Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế anten RFID thụ động sử dụng cấu trúc dệt và bề mặt dẫn từ nhân tạo (tt)

MHz (916 –932 MHz) với độ định hướng 5.8 dB và 7.0 dB tương ứng với
tần số 845 MHz và 925 MHz. Khoảng đọc tối đa của anten chế tạo thử
nghiệm là 6m và 4.4m tương ứng với hai dải tần tiêu chuẩn FCC (902 –
928 MHz) và IN (840 – 845 MHz).
KẾT LUẬN CHUNG
Nội dung của luận án đã tìm hiểu về anten dệt RFID cũng như nghiên
cứu về các cấu trúc AMC nhằm tăng độ linh hoạt, giảm nhỏ kích thước,
tăng độ định hướng và khoảng cách đọc của anten mà không làm suy
giảm nhiều các thông số khác của anten.
Đóng góp khoa học của luận án
Luận án có những đóng góp khoa học như sau:
- Đề xuất cấu trúc anten dệt sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động
RFID có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo,
chi phí thấp. Bên cạnh đó, luận án cũng đề xuất giải pháp thiết kế cấu
trúc anten đề xuất có dạng khác biệt với các cấu trúc anten lưỡng
cực thông thường, ứng dụng cho các thẻ RFID dạng dệt có hình dạng
đặc biệt.
- Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ
thụ động RFID UHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách
đọc lớn và chi phí thấp. Bên cạnh đó, luận án cũng đề xuất cấu trúc
AMC giảm nhỏ kích thước của bề mặt dẫn từ nhân tạo ứng dụng cho

việc thiết kế anten thẻ RFID cần khoảng cách đọc lớn.
Hướng phát triển của luận án
Hướng phát triển tiếp theo của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu thiết kế anten phân cực tròn sử dụng bề mặt dẫn từ nhân
tạo dành cho thẻ thụ động RFID UHF.
- Nghiên cứu thiết kế anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho
đầu đọc RFID UHF.

24

MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu anten RFID sử dụng vật liệu tiên tiến
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông không dây kỹ
thuật số trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ đáp ứng các nhu cầu của
người dùng trong liên lạc trao đổi thông tin.Thời đại của Internet vạn vật
(IoT) đòi hỏi các phương pháp mới cho phép liên lạc giữa các đối tượng
khác nhau với chi phí cực thấp, yêu cầu độ tin cậy và độ bền cao trong
các môi trường khác nhau. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công
nghệ nhận dạng tần số vô tuyến, các thẻ RFID UHF thụ động được sử
dụng ngày càng phổ biến trong quá trình nhận dạng. Những thẻ này cho
phép nhận dạng không dây các đối tượng một cách nhanh chóng. Ngoài
ra, khả năng tích hợp các chức năng cảm biến vào thẻ RFID là một ưu
điểm của công nghệ này. Tuy nhiên các ứng dụng này cũng đòi hỏi anten
cho các hệ thống RFID phải có các đặc tính vượt trội cụ thể như sau:
Anten có kích thước nhỏ gọn, có độ định hướng cao, hệ số tăng ích lớn,
có thể tích hợp vào nhiều dạng đối tượng trong các ứng dụng truyền thông
không dây…
Sự xuất hiện của các cấu trúc vật liệu tiên tiến trong những năm gần
đây đã giúp giải quyết những vấn đề này. Đầu tiên phải kể đến cấu trúc
anten dệt. Một anten dệt vi dải đơn giản bao gồm một tấm phát xạ nằm ở
mặt trên và mặt phẳng đất nằm ở mặt dưới của tấm điện môi. Vật liệu của
tấm điện môi có thể là vải cotton, nỉ, lụa, 100\% polyester... Các vật liệu
dẫn điện (Zelt, Electron và đồng nguyên chất) được sử dụng để chế tạo
thành phần bức xạ. Bên cạnh cấu trúc anten dệt, các cấu trúc bề mặt dẫn
từ nhân tạo cũng rất được quan tâm nghiên cứu. Cấu trúc bề mặt dẫn từ
nhân tạo là một dạng của siêu vật liệu. Siêu vật liệu là loại vật liệu nhân
tạo được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc "nguyên tử" để có thể
tạo ra các vật liệu có tính chất điện từ theo ý muốn. Những tính chất này
không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự
sắp xếp các cấu trúc này có thể theo một trật tự hoặc hỗn loạn. Ngoài ra


các cấu trúc này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt
động của siêu vật liệu. Siêu vật liệu có ưu điểm vượt trội so với vật liệu
thông thường nhờ vào khả năng có thể điều chỉnh hằng số điện môi. Các
thông số của anten sử dụng siêu vật liệu được cải thiện đáng kể như giảm

