Thiết kế mô phỏng và chế tạo ăng-ten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz

- LÊ CÔNG CƯỜNG ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHOÁ 2009/2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- LÊ CÔNG CƯỜNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz Chuyên ngành: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN Hà Nội – Năm 2012 Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN Khái niệm về ăng-ten Hệ phương trình Maxwell Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Các thông số cơ bản của ăng-ten Trở kháng vào của ăng-ten Hiệu suất của ăng-ten Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Tính phân cực của ăng-ten Dải tần của ăng-ten Hệ số sóng đứng (VSWR Vùng bức xạ của ăng-ten Các hệ thống ăng-ten CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13.56MHz..17 2.1 Ăng-ten cho ứng dụng đầu đọc RFID 13.56 MHz Lựa chọn kiểu ăng-ten Tính chất của ăng-ten dạng vòng Lựa chọn IC Reader Tiêu chí lựa chọn IC RFID Reader Cấu trúc của IC MFRC Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- 2.2.3 Cấu trúc của đầu đọc RFID Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ Tag Thiết kế ăng-ten Kích thước của ăng-ten Thiết kế ăng-ten mạch in Tính toán, mô phỏng các thông số của ăng-ten Tính toán băng thông cho ăng-ten Thiết kế mạch lọc cho ăng-ten Thiết kế mạch phối hợp trở kháng Kết quả mô phỏng Thiết kế phần cứng Ăng-ten CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz Thiết kế đầu đọc RFID 13,56 MHz Thiết kế phần mềm Thiết kế phần mềm cho Vi điều khiển Thiết kế phần mềm quản lý trên máy tính CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết quả đặt được Bàn luận KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- Học viên Lê Công Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hệ thống ăng-ten thu và phát Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực Hình 1.3: Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc Hình 1.4: Phân vùng bức xạ của ăng-ten Hình 2.1: Kiểu ăng-ten mạch in cho đầu đọc RFID 13.56 MHz Hình 2.2: Ăng-ten dạng vòng bé trong tọa độ cầu Hình 2.3: Phân bố điện trường của ăng-ten dạng vòng bé Hình 2.4: Sơ đồ mạch tương đương Hình 2.5: MFRC Hình 2.6: Cấu trúc của IC MFRC Hình 2.7: Cấu trúc của mạch RFID Reader Hình 2.8: Quá trình giao tiếp giữa mạch Reader và thẻ Tag Hình 2.9: Quá trình truyền năng lượng Hình 2.10: Tác động của của 1 phần tử dòng điện Hình 2.11: Tác động của dây dẫn hình tròn Hình ASK – ISO14443A Hình 2.13: Bit ‘1.
- Miller Hình 2.14: Bit ‘0.
- Miller Hình 2.15: Bit ‘0.
- 1 Miller Hình 2.16: Quá trình truyền dư liệu từ thẻ Tag đến mạch RFID Reader Hình 2.17: Quan hệ giữa chiều dài ăng-ten và khoảng cách giao tiếp Hình 2.18: Ăng-ten của mạch RFID Reader Hình 2.19: Các lớp ăng-ten mạch in Hình 2.20: Mô hình tương đương của Ăng-ten Hình 2.21: Ăng-ten trên phần mềm Sonet Suite (2D và 3D Hình 2.22: Đặt thông số các lớp điện môi Hình 2.23: Đặt thông số vật liệu làm ăng-ten Hình 2.24: Mô phỏng tính toán thông số ,,aa aRLC Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường.
