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

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 RFIDcó kích thước nhỏgọn, cấu trúc đơn giản,

MHz (916–932 MHz)với độđịnh hướng 5.8 dB và 7.0 dB tương ứng với

tần số 845 MHz và 925 MHz Khoảng đọc tối đa của anten chếtạo 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 vềanten dệt RFID cũng như nghiên

cứu vềcác cấu trúc AMC nhằm tăng độlinh hoạt, giảm nhỏkích thước,

tăng độ định hướng và khoảng cách đọc của anten mà không làm suy

giảm nhiều các thông sốkhác 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

RFIDcó kích thước nhỏgọn, cấu trúc đơn giản, dễchếtạo,

chi phí thấp.Bên cạnh đó, luận án cũng đềxuất giải pháp thiết kếcấu

trúc anten đềxuất có dạng khác biệt với các cấu trúc anten lưỡng

cực thông thường, ứng dụng cho các thẻRFID dạng dệt có hình dạng

đặc biệt

- Đềxuất cấu trúc anten sửdụng bềmặt dẫn từnhân tạodành cho thẻ

thụđộng RFID UHF cấu trúc thấp, độđịnh hướng cao, khoảng cách

đọc lớn và chi phí thấp.Bên cạnh đó, luận án cũng đềxuất cấu trúc

AMC giảm nhỏkích thước của bềmặt dẫn từnhân tạoứng dụng cho

việc thiết kếanten thẻRFID cần khoảng cách đọc lớn

Hướng phát triển của luận án

Hướng phát triển tiếp theo của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu thiết kếanten phân cực tròn sửdụng bềmặt dẫn từnhân

tạodành cho thẻthụđộng RFID UHF

- Nghiên cứu thiết kếanten sửdụng bềmặt dẫn từnhân tạodành cho

đầu đọc RFID UHF

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

suy hao phản xạ , tăng hiệu suất , băng thông, hệ số tăng ích, độđịnh

hướng

- 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

- Kỹthuật tăng độđịnh hướng của anten bằng cách sửdụng bềmặt phản

xạđòi hỏi anten có độ dày tối thiểu bằng ¼ bước sóng dẫn đến kích

thước của anten lớn

- Các anten thẻRFID sửdụng bềmặt dẫn từnhân tạođã 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, đềxuất cấu trúc anten dệt dạng uốn gấp khúcsửdụng đế

vải dành cho thẻthụđộng RFID

- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten sử dụng bề mặt dẫn từ nhân tạo

dành cho thẻthụđộng RFID UHF có cấu trúc thấp, độđịnh hướng cao

và khoảng cách đọc lớn

Đối tượng nghiên cứu:

- Anten dệt dành cho thẻthụđộng RFID dạng uốn gấp khúc

- Anten sửdụng bề mặt dẫn từ nhân tạo dành cho thẻ thụđộng RFID

UHF

Phạm vi nghiên cứu

- Anten dệt sửdụng đế vải, anten sửdụng bề mặt dẫn từnhân tạo dành

cho thẻthụđộng 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 từlý thuyết đến thực nghiệm

Đầu tiên luận án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình sau đó tính toán

mô phỏng,chếtạo mẫu và đo lường, đánh giá

4 Ý nghĩa khoa học của đềtài

Về lý luận:

0 2 4 6 8

Tần số (MHz)

Tính toán

IN

ETSI

FCC

KR2

AU/ SRRC NZ

Thực nghiệm

Hình 3.38 Kết quả tính toán và đo đạc thực nghiệm khoảng đọc tối đa của anten thẻ

Hình 3.36 Mẫu anten chế

tạo

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,

εr=4,5, h=1,63mm

140mm × 80mm

× 50mm

6,46 [97] FR-4, εr=4,4,

h=3,2mm

210mm × 210mm

× 6,4mm

5,13 [98] FR-4, εr=4,4,

h=1,6mm

160mm × 80mm

× 15mm

4,53 Anten

đề xuất

FR-4, εr=4,4, h=0,8mm

190mm × 190mm

× 15, 8mm

6,75

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

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

của anten đề xuất với bề mặt dẫn từ

nhân tạo có kích thước khác nhau

Hình 3.33 Hệ số phản xạ của của anten đề xuất với bề mặt dẫn từ nhân tạo có kích thước khác nhau

