（信号与信息处理专业论文）超高频射频电子标签射频前端设计.pdf

y i y i ii i l l i i1 7 i l t 9 t11118ii i 111111必ii 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：藿旃签 触荔年r 月乃日尸。tj ，j 少7h 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在歹年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 羝娅 学位论文作者签名： 雀衙衣 解密时间： 29t ；年5 具弓f 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：绯 徊驴年r 月i 弓日 中文摘要 中文摘要 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它利用无线通信技术进行 非接触双向通信，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无 须人工干预，尤其可工作于各种恶劣环境。随着技术的发展，射频识别的应用 领域日益扩大，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。 考虑到超高频射频识别系统的广泛应用，本文设计了基于i s o1 8 0 0 0 - - 6 c 协议标准的超高频射频识别电子标签芯片射频前端电路。本次设计采用 c h a r t e d0 3 5 u me m b e d d e de 2 p r o m 工艺，工作频率带宽为8 6 0 删z - - 9 6 0 m h z ，中 心频率为9 1 0 m t t z 。输入射频功耗为9 0 u w 二一3 0 m w ，芯片工作电压为1 5 v ，负载 电流为3 0 u a 。 首先，文章系统地论述了超高频射频识别系统的物理基础。对超高频射频 识别系统中应用的电磁场理论，天线辐射理论和能量的传递与反射以及协议标 准进行了详细的分析介绍。 其次，文章研究了超高频射频电子标签芯片的整体架构。对标签芯片的各 模块进行了功能分析，分析了各模块关键电路的设计指标。 然后，文章对本文设计的标签芯片的射频前端电路进行了详细分析。对n 级倍压整流电路进行了研究、分析并建立了理论模型，为设计初期的芯片系统 重要参量如输入功耗，射频整流效率，输入阻抗及芯片工作频宽等的优化及确 定提供理论依据与参考。对射频前端电路中调制电路的调制类型进行了理论分 析，并比较了射频识别中常用的调制类型的优缺点。 最后，根据对射频前端电路各模块的理论分析，针对标签芯片射频前端要求 的低输入能量，高转换效率的特点，文章设计了适用于i s 0 1 8 0 0 0 - - 6t y p ec 标 准的超高频射频电子标签射频前端电路的整流电路，调制电路以及匹配和天线， 给出了仿真结果。仿真测试表明，电路达到了预期的设计目标。 关键字：超高频电子标签低功耗倍压整流肖特基二极管 t h i r d l y , t h ens t a g e sv o l t a g e - d o u b l e rr e c t i f i e ri ss t u d i e da n dt h ea n a l y s i sm o d e l s w i t he q u a t i o n sa reb u i l t 1 1 1 ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fr ff r o n te n d ，s u c ha st h ei n p u t e n e r g y , t h er f d cp o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , r e c t i f i e ri n p u ti m p e d a n c ea n d w o r k i n gb a n d w i d t ho ft h ec h i p ，c a nb ed e r i v e df r o mt h ee q u a t i o n s 1 1 1 et y p eo f m o d u l a t o ra r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h el o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dt h eh i g hp o w e rc o n v e r t e f f i c i e n c yr e q u i r e m e n t