1


suy hao phản xạ , tăng hiệu suất , băng thông, hệ số tăng ích, độ định
hướng.
2. Những vấn đề còn tồn tại
- Các anten dệt được giới thiệu trước đây đa phần đều có dạng anten
dipole thông thường, chưa đáp ứng được trong các ứng dụng đòi hỏi
anten có dạng logo hay uốn gấp khúc.
- Kỹ thuật tăng độ định hướng của anten bằng cách sử dụng bề mặt phản
xạ đòi hỏi anten có độ dày tối thiểu bằng ¼ bước sóng dẫn đến kích
thước của anten lớn.
- Các anten thẻ RFID sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo đã được giới thiệu
có kích thước lớn và hoạt động đơn băng.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten dệt dạng uốn gấp khúc sử dụng đế
vải dành cho thẻ thụ động RFID.
- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo
dành cho thẻ thụ động RFID UHF có cấu trúc thấp, độ định hướng cao
và khoảng cách đọc lớn.
Đối tượng nghiên cứu:
- Anten dệt dành cho thẻ thụ động RFID dạng uốn gấp khúc.
- Anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ động RFID
UHF.
Phạm vi nghiên cứu
- Anten dệt sử dụng đế vải, anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành
cho thẻ thụ động RFID.
- Dải tần RFID UHF từ 860MHz-940MHz và dải tần Microwave
2,45GHz
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu trong luận án đi từ lý thuyết đến thực nghiệm.
Đầu tiên luận án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình sau đó tính toán
mô phỏng, chế tạo mẫu và đo lường, đánh giá.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận:

2

10
Tính toán
Thực nghiệm

8

FCC

6
IN

KR2

4
ETSI

AU/ SRRC
NZ

2

0
800

820

840

860 880 900
Tần số (MHz)

920

940

960

Hình 3.36. Mẫu anten chế
Hình 3.38. Kết quả tính toán và đo
tạo
đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa
của anten thẻ
Bảng 3.7 so sánh anten đề xuất với một số anten thẻ RFID sử dụng
cấu trúc siêu vật liệu điện từ đã công bố có dải tần hoạt động tương tự.
Anten đạt được kích thước nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo tốt tham số về hệ số
tăng ích của anten và có thêm ưu điểm hoạt động ở hai băng tần trong khi
các anten khác chỉ hoạt động ở một băng tần.
Bảng 3.7: So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số
anten đã công bố
Anten
Đế điện môi
Kích thước (mm)
Hệ số khuếch
đại (dBi)
[96]
Taconic TRF-45,
140mm × 80mm
6,46
εr=4,5, h=1,63mm
× 50mm
[97]
FR-4, εr=4,4,
210mm × 210mm
5,13
h=3,2mm
× 6,4mm
[98]
FR-4, εr=4,4,
160mm × 80mm
4,53
h=1,6mm
× 15mm
Anten
FR-4, εr=4,4,
190mm × 190mm
6,75
đề xuất
h=0,8mm
× 15, 8mm
3.6. Kết luận
Chương này đã mô tả cấu trúc của anten đơn hướng, cấu hình nhỏ
gọn với hai băng tần dành cho các ứng dụng RFID UHF. Anten có kích
thước tổng cộng 190mm × 190 mm × 15.8 mm (0.55λ × 0.55λ × 0.046λ)
ở tần số 925 MHz, băng thông thu được là 15 MHz (840 – 855 MHz) và 6
23


Trở kháng vào (Ohm)

cực còn cộng hưởng ở mức tần số cao hơn được tạo ra bởi bề mặt dẫn từ
nhân tạo. Hiện tượng này là do sóng bề mặt lan truyền trên bề mặt dẫn từ
nhân tạo được kích thích tạo ra cộng hưởng bổ sung cho hệ thống anten.
3.5. Thực nghiệm
Hình 3.36 minh họa anten thẻ RFID UHF được đề xuất sau khi chế
tạo thử nghiệm. Từ các tài liệu thông số kỹ thuật của mô đun đầu đọc,
anten đầu đọc và chip, chúng ta có Pt = 30 dBm, Gt = 7 dBic và Ptag = -15
dBm. Vì anten đầu đọc có phân cực tròn và anten thẻ có phân cực tuyến
tính, ρ được giả sử bằng 0,5. Bằng cách thay giá trị của Dtag và Γ từ kết
quả mô phỏng bởi phần mềm HFSS, khoảng đọc tối đa của anten thẻ
được tính toán và minh họa trong hình 3.38. Kết quả cho thấy khoảng đọc
tối đa của anten là 6,9 m và 7,4 m tương ứng với tần số 845 MHz và 925
MHz. Khoảng đọc tối đa của anten mẫu chế tạo được đo bằng cách giữ
cho anten thẻ dịch chuyển cách xa anten đầu đọc dọc theo đường thẳng
đến điểm xa nhất mà đầu đọc còn phát hiện được thẻ. Thí nghiệm được
thực hiện với bảy dải tần số tiêu chuẩn được cung cấp bởi mô đun đọc
RFID Thingmagic Me6.

Hình 3.32. Trở kháng đầu vào của Hình 3.33. Hệ số phản xạ của của
của anten đề xuất với bề mặt dẫn từ anten đề xuất với bề mặt dẫn từ
nhân tạo có kích thước khác nhau
nhân tạo có kích thước khác nhau

