第2章 电感耦合方式的射频前端

• 分频信号检测法
19
传输方式（阅读器---应答器）
• 电感耦合的时序方式 • 扫频法 • 分频信号检测法
与电感耦合方式相同，应答器是无源的，载波信号 经二分频送至调制器，在调制器中被应答器数据调制， 被调制的二分频载波信号经应答器电感线圈送至阅读 器，阅读器对二分频载波信号进行处理。
20
第二章 电感耦合方式的射频前端
• 扫频法 • 分频信号检测法
15
传输方式（阅读器---应答器）
• 电感耦合的时序方式（P5 图1.4）
在时序系统中，从应答器到阅读器的信息传输是 在应答器能量供应间歇进行的，阅读器与应答器不同 时发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高 系统的工作距离。 • 扫频法 • 分频信号检测法
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传输方式（阅读器---应答器）
ILP L R1
I S
C
ICP
I S
L
C
RP
（a）损耗电阻和电感串联
（b）损耗电阻和回路并联
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• 串并联阻抗等效互换
A X1 Rx A X2 B R2
B
R1
（a）串联电路
2 2 R2 ( jX 2 ) R2 X 2 R2 X2 Z ( R1 Rx ) jX1 2 j 2 2 2 R2 jX 2 R2 X 2 R2 X2
串联谐振回路
L R1
回路的品质因数：
1 1 L 1 Q R 0CR R C R
Biblioteka Baidu L
RS
C
V s
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。
27
第二章 电感耦合方式的射频前端
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）
• 当Ant.B端通过控制开关与VSS端短接时，谐振电路域 工作频率失谐，此时应答器芯片虽已处于阅读器的 射频能量场之内，但处于休眠状态。 • 当Ant.B端开路时，谐振回路在谐振频率上，应答器 可获得能量，进入工作状态。 33
RL
0
1 1 L f0 0 L 2 π LC 0C C
25
L
R1
RS
C
V s
I
RL
• 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
（2）谐振时，回路电流最大，且同相
（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 26
• e5550芯片的天线电路 • 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为外接。
天线 1 L C 天线 2 Vdd VSS 2.37 mm Test 1.47 mm
做测试时快速编程和校验，
在射频工作时不用。
RFID无源应答器的天线电路常采用并联谐振（电流谐 振）电路，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，即谐 振电路两端可获得最大电压，使应答器从阅读器耦合的能 量最大。 34
RS
C
V s
I
RL
1 2 2 2 Z R X R L 阻抗： C
2
X arctan arctan 相角： R
L
R
1 C
24
串联谐振回路
L R1
串联回路的谐振条件：
RS
C
1 X L 0 C
1 LC
V s
I
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）
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• 应答器的天线电路
Ant.A L1 C L2 L1> L2 VSS Ant.A C1 L C2 C1>C2 VSS Ant.A L1
1M
HF
UHF
3G
1G
SHF
30G
f(Hz)
低频和高频RFID采用电感耦合方式进行工作。在
这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线 圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合， 构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与 射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电
路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。
（b）并联电路
2 2 R2 X2 X2 R2 X 2 R2 X R1 Rx 2 1 2 2 2 2 R2 X2 1 X 2 / R2 R2 X 2 1 R2 / X 2 2
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第二章 电感耦合方式的射频前端
• 射频识别的基本原理
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
磁场 H i C1 Rs C2 vs R1 阅读器 应答器 应答器芯片 C3 L1 L2 v2 VD 存储及 控制电路
穿过电感线圈L2的磁力线通过感应，在L2上产生电压v2，将其 整流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器C2的选择 应使L2C2构成工作频率谐振的回路，以使电压v2达到最大值。 13
L2
C2 CP 直流电压
Cp容量选的较大，则电路储能及电压平滑作用较 好，但集成电路制作代价大，所以Cp容量不能选的过 大，通常为百pF数量级。
39
• 应答器直流电源电压的产生
R2 L2 C2 v2
v2
2
整 流 器
CP
稳 压 电 路
VCC
芯 片 其 他 电 路
经滤波电容CP滤去高频成分，获得直流电压。C P同时又作为储能器件，以获得较强的负载能力。
《RFID技术与应用》
利节 leighby16@163.com
重庆科技学院 电气与信息工程学院
第二章 电感耦合方式的射频前端
• 射频识别的基本原理
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
2
第二章 电感耦合方式的射频前端
• 射频识别的基本原理
2 1
串联谐振回路
由电感线圈L和电 容器C组成的单个谐振 电路，称为单谐振回 路。R1是电感线圈L损 耗的等效电阻，RS是 信号源的内阻，RL是 负载电阻，回路总电 阻值R=R1+RS+RL。
L R1
RS
C
V s
I
RL
23
串联谐振回路
L
R1
回路电流 I
V V s s I Z R jX V s 1 R j L C
磁场 H
谐振电路
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
11
电感耦合方式的电路结构
磁场 H i
射频源 内阻 射频源
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
L1的损耗电阻
12
电感耦合方式的电路结构
谐振时高频电流i最大 ，高频电流i产生的磁场 穿过线圈，并有部分磁力线穿过距阅读器电感线圈 L1一定距离的应答器电感线圈L2.