so ft a gc h i p ，t h er ff r o n te n do ft h eu l t r ah i g hf r e q u e n c y r e s p o n d e ro ni s o18 0 0 0 - - 6 ca r ed e s i g n e d k e yw o r d s ：u l t r ah i g hf r e q u e n c y , t a gc h i p ，l o wp o w e r , v o l t a g e - d o u b l e rr e c t i f i e r , s c h o t t k yd i o d e t t 2 2 2 天线的输入阻抗1 l 第三节射频识别系统中的能量传递1 2 2 3 1 能量传递过程中的基本参数1 3 2 3 2 射频识别系统中的能量传递。1 4 第四节射频识别系统中的能量反射1 6 2 4 1 射频识别系统标签到阅读器的通信机制1 6 2 4 2 射频识别系统中反射的能量1 7 2 4 3 射频识别系统中的反射横截面1 8 i i i 内容目录 第五节射频识别系统中的协议标准 2 0 2 5 1 阅读器至标签的数据传输2 0 2 5 2 标签至阅读器的数据传输2 2 第三章超高频射频电子标签系统整体架构及设计难点分析2 3 第一节系统的整体功能框图 第二节系统各功能模块分析 2 3 2 3 3 2 1 天线2 4 3 2 2 射频前端2 4 3 2 3 模拟前端2 5 3 2 4 逻辑控制与存储器。2 6 第三节射频电子标签系统整体框图及关键设计指标2 6 3 3 1 超高频射频电子标签系统整体架构2 7 3 3 2 超高频射频电子标签整体芯片设计关键指标分析2 7 3 3 3 超高频射频电子标签射频前端电路的关键指标分析。2 8 3 3 4 超高频射频电子标签模拟前端电路的关键指标分析。2 9 第四章超高频射频电子标签射频前端电路的分析。3 0 第一节整流电路的分析 3 0 4 1 1 整流电路的输入功耗分析3 1 4 1 2 整流电路的整流效率分析。3 8 4 1 3 整流电路的输入阻抗分析4 0 第二节标签天线和匹配的分析 4 2 1 标签天线与标签芯片匹配条件下的分析4 1 4 2 2 标签天线与标签芯片不匹配条件下的分析。4 3 第三节调制电路的分析4 6 4 3 1a s k 和p s k 调制原理4 7 4 3 2 整流电路可用射频能量分析4 8 4 3 3 调制电路反向散射能量分析一5 0 4 3 4a s k 和p s k 调制方式的典型应用5 0 第五章超高频射频电子标签射频前端电路的设计与实现5 6 第一节整流电路的设计。 5 7 内容目录 5 1 1 整流电路的整体设计5 7 5 1 2 整流电路的实现及仿真结果6 0 第二节调制电路的设计。 5 2 1 调制方式选择6 4 5 2 2 调制电路的设计6 4 5 2 2 调制电路的实现及仿真结果6 5 第三节射频前端电路的匹配电路与整体设计6 6 5 3 1 匹配及天线的设计6 6 5 3 2 整体电路的实现与仿真结果6 7 第六章总结与展望。6 9 第一节总结。 第二节展望 参考文献。7 1 致谢7 4 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果一7 5 v 图目录 图目录 1 1 射频识别系统的组成1 2 1 射频识别系统示意图6 2 2 作为e 和h 矢量积的坡印廷矢量9 2 3 电流元模型9 2 4 应答器天线的等效电路图。1 2 2 5 r f i d 标签芯片和标签天线的等效电路1 4 2 6 远程目标的反射。1 6 2 7 不同阻抗导致不同的反射系数1 6 2 8 阻抗调制时的反射横截面1 9 2 9p i e 数据格式2 0 2 1 0 阅读器到标签的射频包络2 0 2 1 1 前缀形式和同步格式的数据形式2 l 2 1 2f m 0 编码的基本函数及状态图2 2 2 1 3 米勒编码的基本函数及状态图2 2 图3 1 超高频射频电子标签整体功能框图2 3 图3 2 应用于超高频射频标签的几种天线形状2 4 图3 3 超高频射频电子标签射频前端电路框图。2 5 图3 4 超高频射频电子标签模拟前端电路框图。2 6 图3 5 超高频射频电子标签整体架构。2 7 图4 1 带有静电泻流保护电路的射频前端电路。3 0 图4 2 倍压整流电路一3 0 图4 3 倍压整流电路的交流等效电路。