Hình 3.1 dưới đây cho thấy ảnh hưởng của kim loại lên hoạt động của tag trường-gần. Khi anten cuộn được hướng tính song song với một bề mặt kim loại, từ trường tạo bởi cuộn dây anten sẽ tiếp xúc với bề mặt kim loại và các dòng điện được cảm ứng bên trong kim loại để thoả mãn điều kiện bờ trên bề mặt kim loại; nghĩa là, từ trường pháp tuyến đối với bề mặt kim loại sẽ bằng không. Các dòng này, còn được gọi là là dòng xoáy, có xu hướng chống lại từ trường cảm ứng đã sinh ra chúng và kết quả là sinh ra tổn hao ôm. Dòng xoáy có thể làm suy giảm mạnh từ trường, và dẫn đến làm giảm độ tự cảm của cuộn dây anten, do đó làm mất điều hướng tag [9]. Các hệ thống với hệ số phẩm chất Q cao rất nhạy cảm với những sự thay đổi này.
Hình 3.1: Anten cuộn gần với bề mặt kim loại: (a) phân bố từ trường của anten cuộn với một bề mặt kim loại; (b) Sử dụng hộp ferit để làm giảm tác động của kim loại.
Chèn một tấm ferit có độ từ thẩm cao giữa anten cuộn và bề mặt kim loại là một cách hữu hiệu để hạn chế tác động của dòng xoáy. Hầu hết từ trường được tạo ra bởi anten cuộn dây sẽ tập trung vào tấm ferit, do đó có rất ít từ trường tiếp xúc với bề mặt kim loại và cảm ứng với dòng xoáy.
Khi sử dụng tấm ferit để chắn kim loại như trên, cần phải lưu ý rằng trên thực tế độ tự cảm của anten cuộn cũng có thể tăng đáng kể bởi vì độ từ thẩm của chất liệu ferit rất cao. Như vậy, anten cuộn phải được điều chỉnh sao cho luôn duy trì được tần số cộng hưởng.
Hình 3.2 dưới đây cho thấy sự liên hệ giữa độ tự cảm của anten cuộn dây đối và khoảng cách d tới một tấm kim loại. Cấu trúc của anten cuộn được mô tả ở hình 3.3. Nó được đặt tại tâm của một tấm kim loại dài 200mm và rộng 200mm. Độ tự cảm của anten bị suy giảm khi nó gần với bề mặt kim loại. Khi anten cuộn được gắn trực tiếp vào tấm kim loại (d = 0mm), độ tự cảm chỉ còn 0.8µH tại tần số 13.56MHz, chỉ còn bằng một nửa so với trong không gian tự do (1.52µH), kết quả là tag bị mất điều hưởng đáng kể. Khi anten cuộn đặt xa so với tấm kim loại, độ tự cảm của anten cuộn sẽ từ từ tăng lên. Tại một khoảng cách lớn hơn d > 20mm, tác động của kim loại sẽ giảm đi, và độ tự cảm sẽ tăng dần đến mức độ gần bằng so với trong không gian tự do. [17]
Hình 3.2: Sự thay đổi về độ tự cảm theo kim loại, được tính toán bằng phần mềm IE3D; kích thước của kim loại là 200mm x 200mm.
Hình 3.3: Cho thấy độ tự cảm của anten cuộn dưới ảnh hưởng của tấm kim loại với sự có mặt của chất liệu ferit giữa chúng. Độ tự cảm của anten cuộn là 2,7µH tại tần
số 13,56MHz khi sử dụng một miếng ferit dày 1mm.
3.1.2 Tác động của nước lên hoạt động của anten tag
Hình 3.4 mô tả độ tự cảm của anten cuộn khi nó gần với hoặc nằm bên trong môi trường nước. Kích thước của mẫu nước là 250mm x 80mm x 80mm; các thông số lần lượt là εr = 77.3, δ = 0.048 [15]. Có thể thấy rằng nước có rất ít tác động lên độ tự cảm của anten cuộn dây kể cả khi nó được đặt trong nước. Điều này càng cho thấy các hệ thống RFID trường-gần thích hợp hơn đối với các ứng dụng có các đối tượng cần nhận dạng chứa nước hoặc chất lỏng như là đồ uống, sữa hay dầu…
Hình 3.4: Độ tự cảm của anten cuộn với sự tác động của nước.
3.2 Tag trường-xa [6]
Ngược với các hệ thống RFID trường-gần trong đó anten cuộn được sử dụng để ghép nhận năng lượng, tác động của môi trường lên tag RFID trường-xa phức tạp hơn nhiều. Khi một tag trường-xa được đặt gần hoặc gắn trực tiếp trên một đối tượng, hoạt động của tag sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau đây:
Đặc tính của đối tượng. Tác động của đối tượng kim loại là rất khác so với các đối tượng chất lỏng.
