（微电子学与固体电子学专业论文）基于1356mhz的射频识别关键技术研究.pdf

摘要 摘要 射频识别技术是从自动识别技术发展起来的。跟早期的自动识别技术相比， 射频识别技术具有非接触操作、应用便利、寿命长、可读写、抗污染能力强等优 点，在工业自动化、商业自动化、身份识别、交通运输控制管理等领域得到了越 来越广泛的应用。射频识别系统使用的工作频率很广，从几十千赫兹到几十吉赫 兹，而属于h f 频段的1 3 5 6 m h z 由于其不可替代性得到了广泛的应用。 目前，射频识别系统的设计难点主要集中于非接触标签的设计上。非接触标 签包括射频接口电路、逻辑控制电路和存储电路，其中射频接口电路又是设计的 一大重点和难点。 本论文详细阐述了应用于射频识别系统的相关电磁场理论；基于1 3 5 6 m h z 的国际标准i s o i e c l 5 6 9 3 ，设计了射频识别系统中的标签射频接口电路；基于效 率与功耗的考虑，采用单相全波整流电路和稳压电路为标签提供工作电源；为有 效地防止了互相干扰，设计了两组电源分别为射频接口电路和数字控制逻辑电路 供电；为了完成数据的处理和交换，分别设计了时钟产生电路、1 0 0 调制信号和 1 0 调制信号的解调电路。由于1 0 调制信号解调相对困难，设计了工作在亚阈 区的两级推挽放大电路来解调1 0 调制信号；鉴于所设计的标签是可读写的，采 用了e 2 p r o m 作为存储单元。对比通用d i c k s o n 式电荷泵电路，设计了一种十级 级联倍压器电荷泵电路，为e 2 p r o m 单元写操作提供所需的高编程电压。该电路 具有比通用d i c k s o n 式电荷泵更高的效率、更低的工作电压；对射频识别系统的数 据传输完整性及常用的循环冗余校验电路做了详细的分析研究，提出了一种新的 循环冗余校验电路。该电路既可以对接收到的串行数据进行校验，又能对待发送 的串行数据产生循环冗余校验码，提供给接收方来校验数据。 基于特许半导体o 3 5 微米双多晶工艺，使用h s p i c e 仿真工具，完成了射频 接口电路和倍压器电荷泵电路的仿真；使用v e f i l o g - x l 仿真工具，完成了循环冗 余校验电路的仿真。 仿真结果表明：射频接口电路为标签工作提供了能量和时序；级联倍压器电 荷泵电路可以产生超过1 7 v 的编程电路；循环冗余校验电路可以正确完成循环冗 余校验和循环冗余校验码产生功能。 关键词：循环冗余校验接口电路i s o i e c l 5 6 9 3 标准非接触标签射频识别 a b s u , a c t a b s t r a c t r 蝴i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yi sd e v e l o p e df r o mt l l ea u t o m a t i c i d e n t i f yt e c h n o l o g y c o m p a r e d w i t ht h ea u t o m a t i c i d e n t i f yt e c h n o l o g y , r f l d t e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c ha su n t o u c h a b l eo p e r a t i o n , c o n v e n i e n ta p p l i c a t i o n , r e a d a b l ea n dw f i t e a b l e 。a n t i p o l l u t i o ne ta 1 s oi ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha s i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，c o m m e r c i a la u t o m a t i o n , i d e n t i f i c a t i o n ，t r a f f i ca n dt r a n s p o r t c o n t r o ls y s t e m 箍a 1 t b e r ea r em a n yk i n d so ff r e q u e n c yu s e di nr 双ds y s t e m , r a n g e f r o mt e n so ft h o u s a n dh zt ot e n so fg i g ah z 1 3 5 6 mh z , b e l o n gt oh f f r e q u e n c yr a n g e ， i sw i d e l ya p p l i e d , b e c a u s ei th a st h ep r o p e r t yo fu n - s u b s t i t u t e n o w , t h ed i f f i c u l t i e si nd e s i g n i n gr f l ds y s t e ma r em a i n l yf o c u s e do nu n t o u c h a b l e t a g t h eu n t o u c h a b l el a b e li sc o n s i s t e do fr fi n t e r f a c ec i r c u i t 1 0 9 i cc o n t r o lc i r c u i ta n d m e m o r yc i r c u i t 。