3 1 图4 4 倍压整流电路的直流等效电路3 2 图4 5 忽略衬底损失的二极管等效模型3 2 v i 图目录 图4 6 二极管的线性伏安特性曲线3 3 图4 71 级整流电路输出负载电流与二极管伏安特性比例系数的关系3 4 图4 82 级整流电路输出负载电流与二极管伏安特性比例系数的关系3 4 图4 93 级整流电路输出负载电流与二极管伏安特性比例系数的关系3 5 图4 1 0 输出负载电流与输出电压和级数n 的变化3 5 图4 1 1 输入功耗与级数和输入电压振幅的关系曲线3 6 图4 1 2 输入功耗与输出电压振幅的关系曲线3 6 图4 1 3 考虑二极管衬底损耗的二极管等效模型3 7 图4 1 4 输入电压振幅变化时整流效率与级数的关系3 9 图4 15 输出电压变化时整流效率与级数的关系3 9 图4 1 6 级数变化时整流效率与输出电压的关系3 9 图4 1 7 级数变化时整流效率与输入电压的关系4 0 图4 1 8 标签芯片的等效输入阻抗4 0 图4 19 标签整体等效电路4 1 图4 2 0 反射系数与标签天线实部的关系曲线4 5 图4 2 1 品质因数变化时下反射系数与天线虚部的关系曲线4 5 图4 2 2 标签芯片品质因数一定的情况下，反射系数与天线虚部的关系4 6 图4 2 3 射频识别系统的信号与数据流4 6 图4 2 4 a s k 调制时，载波振幅按二进制编码信号在两种状态的切换4 7 图4 2 5 在二进制编码信号的节拍中，使正弦载波信号反相以产生2 p s k 调制4 8 图4 2 6m = 0 5 时史密斯图表示的三种不同调制类型5 1 图4 2 7 不同调制类型在不同调制深度时的能量效率5 2 图5 1 射频输入能量与距离的关系一5 7 图5 2 倍压整流电路5 7 图5 3 倍压整流电路的整体结构5 9 图5 4 带有储能电容的整流电路6 0 图5 5 整流电路的输出电压6 0 v i i 图目录 图5 6 限幅电路结构6 0 图5 7 带有限幅电路和储能电容的整流电路6 1 图5 8 芯片正常工作时整流电路的输出电压6 1 图f t 9 芯片正常工作时输入电流6 1 图5 1 0 芯片正常工作时限幅电路的电流6 2 图5 1 1 芯片近距离工作时的整流电路6 2 图5 1 2 芯片近距离工作时整流电路的输出电压6 2 图5 1 3 芯片近距离工作时输入电流6 3 图5 1 4 芯片近距离工作时限幅电路的电流与输出电压的关系6 3 图5 1 5 调制电路的结构6 5 图5 1 6 带有调制电路的射频前端电路6 5 图5 1 7 基带数据为1 时整流电路的输出电压6 5 图5 18 开关两端电压随基带数据的变化6 6 图5 1 9 射频前端整体电路的实现6 7 图5 2 0 整流电路的输入输出电压和反射电压随基带数据的变化6 7 图5 2 1 射频标签的整体版图设计_ o 6 8 v i i i 第一章引言 1 1 1r f i d 技术概述 第一章引言 第一节研究背景 近年来，由于受到以美国沃尔玛为代表的大型零售商的推动，射频识别技 术，简称r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 在全球掀起阵阵热潮，吸 引了众多厂商参与相关技术及芯片的研究与开发，r f i d 技术处于迅速上升的时 期，该技术被业界公认为是本世纪最有前途的应用技术之一，引起了许多国家 的重视。u 1 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术昭1 ，它利用无线通信技术进行 非接触双向通信，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无 须人工干预，尤其可工作于各种恶劣环境。 与条码、磁条等同期或早期的自动识别技术相比，射频识别技术具有无接 触、工作距离远、精度高、信息收集处理快捷、信息量大、可读写、环境适用 性较好、可以实现多目标、移动目标识别、安全性高等一系列优点。嘲h 司 1 1 2r f i d 系统组成及工作原理 射频识别系统一般由两个部分组成，即应答器( 电子标签) 和阅读器阳卜嘲。 系统构成如图1 1 所示。 处 心 射频识别 应答器 图1 1 射频识别系统的组成 量一 第一章引言 应答器是射频识别系统的数据载体，放置在被识别物体上；阅读器是一种 读写装置，可无接触的读取并识别应答器中所保存的数据。阅读器通过天线发 送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送 出自身编码等信息被阅读器读取并解码后送至计算机，由计算机及计算机网络 实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能”。 7 1 阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：( 1 ) 电感耦合：通过 空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。一般适合于低、高频工 作的近距离射频识别系统。