cầu, đến một số vòng dây nào đó, nếu độ tự cảm là không đổi hoặc giảm đi so với giá trị yêu cầu sẽ bắt đầu tính đến thay đổi độ rộng dải và khoảng cách giữa các dải, hai trong số những thông số quan trọng thứ hai sau số vòng dây đối với độ tự cảm của anten.
Cũng có thể tìm ra kích thước của anten dưới đây bằng một số chương trình đơn giản, mặc dù độ chính xác không cao, song có thể đưa ra được một số thông số kích thước cơ bản như số vòng dây khi biết độ tự cảm, độ dài, độ rộng, tần số…
Số vòng dây: 4 vòng
Kích thước vật ly: 47mm x 47mm Độ rộng dải: 1mm
Khoảng cách giữa các vòng dây: 0.5mm Hỗ cảm: bỏ qua.
Chất liệu: Polyester dẻo.
Có thể dùng một chương trình nhỏ như dưới đây để kiểm tra tính chính xác của kích thước cuộn dây đang khảo sát [5]. Ta thấy kết quả là tương đối chính xác.
Hình 3.1 Kiểm định lại kích thước anten bằng chương trình tính độ tự cảm dựa trên các kích thước vật lý.
Dưới đây là hình dáng của của một anten RFID HF tìm được dựa trên chương trình IE3D [24]. Chương trình IE3D là một sản phẩm của công ty phần mềm Zeland (Mỹ), thành lập từ năm 1992. Một công ty chuyên cung cấp các công cụ thiết kế và phần mềm tính toán, mô phỏng cho các ứng dụng trong công nghệ viba, bán dẫn, viễn thông, phòng lab và các trường đại học trên toàn thế giới. IE3D là chương trình mô phỏng EM dựa trên phương pháp moment. Phần mềm hiện đang được rất nhiều những khách hàng lớn sử dụng như: Intel, Motorola, Nokia, Texas Instrument,
Seagate Technology, NASA, Alcatel, Sharp, các trường ĐH hàng đầu trên thế giới như Osaka, Illinois, MIT, Misssouri, Nam California…
Hình 3.2 Cấu trúc anten khảo sát bằng phần mềm Mgrid (IE3D).
Hình 3.3. Cấu trúc anten 3D
Hình 3.4: Biểu đồ bức xạ của anten mô phỏng bằng Mgrid (IE3D)
Từ biểu đồ bức xạ của anten, anten có bức xạ định hướng theo trục z, hướng vuông góc với anten và màu đỏ là tại hướng anten có bức xạ cực đại, và theo trục z thì hướng bức xạ là cực tiểu.
Hình 3.5 Kích thước của anten V720- HS02 của reader.
Dùng chương trình iisim.exe [6] để tính toán khoảng đọc dựa trên các kết quả mô phỏng và kích thước của anten của cả reader và thẻ.
Hình 3.6 Chương trình iisim.exe tính toán khoảng đọc của hệ thống RFID tần số 13.56MHz.
Từ kết quả tính toán cho thấy khoảng đọc của hệ thống tối đa là 18cm. Có thể tăng khoảng đọc của hệ thống lên khi tăng kích thước của anten reader và anten thẻ. Tuy nhiên, về lý thuyết thì khoảng đọc của hệ RFID HF thường xấp xỉ bằng với đường kính anten trung bình của anten reader. Trong trường hợp này, đường kính của anten reader là ~ 30cm, và như vậy khoảng đọc là có thể chấp nhận được.
Hình 3.6 (tiếp) Chương trình iisim.exe tính toán khoảng đọc của hệ thống RFID tần số 13.56MHz.
Với khoảng đọc là 18 cm, hệ sẽ được ứng dụng trong các hệ thống quản lý thẻ thông minh phi tiếp xúc, thích hợp với các hệ thống quản lý thẻ ra vào toà nhà, hệ thống thẻ gửi xe ôtô.... Tuy nhiên, anten chưa được tối ưu để có được độ tăng ích lớn hơn để có thể áp dụng cho các ứng dụng yêu cầu khoảng đọc lớn.