a m o n gt h e m ，t h er fi n t e r f a c ec i r c u i ti st h eg r e a td i f f i c u l t ya n d e m p h a s i s t h ee l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r ya p p l i e di nr f i ds y s t e mi sd i s c u s s e dd e e p l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n t a gr f i n t e r f a c ec i r c u i ti n 嚣鼬s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h e1 3 5 6i - l z i s o i e c1 5 6 9 3i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s i n g l ep h a s ew h o l ew a v oc o m m u t a t i o nc i r c u i ta n d v o l t a g e - s t a b i l i z i n gc i r c u i ta r ea d o p t e dt os u p p l yt a gv o l t a g e 。i no r d e rt op r e v e n tt h e i n t e r f e r e n c e , t w og r o u p so fv o l t a g es o u b ：ea r ed e s i g n e dt os u p p l yv o l t a g et or f j n t e r f a c ec i r c u i ta n dd i g i t a lc o n t r o li o g i ec i r c u i ts e p a r a t e l y i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h e d a t ap r o c e s sa n dc o n v e r s i o n , t h ec l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i t 、l o o m o d u l a t i o ns i g n a la n d 1 0 s i g n a ld e m o d u l a t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d b e c a u s et h ed e s i g no fl o s i g n a l d e m o d u l 教i o nc i r c a i 童i sm o r ed i f f i c u l lt h et w os t a g ep u s h p u l la m p l 难e dc i r c u i ti s d e s i g n e dt od e m o d u l a t et h e1 0 m o d u l a t es i g n a l w h e r e a st h ed e s i g n e dt a gi sr e a d a b l e a n dw r i t a b l e e 2 p r o mi sa d o p t e da st h em e m o r yu n i t i no r d e rt os u p p l yt h ee 艚r o m u n i tw l 氇t h e 艇薛p r o g r a m m i n gv o l t a g eu n d e rw r i t t e np r o c e s s , t e ns t a g es e r i a lv o l t a g e d o u b l e rc h a r g ep u m pc i r c u i ti sd e s i g n e d , c o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a ld i c k s o nc h a r g e p u m pc i r c u i t ，t h i sc i r c u i ti sm o r ee f f i c i e n t , a n dc a nw o r ku n d e rl o w e rv o l t a g e t h e i n t e g r i t yo fd a d at r a n s m i s s i o ni nr f l ds y s t e mi sa n a l y z e da n di n v e s t i g a t e d 嚣i e d i s a d v a n t a g eo fc o m m o nc y c l i n gr e d u n d a n c yc h e c kc i r c u i t ，al l e wc y c l i n gr e d u n d a n c y c h e c kc i r c u i ti sp r o p o s e d 。