Đề tài nghiên cứu khoa học Xây dựng ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến

Nội dung text: Đề tài nghiên cứu khoa học Xây dựng ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI XÂY DỰNG ĂNG TEN LOGO DÙNG TRONG NHẬN DẠNG BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN Chủ nhiệm đề tài: TS. NGUYỄN TRỌNG ĐỨC Thành viên tham gia: ThS. CAO ĐỨC HẠNH ThS. NGÔ QUỐC VINH Hải Phòng, tháng 5/2016
2. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN 3 1.1. Nhận dạng tự động 3 1.1.1. Các hệ thống mã vạch 3 1.1.2. Nhận dạng chữ viết 4 1.1.3. Các hệ thống sinh trắc học 4 1.1.4. Smart cards 6 1.1.5. Hệ thống RFID 8 1.2. Hệ thống RFID 8 1.2.1. Kiến trúc hệ thống 8 1.2.2. Hoạt động 10 CHƯƠNG 2 . THIẾT KẾ ĂNG TEN 12 2.1. Ăng ten vi dải 12 2.1.1. Cấu trúc ăng ten vi dải 12 2.1.2. Phân loại và đặc tính của ăng ten vi dải 13 2.2. Ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến 14 CHƯƠNG 3 . KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 19 3.1. Chế tạo ăng ten 19 3.2. Kết quả đo thực nghiệm 19 KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 i
3. DANH SÁCH BẢNG BIỂU Số bảng Tên bảng Trang Các dải tần phổ biến được sử dụng trong Bảng 1 10 các hệ thống RFID ii
4. DANH SÁCH HÌNH ẢNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Cấu trúc của một mã EAN 3 1.2 Mã vạch 4 1.3 Kiến trúc chung của một thẻ memory card 7 1.4 Kiến trúc chung của một thẻ microprocessor 8 card 1.5 Hệ thống RFID 9 1.6 Bộ đọc RFID và thẻ smard card 9 1.7 Kiến trúc chung của một transponder 9 1.8 Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt 11 Nam 2.1 Ăng ten vi dải hình chữ nhật 12 2.2 Giao diện thiết kế 15 2.3 Ăng ten logo VMU 16 2.4 Hệ số tổn hao ngược 16 2.5 Đồ thị bức xạ (3D) của ăng ten 17 2.6 Tấm bức xạ sử dụng slot và PIN diode 17 2.7 Hệ số tổn hao ngược của ăng ten 18 3.1 Hình ảnh của ăng ten được chế tạo 19 3.2 Tần số và hệ số tổn hao của ăng ten 19 iii
5. DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Trang RFID Radio Frequency Identification 1 EAN European Article Number 3 UPC Universal Product Code 3 OCR Optical Character Recognition 4 ROM Read Only Memory 5 RAM Random Access Memory 5 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 5 EC Electronic Cash 6 LF Low Frequency 10 HF High Frequency 10 UHF Ultra High Frequency 10 SHF Super High Frequency 10 MSA Microstrip Antenna 12 iv
6. MỞ ĐẦU Tự động nhận dạng (Auto-ID) đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, các hệ thống, công ty sản xuất, nhằm cung cấp thông tin về con người, động vật, hàng hóa trong quá trình di chuyển. Khởi đầu cho cuộc cách mạng về nhận dạng phải kể đến đó là các hệ thống mã vạch, tuy nhiên các hệ thống này hiện tại đã bộc lộ nhiều hạn chế như bộ nhớ lưu trữ thấp và không thể lập trình lại được. Dạng chung của thiết bị điện tử lưu trữ dữ liệu ngày nay đó là các thẻ thông minh dựa trên một trường thông tin liên lạc (thẻ thông minh telephone, thẻ ngân hàng) và sử dụng phương pháp tiếp xúc cơ khí để đọc dữ liệu. Tuy nhiên, lưu trữ và đọc thông tin này trên thẻ thông minh là không thực tế. Phương pháp truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa thiết bị mang dữ liệu và thiết bị đọc là giải pháp tiện dụng và mềm dẻo hơn rất nhiều. Trong trường hợp lý tưởng, năng lượng cần thiết cho thiết bị lưu trữ dữ liệu hoạt động cũng được truyền từ thiết bị đọc sử dụng công nghệ không dây. Do những đặc tính đó, các hệ thống nhận dạng ID không tiếp xúc còn được gọi là RFID (Radio Frequency Identification). Số lượng các tổ chức, công ty liên quan đến phát triển và mua bán các hệ thống RFID chỉ ra