（通信与信息系统专业论文）射频识别系统中若干关键技术的研究.pdf

华采师范大学硕士学位论文 摘要 无线射频识别( r f i d ) 系统是智能化、自动化进行商品标识和人群身份识 别的先进技术，它可极大地提高商品管理、物流摔制以及人流安检等的效率和可 靠性。射频识别系统主要由应答器和读写器两部分组成。本论文撰写的是二t ：作在 1 3 5 6 m h z ，按电感耦合原理工作的射频识别系统的中硬件电路的设计及软件设 计思想。 本文首先对射频识别系统的绢成和分类进行简单的介绍，然后从射频识别的 角度深入细致地探讨了磁场理论，即系统工作的物理基础。接着详细地分析讨论 了所研究的硬件系统的的整体结构及关键电路的设计。从读写器到应答器的数据 传输采用a s k 的调制方式，而从应答器到读写器的数据传输则采用负载调制的 方法。读写器的输出电路采用2 s c l 9 4 5 作为高频功放管，选择丙类放大电路以 提高输出功率和效率。采用分立元件设计应答器电路，应答器将接收到的信号整 流后作为电源v c c 供给微处理器工作，并采用超低功耗的m s p 4 3 01 6 位单片机 作为应答器的微处理器，以降低应答器功耗，增大作用距离。本文实现了天线、 a s k 调制、应答器的电源、负载调制、解调、电源传感器和高频功放模块。 在软件部分首先介绍了整个系统的工作流程，然后对两项关键技术：循环冗 余校验( c r c ) 法和防碰撞法进行了阐述。 本论文在应答器的设计方法、微处理器选型、高频功放、负载调制、检波解 调电路设计等方面有创新。 文章的最后总结了整个课题，提出了值得进一步研究和优化的部分，并对课 题进行了展望。 关键词：射频识别、r f i d 、廊答器、读写器、谐振、a s k 、负载调制、m s p 4 3 0 、 高频功放、c r c 、防碰撞 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sr a d i of r e q u e n c yi d e m i n c a t i o n ( i u f d ) s y s t e mi sak i n do fa d v a n c e d t e c h n 0 1 0 9 yt oi d e n t i 匆g o o d sa n dh 啪a ni d e n t i t ) ri n t e l l 蟾e n t l ya l l da u t o m a t i c a l l y n m a yi m p r o v et h ee m c i e n c ya n dr c l i a b i l i t yo fm e r c h a n d i s em a l l a g e m e n t ，l o g i s t i c c o n 廿0 1a n ds e c u 衄c h e c ko fp e o p l e r f i ds y s t c mi sm a i n l yc o m p o s e do f 研op a n s ， t a ga n dt a r g c t i nt h i sp a p e r ，t 1 1 ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t sa i l dt h ei d e ao fs o 脚a r e d e s i g no ft 1 1 er f i ds y s t e m ，w h i c hw o r k sa t1 3 5 6 h m za c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f i n d u c t a n c ec o u p l i n g ，a r ep r e s e m e d f i r s to fa l l ，t 1 1 ec o m p o s i t i o na n dc l a s s m c a t i o no fr f i ds y s t e m sa r e s i m p l y i n t r o d u c e di nt h i sp a p e la n d 廿1 e nt h e 廿l e 0 1 yo fm a g n c t i cf i e l di e t l l e p h y s i c a l w o r k i n gf o u n d a t i d no ft i l