Mã hóa dữ liệu bằng sóng điện từ sử dụng cấu trúc và vật liệu có khả năng in được

 mới đã được đưa ra để làm tiêu 
chí cho việc đánh giá là hệ số tổn hao tanδ, được tính 
bằng tỷ số giữa 
 và 
. Như vậy, loại vật liệu nền 
phù hợp là vật liệu có hệ số tanδ càng bé càng tốt với 
giá trị giới hạn là 0.025 [8], và phải có khả năng in 
được với mực in dẫn điện khi sử dụng máy in phun phổ 
thông. Từ yêu cầu đó, khảo sát hệ số tanδ của các vật 
liệu có trên thị trường và có thể sử dụng được, với độ 
dày phổ biến, hoạt động ở cùng một tần số, kết quả thể 
hiện trong Bảng 1. Các tác giả lựa chọn vật liệu PI 
(polyimide) không chỉ là loại vật liệu có hệ số tốt nhất 
mà còn có các tính chất nổi bật như: mỏng nhẹ, nguồn 
gốc hữu cơ, giá rẻ, mềm dẻo, đặc biệt bền với nhiệt, 
hóa chất và cơ học. 
Ngoài hệ số tổn hao tanδ thì hằng số điện môi 
 
của vật liệu PI cũng ổn định với tần số, là yếu tố giúp 
cho tần số cộng hưởng của cấu trúc sử dụng vật liệu 
này không bị thay đổi trong giải tần số hoạt động, lý 
do là vì hằng số điện môi liên hệ trực tiếp với bước 
sóng của tần số cộng hưởng. Khảo sát sự ổn định của 
các thông số này trong giải tần số từ 1GHz đến 10GHz 
được thực hiện bởi hãng chuyên sản xuất vật liệu 
Polyimide film - DuPont™ (Hình 4, Hình 5). Ở Hình 
4, có thể nhận sự thay đổi của hệ số tổn hao trong dải 
tần số 1-10GHz chỉ tăng lên khoảng 0.001, và bé hơn 
0.006, thấp hơn nhiều so với 0.025 là ngưỡng giá trị 
của vật liệu hoạt động trong môi trường điện từ. Còn 
trong Hình 5, thể hiện sự thay đổi giá trị hằng số điện 
môi của vật liệu cũng trong dải tần số trên, và có độ 
thay đổi chưa đến 0.1, ảnh hưởng rất ít đến độ sai lệch 
tần số cộng hưởng [9]. 
3.2 Cấu trúc mã hóa 
Với nguyên lý được phân tích ở trên, kết hợp với 
loại vật liệu nền đã lựa chọn thì để cấu trúc có thể chế 
tạo được bằng công nghệ in, yêu cầu mảng các ăng-ten 
sử dụng phải có dạng phẳng và đơn giản. Từ đây, các 
tác giả đã đề xuất sử dụng mảng ăng-ten lưỡng cực 
(dipole) (Hình 6) để thoả mãn các tiêu chí đặt ra. 
Đối với dạng ăng-ten này, nếu độ dài của ăng-ten 
là bội số của nửa bước sóng (4) thì sẽ xảy ra hiện tượng 
cộng hưởng ở tần số có bước sóng đó [10]: 
2
l n

 (4) 
 0
'
c
f


 (5) 
c0 là vận tốc ánh sáng, f là tấn số sóng điện từ, 
 là 
hằng số điện môi,  là bước sóng, n là một hằng số 
nguyên dương, l là chiều dài của ăng-ten. Công thức 
(4) và (5) được sử dụng để tính chiều dài các ăng-ten 
tương ứng với các tần số cộng hưởng mong muốn. 
