Hình 2.2.1 Nguyên lý truyền năng lượng và thông tin giữa reader và thẻ trong một hệ thống RFID thụ động ghép cảm ứng.
Đối với các hệ thống RFID trường-xa, thiết kế anten thẻ đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong toàn bộ hệ thống về cả hiệu suất và độ tin cậy do thẻ RFID thụ động hoạt động dựa vào trường điện từ mà chúng thu nhận được từ các reader.
Hình 2.2.2 dưới đây mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID thụ động.
Reader sẽ phát đi một tín hiệu RF liên tục chứa nguồn dòng xoay chiều và tín hiệu đồng hồ tới thẻ ở tần số sóng mang mà reader đang sử dụng. Điện áp RF cảm ứng trên anten thẻ được biến đổi thành dòng trực tiếp và cấp nguồn cho vi xử lý. Vi xử lý thường cần khoảng 1.2V từ tín hiệu của reader. Sau đó vi xử lý sẽ gửi lại thông tin cho reader bằng cách biến đổi trở kháng đầu vào RF phức. Trở kháng thường được thay đổi giữa hai trạng thái khác nhau (phối hợp và không phối hợp) để điều chế tín hiệu tán xạ trở lại. Khi nhận được tín hiệu điều chế này, reader sẽ giải mã và
2.2.1 Đường Radio
Trong hệ thống RFID, khoảng đọc bị giới hạn bởi khoảng cách lớn nhất mà tại đó thẻ vẫn có thể nhận được đủ năng lượng để hoạt động và phản hồi trở lại cho reader, và khoảng cách lớn nhất mà tại đó reader vẫn có thể thu được tín hiệu này của thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID thì nhỏ hơn so với cả hai khoảng cách này. Về cơ bản, độ nhạy của reader là đủ cao, do đó khoảng đọc được xác định bằng khoảng cách từ thẻ tới reader.
Hướng cấp nguồn (từ reader tới thẻ)
Hình 2.2.2 Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống RFID trường xa.
Trong đó công suất đầu ra của reader là Preader-tx, độ tăng ích của anten reader
là Greader-ant, khoảng cách giữa anten reader và anten thẻ là R, độ tăng ích của anten
thẻ là Gtag-ant. Theo công thức truyền sóng trong không gian tự do của Friis, công suất nhận được tại anten thẻ sẽ là:
χ
π λ
ant tag ant reader ant reader ant
tag P G G
P − = R)2 − − −
(4 (2.9) Trong đó λ là bước sóng trong không gian tự do tại tần số hoạt động và χ là hệ số phân cực giữa anten reader và anten thẻ. Nếu hai anten phân cực hoàn toàn giống nhau, thì χ sẽ bằng 1 (0dB). Đối với hầu hết các hệ thống RFID trường-xa, anten reader thường phân cực tròn trong khi anten thẻ lại phân cực tuyến tính, do đó χ sẽ rơi vào khoảng 0.5 (-3dB).
Phần công suất thu được bởi anten thẻ sẽ được đưa tới cấp nguồn cho chip vi xử lý, nó sẽ bằng:
Ptag−chip =τPtag−ant (2.10) Trong đó τ là hệ số truyền công suất được quyết định bởi sự phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và chip vi xử lý. Khoảng đọc sẽ lớn nhất đối với đường cấp nguồn radio là khi Ptag-chip bằng với công suất ngưỡng của chip vi xử lý, Ptag-ngưỡng, là công suất ngưỡng tối thiểu đủ để cấp nguồn cho vi xử lý hoạt động.
nguong tag
ant tag ant reader ant reader nguon
cap P
G G
P R R
−
−
−
−
− = χτ
π λ
4 (2.11)
Để tiện hơn:
Rcap−nguon =10α(m) (2.12) Trong đó
20
) ( )
( ) ( ) (
20
) ( )
( )]
( log[
20 6 . 27
dBm P
dB dB
dBi G
dBic G
dBm P
MHz f
nguong tag ant
tag
ant reader ant
reader
−
−
−
−
− +
+ +
+ + +
= −
τ χ
α
(2.13)
Hướng tán xạ trở lại (từ thẻ tới reader)
Hướng phản hồi thông tin từ thẻ trở lại reader này chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn trường tán xạ trở lại của thẻ. Dựa trên một công thức monostatic radar (ra-đa sử dụng chung một anten cho cả thu lẫn phát), lượng công suất điều chế thu được tại reader sẽ là:
χσ
π λ
ant reader tx reader
xatrolai P G
P = 3R4 − 2 −
2
tan (4 ) (2.14) Trong đó σ là mặt cắt radar (RCS) của thẻ RFID.