rằng đây là một thị trường tiềm năng, cần được nghiên cứu một cách nghiêm túc. Trong khi tổng số lượng giá trị các hệ thống RFID giao dịch trong năm 2000 là 900 triệu USD thì trong năm 2005 đã lên tới 2.650 tỉ USD. Thị trường các hệ thống RFID do vậy phụ thuộc vào sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ không dây, bao gồm các hệ thống mobile phondes và cordless telephones. Thêm vào đó, trong những năm gần đây công nghệ nhận dạng không tiếp xúc đã phát triển thành một lĩnh vực độc lập, không còn là một ngành nhỏ phụ thuộc nữa. Nó kết hợp nhiều yếu tố thành phần từ các lĩnh vực rất khác nhau: công nghệ HF và EMC, công nghệ chất bán dẫn, mã hóa và bảo vệ dữ liệu, truyền thông, công nghệ chế tạo sản xuất và nhiều lĩnh vực liên quan khác. Trang 1
7. Như đã đề cập trong nhiều báo cáo, thành phần chủ yếu của hệ thống RFID bao gồm: thẻ RFID, đầu đọc (sensor) và ăng ten. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi thiết kế và chế tạo một ăng ten Logo (trên phù hiệu, đồng phục, ) nhằm tích hợp vào các hệ thống nhận dạng RFID. Giai đoạn I: Nhóm tác giả tập trung nghiên cứu xây dựng một ăng ten Logo (VMU) hoạt động trong dải tần từ 2.4GHz đến 5.8GHz (Wi-fi), tối ưu hóa các tham số của ăng ten và nghiên cứu các đặc tính của ăng ten thiết kế cũng như chế tạo được, trên cơ sở đó đưa ra những khuyến nghị khi tích hợp ăng ten này trên phù hiệu, đồng phục của Nhà trường. Giai đoạn II: Xây dựng hệ thống tích hợp đầu cuối cho phép nhận dạng đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID). Nội dung thuyết minh bao gồm 3 chương. Chương I - giới thiệu chung về đề tài, về công nghệ RFID và ứng dụng; chương II trình bày tổng quan về ăng ten, đặc tính của ăng ten sử dụng trong các hệ thống RFID, trên cơ sở đó ăng ten logo VMU được đề xuất. Trên cơ sở thiết kế và mô phỏng ở chương 2, kết quả thực nghiệm, những phân tích đánh giá về ăng ten VMU sẽ được thực hiện trong chương III; cuối cùng là những kết luận và hướng phát triển tiếp theo của đề tài. Nhóm tác giả Trang 2
8. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nhận dạng tự động 1.1.1. Các hệ thống mã vạch Một hệ thống mã vạch (barcode) gồm các mã nhị phân mã hóa trong một tập hợp các vạch song song. Các vạch này được sắp xếp theo một mẫu định trước và biểu diễn dữ liệu liên quan đến vật mang mã. Như vậy, mã vạch được xem như một chuỗi bao gồm các vạch có độ rộng và khoảng cách khác nhau, có thể được phân tích thành các giá trị số và chữ. Các vạch sẽ được đọc bởi đầu quét laser, sự khác nhau của các vạch thể hiện bởi tín hiệu phản xạ khác nhau của tin laser từ các vạch màu đen và khoảng cách màu trắng. Mặc dù được thiết kế vật lý giống nhau, nhưng có nhiều đặc điểm tương đối khác biệt nhau trong khoảng mười dạng mã vạch hiện đang được sử dụng. Hệ thống mã vạch phổ biến nhất là EAN (European Article Number), được thiết kế để phù hợp với ngành công nghiệp buôn bán tạp phẩm trong năm 1976. Hệ thống mã EAN bản chất là sự phát triển mở rộng của UPC (Universal Product Code) của USA, được giới thiệu vào năm 1973 tại Mỹ. Ngày nay, UPC lại trở thành một tập con của EAN, và do đó tương thích với hệ thống EAN này. Mã EAN bao gồm 13 chữ số thể hiện mã quốc gia, mã công ty, số hiệu sản phẩm và mã số kiểm tra (Hình 1.1). Country Manufacturer’s item Company identifier CD identifier number 4 0 1 2 3 4 5 0 8 1 5 0 9 FRG Company Name Chocolate Rabbit 1 Road Name 100 g 80001 Munich Hình 1.1 Cấu trúc của một mã EAN Bên cạnh mã EAN, các hệ thống mã vạch sau cũng được sử dụng tương đối phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống hàng ngày (Hình 1.2): . Mã Codabar: các ứng dụng y tế và trong các lĩnh vực yêu cầu an toàn cao. Trang 3