- Hình 2.25: Các thông số của nguồn phát Hình 2.26: Giá trị của aL Hình 2.27: Giá trị của aR Hình 2.28: Giá trị của aC Hình 2.29: Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và băng thông của ăng-ten Hình 2.30: ISO14443A Hình 2.31: Giá trị sR Hình 2.32: Mạch lọc thông thấp Hình 2.33: Mạch lọc cho khối phát Hình 2.34: Mạch lọc cho khối phát và thu của ăng-ten Hình 2.35: Mạch phối hợp trở kháng Hình 2.36: Mạch tính toán giá trị phối hợp trở kháng Hình 2.37: Sơ đồ tương đương của 2Z Hình 2.38: Sơ đồ mạch tương đương của ăng-ten Hình 2.39: Sơ đồ mô phỏng ăng-ten Hình 2.40: Kết quả mô phỏng của ăng-ten Hình 3.1: Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz Hình 3.2: Cấu trúc đầu đọc RFID 13,56 MHz Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của đầu đọc RFID 13,56 MHz Hình 3.3: Sơ đồ sắp xếp linh kiện Hình 3.4: Sơ đồ mạch in Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán của đầu đọc RFID 13,56 MHz Hình 3.6: Giao diện phần mềm quản lý Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài • Cơ sở khoa học: RFID là kỹ thuật nhận dạng, quản lý đối tượng bằng sóng vô tuyến.
- Đối với hệ thống này thì ăng-ten đóng vai trò hết sức quan trọng, không chỉ trong việc thu phát thông tin mà còn trong việc thu phát năng lượng.
- Lịch sử nghiên cứu Việc nghiên cứu thiết kế ăng-ten cho hệ thống RFID được tiến hành từ trước Cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II cho đến nay và ngày càng phát triển với nhiều kiểu ăng-ten mới, vật liệu mới, công nghệ mới, tần số cao.
- Đối với Việt Nam, do còn hạn chế về cơ sở vật chất nên chưa thể nghiên cứu chế tạo ăng-ten RFID ở tần số cao (GHz) mà mới dừng lại ở ăng-ten RFID tần số MHz.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Mục đích nghiên cứu: Nắm vững cơ sở lý thuyết về thiết kế ăng-ten và phương pháp phân tích, mô phỏng, chế tạo ăng-ten RFID 13,56 MHz, đồng Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 2 thời tiến đến làm chủ công nghệ thiết kế toàn bộ hệ thống ứng dụng RFID 13,56 MHz bao gồm ăng-ten, đầu đọc và phần mềm ứng dụng.
- Các kiểu ăng-ten trong giải tần HF (3 ÷ 30 MHz) phù hợp với ứng dụng RFID 13,56 MHz.
- Các vi mạch tích hợp kết nối ăng-ten có chức năng cấu thành nên đầu đọc RFID 13,56 MHz.
- Nắm vững phương pháp phân tích, thiết kế, mô phỏng ăng-ten RFID tần số 13,56 MHz.
- Chế tạo thành công ăng-ten dạng mạch in cho đầu đọc RFID 13,56 MHz.
- Chế tạo thành công đầu đọc RFID 13,56 MHz bao gồm cả thiết kế phần cứng và phần mềm.
- Phương pháp nghiên cứu • Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế ăng-ten, phân tích ứng dụng RFID để lựa chọn kiểu ăng-ten phù hợp.
- Bước 2: Thiết kế ăng-ten bằng phần mềm chuyên dụng, mô phỏng và tính toán các thông số của ăng-ten.
- Bước 3: Chế tạo và hiệu chỉnh ăng-ten.
- Bước 4: Xây dựng đầu đọc RFID 13,56 MHz và phần mềm ứng dụng để kiểm chứng lại hoạt động của ăng-ten.
- Cấu trúc của luận văn Tác giả chia luận văn gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1: Cơ sở lý thuyết ăng-ten Chương 2: Thiết kế ăng-ten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 3 Chương 3: Thiết kế hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz Chương 4: Kết quả và bàn luận Kết luận Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 4 Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Ăng-ten phát Thiết bị xử lý Máy thu Hệ thống cảm thụ bứcxạHệ thống gia công tín hiệuĂng-ten CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN 1.1 Khái niệm về ăng-ten Ăng-ten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài.
- Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v..cũng đòi hỏi ăng-ten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
- Trong trường hợp tổng quát, ăng-ten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử ăng-ten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp ăng-ten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp ăng-ten thu).