Bảng 1. Các thông số các vật liệu nền 
Tên vật liệu Độ dày Chất liệu tan  
DHJ Pearl 110um Vải 0.0206 
PET 50um Nhựa 0.0085 
FR4 200mm Sợi thủy tinh 0.0154 
PI 125um Polyme 0.0045 
PWR Coat 100mm Giấy 0.0969 
Hình 4. Hệ số tổn hao phụ thuộc tần số 
Hình 5. Hằng số điện môi phụ thuộc tần số 
Hình 6. Ăng-ten lưỡng cực nửa bước sóng 
Việc lựa chọn các tần số để xảy ra cộng hưởng có 
một số các ràng buộc như sau: 
 Số tần số cộng hưởng tương ứng với số bit dữ 
liệu, nên xu hướng sẽ là chọn nhiều tần số để tăng khả 
năng mã hóa dữ liệu, đồng nghĩa với việc thiết kế nhiều 
ăng-ten gần nhau trên một cấu trúc. Vì bản chất của 
ăng-ten là mạch dao động RLC và khi các mạch dao 
động này nằm càng gần nhau thì giá trị cảm kháng và 
dung kháng của cuộn dây và tụ điện sẽ thay đổi càng 
nhiều, dẫn đến sai lệch tần số cộng hưởng theo tính 
toán. 
Hệ số tổn hao tanδ 
Tần số (Hz) 
Hằng số điện môi r 
Tần số (Hz) 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 145 (2020) 001-006 
4 
 Nếu lựa chọn tần số cộng hưởng càng cao hay 
bước sóng càng ngắn thì chiều dài của ăng-ten càng 
ngắn, giảm điện tích của cấu trúc, tăng mật độ dữ liệu 
hay chính là tăng khả năng mã hóa dữ liệu của cấu trúc, 
tuy nhiên dải tần số hoạt động của các thiết bị phân tích 
tín hiệu điện từ là giới hạn, băng thông của ăng-ten thu 
phát tín hiệu điện từ cũng là giới hạn và thường được 
thiết kế theo một chuẩn băng tần xác định, dẫn đến việc 
lựa chọn tần số cộng hưởng cũng phải trong giới hạn 
thích hợp. 
Từ các ràng buộc trên, tác giả lựa chọn tần số 
cộng hưởng lớn nhất nằm trong dải tần siêu rộng UWB 
tức là dưới 10.6GHz để phù hợp với thiết bị đo và băng 
thông ăng-ten thu, phát sóng điện từ được thiết kế cho 
băng tần này và tần số cộng hưởng bé nhất không dưới 
hơn 3GHz để bảo kích thước của ăng-ten không quá 
lớn. Để giảm thiểu ảnh sự hưởng lẫn nhau làm thay đổi 
giá trị cảm kháng và dung kháng của các ăng-ten dẫn 
đến sai lệch tần số cộng hưởng, thì số ăng-ten được lựa 
chọn tương ứng với số tần số cộng hưởng là 5, hay cấu 
trúc có mã khả năng mã hóa 5 bit. Tần số cộng hưởng 
trung tâm là điểm chính giữa của dải băng thông siêu 
rộng UWB - 6GHz, và độ lệch tần số với các ăng-ten 
liên tiếp nhau là 1.5GHz để phù hợp với dải tần số hoạt 
động 3-10GHz. Thiết kế của cấu trúc mã hóa với 5 ăng-
ten lưỡng cực, in trên vật liệu nền là PI (polymide) 
được thể hiện ở Hình 7 với các thông số kích thước 
theo Bảng 2. 
Trong các thông số được trình bày ở Bảng 2 thì 
tham số về độ dày của vật liệu nền (H) và độ dày (t), 
độ rộng (w) của lớp mực in dẫn điện được lấy theo giá 
trị phổ biến mà nhà sản xuất công bố, các tham số độ 
về dài ăng-ten lưỡng cực (a1-5) có thể tính toán theo 
công thức (4) và (5) theo tần số cộng hưởng mong 
muốn. Còn các thông số còn lại như khoảng cách giữa 
các ăng-ten (s), khoảng cách giữa hai nhánh của ăng-
ten lưỡng cực (d) và kích thước của tấm vật liệu nền 
(D, W) ảnh hưởng nhiều đến tính chất phản hồi tín hiệu 
điện từ của cấu trúc tại các tần số cộng hưởng và do 
vậy đây chính là các thông số cần được khảo sát và lựa 
chọn thiết kế sao cho kết quả mô phỏng đạt được là tối 
ưu. 
4. Kết quả mô phỏng và phân tích 
Vận dụng công thức (4) và (5), lựa chọn độ dài 
ăng-ten bằng hai lần bước sóng với hằng số điện môi 
của vật liệu PI là 3.25, bộ 5 tần số cộng hưởng mong 
muốn lần lượt là 3.0GHz, 4.5GHz, 6.0GHz, 7.5GHz, 
9.0GHz từ đó sẽ tính ra được chiều dài các ăng-ten 
lưỡng cực tương ứng. Các thông số khác của cấu trúc 
được lựa chọn theo tiêu chí đã trược trình bày ở phần 
trước, trong đó hai thông số s và d được sử dụng để 
khảo sát tối ưu. 
