第2章-2.2-RFID射频前端电路-1

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RFID工作耦合方式

从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式 来看,系统一般可以分为两类:电感耦合 (Inductive Coupling)系统和电磁反向散射耦 合(Backscatter Coupling)系统。
电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合,依据 的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频 工作的近距离RFID系统,典型工作频率: 125kHz,225kHz,和13.56MHz。识别作用距离 一般小于1m,典型作用距离为0~20cm。
SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成,如下图所示。
换能器的两条总线与电子标签的天线相连接,阅读器的天 线周期的发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围之内, 被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体 表面传播。反射器组对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能 器,叉指换能器又将反射声表面波脉冲串转变为高频电脉冲串。 如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定 的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物 品的特定编码,通过解调与处理,即可达到自动识别的目的。
以汽车收费站监控的例子说明。 RFID 系统由 Tag 芯 片、天线、读卡器所组成,接收信息并传至计算机系 统处理。

4.2.2 电磁反向散射RFID系统 1 反向散射调制
电磁波从天线向周围空间发射,到达目标的电磁波能量的 一部分(自由空间衰减)被目标吸收,另一部分以不同的强度散 射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线,称 其为回波。在雷达技术中,用这种反射波测量目标的距离和方位。 在RFID系统中,利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器 的数据传输,主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系 统中。该RFID系统工作分为以下两个过程: (1)标签接收读写器发射的信号,其中包括已调制载波和 未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时,载波能量全部被 转换为直流电压,该电压供给电子标签内部芯片能量;当载波携 带数据或者命令时,标签通过接收电磁波作为自己的能量来源, 并对接收信号进行处理,从而接收读写器的指令或数据。
4.2.1 电感耦合RFID系统
电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子 标签由一个电子数据作为载体,通常由单个微芯片及天线(大面 积线圈)等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读 器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈 产生,并穿越线圈横截面和周围空间,以使附近的电子标签产生 电磁感应。
天线 发射的高频脉冲 叉指换能器
响应信号
反射器
压电晶体
图4-6 声表面波标签

2 声表面波RFID系统的应用领域及优点
由于声表面波SAW器件工作在射频波段,无源而且抗电磁 干扰能力较强,因此SAW技术实现的电子标签具有一定的独特 优势,是对集成电路(IC)技术的补充。 SAW标签应用领域非常广泛,包括物流管理、路桥收费、 公共交通、门禁控制、防伪、超市防盗、航空行李分拣、邮包跟 踪、流水线控制与跟踪、体育竞赛等。同时也适用于压力、应力、 扭曲、加速度和温度等变化参数的测量,如铁路红外轴温探测系 统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。 其主要优点如下: (1)读取范围大且可靠,识别距离远。 (2)可使用在金属和液体产品上。 (3)标签芯片与天线匹配简单,制作工艺成本低。 (4)不仅能识别静止物体,而且能识别速度达300km/h的高速 运动物体。 (5)可在高温差(-100℃~300℃)、强电磁干扰等恶劣环境下 使用。
Tag e
式中,Ae为电子标签的有效面积:
2 Ae GTag 4
GTag为电子标签的天线增益,因此,有: PTag Ae S EIRP GT ag 4R
无源RFID系统的电子标签通过电磁场供电,标签功耗很大, 读写距离越短,性能就越差。RFID电子标签能否工作也主要由 电子标签的工作电压所决定,这也决定了无源RFID系统的识别 距离。但随着 集成电路工艺的发展,射频电子标签芯片本身的 功耗逐渐在降低。目前,典型的低功耗电子标签的工作电压为 1.2V左右,标签本身的功耗可以低至数十微瓦到数微瓦。这使得 无源电子标签的识别距离在无线电发射功率受到限制的情况下可 以达到10m以上。


电磁反向散射耦合基于雷达模型,发射出去的电 磁波碰到目标后反射,同时携带目标信息,依据 的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于 高频、微波工作的远距离RFID系统,典型的工作 频率:433MHz,915MHz,2.45GHz和5.8GHz。 识别作用距离大于1m,典型作用距离为4~6m。

PBack S PTX GTX EIRP 2 2 4R 4R
返回阅读器的功率密度为
S Back PTX GTX (4 ) 2 R 4
接收天线的有效面积为
2 Aw G RX 4
式中,GRX为天线的增益。
可以得出,阅读器接收的标签反射信号的总功率为
PRX PTX GTX GRX 2 S Back Aw 3 4 (4 ) R
(2)电子标签到阅读器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比,它 是目标反射电磁波能力的测度。散射面积取决于一系列的参数, 这既包含物体本身的特性,如目标的大小、形状、材料和表面结 构,也包括反射电磁波的特性,如电磁波的波长和极化方向等。 电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波,一 部分自身吸收用于提供自身工作的能量,另一部分被反射回去, 电子标签反射电磁波的能量为:
(3)小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线 为增加识别距离和提高识别可靠性,应尽量加大天线尺寸, 但在一些应用中,却希望标签尺寸越小越好。因此,小型且低成 本适合待识别物品的电子标签天线是应用的关键。
(4)封装 标签附着物品和使用环境千差万别,所以其封装结构各有特色。 但是必须达到如下几个要求: ①保证压片芯片在工作寿命期间能耐外部环境应力及变化,不 造成性能劣化。 ②至少不影响或较少影响标签天线的高频电磁波接受效果。 ③固定于待识别物的方法简单、附着牢靠,对物品无损伤。 ④外形美观,与待识别物和谐,满足安全和环保等要求。
传输频率越来越高
传输速度越来越快 传输距离越来越远
应用范围越来越广
1-1 RFID通信的物理学原理①
根据观测点到天线的距离和电磁波的波长,电磁 场区划分为近场区和远场区
1-1 RFID通信的物理学原理②