es y s t e mi sp 枷c u l a r l yd i s c u s s e df b m t h ep o i n to f v i e wo f r f i ds y s t e m s 1 1 1 ew h 0 1 es t n l c t u r ea 1 1 d 血ed e s i g no f t h ek c yc i r c u i t so f m eh a r d w a r e s y s t c mr e s e a r c h e da r ea 1 1 a l y z e dp a n i c u l a r l ya f c e r w a r d s a s km o d u l a t i o ni sa d o p t e d t 0t r a n s m i td a 诅f 如mt a r g e tt ot a g ，w h i l e1 0 a dm o d u l a t i o na d o p t e d 丹o mt a gt ot a 唱e t 2 s c l 9 4 5a n dc l a s scp o w e ra m p l i f e ra r ea d o p t e di nt h eo u t p u tc i r c u i to f t h e t a 唱e tt o i r n p r o v et h eo u 单u tp o w e ra n de m c i e n c y s e p a r a t e dc o m p o n e n t sa r ea d o p t e dt o d e s i g n 协et a gc i r c u i t s t a gr e c t i n e st h er c c e i v e ds i g n a la n dp r o v i d e sp o w e rs u p p l y v c cf o rm i c r o c o n t r 0 1 l e rt ow o r k 16 - b i tm i c r o c o n t m l l e rm s p 4 3 0i sa d o p t e di nt h e 诅g t 0r e d u c et h ep o w e rc o n s l l i l l p t i o na n di n c r e a s ew o r k i n g d i s t a n c e f i n a l l y ，t h e 柚t e n n a ， a s k m o d u l a t i o n ，p o w e rs u p p l yo f t h et a g ，l o a di n l p e d a n c em o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ， p o w e rs u 壬) p l ys e n s o ra n dh fp o w e ra m p l i f i e rw e r er e a l i z e d 1 n 廿l es o f h a r ep a r t ，m ew o r k i n gf l o wo f t h es y s t e mi si n t m d u c e dn r s t a n d 廿1 e n t h et w o k e yt e c h n o l o g i e s ，c y c l i cr e d u n d 卸c yc h e c k( c r c )m e t h o da i l d a n t i - c o l l i s i o nm e m o da r ep r e s e n t c d t h e r ea r ei n n o v a t i o n si nt h em e t i l o do f t a gd e s i g n ， t h es e l e c t i o no f m i c r o c o n t m l l e r ，t h ed e s i g no f h fp o w e ra m p l m e r ，l o a dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n c i r c u i t si nt h i sp a p e l i n 山ee n d ，l ec o n c l u s