射频前端

在信号源电流保持不变 的情况下，由于谐振阻抗R 为最大值，所以谐振电压也 为最大值，且与同相。 当角频率为 w0 时对应 的最大有效值为U 0 。
并联谐振时， 电阻上的电流 电感上的电流 电容上的电流
I R0
U 0 j CRI = jQI I L0 0 j0 L
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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由电阻R、电感L和电容C串联而成，并以角频率为 的正弦电压 信号源作为输入。
串联谐振电路
电路阻抗为：
1 Z =R +jX =R +j(X L +X C )=R +j L C
电路的等效阻抗为
1 Z Z R Z L Z C R j(wL ) wC
U 0 I R
j CU j CRI jQI I C0 0 0 0
并联谐振时，电阻上的电流等于信号源的电流;电感上的电流与 电容上的电流大小相等，相位相反，且等于信号源电流的Q倍.
故并联电路谐振又称为电流谐振。

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
Q
R R 0 CR 0 L
谐振时B=0，并联电路导纳 其值最小，且为纯电导. 1 Y0 G Y-ω曲线 R Y随ω的变化如图所示，若转换为阻抗,即为
1 1 Z0 R Y0 G
并联谐振时，端电压
：
U 0
U随ω变化如图所示:
I I U RI 0 Y0 G

一、 电感耦合RFID系统
电感耦合方式普遍应用于低频和高频电子标签，适合 于读取距离较短的场合，一般在 1 m以内。电感耦合系统 又可以分为密耦合系统和遥耦合系统。 密耦合系统具有很小的作用距离，典型值为0～1 cm。 在密耦合系统中电子标签必须插入读写器中或者贴在读写 器天线的表面，因此数据载体与读写器之间的密耦合能够 提供较大的能量。密耦合系统主要应用于安全要求较高， 但对作用距离不作要求的设备中，如电子门锁系统。 遥耦合系统的典型作用距离可以达到1 m。遥耦合系 统又可细分为近耦合系统（典型作用距离为15 cm）与疏 耦合系统（典型作用距离为1 m）两类。遥耦合系统的典 型工作频率为13.56 MHz，也有一些其他频率，如6.75 MHz、27.125 MHz等。在ISO/IEC标准中，14443标准和 15693分别针对近耦合系统和疏耦合系统。遥耦合系统目 前仍然是低成本射频识别系统的主流。

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。
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。
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。
电子标签天线的电路是并联谐振电路。谐振时，并联 谐振电路可以获得最大的端电压，使电子标签线圈上输出 的电压最大，可以最大程度地耦合读写器的能量，可以满 足电子标签接收的信号无失真，这时只需要根据带宽要求 调整谐振电路的品质因数。
串联谐振的条件是电路中的电抗X=0，即电路中的感 抗和容抗必须相等。 由谐振条件得，谐振角频率为 谐振频率为
0
f0
1 LC
1 2 LC

串联谐振的电路特性
谐振时，因X=0，所以谐振时 电路的阻抗Z0=R，是一个纯 电阻，此时阻抗为最小值。 阻抗Z随ω的变化如下图所示： 在信号源电压有效值U 保持不变 的情况下，谐振时电流有效值 I0=U/Z=U/R达到最大值，并且与 同相位。电流I随ω的变化如下 图所示：
读写器天线电路采用串联谐振电路，获 取最大的电流，即最大程度地输出读写 器的能量。那么电子标签的天线电路又 是什么样子的呢？
（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。
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。
电子标签能量获取？
能量 数据 RFID阅读器 时序 耦合元件 耦合元件（天线线 圈） 电子标签
双方数据如何传输？ 二者工作方式如何进行？

电子标签芯片结构图
读写器的基本构成
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。
RFID系统的射频前端
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
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

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
13
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）
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

RFID电子标签射频前端天线电路的结构
电感L由天线组成，电容 C与电感L并联，构成并联谐 振电路。实际应用中，电感L 和电容C有损耗，并联谐振电 路相当于电感L、电容C和电 阻R三个元件并联而成。
C

并联谐振电路的组成
串联谐振电路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。 如果信号源的内阻大（近似为恒流源），则应该采用并联 谐振电路。并联谐振电路结构如图所示.
不接触，信息是如何传递的？
内容详见书中以下章节：
第2章 谐振电路
7.5 RFID的耦合方式与调制

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。
1 B 0 C 0 0 L
因此，并联谐振电路的谐振条件为B=0.
并联谐振电路与串联谐振电路的谐振（角）频率计算公式相同。 谐振角频率 谐振频率
0
f0 1
1
LC
2 LC

并联谐振电路的谐振特性
0 L
1 0C 1 LC L L C
1.特性阻抗
2.品质因数
12 M12 I1
互感现象中产生的感应电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.
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。
2 2m
应 答 器
i1=I1msin(ωt) 阅读器 谐振 回路 阅读器 线圈
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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
串联电路谐振时， 电阻上的电压
U =RI =R U U R0 0 R
U L0
1 U U C0 j I 0 j jQU 0C R
电感上的电压 电容上的电压
U j jQU j0 LI 0 R
回路中的Q值可以很高，谐振时电感线圈和电容器两端的电压可 以比信号源电压大数十到百倍，所以串联谐振又称为电压谐振。 在选择电路器件时，需考虑器件的耐压问题。
由电路图可得，并联谐振电路的导纳
1 Y G jB G j( BL BC ) G j C L

并联谐振电路的谐振条件
对并联谐振电路的分析方法可以与串联谐振进行类比。 当电纳B=0时，电路的两端电压与输入电流同相位，电路表现为
纯电阻性，此时电路发生了并联谐振。即
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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。
读写器天线电路采用串联谐振电路，获 取最大的电流，即最大程度地输出读写 器的能量。 电子标签的天线电路采用并联谐振电路， 获得最大的电压。 那么，阅读器和电子标签之间的电感耦 合又是怎么回事呢？
（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)

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
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
阅读器如何将能量传递给电子标签？
电子标签如何将数据传递给阅读器？
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
2、能量供给
能量供给： 阅读器天线电路 电子标签天线电路 阅读器和电子标签之间的电感耦合
（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。 C •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 RFID 读写器射频前端天线电路的结构 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。
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。
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。
1 仅改变角频率ω，当0 L = C时，回路发生串联谐振。 0
即
1 X 0 L 0 0 C