( 2 ) 电磁后向散射耦合：基于雷达后向散射( b a c k s c a t t e r i n g ) 原理，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息， 依据的是电滋波的空间传播规律。一般适合于超高频、微波工作的远距离射频 识别系统。嘲 1 1 3r f i d 系统工作频率 射频识别系统的工作频率可以选择从低频，高频，超高频，以及微波等多个 频率，工作频率不同时，其工作的机理以及面临的问题也不相同。表1 1 是工作 于不同频段的射频识别系统的对比，从表1 1 中可以看出，工作于超高频频段的 射频识别系统其工作距离最远n 1 ，因此研究超高频段的射频识别系统很有意义， 本文选择这个频段作为研究内容。 表1 1 工作于不同频段的射频识别系统的对比 工作频段典型工作频率波长 通信机制典型通信距离 低频( l f )1 2 5 1 3 4 k h z约2 4 千米电感耦合1 0 厘米 高频( 职) 1 3 5 6 蛐z 约2 0 米电感耦合几厘米到1 米 超高频( u 盯) 8 6 0 9 6 0 m h z 约3 3 厘米 电磁场耦合 几米到1 0 米 微波( m i c r o w a v e )2 4 2 4 5 g h z约1 2 厘米电磁场耦合l 米到3 米 1 2 1r e i d 发展历程 第二节研究现状 r f i d 技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空 2 第一章引言 中作战行动中进行敌我识别。从历史上看，r f i d 技术的发展基本可按1 0 年期划 分为以下几个阶段：m - n 1 3 1 9 4 1 年一1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托 克曼发表了“利用反射功率的通讯 ，从而奠定了r f i d 的理论基础” 1 9 5 1 年一1 9 6 0 年，早期技术的探索阶段，主要工作集中在实验室里的实验 研究。 1 9 6 1 年一1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，人们开始了一些应用性的尝 试。 1 9 7 1 年一1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试加速发展，并出现了一些最早的技术的应用。 1 9 8 1 年- - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品逐渐开始商业应用，各种规模应用开始出 现。 1 9 9 1 年- - 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛采用，r f i d 技术标准化问题开始引 起重视，产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 1 年至今，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善。r f i d 产品种类更加 丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成 本不断降低，规模应用行业扩大，r f i d 的标准化问题日趋为人们所重视。n 幻叫1 5 3 1 2 2r f i d 技术研究热点 在射频识别标签技术的研究方面，当前主要集中在天线设计、降低标签成 本、标签芯片低功耗设计等方面。h ， 标签天线与阅读器天线分别承担着接受能量和发射能量的作用。由于应用 场合的限制，r f i d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至需 要直接嵌入到物体内部。因此这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对 r f i d 天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响以及减 小天线尺寸上，出现了分型天线、片上天线等研究。 r f i d 标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。r f i d 标签的成本主要 由i c 芯片、天线和封装等几部分构成。根据a r c 顾问集团调查，2 0 0 3 年被动式 h f 频段标签的平均价格为9 1 美分，u h f 频段标签的平均价格为5 7 美分。随着 集成电路技术的进步和应用规模扩大，r f i d 标签的成本将不断降低。根据a r c 3 第一章引言 顾问集团预测，到2 0 0 8 年，被动式h f 频段标签的平均价格将下降至3 0 美分， u h f 频段标签的平均价格将下降至1 6 美分。