22

- Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp
để giảm nhỏ kích thước, cải thiện một số tham số cho anten thẻ thụ
động RFID UHF với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo.
- Các kết quả nghiên cứu của luận án đã đưa ra được các công bố có giá
trị khoa học, góp phần tạo ra các sản phẩm thương mại trong tương lai.
Về thực tiễn:
Các cấu trúc anten thẻ sử dụng nguyên lý vật liệu tiên tiến đề xuất có thể
hoạt động trong hệ thống nhận dạng sóng vô tuyến RFID.
5. Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án bao gồm:
- Đề xuất cấu trúc anten dệt sử dụng đế vải dành cho thẻ thụ động RFID
dạng uốn gấp khúc có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo.
- Đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụ
động RFID UHF cấu trúc thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc
lớn.
6. Cấu trúc nội dung của luận án
Luận án này bao gồm 3 chương. Nôi dung chương 1 giới thiệu tổng
quan về công nghệ RFID, cấu trúc và các tham số chính của anten thẻ
RFID. Các kỹ thuật phối hợp trở kháng giữa anten và chip cũng như một
số kỹ thuật để cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten RFID
cũng được phân tích chi tiết. Chương 2 trình bày giải pháp sử dụng cấu
trúc dệt và đế điện môi bằng vải áp dụng trong việc thiết kế anten thẻ
RFID UHF có cấu trúc mềm dẻo. Anten bao gồm một lưỡng cực nhỏ gọn
được dệt trên đế điện môi bằng vải. Cấu trúc anten có dạng uốn gấp
khúc viết tắt Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST). Chương 3 đề xuất giải
pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo trong việc thiết kế anten thẻ RFID
UHF hai băng tần có cấu hình thấp, độ định hướng cao, khoảng cách đọc
lớn.
CHƯƠNG 1. ANTEN RFID
Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ RFID, cấu trúc, các
tham số chính của anten thẻ RFID và các kỹ thuật phối hợp trở kháng
giữa anten và chip. Một trong những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến
chất lượng và khả năng hoạt động của anten thẻ RFID là vật liệu đế điện
môi được sử dụng để chế tạo anten được phân tích cụ thể. Bên cạnh đó,
một số giải pháp nhằm giảm nhỏ kích thước, cải thiện hệ số tăng ích và
độ định hướng của anten RFID cũng được phân tích chi tiết.
3


1.1. Công nghệ RFID
Hệ thống RFID
bao gồm đầu đọc kết
nối với máy tính liên
lạc với thẻ thông qua
tần số vô tuyến. Thẻ
bao gồm đế cùng với
anten được chế tạo
trên đó và IC gắn trên
anten. Đầu đọc gửi và
nhận thông tin đến từ
thẻ sau đó gửi đến máy
Hình 1.1. Hệ thống RFID
tính.
1.2. Thẻ RFID
Thẻ RFID là một bộ thu và phát tín hiệu vô tuyến. Thẻ bao gồm hai phần,
anten và mạch tích hợp (IC). Chức năng chính của anten là thu các trường
điện từ bức xạ bởi đầu đọc ở tần số xác định. Năng lượng điện từ nhận
được được chuyển đổi thành năng lượng điện và được cung cấp cho mạch
tích hợp. Chip gắn trên thẻ có khả năng lưu trữ thông tin được truyền đến
đầu đọc, thực thi chuỗi lệnh và lưu trữ thông tin được gửi bởi đầu đọc.
Khi thiết kế anten cần phối hợp trở kháng anten với tải của nó để đảm bảo
rằng công suất tối đa được truyền từ anten sang chip bằng cách thay đổi
kích thước của anten hoặc bằng cách thêm một phần tử thụ động.
1.3. Các tham số chính của anten thẻ RFID
1.3.1. Trở kháng đầu vào
1.3.2. Băng thông
1.3.3. Hệ số định hướng
1.3.4. Hệ số tăng ích
1.3.5. Hiệu suất bức xạ
1.3.6. Phân cực
1.3.7. Khoảng đọc
1.4. Các loại vật liệu đế điện môi
Về cơ bản vật liệu làm đế điện môi sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ
của thẻ thông qua các đặc tính của nó, như hệ số suy hao và hệ số điện
môi. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào đưa ra khái niệm về vật liệu tiên

4

Để phân tích những
điểm vượt trội của cấu trúc
anten đề xuất, việc so sánh
đặc tính của anten sử dụng
bề mặt dẫn từ nhân tạo với
anten lưỡng cực đơn được
thực hiện. Theo như hình
3.32, trở kháng vào của
anten lưỡng cực đơn có một
điểm giao trong khi trở
kháng vào của anten đề
xuất có hai điểm giao với
trở kháng vào của chip.
Hình 3.34. Đồ thị bức xạ phương hướng
của anten lưỡng cực ở hai tần số 845 MHz
và 925 MHz: (a) Lưỡng cực đơn, (b)
Lưỡng cực có bề mặt dẫn từ nhân tạo
Anten lưỡng cực đơn có trở kháng vào Z11 = 22 + j189 (Ω) ở tần số
925 MHz, trong khi anten đề xuất có trở kháng vào Z11 = 19 + j190 (Ω) ở
tần số 845 MHz và Z11 = 23 + j192 (Ω) ở tần số 925 MHz. Theo hình
3.33, anten lưỡng cực đơn hoạt động ở một dải tần với tấn số cộng hưởng
925 MHz, hệ số phản xạ |S11| =-31,0 dB và băng thông thu được là 34
MHz (910 – 944 MHz). Anten đề xuất hoạt động ở hai dải tần với băng
thông thu được là 15 MHz (840 – 855 MHz) và 18 MHz (916 – 932
MHz), cộng hưởng ở hai tần số 845 MHz |S11| =-21 dB và 925 MHz |S11|
=-26 dB. Những kết quả này đã chứng minh rằng bề mặt dẫn từ nhân tạo
đã tạo ra đặc tính băng tần kép cho hệ thống anten. Bên cạnh đó, để làm
rõ hơn cơ chế hoạt động hai băng tần của anten đề xuất, tác giả đã khảo
sát đặc tính của anten với ba kích thước khác nhau của bề mặt dẫn từ nhân
tạo bao gồm bề mặt dẫn từ nhân tạo có 2 × 2, 4 × 4 và 6 × 6 phần tử.
Anten với bề mặt dẫn từ nhân tạo có 4 × 4 phần tử (anten đề xuất) cộng
hưởng ở hai tần số 845 MHz |S11| =-21 dB và 925 MHz |S11| =-26 dB.
Với bề mặt dẫn từ nhân tạo có 6 × 6 phần tử, anten cộng hưởng ở hai tần
số 838 MHz |S11 | =-18 dB và 885 MHz |S11| =-6 dB. Từ kết quả mô phỏng
trên có thể nhận thấy cộng hưởng ở mức tần số thấp được tạo ra bởi lưỡng
21