t h ec i r c u i tn o to n l yc 髓c h e c kt h er e c e i v e ds e r i a ld a t a , b u t a l s oc a ng e n e r a t et h et r a n s m i r e dc y c l i n gr e d u n d a n c yc h e c kc o d e , w h i c hj sp r o v i d e dt o t h er e c e i v e rt oc h e c kt h ed a t a b a s e do nt h ec h a r t e r0 3 5 1 t i nb i - p o t ys i l i c o np r o c e s s , h s p i c ei su t i l i z e dt os i m u l a t e t h er fi n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h ev o l t a g ed o u b l e rc h a r g ep u m pc i r c u i t v 跗l o g - x li su s e d t os i m u l a t et h ec y c l i n gr e d u n d a n c yc h e c kc i r c u i t 。t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr f i n t e r f a c e ：c i r c u i tp r o v i d e st h et a gw i t he n e r g ya n dt i m es e q u e n c e v o l t a g ed o u b l e rc h a r g e p u m pc i r c u i tc a l lg e n e r a t et h ep r o g r a m m i n gv o l t a g eo v e r1 7v - t h ec y c l i n gr e d u n d a n c y c h e c kc i r c u i tc a l ld ot h ec y c l i n gr e d u n d a n c yc h e c ka n dt h eg e n e r a t i o no fc y c l i n g r e d u n d a n c y 穗e c kc o d ec o r r e c t l y k e yw o r d ：c r c i n t e r f a c ec i r c u i t si s 0 i e c l 5 6 9 3c o n t a c f l e s st a gr f i d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果： 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盘盈缱选 日期趔z 二丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 盏垒堕坠 日期塑z ：! ：丛 导师签名：j 军1 4 _ 刍霹 日期j 璺旱4 ：2 j 芝一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 射频识别技术的发展历程 无线射频识别技术( 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 ，r f i d ) ，或称射频识别技 术，是从二十世纪九十年代兴起的一项非接触式自动识别技术。在目前常用的自 动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但易磨损，且数据量很小；接触式i c 卡 的价格稍高些，数据存储量较大，安全性好，但也易磨损，寿命短；而射频卡实 现了免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好， 抗污染能力和耐久性强，可在恶劣环境下工作，对环境要求低，读取距离远，无 需与目标接触就可以得到数据，支持写入数据，无需重新制作新的标签，可重复 使用，并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡， 得到了越来越广泛的运用。 