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
31
• 应答器的天线电路 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 C L2 L1> L2 VSS Ant.A C1 L C2 C1>C2 VSS Ant.A L1
MCRF355
所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率 随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。
• 分频信号检测法
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传输方式（阅读器---应答器）
• 电感耦合的时序方式 • 扫频法 所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率 随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。
当应答器接近阅读器，阅读器扫频 信号的频率和应答器谐振回路的频率相 等时，阅读器的电流产生一个明显的增 量。可用于商场的电子防盗。
• 射频识别的基本原理
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
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阅读器天线电路
L L
C C
（a）串联谐振回路
（b）并联谐振回路
在阅读器中，串联 次级线圈 谐振回路具有电路简单、 初级 线圈 成本低，激励可采用低 C 内阻的恒压源，谐振时 C 可获得最大的回路电流 （c）具有初级和次级线圈的耦合电路 等特点，被广泛采用。 22
电感耦合方式的应 答器几乎都是无源的， 能量从阅读器获得。
VD 存储及 C2 C3 控制电路
C1 Rs
vs R1 阅读器 应答器 应答器芯片
电感耦合方式的射频载波频率fc为13.56Mhz和小于135khz的频 段。应答器与阅读器之间的工作距离在1m以下。 10
电感耦合方式的电路结构
谐振电路
C1 Rs L1 i
• 应答器直流电源电压的产生
R2 L2 C2 v2 芯 片 其 他 电 路
v2
2
整 流 器
CP
稳 压 电 路
VCC
应答器通过与阅读器电感耦合，产生交变电压，该 交变电压通过整流、滤波和稳压后，给应答器的芯片 提供所需的直流电压。
35
• 应答器直流电源电压的产生
R2 L2 C2 v2
v2
2
第二章 电感耦合方式的射频前端
• 射频识别的基本原理
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
9
电感耦合方式的电路结构
由于阅读器产生的磁场强度收 到电磁兼容性等有关标准的严格限 制，因此系统的工作距离较近。
磁场 H i L1 L2 v2
7
常用：
125k
866～ 13.56M 433M 960M
5.8G
30k 300k
0
1k
LF
3M 30M 300M
1M
HF
UHF
3G
1G
SHF
30G
f(Hz)
微波电子标签采用反向散射耦合方式，理论基 础是电磁波传播和反射的形成，与电感耦合方式差
异在于所使用的无线电射频的频率不同和作用距离
的远近。
8
• 电感耦合的时序方式（P5 图1.4）
在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传 输数据时间内需要消耗的能量。应答器可用的能量由 充电电容器的电容量和充电时间决定。应答器中需要 有一个容量较大的电容，带来不便。 • 扫频法 • 分频信号检测法
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传输方式（阅读器---应答器）
• 电感耦合的时序方式 • 扫频法
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
3
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。
能量 通信 接口 阅读器 时序 数据 应答器
RFID的基本原理框图
4
RFID的工作频率
常用：
125k
13.56M
433M
866～ 960M
传输方式（阅读器---应答器）
电感耦合的时序方式 扫频法
分频信号检测法
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传输方式（阅读器---应答器）
• 电感耦合的时序方式（P5 图1.4） 阅读器向应答器的能量传输和数据传输占用一个 连续的时隙，在此时，应答器获取能量而不传送数据。 在两次能量供应的间隙事件，应答器完成向阅读器的 数据传输。仅适合在135kHz以下频率范围内工作。应 答器需要一个容量较大的电容。
• 射频识别的基本原理
1. RFID的工作频率 2. 串联谐振回路 3. 并联谐振回路
4. 应答器直流电源电压
• 反向散射耦合
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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 阻很大）分析比较方便。
整 流 器
CP
稳 压 电 路
VCC
芯 片 其 他 电 路
天线电路获得的耦合电压经整流电路后 变换为单极性的交流信号。
36
• 整流与滤波 采用MOS管的全波整流电路
L2
C2 CP 直流电压
37
• 整流与滤波 采用MOS管的全波整流电路
L2
C2 CP 直流电压
滤波电容集成在芯片内
38
• 整流与滤波
0
特高频 超高频 300-3GHz 30-300kHz 3-30GHz 3-30MHz 工作频率分布图
1k
LF
3M 30M 300M
低频
1M
HF
UHF
3G
高频
1G
SHF
30G
f(Hz)
微波频率
6
常用：
125k
866～ 13.56M 433M 960M
5.8G
30k 300k
0
1k
LF
3M 30M 300M
5.8G
30k 300k
3M 30M 300M
3G
30G
f(Hz)
0
1k
LF
1M
HF
UHF
1G
SHF
特高频 超高频 300-3GHz 30-300kHz 3-30GHz 3-30MHz 工作频率分布图
5
低频
高频
RFID的工作频率
常用：
125k
13.56M
866～ 433M 960M
5.8G
30k 300k