dày h = 0,8 mm. Đế điện môi nằm cách mặt phẳng phản xạ ở khoảng cách
Ha = 15 mm. Lưỡng cực được tiếp điện bởi mạng chữ T. Chip UCODE
G2XM có trở kháng vào bằng 22 - j195 (Ω) ở tần số 925 MHz.
3.4.2. Khảo sát đặc
tính
của
mạng phối
hợp
trở
kháng chữ T
Luận án khảo sát
trở kháng vào của
anten khi thay đổi
tham số kích thước
Lm, Wm các tham số
Hình 3.26. Cấu trúc hình học của lưỡng cực
khác giữ nguyên
3.4.3. Khảo sát đặc tính của bề mặt dẫn từ nhân tạo
Luận án khảo sát trở kháng vào của anten khi thay đổi tham số kích
thước của bề mặt dẫn từ nhân tạo bao gồm g, Wa, Ha trong khi các tham
số khác giữ nguyên.
3.4.4. Cơ chế hoạt động hai băng tần

Hình 3.32. Trở kháng đầu vào của Hình 3.33. Hệ số phản xạ của anten
anten lưỡng cực đơn và anten kết lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề
mặt dẫn từ nhân tạo
hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo

20

tiến trong lĩnh vực thiết kế anten RFID, trong luận án này tác giả để xuất
phân chia các loại vật liệu đế điện môi được chia thành hai nhóm:
- Vật liệu truyền thống: bao gồm các loại vật liệu phổ biến như
polymer, gỗ, giấy, ván ép.
Vật liệu tiên tiến: bao gồm các loại vật liệu có các đặc tính đặc
biệt mà vật liệu truyền thống không có được như vật liệu vải cách
điện và siêu vật liệu.
1.4.1. Vật liệu truyền thống
- Các loại vật liệu polymer
- Bìa các tông và giấy
- Gỗ
- Ván ép
- Gốm
1.4.2. Vật liệu tiên tiến
- Vải cách điện
Vật liệu này được sử dụng nhiều nhất cho các ứng dụng thẻ đeo. Các
ứng dụng này đòi hỏi anten có độ mềm dẻo, kích thước nhỏ gon, giá
thành hợp lý và dễ dàng gắn trên cơ thể người. Vật liệu được sử dụng là
các loại vải có tính chất tương tự với đế điện môi. Phần dẫn điện của
anten có thể làm bằng sợi đồng mảnh. Vải dệt thường có hằng số điện
môi rất thấp, giúp giảm suy hao sóng bề mặt và cải thiện băng thông của
anten. Một số đặc tính của vải ảnh hưởng đến các thông số của anten bao
gồm hệ số điện môi, khả năng hấp thụ độ ẩm, độ dày của đế điện môi.
- Siêu vật liệu
Siêu vật liệu là một loại vật chất nhân tạo được chế tạo bằng cách sắp
xếp những cấu trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra
các tính chất điện từ theo ý muốn. Tính chất điện từ của mỗi loại vật liệu
được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hệ số điện môi.
Nguyên lý cơ bản của siêu vật liệu là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ
có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà không thể
làm được với các vật liệu tự nhiên. Điểm đáng quan tâm lớn nhất được
tập trung nghiên cứu đó là sự phản xạ và lan truyền sóng bề mặt. Các bề
mặt dẫn từ nhân tạo làm giảm hiệu ứng lan truyền bằng cách đưa ra
những thay đổi đột ngột về tính chất quang học. Các đặc tính được phân