9. . Mã chèn 2/5: công nghiệp tự động, lưu trữ hàng hóa, vận chuyển, kho bãi và công nghiệp nặng. . Mã 39: ngành công nghiệp chế biến, dịch vụ, trường đại học và thư viện. Hình 1.2 Mã vạch 1.1.2. Nhận dạng chữ viết Hệ thống nhận dạng chữ viết (OCR) được giới thiệu và sử dựng đầu tiên trong những năm 1960. Các font chữ đặc biệt đã được phát triển cho ứng dụng này để chúng có thể được đọc cả bởi con người hay tự động bằng máy móc. Ưu điểm lớn nhất của các hệ thống OCR đó là xử lý được các thông tin với mật độ dày đặc và có khả năng đọc dữ liệu trong các trường hợp khẩn cấp (hoặc chỉ là phục vụ cho công tác kiểm tra). Ngày nay, OCR được sử dụng trong các lĩnh vực quản trị, dịch vụ và sản xuất, và cả trong ngân hàng với các thủ tục đăng ký cheques (dữ liệu cá nhân, ví dụ như tên và số tài khoản được in trên tờ cheque với định dạng OCR). Tuy nhiên, các hệ thống OCR không được sử dụng phổ biến do giá thành, chi phí cao và các đầu đọc, scan có độ phức tạp quá cao so với các hệ thống khác. 1.1.3. Các hệ thống sinh trắc học Sinh trắc học được định nghĩa là khoa học đo lường và nhận dạng đặc trưng liên quan đến các thực thể sống. Trong trường hợp của các hệ thống nhận dạng, sinh trắc học là thuật ngữ chung chỉ tất cả các phương pháp nhận diện người bằng cách so sánh các đặc tính vật lý cá nhân và đặc trưng cho từng người. Trang 4
10. Trong thực tế, có các phương pháp nhận dạng vân tay, giọng nói và ít phổ biến hơn là nhận dạng võng mạc. Nhận dạng tiếng nói Gần đây, một số hệ thống đặc biệt đã được đưa vảo sử dụng có thể nhận dạng người dùng bằng phương pháp phân tích giọng nói. Trong những hệ thống này, người dùng sẽ nói vào một micro-phone liên kết với máy tính. Các thiết bị chuyển đổi tín hiện âm thanh thành các dữ liệu số, sau đó được phân tích và nhận dạng bởi chương trình phần mềm. Mục đích của việc phân tích, kiểm tra âm thanh thu được là để xác thực định danh người dùng dựa trên giọng nói của người đó. Điều này được thực hiện bằng cách so sánh các đặc tính âm thanh của người nói với các mẫu tham chiếu đã lưu trong chương trình. Nếu chúng tương tự nhau thì một hành động phản ứng lại sẽ được khởi động. Nhận dạng vân tay Khoa học về tội phạm đã sử dụng phương pháp nhận dạng vân tay để nhận dạng người phạm tội từ đầu thế kỷ 20. Quá trình này dựa vào sự so sánh những dấu hiệu của da thịt trên các đầu ngón tay, là những dấu vết không chỉ có thể lấy được ở trên chính các đầu ngón tay này mà còn trên những đồ vật mà người nào đó chạm vào. Khi sử dụng phương pháp vân tay để nhận dạng người, thông thường là trong các thủ tục đăng nhập, đóng mở cửa thì các ngón tay được đặt trên một thiết bị đọc đặc biệt. Hệ thống sẽ tính toán các bản ghi dữ liệu từ mô hình nó đọc được và so sánh với cơ sở dữ liệu đang có. Một hệ thống nhận dạng vân tay hiện đại cần chưa đến 1/2 giây để nhận dạng và kiểm tra một mẫu vân tay. Để tránh các lỗi xảy ra, các hệ thống vân tay còn được thiết kế để có thể xác định rằng ngón tay đặt trên đầu đọc là của một người đang còn sống. Trang 5
