BÁO cáo đồ án i tên đề tài anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ

RFID trường gần Trong hệ thống RFID trường gần, đầu đọc truyền một dòng điện xoay chiều qua cuộn dây tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh anten đầu đọc.. Các tham số của thẻ RFID 1

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Tên đề tài:

Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu

điện từ

Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Ngọc Hiền

Sinh viên thực hiện:

Bùi Thức Hậu 20192830

Nghiêm Tuấn Hùng 20192883

Nguyễn Phúc Hồng Sơn 20193084

Mục lục Lời cảm ơn 3

Chương I Cơ sở lý thuyết 4

I Hệ thống RFID 4

1.1 Tổng quan về công nghệ RFID 4

1.1.1 RFID trường gần 4

1.1.2 RFID trường xa 4

1.2 Thẻ RFID 5

1.3 Các tham số của thẻ RFID 5

1.3.1.Băng thông 5

1.3.2 Hệ số định hướng 5

1.3.3 Hệ số tăng ích 6

1.3.4 Hiệu suất bức xạ 6

1.3.5 Khoảng đọc anten 6

II Bề mặt siêu vật liệu điện từ (AMC) 7

2.1 Khái niệm siêu vật liệu 7

2.2 Các đặc tính của siêu vật liệu 7

2.3 Ứng dụng của siêu vật liệu đối với anten 8

Chương II Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ 8

1 Anten thẻ RFID 8

2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu 13

2.1 Phần tử đơn siêu vật liệu 13 2.2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu 15

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đoàn Thị Ngọc Hiền đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành môn đồ

án thiết kế I Đồng thời, chúng em cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Văn Cương đã hỗ trợ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình mô phỏng của môn học.

Đồng thời, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, các anh chị ở phòng thí nghiệm CRD lab – Viện Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ, cho chúng em mượn hệ thống để hoàn thiện phần mô phỏng.

Chương I Cơ sở lý thuyết

I Hệ thống RFID

1.1 Tổng quan về công nghệ RFID

RFID có tên tiếng anh đầy đủ là Radio Frequency Identification Đây là một công nghệ nhận dạng không dây bằng sóng vô tuyến Hệ thống RFID thiết lập liên lạc tần số vô tuyến giữa hai phần: đầu đọc và thẻ Nó có thể nhận dạng RFID xác định duy nhất một đối tượng

Ưu điểm của hệ thống RFID là không yêu cầu điều kiện nhìn thẳng như hệ thống

mã vạch và có thể nhận dạng nhiều đối tượng tại cùng một thời điểm Bởi thế

mà hiện nay công nghệ RFID được sử dụng rộng rãi ở các thư viện, trong các

hệ thống điều khiển truy nhập và các hệ thống hậu cần

Về cấu tạo, hệ thống RFID bao gồm ba thành phần chính: đầu đọc, thẻ và máy tính Trong đó, thẻ bao gồm đế cùng với anten được chế tạo trên đó và gắn chip trên anten Thẻ RFID thường được bảo vệ bởi một lơp nhựa trên cùng Mỗi thẻ

có một mã định danh riêng và duy nhất Đồng thời, đầu đọc gửi và nhận thông tin từ thẻ sau đó gửi đến máy tính

Trên thực tế, các hệ thống RFID được phần thành hai loại: hệ thống RFID trường gần và hệ thống RFID trường xa

1.1.1 RFID trường gần

Trong hệ thống RFID trường gần, đầu đọc truyền một dòng điện xoay chiều qua cuộn dây tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh anten đầu đọc Khi thẻ RFID nằm trong vùng từ trường của đầu đọc sẽ xuất hiện dòng xoay chiều trên anten của thẻ do hiện tượng cảm ứng điện từ

Kỹ thuật điều chế này được sử dụng trong việc truyền thông tin từ thẻ đến đầu đọc Tín hiệu được giải mã nhờ sự thay đổi của cường độ dòng điện gây ra bởi

sự biến thiên của từ trường Cảm ứng điện từ là một cách đơn giản để thực hiện các hệ thống RFID

Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm lớn là khoảng cách phát hiện ngắn, đặc biệt, khi tần số càng cao thì khoảng cách phát hiện càng nhỏ Đối với yêu cầu của các ứng dụng hiện nay và trong tương lai, các thuộc tính của các hệ thống RFID trường gần không đáp ứng được Do đó, các hệ thống RFID trường

xa có lẽ là sự lựa chọn cho tương lai trong nhiều lĩnh vực ứng dụng

1.1.2 RFID trường xa

Với hệ thống RFID trường xa, nó hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ của các sóng điện từ Kỹ thuật tán xạ ngược được sử dụng để truyền dữ liệu Anten lưỡng cực của đầu đọc sẽ truyền và nhận sóng

Sóng điện từ khi được cảm ứng bởi thẻ anten thẻ, tạo ra một điện áp xoay chiều trên các cực của anten Đầu đọc bắt sóng truyền từ thẻ và chuyển đổi thông tin nhận được thành mã nhị phân Dữ liệu nhị phân sẽ được chuyển đến máy tính

xử lý Anten có thể được điều chỉnh theo tần số mong muốn bằng cách điều chỉnh kích thước và hình dạng của nó Trường hợp anten không phối hợp trở kháng, anten thẻ phản hồi lại một phần năng lượng từ sóng điện từ và đầu đọc

có thể phát hiện ra năng lượng này Lượng năng lượng được tán xạ ngược từ thẻ có thể thay đổi tùy theo trở kháng anten thẻ khác nhau

1.2 Thẻ RFID

Thẻ RFID về cơ bản là một bộ phận thu và phát tín hiệu vô tuyến Thẻ bảo gồm hai phần, anten và chip (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, thực thi chuỗi lệnh và trao đổi thông tin với đầu đọc Anten thẻ hoạt động ở tần số cộng hưởng xác định

Vì vậy, khi đầu đọc truyền tín hiệu RF với tần số xác định, thẻ sẽ nhận tín hiệu

và cung cấp cho chip Sau khi nhận đủ điện áp chip sẽ truyền lại tín hiệu ở cùng tần số đến đầu đọc Mục đích của việc phối hợp trở kháng với tải của nó là để đảm bảo rằng công suất tối đa được truyền từ anten sang chip Phối hợp trở kháng giữa anten và chip có thể đạt được bằng cách thay đổi kích thước của anten hoặc bằng cách bớt các phần tử thụ động

1.3 Các tham số của thẻ RFID

1.3.1.Băng thông

Băng thông của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu như trở kháng đầu vào, hệ số tăng ích, hiệu suất bức xạ,…

Độ rộng băng thông của một anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng chó phép trên một khoảng tần số nào đó

1.3.2 Hệ số định hướng

Hệ số định hướng của anten là theo một hướng được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã ho với mật độ công suất bực xạ cũng ở khoảng cách như trên giả thiết anten bực xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong cả hai trường hợp

Trong đó, S (θ; Φ) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (θ; Φ) đã cho ở khoảng cách R, So là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng

1.3.3 Hệ số tăng ích

Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở hướng và cùng khoảng cách với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau và anten chuẩn có hiệu suất quy ước bằng 1 Hệ số tăng ích của anten được tính theo công thức sau:

Trong đó, η A là hiệu suất bức xạ của anten được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten

Hệ số tăng ích của anten thẻ là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến khoảng đọc của hệ thống RFID Anten có hệ số tăng ích càng lớn thì phạm vi phát hiện được thẻ của đầu đọc càng xa Điều này có thể được do anten có hệ số tăng ích lớn hơn sẽ nhận được từ đầu đọc năng lượng xa hơn

1.3.4 Hiệu suất bức xạ

Hiệu suất bức xạ được xác định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten và công suất mà anten nhận được:

Trong đó, Pr là công suất bức xạ tư anten và Pin là công suất mà anten nhận được Anten có hiệu suất bức xạ cao khi bức xạ phần lớn công suất nhận được Nếu hầu hết công suất đầu vào của anten được hấp thụ dưới dạng tổn thất trong anten và chỉ một phần trong số đó được truyền đi thì được cho là có hiệu suất bức xạ thấp Điều này là do công suất bị phản xạ trở lại dẫn đến phối hợp trở kháng kém hoặc công suất bị tổn hao do điện trở của phần tử bức xạ lớn