现有许多r f i d 标签芯片设计都是基 于特殊工艺( 锗硅、b i c m o s 等) ，众所周知，随着微电子技术的飞速发展，c m o s 工艺己能制造应用于微波波段的芯片，射频电路能集成到大规模数字电路的芯 片上。以c m o s 工艺制造的无线系统将会有更加低的制造成本，因此如何设计出 与低成本c m o s 工艺兼容的r f i d 标签也是现在研究的热点。 标签芯片的功耗大小直接影响到标签的识别距离，现有r f i d 标签芯片研究 中通过许多电路设计技术来降低标签芯片各模块电路功耗，如亚阈值电路、异 步电路、绝热电路、高效率肖特基整流电路、低功耗非易失存储器设计等n 町n 小删。 如何设计出功耗低，适用于r f i d 标签芯片应用的单元电路是决定标签芯片设计 成功与否的关键。 1 2 3r f i d 技术的标准化 r f i d 的标准化是当前亟需解决的问题，各国及相关国际组织都在积极推进 r f i d 技术标准的制定。u 到目前为止，还没有形成完善的国际和国内标准。r f i d 的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部分。其中 标识编码规范包括标识长度、编码方法等；操作协议包括空中接口、命令集合、 操作流程等规范。嘲 在国际上，主要的射频识别技术标准为i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准，欧美的 e p c 规范以及日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范。这三个标准并不兼容，主要 差别在通讯方式、防冲突协议和数据格式三方面。这三个标准都按照r f i d 的工 作频率分为多个部分，其中，处于8 6 0 姗z 一9 6 0 姗z 内的u h f 频段的产品因为工 作距离远且可能成为全球通用的频段而备受重视，发展最快。 我国有关政府部门已经充分认识到r f i d 产业的重要性，在2 0 0 4 年初正式 成立了电子标签国家标准工作组，其目的就是制定中国自己的r f i d 标准，推动 中国r f i d 产业的进展。2 0 0 7 年4 月2 0 日，信息产业部发布了( 8 0 0 删z 9 0 0 姗z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用规定( 试行) ，对我国u h f 频段r f i d 无线发射 设备的工作频率、发射功率、占用带宽、频率容限、邻道功率泄漏比、工作模 式、杂散发射限值以及传导骚扰发射等射频指标作了详细的规定。【1 2 1 4 第一章引言 第三节研究的目的与意义 基于电磁反向散射的超高频射频识别技术是目前国际上射频识别技术发展 的热点，它能和现在的数字化移动技术相适应，可以实现自动识别和远程实时 监控和管理，具有读写距离远，读写速度快等优点。西方国家对超高频射频识 别的研究已经达到相当高的水平，我国则处于起步阶段，大多数技术成果都是 从国外引进，研究具有自主知识产权的超高频射频识别芯片成为我国经济发展 的必须。同时，二十一世纪是一个数字化时代，随着远程信息化网络管理技术 的发展，超高频射频识别技术必然在社会各个方面发挥越来越重要的作用，成 为一个新的经济增长点，因此研究超高频射频识别技术在社会生活各方面有重 大的理论意义和现实意义。 第四节论文结构安排 本论文后面章节具体组织结构如下： 第二章“超高频射频识别系统的物理基础，首先从电磁场的基本关系着手， 通过麦克斯韦方程组解析电场和磁场间的相互关系，分析超高频射频识别系统 中应用的电磁场理论。其次从基本辐射单元模型分析天线的远近场工作模式。 然后分析了射频识别系统中的能量传输与能量反射以及协议标准。 第三章“超高频射频电子标签系统整体架构及设计难点分析”，对标签芯片 的各模块进行了详细的功能模块划分，分析了各模块关键电路的设计指标。 第四章“超高频射频电子标签射频前端电路的分析，对n 级倍压整流电路 进行了研究、分析并建立了理论模型，为设计初期的芯片系统重要参量如输入 功耗，射频整流效率，输入阻抗及芯片工作频宽等的优化及确定提供理论依据 与参考。对射频前端电路中调制电路的调制类型进行了理论分析，并比较了射 频识别中常用的调制类型的优缺点。 第五章“超高频射频电子标签射频前端电路的设计与实现 ，针对标签芯片 射频前端要求的低输入能量，高转换效率的特点，设计了整流电路，调制电路 以及匹配和天线，给出了仿真及结果。 第六章“结论与展望 总结了本论文的工作，给出了今后进一步的研究方向。 5 第二章超高频射频识别系统的物理基础 第二章超高频射频识别系统的物理基础 无线通信传输的基础是电磁场。无线射频识别技术属于无线通信传输技术 之一，其信息交互的媒介自然也离不开电磁场。