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

i

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

ii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Số bảng Tên bảng Trang

Bảng 1 Các dải tần phổ biến được sử dụng trong

các hệ thống RFID 10

iii

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

card

8

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

Nam

11

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

iv

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

Trang 1

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 2

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 3

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 identifier

Company identifier

Manufacturer’s item

number

CD

4 0 1 2 3 4 5 0 8 1 5 0 9

FRG Company Name 1 Road Name 80001 Munich

Chocolate Rabbit 100 g

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 4

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 5

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 6

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 7

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 8

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 9

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 10

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 11

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 12

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 13

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:

𝑊 =𝐶0

2𝑓𝑟√

2

𝜀𝑟+1 2.1

Với 𝐶0=3*108m/s, 𝜀𝑟=4.7

Với W/h>1

εreff =εr+1

2+

εr−1

2[1 + 12

h

W]

−1/2 2.2

Độ dài ∆L ảnh hưởng của hiệu ứng đường viền:

∆L

ℎ= 0.412

(𝜀𝑟+0.3)(𝑊

ℎ+0.264)

(𝜀𝑟−0.258)(𝑊

ℎ+0.8)

2.3

Chiều dài của tấm bức xạ L:

𝐿 =𝐶0

2𝑓𝑟√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓− 2∆𝐿 2.4

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 14

- 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 15

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 16

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 17

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 18

Hình 2.7 Hệ số tổn hao ngược S11 của ăng ten khi sử dụng slot

Trang 19

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 20

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 21

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 22

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.