Ngoài ra, Anten thẻ RFID thường được gắn với chip có trở kháng phức vì vậy việc phối hợp trở kháng giữa anten và chip sao cho hiệu suất bức xạ đạt được tối đa luôn là vấn đề được quan tâm và thiết kế

1.3.5 Khoảng đọc anten

Dựa vào phương trình truyền Friis, khoảng đọc tối đa của hệ thống RFID được tính theo công thức sau:

R max= λ0

4 π√P t G t G tag ρ

P tag

Trong đó Rmax là khoảng đọc tối đa, Pt là công suất phát của đầu đọc, λ0 là bước sóng trong không gian tự do, Gt là độ lợi của anten đầu đọc, Gtag là độ lợi của anten thẻ, ρ là hệ số suy hao do sự khác nhau về phân cực giữa anten thẻ

và anten đầu đọc, Ptag là công suất yêu cầu tối thiểu đối với thẻ Ngoài ra, khoảng đọc của hệ thống RFID còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như hướng của thẻ và góc đọc, vị trí đặt thẻ, độ dài cáp kết nối giữa anten và đầu đọc

- Hướng của thẻ: Đặc điểm này chỉ quan trọng đối với anten có phân cực tuyến tính Nếu anten phân cực tròn, hướng của thẻ không nên quan trọng Tuy nhiên, với anten tuyến tính, ta có thể thực hiện xoay thẻ để giải quyết vấn đề này Ví

dụ, nếu thẻ được định hướng từ 9 giờ - 3 giờ trên mặt đồng hồ và đầu đọc không đọc được thẻ, ta có thể xoay thẻ sang hướng 6 giờ - 12 giờ Giải pháp này áp dụng cho trường hợp thẻ có anten lưỡng cực đơn

- Góc đọc: Để anten thẻ nhận được năng lượng nhiều nhất từ anten đầu đọc, thẻ RFID phải đối diện trực tiếp với anten

- Vị trí đặt thẻ tương đối giữa đầu đọc và thẻ là phần diện tích hiệu dụng "tiếp xúc" giữa thẻ và đầu đọc

II Bề mặt siêu vật liệu điện từ (AMC)

2.1 Khái niệm 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 tạo ra các tính chất điện từ theo ý muốn Các cấu trúc 16 "nguyên tử" được làm từ kim loại hoặc điện môi, có kích thước nhỏ hơn từ 7 đến 10 lần so với bước sóng hoạt động của siêu vật liệu Sự sắp xếp các cấu trúc vi mô có thể theo một trật tự hoặc hỗn loạn

Tính chất điện từ của mỗi loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng 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 vật lý trên, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên Thách thức trong các nghiên cứu ứng dụng siêu vật liệu là việc chế tạo vi mô các cấu trúc ba chiều Trong khi đó, siêu vật liệu phẳng có thể dễ dàng chế tạo bằng các công nghệ hiện có vì vậy nhiều nhà nghiên cứu siêu vật liệu tập trung vào các cấu trúc phẳng một lớp hoặc vài lớp có thể dễ tiếp cận hơn Các cấu trúc này được gọi là bề mặt dẫn từ nhân tạo 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

2.2 Các đặc tính của siêu vật liệu

Tính chất điện tử của mỗi loại siêu vật liệu được đặc trưng bởi 2 đại lượng vật lý là độ

từ thẩm và hằng số điện môi Nguyên lý cơ bản của siêu vật liệu là tạo ra các mạch cộng hưởng điện có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng vật lý trên, điều mà không thể làm được ở các vật liệu tự nhiên

Hiện nay, thách thức lớn nhất trong nghiên cứu ứng dụng của siêu vật liệu là chế tạo vi

mô các cấu trúc ba chiều Với vật liệu phẳng, nó có thể dễ dàng được chế tạo bằng các công nghệ hiện có Nhờ đó, nhiều nhà nghiên cứu siêu vật liệu sẽ tập trung vào các cấu trúc phẳng một lớp hoặc vài lớp, nó có thể tiếp cận dễ dàng hơn rất nhiều Tất cả các cấu trúc này được gọi là bề mặt dẫn từ nhân tạo Các bề mặt dẫn từ nhân tạo này

sẽ làm giảm hiệu ứng lan truyền bằng cách đưa ra các sự thay đổi đột ngột về tính

chất quang học Các ảnh hưởng của hiện tượng vật lý sẽ bao gồm sự phản xạ, khúc

xạ dị thường và sự chuyển đổi phân cực

2.3 Ứng dụng của siêu vật liệu đối với anten

Hiện nay, siêu vật liệu là một trong những loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong thiết kế hệ thống anten có kích thước nhỏ gọn và cấu hình thấp, bằng cách đặt AMC (vật liệu dẫn từ nhân tạo) hoặc HIS (bề mặt trở kháng cao) xung quanh các phần từ bức xạ anten Ngoài ra, siêu vật liệu còn được sử dụng như một phần cấu trúc anten hoặc bộ phận cấp liệu của hệ thống anten

Sử dụng siêu vật liệu trong thiết kế anten có thể dẫn đến việc giảm kích thước anten, cải thiện độ lợi và tăng cường băng thông Nhờ đó, hệ thống anten đa băng tần sẽ được tạo ra Ngoài ra, tùy theo từng yêu cầu kỹ thuật của anten mà các siêu vật liệu sẽ được sử dụng làm các chức năng khác nhau của anten

Chương II Anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu điện từ

1 Anten thẻ RFID

Dựa theo bài báo, chip RFID Alien H3 được sử dụng, nhưng trong mô phỏng đã

sử dụng miếng lumped port có trở kháng là 27 – j200Ω để thay thế cho con chip

Đế sử dụng Rogers RT / 5870 với độ dày 0,79 mm

Bảng kích thước của anten thẻ được sử dụng trong bài báo

Hình 1: Hình ảnh mô phỏng anten thẻ

- Kết quả mô phỏng

Hình 2: hệ số S(11) anten thẻ

Hình 3: đồ thị bức xạ (gain total)

2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu

2.1 Phần tử đơn siêu vật liệu

Khối vật liệu được hiển thị trong Hình 4 Hình 4 (a) cho biết cấu trúc của khối, theo bài báo, miếng kim loại được kết dính bằng bọt có độ dài 1,6 mm Các dải uốn khúc được

sử dụng, bởi vì các dải uốn khúc làm tăng chiều dài điện Để giảm độ tự cảm mạnh của các dải uốn khúc, bốn patch hình chữ nhật được thêm vào xung quanh, có thể nâng cao điện dung giữa các patch và dải hình chữ thập Các kích thước như sau: L = 40mm, L1 = 10mm, L2 = 6mm, L3 = 3mm, W = 1mm

(a) (b)

Hình 4: Cấu trúc của đơn vị siêu vật liệu (a) Mô phỏng (b) Kích thước

Tối ưu tham số giảm L2 từ 6mm xuống 5.78 mm Kết quả thu được sau khi chạy mô phỏng trên phần mềm HFSS

Hình 5: Đáp ứng pha

Sau khi thu được tần số cộng hưởng tại 915 MHz

Về mặt lý thuyết, siêu vật liệu bao gồm vô số đơn vị Chín phần tử được kết hợp dưới anten thẻ như Hình 6

Hình 6: Bố cục siêu vật liệu dưới anten thẻ

2.2 UHF RFID sử dụng siêu vật liệu

Từ nhưng thiết kế và mô phần của thẻ RFID và siêu vật liệu Đặt thẻ RFID lên siêu vật liệu Khoảng cách giữa dipole và siêu vật liệu là 10mm (như hình dưới)

Hình 7: mô phỏng anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật liệu

Chạy mô phỏng và thu được kết quả

Hình 7: Hệ số S(11)

Kết quả của đồ thị S(11), cho thấy tần số cộng hưởng ở 928 MHz Mặc dù có sự sai lệch 13 MHz, chúng đều nằm trong phạm vi của dài tần UHF RFID

Kết quả hệ số gain như hình dưới

Hình 8: Đồ thị bức xạ (Gain total) anten thẻ RFID UHF sử dụng bề mặt siêu vật

liệu