11. 1.1.4. Smart cards Một thiết bị smart card là một hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử, có thể có thêm thành phần xử lý (microprocessor card), được tích hợp vào một thẻ nhựa có kích thước của một thẻ tín dụng (credit card). Thẻ smart card đầu tiên được thiết kế dưới dạng một thẻ điện thoại trả trước vào năm 1984. Các thẻ smart card được đưa vào thiết bị đọc, qua đó tạo ra một kết nối đến bề mặt của thẻ sử dụng các công nghệ tiếp xúc khác nhau. Thẻ smard card được nạp năng lượng và nhận các xung đồng hồ từ thiết bị đọc qua bề mặt tiếp xúc. Dữ liệu truyền giữa thiết bị đọc và thẻ sử dụng giao tiếp nối tiếp hai chiều (I/O port). Một trong những ưu điểm chính của thẻ smard card là trong thực tế, dữ liệu chứa bên trong thẻ có thể được bảo vệ khỏi những truy nhập và thao tác không mong muốn. Các thẻ smard cards giúp cho các dịch vụ liên quan đến thông tin hoặc các giao dịch tài chính đơn giản, an toàn và giảm chi phí đáng kể. Vì lý do này, 200 triệu thẻ smard card đã được phát hành riêng trang năm 1992. Trong năm 1995, con số này tăng lên là 600 triệu, trong đó có 500 triệu thẻ memory card và 100 triệu thẻ microprocessor card. Thị trường thẻ smard card do đó là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành công nghiệp vi điện tử. Nhược điểm của các thẻ smart card sử dụng công nghệ tiếp xúc đó là có thể bị hỏng bề mặt tiếp xúc do quần áo, ăn mòn và bụi bẩn. Các thiết bị đọc sử dụng thường xuyên phải được bảo dưỡng với giá thành cao nhằm tránh việc nhận dạng sai. Ngoài ra, các đầu đọc với các thiết bị công cộng (như hộp điện thoại công cộng) có thể không được bảo vệ trước những hành động phá hoại. Thẻ Memory cards Trong các thẻ memory card, thông thường một chip EEPROM được sử dụng với công nghệ truy nhập tuần tự (Hình 1.3). Người dùng có thể tích hợp các thuật toán bảo mật, như mã hóa luồng để nâng cao mức độ an toàn. Chức năng của thẻ memory card thường được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt, và do đó giới hạn khả năng mềm deo của hệ thống. Tuy nhiên, một ưu điểm Trang 6
12. đó là giá thành của thẻ memory card rất rẻ. Vì lý do đó, các thẻ memory card được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng, hệ thống mà giá thành là yếu tố quan trọng hay cả trong các hệ thống sử dụng số lượng lớn các thẻ. Hình 1.3 Kiến trúc chung của một thẻ memory card Thẻ Microprocessor cards Giống như tên của mình, các thẻ microprocessor card chứa một vi xử lý được kết nối đến các bộ nhớ phân đoạn (ROM, RAM hoặc EEPROM). Các thẻ microprocessor card có độ linh hoạt cao. Trong các hệ thống thẻ thông minh hiện đại ta có thể tích hợp nhiều ứng dụng khác nhau trên một thẻ đơn (đa ứng ụng). Các thành phần mã lệnh liên quan đến những ứng dụng cụ thể sẽ chưa được tải lên bộ nhớ EEPROM trong quá trình khi sản xuất, những phần này có thể được xử lý qua hệ điều hành. Các thẻ microprocessor card được sử dụng chính trong các hệ thống yêu cầu độ bảo mật cao. Ví dụ các hệ thống cho dịch vụ điện thoại GSM và các hệ thống ví điện tử EC (electronic cash). Khả năng lập trình cho các thẻ microprocessor cũng giúp cho chúng dễ dàng được ứng dụng trong các dịch vụ và hệ thống mới. Trang 7
13. Hình 1.4 Kiến trúc chung của một thẻ microprocessor card 1.1.5. Giới thiệu RFID Hệ thống nhận dạng dùng sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency IDentification) có nhiều điểm tương tự như các thẻ thông minh smard card - dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị thu phát tín hiệu. Tuy nhiên, không giống như smard card, năng lượng nạp cho các thiết bị mang dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc được thực hiện không sử dụng cơ chế tiếp xúc từ (dùng các trường có từ tính). Công nghệ nhận dạng của RFID được phát triển dựa trên lĩnh vực truyền dẫn radio và công nghệ radar. Do rất nhiều lợi ích, ưu điểm của các hệ thống RFID mang lại so với các hệ thống nhận dạng khác, RFID đang trở thành thế lực mới chiếm lĩnh thị trường. Một ví dụ đó là việc sử dụng của các thẻ thông minh không tiếp xúc như là vé thanh toán chi phí cầu đường của các phương tiện khi tham gia giao thông. 1.2. Hệ thống RFID 1.2.1. Kiến trúc hệ thống Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính (Hình 1.7): . Thiết bị thu và phát tín hiệu (transponder): được gắn vào đối tượng cần nhận dạng. . Thiết bị đọc (reader): phụ thuộc vào từng thiết kế và công nghệ sử dụng, có thể là thiết bị chỉ đọc hoặc đọc/ghi Trang 8
