射频识别第二章

射频识别第二章第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期二射频识别技术工作在低频和高频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），工作在特高频和超高频时基于反向散射耦合方式。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。本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理。电感耦合方式的射频前端第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期二下图为三种典型的天线电路：阅读器天线电路第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期二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，因而被广泛采用。串联谐振回路电路组成：其中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。串联谐振回路：电路组成第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期二若外加电压为，则回路电流为：其中Z=R+jX为阻抗。如果有：则电流为最大值，此时回路发生谐振，上式称为串联回路的谐振条件。由此可知回路发生串联谐振的角频率ω0和频率f0分别为：f0称为谐振频率，ρ

称为谐振回路的特性阻抗。串联谐振回路：谐振条件第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期二串联谐振回路谐振时具有如下特性：回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值，且为纯阻；回路电流最大，即，且与同相；电感和电容两端的电压分别为：由此可见，电感与电容两端电压的模值相等，且都等于外加电压的Q倍，

Q称为回路的品质因数：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。串联谐振回路：谐振特性第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期二设谐振时回路中的瞬时电流i为：则电感L和电容C上存储的瞬时能量分别为：上式中，为电压源的幅值。电感L和电容C存储的能量之和wR为：由此可见，是一个不随时间变化的常数。这说明回路中存储的能力保持不变，只是在电感和电容间相互转换。串联谐振回路：能量关系第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电阻R消耗的平均功率P为：在每一周期T（T=1/f0,f0为谢振频率）内，电阻R消耗的能量为：回路中存储的能量wL+wC

与每一周期消耗的能量wR

之比为：因此，从能量的角度看，品质因数Q可以表示为。串联谐振回路：能量关系第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期二回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线称为谐振曲线。任意频率下的回路电流与谐振时的回路电流之比为：取其模值，得：上式中，表示偏离谐振的程度，称为失谐量，称为广义失谐。串联谐振回路：谐振曲线第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期二谐振曲线：由图可知，Q值越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性也就越好。串联谐振回路：谐振曲线第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期二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，半功率点的电流比为0.707，如下图所示：通频带BW为：由此可见，Q值越大，通频带越窄，选择性越好。串联谐振回路：通频带第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期二安培定理指出，当电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场。对于直流载流体，在半径为a的环形磁力线上，磁场强度的大小为：其中i为电流，a

为半径。磁感应强度B和磁场强度H的关系为：其中μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率。电感线圈的交变磁场第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期二在电感耦合的射频识别系统中，阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结构，如下图所示。图中P点的的磁感应强度BZ为：电感线圈的交变磁场其中i1为电流，N1为线圈匝数，a为线圈半径，r为距离线圈中心的距离，μ0为真空磁导率。当

r<<a时，磁感应强度几乎不变。特别的，当r=0时，当r>>a时，第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期二上面的关系表明，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，其衰减大约为60dB/10倍距离，如下图所示：上述结论适用于近场，近场是指与线圈中心处的距离小于的rλ

的范围，即其中为r为工作波长。

电感线圈的交变磁场rB0

第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期二假定线圈中电流不变，讨论a和BZ的关系。令dBZ/da=0，求得BZ具有最大值的条件为,这就是说，在一定距离r处，当线圈半径为时，可获得最大磁感应强度。矩形线圈的磁感应强度为：其中i1为电流，N1为线圈匝数，a和

b为矩形的边长，r为距离线圈中心的距离，μ0为真空磁导率。电感线圈的交变磁场第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期二Microchip公司生产的13.56MHz应答器MCRF355和MCRF360的天线电路：应答器天线电路第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期二Temic公司生产的125kHz应答器芯片e5550的天线电路：应答器天线电路第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期二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，则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。导纳Y可表示为：其中为电导，为谐振电阻，为电纳。并联谐振回路图（a）中并联回路两端的阻抗为：第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期二因此我们可以得到另外一种形式的并联谐振回路：当并联谐振回路的电纳时，回路两端电压，并且

和同相，此时称并联谐振回路对外加信号频率源发生并联谐振。由推得并联谐振的条件为：并联谐振回路：谐振条件第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期二并联谐振时的谐振电阻为：同样，在并联谐振时把回路的感抗值（或容抗值）与电阻的比值称为回路的品质因数：式中称为特性阻抗，进一步有：由此可见，谐振时谐振电阻等于感抗值（或容抗值）的倍。并联谐振回路：谐振特性第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期二谐振时电容支路、电感支路的电流和分别为：并联谐振回路：谐振特性由此可见，并联谐振时电感、电容支路的电流为信号源电流的倍，所以并联谐振又称为电流谐振。第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期二并联谐振回路：谐振曲线和通频带并联谐振回路和串联谐振回路的谐振曲线相同，但其纵坐标不同：并联谐振回路的通频带带宽BW为：式中fp为并联谐振频率，为谐振曲线两半功率点的频差。第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期二加入负载后的并联谐振回路当考虑源内阻RS和负载电阻RL后，并联谐振回路的等效电路如下图所示。因为有：所以有：由此可见，当考虑源内阻RS和负载电阻RL后，并联谐振回路的品质因数要下降。RSRL第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期二考虑下图所示的串、并联电路，二者等效实质是指在电路的工作频率为f时，从AB端看进去的阻抗相等。从阻抗相等的关系可得：串、并联阻抗等效互换第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期二串联回路的品质因数Q1为：因此有：在高Q1时，串、并联阻抗等效互换第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期二阅读器和应答器之间的电感耦合阅读器和应答器之间的电感耦合关系如下图所示：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，应答器天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期二应答器线圈感应电压的计算应答器线圈上感应电压v2的大小和穿过线圈所围面积的总磁通量ψ的变化率成正比，即：其中N2是应答器线圈的匝数，Φ