Khi công suất thu được bằng với độ nhạy của reader, Preader-ngưỡng, thì khoảng cách lớn nhất của hướng phản hồi sẽ là:
nguong reader
ant reader ant reader ant reader xatrolai
P
G G
R P
−
− −
= − χσ
π
λ 2
4 3
2
tan (4 ) (2.15)
Hay Rtanxatrolai =10β(m) (2.16)
40
) ( )
( ) (
40
) ( 2
) ( )]
( log[
20 6 . 16
dBm P
dBsm dB
dBic G
dBm P
MHz f
nguong reader
ant reader tx
reader
−
−
−
− + +
+ + +
= −
σ χ
β
(2.17)
Từ công thức (2.15) và (2.11) có thể thấy rằng khoảng đọc đựơc quyết định bởi công suất đầu ra của reader, Preader-tx và độ tăng ích của anten reader, Greader-ant, độ tăng ích của anten thẻ, Gtag-ant, hệ số phản xạ, χ, hệ số truyền công suất của thẻ, τ, RCS của thẻ, σ, công suất ngưỡng của chip vi xử lý, Ptag-ngưỡng, độ nhạy máy thu của reader, Preader-ngưỡng. Hai thông số sau cùng thì đã mặc định đối với reader và chip vi xử lý. Các thông số còn lại có thể được tối ưu hoá để đạt được khoảng đọc xa hơn.
2.2.2 EIRP và ERP
Như đã đề cập ở mục trên, khoảng đọc lớn nhất tỷ lệ thuận với công suất đầu ra của reader và độ tăng ích của anten reader. Công suất đầu ra và độ tăng ích của anten reader càng cao thì khoảng đọc càng xa. Tuy nhiên, công suất đầu ra luôn bị giới hạn bởi các quy định riêng của từng quốc gia.
EIRP là một đại lượng đo công suất bức xạ mà một bộ phát đẳng hướng (G = 1 (0dB)) cần phải phát để tạo ra một công suất bức xạ quy ước tại một điểm thu:
PEIRP = Preader-tx Greader-ant (2.18) Ngoài EIRP ra, đại lượng ERP cũng được sử dụng khá phổ biến. ERP liên quan đến anten dipole hơn là anten phát đẳng hướng. Nó biểu thị công suất bức xạ mà một anten dipole (G = 1.64 (2.15dB)) sẽ cần để tạo ra một công suất bức xạ yêu cầu tại vị trí của máy thu. Có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai đại lượng này.
PEIRP = 1.64PERP (2.19) 2.2.3 Độ tăng ích của anten thẻ
Độ tăng ích của anten thẻ, Gtag-ant, cũng là một thông số quan trọng khác liên quan tới khoảng đọc. Khoảng đọc sẽ lớn nhất theo hướng bức xạ cực đại, hướng bức xạ này bị giới hạn chủ yếu bởi kích thước, biểu đồ bức xạ của anten, và tần số hoạt động. Đối với một anten đẳng hướng kiểu dipole nhỏ, độ tăng ích vào khoảng 0 – 2dBi. Đối với một số anten phát định hướng như là anten dải, độ tăng ích có thể lên tới 6dBi hoặc hơn thế.
Bảng 2.1 Tần số và giới hạn về công suất của các hệ thống RFID băng UHF ở một số nước trên thế giới.
Quốc gia Trạng thái Tần số (MHz)
Công suất Kỹ thuật
Ghi chú
Ấn Độ OK 865-867 4W ERP Được chấp
thuận vào tháng 5/2005
Hàn Quốc OK 908.5-910
910-914
4W EIRP 4W EIRP
LBT FHSS
Được chấp thuận vào tháng 7/2004
Malaysia OK 866-869
919-923 2W ERP
Đang xem xét về dải tần.
Singapore OK 866-869
923-925