THIẾT KẾ ANTEN CHO THẺ RFID UHF (868MHz)

Trường đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện Tử Viễn Thông

Báo cáo tốt nghiệp

THIẾT KẾ ANTEN
CHO THẺ RFID UHF (868MHz)
SVTH:

HDKH:

TS Lê Hữu Phúc

CN Nguyễn Thanh Việt

1


Nội Dung

Tổng Quan
Hệ Thống RFID

Phân tích yêu cầu thiết kế
Thiết kế mô phỏng anten

Kết luận hướng phát triển của đề tài

2

1.1 Các hệ thống nhận dạng tự động
Bar code

Voice

Biometric

Optical

Finger print
Automatic
Identification
system

…

RFID

Smart Card

Hình 2: Các phương thức nhận dạng tự động
3


1.2 RFID (Radio Frequency Identification)

Hình 1: Hệ thống RFID
● Thế giới: phát triển rất mạnh, doanh thu 2650 triệu USD (2005); ứng dụng
trong logistic, kho hàng, thư viện, thu phí,..
● Việt Nam: nhiều dự án lớn như hệ thống xe điện ngầm ở TP. HCM, vận tải

hành khách công cộng ở Đà Nẵng, thu phí xa lộ Hà Nội (TP.HCM) …
4


1.3 Ưu điểm của RFID
Bảng 1. Ưu điểm của RFID

5


1.4 Tần số hoạt động của RFID
Bảng 2: Tần số hoạt động RFID
Tên

Dãy tần số

Dãy bước
sóng

Các tần số
ISM

Tầm đọc cho thẻ
thụ động

Tần số thấp
(LF)

30 – 300 kHz

10 km – 1 km

< 135 kHz

< 50 cm

6,78 MHz
8,11 MHz
13,56 MHz
27,12 MHz

Tần số cao
(HF)

3 – 30 MHz

100 m – 10 m

Siêu cao tần
(UHF)

300 MHz –
3 GHz

1 m – 10 cm

433 MHz
869 MHz
915 MHz

Microwave

3 GHz –
300 GHz

30 cm – 1 mm

2,44 GHz
5,80 GHz

6

<3m

<9m
> 10 m


1.5 Qui định tần số, công suất
Bảng 3: Các qui định ở UHF và microwave
Khu vực

Dãy tần số

Công suất hiện có

Châu Âu a

869,4 – 869,65 MHz

0,5 W ERP

Châu Âu a

2,400 GHz – 2,4835 GHz

0,5 W EIRP trong nhà/ngoài trời

Châu Âu a

2,400 GHz – 2,4835 GHz

4 W EIRP trong nhà

Châu Âu b

865,5 – 867,6 MHz

2 W ERP

Châu Mỹ c

902 – 928 MHz

4 W EIRP

Châu Mỹ c

2,400 GHz – 2,4835 GHz

4 W EIRP

Nơi khác d

860 – 930 MHz

-

Nơi khác d

2,400 GHz – 2,4835 GHz

-

a => Các qui định CEPT/ETSI hiện hành: CEPT REC 70-03 Phụ lục 1, ETSI EN 330 220-1
b => Đề nghị cho các qui định CEPT/EITS tương lai
c => Các qui định FCC, Phần 15 Mục 247
d => Trong nhiều quốc gia khác, các qui định có thể áp dụng tương tự FCC hoặc CEPT/ETSI
7


2.1 Hệ Thống RFID
• Trong hệ thống RFID có các thành phần chính: thẻ, đầu
đọc và middleware.

Hình 3. Kiến trúc hệ thống RFID

8

2.2.1 Thẻ RFID

Hình 4: Các thành phần thẻ

Hình 5: Sơ đồ chip

9


2.2.2 Phân lọai thẻ RFID
● Thẻ thụ động: không có nguồn điện riêng

● Thẻ bán thụ động: có nguồn điện riêng nhưng không kích khởi giao tiếp

● Thẻ tích cực: có nguồn điện riêng và có thể khởi kích giao tiếp

10


2.2.3 Phối hợp trở kháng
•
•

Phối hợp trở kháng nhằm tối ưu hóa
công suất hoạt động của chip.
Phối hợp trở kháng tốt độ lợi lớn,
return loss bé, tầm đọc của thẻ sẽ
tăng lên…


•

Pchip
Pant

2

1   

4 RA RT
( RA  RT ) 2  ( X A  X T ) 2

Công thức phía trên thể hiện
sự phối hợp trở kháng với
công suất công suất hoạt động
của chip.

Hình 8. Phối hợp trở kháng
11


2.3 READER (Đầu Đọc)
•
•

Nó là một bộ thu phát (transceiver) nhưng bởi vì chức năng chủ yếu của nó là “đọc
thẻ” nên được gọi là “Reader”.
Reader đóng vai trò là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống phần cứng RFID.
Nó điều khiển quá trình thiết lập kết nối, cung cấp năng lượng cho thẻ hoạt động,
chứng thực cho thẻ…

Hình 9. Đầu đọc và sơ
đồ nguyên lý
12


2.4 Middleware
•

•
•

RFID system software: tổng hợp các chức năng cần thiết để hệ thống RFID có thể hoạt 
động với 1 thẻ và một reader. Bao gồm: Read & write, anti collition, Error 
detection/Correction, Encrytion, Authorization and Authentication…
RFID Middleware: Các phần mềm này hoạt động như cầu nối giúp kết nối giữa RFID 
system software và Host application.
Host application: hệ thống máy chủ nhận và xử lý tín hiệu từ RFID system software và 
RFID middleware truyền về nhằm phục vụ cho khả năng quản lý, kiểm soát hệ thống.