i o ni sm a d e t h o s ew o “hf u f i l l e rr e s e a r c ha l l d o p t i m i z a t i o na r ep u tf o r w a r d ，a n dt h es u b j e c ti sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c y r e s o n 肌c e ，a s k ，l o a dm o d u l a t i o n ，m s p 4 3 0 a m i c 0 1 1 i s i o n v i d e 嘶f i c a t i o n ，r f i d ， t a g ，t a r g e t ， h i 曲仔e q u e n c yp o w e ra m p l i n e r ，c r c ， 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 金赫 日期： 学位论文授权使用声明 姗6 6 舻 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位 论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：坌黼导师签名： ，h 1 日期：塑! ，生舻 巍砺 f 日期：坦么笸：星 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商 业部门、在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。自动识别方法的 任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。 几年前，条形码纸带在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛应 用。今天，这种条形码纸带在越来越多的情况下己经不能满足人们的需求了。 条形码虽然很便宜，但它的不足之处是存储能力小以及不能改写。 一种技术上最佳的解决方案是将数据存储在。块硅芯片里。在日常牛活中， 具有触点排的i c 卡( 电话l c 卡、银行卡等) 是电子数据载体的最普遍的结构。 然而，对i c 卡来说，存许多情况下，机械触点的接通是不可靠的。数据载体与 一个所属的读写器之间的数据进行非接触传输将灵活得多。电子数据载体工作时 所需要的能量通过读写器非接触地传输来获取。根据使用的能量和数据传输方 法，我们把非接触的识别系统称作射频识别系统( r f i d r a d j of r c q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 。 近年来，非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域。这个 专业领域与任何传统学科都不相同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合 到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制 造技术和许多专业应用领域。 无线射频识别系统( r f i d ) 是智能化、自动化进行商品标识和人群身份识 别的先进技术，它可极大地提高商品管理、物流控制以及人流安检等的效率和可 靠性，国外不少公司如德州仪器、m o t o m l a 、p h i l i p s 等对这项技术都投入巨资研 发，美国最大的零售企业w a l m a n 公司从2 0 0 5 年开始对所有的商品进行r f i d 管理，这就意味着所有进入w a l m a n 的商品都必须配置r f i d 标签。美国空军物 资管理和运输也采用了智能标签技术，并取得了显著的效益，使空军内部物流达 到高准确率。由于r f i d 标签可附带许多相关商品的个体信息，并可在高速运动 状态下同时识别多个标签，诸多优势决定了r f i d 标签将会很快取代条形码，成 为所有商品的通用标识。 国内对r f i d 的研究刚刚起步，与国外有较大的差距，主要表现在系统的产 品化、工作的可靠性、识别的距离及多目标识别等方面。如何抓紧时机，加强对 r f i d 技术的研究，解决关键技术难题，使之尽早实现产品化显得相当迫切。 