第6章(4学时)-RFID的射频前端

RFID物理学基础
-----射频前端
不接触，信息是如何传递的？
RFID系统组成

RFID系统组成框图
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。

从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看， RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统和电磁反 向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统是通过空 间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁 反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到 目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空 间传播规律。 电感耦合方式一般适合于高、低频率工作的近距离RFID系 统；电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作 频率的远距离RFID系统。
串联回路的谐振条件
0
1 LC
1 X L 0 C
1 L 0 L 0C C
1 f0 2π LC
19
回路的品质因数
Q
L
R1
0 L
R

1 1 L 1 0CR R C R
RS
C
V s
I
RL
品质因数是衡量电路特性的一个重要物理量，它取决于电 路的参数。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，
L2
RL
V 1
R5
I 1
C1
L1
I 2
L2
RL
2
C C
2
（a）耦合电路
（b）次级经过等效变换后的耦合电路
（3）阅读器和应答器之间的电感耦合 法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体 回路时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生 电流。 当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的 电感线圈上就会产生感应电压， 当距离足够近，应答器天线 B 电路所截获的能量可以供 应答器 应答器芯片正常工作时， C 线圈 阅读器和应答器才能进入 信息交互阶段。 v =V sin(ωt)
25
BZ

2 a2 r
0i1 N1a 2
2 32

0 H Z
电感线圈的交变磁场 磁感应强度B和距离r的关系 X r<<a时
i1
a O
线圈
i1 N1 BZ 0 2a
r>>a时
r P BZ Z
i1 N1a 2 BZ 0 0 H Z 3 2r
Y
v1=V1msin(ωt)

并联谐振回路具有如下特性：
（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗 Z=R为最大值，且为纯阻 （2）谐振时，回路电流最小，端电压 最大 （3）支路电流是总电流的Q倍
I
+
U
R
XL
XC
I 1
I C
-
33
当Ant B端通过控制开关与Vss端短接时，谐振回路失谐， 此时应答器虽处于阅读器的射频能量场之内，但因失谐无 法获得正常工作能量，处于休眠状态。 当Ant B端开路时，谐振回路谐振在工作频率（13.56MHz） 上，应答器可获得能量，进入工作状态。 在谐振时，电感支路中电流最大，即谐振回路两端可获 得最大电压，这对无源应答器的能量获取是必要的。
线圈半径取多少合适？

电感线圈的交变磁场

在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的 电感常采用短圆柱形线圈结构 。
X
线圈
i1
a O
离线圈中心距离r处P点的磁感应强 度的大小为：
BZ
r P BZ Z
2 a2 r
0i1 N1a 2
2 32

0 H Z
Y
v1=V1msin(ωt)

一、 电感耦合RFID系统

电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135KHz的频段， 应答器和读写器之间的工作距离小于1m，典型的作用距离 为10～20cm 。
磁场 H i L1 L2 VD 存储及 C2 vs R1 阅读器 应答器 应答器芯片 C3 控制电路
C1 Rs
v2
阅读器如何将能量传递给应答器？ 应答器如何将数据传递给阅读器？
V s
I
RL
21
谐振曲线：
当电源电压U及元件参数R、L、C都不改变时，电 流幅值（有效值）随频率变化的曲线，如下图所示。
当电源频率正好等于谐振 频率w0时，电流的值最大，最 大值为I0 = U/R；当电源频率 向着w＞w0或w＜w0方向偏离 谐振频率w0时，阻抗∣Z∣都 逐渐增大，电流也逐渐变小至 零。说明只有在谐振频率附近， 电路中电流才有较大值，偏离 这一频率，电流值则很小，这 种能够把谐振频率附近的电流 选择出来的特性称为频率选择 性。

电感线圈的交变磁场

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 。
a
i 磁场强度：H 2πa
H
i
8
1、线圈的自感和互感
读写器和电子标签线圈形式的天线相当于电感。 电感有自感和互感两种。
读写器线圈、电子标签线圈分别有自感，同时 两者之间形成互感
1）磁通量
定义：磁场中穿过某一面积 （S）的磁感线条数称穿过该 面积的磁通量。单位：Wb（韦 伯）
磁场 H i
C1 Rs
L1
L2
v2
VD 存储及 C2 C3 控制电路
vs R1 阅读器 应答器 应答器芯片
电子标签终于获得 了能量，但是电子 标签如何向读写器 传递它的信息呢？
3．数据传输 应答器向阅读器的信息传送时采用负载调制技术
R1 R5 M R2 RS R1 M R2 C2
V 1
R5
L1 C1

B dS
注：在RFID系统中，读写器和电子标签的线圈通常有很多 匝，假设通过一匝线圈的磁通为 ，线圈的匝数为N。则 通过N匝线圈的总磁通为 N
2）自感现象

由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象， 叫自感现象。 自感现象中产生的电动势叫自感电动势。 通过线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即 线圈的电感L。



dS 32
电子标签感应电压与两个线圈距离的3次方成反比，因此电子标签和读写器的距离 越近，电子标签的耦合的电压越大。因此，在电感耦合工作方式中，电子标签必 须靠近读写器才能工作。

应答器直流电源电压的产生
R2 L2 C2 v2 芯 片 其 他 电 路
v
2 2
整 流 器
CP
2 2m
应 答 器
i1=I1msin(ωt) 阅读器 谐振 回路 阅读器 线圈
36