- [1] Hình 1.1 Hệ thống ăng-ten thu và phát [1] Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 5 1.2 Hệ phương trình Maxwell Lý thuyết ăng-ten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học: các phương trình Maxwell.
- 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
- Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch.
- Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công).
- Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1] 1.4 Các thông số cơ bản của ăng-ten Trong thực tế kỹ thuật một ăng-ten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [2.
- Đồ thị phương hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực - Dải tần của ăng-ten.
- 1.4.1 Trở kháng vào của ăng-ten Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 8 Trở kháng vào của ăng-ten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào ăng-ten và dòng điện IA trong ăng-ten.
- (1.5) Trở kháng vào của ăng-ten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của ăng-ten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần ăng-ten.
- Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào ăng-ten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào ăng-ten IAe AeAAIPR = (1.6) Thành phần kháng của trở kháng vào của ăng-ten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo ăng-ten (đối với ăng-ten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
- Hầu hết các ăng-ten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến ăng-ten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của ăng-ten.
- 1.4.2 Hiệu suất của ăng-ten Ăng-ten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất.
- Hiệu suất của ăng-ten Aη chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào ăng-ten Pvào hay PA AbxAPP=η (1.7) Hiệu suất của ăng-ten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong ăng-ten.
- Đối với ăng-ten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó Aη < 1.
- Gọi công suất tổn hao là Pth Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 9 thbxAPPP.
- (1.8) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: ()thbxAeAAeARRIRIP +==22.
- (1.9) Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành: thbxbxthbxbxARRRPPP+=+=η Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Như đã biết ăng-ten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các ăng-ten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi).
- Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của ăng-ten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với ăng-ten lý tưởng (hoặc ăng-ten chuẩn) Ăng-ten lý tưởng là ăng-ten có hiệu suất Aη = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng.
- Ăng-ten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
- Hệ số định hướng của ăng-ten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ ăng-ten có hướng tính sang ăng-ten vô hướng (ăng-ten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó EEPPDbxbxϕθϕθϕθ== (1.11) Trong đó.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 10 - Pbx (11,ϕθ) và Pbx (0) là công suất bức xạ của ăng-ten có hướng tính ứng với hướng (11,ϕθ) và công suất bức xạ của ăng-ten vô hướng tại cùng điểm xét.
- Hệ số tăng ích của ăng-ten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống ăng-ten khi chuyển từ một ăng-ten có hướng sang một ăng-ten vô hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ).
- ),(),(ϕθηϕθDGA= (1.12) Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho ăng-ten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của ăng-ten.
- Nếu ta biết tăng ích của ăng-ten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theo công thức sau: AAbxGPP.
- Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten Mọi ăng-ten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó ăng-ten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó ăng-ten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ.
- Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của ăng-ten.
- Hướng tính của ăng-ten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của ăng-ten.
- Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 11 bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của điểm xem xét.
- Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [3] Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [3] Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá.
- Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các ăng-ten khác nhau.
- Trong không gian, đồ thị phương hướng Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 12 của ăng-ten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ϕ) và mặt phẳng đứng góc (θ).
- Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau.
- Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ.
- Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất.
- 1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và ăng-ten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Ký hiệu là EIRP TTGPEIRP = (W) Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào ăng-ten và GT là hệ số tăng ích của hệ thống ăng-ten có hướng tính Hệ số tăng ích GT của ăng-ten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho ăng-ten vào búp sóng hẹp của ăng-ten.
- Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất đuợc bức xạ với ăng-ten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT = 1.
- Nếu như ăng-ten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.
- 1.4.6 Tính phân cực của ăng-ten Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector HErv,có biên độ và pha biến đổi.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Công Cường 13 Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip.
- Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng ăng-ten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang.
- Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng ăng-ten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng.
- 1.4.7 Dải tần của ăng-ten Dải tần của ăng-ten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của ăng-ten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép.
- Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của ăng-ten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%.
- Các tần số trong dải tần của ăng-ten thường gọi là tần số công tác

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt