Nghiên cứu công nghệ thiết kế anten UHF RFID

0 Lời nói đầu

Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến RFID (Radio Frequency Identity, RFID) đã có lịch sử lâu đời. Nó có thể bắt nguồn từ hệ thống nhận dạng máy bay được sử dụng bởi máy bay của Không quân Anh trong Thế chiến thứ hai. Gần đây, công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến RFID đã được sử dụng rộng rãi trong quản lý vật phẩm, định vị phương tiện và định vị nhân sự dưới lòng đất. Công nghệ này là công nghệ nhận dạng tự động không tiếp xúc, sử dụng tín hiệu tần số vô tuyến để đạt được việc truyền thông tin không tiếp xúc thông qua khớp nối không gian (từ trường xen kẽ hoặc trường điện từ) và đạt được mục đích nhận dạng tự động thông qua thông tin được truyền.

1 Tổng quan về công nghệ tần số vô tuyến RFID

1.1 Thành phần cơ bản của hệ thống nhận dạng không dây RFID

Hệ thống nhận dạng không dây RFID chủ yếu bao gồm Thẻ điện tử RFID, đầu đọc RFID, ăng-ten và hệ thống quản lý máy tính chủ. Thông tin giữa thẻ điện tử RFID và đầu đọc RFID được truyền không dây nên giữa chúng có các mô-đun thu phát không dây và ăng-ten (cuộn dây cảm ứng). Sơ đồ hiệu ứng được thể hiện trong Hình 1.

Nghiên cứu công nghệ thiết kế anten UHF RFID

(1) Thẻ điện tử RFID (Tag): Thẻ điện tử RFID là vật mang dữ liệu của hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến. Bao gồm các phần tử ghép nối và chip, mỗi thẻ điện tử RFID có một mã điện tử EPC (Mã sản phẩm điện tử) duy nhất, được gắn vào đối tượng để xác định đối tượng mục tiêu. So với mã vạch truyền thống, mã EPC không chỉ có thể phản ánh một loại sản phẩm nhất định mà còn dành riêng cho một sản phẩm nhất định.

(2) Đầu đọc RFID (Reader): Đầu đọc là thiết bị có khả năng đọc hoặc ghi thông tin thẻ điện tử. Chức năng cơ bản của nó là truyền dữ liệu bằng thẻ. Nó có thể được thiết kế như một đầu đọc cầm tay hoặc một đầu đọc cố định.

(3) Antenna (Antenna): truyền tín hiệu tần số vô tuyến giữa thẻ và đầu đọc.

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID

Sau khi thẻ điện tử RFID đi vào từ trường do đầu đọc RFID phát ra, nó sẽ nhận tín hiệu tần số vô tuyến do đầu đọc gửi và gửi thông tin sản phẩm (Thẻ thụ động, thẻ thụ động hoặc thẻ thụ động) được lưu trữ trong chip nhờ vào năng lượng thu được bởi dòng điện cảm ứng hoặc Thẻ chủ động gửi tín hiệu có tần số nhất định (Thẻ hoạt động, thẻ hoạt động hoặc thẻ hoạt động) và bộ giải mã đọc và giải mã thông tin, sau đó gửi đến hệ thống thông tin trung tâm để lấy dữ liệu liên quan xử lý. Sơ đồ nguyên lý của quá trình nhận dạng tần số vô tuyến được thể hiện trong Hình 2.

2 Chỉ số hiệu suất ăng-ten Thẻ RFID

Không khó để nhận thấy qua quá trình nhận dạng của hệ thống RFID, ăng-ten đóng vai trò quan trọng là cầu nối để đầu đọc RFID truyền tín hiệu tần số vô tuyến giữa thẻ điện tử RFID và đầu đọc RFID trong quá trình cảm nhận thẻ điện tử RFID. nhãn. Ăng-ten đầu đọc RFID, Hiệu suất của ăng-ten thẻ điện tử RFID có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống nhận dạng. Do thẻ điện tử RFID được gắn vào đối tượng được đánh dấu nên ăng-ten thẻ điện tử RFID sẽ bị ảnh hưởng bởi hình dạng và đặc điểm vật lý của đối tượng được đánh dấu. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm chất liệu của đối tượng được đánh dấu, môi trường làm việc của đối tượng được đánh dấu, v.v. Ngoài ra, trong thiết bị tần số vô tuyến RFID, khi tần số hoạt động tăng đến vùng vi sóng, vấn đề khớp giữa ăng-ten và thiết bị điện tử RFID sẽ xảy ra. chip thẻ trở nên nghiêm trọng hơn. Những yếu tố này đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với việc thiết kế ăng-ten thẻ điện tử RFID nhưng cũng mang lại những thách thức lớn.