Với tiêu chí thiết kế cấu trúc có mật độ dữ liệu 
cao, tác giả đề xuất thông số d và s có giá trị nhỏ, bảng 
thông số chi tiết thể hiện trong Bảng 3. Cấu trúc với bộ 
thông số này được thiết kế và mô phỏng bằng phần 
mềm CST Microwave Studio cho kết quả mô phỏng 
như Hình 8. 
Bảng 2. Thông số cấu trúc mã hóa 
Thông số Ký hiệu 
Chiều dài vật liệu nền (PI) D 
Chiều rộng vật liệu nền (PI) W 
Độ dày vật liệu nền (PI) H 
Độ rộng của ăng-ten lưỡng cực w 
Độ dày của ăng-ten lưỡng cực t 
Khoảng cách giữa 2 nhánh của ăng-ten d 
Khoảng cách giữa các ăng-ten s 
Độ dài của ăng-ten 1-5 a1-5 
Hình 7. Cấu trúc mã hóa 5-bit, có khả năng in được 
Bảng 3. Bộ thông số của cấu trúc có d=1.2mm, 
s=0.8mm 
Hình 8. Cấu trúc có d=1.2mm, s=0.8mm 
Có thể nhận thấy với thiết kế này thì các đỉnh 
RCS (công suất phản hồi lớn nhất) có tần số tương ứng 
đều thuộc khoảng tần số lựa chọn thiết kế 0.3GHz, là 
sai số đủ nhỏ so với độ chênh lệch giữa hai tần số cộng 
hưởng là 1.5GHz, do vậy thiết kế này bước đầu đã 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 145 (2020) 001-006 
5 
đúng với các phân tích đặt ra. Tuy nhiên số đỉnh RCS 
được tạo ra nhiều hơn số ăng-ten và sự khác biệt về giá 
trị công suất phản hồi tại cách đỉnh còn lớn, độ phân 
biệt giữa giá trị lớn nhất và bé nhất không nhiều, điều 
này có thể giải thích là do các ăng-ten gần nhau (d và 
s nhỏ) và mỗi nhánh của ăng-ten được xem như một 
bản cực của tụ điện, làm cho điện dung sinh ra giữa các 
nhánh của ăng-ten với nhau, và giữa các nhánh của mỗi 
ăng-ten theo công thức (6) sẽ có giá trị lớn, dẫn đến 
làm thay đổi thông số của mô hình mạch điện RLC 
tương đương của mỗi ăng-ten theo thiết kế do vậy làm 
sai lệch tần số cộng hưởng chính và sinh ra các tần số 
cộng hưởng mới. Để giảm thiểu sự ảnh hưởng này thì 
phương án đề xuất là tăng khoảng cách gữa các ăng-
ten lưỡng cực (s) và khoảng cách giữa hai nhánh của 
ăng-ten (d): 
0
S
C
d
  (6) 
Trong đó: C là điện dung,  là hằng số điện môi, S 
là diện tích bản cực, d là khoảng cách giữa 2 bản cực. 
Bảng 4. Bộ thông số tối ưu hơn của cấu trúc 
Hình 9. Cấu trúc có d=3.2mm, s=2.8mm 
Sau khi tăng khoảng cách, cấu trúc có thông số 
mới là d=3.2mm và s=2.8mm, kết quả mô phỏng thể 
hiện ở đồ thị trên Hình 9. Có thể nhận thấy rằng các 
đỉnh RCS đã không lệch nhiều về giá trị, độ lệch giữa 
giá trị công suất phản hồi lớn nhất và bé nhất lớn hơn 
so với bộ thông số thiết kế trước, tại ba tần số thấp 
(3.0GHz, 4.5GHz, 6.0GHz), đỉnh RCS đã trùng với tần 
số lựa chọn thiết kế, tuy nhiên số đỉnh RCS vẫn nhiều 
hơn số ăng-ten, tại tần số 7.5GHz, giá trị lệch nhiều so 
với đỉnh RCS gần nhất, tại tần số 9.0GHz không còn 
là đỉnh RCS nữa, điều này có thể giải thích là do tăng 
khoảng cách giữa hai nhánh của ăng-ten lưỡng cực 
trong khi giữ tổng chiều dài ăng-ten không đổi, làm 
cho chiều dài mỗi nhánh không bằng một bước sóng 
nữa dẫn đến tần số cộng hưởng của ăng-ten sẽ tăng lên 
tương ứng với bước sóng ngắn hơn. Như vậy việc tăng 
khoảng cách giữa các ăng-ten và giữa hai nhánh của 
ăng-ten cần phải khảo sát tối ưu, và có thể đẫn đến phải 
hiệu chỉnh lại bộ các tần số cộng hưởng được lựa chọn 
để thiết kế ban đầu. 
