CHƯƠNG 1 ANTEN RFID 1.1 Công nghệ RFID RFID là một công nghệ nhận dạng không dây bằng sóng vô tuyến (Radio Frequency Identification). Hệ thống RFID thiết lập liên lạc tần số vô tuyến giữa hai phần: đầu đọc và thẻ. Hệ thống 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.
Hiện nay công nghệ RFID được ứng dụng rộng rãi ở các thư viện, trong các hệ thống điều khiển truy nhập và các hệ thống hậu cần.1 minh họa một hệ thống RFID cơ bản. Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: đầu đọc, thẻ và máy tính. Thẻ bao gồm đế cùng với anten được chế tạo trên đó và chip gắn trên anten. Thẻ RFID được bảo vệ bởi một lớp nhựa nằm phía trên cùng.
Mỗi thẻ có một mã định danh riêng và duy nhất. Đầu đọc gửi và nhận thông tin từ thẻ sau đó gửi đến máy tính. Trong thực tế, các hệ thống RFID được phân thành hai loại: hệ thống RFID trường gần và hệ thống RFID trường xa.1: Hệ thống RFID 7 1.1 Hệ thống 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 điện xoay chiều trên anten của thẻ do hiện tượng cảm ứng điện từ.
Kỹ thuật điều chế 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 điện trường. Đầu đọc có thể phát hiện ra sự thay đổi rất nhỏ của 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.2 Hệ thống RFID trường xa Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID trường xa dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ của các sóng điện từ [39]. Kỹ thuật tán xạ ngược được sử dụng để truyền dữ liệu [40].
Anten lưỡng cực của đầu đọc sẽ truyền và nhận sóng. Điện trường và từ trường vuông góc với nhau và vuông góc với hướng lan truyền của sóng điện từ. Sóng điện từ, khi được cảm ứng bởi anten thẻ, tạo ra một điện áp xoay chiều trên các cực của anten. IC điều chỉnh điện áp cung cấp dòng điện một chiều (DC) cần thiết từ điện áp xoay chiều.
Tín hiệu kích hoạt IC cũng có thể mang theo thông tin mới được ghi vào bộ nhớ của IC. Thẻ điều chế tín hiệu số để truyền thông tin được lưu trữ vào IC [41]. Đầu đọc bắt được 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. Trở kháng anten có thể được thay đổi bởi các phần tử tích cực (tranzitor hoặc diode) nằm trong IC, được đặt giữa hai nhánh của anten.
Khi tranzitor hoặc diode dẫn điện, nó sẽ ngắn mạch hai nhánh của anten, theo đó trở kháng của anten sẽ thay đổi. Thông tin từ thẻ đến đầu đọc được truyền bằng phương pháp điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM) hoặc điều chế dịch pha (PM), điều chế dịch chuyển theo biên độ (ASK), điều chế dịch chuyển theo tần số (FSK) và điều chế dịch chuyển theo pha (PSK) [41]. Điều chế biên độ là biên độ của tín hiệu truyền từ thẻ đến đầu đọc thay đổi theo mã nhị phân của IC [39]. Điều chế tần số là thay đổi tần số tín hiệu theo mã nhận dạng của IC.2 Thẻ RFID Thẻ RFID về cơ bản là một bộ thu và phát tín hiệu vô tuyến.
Thẻ bao 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 anten 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.2 minh họa mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip. Công suất truyền từ anten đến tải hay chip được tính theo công thức sau: Ric Pt = 2 V2 2 ] ant (1.1) 2[(Rant + Ric ) + (X ant + X ic ) Từ phương trình trên có thể thấy rằng công suất tối đa có thể được truyền từ anten đến chip khi Ric = Rant và Xic = −Xant. Trong thực tế, trở kháng chip thường có tính dung kháng, nên trở kháng anten sẽ được thiết kế có tính cảm kháng. Rant Xant Xic V1 Ric Anten M✁ch tích h✂p Hình 1.2: Mô hình mạch điện phối hợp trở kháng giữa anten và chip 1.3 Các tham số chính của anten thẻ RFID 1.1 Trở kháng đầu vào của anten Đối với thẻ RFID thụ động, trở kháng đầu vào của anten là tham số đầu tiên cần được quan tâm khi thiết kế.
Khác với thẻ RFID tích cực, anten thẻ RFID thụ động thực hiện cả hai chức năng truyền tin và truyền năng lượng. Hiệu suất truyền năng lượng của anten được 9 Bảng 1.1: Các quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vực trên thế giới Khu vực Quy định Dải tần Băng thông Công suất tối đa Mỹ FCC 902–928 MHz 26 MHz 4W EIRP Châu Âu EIST 865–868 MHz 3 MHz 2W ERP Nhật MIC 952–954 MHz 2 MHz 4W EIRP Ấn Độ DOT 865–867 MHz 2 MHz 4W EIRP Singapore IDA 923–925 MHz 2 MHz 2W ERP quyết định bởi hai yếu tố: sự phối hợp trở kháng giữa anten - chip và sự biến đổi năng lượng thành dòng điện cung cấp cho mạch điện. Trong phạm vi luận án này, tác giả chỉ nghiên cứu sự phối hợp trở kháng giữa anten và chip.2 Băng thông Băng thông của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đầu ra 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 cho phép trên một khoảng tần số nào đó.
Phần lớn các anten trong thương mại đều sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1,5:1 [42].1 minh họa quy định về dải tần và băng thông của hệ thống RFID UHF tại một số khu vực trên thế giới [43].3 Hệ số định hướng của anten Hệ số định hướng của anten theo một hướng được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho với mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong cả hai trường hợp [42].2) S0 trong đó, S (θ, φ) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (θ, φ) đã cho ở khoảng cách R, S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng. Bằng cách sử dụng anten đẳng hướng, đầu đọc RFID có thể phát hiện được thẻ trong pham vi vài mét với công suất đầu ra 1 watt. Cấu hình này khả thi nếu các thẻ RFID được đặt 10 ở bất kỳ hướng nào đối với đầu đọc. Trong thực tế, anten của đầu đọc được đặt ở rìa và các thẻ được đặt ở vị trí trung tâm, mối quan hệ góc với anten đầu đọc được xác định khá rõ.
Vì vậy công suất được bức xạ theo các hướng khác trở nên lãng phí. Anten định hướng thường được đề xuất để hạn chế hiện tượng này. Khi đó, công suất phát bức xạ mạnh hơn theo các hướng mà thẻ có thể được tìm thấy nhiều nhất.4 Hệ số tăng ích của anten 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 cùng 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 [42]: ηA S (θ, φ) G (θ, φ) = = ηA D (θ, φ) (1.3) S0 trong đó ηA là hiệu suất bức xạ của anten được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten.4) P0 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 được là do anten có hệ số tăng ích lớn hơn sẽ nhận được từ đầu đọc năng lượng lớn hơn.5 Hiệu suất bức xạ Hiệu suất bức xạ được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten và công suất mà anten nhận được [44]: Pr η= (1.5) Pin Trong đó, Pr là công suất bức xạ từ 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.
