BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
PHAN ĐĂNG HUÂN
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG RFID
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM THÀNH CÔNG
HÀ NỘI – 2014
1
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................5
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG RFID..................................................................................................8
1. Giới thiệu về hệ thống RFID
...............................................................................................8
2. Lịch sử phát triển của hệ thống RFID
................................................................................8
3. Phân loại hệ thống RFID
...................................................................................................12
3.1. RFID trường gần
..............................................................................................................13
3.2. RFID trường xa
................................................................................................................13
3. Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID
.....................................................................14
3.1 Thẻ (tag)
.............................................................................................................................15
3.1.1 Dung lượng ........................................................................................................16
3.1.2. Tần số hoạt động ...............................................................................................16
3.1.3. Khoảng đọc của tần số ......................................................................................18
3.1.4. Phân loại thẻ......................................................................................................19
3.1.4.1. Thẻ thụ động ..................................................................................................19
3.1.4.2. Thẻ tích cực....................................................................................................23
3.1.4.3. Thẻ bán tích cực.............................................................................................25
3.2. Đầu đọc
.............................................................................................................................29
3.2.1. Giới thiệu chung................................................................................................29
3.2.2. Thành phần vật lý và thành phần logic của đầu đọc.........................................30
3.2.2.1. Thành phần vật lý...........................................................................................30
3.2.2.2. Thành phần logic............................................................................................32
3.2.3. Phân loại............................................................................................................33
II. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống RFID.................................................................35
1. Ưu điểm của hệ thống RFID
.............................................................................................35
2. Nhược điểm
.........................................................................................................................36
3. Một số ứng dụng của RFID
...............................................................................................36
3.1. Quản lý nhân sự và chấm công
........................................................................................36
3.2. Quản lý bệnh nhân trong bệnh viện
..............................................................................37
3.3. Quản lý sản phẩm, hàng hóa
..........................................................................................37
CHƯƠNG 2. ANTEN DÙNG TRONG HỆ THỐNG RFID....................................................39
I. Nh%ng thông số&khi thi't k'&anten cho hệ&thống RFID...........................................................40
1. Đường Radio ............................................................................................................................40
2. EIRP và ERP ............................................................................................................................43
3. Độ tăng ích của anten thẻ.........................................................................................................43
4. Hệ số phối hợp phân cực..........................................................................................................44
5. Hệ số truyền công suất.............................................................................................................44
6. RCS của anten ..........................................................................................................................47
7. Bức xạ của anten.......................................................................................................................47
8. Các công thức RCS đối với ch' độ anten................................................................................48
2
II. Phân tích anten vi )ải )*ng cho hệ&thống RFID ....................................................................49
1. +,m hiểu về&anten vi )ải...............................................................................................................
2. -.c /0&thuật cấp ngu1n cho anten vi )ải.................................................................................50
2.1. Cấp ngu1n b2ng đường truyền vi )ải
............................................................................51
2.2. Cấp ngu1n b2ng probe đ1ng trục
...................................................................................51
2.3. Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
....................................52
2.4. Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
.................................53
3. Băng thông của anten vi dải (MSA)........................................................................................54
4. Nguyên lý bức xạ của anten vi dải...........................................................................................55
4.1 Trường bức xạ của anten vi dải
.......................................................................................57
4.2 Một số công thức
..............................................................................................................58
4.2.1. Trường bức xạ
...............................................................................................................58
4.2.2. Công suất bức xạ
..........................................................................................................59
4.2.3. Công suất tiêu tán
.........................................................................................................60
4.2.4. Năng lượng tích lũy
.....................................................................................................60
4.2.5. Trở kháng vào
...............................................................................................................60
4.2.6. Sự phân cực về sóng
....................................................................................................61
5. Các mô hình phân tích anten vi dải .........................................................................................62
5.1. Mô hình đường truyền (Transmission line)
.................................................................63
5.1.1. Hiệu ứng viền (Fringing Effects)
...............................................................................63
5.1.2. Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng
........................64
5.1.3. Điện dẫn
.........................................................................................................................65
5.1.4. Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng
........................................................................67
5.2. Mô hình hốc cộng hưởng
................................................................................................69
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM..............................72
I. Thi't k'
.................................................................................................................................72
1. Mục đích
..............................................................................................................................72
2. Yêu cầu
.................................................................................................................................73
3. Tính toán
..............................................................................................................................74
II. K't quả mô phỏng
..............................................................................................................78
1. Các thông số đạt được
........................................................................................................78
2. Tăng độ rộng băng thông
...................................................................................................83
KẾT LUẬN
..............................................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO
......................................................................................................93
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Phan Đăng Huân
Sinh ngày: 21 -12 -1988
Chuyên ngành: K0 thuật truyền thông
Mã số học viên: CB120693
Khóa: 2012 -2013
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu vi't ra. Tất cả các tài liệu tham khảo
tôi đã ghi đầy đủ trong luận văn này. Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật về lời cam
đoan này.
