第 03 章RFID的无线通信原理--电感耦合通信

1、电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 RFID电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 主要内容：主要内容： n线圈的自感与互感线圈的自感与互感 nRFIDRFID读写器的射频前端读写器的射频前端 nRFIDRFID电子标签的射频前端电子标签的射频前端 nRFDRFD读写器与电子标签的互感耦合读写器与电子标签的互感耦合 一、线圈自感与互感一、线圈自感与互感知识回顾知识回顾 磁通磁通 = =？ 总磁通总磁通 = =？ 自感自感L=?L=? 互互感感M12=?M12=? n如果读写器线圈的圈数为如果读写器线圈的圈数为N1N1，电，电 子标签线圈的圈数为子标签线圈的圈数为N2N2，线圈都

2、为，线圈都为 圆形，线圈的半径分别为圆形，线圈的半径分别为R1R1、R2R2， 两个线圈圆心之间的距离为两个线圈圆心之间的距离为d d，两两 个线圈平行放置个线圈平行放置，其中一个线圈的，其中一个线圈的 半径远小于半径远小于d d时，则两个线圈之间时，则两个线圈之间 的的互互感感M12=?M12=? n互感：互感：当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁场通过第二个线圈时，当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁场通过第二个线圈时， 通过第二个线圈的总磁通与第一个线圈上电流的比值，称为两个线圈间通过第二个线圈的总磁通与第一个线圈上电流的比值，称为两个线圈间 的互感的互感 n线圈线圈之间的互感也是一

3、种之间的互感也是一种电参量电参量，线圈之间的互感仅与两个线圈的结构、，线圈之间的互感仅与两个线圈的结构、 尺寸、相对位置和材料有关。尺寸、相对位置和材料有关。 二、二、RFID读写器的射频前端读写器的射频前端 n射频前端：射频前端：实现射频能量和信息传输的射频前端电路。实现射频能量和信息传输的射频前端电路。 n读写器天线功能：读写器天线功能：低频和高频低频和高频RFIDRFID读写器的天线用于产生磁通，该磁通读写器的天线用于产生磁通，该磁通 向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。 n读写器天线构造要求：读写器天线构造要求：

4、n读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。 n功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。 n足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。 n射频前端电路结构？射频前端电路结构？ n串联谐振电路串联谐振电路 n串联谐振电路的组成？串联谐振电路的组成？ n电感、电容、电阻串联而成电感、电容、电阻串联而成 RFID RFID读写器的射频前端电路结构读写器的射频前端电路结构 n射频前端：射频前端：实现射频能量和信息传输的射频前端电路。实现射频能量和信息传输的射频前端

5、电路。 n读写器天线功能：读写器天线功能：低频和高频低频和高频RFIDRFID读写器的天线用于产生磁通，该磁通读写器的天线用于产生磁通，该磁通 向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。 n读写器天线构造要求：读写器天线构造要求： n读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。 n功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。 n足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。 n射频前端电路结构？射频前

6、端电路结构？ n串联谐振电路串联谐振电路 n串联谐振电路的组成？串联谐振电路的组成？ n电感、电容、电阻串联而成电感、电容、电阻串联而成 n电感电感L L： 储存磁能并产生感抗储存磁能并产生感抗 X XL L=?=? n电容电容C C： 储存电场能并产生容抗储存电场能并产生容抗X XC C=?=? n谐振条件：谐振条件： 当电感当电感L L储存的平均磁能与电容储存的平均磁能与电容C C储存的平均场能相等时，电路产储存的平均场能相等时，电路产 生谐振，此时电感生谐振，此时电感L L的感抗和电容的感抗和电容C C的容抗相互抵消，输入阻抗为的容抗相互抵消，输入阻抗为 纯电阻纯电阻R R。 串联谐振串

7、联谐振 n特性参数：特性参数： n谐振频率谐振频率 n品质因素品质因素 n输入阻抗输入阻抗 n带宽带宽 n电感电感L L储存的平均磁能储存的平均磁能W Wm m=?=? n电容电容C C储存平均电场能储存平均电场能W We e=?=? n谐振角频率谐振角频率= =？ n谐振频率谐振频率f=f=？ 串联谐振串联谐振谐振频率谐振频率 n定义？定义？ n计算：计算：Q=Q=？ 串联谐振串联谐振品质因素品质因素 n当当= 0时，时，Zin=？ n当当= 0 0 时，时，Z Zin in= =？ ？ nX-X-曲线图？曲线图？ nZ-Z-曲线图？曲线图？ 串联谐振串联谐振输入阻抗输入阻抗 串联谐振串联谐