14. Hình 1.5 Hệ thống RFID Hình 1.6 minh họa một hệ thống RFID trong thực tế. Thiết bị đọc bao gồm một modul truyền và nhận sóng radio, một đơn vị điều khiển và một thành phần kết nối đến thành phần transponder. Ngoài ra, rất nhiều bộ đọc hỗ trợ các chuẩn giao tiếp khác nhau như RS232, RS485, để có thể giúp hệ thống truyền dữ liệu nhận được đến các hệ thống khác như PC, hệ thống điều khiển robot, Hình 1.6 Bộ đọc RFID và thẻ smard card Thiết bị transponder, hay là thành phần mang dữ liệu thực sự của hệ thống RFID, thông thường bao gồm thành phần kết nối đến thiết bị đọc (ăng ten) và một microchip (Hình 1.7). Hình 1.7 Kiến trúc chung của một transponder Trang 9
15. 1.2.2. Hoạt động Khi transponder là thiết bị thông thường, không ở trong vùng hoạt động của thiết bị đọc reader thì nó ở chế độ thụ động hoàn toàn. Transponder chỉ được kích hoạt khi nó đi vào vùng phủ sóng của reader. Năng lượng để transponder hoạt động được truyền nhờ đơn vị liên kết coupling sử dụng công nghệ không tiếp xúc. Đơn vị liên kết này cũng được dùng để chuyển xung thời gian và dữ liệu. Tần số hoạt động của transponder: tần số mà các ăng ten trên transponder dùng để thu phát tín hiệu. Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID: LF, HF, UHF và SHF (Bảng 1). Tên Khoảng tần số Khoảng cách đọc LF (Low Frequency) 30-300 KHz 50 cm HF (High Frequency) 3-30 MHz 300 cm UHF (Ultra High Frequency) 300-3000 MHz 900 cm SHF (Super High Frequency) 3-30 GHz 1000 cm Bảng 1. Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID Khoảng cách đọc được của các transponder phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tần số làm việc, công suất đầu đọc, can nhiễu, Trang 10
16. Trong khuôn khổ của đề tài, do thiết bị transponder là thụ động (chỉ được kích hoạt khi người dùng mặc đồng phục và đeo thẻ của Nhà trường) nên các ăng ten được thiết kế là các ăng ten thụ động, hoạt động trong dải tần UHF, SHF. Ăng ten có hình dạng là Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam như hình 1.8. Hình 1.8 Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Trang 11
17. CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ĂNG TEN 1.3. Ăng ten vi dải Khái niệm về ăng ten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 năm sau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế. Những anten vi dải thực tế đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson. Từ sau đó các nghiên cứu và phát triển mở rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của chúng như là kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp .v.v, đã làm đa dạng hóa các ứng dụng của chúng. 1.3.1. Cấu trúc ăng ten vi dải Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi. Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L. Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi). Hình 2.1 mô tả một ăng ten vi dải có tấm bức xạ hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường vi dải. Hình 2.1. Ăng ten vi dải hình chữ nhật Trang 12