射频识别技术的发展按十年期可划分如下： 1 9 4 1 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1 9 4 8 年哈里斯托克 曼发表了利用反射功率的通信奠定了射频识别技术的理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年，射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识 别技术测试方法得到加速发展。出现了一些最早的射频识别应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始 出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，射频识别技术标准化日趋受到重视，射频识别产品得到广泛 采用。 2 0 0 0 年以后，标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富， 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，电子标签成本降低， 规模应用行业扩大。 1 2 射频识别技术的应用 近年来，射频识别发展很快，已被广泛应用于生产自动化、商业自动化、身 份识别、交通运输控制管理等众多领域。举例来说： 在生产自动化领域上，德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频标签，以 尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样 基于1 3 5 6 m h z 的射频识别关键技术研究 而生产的，用户可以从上万种内部和外部选项中，选定自己所需车的颜色、引擎 型号和轮胎式样等。这样一来，汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽 车，如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。 宝马公司通过在其装配流水线上配有r f i d 系统，使用可重复使用的射频标签，该 射频标签上带有汽车所需的所有详细的要求，在每个工作点处都有读写器，这样 可以保证汽车在各个流水线位置，能毫不出错地完成装配任务。 在商业应用中，全球最大的零售商沃尔玛在其遍布全球的大型超市中大力推 行射频识别标签的使用。 在身份识别领域中，众所周知的中国第二代身份证也使用了射频标签，同时 射频标签在门禁、财产安全等方面也有广阔的应用。 我国在交通运输方面也已经使用r f i d 系统，目前中国的高速公路发展非常 快，在地区经济发展中占据的位置也越来越重要，而现在的人工收费系统却常常 造成交通堵塞。将r f i d 系统用于高速公路自动收费，能够在携带射频卡的车流高 速通过收费站时同时自动完成收费。可以有效解决交通堵塞。通过采用r f i d 系统， 中国有望改善公路基础设施。 为了迎接北京2 0 0 8 年奥运会，中国国内，特别是北京正在启动庞大的电子信 息化系统工程，而r f i d 技术将在其中扮演十分重要的角色。 1 3 射频识别技术标准的概述 标准能够确保协同工作的进行、规模经济的实现、工作实施的安全性以及其 他许多方面。r f i d 标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准来解决编码、 通信、空气接口和数据共享等问题，最大程度地促进r f i d 技术及相关系统的应用。 但是如果标准采用过早，有可能会制约技术的发展进步；而如果采用太晚的话， 则可能会限制技术的应用范围，导致危险事件的发生以及不必要的开销。 事实上，r f d 的相关标准涉及到其许多具体的应用，例如：不停车收费系统、 宠物标识、货物集装箱标识以及智能卡应用等。目前，许多组织已经参与到r f i d 相关标准的制定当中，比如i s o ( 国际标准化组织) 、g s i ( 电子商务、物品标识、 数据同步交换方面的全球标准化组织) 、e p cg l o b a l 、日本u i d 、以及u si e e e 和 a i m g l o b a l 等。 和e p cg l o b a l 相比，i s o ，m c 有着天然的公信力，因为i s o 是公认的全球非 盈利工业标准组织。与e p cg 1 0 b a l 只专注于8 6 0 9 6 0m h z 频段不同，i s o ，i e c 在 各个频段的r f i d 都颁布了标准。在我国，8 6 0 - - 9 6 0 m h z 主要业务为固定和移动 通讯，此频段的r f i d 频率规划必须谨慎。而国际通用的r f i d 技术主要使用 第一章绪论 3 4 3 0 1 v i i - i z 左右，这个频段在中国属于专用频段。1 3 5 6 m 属于i s m 频率，这个频率 大量应用身份识别，中国第二代身份证的读写都是应用这个频率，应用很广泛。 i s o s e c 已出台的r f i d 标准主要关注基本的模块构建、空气接口、涉及到的 数据结构以及实施问题，具体可以分为技术标准、数据内容标准、一致性标准及 应用标准四个方面。 