8、振带宽带宽 nI-I-曲线曲线？ nI/II/I0 0 - -曲线？ 曲线？ n带宽分布图？带宽分布图？ n2- 1=？ 串联谐振串联谐振有载品质因素有载品质因素 n无载品质因数无载品质因数Q Q：体现了谐振电路自身的特性。体现了谐振电路自身的特性。 n有载品质因素有载品质因素Q QL L: :实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于 外负载消耗能量，使总的品质因数下降。外负载消耗能量，使总的品质因数下降。 n假设外负载为假设外负载为R RL L，外部品质因数定义为：，外部品质因数定义为： n整个回路的有载品质因数为：整个回路的有载品质因数为

9、： n品质因数关系品质因数关系： 0 e L L Q R 0 L L L Q RR Le 111 QQQ 思考题思考题1 1： 1 1）谐振时，回路电抗）谐振时，回路电抗X=?X=? 2 2）谐振时，回路最大电流）谐振时，回路最大电流I Im m= =？ 3 3）谐振时，电感两端电压）谐振时，电感两端电压V VL L=?=? 4 4）谐振时，电容两端电压）谐振时，电容两端电压V VC C=?=? 三、三、RFID电子标签的射频前端电子标签的射频前端 n电子标签天线功能：电子标签天线功能：低频和高频低频和高频RFIDRFID电子标签的天线用于耦合读写器天电子标签的天线用于耦合读写器天 线的磁通，

10、该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传线的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传 递信息。递信息。 n电子标签天线构造要求：电子标签天线构造要求： n电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的 电压。电压。 n功率匹配，以最大程度地耦合来自读写器的能量。功率匹配，以最大程度地耦合来自读写器的能量。 n足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。 n射频前端电路结构？射频前端电路结构？ n并联谐振电路并联谐振电路 n并联谐振电路的组成？并联谐振电路的组成

11、？ n电感、电容并联而成电感、电容并联而成 RFID RFID电子标签的射频前端电路结构电子标签的射频前端电路结构 n电子标签天线功能：电子标签天线功能：低频和高频低频和高频RFIDRFID电子标签的天线用于耦合读写器天电子标签的天线用于耦合读写器天 线的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传线的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传 递信息。递信息。 n电子标签天线构造要求：电子标签天线构造要求： n电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的 电压。电压。 n功率匹配，以最大程度地耦

12、合来自读写器的能量。功率匹配，以最大程度地耦合来自读写器的能量。 n足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。 n射频前端电路结构？射频前端电路结构？ n并联谐振电路并联谐振电路 n并联谐振电路的组成？并联谐振电路的组成？ n电感、电容并联而成电感、电容并联而成 n电感电感L L：储存磁能并产生感抗储存磁能并产生感抗 nX XL L=?=? n电容电容C C：储存电场能并产生容抗储存电场能并产生容抗 nX XC C=?=? n谐振条件：谐振条件：当电感当电感L L储存的平均磁能与电容储存的平均磁能与电容C C储存的平均场能相等时，电储存的平均场能相等时

13、，电 路产生谐振，此时电感路产生谐振，此时电感L L的感抗和电容的感抗和电容C C的容抗相互抵消，输入阻抗为纯的容抗相互抵消，输入阻抗为纯 电阻电阻R R。 并联谐振并联谐振 n特性参数：特性参数： n谐振频率谐振频率 n品质因素品质因素 n输入阻抗输入阻抗 n带宽带宽 n电感电感L L储存的平均磁能储存的平均磁能W Wm m=?=? n电容电容C C储存平均电场能储存平均电场能W We e=?=? n谐振角频率谐振角频率= =？ n谐振频率谐振频率f=f=？ 并联谐振并联谐振谐振频率谐振频率 n定义？定义？ n计算：计算：Q=Q=？ 并联谐振并联谐振品质因素品质因素 n当当= 0时，时，Zi

14、n=？Yin=？ n当当= 0 0 时，时，Y Yin in= =？ ？ nX-X-曲线图？曲线图？ nY-Y-曲线图？曲线图？ 并联谐振并联谐振输入阻抗输入阻抗 并联谐振并联谐振带宽带宽 nU-U-曲线曲线？ nU/UU/U0 0 - -曲线？ 曲线？ n带宽分布图？带宽分布图？ n2- 1=？ 并联谐振并联谐振有载品质因素有载品质因素 n无载品质因数无载品质因数Q Q：体现了谐振电路自身的特性。体现了谐振电路自身的特性。 n有载品质因素有载品质因素Q QL L: :实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于 外负载消耗能量，使总的品质因数下