5


tích qua các hiện tượng vật lý như sự phản xạ, khúc xạ dị thường, sự
chuyển đổi phân cực.
1.5. Phối hợp trở kháng giữa anten và chip
1.5.1. Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng vòng ghép điện cảm
1.5.2. Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng mạng chữ T
1.5.3. Kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng khe lồng nhau
1.6. Các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten thẻ RFID
1.6.1. Kỹ thuật uốn gấp khúc
1.6.2. Kỹ thuật sử dụng cấu trúc anten PIFA
1.6.3. Kỹ thuật dùng tải thuần kháng dung
1.7. Các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten
RFID
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được các nhà nghiên cứu sử
dụng để cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten như mảng
nhiều anten, thay đổi vật liệu đế điện môi…, trong phạm vi luận án này sẽ
giới thiệu một số kỹ thuật phù hợp với thiết kế thẻ RFID.
- Phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ
- Phương pháp sử dụng tấm patch ký sinh
- Phương pháp sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ
- Phương pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo
1.8. Tổng kết chương
Chương 1 đã trình bày tổng quan về công nghệ RFID, các kỹ thuật chế
tạo anten và các vật liệu được sử dụng làm đế điện môi. Các tham số và
các kỹ thuật cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng của anten thẻ RFID
cũng đã được giới thiệu chi tiết. Đây là cơ sở lý thuyết cho các nghiên
cứu được đề xuất trong các chương sau của luận án.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID CÓ THỂ TÍCH
HỢP ĐƯỢC SỬ DỤNG CẤU TRÚC DỆT
2.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, các kỹ thuật chế tạo anten có thể tích hợp được sẽ
được trình bày. Tiếp đó, giải pháp sử dụng kỹ thuật dệt và đế điện môi
bằng vải được phân tích và và áp dụng trong việc thiết kế anten thẻ
RFID UHF có cấu trúc hình học dạng uốn gấp khúc. Anten hoạt động ở
tần số 2.45 GHz bao gồm một thành phần phát xạ và một lớp điện môi.
2.2. Giới thiệu tổng quan về anten có thể tích hợp được

6

3.3.3.

Khảo sát
đặc tính
của cấu
trúc AMC
ba khe
Luận án tiến
hành khảo sát pha
phản xạ của cấu
trúc AMC ba khe
với từng tham số
Lb, Le, Wa thay đổi,
các tham số còn lại Hình 3.19. Pha phản xạ của cấu trúc phần tử
giữ nguyên.
AMC ba khe
3.4. Cấu trúc và các đặc tính của anten đề xuất
3.4.1. Cấu trúc của anten

Bảng 3.5. Các tham số kích thước
của anten đề xuất
Hình 3.25. Cấu trúc hình học của
anten thẻ được đề xuất: (a) Hình
chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng
Cấu trúc hình học của anten đề xuất được mô tả trong hình 3.25. Lưỡng
cực và bề mặt dẫn từ nhân tạo được in ở mặt trên và mặt dưới của đế
Epoxy FR-4 với hằng số điện môi εr= 4,4, hệ số suy hao tanδ= 0,025 và độ
19


Hình 3.18. Cấu trúc phần tử AMC ba khe:
(a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng,
(c) Vùng điện trường giữa hai phần tử

18

+++++

+++++

-------

Vùng điện trường
tối đa được hiển thị
trong hình 3.18(c) và
được đánh dấu bằng
phần
diện
tích
IGBFF'B'G'I'I. Luận án
thu được C=1,49pF,
L=18,8nH, f=950 MHz.
Đồ thị pha phản xạ mô
phỏng của cấu trúc
phần tử AMC hình
vuông được minh họa
trong hình 3.19. Kết
quả mô phỏng cho thấy
pha phản xạ bằng 0° ở
tần số 910 MHz.

-------

MHz.
c. Cấu trúc ba khe
Hình 3.18 minh họa cấu trúc hình học của phần tử AMC ba khe. Các
tham số kích thước của cấu trúc bao gồm L=34mm, g=1mm, Ha=15mm,
Wa=9,6mm, Le=33mm, Wb=16mm, Lbd=30mm, Wbs=6mm, Lb=14mm .
Cấu trúc phần tử một khe được mô hình hóa thành mạch điện tương
đương bao gồm một cuộn cảm mắc song song với một tụ điện.

2.3. Vật liệu đế điện môi của anten có thể tích hợp được
2.4. Các kỹ thuật chế tạo anten có thể tích hợp được
- Anten có thể tích hợp được dạng cứng
- Anten có thể tích hợp được dạng mềm dẻo
2.5. Các bước thiết kế anten thẻ RFID có thể tích hợp được
Đầu tiên cần xác định các yêu cầu về đặc tính hoạt động của anten.
Bước tiếp theo tiến hành lựa chọn vật liệu chế tạo và mô hình thiết kế
anten. Sau đó thực hiện tính toán các tham số kích thước của anten. Bước
tiếp theo cần mô phỏng mô hình thiết kế và tối ưu các tham số kích thước
của anten. Bước cuối cùng là chế tạo và đo đạc thực nghiệm.
2.6. Cấu trúc và đặc tính của anten thẻ RFID có thể tích hợp được đề
xuất
2.6.1. Lựa chọn vật liệu
Khi thiết kế anten, các vật liệu của các thành phần bức xạ và đế điện
môi của anten được chọn để phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Đối với
các anten thẻ đeo RFID, vật liệu dùng để chế tạo đế anten cần có độ mềm
dẻo và độ bền cao. Vật liệu dẫn điện yêu cầu điện trở thấp và ổn định để
giảm thiểu tổn thất. Trong nghiên cứu này, Kevlar được chọn làm đế có
hệ số điện môi εr=3,58, hệ số suy hao tanδ=0,019 và độ dày h=0.254mm.
Dây đồng có đường kính d = 0,4 mm được lựa chọn để chế tạo phần tử
bức xạ.
2.6.2. Tính toán các tham số kích thước của anten
Anten được thiết kế dựa trên mô hình anten lưỡng cực vi dải. Các
tham số kích thước của anten được tính toán dựa trên cấu trúc anten lưỡng
cực vi dải cơ bản. Hình 2.5 minh họa cấu trúc hình học của một anten
lưỡng cực vi dải. Anten bao gồm hai nhánh, có độ rộng W và chiều dài
tổng cộng L. Độ rộng của anten được tính theo công thức sau:
= 0,05 = 6(
)
Từ đó tính được hệ số điện môi hiệu dụng:
+1
−1
1

