第6章(4学时)-RFID的射频前端

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。
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
➢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）
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
（3）支路电流是总电流的Q倍
I
+
U
R XL
XC I1
IC
-
.
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。
V&1
R5
I&1 L1
C1
I&2
L2
RL
C C
2
2
（b）次级经过等效变换后的耦合电路
互感耦合回路的等效阻抗关系
•
•
•
Z11 I1 jM I 2 V 1
•
•
jM I1 Z22 I 2 0
.
I&1
V&1
M 2
Z11 Z22
jMV&
Leabharlann Baidu
I&2
Z11
M 2
Z22 Z11
电阻负载调制
开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，开
关S的通断由二进制数据编码信号控制。
M
R2
Rmod
L1 C1
L2
C2
RL
S
二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号
为“1”时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和 Rmod并联；而二进制数据编码信号为“0”时，开关S断开， 应答器负载电阻为RL。 由于Rmod的接入，使得并联电阻减小，导致品质因数降低，这
2
0i1 N1a 2
a2 r2 3 2
0 H Z
线圈半径取多少合适？
.
BZ
2
0i1 N1a 2
a2 r2 3 2
0HZ
设r为常数，假定线圈中电流不变，则
BZ
2
0i1N1a2
a2 r2 3 2
0i1N1
2
a2 a2 r2
32
k
a4 a2 r2 3
令 dBz 0 da
可得，Bz具有最大值的条件为： a 2r
Vs
Vs
Vs
Z
R jX
R
j
L
1
C
串联回路的谐振条件
X L 1 0 C
0
1 LC
f0
2π
1 LC
0L
1
0C
L
C
.
回路的品质因数
L
R1
RS
Q 0L 1 1 L 1
R 0CR R C R
V&s
C
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
.
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
r
Y
v1=V1msin(ωt)
离线圈中心距离r处P点的磁感应强 度的大小为：
BZ
2
0i1 N1a 2
a2 r2 3 2
0 H Z
P
BZ Z
.
BZ
2
1
j
R jω ω RC
L ω2
LC
实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有 ω 0L R
则：Z
jω L 1 ω2 LC j ω R C
1 RC L j(ωC
1 ω L)
.
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
.
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。
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。
.
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
.
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。
即最大程度地输出读写器内的阻能的恒量压源，谐振时可获
•足够的带宽，保证载波得信最号大的的传回输路，电流使等读特写点器，信
号无失真输出
被广泛采用。
.
串联谐振回路
R效1是电电阻感，线RS圈是L信损号耗源的V•等s
的内阻，RL是负载电阻，
回路总电阻值R=R1+RS
+RL。
RS
L
R1
C
V&s
I&
RL
.
电路的等效阻抗为
RFID物理学基础 -----射频前端
主讲人：
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。
.
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。
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
.
并联谐振
谐振条件
I
1 (R jω L)
+
Z jωC
U
R XL
XC I1
IC
-
1 ( R jω L) jω C
值相等，且等于外加电压的Q
倍
.
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。
N2
d
dt
N2
d dt
B dS
N2
d dt
0i1a2
2 a2 r2 3 2
dS
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
整
C1 Rs
vs R1
L1 i
磁场 H
L2
v2
阅读器
应答器
VD
存储及
C2
C3 控制电路
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
M
R2
RS
R1
M
R2
R5
L1
V&1
C1 R5
L2 C2
（a）耦合电路
RL
M12
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：
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
磁场 H
C1 Rs
vs R1
L1 i 阅读器
L2
v2
应答器
VD
存储及
C2
C3 控制电路
应答器芯片
.
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？
.
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
H i
磁场强度：H i 2πa
.
1、线圈的自感和互感
使得应答器两端的电压减小。
.
电阻负载调制数据信息传递的原理
（a）二进制数据 编码信号
（b）应答器线圈 两端电压
（c）阅读器线圈 两端电压
（d）阅读器线圈 两端电压解调
（a）是应答器上控制开关S
的二进制数据编码信号，
（b）是应答器电感线圈上的 电压波形，
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）
无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路
C2
v22
流
器
v2
稳
压
CP
电
路
芯
片
其
VCC
他
电
路
电子标签可采用全波应整 答器直流电源电压的产生
流电路，线圈耦合得到 的交变电压通过整流后 直流电压。
电容Cp滤除高频成 分，同时作为储能元
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 标签的芯片提供所需直 流电压。
0i1 N1a 2
a2 r2 3 2
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
线圈
i1
a
BZ
0
i1N1 2a
r>>a时
O
r
Y
v1=V1msin(ωt)
P
BZ
0
i1 N1a 2 2r3
0HZ
BZ Z
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。
.
BZ
1
Z
ZR
ZL
ZC
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。
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
串联谐振回路
V&s
C
I&
RL
回路电流
•
I
•
•
•
•
I
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，
.
•
•
•
•
I
Vs
Vs
Vs
Z
R jX
R
j
L
1
C
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
L
R1
C
（2）谐振时，回路电流最大，
V&s
且与Vs同相
I&
RL
（3）电感与电容两端电压的模
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。
.
.
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 。
当距离足够近，应答器天线 电路所截获的能量可以供
B
应答器芯片正常工作时，
应答器
阅读器和应答器才能进入
线圈
应
C
答 器
信息交互阶段。
v2=V2msin(ωt)
阅读器
谐振 回路
i1=I1msin(ωt)
阅读器 线圈
.
应答器线圈感应电压的计算
v2
d
dt
N2
d
dt
N2
BdS
v2
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
设计要求：
RFID阅读器的射频前端常
•天线线圈的电流最大，采用串用于联串产谐联生振谐最回振路大电具路的有。磁电通路量简
•功率匹配，以最大限度单地、利成用本磁低通，量激励的可可采用用能低量，
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。
.
.
（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，