r f i d 技术在传感器网络方面的应用被美商业周刊评为将掀起新产业浪 潮的未来四大高技术之一。据估计，到2 0 1 0 年，全世界r f i d 电子标签、读写 华东师范人学硕士学位论文 器和相关软件与服务的销售额可望增至3 0 0 0 亿美元( 日立公司0 2 年报告) 。由 此可见，射频识别技术的市场前景极具挑战性。 r f i d 技术用于人群身份识别也有极高的应用价值和社会效应，在大型集会 和运动场所可发挥准确、快速的识别和统计作用，大幅度提高通行能力。计划 j 的北京2 0 0 8 年奥运会和上海2 0 1 0 年世博会将采用r f i d 作为门票，以提高安全 性、通行能力和票务管理水平。 本论文的主要内容涉及的是卜海市经委项目“r f i d 人脸部特征识别系统的 研究”( 项目编号0 4 1 1 2 ) 中的硬件系统的设计和软件部分关键技术的研究。本 系统采用1 3 5 6 瑚z 的工作频率，按电感耦合原理_ 丁作。由读写器发射1 3 5 6 z 的载波信号，经过a s k 调制和高频功放，由天线发送。接收端的应答器通过天 线接收信号，经a s k 解调后送到单片机进行处理。处理后返回的数据经过负载 调制，传送到读写器，再经过检波解调送至读写器的单片机。软件方面，采用循 环冗余校验( c r c ) 码作为差错控制编码，并采用二进制树型算法作为防碰撞算 法，以解决二个或二个以上的应答器同时进入读写器作用范围的情况。 1 2 本论文的特色和创新之处 1 采用分立元件设计应答器电路，便予根据使用要求调整应答器功能， 使得整个系统的设计变得更加灵活，在国内未见相关应答器电路的 设讨寸艮道。 2 采用超低功耗的m s p 4 3 01 6 位单片机作为应答器的微处理器，以降 低应答器功耗，增大作用距离。 3 读写器的输出电路采用2 s c l 9 4 5 作为高频功放管，选择丙类放大电 路以提高输出功率和效率。 4 从应答器到读写器的数据传输采用负载调制的方法，即在应答器天 线线圈( 并联谐振回路) 两端并联一个p 沟道耗尽型m o s 管，并 用数据流去控制其阻抗大小的变化，从而导致读写器天线上的电压 发生变化，实现用远距离应答器对读写器天线电压进行振幅调制。 5 在检波解调电路中采用两路比较器工作，当接收到的信号质量较好 时，其中的第二路比较器不起作用；而当接收信号较差，检波后的 信号幅度较小，并且混有一定的干扰时，第二路比较器工作，它能 够加大第路比较器同相输入端的信号，使判别变的容易，从而提 高解调电路的灵敏度。 华东师范大学硕土学位论文 1 。3 论文的主要内容 本文的结构安排如下： 第一章主要介绍本论文的研究背景、意义、主要内容和创新之处。 第二章介绍射频识别系统的两个组成部分，应答器和读写器的基本结构、系 统的基本区别特征及分类方式。 第三章主要从射频识别的角度深入细致地探讨了磁场理论，介绍按电感耦合 原理工作的射频识别系统的基本作用原理，包括磁场强度、磁通量和磁通密度、 感应系数、互感系数、耦合系数、感应定律、谐振、应答器的供电、动作磁场强 度、应答器读写器系统的阻抗变换和负载调制的原理等。 第四章主要介绍采用1 3 5 6 m z 频率，按电感耦合原理工作的射频识别系统 的硬件整体设计，微处理器m s p 4 3 0 的性能特点，以及各个关键部分电路，包括 天线、a s k 调制、应答器的电源、负载调制、检波解调、电源传感器、高频功 放电路的设计方案，并给出了相应的实验结果。 第五章主要介绍射频识别系统的软件设计思想，包括本系统的工作流程( 针 对单个应答器进入读写器作用范同) ，循环冗余码校验法和防碰撞法的原理与实 现方法及其性能比较。 第六章对射频识别系统进行总结，提出值得进一步研究和优化的方面，并对 其进行了展望。 华东师范人学硕士学位论文 第二章射频识别( r f i d ) 系统概述 2 1 射频识别( r f i d ) 系统的组成 射频识别系统( 见图2 1 ；图2 2 ) 一般由以下两部分构成： 应答器：应答器应放置在要识别的物体上： 读写器：读写器可以是读或写读装置，取决于所使用的结构和技术。 一台典型的读写器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与应 答器连接的耦合元件。此外，许多读写器还都有附加的接口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 等) 。 