4
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power
ERP: Effective Radiated Power
FR-4: Flame Resistant 4
HF: High Frequency
HFSS: High Frequency Structure Simulator
ISM: Industrial Scientific and Medical radio band
LF: Low Frequency
MWF: Microwave Frequency
RCS: Radar Cross Section
RFID: Radio Frequency Identification
UHF: Ultra High Frequency
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Các mốc thời gian phát triển RFID
Hình 2. Nh%ng cột mốc quan trọng phát triển hệ thống RFID từ 1960-1990
Hình 3. Nh%ng mốc quan trọng từ 1990 đ'n nay
Hình 4. Một số thẻ RFID thông dụng
Hình 5. Khoảng tần số RFID
Hình 6. Các thông số liên quan đ'n hệ thống RFID trường xa và trường gần
Hình 7. Hoạt động của thẻ thụ động
Hình 8. Các thành phần của thẻ thụ động
Hình 9. Một số thẻ thụ động
Hình 10. Một số thẻ EAS
Hình 11. Thủ tục master-slaver gi%a ứng dụng, đầu đọc và thẻ
Hình 12. Một số loại đầu đọc cố định
Hình 13. Các loại đầu đọc cầm tay
Hình 14. Các phương pháp xử lý d% liệu
Hình 15. Nguyên lý hoạt động của đầu đọc và thẻ trong hệ thống RFID thụ động trường
xa
Hình 16. Cơ ch' hoạt động truyền năng lượng và thông tin của hệ thống RFID
Hình 17. Công suất truyền trong thẻ RFID và mạch tương đương
Hình 18. Quan hệ gi%a hệ số truyền công suất và tổn hao ngược
>,nh 19. Anten vi )ải
>,nh 20. Cấp ngu1n cho đường truyền vi )ải
>,nh 21. Cấp ngu1n b2ng probe đ1ng trục
>,nh 22. Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
>,nh 23. Cấp ngu1n dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
Hình 24. Phân bố điện tích và dòng điện trong anten vi dải hình ch% nhật
Hình 25. H2ng số điện môi hiệu dụng
Hình 26. Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng của patch
6
Hình 27. Patch ch% nhật và mạch tương đương
Hình 28. Biểu diễn trở kháng vào
Hình 29. Phân bố điện tích và dòng điện
Hình 30. Thẻ quét thông minh sử dụng công nghệ RFID
Hình 31. Hình dạng anten thẻ thi't k'
Hình 32. Hình dạng anten thẻ thi't k' trong HFSS phối hợp trở kháng b2ng đường 100
Ohm về 50 Ohm.
Hình 33. Hình dạng anten thẻ thi't k' trong HFSS phối hợp trở kháng b2ng đường 50
Ohm.
Hình 34. Thông số S
11
của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm về 50
Ohm.
Hình 35. Đ1 thị Smith của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm về 50
Ohm.
Hình 36. Đ1 thị tỉ số sóng đứng của khi phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm về 50
Ohm.
