Bố trí & tối ưu hóa anten

Vị trí lắp đặt anten là yếu tố quan trọng số 1 đối với hiệu suất hệ thống RFID — quan trọng hơn cả độ nhạy của thẻ hay công suất đầu đọc. Một đầu đọc trị giá 5.000 USD với các anten đặt sai vị trí sẽ hoạt động kém hiệu quả hơn một đầu đọc 500 USD với các anten được đặt đúng vị trí. Mục tiêu là tạo ra một vùng đọc (read zone) xác định rõ ràng (không gian 3D nơi các thẻ được đọc một cách tin cậy) đồng thời giảm thiểu các lần đọc nhầm từ bên ngoài khu vực mục tiêu.

Một ví dụ thực tế: việc di chuyển một anten tại cửa kho từ độ cao 2,5m xuống 2,0m và nghiêng xuống 15° đã cải thiện tỷ lệ đọc từ 87% lên 99,2% trong một đợt triển khai logistics lớn. Những thay đổi nhỏ về vị trí tạo ra sự khác biệt lớn về hiệu suất vì cường độ tín hiệu RF tuân theo định luật nghịch đảo bình phương — khoảng cách tăng gấp đôi nghĩa là công suất tín hiệu chỉ còn ¼.

Phân cực anten xác định hướng của các sóng điện từ. Đây là một trong những quyết định quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống vì nó trực tiếp kiểm soát việc các thẻ ở các hướng khác nhau có thể đọc được hay không.

Vùng đọc là không gian 3D nơi các thẻ có thể được đọc một cách tin cậy. Nó có hình dạng giống như một hình nón hoặc thùy kéo dài từ mặt anten, với các kích thước được xác định bởi độ lợi (gain) của anten, công suất phát (TX power) của đầu đọc và độ nhạy của thẻ. Một anten 9 dBic ở công suất 30 dBm với thẻ NXP UCODE 9 (độ nhạy -22,1 dBm) tạo ra một vùng đọc sâu khoảng 8–10 mét và rộng 3–4 mét ở phía xa.

Trường gần (Near-field) so với Trường xa (Far-field): Các anten UHF RFID hoạt động trong hai vùng. Trường gần (trong khoảng ~35cm ở tần số 920 MHz) sử dụng ghép từ tính cho các lần đọc rất ngắn và được kiểm soát — hoàn hảo cho các trạm POS nơi bạn chỉ muốn đọc các mặt hàng trên quầy. Trường xa (ngoài 35cm) sử dụng sự lan truyền điện từ cho hầu hết các ứng dụng RFID. Các anten trường gần được thiết kế đặc biệt với các vùng đọc giới hạn để mã hóa cấp độ mặt hàng và tại điểm bán hàng.

Hướng dẫn về công suất: 33 dBm cho phạm vi tối đa (~10m, cửa kho). 30 dBm cho phạm vi tiêu chuẩn (~6–8m, sử dụng chung). 25 dBm cho phạm vi trung bình (~3–5m, băng chuyền). 20 dBm cho phạm vi ngắn (~1–2m, điểm bán hàng). 15 dBm cho trường gần (~0,5m, đầu đọc trên kệ). Luôn bắt đầu với công suất thấp hơn và tăng dần cho đến khi bạn đạt được tỷ lệ đọc mục tiêu — công suất dư thừa sẽ gây ra các lần đọc nhầm.

33 dBm → ~10m   dock doors, max range
30 dBm → ~6-8m  general warehouse
25 dBm → ~3-5m  conveyor belts
20 dBm → ~1-2m  point-of-sale
15 dBm → ~0.5m  shelf / near-field

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) đo lường mức độ hiệu quả của việc truyền công suất từ đầu đọc đến anten. Một sự phối hợp hoàn hảo là 1:1 (tất cả công suất đều được bức xạ). Bất kỳ giá trị nào trên 2:1 đều có nghĩa là một phần công suất đáng kể bị phản xạ ngược lại đầu đọc, làm giảm hiệu suất và có khả năng làm hỏng bộ khuếch đại PA theo thời gian. Hầu hết các anten RFID thương mại đạt được VSWR từ 1,2–1,5:1 trên toàn dải tần hoạt động.

Các vấn đề VSWR phổ biến: Cáp RF bị hỏng hoặc bị xoắn (thay thế nếu VSWR vượt quá 2:1). Sai loại đầu nối (sử dụng RP-TNC hoặc SMA theo chỉ định). Ăng-ten được gắn trực tiếp trên bề mặt kim loại mà không có miếng đệm (sử dụng giá đỡ cao 15mm+). Nước xâm nhập vào các đầu nối ngoài trời (sử dụng RP-TNC chống thời tiết có vỏ bọc). Chiều dài cáp vượt quá 10m mà không có cáp suy hao thấp (sử dụng LMR-400 hoặc tương đương cho các đoạn chạy trên 5m).