15、降。外负载消耗能量，使总的品质因数下降。 n假设并联的外负载为假设并联的外负载为R RL L，外部品质因数外部品质因数Q Qe e定义为？定义为？ n整个回路的整个回路的有载品质因数有载品质因数为？为？ n品质因数品质因数关系关系？ 思考题思考题2 2： 1 1）谐振时，回路电抗）谐振时，回路电抗X=?X=? 2 2）谐振时，回路电阻电流）谐振时，回路电阻电流I IR R= =？ 3 3）谐振时，电感电流）谐振时，电感电流I IL L=?=? 4 4）谐振时，电容电流）谐振时，电容电流I IC C=?=? 思考题思考题3:3:计算并填表计算并填表 参量参量串联谐振串联谐振 电路电路 并联谐振电

16、路并联谐振电路 输入阻抗或导输入阻抗或导 纳纳 ？ 储存的磁能储存的磁能？ 储存的电场能储存的电场能？ 谐振角频率谐振角频率？ 带宽带宽？ 无载品质因素无载品质因素？ 外部品质因素外部品质因素？ 有载品质因素有载品质因素？ 品质因素关系品质因素关系？ 思考题思考题4:4: 设计一个由理想电感设计一个由理想电感 和理想电容构成的并联谐和理想电容构成的并联谐 振电路，要求在负载振电路，要求在负载 R RL L=50=50及及 f=13.56Mhz=13.56Mhz时时 的有载品质因数的有载品质因数Q QL L=1.1=1.1。 讨论利用改变电感和电容讨论利用改变电感和电容 值提高有载品质因数的途值

17、提高有载品质因数的途 径。径。 思考题思考题5:5: 若希望图（若希望图（b b）与图（）与图（a a） 所示的电路等效，分析：所示的电路等效，分析： 1 1）X2=X2=？ 2 2）R2=?R2=? 四、四、RFD读写器与电子标签的互感耦合读写器与电子标签的互感耦合 n法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在其 上会产生感应电压，并在回路中产生电流。 n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。 电子标签线圈感应电压电子标签线圈感

18、应电压V2=?V2=? 2 0 1 22223 2 22 ddd dd ddd 2 cos ia vNNBSNS ttt ar 22 dd dd vN tt 2 N SBd 2 01211 23/2 22 dd =0 dd 2 N N a Sii vM tt ar 当时 2 012 3/2 22 2 N N a S M ar n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）的电流产生磁通，该磁通在次级线圈（应答器线圈）产生感读器线圈）的电流产生磁通，该磁通在次级线圈（应答器线圈）产生感 应电压。因此，也称

19、电感耦合方式为变压器耦合方式。这种耦合的初、应电压。因此，也称电感耦合方式为变压器耦合方式。这种耦合的初、 次级是独立可分离的，耦合通过空间电磁场实现。次级是独立可分离的，耦合通过空间电磁场实现。 n 应答器线圈上感应电压的大小和互感大小成正比，互感是两个线圈应答器线圈上感应电压的大小和互感大小成正比，互感是两个线圈 参数的函数，并且和距离的三次方成反比。参数的函数，并且和距离的三次方成反比。 n应答器要能从阅读器获得正常工作应答器要能从阅读器获得正常工作 的能量，必须要靠近阅读器，其贴的能量，必须要靠近阅读器，其贴 近程度是电感耦合方式近程度是电感耦合方式RFIDRFID系统的系统的 一项重

20、要性能指标，也称为工作距一项重要性能指标，也称为工作距 离或读写距离（通常读距离大于写离或读写距离（通常读距离大于写 距离）。距离）。 2. 2. 电子标签谐振回路电压电子标签谐振回路电压n应答器天线电路的等效电路应答器天线电路的等效电路 2 012 23 2 22 d d 2 i N N a Si vQ t ar 2 01 2212z3/2 22 cos2 2 m N a vQ N SItfN SQ ar B 2 01 z13/2 22 cos 2 m N a It ar B 3. 3. 电子标签直流电压的产生电子标签直流电压的产生 4. 4. 负载调制负载调制电阻负载调制电阻负载调制 12