射频识别快报网给出了一个i s o i e c 标准的层次结构，如图1 1 所示： i s 伽e c 标准 技术标准 ll 数据结构标准lf 性能标准ii 应用标准 i s o1 8 0 0 0 - 1 空气接口一般参数 i s o1 8 0 0 0 - 2 低于1 3 5 z 频率空气接口参数 i s o1 8 0 0 0 - 31 35 6 m h z 频率空气接口参数 i s o1 8 0 0 0 - 42 a 5 g h z 频率空气接口参数 i s 0 1 8 0 0 0 - 68 6 0 9 6 0 m i - i z 频率空气接口参数 i s o1 8 0 0 0 - 74 3 3 9 2 m i - i z 频率空气接口参数 1 s o1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 非接触集成电 路卡 i s o1 5 6 9 3 ( v i e i a i t yc a r d s ) 非接触疏耦合卡 i s o1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t y c a r d s ) 非接触密耦合卡 i s o1 5 4 2 4 数据载体，特征标识符 i s o1 5 4 1 8 - e a n ，u o c 应用标识符及a s c m h i o 数 据标识符 i s o1 5 4 3 4 大高容量a d c 媒体用的传送语法 l s 01 5 4 5 9 物品管理的唯一d i s o1 5 9 6 1 数据协议；应用接口 i s o1 5 9 6 2 数据编码规则和逻辑存储功能的协议 i s o1 5 9 6 3r f 标签的唯一标识 i s 0 1 0 3 7 4 货运集装箱标签 i s 0 1 8 1 8 5 货运集装箱电子封条r f 通信协议 i s o l l 7 8 4 基于动物的无线射频识别 代码结构 i s 0 1 1 7 8 5 基于动物的无线射频识别 技术准则 i s o l 7 3 8 5 应用需求 i s o1 7 3 6 3 货运集装箱 i s 01 7 3 6 4 可回收运输单品 l s o1 7 3 6 5 运输单元 i s o1 7 3 6 3 产品包装 i s o1 7 3 6 4 产品标识 i s o1 8 0 4 6r f i d 设备性能测试方法 i s o1 8 0 4 7r f i d 设备一致性测试方 法 目前，在我国用于非接触智能卡的国际标准有两个：i s o i e c l 4 4 4 3 和 i s o i e c l 5 6 9 3 。i s o i e c l 4 4 4 3 和i s o i e c l 5 6 9 3 标准在1 9 9 5 年开始制定，其完成 则是在2 0 0 0 年以后，两者都以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率。i s o i e c l 5 6 9 3 读 写距离较远，而i s o i e c l 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛。目前中国的第二代 4 基于1 3 5 6 m i - i z 的射频识别关键技术研究 身份证采用的是i s o i e c l 4 4 4 3r 汗eb 【1 】【2 】【3 j 【4 】协议。i s o i e c l 4 4 4 3 定义了t e a 、t y p eb 两种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i 以，它们的主要区别在于载波的调 制系数及编码方式。t y p e a 采用开关键控( o n - - o f f k e y i n go o k ) 的曼彻斯特编 码，t y p e b 采用n r z - l 的b p s k 编码。t y l e b 与t y p e a 相比，具有传输能量 不中断、速率更高、抗干扰能力强的有点。 r f i d 的核心是防冲撞技术，这也是和接触式i c 卡的主要区别。 i s o m c l 4 4 4 3 3 规定了t y p e a 和r 开e b 的防冲撞机制。两者防冲撞机制的原理 不同，前者是基于位冲撞检测协议，而t y p eb 通信系列命令序列完成防冲撞。 i s o i e c l 5 6 9 3 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制p l 6 1 7 】。防冲撞机制 使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了 操作的速度。 1 4 研究的意义 射频识别的应用频率有很多，识别距离随着频率的增大而增大。但并不是频 率越高越好，在药品行业，u h f ( 超高频) 和h f ( 高频) 标签在供应链环节都在 使用，通过o d i n 科技公司的测试表明，i - i f 标签比u h f 标签在制药业单品级追 踪应用方面更具优势，而且有研究表明，液体产品很难使用超高频标签，因为液 体吸收电磁波谱上频段8 6 8 9 5 6 m h z 的超高频电磁波。所以研究h f 标签是不可 缺少的。 载波频率为1 3 5 6 m h z 的h f 射频识别系统发展很快，而采用i s o i e c l 4 4 4 3 国际标准在国内已经被采用，比如中国的第二代身份证、常用的月票。