Luôn kiểm tra VSWR trên toàn bộ dải tần hoạt động (920–925 MHz đối với Việt Nam). Một ăng-ten có thể cho chỉ số VSWR 1.2:1 tuyệt vời ở tần số 920 MHz nhưng lại giảm xuống 2.5:1 ở tần số 925 MHz — điều này có nghĩa là hiệu suất kém trên một nửa số kênh FHSS của bạn.

Hầu hết các triển khai thực tế đều sử dụng nhiều ăng-ten cho mỗi đầu đọc. Đầu đọc Nextwaves hỗ trợ tối đa 32 cổng ăng-ten. Các lưu ý chính: Khoảng cách — thường cách nhau 1–2 mét đối với cửa kho, với độ chồng lấn chùm tia từ 15–20% để bao phủ hoàn toàn. Góc lắp đặt — nghiêng vào trong 15–45° cho các ứng dụng cổng (portal) để tập trung vùng đọc vào lối đi. Trình tự ăng-ten — đầu đọc tự động chuyển đổi giữa các ăng-ten để ngăn chặn việc truyền tín hiệu đồng thời từ các vùng chồng lấn.

Ví dụ cấu hình cổng (cửa kho): Lắp 4 ăng-ten — mỗi bên cửa 2 chiếc ở độ cao 1.5m và 2.5m, nghiêng 30° vào trong. Sử dụng phân cực tuyến tính hướng vào các mặt pallet. Thiết lập đầu đọc ở Session S2 với Q=6 cho xe nâng di chuyển nhanh. Cấu hình này mang lại tỷ lệ đọc trên 99% đối với các lô hàng pallet tiêu chuẩn gồm 48–100 thùng hàng đã gắn thẻ.

Ví dụ về đường hầm băng tải: Lắp 4 ăng-ten phân cực tròn theo sơ đồ hình vuông xung quanh băng chuyền — trên, dưới, trái, phải. Thiết lập Session S1 để đọc một lần duy nhất. Công suất ở mức 25 dBm để giới hạn vùng đọc trong đường hầm. Điều này giúp ngăn chặn việc đọc nhầm các thẻ trên các băng tải liền kề.

CONFIGURE_ANTENNA_ENABLE payload (4 bytes):

Ports 1-4:    0x0F 0x00 0x00 0x00  (0b00001111)
Ports 1,3:    0x05 0x00 0x00 0x00  (0b00000101)
Port 1 only:  0x01 0x00 0x00 0x00  (0b00000001)

Bit 0=ANT1  Bit 1=ANT2  ...  Bit 31=ANT32

Bề mặt kim loại là nguồn gây nhiễu số 1 trong kho hàng. Chúng phản xạ tín hiệu RF, tạo ra các vùng chết và nhiễu đa đường. Giải pháp: lắp đặt ăng-ten trên các bề mặt phi kim loại hoặc sử dụng giá đỡ cách cấu trúc kim loại trên 50mm. Định hướng ăng-ten sao cho thùy chính không chiếu trực tiếp vào tường kim loại hoặc hệ thống kệ.

Nước và chất lỏng hấp thụ sóng vô tuyến UHF rất mạnh. Một thùng chai nước nằm giữa ăng-ten và pallet gắn thẻ có thể chặn hoàn toàn việc đọc. Giải pháp: đặt vị trí ăng-ten sao cho đường truyền RF tránh các thùng chứa chất lỏng, hoặc tăng công suất thêm 3–6 dB để bù đắp cho tổn thất do hấp thụ.

Các đầu đọc khác hoạt động gần đó có thể gây nhiễu. Chế độ Dense Reader Mode (DRM) và FHSS có thể giúp ích, nhưng các biện pháp bổ sung bao gồm: cấu hình các mặt nạ kênh không chồng lấn giữa các đầu đọc liền kề, sử dụng ăng-ten định hướng để hạn chế nhiễu tràn và triển khai lập lịch TDMA nếu phần mềm trung gian (middleware) của bạn hỗ trợ.

Giữ ăng-ten cách đèn huỳnh quang (nguồn nhiễu RF) ≥1m và cách các điểm truy cập Wi-Fi ≥2m. Mặc dù Wi-Fi hoạt động ở tần số 2.4/5 GHz (khác với UHF 920 MHz), các thiết bị được che chắn kém có thể tạo ra các hài sóng băng rộng.