21、1 11 jZ IMIV 12 22 j0M IZ I 1 12 11 22 V I M Z Z 11 22 22 11 jM V Z I M Z Z n负载回路的等效阻抗负载回路的等效阻抗 2 1 22 f M Z Z 令 2 2 11 f M Z Z 1 1 111 = + f V I ZZ 11 12 2 2 222 22 j/ = -= + ff M VZV I ZZZZ n 由于Zf1是互感M和次级回路阻抗Z22的函数，并出现在初级等效回路中，故Zf1称为次级回路对 初级回路的反射阻抗，它由反射电阻Rf1和反射电抗Xf1两部分组成，即Zf1=Rf1+jXf1。 n Zf2称为初级回路

22、对次级回路的反射阻抗，由反射电阻Rf2和反射电抗Xf2组成，即 Zf2=Rf2+jXf2。 因此，初、次级回路之间的影响可以通过反射阻抗的变化来进行分析。 n电阻负载调制：电阻负载调制：开关开关S S用于控制负载调制电阻用于控制负载调制电阻RmodRmod的接入与否，开关的接入与否，开关S S的的 通断由二进制数据编码信号控制。通断由二进制数据编码信号控制。 n二进制数据编码信号用于控制开关二进制数据编码信号用于控制开关S S。当二进制数据编码信号为。当二进制数据编码信号为1 1时，设时，设 开关开关S S闭合，则此时应答器负载电阻为闭合，则此时应答器负载电阻为RLRL和和RmodRmod并联

23、；当二进制数据编码并联；当二进制数据编码 信号为信号为0 0时，开关时，开关S S断开，应答器负载电阻为断开，应答器负载电阻为RLRL。 n电阻负载调制时，应答器的负载电阻值有两个对应值，即电阻负载调制时，应答器的负载电阻值有两个对应值，即RLRL（S S断开时）断开时） 和和RLRL与与RmodRmod的并联值的并联值RL/RmodRL/Rmod（S S闭合时）。显然，闭合时）。显然，RL/RmodRL/Rmod小于小于RLRL。 1 1）次级回路等效电路中的端电压）次级回路等效电路中的端电压 设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗X Xf2 f2=0 =0

24、 . . 22 22 222 2 j 11 jj j 1 j Lm CD LmLm f Lm R VC V RR CC RRL R C . 2 2222 1 1jj f Lm V RRLC R nR RLm Lm为负载电阻 为负载电阻R RL L和负和负 载调制电阻载调制电阻R Rmod mod的并联 的并联 值。当进行负载调制时，值。当进行负载调制时， R RLm Lm R RL L，因此电压 ，因此电压V VCD CD下 下 降。在实际电路中，电降。在实际电路中，电 压的变化反映为电感线压的变化反映为电感线 圈圈L L2 2两端可测的电压变两端可测的电压变 化。化。 n可从物理概念可从物理

25、概念解释解释， 即次级回路由于即次级回路由于R Rmodmod的的 接入，负载加重，接入，负载加重，Q Q值值 降低，谐振回路两端电降低，谐振回路两端电 压下降。压下降。 2 2）初级回路等效电路中的端电压：）初级回路等效电路中的端电压： 由次级回路的阻抗表达式由次级回路的阻抗表达式 n得知在负载调制时得知在负载调制时Z22Z22下降，可得反射阻抗下降，可得反射阻抗Zf1Zf1上升（在互感上升（在互感M M不变的条件下）。若不变的条件下）。若 次级回路调整于谐振状态，其反射电抗次级回路调整于谐振状态，其反射电抗Xf1=0Xf1=0，则表现为反射电阻，则表现为反射电阻Rf1Rf1的增加。的增加。 nRf1Rf1不是一个电阻实体，它的变化体现为电感线圈不是一个电阻实体，它的变化体现为电感线圈L1L1两端的电压变化，即等效电路两端的电压变化，即等效电路 中端电压中端电压VABVAB的变化。在负载调制时，由于的变化。在负载调制时，由于Rf1Rf1增大，所以增大，所以VABVAB增大，即电感线圈增大，即电感线圈L1L1两两 端的电压增大。由于端的电压增大。由于Xf1=0Xf1=0，所以电感线圈两端电压的变化表现为幅度调制。，所以电感线圈两端电压的变化表现为幅度调制。 2222 2 1 j 1/j Lm ZRL RC n电阻负载调制数据信息传输的过程如图所示