以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统( 个人计算机、机器人控制装置 等) 。 图2 1读写器和应答器是各种射频识别系统的基本组成部分 图2 2 一个实际应用的射频识别读写器和非接触i c 卡( 应答器) 应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电 子芯片组成( 见图2 3 ) 。在读写器的响应范围之外，应答器处于无源状态。通常， 应答器没有自己的供电电源( 电池) 。只是在读写器的响应范围之内，应答器才 是有源的。应答器工作所需的能量，如同刚钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元 ( 非接触的) 传输给应答器的。 华东师范大学硕士学位论文 耦合元件( 线圈、天线) 芯片 带有天线线豳的电感耦合应答器( 左) 带有偶极子天线的微波应答器( 右) 图2 3 射频识别的数据载体麻答器的基本结构 2 2 频率、作用距离和耦合“1 2 2 1 密耦合 具有很小作用距离的射频识别系统，典型的范围从o 到1 c m ，人们把这种系 统称作密耦合系统，即紧密耦合系统。必须把应答器插入读写器中，或者放置在 读写器为此设定的表面上。 密耦合系统可以用介于直流和3 0 m 弛交流之间的任意频率进行工作，冈为 应答器工作时不必发射电磁波。数据载体与读写器之间的紧密耦合能够提供较大 的能量，甚至可供消耗较大的微处理器进行工作。密耦合系统应用于安全要求较 高，但不要求作用距离的设备中。例如：电子门锁系统或带有计数功能的非接触 i c 卡系统。目前，密耦合应答器只作为i d l 格式的非接触i c 卡使用。 2 - 2 2 遥耦合 把写和读的作用距离增至1 m 的系统称作遥耦合系统。所有遥耦合系统在读 写器和应答器之间都是电感( 磁) 耦台。因此，人们也把这些系统称作电感无线 电装置。所有出售的射频识别系统的9 0 9 5 都属于电感( 磁) 耦合系统( 见 图2 4 ) 。 华东师范大学硕士学位论文 圈 辞留 2 - 2 3 远距离系统 远距离系统典型的作用距离是从l m 到l o m ，个别的系统也有更远的作用距 离。所有远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的，发送频率通常为 2 4 5 g h z ，众所周知，也有些系统使用的频率为9 1 5 m h z ( 在欧洲是不允许的) ， 5 8 g h z 和2 4 1 2 5 g h z 。 使微型芯片进行工作，要对应答器供应足够的能量，光靠传输的能量是绝对 不够用的。因此，远距离系统( 从表面波应答器来看) 具有个辅助电池。这个 辅助电池并不是为应答器和读写器之阳：j 的数据传输提供能量，而是只给微型芯片 提供能量，为读，写存储数据服务的。 为了应答器和读写器之间的联系，j 能使用高频能量，该能量由读写器接收。 因此，把反向散射方法作为由应答器到读写器的数据传输的标准方法。 2 2 4 系统特性 射频识别系统的另种分类是：按系统的功能和特性分类。如果人们把市场 上所有的射频识别系统按其功能分类：就是说，按数据载体的存储能力、处理速 度、作用距离和密码功能等分类，可从低档到高档构成整个谱系。 华东师范大学硕士学位论文 自身拥有 操作系统 有验证密 码功能 有防碰 撞功能 简单系统 图2 5 射频识别系统可以划分成低档系统和高档系统 1 只读系统构成低档系统的下端 只读意味着：数据载体上的数据虽然能读，但不能重写。只读芯片的数据通 常只由唯一的串行多字悟数据组成。如果把一个只读应答器放入某读写器的高频 场，那么应答器就开始连续发送它本身的序列号。通过读写器启动只读鹿答器是 不可能的。只有从应答器到读写器的单向数据流在进行。此外，在只读系统的工 作中，必须注意：读写器的工作范围内只能有一个应答器，否则，两个或多个应 答器的同时发射必然发生数据冲突。冈而，读写器不能识别逻辑的数据。 尽管有这些限制，只读应答器还是有许多用途的，特别适用于只需读出一个 确定的数字的情况。由于只读应答器的功能简单，可以使芯片的面积很小。从而， 芯片耗费的功率很小，也降低了生产成本。只读系统在频率小于1 3 5 k h z 或存 2 4 5 g h z 范围内工作。由于微型芯片耗费功率很小，可达到较大的作用距离。 只读系统在功能上能取代条码系统，例如，用在控制货物流、识别产品品种、 集装箱、玻璃瓶等方面。 