Hình 10. Cấu trúc có d=2.2mm, s=1.8mm 
Từ các kết quả mô phỏng và phân tích trên, các 
tác giả khảo sát, tính toán và đề xuất được một bộ thông 
số mới tối ưu hơn với d=2.2mm, s=1.8mm và tần số 
cộng hưởng f4 = 7.8GHz theo Bảng 4. Hình 10 đưa ra 
kết quả mô phỏng tương ứng của các cấu trúc mã hóa 
điện từ với dữ liệu mã hóa 5 bit lần lượt là 11111, 
10101, 11001. Từ kết quả mô phỏng, Hình 10a có thể 
nhận thấy các ăng-ten lưỡng cực đã cộng hưởng đúng 
với tần số tương ứng, số đỉnh RCS bằng với số ăng-
ten, và giá trị của các đỉnh RCS cũng khá đều nhau, độ 
chênh lệch về giá trị công suất lớn nhất và bé nhất trong 
khoảng tần số số cộng hưởng là rõ nét, đây là cơ sở tốt 
để mã hóa dữ liệu. Từ Hình 10b và Hình 10c, điểm 
quan trọng có thể nhận thấy khi so sánh với cấu trúc có 
kết quả mô phỏng là Hình 10a là: Nếu cấu trúc thiết kế 
có ăng-ten tương ứng thì giá trị RCS tại tần số đấy sẽ 
lớn hơn cấu trúc không có ăng-ten, do vậy việc xác 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 145 (2020) 001-006 
6 
định ngưỡng RCS tại các tần số cộng hưởng khi có và 
không có ăng-ten sẽ quyết định mã hóa dữ liệu logic 1 
hoặc 0. Cấu trúc thiết kế đã thể hiện mức RCS cho 
logic 1 gần như không đổi, và mức RCS cho logic 0 
thấp hơn logic 1 ít nhất là 5dBsm ở mỗi tần số đã chọn, 
đây là độ chênh lệch đủ lớn để đặt ngưỡng RCS xác 
định mức logic. Để thấy rõ hơn sự mã hóa dữ liệu này 
thì trên Hình 11 thể hiện kết quả mô phỏng của mã hóa 
5 bit 11111 và 11001 trên cùng Hình 11. 
Hình 11. Hai cấu trúc mã hóa dữ liệu 11111 và 11001 
Tại tần số cộng hưởng 3.0GHz, 4.5GHz và 
9.0GHz, giá trị RCS của hai cấu trúc là như nhau, đều 
thể hiện mã hóa bit dữ liệu là 1, tại 6.0GHz và 7.8GHz, 
giá trị RCS của cấu trúc có ăng-ten tương ứng lớn hơn 
cấu trúc không có ăng-ten, thể hiện độ phân biệt giữa 
mã hóa bit dữ liệu 1 và bit dữ liệu 0. Như vậy cấu trúc 
với thông số đề xuất đã thỏa mãn được khả năng mã 
hóa dữ liệu 5 bit. 