Đặt tính bức xạ của anten tag. Thông thường, anten định hướng thì sẽ ít bị ảnh hưởng hơn so với anten đẳng hướng.
Ví trí đặt tag trên đối tượng, nghĩa là khoảng cách của tag so với đối tượng và định hướng của tag.
Đối với một hệ thống RFID trường-xa với EIRP cho trước, khoảng đọc được xác định bằng các thông số của tag bao gồm độ tăng ích của anten tag, Gtag-ant, hệ số truyền công suất, τ, và công suất hoạt động ngưỡng của chip, Pngưỡng-chip. Trong số những thông số này, Gtag-ant và τ sẽ phụ thuộc vào môi trường do đặc tính bức xạ và trở kháng đầu vào của anten tag sẽ thay đổi. Nói cách khác, tác động của đối tượng
lên hoạt động của tag được quyết định bởi sự thay đổi về độ tăng ích và trở kháng đầu vào của anten tag.
3.2.1 Tác động của chất liệu kim loại lên anten tag
Đối với anten tag có cấu trúc mặt phẳng đất (ground plane) (như là anten mạch dải, planar inverted-F anten (PIFA), hay inverted-F antenna (IFA)), tác động của kim loại sẽ bị hạn chế. Biểu đồ bức xạ sẽ chỉ cho thấy một sự biến dạng nhỏ, trong khi trở kháng đầu vào vẫn giữ nguyên không đổi. Đối với các anten không có mặt phẳng đất như là dipole, folded dipole, hay meander line dipole, đặc tính bức xạ và trở kháng đầu vào của anten sẽ bị biến dạng khi đặt tag trên hoặc gần với đối tượng kim loại.
Tác động cơ bản của kim loại lên anten đó là điện trường tiếp tuyến trên bề mặt kim loại sẽ tiến dần đến không. Khi một anten, ví dụ là dipole được đặt trước mặt phẳng dẫn điện và trực giao hướng tính với mặt phẳng đó, tác động của mặt phẳng dẫn điện có thể được đặc tính bằng cách sử dụng một nguồn ảnh. Hướng của nguồn ảnh thì cũng giống với nguồn gốc nhằm thoả mãn điều kiện biên trên mặt phẳng ảnh, kết quả là tăng độ hướng tính của anten.
Khi anten được hướng tính song song với mặt phẳng, tác động của mặt dẫn cũng có thể được đặc tính hoá bởi một anten ảnh với khoảng cách bằng với khoảng cách từ anten thật tới mặt dẫn nhưng nằm dưới mặt phẳng và có hướng ngược lại. Thông thường, hướng tính của anten khi được đặt song song sẽ bị suy giảm, đặc biệt khi khoảng cách rất nhỏ vì trường từ cả hai nguồn có hướng ngược nhau sẽ bị triệt tiêu. Khi anten được dịch ra xa, hướng tính sẽ được cải thiện đối với một số khoảng cách nhất định, phụ thuộc vào cấu trúc của anten, khoảng cách và tần số hoạt động.
Từ hình 3.5 tới hình 3.8 dưới đây sẽ cho thấy các ảnh hưởng khi anten tag RFID được đặt gần một tấm kim loại. Anten được sử dụng là anten folđed dipole, anten được đặt tại vị trí song song và bên trên bề mặt kinh loại có kích thước 250mm x 250mm. Hướng tính, hiệu suất bức xạ, độ tăng ích, và trở kháng đầu vào sẽ được tính toán đối với từng khoảng cách khác nhau so với tấm kim loại. Khi
anten được đặt rất gần so với tấm kim loại (d = 1mm), hướng tính của anten tăng lên đáng kể khoảng 8dBi. Tuy nhiên, hiệu suất bức xạ lại bị giảm đi 0.67%, và kéo theo là độ tăng ích rất thấp -13.97 dB ở tần số 915MHz. Trở kháng đầu vào, đặc biệt là phần thực, cũng thay đổi rất lớn; chính sự thay đổi này của trở kháng sẽ làm giảm khả năng phối hợp trở kháng giữa anten và microchip, kéo theo sự tổn hao truyền dẫn khoảng -19.2 dB tại tần số 915MHz. Giảm độ tăng ích và hệ số phối hợp trở kháng dẫn đến khoảng đọc sẽ bị giảm đi khoảng 0.15m. Khi anten được dịch ra xa khỏi tấm kim loại, hướng tính của anten hầu như vẫn không đổi. Trong khi đó, hiệu suất bức xạ lại tăng lên đáng kể, và kéo theo là độ tăng ích cũng tăng lên. Phần thực của trở kháng đầu vào có thay đổi một chút ít, trong khi phần ảo có xu hướng tăng lên gần bằng với trường hợp bức xạ trong không gian tự do. Khoảng đọc của tag quan sát được cũng tăng lên theo khi nó ở xa bề mặt kim loại. Khoảng đọc thậm chí có thể xa hơn so với trường hợp bức xạ trong không gian tự do bởi vì chính bản thân tấm kim loại lại có tác dụng như một bộ phản xạ.