n 沪肛门因此，对于射频识别系统 来说，阅读器与标签之间的数据传递在物理层是以电磁场理论为基础的。h 1 整个 链路包括基带数字信号的调制( 解调) 、编解码、防碰撞算法及协议标准。图2 1 为一个射频识别系统的示意图。 图2 1 射频识别系统示意图 电磁场是无形无色的，却是物质地存在于人类生活的空间。早在1 8 6 4 年， 英国科学家麦克斯韦( j g m a x w e l l 1 8 3 1 1 8 7 9 ) 总结以往电磁学的实验和理论， 创立了电磁学的完整理论一麦克斯韦方程，从理论上预言了电磁波的存在，并 在1 8 8 7 年被赫兹所证实。 本章首先对电磁场理论进行回顾，然后介绍天线辐射理论，接着对超高频 射频识别系统的能量传输以及能量反射进行理论推导，最后对设计所用协议进 行介绍。通过本章的内容，将对射频识别系统从物理层到应用层有大致了解， 为后面章节的射频识别系统标签芯片设计建立理论基础。 6 第二章超高频射频识别系统的物理基础 2 1 1 麦克斯维方程 第一节电磁场理论 无线通信中，信息通过电磁波进行传输，变化的电场产生磁场，变化的磁 场产生电场。而当电场是连续交变的，则将产生连续交变的磁场，连续交变的 磁场又将产生连续交变的电场。由于随时间变化的电场与磁场的相互依赖关系， 在空间中就有一系列的电场和磁场效应。麦克斯维方程描述了每一点上每个时 刻的电场和磁场情况。交变的电磁场用矢量方程的微分形式表示为i v x h ：了+ 望( 2 1 ) 街 一 a 葛 v e = 一竺( 2 2 ) 岔 v b = 0( 2 3 ) v d = p ( 2 4 ) 其中，( 2 1 ) 是全电流定律，( 2 2 ) 是电磁感应定律，( 2 3 ) 是磁通连续性原 理，( 2 4 ) 是高斯通量定理。 e 为电场强度，单位为v m ；d 为电位移矢量，单位为c m 2 ； 日为磁场强度，单位为a m ；b 为磁感应强度矢量，单位为t 。 了为体电流密度，单位为a 寸；p 为体电荷密度，单位为c m 3 ； 对于线性各向同性媒质： - _ 一一 v x h = j 七1 e v e = - j 国j u h v h = 0 v e = p s ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中，= 。从，= c 0 6 ，以，8 r 称为媒质的相对磁导率和相对介电常数。 对于自由空间有：d = 毛e ，b = h ， 所= 1 ，占，= l 。胁= 4 万1 。日研，= 丽1 0 - 9 f m v j + 望：o a t 式( 2 9 ) 为电流连续性方程。 ( 2 9 ) 电磁场做正弦变化时，假定电磁场与时间的变化关系为p 阚，可以写出麦克 斯韦方程及电流连续性方程的复数形式：呦3 v x h = j + j m d ( 2 1 0 ) 7 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 韦方程 场( 位 密度随 变会引 。则电 ( 2 1 5 ) 热的功 量流动 方向相垂直的单位表面的能量，方向为电磁能传递的方向，其意义是电磁场中 某点的功率密度。3 电磁波中e 和h 都随时间迅速变化，但是在坡印廷矢量和 电场强度与磁场强度之间存在一种固定的关系，即e 总是垂直于h ，在矢量e 和 h 之间展开的平面构成波前，并垂直于传播方向阻1 ，因此电磁波的瞬时能流密度 s 等于e 和h 矢量积，即： + - 。_ s = e h( 2 1 6 ) 根据电磁波的e 和h 及传播方向构成的右旋系的性质可以看出，电磁波的能流 密度矢量s 总是沿着电磁波的传播方向即能量总是向前传播的。h 1 图2 2 表示了 三者之间的关系。 8 自身信息通过调制反射从天线返回。 读器与标签之间的电磁场连接关系， 2 2 1 天线的近场区及远场区 为了方便的理解超高频射频识别系统中阅 本节将简单介绍一些天线的辐射理论。 实际应用中的天线，一般可认为是由若干电流元和磁流元所构成。乜盯电流 元是长度d l 名并载有高频电流i ( t ) = i c o s c o t = r e i e 厕 的一段导体，以 翮标记。电流元模型如图2 3 所示： 图2 3 电流元模型 9 第二章超高频射频识别系统的物理基础 由于电流元分布的轴对称特性，其周围空间的电磁场分布也应该是轴对称 的，即与缈无关，其产生的电磁场可以由下式给出。 ，_ _ - ie = e r 厂+ 易矽+ 岛秒 5 一 一 ( 2 1 8 ) h = hr + hp 9 + he e 其中有 1 1 ，= u h 一= 0 易= ，瓦i d l ( 1 + 去) s i l l 良啪 e = 警叶寺c o s 扩 岛嘲等( 1 + 去一专灿扩 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 刀= 詈称为媒质的波阻抗，对自由空间刁= 雁= 1 2 0 7 r = 3 7 7 q = 等称为电磁波的相位系数，名为电磁波的波长。