与基于 i s o i e c l 4 4 4 3 的标签相比，基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的标签有通信机制更加成熟、 场强低、识读距离远等特点，详细的比较如表1 1 所示： 表1 1i s o i e c l 4 4 4 3 和i s o i e c l 5 6 9 3 的比较嗍 协议 工作场范围a m r m s 最大识别距离o n l位编码 i s o 匝c 1 5 6 9 3o 1 5 51 6 0 长距离和快速方式可选 i s o ，m c l 4 4 4 31 5 ，7l o 单一模式 在国外，基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的射频识别系统应用很广，比如美国俄亥俄 州g r e a t w o l f l o d g e 水上乐园使用了r f i d 技术，该r f i d 系统采用了i s o i e c l 5 6 9 3 标准。2 0 0 6 年1 1 月7 日，美国全球分销和物流公司k n a p pl o g i s t i c s & a u t o m a t i o n 与r f i d 硬件制造商e s c o r tm e m o r ys y s t e m s 联合，应用基于i s o i e c l 5 6 9 3 的射频 识别技术，为邮购药物的客户提供了一套解决方案，以便更好地解决跟踪和调试 药荆。然而出于种种原因，在国内，基于i s o ，i e c l 5 6 9 3 标准的射频识别实际应用 第一章绪论 却鲜有报道。基于l s 0 ，正c 1 5 6 9 3 标准的射频识别系统具有明显的优越性，本论文 在参阅文献的基础上设计了基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的射频接口电路。 1 5 本论文的章节结构 本论文的工作主要是设计基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的射频识别系统中的标签电 路。 第一章主要介绍了射频识别技术的发展历程和应用；对常用的标准尤其是 i s 伽e c 标准体系做了详细地说明；并说明了研究基于载波频率为1 3 5 6 m h z 的射 频识别系统的重要性。 第二章主要介绍了电感耦合的射频识别系统的磁场理论，推导了在谐振条件 下标签中的负载电压跟阅读器电流、阅读器的电感、标签电感、耦合系数之间的 关系；介绍了负载调制电路的原理，说明引入副载波调制的必要性。 第三章主要说明了射频识别的构成和i s o i e c l 5 6 9 3 标准，着重介绍了阅读器 和标签之间的通信协议。 第四章主要描述了标签的工作原理和射频接口电路的框架模块图。介绍了基 于i s 伽e c l 5 6 9 3 标准的射频接口电路的各个功能块的实现，并给出了主要电路的 仿真结果；介绍了用于e 2 p r o m 的编程电压产生电路，分析了常用的d i c k s o n 式 电荷泵电路的一些缺点，说明了倍压器电荷泵电路结构，并给出了仿真结果。 第五章主要阐明了射频识别系统信号完整性的一些校验方法，并着重讨论了 循环冗余校验电路的基本原理和算法，并介绍了循环冗余校验电路的实现。 第二章射频识别系统的磁场理论 第二章射频识别系统的磁场理论 7 根据频率不同，射频识别系统的能量和数据传输原理是不一致的。大多数射 频识别系统的工作原理是电感耦合，这涉及到磁场理论；而在无线电波频率大于 3 0 m h z 的射频识别系统中，则要涉及到电磁场理论唧。本论文采用i s o i e c l 5 6 9 3 标准，载波频率为1 3 5 6 m h z ，属于电感耦合系统。在本章节，主要讨论磁场理论， 并用变压器的模型来等效磁场：用初级线圈来等效阅读器的天线，用次级线圈来 等效标签的天线，用互感来等效耦合系数。这样，可以把无线磁场问题转变为变 压器电路问题。 2 1 磁场强度h 每个运动的电荷或者说是电流，都能产生磁场。磁场的大小用磁场强度h 表 示，与所在空间的物质属性无关。 根据电磁场理论，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 强度之和。用公式表示就是： i = c f 百鬲 ( 2 1 ) 可以用这个公式计算各种不通载流导体的磁场强度h 。对于直流导体来说， 在半径为r 的环形磁力线上，磁场强度是恒定的。磁场强度由下式表示： 日；上( 2 - 2 ) 2 w r 为了在电感耦合的射频识别系统的写牍设备中产生交变磁场，采用了“短圆 柱形线圈”或用导体回路来做磁性天线，如图2 1 所示。如果被测点沿线圈轴( x 图2 1 线圈磁场示意图 s 基于1 3 5 6 m h z 的射频识别关键技术研究 轴) 方向离开线圈中心很远，那么场强h 随着距离的增大而不断减弱。有研究表 明，从线圈的半径到一定距离的场强几乎是不变的，而后则急剧下降。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，而形成电磁波的远场中 变得比较平缓，为2 0 d b 每1 0 倍距离。