近场区的通信原理类似于变压器中的电场和 磁场的逆转换,能量的耦合方式为电感耦合 方式。RFID读写器通过天线(线圈)发射能 量和信息重叠的电磁变场信号,而RFID电子 标签通过天线(线圈)获取电磁变场信号来 产生感应电流并读取信号。 远场区电磁场脱离天线的束缚进入空间,通 过电场的辐射来传输能量和信息,能量的耦 合方式为电容耦合方式。

1. 能量供应
阅读器天线线圈激发磁场,其中一小部分磁力线穿过电子 标签天线线圈,通过感应,在电子标签的天线线圈上产生电压U, 将其整流后作为微芯片的工作电源。
电容器Cr与阅读器的天线线圈并联,电容器与天线线圈的电 感一起,形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路, 该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。 电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路,调谐到阅读 器的发射频率。通过该回路的谐振,电子标签线圈上的电压U达到 最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器(变压器的耦 合)。

3 声表面波RFID系统的关键技术
(1)标签编码容量与作用距离 增加反射体数目和改进编码方法,是提高SAW标签编码容量 的主要措施。增加反射体数目会增加芯片长度,并受声表面波传 输损耗和成本限制。即使采用声道折叠、并列声道和转向结构等 来减小芯片长度,但为保持反射回波脉冲均匀,每个反射体的反 射能力应降低,则必然导致回波强度减小,作用距离减小。 (2)应答器和读写器的配合 读写器属于通用简易脉冲雷达系统,RFID系统的性能与读写 器的性能息息相关,技术实现难度取决于比特率、标签性能和编 码调制方法。声表面波标签回波的主要特征是:反射回波幅度小、 涨幅有涨落;但其时间特征可以预知。因此,读写器应有同步时 钟、等时间闸等适应声表面波标签特征的电路,以提高声表面波 标签的性能。
阅读器 电子标签
C1 Cr
C2
芯 片
BP 解调
fs fH
图 4-5 电感耦合型 RFID 系统

Hale Waihona Puke Baidu2 数据传输
对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过 0.16 , 并电子标签处于近场范围内,电子标签与阅读器的数据传输为负 载调制(电感耦合、变压器耦合)。 如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场,那么电 子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在 阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线 上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化,实 现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载 电压的接通和断开,这些数据就可以从标签传输到阅读器了。 此外,由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱, 因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压 小。在实践中,对13.56MHz的系统,天线电压(谐振时)只能 得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便, 所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子 标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开,那么在阅读 器发送频率将产生两条谱线,此时该信号就容易检测了,这种调 制也称为副载波调制。


4.2.3 声表面波标签的识别原理 1 声表面波RFID原理
声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)是传播 于晶体表面的一种机械波,其声速仅为电磁波速的十万 分之一,传播衰耗很小。声表面波器件的功能部分,是 采用现代微电子技术在表面抛光的压电材料基片上制作 的叉指换能器、反射体和耦合栅等金属电极结构,基于 (逆)压电效应,射频信号在经历电磁波---声表面波--电磁波的换能过程中得到处理,达到预定功能要求。以 高频谐振器、带通滤波器为代表的现代声表面波器件, 具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、功能多及 设计灵活等优点,已成为了先进广泛使用的电子关键元 器件。
1-1 RFID通信的物理学原理③
RFID的低频和高频段的信息传递在近场区进行,超高 频和微波段在远场区进行
S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 式中,s(t)为标签接收到的信号。
Vs
Z1
Za 图 4-6 电子标签的等效电路图
2
反向散射调制的能量传输
电磁波从天线向周围空间发射,会遇到不同的目标。到达 目标的电磁波能量一部分被目标吸收,另一部分以不同的强度散 射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。下面 我们看该方式调制的能量传输。 (1)阅读器到标签的能量传输 在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为 P G EIRP S TX TX 4R 2 4R 2 式中,PTX为读写器的发射功率,GTX为发射天线的增益, R是标签到读写器天线之间的距离,EIRP为天线的有效辐射功率, 是指读写器发射功率和天线增益的乘积。 在电子标签和发射天线都处于最佳姿态,并且极化方向相 匹配时,电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率 密度S成正比: P AS
(2)标签向读写器返回信号时,读写器只向标签发送未调 制载波,载波能量一部分被标签转化成直流电压,供给标签工作; 另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载 波来向读写器传递信息。 电子标签的等效电路图如下所示,Vs为天线接收信号,Za 表示天线的阻抗,Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反 射载波的目的,Z1有两种状态,分别为Z11和Z12。 当标签需要发送的信息为二进制数“1”时,芯片的阻抗状 态为Z11;当标签需要发送的信息为二进制数“0”时,芯片的阻 抗状态为Z12。这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为:
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