应答器线圈感应电压的计算
v2 d d N2 dt dt
N 2
B dS
d d v2 N 2 N2 dt dt

d 0i1a 2 B dS N2 dt 2 2 2 a r
当感抗wL等于容抗（1/wC）时，复阻抗Z = R，串联电路的等效复阻抗变成了纯电阻，端电 压与端电流同相，这时就称电路发生了串联谐 振。
L
R1
RS
C

串联谐振回路

V s

I
RL
回路电流
I
ห้องสมุดไป่ตู้I

Vs Vs Z R jX
Vs 1 R j L C
L I

在RFID中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感。
3）互感现象

当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁 场通过第二个线圈时，通过第二个线圈的总 磁通与第一个线圈上的电流的比值，称为两 个线圈的互感。
12 M 12 I1

互感现象中产生的感应电动势，称为互感 电动势。
互感现象的应用：
16

串联谐振回路
R1是电感线圈L损耗的等 效电阻，RS是信号源 Vs 的内阻，RL是负载电阻， 回路总电阻值R=R1+RS +RL。
L
R1
RS
C
V s
I
RL
17
电路的等效阻抗为
1 Z Z R Z L Z C R j(wL ) wC
当正弦电压的频率w 变化时，电路的等效复 阻抗Z 随之变化。

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
Ant.A L1 Ant.A C1 L C2 VSS C1>C2 VSS Ant.A L1
C L2 L1> L2
MCRF355
Ant.B
MCRF355
Ant.B
MCRF360
C=100pF Ant.B
20
Vs Vs I Z R jX



Vs 1 R j L C
L R1


串联谐振回路具有如下特性：
（1）谐振时，回路电抗X=0，阻 抗Z=R为最小值，且为纯阻
RS
C
（2）谐振时，回路电流最大， 且与Vs同相
（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
利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一 个线圈，因此在电工技术和电子技术中有广泛的应用 如：变压器
收音机里的“磁性天线”利用互感现象可以把信号 从一个线圈传递到另一个线圈。
收音机里的磁性天线.
2、能量供给
能量供给： 阅读器天线电路 应答器天线电路 阅读器和应答器之间的电感耦合
（1）阅读器天线电路 阅读器天线 RFID阅读器的射频前端常 设计要求： 采用串联谐振电路。 •天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量 串联谐振回路具有电路简 •功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量， 单、成本低，激励可采用低 即最大程度地输出读写器的能量 内阻的恒压源，谐振时可获 •足够的带宽，保证载波信号的传输，使读写器信 得最大的回路电流等特点， 号无失真输出 被广泛采用。
2 32


0i1 N1
2
a
a2
2
r
2 32

k
a
a4
2
r
2 3

dBz 0 令 da
可得，Bz具有最大值的条件为： a 2r 结论：增加线圈半径a会在较远距离r处获得最大场强，但r的 增大，会使场强相对变小，以致影响应答器的能量供应。
（2）电子标签的天线电路
低频和高频的电子标签的天线用于耦合读写器的磁通， 该磁通向电子标签提供能量，并在读写器与电子标签之 间传递信息。
L2 L1>L2 VSS
（a）短接电感
（b）短接电容
（c）短接电感 （具有内部谐振电容）
无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路
30

并联谐振回路

在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大） 分析比较方便。
IS
C
ICP
ILP
L R1
IS
L
C
RP
（a）损耗电阻和电感串联
（b）损耗电阻和回路并联
结论：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎是不变的，而后急剧下降。
26
BZ
2 a2 r
0i1 N1a 2
2 32

0 H Z
线圈半径取多少合适？
BZ
2 a2 r
0i1 N1a 2
2 32

0 H Z
设r为常数，假定线圈中电流不变，则
BZ 2a r
2
0i1 N1a 2
注意：
在无线电技术方面，正是利用串联谐振的这一特 点，将微弱的信号电压输入到串联谐振回路后，在电 感或电容两端可以得到一个比输入信号电压大许多倍 的电压，这是十分有利的。但在电力系统中，由于电 源电压比较高，如果电路在接近串联谐振的情况下工 作，在电感或电容两端将出现过电压，引起电气设备 的损坏。所以在电力系统中必须适当选择电路参数L和 C，以避免发生谐振现象。
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并联谐振
I
+
谐振条件
U
R
XL
XC
I 1
I C
-
1 ( R jω L) jω C Z 1 ( R jω L) jω C R jω L 1 j ω RC ω 2 LC
实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有 ω 0 L R
jω L 1 则：Z 2 1 ω LC j ω R C RC j (ω C 1 ) L ωL
稳 压 电 路
VCC
应答器直流电源电压的产生 电子标签可采用全波整 流电路，线圈耦合得到 电容Cp滤除高频成 的交变电压通过整流后 分，同时作为储能元 直流电压。 件
由于电子标签和读写器 的距离不断变化，使得 电子标签获得交变电压 也不断变化，导致整流 后的直流电压不是很稳 定，因此需要稳压电路。 稳压电路的输出给电子 38 标签的芯片提供所需直 流电压。
电子标签天线的构造有如下要求： 电子标签天线上的感应电压最大，使电子标签线 圈输出最大的电压 功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器 的能量 足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真。
电子标签天线常采用并联谐振电路。并联谐振时，电 路可以获得最大的电压；可最大程度的耦合读写器的能 量；能根据带宽要求调整谐振电路的品质因数，满足接 收的信号无失真。