⎞ = 3,34
=
+
2
2
12ℎ
⎝ 1+


7


hóa thành mạch điện tương đương bao gồm một cuộn cảm mắc song song
với môt tụ điện. Lớp điện môi không khí có εr=1, μr=1, h=15mm. Giá trị
điện dung và điện cảm và tần số cộng hưởng được tính bằng C=1,11pF,
L=18,8nH, f=1100 MHz. Đồ thị pha phản xạ mô phỏng của cấu trúc phần
tử AMC hình vuông được minh họa trong hình 3.15.
180

Hình 2.5. Cấu trúc hình học của anten dipole microstrip: (a) Hình chiếu
bằng, (b) Hình chiếu đứng
Tiếp theo, độ dài hiệu dụng của đường vi dải được tính như sau:
=
=33,5(mm)

120
60
0
-60

Độ dài tăng thêm của đường vi dải:
Δ

= 0,412. ℎ

+ 0,3
− 0,258

-120



+ 0,264


-180
600

= 0,12(

)

+ 0,8

Chiều dài thực L của đường vi dải:
=
− 2Δ = 33,25(
)
2.6.3. Cấu trúc anten đề xuất
Cấu trúc hình học
Wsub
45
Lsub
16
gap
0,2
của anten đề xuất
được mô tả trong
l1
4,1
l2
2,4
l3
2,05
hình 2.7. Anten bao
l4
2,05
l5
1,5
l6
3,55
gồm một thành phần
phát xạ và một lớp
l
14,35
d
0,4
điện môi. Anten hoạt
Bảng 2.2. Bảng các tham số kích thước của anten
động ở tần số 2.45
dệt đề xuất (mm)
GHz.
Thành phần bức xạ được thiết kế dưới dạng uốn gấp khúc viết tắt của tên
trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) sử dụng vật liệu sợi đồng.
Các chữ cái của logo được kết nối với nhau và được sắp xếp sao cho hai
nhánh có độdài anten gần bằng nhau.

8

700

800

900
1000
Tần số (MHz)

1100

1200

Hình 3.17. Pha phản xạ của cấu Hình 3.15. Pha phản xạ của cấu
trúc phần tử AMC một khe
trúc phần tử AMC hình vuông
Kết quả mô phỏng cho thấy pha phản xạ bằng 0° ở tần số 1039 MHz.
b. Cấu trúc AMC một khe
Vùng
điện
trường tối đa được
hiển thị trong hình
3.16(c) và được
đánh dấu bằng phần
diện
tích
IECBB'C'E'I'I. Luận
án
thu
được
C=1,4pF, L=18,8nH,
f=980 MHz. Đồ thị
pha phản xạ mô
phỏng của cấu trúc
phần tử AMC hình
vuông được minh
họa trong hình 3.17.
Kết quả mô phỏng
Hình 3.16. Cấu trúc phần tử AMC một khe:
cho thấy pha phản xạ
(a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c)
bằng 0° ở tần số 930
Vùng điện trường giữa hai phần tử
17


gồm một phiến kim loại được in trên bề mặt đế điện môi nối với mặt
phẳng đất. Trước tiên, luận án tiến hành xét cấu trúc AMC hình vuông.
Trên cơ sở mạch tương đương, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra ở một số
tần số tương ứng khi mạch LC song song cộng hưởng. Đầu tiên ta khảo
sát một sóng phẳng tới một phiến kim loại của bề mặt dẫn từ nhân tạo
bằng cách thiết lập các tấm PEC và PMC xung quanh ô vuông góc với
điện trường và từ trường tới. Cấu trúc kết quả có thể được mô hình hóa
bằng cách sử dụng đường truyền như trong hình 3.12(b). Phiến kim loại
hình vuông hoạt động như một tụ điện, lớp điện môi ngắn mạch được mô
hình hóa tương đương một cuộn cảm song song với tụ điện. Tần số cộng
hưởng của bề mặt dẫn từ nhân tạo được xác định bởi giá trị của tụ điện và
cuộn cảm.
3.3.2. Thiết kế cấu trúc AMC
Cấu trúc AMC được thiết kế lần lượt qua ba mô hình bao gồm cấu
trúc AMC hình vuông, một khe và ba khe.
a. Cấu trúc AMC hình vuông

Dây đồng được dệt từ mặt
trước ra mặt sau của đế vải.
Anten được phối hợp trở
kháng với cáp đồng trục 50Ω.
Bề rộng đường vi dải của mỗi
nhánh trong cấu trúc anten
thiết kế được chọn bằng 2mm
tương đương 1/3 độ rộng của
đường vi dải theo tính toán lý
thuyết, vì vậy chiều dài tổng
cộng của anten mô phỏng xấp
xỉ 100mm gấp ba lần so với
tính toán lý thuyết. Bảng 2.2
minh họa các tham số kích
thước của anten đề xuất.

Hình 2.7. Cấu trúc hình học của anten
dệt được đề xuất: (a) Mặt trước, (b)
Mặt sau, (c) Hình chiếu đứng

2.6.4. Kết quả mô phỏng
Anten mô phỏng có hệ số phản xạ S11 là -18.26 dB, hệ số tăng ích
2,2 dB và băng thông 20 MHz ở tần số 2,45GHz. Đồ thị bức xạ của anten
trong mặt phẳng E và H được minh họa trong hình 2.9. Băng thông này
đảm bảo anten hoạt động được đối với hệ thống RFID tiêu chuẩn.