公式( 2 - 3 ) 可以计算沿着圆形线圈的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：墨：但3 ) 2 ( r 2 + x 2 ) 3 、。 式中，n ：线圈匝数，r ；圆半径；x ：沿x 方向与线圈中心的距离。用于此式的有 效边界条件式：d r 而x 。 边长为4 b 的矩形导体回路的在距离为x 处的场强曲线，可以用式( 2 - 4 ) 计算， 这种形式经常用作发送天线 肌赫【方+ 剥 ( 2 4 ) 4 万挎2 + c 争，旧2 似2 ( 争2 2 j 2 2 感应系数工 围绕任意形状的导体周围都有磁场，也就有磁通量中。如果导体形成回路， 则将使磁通量明显增加。通常，不是只有单个的导体回路，而是有n 个相同面积爿 的回路，每个回路都有相同的电流j 。每个导电回路对总磁通量甲贡献出相同的 部分o 。 l 壬，= o = 西= 日- a ( 2 - 5 ) 其中，1 t = 胁从，4 为线圈面积。 在电流，包围的总面积中产生的磁通量、壬，与导体回路中包围它的电流，之比 就被称为感应系数( 电感) l 。 工：半；华：半( 2 - 6 ) 扣了。了2 f 2 3 互感系数m 如果在电流通过的导体回路1 ( 面积4 ，电流) 的邻近还有另外的有电流通 过的导体回路2 ( 面积4 ，电流厶) ，那么穿过4 的部分磁通量。也穿过4 。两个 电路将通过这部分磁通量即耦合磁通量连接在一起。耦合磁通量甲：。取决于两个导 第二章射频识别系统的磁场理论 9 体回路在布局中的集合尺寸。导体回路彼此的位置以及介质的磁属性( 即导磁率) 。 与单个导体回路的自电感系数工的定义相似，导体回路2 与导体回路1 的互感 系数鸩，是被回路2 包围的部分磁通量甲：。与回路1 中的电流之比： 蜘半= 叮半弛 ( 2 7 ) 类似地，这里还有一个互感系数m 2 ，电流厶流经导体回路2 ，因而决定了在 回路1 中的耦合磁通量甲。，下面的互逆关系成立： m = m 2 = ( 2 8 ) 互感系数描述两个电路通过磁场产生的耦合，在两个电路之间总是存在着互 感系数。其量纲和单位与自感应系数是一致的。 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2 2 中 给出了标签天线与三个直径不同的阅读器天线之间的互感系数。使用的是圆形线 圈，m 1 ：r = 5 5 c m m 2 ：r = 7 5 c m ，m 3 ：r = l c m ，标签天线线圈半r = 3 5 伽。 所有阅读器天线匝数：n = l 距离( h d 图2 2 距离跟互感系数的关系【1 川 i o 基于1 3 5 6 m i - i z 的射频识别关键技术研究 2 4 耦合系数_ j 互感系数是两个导体回路的磁通量耦合的定量说明。引入耦合系数七来对导体 回路的耦合作定量说明，使其与导体回路的几何尺寸无关。关系式如下： 七： 车 ( 2 9 ) 式中，耦合系数满足o _ j s 1 ：七= 0 意味着由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦； 七= 1 意味着全耦合。 只有很简单的天线配置才能进行分析计算。两个平行的、在x 轴上同芯的导体 回路的祸合系数七与两个导体回路之间的距离x 的关系如下所示。 ，、一 ，标签，橱读器 以功2 焉茸嚣丽 、，签俪读墨i 【石+ ，。阅读器，i 2 5 感应定律 感应定律的一般形式为： u ；p 鬲= - n 掣 2 - 1 1 ) 导体回路中厶随时间变化的电流( f ) 产生随时间变化的磁通量抛“) 田。根据电 磁感应定律，在由全部或部分磁通量穿过的导体回路厶和厶中，感应出电压。感 应电压可以分为两种情况： 自感：由电流变化；引起的磁通量变化在同一个导体回路中感应的电压。 讲 互感：由电流变化。u l 引起的磁通量变化在邻近的导体回路中感应的电压。通 讲 过互感，两个导体回路相互耦合，如图2 3 所示。在电感耦合的射频识别系统中， 工l 是阅读器的天线，厶是标签的天线，是为标签的线圈阻值，数据存储器的电流 消耗用负载来表示。 导体回路厶中的随时间变化的磁通量通过互感系数m 在导体回路厶中感生 电压u ：。流过的电流在线圈电阻疋两端产生附加的压降，这一电压可在终端处 测得。通过负载电阻盈的电流可由，r ，来计算。此外，通过厶的电流也产生了 附加的磁通量，它与磁通量甲，( ) 相反，综上所述可得出下面的公式： 也= 等= 蜂一厶鲁嗽( 2 - 1 2 ) d id ld | 。 第二章射频识别系统的磁场理论 u 1 国u l i 图2 3电磁感应示意图和等效电路n 1 i 在实践中，和如都是正弦形( 高频) 交流电，故式( 2 1 2 ) 可用更合适的复 数形式表示，即 、 1 1 2 = j w m 一，万厶岛一如坞 ( 2 - 1 3 ) 式中巧= 幼，若用詈来代替f 2 ，再对屹求解，可得 心= - j 丽w m ( 2 1 4 ) 心2 矗亟互 口。1 4 吃 式( 2 - 1 4 ) 消去易变量，给出了输出电压屹跟阅读器的电流、互感、负载电阻的关系， 这样可以得出简化负载电压的分析。 2 6 谐振 标签线圈中感应的电压是供给标签电路系统的。为了显著提高图2 3 所示的 等效电路的效率，在标签线圈厶上并联电容c 2 以构成并联谐振回路，其谐振频率 与所述的射频识别系统的工作频率一致。