18. Đối với ăng ten vi dải hình chữ nhât, các kích thước tấm bức xạ của ăng ten được xác định theo công thức cơ bản: 2 푊 = 0 √ 2.1 2 휀 +1 8 Với 0=3*10 m/s, 휀 =4.7 Với W/h>1 ε ε −1 h −1/2 ε = r+1 + r [1 + 12 ] 2.2 reff 2 2 W Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền: 푊 (휀 +0.3)( +0.264) ∆L ℎ = 0.412 푊 2.3 ℎ (휀 −0.258)( +0.8) ℎ Chiều dài của tấm bức xạ L: 퐿 = 0 − 2∆퐿 2.4 2 √휀 푒 Có nhiều loại chất nền có thể được sử dụng cho thiết kế ăng ten vi dải và hằng số điện môi của chúng thường trong dải 2.2≤ ξ ≤12. Với việc sử dụng chất nền dày, hằng số điện môi thấp sẽ cho ăng ten có đặc tính tốt với hiệu suất bức xạ tốt, băng thông rộng, tuy nhiên sẽ làm tăng kích thước của ăng ten. Với việc sử dụng chất nền có hằng số điện môi cao hơn sẽ làm giảm kích thước của ăng ten, tuy nhiên ăng ten sẽ có suy hao lớn, hiệu suất bức xạ và băng thông nhỏ. 1.3.2. Phân loại và đặc tính của ăng ten vi dải Các ăng ten vi dải được phân loại theo hình dạng và vị trí đặt các tấm bức xạ vi dải, có thể được quy về 4 dạng chính: - Ăng ten vi dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): tấm bức xạ của ăng ten có thể có nhiều hình dạng khác nhau. - Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), các tấm bức xạ được đặt đối xứng ở cả 2 phía (mặt) của tấm điện môi. Trang 13
19. - Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): các khe hẹp được tích hợp trên bề mặt tấm bức xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dòng điện. - Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) tấm bức xạ là các dải có dạng sóng, xoáy trôn ốc Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với các ăng ten vi sóng truyền thống như: kích thước nhỏ và nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá thành rẻ do dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in; dễ dàng tích hợp với những mạch tích hợp vi dải khác trên cùng một tấm điện môi; tính linh động cao: sự thay đổi về hình dạng của tấm bức xạ, kích thước, chất liệu điện môi cho phép thay đổi các đặc tính đặc trưng của ăng ten như tần số cộng hưởng, sự phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông ; khả năng tạo ra phân cực tuyến tính và phân cực tròn một cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng của ăng ten và các đường tiếp điện và mạng phối hơp trở kháng có thể chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten. Tuy nhiên anten vi dải cũng có những mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất bức xạ thấp; công suất nhỏ; chỉ bức xạ trong một nửa không gian trên mặt phẳng đất; khó có thể đạt được sự phân cực thuần và sự bức xạ do các mối nối và tiếp điện. 1.4. Ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến Sự xuất hiện của hệ thống dệt thông minh được xem là nền tảng cho các hệ thống mạng không dây cơ thể WBAN (Wireless Body Area Network). Trong WBAN các thiết bị được kích hoạt, tương tác và trao đổi thông tin nhờ tính dẫn điện của cơ thể con người. Như tất cả các hệ thống không dây khác, ăng ten đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống này. Các ăng ten được tích hợp vào hệ thống thông qua đồng phục của con người, khi đó chúng thường được thiết kế là loại ăng ten vi dải có hình Logo. Trang 14
20. Để thiết kế thiết bị đầu cuối cho hệ thống, ăng ten được thiết kế là ăng ten vi dải hoạt động trong dải tần từ 2.4GHz-5GHz (WiFi, WiMAX, Bluetooth, ), bao gồm: - Tấm phát xạ: được thiết kế theo logo của trường Đại học Hàng hải Việt Nam, sử dụng tấm dẫn điện PEC (Perfect Electrical Conductor), kích thước khởi tạo 40x40x0.03mm3 - Lớp điện môi: sử dụng chất điện môi FR4 với ε=4.7, chiều dày h=0.8mm - Tấm bức xạ: sử dụng tấm dẫn điện PEC, kích thước khởi tạo 40x40x0.03mm3 - 02 ngắn mạch có đường kính 0.5mm Hình 2.2 chỉ ra ảnh 3D của ăng ten được mô phỏng trên phần mềm CST Microwave Studio version 2014. Hình dạng ăng ten (logo) và Hệ số tổn hao ngược S11 của ăng ten được chỉ ra trong hình 2.3 và 2.4. Hình 2.2 Giao diện thiết kế Trang 15