是每匝线圈的磁通量。Φ与磁感应强度的关系为：这里磁感应强度B

由阅读器线圈产生，S是线圈所围面积，·表示内积运算。因此有：第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期二应答器线圈感应电压的计算设B和S之间的夹角为0，则有：上式M为阅读器与应答器线圈间的互感。由此可见，阅读器线圈和应答器线圈之间的耦合像变压器耦合一样，初级线圈（阅读器线圈）的电流产生磁场，该磁场在次级线圈（应答器线圈）产生感应电压。因此，这种电感耦合方式也称为变压器耦合方式。第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期二应答器谐振回路端电压的计算应答器天线电路可用下图表示，其中v2是应答器线圈L2中的感应电压，R2是的损耗电阻，C2是谐振电容，RL是负载，是应答器谐振回路两端的电压。串、并联阻抗等效互换第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期二应答器谐振回路端电压的计算谐振时有：因为i1=I1msin(ωt)，di1/dt=ωI1mcos(ωt)，ω

为角频率，f为物理频率，所以有：第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期二应答器直流电源电压的产生从耦合电压v2到应答器工作所需的直流电压Vcc的变换过程如下图所示：整流与滤波稳压电路第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期二阅读器与应答器之间的耦合电路模型如下图（a）所示，其中是频率为ω

的正弦电压，RS是其内阻，R1是电感L1的损耗电阻,M是互感，R2是电感L2的损耗电阻，RL是等效负载电阻，C1和C2分别为初级、次级回路的谐振电容。为了分析的方便，将（a）中C2与RL的并联电路转换为（b）中与的串联电路。阅读器与应答器之间的耦合电路模型第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期二互感耦合回路的等效阻抗关系初级、次级回路的电压方程为：式中Z11为初级回路自阻抗，Z22为次级回路自阻抗，解上述方程得：则有：令把称谓次级回路对初级回路的反射阻抗，把称为初级回路对次级回路的反射阻抗。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电阻负载调制负载调制是应答器向阅读器传输数据所使用的方法。在以电感耦合方式工作的射频识别系统中，负载调制有电阻负载调制和电容负载调制两种方法。下图为电阻负载调制的原理电路图：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。假定二进制数据编码信号为“1”时S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod的并联；二进制数据编码信号为“0”时S断开，应答器负载电阻为RL。应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和RL与Rmod的并联值（S闭合时）。第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电阻负载调制电阻负载调制的等效电路图：次级回路等效电路中的端电压。设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗Xf2=0，故：上式中RLm为负载电阻RL和负载调制电阻Rmod的并联值。当进行负载调制时，RLm<RL,因此下降。在实际电路中，的变化反映为电感线圈两端的电压变化。第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电阻负载调制电阻负载调制的等效电路图：初级回路等效电路中的端电压。次级回路的阻抗表达式为：因此电阻负载调制时Z22下降，导致Z22上升（在互感M不变的情况下）。若次级回路处于谐振状态，其反射电抗Xf1=0，则表现为反射电阻Rf1的增加。Rf1的增加即意味着的增加。第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电阻负载调制电阻负载调制数据信息传递的原理：第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电容负载调制是用附加的电容Cmod代替调制电阻Rmod，其原理电路图如下：电容负载调制和电阻负载调制的不同之处在于：的接入不改变应答器回路的谐振频率，因此阅读器和应答器在工作频率下都处于谐振状态；当接入后，应答器回路失谐，其反射电抗也会引起阅读器回路失谐，情况比较复杂。电容负载调制第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电容负载调制的等效电路图：次级回路等效电路中的端电压。设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗Xf2=0，故：由此可见，Cmod的接入使得下降，即电感L2两端的电压下降。电容负载调制第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电容负载调制的等效电路图：初级回路等效电路中的端电压。次级回路的阻抗表达式为：因此电容负载调制时Z22下降，导致Z22上升（在互感M不变的情况下）。但由于次级回路失谐，因此Zf1中包含Xf1的成分。由于Zf1上升，所以电感L2两端的电压增加，但此时电压不仅是幅度的变化，也是相位的变化。电容负载调制第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期二功率放大电路位于射频识别系统的阅读器中，用于向应答器提供能量。阅读器中的功率放大电路采用谐振功率放大器（采用谐振回路作为匹配网络的功率放大器）。按照流通角的不同，功率放大器可以分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C类（或称丙类）三类工作状态。除了按照电流流通角来分类的工作状态外，还有使电子器件于开关状态的D类（或称丁类）和E类（或称戊类）放大器。在电感耦合射频识别系统的阅读器中，常采用B、D

E类放大器。功率放大电路第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期二电子产品的电磁兼容性（EMC）包含两方面：一方面是电磁干扰（EMI），另外一方面是抗电磁干扰的能力（EMS）。对于电子产品EMI的限制，体现在很多国际标准和相关国家标准中。在电感耦合方式的射频识别系统中，为保证一定的作用距离，在电感线圈周围需要有一定的磁场强度，但是其磁场强度不能超过相关射频标准中给出的磁场强度的最大值。在13.56MHz，美国联邦通