5. Kết luận 
Hướng nghiên cứu về mã hóa dữ liệu điện từ 
không chip hiện đang là một hướng nghiên cứu mới 
không chỉ ở trong nước mà cả trên thế giới, trong đó 
các nhà khoa học tập trung đề xuất các cấu trúc mã có 
hóa có khả năng dữ liệu cao tuy nhiên để thỏa mãn 
được khả năng có thể in được của cấu trúc thì chưa có 
nhiều. Thiết kế mà nhóm tác giả đề xuất dựa trên mảng 
ăng-ten lưỡng cực chưa được công bố trong các bài báo 
trong nước cũng như ngoài nước không chỉ thỏa mãn 
yêu cầu đó mà còn có cấu trúc đơn giản và có khả năng 
tăng số bit dữ liệu mã hóa trên một đơn vị điện tích 
theo hai hướng tiếp cận sau: 
 Cách thứ nhất là tăng số ăng-ten dipole tương ứng 
với tăng số bit mã hóa. 
 Cách thứ hai là chọn nhiều bộ tần số cộng hưởng 
khác nhau, từ đó đưa ra thiết kế với thông số của mảng 
ăng-ten lưỡng cực tương ứng, và ứng với mỗi bộ tần 
số này sẽ có một bộ mã hóa dữ liệu với số bit tương 
ứng với số ăng-ten. 
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã phân tích bài 
toán mã hóa dữ liệu bằng sóng điện từ, các phương 
pháp tiếp cận và những khó khăn thách thức cần giải 
quyết, nghiên cứu lựa chọn vật liệu phù hợp và đã đưa 
ra được một cấu trúc thiết kế mới, giải quyết được một 
trong những khó khăn lớn nhất đó là khả năng có thể 
in được của cấu trúc mã hóa. Điều này sẽ giúp cho việc 
giảm giá thành, cũng như đơn giản hóa việc sản xuất 
hàng loạt với số lượng lớn. 
Bên cạnh đấy, đối với kỹ thuật mã hóa bằng sóng 
điện từ không chip, ngoài việc giải quyết được yêu cầu 
in được để giúp giảm giá thành sản phẩm, thì yêu cầu 
về khả năng mã hóa dữ liệu (số bit dữ liệu trên một đơn 
vị diện tích), giảm dải tần số hoạt động của cấu trúc mã 
hóa, tích hợp được dữ liệu đo lường các thông số vật 
lý vào cấu trúc mã hóa cũng là các bài toán khó, đang 
được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong 
những năm gần đây. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Gang Zhao, Luyu Lin, Yawen Chen, Shan Liu, Jie Chu, 
Zhuoran Luo, Barcode character defect detection 
method based on Tesseract-OCR. 3rd IEEE 
International Conference on Computer and 
Communications (ICCC) (2017) 
[2] G. SriHarsha Vardhan, Naveen Sivadasan, Ashudeb 
Dutta, QR-code based chipless RFID system for unique 
identification. IEEE International Conference on RFID 
Technology and Applications (RFID-TA) (2016) 
[3] Sudhanshu Gakhar, Joseph Feldkamp, Mark Perkins, 
Rensheng Sun, C. J Reddy, Engineering RFID systems 
through Electromagnetic Modeling. IEEE International 
Conference on RFID (2008) 
[4] Ali Hashemi, Amir Hossein Sarhaddi, Hossein Emami, 
A Review on Chipless RFID Tag Design. Majlesi 
Journal of Electrical Engineering (2013) 
[5] Ang Yu, Osamudiame Idubore, Mihai Dimian, Radar 
cross section calculation for subsurface objects. IEEE 
Radar Conference (RadarConf) (2016) 
[6] Bassem R.Mahafza, Radar Systems Analysis and 
Design Using MATLAB, 3rd Edition. CRC Press 
(2010) 
[7] Sigma-Aldrich. DGP-45HTG silverink datasheet. 
http:// aaldrich.com/catalog/product/aldrich. 
[8] M.Y. Ismail, M. Inam, Analysis of Design Optimization 
of Bandwidth and Loss Performance of Reflectarray 
Antennas Based on Material Properties. Modern 
Applied Science, Vol.4, No. 1 (2010) 
[9] Pranavsesh VS, Priyanka Jain, Study of effect of 
dielectric superstrate on resonance frequency of patch 
antenna and measurement of dielectric constant of 
superstrate. ICCTICT (2016) 
[10] Constantine A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and 
Design, 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. (2005) 
[11] J. Lorenzo, A. Lazaro, R. Villarino, D. Girbau, 
Backscatter tag based on frequency selective surface for 
FMCW radar applications. 1st URSI Atlantic Radio 
Science Conference (URSI AT-RASC) (2015)