【z - 】- 捌 由式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 可以看出，天线的辐射场与距源点的距离有关，根据不同 距离处的电磁场的特点，常把天线的场分为以下场区： ( 1 ) 近场区( 感应场区) 当距离很近而满足 1 ( 或， 1 ( 或， ) 时，电流元的电磁场主要由r q 项 三死 决定，化简式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 可以有远场的电磁场表达式为： (tjl l e 丹，刀竺s i n 秒e - j p 1 。 。2 a r 1r j(2227 ) lr j 厶 l 。f 竺s i n o e 一胗 l 甲。2 办 可见，远场区中只有局和日。两个分量，两者在时间上同相位，在空间上相 互垂直，因此，坡印廷矢量为实数，并指向，方向，这说明远区内沿失径方向传 播的电磁波占绝对优势，电磁场沿失径方向向外传播且不再返回，也就是说在 远场区电磁场通过电磁波向外辐射能量。这种场称为辐射场，该场区成为辐射 场区。由于在超高频射频识别系统中，波长较短，电磁能量的传播在远场中完 成，因此超高频射频识别系统工作在远场模式，通过电磁辐射的方式完成能量 传递。 矧 2 2 2 天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是在天线输入端所呈现的阻抗，定义为天线输入端的电压 与电流之比。通常天线的输入阻抗是一个复数，乜3 1 即： 么彳胛= k 一胛+ 弘a n t ( 2 2 3 ) 式中：尺。胛天线输入阻抗的实部，它通常包括辐射电阻r ，和损耗电阻r 矿。 损耗电阻尺，是一种有效电阻，它以欧姆电阻方式来描述对整个天线的能 量总损耗，只是这种功耗转换成热能而已。 辐射电阻尺，也是一种有效电阻，它表示在该电阻中转换的功耗等于从天 线以电磁波的形式向空间辐射的功率。 x 。w 天线输入阻抗的虚部，称为输入电抗。 在工作频率( 即天线的谐振频率) 时，天线的输入电抗彳。胛为o 。 对于无损耗的天线( r 矿= 0 ) 来讲，有：z a n t = r ，+ j xa n t 一种理想的天线在谐振的情况下，其输入阻抗是一种实电阻且其值为辐射 电阻r r ，对于) c 2 的偶极子天线而言，辐射电阻r ，= 7 3 欧姆。m 图2 4 所示为应 第二章超高频射频识别系统的物理基础 答器天线的等效电路。 磊 d 4 p o b 图2 4 应答器天线的等效电路图 反映天线阻抗特性的参数是反射系数r 或驻波比p 。两者形成过程与定义 为：在天线的馈线上，u 和i 均会有入射行波和反射行波。两个相反方向的行波 叠加将形成驻波。对于一个驻波来说，为了衡量相反方向的两个行波的大小和 相位关系，就用反射系数r 和驻波比p 来表示。他们的定义分别为： r = 反射波电压或电流 u 一一z 胛一z 0 -一=一 入射波电压或电流 u + z 胛+ z o 一电压或电流波的最大值 l u + | + l u l ，7=一=-二-一 一 电压或电流波的最小值 i u + | _ i u i ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 式中z 。为馈线的特性阻抗。啪1 ： 如果没有反射波只有入射波，夕= 1 ，这是全匹配的情况。 如果反射波的波幅与入射波的波幅相等时，p 趋于无穷，这是全反射的情况。 由式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) 可以推出驻波比与反射系数的关系： p = 蠲 尸商u | r j = 面p - 1 1 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 天线馈线上的驻波比与反射系数是反映天线辐射效率的重要指标。在天线 设计中，可以通过测量驻波比来调整优化天线的连接匹配。胁3 第三节射频识别系统中的能量传递 超高频射频识别系统中，阅读器天线和标签天线主要通过电磁波辐射来传 递能量，本节主要介绍从阅读器天线到标签天线的能量传递。首先介绍一下能 量传递过程中所用的天线的一些基本参数，然后介绍能量传递原理。 1 2 第二章超高频射频识别系统的物理基础 2 3 1 能量传递过程中的基本参数 1 天线方向函数f ( 8 ，妒) 任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性，就是在相同距离的条 件下天线辐射场的相对值与空间方向( 子午角0 、方位角矽) 的关系。