2 中档部分 由许多带有可写数据存储器构成的系统组成射频识别系统的中档部分。这些 系统存储量的变化发那位介于1 6 字节至1 6 千字节以上的e e p r o m 或s r a m 之 间。在此范围内，系统类型是多种多样的，以致难以给出确切的数量来。 这些系统用所有可供射频识别系统使用的频率进行工作，特别是1 3 5 k h z 、 1 3 5 6 m h z 、2 7 1 2 5 z 和2 4 5 g h z 。 本系统就是工作在1 3 5 6 m h z 的频率，带有可写数据存储器，属于射频识别 系统的中档部分。 华东师范大学硕士学位论文 3 系统的高档部分 由具有密码功能( 即由验证和数据流密钥) 的系统组成。微处理器系统属于 高档系统。使用微处理器使得密码学和验证的复杂算法得以实现。当然，用“固 定布线”的状态机也是能完成的。 高档系统主要用1 3 5 6 m h z 频率进行工作。因为电感耦合的射频识别赢答器 的时钟频率是从读写器的发送频率派生出来的，所以当发射频率为1 3 5 k i z 时， 使用的时钟频率为发射频率的1 0 0 倍。因此，再复杂的验证和数据流编码算法都 能以合理的时问来实现。 供高档系统使用的存储容量由几个字节到1 6 干字节的e e p r o m 就够用( 见 图2 5 ) 了。 2 。3 本章小结 本章对射频识别系统进行了整体的介绍，主要包括两方面的内容，一是射频 识别系统的两个组成部分：应答器和读写器的基本结构；二是射频识别系统的两 种分类方式及其特点：按作用距离分类，有密耦合、遥耦合、远距离系统，按系 统的功能分类，有低档、中档和高档系统。 华东师范大学硕士学位论文 第三章射频识别系统的物理基础【1 l 绝大多数的射频识别( r f i d ) 系统是按电感耦合的原理工作的。因此，理 解读写器与应答器之间的能量和数据传输的过程，深入探讨磁现象的物理本质是 非常必要的。本章从射频识别的角度深入细致地研究磁场理论。 这里，电场起着次要的作用，并且仅适用于电容性密耦合系统中的数据传输。 因此，对这种场不作深入地探讨。 表3 1 使用的常数 常数符号值和单位 电场常数 f0 8 8 5 1 0 1 2 a s ，v m 磁场常数口0 1 2 5 7 1o 6 v s a m 速度 2 9 9 7 9 2 k m s 波尔茨曼常数 开1 3 8 0 6 6 2 l o 一2 3 j ，k 表32 常用单位和缩写 量符号单位缩写 磁场强度 日 每米安培 a ，m 印 磁通量( n = 匝数) v sv s 掣= n 中 磁感应 口 每平方米伏特秒v s m 2 电感 三 亨利 h 互感量m亨利 h 电场 e 每米伏特 v m 电流 安培a 电压 【， 伏特 v 电容 c法拉f 频率 赫兹 圆频率 酣= 2 万- 厂1 sl s 长度 三米m 面积 彳 平方米 m 2 速度 v 每秒米 m s 华东帅范大学硕士学位论文 速度阻抗 z 欧姆 q 波长 米m 功率尸瓦特w 功率密度s 每平方米瓦特 | 稿 匝数1 3 1 磁场强度h 每个运动的电荷( 导线或真空中的电子) ，或者说电流，都伴随有磁场。磁 场的大小用磁场强度日表示，与所在空间的物质属性无关。 j = 百万丽 3 1 一般情况下可以说：“沿闭合曲线的磁场强度的线积分等于曲线包含的所有 电流的电流强度之和”。 可以用这一公式去计算各种不同载流导体的磁场强度日。 对直线载流体来说，在半径为，的环形磁力线上、磁场强度日是恒定的。 公式为： 日：三 3 2 2 万r 。 1 导体回路中的场强曲线研斟 为了在电感耦合的射频识别( r f i d ) 系统的写族设备中产生交变磁场，采 用了所谓的“短圆柱形线圈”或用导体回路来作磁性天线( 见图3 1 ) 。 图3 1 “短”圆柱形线圈或导体回路周围的磁力线的路径 如果被测点沿线圈轴( x 轴) 方向离开线圈中心很远，那么场强日随着距离 x 的增加不断减弱。较深入的研究表明，从线圈的半径( 或面积) 到一定距离的 场强几乎是不变的，而后则急剧下降( 见图3 2 ) 。在自由空间，线圈的近场中场 强的衰减大约为6 0 d b 每1 0 倍距离，在形成电磁波的圆场中变得比较平缓为 华东师范大学硕士学位论文 2 0 d b 每1 0 倍距离。 下面的等式可以计算沿着圆形线圈( 等于导体回路) 的x 轴的场强曲线，此 线圈与电感耦合的射频识别系统用的发射天线类似。 日：；丝堡： 3 3 2 ( r 2 霄) 3 式中：线圈匝数；置：圆半径；x ：沿x 方向与线圈中心的距离。 