Hình 3.5: Tăng ích của anten là một hàm của khoảng cách so với tấm kim loại (tính toán bởi phần mềm IE3D). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.6: Phần thực của trở kháng đầu vào anten là một hàm của khoảng cách tính từ tấm kim loại (tính toán bởi phần mềm IE3D).
Hình 3.7: Phần ảo của trở kháng đầu vào của anten là một hàm của khoảng cách tính từ tấm kim loại (tính toán bởi IE3D).
Hình 3.8: Hệ số truyền công suất của anten là một hàm của khoảng cách từ tấm kim loại (tính toán bởi IE3D)
Bộ phản xạ này sẽ cải thiện độ tăng ích của anten. Bảng 3-1 dưới đây sẽ tổng hợp dữ liệu chi tiết về các tác động của kim loại lên anten tag và khoảng đọc ở tần số 915MHz. Tóm lại, một đối tượng cần nhận dạng bằng kim loại sẽ làm giảm đáng kể khoảng đọc của tag khi được gắn trực tiếp hoặc gần với nó. Khi tag có thể được gắn gián tiếp hoặc cách xa so với đối tượng kim loại, khoảng đọc của tag sẽ tăng lên vì bản thân đối tượng kim loại đó có tác dụng như một bộ phản xạ.
Bảng 3-1: Tác động của kim loại lên anten Tag làm việc tại tần số 915MHz
Từ hình 3.9 tới hình 3.12 sẽ cho thấy các đặc tính của một anten tag RFID khi được đặt gần một khối nước. Cũng giống như trong trường hợp của tấm kim loại, ở đây vẫn sử dụng folded dipole anten và anten được đặt song song và phía trên của khối nước có kích thước 250mm x 80mm x 80mm; εr = 77.3 và tgδ = 0.048. Hướng tính, hiệu suất bức xạ, độ tăng ích và trở kháng đầu vào sẽ lần lượt được tính toán đối với các khoảng cách giữa anten và khối nước khác nhau. Khi anten được đặt gần khối nước (d = 1mm), hướng tính của anten tăng lên trong khi hiệu suất bức xạ lại giảm đi đáng kể, kéo theo sự suy giảm của độ tăng ích anten. Ngược với trường hợp của tấm kim loại, nước sẽ luôn luôn làm giảm độ tăng ích mà không cần biết khoảng cách giữa nước và anten như thế nào. Khi anten được dịch ra xa khối nước, độ tăng ích của anten đạt trở lại giá trị như trong không gian tự do. Trở kháng đầu vào cho thấy một sự thay đổi nhỏ khác với khi anten được đặt rất gần với khối nước (d = 1mm).
Tác động của nước lên anten tag và khoảng đọc tại tần số 915MHz được tổng hợp lại trong bảng 3-2. Khi tag rất gần với khối nước, khoảng đọc giảm đi khoảng 0.45m. Khi tag được dịch ra xa, tác động của nước bị giảm đi và khoảng đọc tăng lên.
Hình 3.9: Độ tăng ích của anten là một hàm của khoảng cách so với nước (tính toán bởi IE3D).
Hình 3.10: Phần thực của trở kháng đầu vào anten là một hàm của khoảng cách so với nước (tính toán bởi phần mềm IE3D).
Hình 3.11: Phần ảo của trở kháng đầu vào anten là một hàm của khoảng cách so với nước (tính toán bởi phần mềm IE3D).
Hình 3.12: Hệ số truyền công suất của anten là một hàm của khoảng cách so với nước (tính toán bởi phần mềm IE3D).
Bảng 3-2: Tác động của nước lên anten Tag làm việc tại tần số 915MHz
3.3 Ví dụ thiết kế [17]
Kết quả đo đạc các tác động của các đối tượng khác nhau lên anten tag được thu thập đầy đủ trong ví dụ này. Quá trình thiết lập đo được cho trong Hình 3.13 dưới đây. Tác động của các đối tượng lên hoạt động của tag được đánh giá bằng cách so sánh khoảng đọc lớn nhất. Tag được gắn vào bốn đối tượng chất lỏng phổ biến. Đó là đồ uống đóng hộp, chất tẩy rửa, nước khoáng, và nước ngọt Coca-cola đóng lon. Ba đối tượng đầu tiên được xem như các chất liệu tổn hao có các thành phần nước khác nhau trong đó. Lon Coca-cola được chọn làm đối tượng chính để đánh giá tác động của kim loại.
