射频识别技术2基本电磁原理

回路中电流幅值与外加频率之间的关系曲线，成
为谐振曲线。任意频率下的回路电流与谐振时的回路 电流之比为：
I& I& 0R j( R L 1 C )1j R 0L1 ( 0 0)1jQ ( 1 0 0)
取其模值
Im
1
1
1
I0m 1Q2 0 02
1Q2 0 2
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式中，0 表示偏离谐振的
程度，称为失谐量
L
，阻抗Z=R为最小值，且为纯
阻 （2）谐振时，回路电流最大 RS
，即，且与同相
V&s
（3）电感与电容两端电压的
模值相等，且等于外加电
压的Q倍(Q为回路的品质因
素）
V L 0I j 0LV R Sj 0Lj R 0L V SjQ V S
V C 0 I j1 0 C jV R S 1 0 C j 0 1 CV S R jQ V S
X
线圈
i1
a O
r
Y
v1=V1msin(ωt)
r<<a时
BZ
0
i1 N1 2a
r>>a时
P
BZ Z
BZ
0
i1N1a2 2r3
0HZ
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2.2 应答器天线电路
2.2.1 应答器天线电路的连接
– Microchip 公司的13.56 MHz应答器（无源 射频卡）MCRF355和MCRF360芯片的天 线电路
3
2.1.2 串联谐振回路
1. 电路组成 L
R1是电感线圈L损耗的等 效电阻
RS是信号源 V & s
RS
的内阻，RL是负载电阻， 回路总电阻值R=R1+RS
V&s
+RL。
R1
C
I&
RL
4
2.1.2 串联谐振回路
2.谐振及谐振条件
回路电流 I&
RS
I&V& s V& s
V& s
V&s
Z RjX RjL1C
2020/6/21
• 射频识别技术在工作频率13.56 MHz和小于 135 kHz时，基于电感耦合方式（能量及信息 传递以电感耦合方式实现），在更高频段基于 雷达探测目标的反向散射耦合方式（雷达发射 电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达 接收机）。
• 电感耦合方式的基础是电感电容（LC）谐振回 路及电感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工 作的基本原理。基于雷达探测目标的反向散射 耦合方式的基础是电磁波传播和反射的形成， 它用于微波电子标签。
– 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为 外接。
天线 1
L
C
Test
1.47 mm
天线 2
Vdd VSS
2.37 mm
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2.2 应答器天线电路
• 并联谐振回路
– 串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的 情况。
– 如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。 – 在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻
• 实现射频能量和信息传递的电路称为射频前端 电路，简称为射频前端。
2
2.1 阅读器天线电路
2.1.1 阅读器天线电路 的选择
L
L
C C
（a）串联谐振回路
（b）并联谐振回路
次级线圈 初级 线圈
C2
C1
（c）具有初级和次级线圈的耦合电路
在阅读器中，串联谐振回路具 有电路简单、成本低，激励可 采用低内阻的恒压源，谐振时 可获得最大的回路电流等特点， 被广泛采用。
i
a
H
2πa
H 式中，i为电流(A)，a为半径（m)
i
磁感应强度B和磁场强度H的关系式为 B0rH
式中， 0 是真空磁导率，04x1107H/m； r 是相对磁
导率，用来说明材料的磁导率是 0 的多少倍。
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2.1.3 电感线圈的交变磁场
2、环形短圆柱形线圈的磁感应强度 在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路
R1
C
I&
RL
7
2.1.2 串联谐振回路
3、谐振特性
回路的品质因数
L
R1
RS
QR 0L01CRR 1
L1
CR
V&s
C
I&
RL
通常，回路的Q值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电
容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件 时，必须考虑器件的耐压问题，
8
2.1.2 串联谐振回路
4、谐振曲线
阻抗 Z R2X2 R2L1C2
L
R1
C
I&
RL
相角 arctanXarctanL1C
R
R
5
2.1.2 串联谐振回路
L
R1
串联回路的谐振条件
RS
X L 1 0 C
V&s
C
I&
RL
0
1 LC
f0
2π
1 LC
0L
1
0C
L
C
6
2.1.2 串联谐振回路
3、谐振特性
串联谐振回路具有如下特
（1）谐振时，回路电抗X=0
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2.1.2 串联谐振回路
• 谐振曲线
Im/Iom 1
Q1>Q2 Q1 Q2
ω0
ω
串联谐振回路的谐振曲线
由图可见，回路Q值越高，谐振曲线越尖锐， 回路的选择性越好
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2.1.2 串联谐振回路
• 通频带
Im/Iom 1 0.707
谐振回路的通频带通常用半 功率点的两个边界频率之间 的间隔表示，半功率的电流 比Im/I0m为0.707
0
通频带
ω ω1 ω0 ω2
B W 21 220 2 0 .70f0 2 π 2 π 2 π 2 π QQ
由此可见，Q值越高，通频带越窄（选择性越强），在RFID技术中，
为保证通信带宽，在电路设计时应综合考虑Q值的大小。
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2.1.3 电感线圈的交变磁场
1、磁场强度H和磁感应强度B
安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导体的周 围会产生一个磁场 。
的电感常采用短圆柱形线圈结构 。
X
线圈
i1
a O
r
Y
v1=V1msin(ωt)
P
BZ Z
BZ
2
0i1N1a2
a2 r2 3
2
0HZ
i1 为电流，N1为线圈匝数，a为线圈半径，r为离线圈中心
的距离， 0 为真空磁导率。
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2.1.3 电感线圈的交变磁场
• 电感线圈的交变磁场
– 磁感应强度B和距离r的关系
Ant.A
L1 C
MCRF355
Ant.B
L2 VSS
L1> L2
（a）短接电感
Ant.A
C1
MCRF355
L
Ant.B
C2
VSS C1>C2
（b）短接电容
Ant.A
L1
MCRF360
C=100pF Ant.B
L2
L1>L2
VSS
（c）短接电感
（具有内部谐振电容）
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2.2 应答器天线电路
• e555源自文库芯片的天线电路
很大）分析比较方便。
I&S
C
ICP ILP
L
R1
（a）损耗电阻和电感串联
I&S
L
C
RP
（b）损耗电阻和回路并联 17
2.2 应答器天线电路
• 串并联阻抗等效互换
X1
Rx
A
R1 B
（a）串联电路
A
X2
R2
B
（b）并联电路
Z (R 1 R x) jX 1 R R 2 2 ( jX jX 2 ) 2 R R 2 2 2 X X 2 2 2 2 jR R 2 2 2 2 X X 2 2 2