Hình 2.8. Hệ số phản xạ của
anten dệt đề xuất

Hình 2.10. Hệ số tăng ích của
anten dệt đề xuất

Hình 3.14. Cấu trúc phần tử AMC hình vuông: (a) Hình chiếu đứng,
(b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử
Hình 3.14 minh họa cấu trúc hình học của phần tử AMC hình vuông.
Các tham số kích thước của cấu trúc bao gồm L=34mm, g=1mm,
Ha=15mm. Cấu trúc phần tử của bề mặt dẫn từ nhân tạo được mô hình
16

9


G2XM. Phần thực và phần ảo của trở kháng đâu vào của anten xấp xỉ với
trở kháng của chip, đạt giá trị 20+j195(Ω) ở tần số 900MHz.
(dBic)
5
0
-5
-10
300
-15
-20
-25
-30 270
-25
-20
-15
240
-10

2.6.5.

Hình 2.9. Đồ thị bức xạ phương hướng của anten dệt đề xuất
Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu đến đặc tính của anten
a. Độ dày của đế vải

Hình 2.12. Hệ số phản xạ của anten Hình 2.13. Hệ số tăng ích của anten
với đế điện môi có độ dày khác
với đế điện môi có độ dày khác
nhau
nhau
Anten được mô phỏng với đế điện môi Kevlar có độ dày lần lượt là
0.09 mm, 0.13 mm và 0.24 mm. Hình 2.12 và 2.13 minh họa hệ số phản
xạ và hệ số tăng ích của anten với đế điện môi có độ dày khác nhau. Kết
quả cho thấy độ dày đế điện môi càng lớn, tần số cộng hưởng của anten
càng thấp. Khi độ dày của đế điện môi tăng thì hệ số tăng ích của anten
giảm một lượng nhỏ không đáng kể.
b. Hệ số điện môi của đế vải
Anten được mô phỏng với ba loại đế vải bao gồm: nỉ, len lông cừu và
len. Vật liệu nỉ có hệ số điện môi εr = 1,22, hệ số suy hao tanδ = 0,0016
và độ dày h = 2 mm. Vật liệu len lông cừu có hệ số điện môi εr = 1,04, hệ
số suy hao tanδ = 0,024 và độ dày h = 3 mm
10

-5
0
5

0
330

(dBic )
5
0
-5
-10
300
-15
-20
-25
-30 270
-25
-20
-15
240
-10

30

60

90

120

210

-5
0
5

150
180

0
330

30

60

90

120

210

150
180

Hình 3.7. Đồ thị bức xạ phương hướng của anten lưỡng cực
3.3. Cấu trúc AMC
3.3.1. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc AMC
Giả sử bề mặt
dẫn từ nhân tạo
gồm một mảng
các phiến kim
loại in trên đế
điện môi có hệ số
điện môi εr và độ
dày d. Cấu trúc
hình học của bề
mặt dẫn từ nhân
tạo được minh
họa trong hình
3.12 .
Hình 3.12. Cấu trúc bề mặt dẫn từ nhân tạo: (a)
Cấu trúc hình học, (b) Sơ đồ mạch điện tương
đương
Cấu trúc đơn vị của bề mặt siêu vật liệu điện từ được xem như vật
dẫn từ nhân tạo (AMC). Cấu trúc AMC được thiết kế sao cho pha phản xạ
bằng không tại tần số cộng hưởng. Cấu trúc AMC đơn vị là cấu trúc bao

15


0

-10

-20

-30

-40
1.8

Hình 3.4. Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực đơn
Lsub

Wsub

Lt1

Rt1

Lb1

Lb2

Wb1

70

20

6

4

18

10

3

Ws1

g1

g2

Ls1

Wt

Lt

Lm

0,4

1

0,09

10

1

2,48

2,05

Wm

Lf

Wf

L1

Wff

Wb2

0,54

15,3

0,8

2

0,585

3

Nỉ
Len lông cừu
Len

1.9

2.0

2.1 2.2 2.3
Tần số (GHz)

2.4

2.5

Hình 2.14. Hệ số phản xạ của anten Hình 2.15. Hệ số tăng ích của
anten với các đế điện môi
với cá đế điện môi khác nhau
khác nhau
Cuối cùng là vật liệu len có hệ số điện môi εr = 3,5, hệ số suy hao
tanδ = 0,02 và độ dày h = 1,45 mm.Hệ số phản xạ S11 và hệ số tăng ích
của anten đề xuất với các đế vải khác nhau được minh họa trong hình
2.14 và 2.15. Kết quả mô phỏng cho thấy đế vải có hệ số điện môi càng
lớn, anten có tần số cộng hưởng càng thấp. Anten sử dụng đế nỉ với hệ số
suy hao nhỏ nhất có hệ số tăng ích lớn nhất.
c. Đường kính sợi dây đồng

Bảng 3.2. Bảng các tham số kích thước của anten lưỡng cực (mm)