Hình 3.13: Thiết lập đo đạc để đánh giá tác động của các đối tượng lên tag RFID: (a) thiết lập đo đạc và các đối tượng được chọn; (b) tag được sử dụng để đánh giá. Sử dụng hai loại tag để đánh giá tác động của bốn đối tượng trên. Đây là tag làm việc ở dải tần UHF. Tag này được phát triển bởi Phillips tại tần số 13.56MHz (I-code I) đã có sẵn trên thị trường. Tag được treo gần hoặc trên các bề mặt của đối tượng với khoảng cách d khác nhau.
Các kết quả được tổng hợp trong bảng 3-3 và bảng 3-4 dưới đây. Đối với một tag HF thì tác động của nước bị hạn chế tối thiểu: chỉ thay đổi một vài cm về
khoảng đọc mà thôi. Tuy nhiên, nó lại rất nhạy cảm đối với các đối tượng kim loại, tag thậm chí còn không thể phát hiện được mặc dù chỉ cách các thùng kim loại khoảng 5mm. Đối với một tag UHF, cả chất liệu tổn hao và kim loại đều ảnh hưởng lớn tới hoạt động của tag. Khi tag được gắn trực tiếp trên đối tượng, khoảng đọc sẽ bằng không. Khoảng đọc sẽ tăng lên khi tag đặt ra xa so với các đối tượng tổn hao vì tổn hao điện môi của chúng cao.
Hay nói cách khác, sự thay đổi về khoảng đọc của tag trên các đối tượng kim loại cho thấy một khuynh hướng khác. Tag không thể phát hiện được khi nó rất gần với đối tượng kim loại. Tuy nhiên, khoảng đọc lại tăng lên khi tag dịch chuyển ra xa, và sẽ lớn nhất tại một khoảng cách nào đó (d = 10mm). Lưu ý rằng kết quả đạt được chỉ đúng với một mô hình nhất định và sẽ thay đổi đối với các mô hình khác.
Bảng 3-3: Kết quả đo đạc tại dải tần HF của Tag khi gắn lên các vật chất khác nhau
Bảng 3-4: Kết quả đo đạc tại dải tần UHF của Tag khi gắn lên các vật chất khác nhau
3.4 Đo đạc thực nghiệm.
Trong phần này sẽ trình bày kết quả thực nghiệm khi sử dụng hệ thống RFID với đầu đọc IF5 Fixed Reader của Hãng Intermec làm việc tại tần số 902- 928 MHz (hình 3.14). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.14: Hệ thống thực nghiệm.
Sau khi tiến hành kết nối hệ thống và cho chạy kiểm tra, đầu đọc sẽ phát hiện thẻ và chương trình sẽ báo kết quả lên màn hình (hình 3.15, 3.16).
Hình 3.15: Hệ thống báo là chưa có thẻ.
Trong trường hợp có nhiều thẻ, chương trình phần mềm quản lý cũng sẽ báo kết quả như hình 3.17
Hình 3.17: Hệ thống báo là đã phát hiện được nhiều thẻ. Sau khi kiểm tra xong hệ thống thì tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của môi trường kim loại và môi trường nước lên hoạt động của hệ thống bằng cách xác định khoảng cách đọc được khác nhau khi gắn thẻ lên lon Coca Cola (môi trường kim loại), chai nước suối và chai nước rửa chén Sunlight (môi trường nước) với những khoảng cách khác nhau. Kết quả thu được như bảng 3-5.
Bảng 3-5: Kết quả đo đạc tại dải tần UHF của Tag khi gắn lên hai vật chất khác nhau là kim loại và nước
Khoảng cách đọc được (mét) Khoảng cách giữa thẻ và vật chất thí nghiệm (milimét) Lon Coca Cola Chai nước suối
Chai nước rửa chén Sunlight
Không gian tự do
0 0 0 0
5 0,50 0,25 0,55 3,50
10 3,20 0,54 1,40
15 2,85 1,40 1,95
20 2,70 1,95 2,30
Qua các kết quả thu được, ta dễ dàng nhận thấy mỗi loại đầu đọc của mỗi hãng khác nhau sẽ có độ nhạy khác nhau (nếu đem so sánh với bộ đọc SAMSys