用于此式的有效边界条件是：d 月时，场强日就急剧上升。当x = 盘时，场强日达到最大值，然 后，随距离j 成比例地下降( 见图3 3 ) 。 根据经验，读写器的阅读范围，即应答器能够被读出询问的范围，大致与发 射天线半径相符。由此可以得出对于给定的系统范围。，最佳天线半径r 可以 表示为r 嘞。 天线线圈半径( 皿) 图3 _ 3 当距离x = 2 0 m m 而变化的线圈半释r = 5 5 5 唧时的磁场强度曲线 为了确切地估算系统的最大阅读范围，需要了解所讨论的应答器的询闷场强 ( 工作所需要的最小场强日) 。如果天线半径r 过大，将使根据公式3 _ 3 算得的 场强日，可能会显得太小，以至于一j 能给应答器以足够的工作能量。 3 2 磁通量和磁通密度 一个( 圆柱形) 线圈的磁场能对磁针施加作用力。如果将软铁芯放入( 圆柱 形) 线圈中，其它条件都不变，对磁针的作用力将增加。，删不变，场强日也 保持不变。然而，对力的产生起决定性作用的磁通密度，也就是磁力线总数增加 了。 逗v)墨雠脯鞲氆 华东师范丈学硕土学位论文 在一个圆柱形线圈中通过线圈内部空间的所有磁力线的总数称作磁通量毋。 此外，还使用一个与而积4 有关的量，即磁通量密度b 。 磁通量可表示为： 函= 口4 3 6 磁通量密度口与场强日的物理关系可用公式表示为： b = 风h 日= 日 3 7 常数o 是磁场常数( 卢。一4 1 0 6 v s a m ) ，用以描述真空导磁率( 等于导 磁系数) 。变量口，被称作相对磁导率，用以说明材料的导磁率比fo 犬多少或小 多少。 3 3 感应系数上- 围绕任意形状的导体周围都能产生磁场，也就有磁通量d 。如果导体形成刨 路( 线圈) ，则将使磁通量明显增强。通常，不是只有单个的导体回路，而是有 h 个相同面积4 的回路，每个回路都有相同的电流，。每个导电回路对总磁通量 项献出相同的部分西。 r = 氏= 咖= 日爿 3 8 在电流，包围的总面积中产生的磁通量f ，与导体( 导体回路) 中包围它的 电流，之比就被成为感应系数( 电感) 三。 三：善：半：生掣坐 3 9 l ii 电感是导体叫路( 线圈) 的一种特性参量。导体回路( 线圈) 的电感仅仅取 决于磁通量所通过的空间的物质性能( 导磁率) 以及几何布局。 假定导线的直径d 与导体回路直径d 之比很小( d d o 0 0 1 ) ，导体回路的 感应系数可简单使用近似式为： 脚纠n 【3 1 0 】 式中：r 是导体回路的半径，d 是r 。使用的导体的直径。 3 4 互感系数m 如果在电流通过的导体回路l ( 面秘爿l ，电流 ) 的邻近还有另外的由电流 通过的导体回路2 ( 面积4 2 ) ，那么穿过爿1 的部分磁通量函也穿过彳2 。两个电路 将通过这部分磁通量即耦合磁通量连结在一起。耦合磁通量晚j 取决于两个导体 华东师范大学硕士学位论文 回路在布局中的几何尺寸、导体回路彼此的位置以及介质的磁属性( 即磁导率) 。 与孽个导体回路的( 自) 电感系数上的定义相似，导体回路2 与导体同路l 的互感系数尬1 是被回路2 包围的部分磁通量掣与回路1 中的电流 之比： 坞。：半：奇挈鹤 3 圳 类似地，这里还有一个互感系数脑2 。电流丘流经导体同路2 ，因而决定， 在回路1 中的耦合通量2 。下面的互逆关系成立： m = m ：= 鸩， 3 1 2 i 互感系数描述两个电路通过磁场介质产生的祸合。在两个电路之间总是存在 着互感系数。其量纲和单位与感府系数是一致的。 两个电路经过磁场产生的耦合是电感耦合射频识别系统的物理基础。图3 4 中，计算出了应答器天线与三个直径不同的读写器天线之间的互感系数。用下列 之值进行计算：蚴：只= 5 5 c m ， 如：月= 7 5 c m ，晒：月= 1 c m ，应答器：月= 3 5 c m 。 所有读写器天线：一l 。 互感量曲线虽然和在导体回路近场范同内的磁场强度曲线非常相似。然而， 这并不使人感到惊奇，因为弘k ) = 岛帆) 爿2 = o 日0 ， ) 一2 。互感量 尬比其它的都要小些，因为由于读写器的天线极小( 1 c m ) 意味着只有应答天 线的一小部分面积爿2 能被读写器天线的磁场通过。 r = 5 5 c m r = 7 5 c m 一r ：l 图3 4 读写器天线与应答器天线之间的互感系数曲线 一gi世睽蒋龋 华东帅范大学硕士学位论文 3 。5 耦合系数k 互感系数是两个导体回路的磁通量耦合的定量说明。我们引入耦合系数七 来对导体回路的耦合作定性说明，使其与导体回路的几何尺寸无关。