Ăng-ten là thiết bị nhận hoặc phát ra năng lượng của tín hiệu tần số vô tuyến đầu cuối dưới dạng sóng điện từ. Nó là một thiết bị ở giao diện giữa mạch và không gian và được sử dụng để thực hiện sự chuyển đổi năng lượng giữa sóng dẫn hướng và sóng không gian tự do. Các hệ thống tần số vô tuyến không dây RFID hiện nay chủ yếu tập trung ở các dải tần số thấp, tần số cao, tần số siêu cao và tần số vi sóng. Nguyên tắc và thiết kế của ăng-ten hệ thống RFID ở các dải tần hoạt động khác nhau về cơ bản là khác nhau:

(1) Đặc điểm định hướng

Bức xạ anten có tính định hướng. Đường cong liên hệ giữa biên độ và hướng của bức xạTrường n được gọi là sơ đồ hướng, thực chất là đường cong quan hệ của cường độ trường tại một điểm theo bất kỳ hướng nào của trường xa theo cùng một hướng. Sơ đồ hướng thường đề cập đến sơ đồ hướng chuẩn hóa, nghĩa là đường cong mối quan hệ theo cùng hướng với tỷ lệ cường độ trường tại một điểm theo bất kỳ hướng nào của trường xa với trường tối đa ở cùng một khoảng cách.

(2) Hệ số định hướng

Hệ số định hướng là một tham số dùng để biểu thị mức độ mà ăng-ten bức xạ sóng điện từ theo một hướng nhất định. Hệ số định hướng của bất kỳ ăng ten định hướng nào đề cập đến tỷ lệ giữa tổng công suất bức xạ của ăng ten không định hướng với tổng công suất bức xạ của ăng ten định hướng trong điều kiện cường độ điện trường bằng nhau tại điểm thu. Theo định nghĩa này, do cường độ bức xạ của anten định hướng thay đổi theo mọi hướng nên hệ số định hướng của anten cũng thay đổi theo vị trí của điểm quan sát. Ở hướng có điện trường bức xạ lớn nhất thì hệ số định hướng cũng lớn nhất. Nói chung, hệ số định hướng của anten định hướng là hệ số định hướng của hướng bức xạ cực đại, nghĩa là ở một khoảng cách nhất định so với anten, mật độ thông lượng công suất bức xạ Smax của anten theo hướng bức xạ cực đại giống như mật độ thông lượng công suất bức xạ Smax của anten theo hướng bức xạ cực đại. của một anten không định hướng lý tưởng có cùng công suất bức xạ. Tỷ số giữa mật độ thông lượng công suất bức xạ So ở cùng một khoảng cách được ký hiệu là D.

(3) Hiệu suất anten

Hiệu suất của ăng-ten là chỉ số dùng để đo lường hiệu quả của ăng-ten trong việc chuyển đổi năng lượng. Hiệu suất của ăng-ten đều nhỏ hơn 1, nghĩa là một phần công suất đầu vào của ăng-ten được chuyển thành công suất bức xạ và một phần bị mất điện. Hiệu suất của anten được định nghĩa là tỷ số giữa công suất bức xạ của anten trên công suất đầu vào, ký hiệu là ηA.

(4) Độ lợi anten

Hệ số ăng-ten chỉ phản ánh mức độ tập trung nhất của năng lượng bức xạ ăng-ten và mức tăng ăng-ten không chỉ phản ánh khả năng bức xạ của ăng-ten mà còn xem xét hệ số tổn thất của ăng-ten. Trong điều kiện có cùng công suất đầu vào, tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ S(θ, φ) của anten định hướng theo một hướng nhất định (θ, φ) trong không gian với mật độ công suất bức xạ So của anten nguồn điểm không suy hao trong hướng này được gọi là Độ lợi của anten, ký hiệu là G(θ, φ).

Hệ số khuếch đại là một tham số đo lường toàn diện các đặc tính chuyển đổi năng lượng và định hướng của đường dây lớn. Nó là tích của hệ số định hướng và hiệu suất anten, được ký hiệu là G, cụ thể là:

G=D·ηA

Đối với các hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến RFID và UHF, độ lợi của ăng-ten bị hạn chế do diện tích nhỏ của ăng-ten thẻ điện tử RFID. Mức tăng ích phụ thuộc vào kiểu bức xạ của anten.

(5) Đặc tính trở kháng

Trở kháng đầu vào của anten có thể được biểu thị bằng tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm cấp nguồn của anten, thường là hàm của tần số. Trở kháng của ăng-ten RFID phải được thiết kế ở mức 50 Ω hoặc 70 Ω để đạt được trở kháng phù hợp với bộ cấp nguồn thông thường. Ăng-ten RFID tương đương với tải đầu cuối của đầu đọc và đầu ra của thẻ điện tử và trở kháng đầu vào Zin được định nghĩa là tỷ lệ giữa điện áp đầu vào của ăng-ten và dòng điện đầu vào Io.

Công suất bức xạ P∑ của ăng-ten RFID tương đương với tổn thất trên trở kháng tương đương. Trở kháng tương đương này được gọi là trở kháng bức xạ Z∑,

3. Kết luận

Với việc liên tục làm rõ các yêu cầu ứng dụng của công nghệ tần số vô tuyến không dây RFID và lĩnh vực ứng dụng không ngừng mở rộng, việc thiết kế và nghiên cứu ăng-ten như một thành phần chính của hệ thống RFID đã trở nên rất cấp bách và cấp bách. Công nghệ ăng-ten là một trong những công nghệ chủ chốt của hệ thống RFID, nó có ý nghĩa lý thuyết và giá trị thực tiễn đối với sự trưởng thành và ứng dụng rộng rãi của công nghệ RFID.