Hình 37. Đ1 thị bức xạ 3D của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 100 Ohm về 50
Ohm.
Hình 38. Sự phân bố điện từ trường của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 100
Ohm về 50 Ohm.
Hình 39. Thông số S
11
của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm.
Hình 40. Đ1 thị Smith của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm.
Hình 41. Đ1 thị tỉ số sóng đứng của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm.
Hình 42. Bức xạ 3D của anten khi phối hợp trở kháng b2ng đường 50 Ohm.
Hình 43. Hình dạng của anten trong HFSS sau khi thay đổi kích thước.
Hình 44. Thông số S
11
của anten sau khi thay đổi kích thước.
Hình 45. Đ1 thị Smith của anten sau khi thay đổi kích thước.
Hình 46. Bức xạ 3D của anten sau khi thay đổi kích thước.
Hình 47. Sự phân bố E và H ở mặt phẳng phi =0 và 90 độ.
7
Hình 48. Tỉ số sóng đứng của anten sau khi thay đổi kích thước.
Hình 49. Mặt trước của anten.
Hình 50. Mặt sau của anten.
Hình 51. Anten gắn cáp nối vào thi't bị đo.
Hình 52. Thông số S
11
sau khi đo được.
Hình 53. Đ1 thị Smith trên màn hình ZVL.
Hình 54. Đ1 thị so sánh thông số S
11
của anten trong mô phỏng và đo thực nghiệm.
8
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG RFID
1. Giới thiệu về hệ thống RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ cho phép một thi't bị
đọc thông tin chứa trong chip không ti'p xúc trực ti'p ở khoảng cách xa, không thực hiện
bất kỳ giao ti'p vật lý nào hoặc gi%a hai vật không nhìn thấy nhau. Công nghệ này cho ta
phương pháp truyền, nhận d% liệu từ một điểm đ'n điểm khác.
K0 thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuy'n để truyền
d% liệu từ các thẻ (tag) đ'n các đầu đọc (reader). Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào
đối tượng được nhận dạng (bao g1m cả con người). Đầu đọc scan d% liệu của thẻ và gửi
thông tin đ'n cơ sở d% liệu có lưu tr% d% liệu của thẻ.
Công nghệ RFID cho phép nhận bi't đối tượng thông qua thu phát sóng giúp cho con
người có thể giám sát quản lý dễ dàng hơn, ít mắc lỗi, tốn ít thời gian và giảm thiểu nhân
lực quản lý. Ví dụ các công ty chỉ việc sử dụng máy tính để quản lý các sản phẩm của
mình từ xa nhờ việc gắn thẻ lên sản phẩm nhờ đó họ có thể bi't các thông tin về chúng
(số lượng, ngu1n gốc, đặc điểm, hạn sử dụng...) không phải kiểm kho, không sợ giao
nhầm hàng... Hoặc khi đi siêu thị thay vì phải x'p hàng chờ tính tiền (b2ng phương pháp
code bar hay còn gọi là mã vạch ) thì chỉ cần đẩy xe hàng qua cổng giám sát, thi't bị tự
động sẽ nhận dạng món hàng, các nhân viên không cần phải lướt mã vạch của sản phẩm
qua đầu đọc n%a... Đó chỉ là một vài ví dụ trong số rất nhiều ứng dụng của RFID.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm việc như
sau. Đầu đọc truyền một tín hiệu tần số vô tuy'n điện tử qua anten của nó đ'n một con
chip. Đầu đọc nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đ'n máy tính điều khiển đầu đọc và
xử lý thông tin lấy được từ chip. Các chip không ti'p xúc, không tích điện, chúng hoạt
động b2ng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi đầu đọc.
2. Lịch sử phát triển của hệ thống RFID
Năm 1897, Guglielmo Marconi phát hiện sóng vô tuy'n làm nền tảng cho sự phát triển
của RFID.
Lịch sử RFID đánh dấu từ nh%ng năm 1930 nhưng công nghệ RFID có ngu1n từ năm