Hình
3.6.
Hệ
số
phản
xạ
S11
của
anten
lưỡng
Hình 3.5. Trở kháng vào của anten
cực đơn
lưỡng cực đơn
Kết quả mô phỏng trở kháng đầu vào của anten lưỡng cực đơn được
minh họa trong hình 3.5. Anten phối hợp trở kháng với chip UCODE
14

Hình 2.16. Hệ số phản xạ của anten Hình 2.17. Hệ số tăng ích của anten
với sợi đồng có đường kính khác
với sợi đồng có đường kính khác
nhau
nhau
Hình 2.16 và 2.17 minh họa hệ số phản xạ và hệ số tăng ích của anten
đề xuất với sợi dây đồng có đường kính 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm. Kết
quả mô phỏng cho thấy đường kính sợi đồng càng tăng thì tần số cộng
hưởng của anten càng lớn và hệ số suy hao càng nhỏ. Ngoài ra, dựa vào
11


hình 2.17 có thể thấy được ở tần số 2,45 GHz anten mô phỏng có hệ số
tăng ích lớn nhất với sợi đồng có đường kính 0,4 mm.
2.6.6. Thực nghiệm và đo đạc

Hình 2.18. Mẫu anten chế tạo

Hình 2.20. Hệ số phản xạ của anten
dệt đề xuất
Hình 2.18 minh họa mẫu anten chế tạo thử nghiệm với sợi đồng có
đường kính 0,4 mm. Anten có kích thước tổng 45 mm x 16 mm x 0,254
mm. Anten được kết nối với cáp đồng trục 50Ω. Hệ số phản xạ của anten
được đo đạc bởi máy phân tích mạng PNA-X. Kết quả đo đạc hệ số phản
xạ của mẫu anten chế tạo thử nghiệm được minh họa trong hình 2.20. Hệ
số S11 đạt giá trị -13,3 dB ở tần số 2,45 GHz.
Bảng 2.3: So sánh kết quả mô phỏng của anten đề xuất với một số
anten đã công bố
Anten
Đế điện môi
Kích thước (mm)
Hệ số khuếch
đại (dBi)
[78]
Vải bò, εr=1,68,
90mm × 90mm × 1mm
2,25
h=1,0mm, tanδ=0,03
[79]
Vải bò, εr=1,68,
90mm × 50mm × 1mm
3,14
h=1,0mm, tanδ=0,025
Anten
Kevlar, εr=3,58,
190mm × 190mm ×
2,08
đề xuất
h=0,254mm,
15,8mm
tanδ=0,019
Bảng 2.3 so sánh anten đề xuất với một số anten thẻ RFID sử dụng
cấu trúc dệt đã công bố có dải tần hoạt động tương tự. Anten đạt được
kích thước nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo tốt tham số về hệ số tăng ích của
anten.
2.7. Kết luận
12

Chương này đã mô tả cấu trúc của anten dệt sử dụng đế vải dành cho
các ứng dụng RFID thẻ đeo. Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc dệt và
đế điện môi bằng vải có thể được áp dụng để thiết kế và chế tạo anten cho
các ứng dụng RFID thẻ đeo.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ANTEN THẺ RFID HAI BĂNG TẦN,
ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO SỬ DỤNG BỀ MẶT DẪN TỪ NHÂN TẠO
3.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, giải pháp sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo được
phân tích và áp dụng trong việc thiết kế anten thẻ RFID UHF hai băng
tần, đơn hướng, có cấu trúc nhỏ gọn. Bên cạnh đó giải pháp này còn được
sử dụng nhằm tăng khoảng cách đọc của anten thẻ RFID. Anten bao gồm
một lưỡng cực nhỏ gọn, một bề mặt dẫn từ nhân tạo gồm các miếng kim
loại định kỳ 4 × 4 và một mặt phản xạ. Anten lưỡng cực được phối hợp
trở kháng với chip UCODE G2XM bởi một mạng phối hợp trở kháng
dạng chữ T.
3.2. Thiết kế anten lưỡng cực đơn
Trước khi nghiên cứu cấu trúc anten sử dụng cấu trúc bề mặt dẫn từ
nhân tạo, luận án tập trung nghiên cứu thiết kế cấu trúc anten thẻ RFID
lưỡng cực đơn. Anten hoạt động ở tần số 900MHz. Anten sử dụng đế điện
môi FR-4 có hệ số điện môi εr =4,4, hệ số suy hao tanδ =0,025 và độ dày
h=0,8mm. Phương pháp đường gấp khúc (meander line) và tải đầu cuối
điện dụng được áp dụng để thu nhỏ kích thước anten. Bên cạnh đó, luận
án cũng sử dụng mạng chữ T để phối hợp trở kháng giữa anten và chip
UCODE G2XM. Chip UCODE G2XM có trở kháng vào bằng 24 - j195
(Ω) ở tần số 915 MHz. Vì vậy, để anten thẻ được đề xuất phối hợp trở
kháng với chip, anten phải có trở kháng vào xấp xỉ bằng 24 + j195 (Ω) ở
dải tần mong muốn. Anten lượng cực đơn có hai đầu cuối dạng chữ E.
Các đường gấp khúc cũng được sử dụng trong thiết kế mạng phối hợp trở
kháng chữ T để thu nhỏ kích thước của anten. Cấu trúc hình học của
anten lưỡng cực khi có mạng phối hợp trở kháng chữ T được minh họa
trong hình 3.4. Các thông số của anten lưỡng cực sau khi tối ưu được
trình bày trong bảng 3.2.

13



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×