天线方向 函数就是表征天线在不同方向上辐射或接收的相对能量的函数。啪卜剀 2 天线增益g ( 乡，矽) 天线增益表示在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方 向上的辐射功率密度s 。，和理想无方向性天线的辐射功率密度& 之比。可以表 达为： c ( o 翮= 等h = 号掣 ( 2 2 8 ) 0 0伽 式中：u ( o ，伊) 为在( 0 ，伊) 方向上每单位立体角的辐射功率，圪和乞。分别为实际 天线和理想无方向性天线的输入功率。叫矧 3 有效均质辐射功率p e i 静( e i r p - - e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 从某点辐射的电磁波在空间构成一个球形，同时，通过电磁波能够向周围 辐射能量，随着与辐射源的距离增大，其能量分布到更大的球形表面上。从一 个均质发射器辐射的有效均质辐射功率以球面的方式随着距离r 完全均匀的分 布，哺1 故可求得均质发射器的有效均质辐射功率p 腓为： = 段p ( 2 2 9 ) 如果天线在不同的方向上以不同的强度辐射功率时，那么式( 2 2 9 ) 只能 满足天线从极化方向上的辐射功率密度s 大于采用均质辐射器辐射功率的情况。 在无线电技术中，有效均质辐射功率为： p = p l g f ( 2 3 0 ) 其中p 。为天线馈送功率，也即阅读器发射功率；g 。为天线增益。 4 等效辐射功率p 哪( e r p - - e q u i v a l e n tr a d i a t e dp o w e r ) 等效辐射功率p 哪不涉及到球形辐射器，只与偶极子天线有关。e r p 的性能 参数表示，应以多大的发射功率来对偶极子天线供电，以能够在规定的距离r 内产生规定的辐射功率。踟随1 由于偶极子天线的增益g i = 1 6 4 已知，故两者之 间的关系为：p e i 即= p 腓木1 6 4 。 5 辐射功率密度s 辐射功率密度表示单位面积内的辐射功率。对于一种球形辐射器而言，也 即均质辐射器，其能量的辐射在所有方向上都是均匀的，因此，它的辐射功率 密度等于辐射器辐射的能量，也为发射功率p e 。聍与球形面积的商。即 d s = 驾 4 刀2 式中，r 为球形的半径。 1 3 ( 2 3 1 ) 第二章超高频射频识别系统的物理基础 如果天线在不同的方向上以不同的强度辐射功率时，那么式( 2 3 0 ) 只能 满足天线从极化方向上的辐射功率密度s 大于采用均质辐射器辐射功率的情况。 在主辐射方向g 。上，辐射功率密度为： p n s = 喾( 2 3 2 ) 4 n r 其中p 。为天线馈送功率，也即阅读器发射功率；g 。为天线增益。它描述了与一 种均质辐射器相比在相同的发射功率条件下其辐射功率密度的强弱。嘲 6 有效接收面积氏 有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。蚴它的定义 为：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与入射 波极化相匹配，从天线可吸取的最大接收功率p 。与入射波的辐射功率密度s 之 比，即 p 彳。= 量 1 s ( 2 3 3 ) 由于p 。孔水s ，因此接收天线在最佳的对准和正确的极化状态下所接收到的 功率可以看成是被具有面积为气的截面所截获的垂直入射波功率密度的总和。 由于天线的接收面积与天线增益成正比，对于大多数天线构造形式来说， 天线增益已知，故有效面积为： 4 = 嘉g 其中g 为天线增益，九为载波波长。 2 3 2 射频识别系统中的能量传递 ( 2 3 4 ) 为讨论在超高频射频识别系统中阅读器天线到标签天线之间的能量传递， 图2 5 给出了简化的超高频射频识别电子标签的等效电路。在此部分我们将计 算天线两端接收到的功率和天线两端得到的电压以及标签芯片两端得到的电 压。剐一嘲 _ _ _ _ ， c c r 喀 图2 5r f i d 标签芯片和标签天线的等效电路 1 4 第二章超高频射频识别系统的物理基础 图2 5 中，v 。是天线端可接收到的电压振幅，r 胂和l 胂分别是天线的等 效辐射电阻和电感。r 。和c 。分别是标签芯片的等效电阻和等效电容。标签芯片 的等效阻抗为： z 形= r 伦+ = 一j ( c o c z c ) ( 2 3 5 ) j o ) c c 通常z ，。是由v 。决定的非线性器件。对于给定的阅读器灵敏度来说，最大的 读写距离由标签芯片的最小开启电压v 。；。或可检测到的最小的反射信号能量 p r ，山决定。在最大读写距离的情况下，射频到直流转换电路的输入电压应该高于 二极管的阈值电压。由于二极管的有限的开启电压的影响随着输入电压的增加 而降低，而倍压电路的效率随着输入电压的提高而提高，因此，在阅读器传输 的能