21. Hình 2.3 Ăng ten logo VMU: a) Top view, b) Back view Hình 2.4 Hệ số tổn hao ngược S11 Ăng ten cho tần số thứ nhất hội tụ tại 2.4GHZ, băng thông 342MHz. Hình 2.5 chỉ ra đồ thị bức xạ (3D) của ăng ten đạt được. Độ lợi của ăng ten tại tần số 2.4GHz đạt được là 2. Trang 16
22. Hình 2.5 Đồ thị bức xạ (3D) của ăng ten Để ăng ten tái cấu hình về tần số, nhóm tác giả sử dụng một khe nhỏ (slot) trên bề mặt tấm bức xạ, đặt 01 PIN diode tại vị trí tâm của slot. Sự đóng/ngắt của PIN nhằm thay đổi phân bố dòng điện trên bề mặt của tấm (Hình 2.6). Khi đó ăng ten hội tụ tại 02 tần số: 2.4GHz và 3.0GHz (Hình 2.7). Hình 2.6 Tấm bức xạ sử dụng slot và PIN diode Trang 17
23. Hình 2.7 Hệ số tổn hao ngược S11 của ăng ten khi sử dụng slot Trang 18
24. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 1.5. Chế tạo ăng ten Ăng ten được in trên tấm nền là chất điện môi FR4 có ε=4.7, chiều dày h=0.8mm. Kích thước của tấm bức xạ ăng ten là 40x40mm; khoảng cách giữa tấm bức xạ và mặt phẳng nối đất là 0.8mm; các ngắn mạch có đường kính 0.5mm. Hình 3.1 chỉ ra hình ảnh của ăng ten được chế tạo. Hình 3.1. Hình ảnh của ăng ten được chế tạo 1.6. Kết quả đo thực nghiệm Tần số và hệ số tổn hao của ăng ten đo được được chỉ ra trong hình 3.2. Hình 3.2 Tần số và hệ số tổn hao của ăng ten Trang 19
25. Tần số của ăng ten đo được (Mese) có sự sai khác đôi chút so với kết quả mô phỏng, các sai số này có thể được giải thích do độ chính xác khi chế tạo, do ảnh hưởng bức xạ của các thiết bị tích hợp trên hệ thống. Tuy nhiên ăng ten vẫn hội tụ tại tần số 2.4GHz với băng thông 400MHz. Trang 20
26. KẾT LUẬN Các kết quả đã đạt được Thiết kế và chế tạo thành công ăng ten logo hội tụ tại tần số 2.4GHZ, băng thông 342MHz. Các tham số của ăng ten được tối ưu bằng giải thuật di truyền nhúng trong phần mềm mô phỏng. Công việc trong thời gian tới và hướng phát triển . Hạn chế sai số của ăng ten do ảnh hưởng của các thiết bị tích hợp trên hệ thống . Tích hợp ăng ten với microchip trên một thẻ từ, cho phép thẻ hoạt động trên hệ thống nhận dạng dùng sóng vô tuyến RFID của Nhà trường. Đánh giá, kiến nghị Để bài toán được giải quyết triệt để, thương mại hóa và có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn cần có một khoảng thời gian dài hơn để nghiên cứu, đánh giá và thử nghiệm không chỉ về độ ổn định và tương thích phần cứng, mà còn về sai số tọa độ, tính đồng bộ, chi phí sản xuất và giá thành của sản phẩm. Trang 21
27. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. LiYang, Amin Rida, and Manos M.Tentzeris, Design and Development of Radio Frequency Identification (RFID) and RFID-Enabled SensorsonFlexibleLowCostSubstrates, Morgan & Claypool, 2009. [2]. Klaus Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons, 2003. [3]. Md. Shaad Mahmud, Shuvashis Dey, Design, Performance and Implementation of UWB Wearable Logo Textile Antenna, 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), 2012. [4]. Genovesi, S., et al, Frequency-reconfigurable antenna for software defined radio driven by PIC microcontroller, Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2011 IEEE-APS Topical Conference on. [5]. Trong Duc, N., et al, Novel reconfigurable 8 - shape PIFA antenna using PIN diode, Advanced Technologies for Communications (ATC), 2011 International Conference on. [6]. Jong-Hyuk, L., et al., A Reconfigurable PIFA Using a Switchable PIN- Diode and a Fine-Tuning Varactor for USPCS/WCDMA/m-WiMAX/WLAN, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on. 58(7): p. 2404-2411. Trang 22