并联谐振回路的谐振频率可以用下面的 公式计算： 1 卜赢( 2 - 1 5 ) 实际上，c 2 是由并联电容器c 2 和实际电路寄生电容g 构成，即c 2 = c 2 4 - c ，由 此，考虑寄生电容c ，c 2 可由式( 2 - 1 6 ) 求得： 基于1 3 5 6 m h z 的射频识别关键技术研究 c ：= 两1 丽一g 。 ( 2 万厂) 2 厶 f 2 - 1 6 ) 实际标签的等效电路如图2 4 所示，图中恐是标签线圈厶的固有电阻，而数 据载体( 芯片) 消耗的电流是通过负载电阻恐表示的。 1 1 筝 _ j 图2 4 标签等效电路1 1 2 1 r l 若：为线圈厶内感生的电压，则图2 4 所示的等效电路中的负载电阻吃上产 生的电压屹可由下式给出： ”2 ：j 墅_ ( 2 - 1 7 ) 1 + ( ，巧厶+ 岛) ( 歹吗+ 玄 而感应电压2 的产生是由于互感的作用，用互感m 来表示，即 2 = 甜= _ ，蒯= 口七再 ( 2 1 8 ) 于是，得到电压也与发射器天线和标签天线的磁祸合关系分别为： ，屹：塑坠年一 ( 2 - 1 9 ) 1 + u 鸡+ 是) ( 亡+ 隅 及 如：坐垫i ( 2 - 2 0 ) 1 + ( j w - q + 恐) u 吗+ 或者写成非复数形式： 第二章射频识别系统的磁场理论 心2 ( 2 - 2 1 ) 式中，c 2 = c ：+ g 。 图2 5 表示的是在较大的频率范围内，一个标签系统有谐振或无谐振 u 2 的模 拟曲线。发射天线中天线电流和与此相关的o ( ) 、感应系数厶、互感系数肘以 及是和也在整个频率范围内保持不变。可以看到，对于仅仅有线圈的电路图的心 曲线在低于谐振频率时和并联谐振电路几乎是相同的，但当到达谐振频率时，并 联谐振电路的屹相比之下增大了1 0 倍还多；高于谐振频率时，并联谐振的啦迅速 下降，甚至比仅有线圈的电路的电压还要低。 八，一- 。乡? 。 频率( h z ) 图2 5 有谐振和无谐振的天线信号旧l 对低于1 3 5 k h z 频率范围的标签来说，标签线圈厶通常并联一个芯片电容器， 以获得所需谐振频率，一般情况下，c ，= 2 0 2 2 0 p f 。对1 3 5 6 m h z 和以上的较 高频率来说，所需电容大多数是很小的，有芯片的输入电容和标签线圈的寄生电 容一起足够使用了。 考虑电路元件忍、吃和厶对电压屹的影响，引入品质因数q 。品质因数q 是 振荡回路处于谐振频率时电压和电流增大的量度，其倒数1 q 则表示回路阻尼。对 图2 4 中的等效电路来说，其品质因数为： 1 4 基于1 3 5 6 m h z 的射频识别关键技术研究 q = ：1 r 上了 ( 2 2 2 ) 生监 ” 厶吃 其中，矾是谐振角频率 1 砜= 1 二( 2 - 2 3 ) 上2 c 2 正如公式( 2 - 2 2 ) 表明的那样，当垦专o o ，冠_ o 时，品质因数q 趋向于零。 当标签线圈电阻很小，尼斗0 而负载电阻很高，尼0 时，能够达到很高的 品质因数q 。电压也与振荡回路的质量成比例，从而清楚地表明了电压屹与是和 尼的关系。 对于是一o o ，马斗o 来说，使电压趋近于零。在标签线圈的线圈电阻很小 垦- - ) 0 而有着很高的负载电阻盈0 时，可达到很高的电压如。 按照标签的供电来源，标签可区分为有源和无源两种类型。 有源标签包含有自己的电池，用于给数据载体供电。在这些标签中，电压通 常用来产生“w a k eu p ”唤醒信号，只要电压u 2 超出某种极限，这一信号就被激活， 并使得数据载体进入工作模式。当和阅读器完成信息交换之后，或电压，低于某 最小值时，标签就返回到节电的“睡眠”模式。 对无源标签来说，数据载体的供应电压必须从电源获得。为此，用低损耗 的桥式整流器把电压2 转变成直流，然后滤波。本论文所设计的就是一个无源标 签，具体的电源实现方式将在第四章会详细阐述。 2 7 负载调制 负载调制的基本原理是根据数据流改变标签芯片振荡回路的电路参数，使作 为阅读器负载的标签电路的变换阻抗发生变化，标签天线上的电流跟着变化，进 而通过互感影响到阅读器振荡回路的电流电压参数，这些变化通过读写器的提取 和处理就可以解调出数据。 标签振荡回路可以改变的电路参数为电容和电阻，实际的电阻负载调制电路 如图2 6 所示。该电路通过数据流来改变负载电阻的大小，从而在l 2 两端产生电 流变化的信号，继而影响l l 两端电流。由于采用了1 3 5 6 m h z 的频率作为载波频 率，同时阅读器和标签是双向通信的，如果把负载信号也调制在载波上，那么阅 读器到标签的信号就会受到影响，所以引入了副载波负载调制的概念，就是说把 二进制数据先调制在一个副载波上，然后再把调制好的信号再调制在载波上，这 跟f m 的二次调制有点类似，实际上就是把调制信号的频谱搬移。 第二章射频识剐系统的磁蛹理论 黧2 。6 负载清割恕黪 s 奖嚣频落魏图2 。7 麝示，这里暴溪夔副载渡蔸2 1 2 k h z 。递_ ；童烈载波受裁调制 以后，有用信号的频谱发生了搬移，这样阅读器可以通过有源滤波嚣来读出标签 发爨戆数据，实现了双囊遁僖。 1 i i 呵 f i - 1 3 磕把 剜缓器兹被渡蓓母 【鼷囊 = 天线鲮嚣) ，7 星然鎏基凌礴 1 3 3 唾8 射茹 1 3 7 7 2 驸陆 。，晨k 塑2 7 副载波受载调制频谱 2