Hình 10. Middleware
13


2.5 Kỹ thuật ghép nối thẻ và đầu đọc
● Hệ thống ghép nối gần ( ≤ 1 cm): ghép nối từ trường và điện trường.
● Hệ thống ghép nối xa (≤ 1 m): ghép nối (từ) điện cảm.
● Hệ thống tầm đọc xa (> 1m): tán xạ ngược hoặc sóng âm bề mặt.

Hình 11 (b): Kỹ thuật tán xạ ngược sử

dụng transistor như một switch
Hình 11 (a): Kỹ thuật tán xạ ngược (backscatter)
14


2.5 Kỹ thuật ghép nối thẻ và đầu đọc (tt)

Hình 6: Truyền tin thẻ và đầu
đọc (thụ động)
15


2.6 Tầm đọc
Công thức Friss


r
4

Pt Gt Gr
Pth

λ : bước sóng,
Pt : công suất phát của đầu đọc
Gt : độ lợi của anten đầu đọc
Gr : độ lợi của anten thẻ thu
Pth: ngưỡng công suất tối thiểu chip
τ : hệ số phát công suất



4 Rc Ra
Zc  Za

2

Với Zc = Rc + jXc là trở kháng chip
và Za = Ra + jXa là trở kháng anten

16


3.1 Quy trình thiết kế
Phân tích yêu cầu thiết kế

Chọn vật liệu, chip

Chọn hình dạng anten

Mô phỏng thiết kế, tối ưu
các đặc tính

Thành phẩm
Hình 14. Quy trình thiết kế
17


3.2 Phân tích yêu cầu thiết kế
• Tần số họat động: 868 MHz (tần số họat động RFID tại Việt Nam).
• Tầm đọc: tối thiểu 2,2 m với công suất phát của đầu đọc ERP 2W.

• Kích thước: dạng chữ nhật, chiều rộng Wmax ≤ 35 mm và chiều dài
Lmax ≤ 70 mm.
• Anten không cần linh kiện ngoài để phối hợp trở kháng; thiết kế
trên chip có sẵn trên thị trường; dùng vật liệu nền thông dụng
• Giá rẻ và độ tin cậy cao, chịu được điều kiện môi trường, lực khi
gia công, kết nối

18


3.3 Vật liệu nền, chip
• Vật liệu: anten làm bằng những đường dẫn bằng đồng, có độ dày 0,035 mm trên
vật liệu fr4 (có εr = 4,4; δ = 0,02).
• Chip: Alien Higgs-3 có trở kháng Z = 30 - j211 (Ω)
Tham số

Min

Tiêu
biểu

Max

Nhiệt độ họat động

- 50

+ 85

Tần số họat động

860

960

Đơn vị
C

0

MHz

Độ nhạy khi đọc

- 18

dBm

Điện trở song song ngõ vào
tương đương

1500

Ohm

Điện dung song song ngõ vào
tương đương

0,85

pF

10000
0

Chu kỳ

Số chu kỳ lập trình ở 25 0C

19

Higgs™-3
EPC Class 1 Gen 2
RFID Tag IC


3.4 Kiểu anten

Anten

Kiểu bức xạ

Băng thông %

Trở kháng Ω

Dipole λ/2

Omnidirectional

10-15

73

Dipole λ

Omnidirectional

10-15

200

Fold Dipole

Omnidirectional

15-20

300

Patch

Directional

2-3

30-100

Hình 12: Các kiểu anten dipole
20

3.4 Kiểu anten (tt)

Hình 13: Dạng anten

•

Các đường nằm ngang chủ yếu kiểm sóat điện trở bức
xạ, các đường thẳng đứng kế cận trữ năng lượng điện và
tổn hao, tòan bộ chiều dài đường dẫn ảnh hưởng đến điện
cảm.
21


4.1 Thực hiện anten
•

Sau khi tham khảo các dạng anten dipole đề tài quyết định thực
hiện anten dipole với các đường gấp khúc như đã giới thiệu.

•

Thực hiện anten với các yếu tố phân tích ở trên nhằm tối ưu hóa
khả năng hoạt động của thẻ, nâng cao tầm đọc cho thẻ.

Hình 15. Thiết kế 1, 2, 3
22

4.2.1 Thiết kế 1

Hình 16. Thiết kế 1

a

b

wt

l

w

5.5

21.5

0.7

70

32

23


4.2.2 Ảnh hưởng của tham số a

Hình 17: Ảnh hưởng của

tham số a lên điện trở,
điện cảm và độ lợi anten

24


4.2.3 Ảnh hưởng của tham số b

Hình 18: Ảnh hưởng của
tham số b lên điện trở,
điện cảm và độ lợi anten

25