- Các kết quảnghiên 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, dễdàng chếtạo

- Các kết quảnghiên cứucủa luận án đã đưa ra được các công bốcó giá trịkhoa học, góp phần tạo ra các sản phẩm thương mại trong tương lai

Về thực tiễn:

Các cấu trúc anten thẻsửdụng nguyên lý vật liệu tiên tiến đềxuất có thể hoạt động trong hệthống nhận dạng sóng vô tuyến RFID

5 Những đóng góp chính của luận án

Những đóng góp khoa học của luận án bao gồm:

- Đềxuất cấu trúc anten dệt sửdụng đếvải dành cho thẻthụđộng RFID dạng uốn gấp khúccó kích thước nhỏgọn, cấu trúc đơn giản, dễchếtạo

- Đềxuất cấu trúc anten sửdụng bềmặt dẫn từnhân tạodành cho thẻthụ 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 vềcông nghệ RFID, cấu trúc và các tham sốchính của anten thẻ RFID Các kỹthuật phối hợp trởkháng giữa anten và chipcũng như một

sốkỹthuật để cải thiện hệsốtăng ích và độđịnh 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 kếanten thẻ RFID UHF có cấu trúc mềm dẻo Anten bao gồm một lưỡng cực nhỏgọn 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 đềxuấtgiải pháp sửdụng bềmặt dẫn từnhân tạotrong việc thiết kếanten thẻRFID UHFhai băng tầncó cấu hìnhthấp, độđịnh 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 vàcác kỹ thuật phối hợp trở kháng giữa anten và chip Một trong những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và khảnăng hoạt động của anten thẻRFID là vật liệu đếđiện môi được sử dụng đểchếtạo anten được phân tích cụ thể Bên cạnh đó, một số giải pháp nhằm giảm nhỏkích thước, cải thiện hệsốtăng ích và

độđịnh hướng của anten RFID cũng được phân tích chi tiết

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

tính

Hình 1.1 Hệ thống RFID

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

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

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

kháng chữ T

Luận án khảo sát

trở kháng vào của

anten khi thay đổi

tham số kích thước

Lm, Wm các tham số

khác giữ nguyên Hình 3.26 Cấu trúc hình học của lưỡng cực

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

anten lưỡng cực đơn và anten kết

hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo

Hình 3.33 Hệ số phản xạ của anten lưỡng cực đơn và anten kết hợp bề mặt dẫn từ nhân tạo

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

- Gỗ

- Gốm 1.4.2 Vật liệu tiên tiến

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 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

tích qua các hiện tượng vật lý như sự phản xạ, khúc xạ dị thường, sự

chuyển đổi phân cực

RFID

Có nhiều phương pháp khác nhau đã được các nhà nghiên cứu sử

dụng để cải thiện hệ sốtăng ích và độ định hướng của antennhư mảng

nhiều anten, thay đổi vật liệu đếđiện môi…, trong phạm vi luận án này sẽ

giới thiệu một sốkỹthuật phù hợp với thiết kếthẻRFID

- Phương pháp sửdụng bềmặt phản xạ

- Phương pháp sửdụng tấm patch ký sinh

- Phương pháp sửdụng cấu trúc chắn dải điện từ

- Phương pháp sửdụng cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo

Chương 1 đã trình bày tổng quan vềcông nghệ RFID, các kỹthuật chế

tạo anten và các vật liệu được sửdụng làm đếđiện môi Các tham số và

các kỹthuật cải thiện hệsốtăng ích và độđịnh hướng của anten thẻRFID

cũng đã được giới thiệu chi tiết Đây là cơ sở lý thuyết cho các nghiên

cứu được đềxuất trong các chương sau của luận án

Trong chương này, các kỹthuật chếtạo anten có thể tích hợp được sẽ

được trình bày Tiếp đó, giải pháp sửdụng kỹthuật dệt và đếđiện môi

bằng vải được phân tích và và áp dụng trong việc thiết kếanten thẻ

RFID UHF có cấu trúc hình học dạng uốn gấp khúc Anten hoạt động ở

tần số2.45 GHzbao gồm một thành phần phát xạvà một lớp điện môi

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 giữ nguyên Hình 3.19 Pha phản xạ của cấu trúc phần tử 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

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

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

-

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

Đầu tiên cần xác định các yêu cầu vềđặc tính hoạt động của anten Bước tiếp theo tiến hành lựa chọn vật liệu chếtạo và mô hình thiết kế anten Sau đó thực hiện tính toán các tham sốkích thước của anten Bước tiếp theo cần mô phỏng mô hình thiếtkếvà tối ưu các tham sốkích thước của anten Bước cuối cùng là chếtạo và đo đạc thực nghiệm

xuất

Khi thiết kếanten, các vật liệu của các thành phần bức xạvà đếđiện môi của anten được chọn để phù hợp với các ứng dụng cụ thể Đối với các anten thẻđeo RFID, vật liệu dùng đểchếtạo đếanten cần có độmềm dẻo và độbền cao Vật liệu dẫn điện yêu cầu điện trởthấp và ổn định để giảm thiểu tổn thất.Trong nghiên cứu này, Kevlar được chọn làm đếcó

hệsốđiện môi εr=3,58, hệsốsuy hao tanδ=0,019 và độdày h=0.254mm Dây đồng có đường kính d = 0,4 mm được lựa chọn để chếtạo phần tử bức xạ

Anten được thiết kế dựa trên mô hình anten lưỡng cực vi dải Các tham sốkích 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 độrộng W và chiều dài tổng cộng L Độrộng của anten được tính theo công thức sau:

=0,05 =6( )

Từđó tính được hệsốđiện môi hiệu dụng:

− 1 2

⎝

1 +12ℎ⎠

⎞ = 3,34

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:

Độ dài tăng thêm của đường vi dải:

Δ = 0,412 ℎ + 0,3 ℎ + 0,264

− 0,258 ℎ + 0,8

= 0,12( )

Chiều dài thực L của đường vi dải:

2.6.3 Cấu trúc anten đề xuất

Cấu trúc hình học

của anten đề xuất

được mô tả trong

hình 2.7 Anten bao

gồm một thành phần

phát xạ và một lớp

điện môi Anten hoạt

động ở tần số 2.45

GHz

l 4 2,05 l 5 1,5 l 6 3,55

l 14,35 d 0,4 Bảng 2.2 Bảng các tham số kích thước của anten

dệt đề xuất (mm)

Thành phần bức xạđược thiết kếdưới dạng uốn gấp khúcviết tắt của tên

trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) sửdụng vật liệu sợi đồng

Các chữcái của logo được kết nối với nhau và được sắp xếp sao cho hai

nhánh có độ dài anten gần bằng nhau

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

Hình 3.17 Pha phản xạ của cấu trúc phần tử AMC một khe

-180 -120 -60 0 60 120 180

Tần số (MHz)

Hình 3.15 Pha phản xạ của cấu 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

trường tối đa được hiển thị trong hình 3.16(c) và được đánh dấu bằng phần

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 cho thấy pha phản xạ bằng 0° ở tần số 930

Hình 3.16 Cấu trúc phần tử AMC một khe: (a) Hình chiếu đứng, (b) Hình chiếu bằng, (c) Vùng điện trường giữa hai phần tử

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

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

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 2.9 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten dệt đề xuất

2.6.5 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

với đế điện môi có độ dày khác

nhau

Hình 2.13 Hệ số tăng ích của anten với đế điện môi có độ dày khác

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

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

-30 -25 -20 -15 -5 0 5

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270 300 330

-30 -25 -15 -10 -5 0 5

(dB

ic )

-30 -25 -20 -15 -5 0 5

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270 300 330

-30 -25 -15 -10 -5 0 5

(dBic)

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