关系式如下： 一m = f 厶厶 3 1 3 耦合系数总是在两个极限情况o 1 之间变化。 女一0 ：由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦。 一1 ：全耦合。两个线圈处于相同的磁通量f 中。全耦合变压器技术应j _ j 之一一是将两个或多个线圈绕制在高导磁的铁芯上。 只有很简单的天线配置才能分析计算。两个平行的、在x 轴上同芯的导体回 路的耦合系数，可按照公式3 1 4 近似估算。然而，这个公式只有在导体回路半 径，应答罂r 读g # 的条件下才使用。在x 轴上的两个导体回路之间的距离以工来 表示： 3 1 4 由于耦合系数与互感系数m 的固定联系及w = m 2 = 尬l 的有效性，尽管发 送天线小于应答器天线，仍可使用这一公式。对r “咎器r 读；g 的情况来说，使 用下面的公式： 女( 。玉鲤季塑兰= j 3 1 5 瓜瓦似2 + 瑶菩。) 。 当导体回路之间的距离为零( x = o ) 而天线半径，相等( r 应菩器一，谴q 器) 时，耦合系数i ( x ) 为l ( 一1 0 0 ) ，因为此时，导体回路互相重叠，并且有相 同的磁通量掣通过。实际上，电感耦合的应答器系统工作时的耦合系数可低至 0 0 1 ( o ( 与应答 器芯片很小的功耗相应) 时，能够达到很高的品质因数q 。电压地与振荡回路 的质量成比例，从而清楚地表明了电压地与胄2 和蜀的关系。 对于尺，一o 。而凰一0 来说，使电压“2 趋近丁零。在应答器线圈的线圈电阻 很小恐一o 而有着很高的负载电阻r l o 时，可达到很高的电压规( 见公式3 2 5 ) 。 当保持谐振条件( 即对所有三2 之值，均满足c 2 一l 。2 三2 ) 时，改变应答器 线圈三2 的电感值，我们观察到非常有趣的电压“2 的曲线。可以看到：在三2 为。 华东师范大学硕士学位论文 特定的值时，电压地达到其明显的峰值( 见图3 9 ) ，对三2 的值来说，应答器的 谐振频率等于读写器的发射频率( f 1 = o 5 a ，产1 3 5 6 m k ，r 2 = 1q ) 。 一 “：一 心。 图3 9 应答器感应系数厶的不同值时的电压 2 曲线 如果把品质因数q 的曲线作为三2 的函数( 见图3 1 0 ) ，在应答器电感三2 的 同一值时，可观察到撮火值。最大电压地瓢2 ) 可从在这一点的品质因数q 的最大值q i 舡2 ) 得m 。 这就表明就每个参数列俾2 ，r l ) 来说，都存在卜电感值三2 使品质因数q 和 数据载体的供应电压“2 达最大值。在设计应答器时，必须把这些影响考虑在内 因为对电感耦合的劓频识别系统的能量作用距离来说，可用以使之最佳化。 厂 - 图31 0 品质因数q 作为赢答器电感应系数2 的雨数的曲线 旷 一馒 “岛 岫扭恤 = 一一j l 厶矗矗趾 = = l j & 吼黾 妣妣蹴扣b 扣 旷| | 一 x 华东师范大学硕士学位论文 3 8 应答器的电源 3 8 1 应答器的供电 按照应答器的供电来源，可区分为有源的和无源的应答器两种类型。 有源应答器包含有自己的电池，用于给数据载体供电。在这些应答器中，电 压地通常只用于产生“唤醒”信号。只要电压地超过某个极限，这一信号就被 激活，并使数据载体进入工作模式。当和读写器完成信息交换之后，或电压“2 低于某最小值时，应答器就返回到节电的“睡眠”或“备用”模式。 刘无源应答器来说，数据载体的供应电压必须从电压“2 获得。为此，用低 损耗的桥式整流器把电压“2 转变成直流，然后被滤波。 3 8 2 电压调节 在应答器线圈中感应的电压，地通过振荡回路中的谐振很快升高达到高值。 如果在图3 8 的举例中提高耦合系数 一例如减少读写器与应答器之间的间隙 或者提高负载电阻风的值，那么电压可达1 0 0 v 以上。然而，为了数据 载体的工作，需要稳定的工作电压3 5 v ( 整流后) 。 为了不依赖于耦合系数或其他参数趋调节电压抛，并在实用巾保持稳定， 在负载电阻风卜- 并联一个同电压有关的分流电阻凰。其等效电路图如图3 1 1 所 不。 罔3 ，1 1 应答器中进行电压调节的原理图 随着感应电压2 = “的增加，分流电阻胄s 的值不断变小，并使应答器振 荡回路的品质因数恰好减少到使电压地保持稳定的程度。为了计算不同参数下 的分流电阻的值，我们回到公式3 2 4 ，并凡用凡和月s 构成的并联电路代替固定 的负载电阻吼。现在可以对尺s 解算这个公式。用稳定的