第6章(4学时)-RFID的射频前端

1、RFID物理学基础 -射频前端 不接触，信息是如何传递的？ RFID系统组成系统组成 l RFIDRFID系统组成框图系统组成框图 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。 l从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看， RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）电感耦合（磁耦合）系统和电磁反电磁反 向散射耦合（电磁场耦合）向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统是通过空 间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律电磁感应定律；电磁 反向散射耦合，即雷达原理雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到 目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空 间传播规律。 l电感

2、耦合方式一般适合于高、低频率工作的近距离RFID系 统；电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作 频率的远距离RFID系统。 一、一、 电感耦合电感耦合RFIDRFID系统系统 l电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135KHz的频段， 应答器和读写器之间的工作距离小于1m，典型的作用距离 为1020cm 。 阅读器如何将能量传递给应答器？ 应答器如何将数据传递给阅读器？ 8 l电感线圈的交变磁场 l安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导 体的周围会产生一个磁场 。 a i 2 H 磁场强度： 1、线圈的自感和互感 读写器和电子标签线圈形式的天线相当于电感。 电感有自感和互感

3、两种。 读写器线圈、电子标签线圈分别有自感，同时 两者之间形成互感 1）磁通量 B dS N 注：在RFID系统中，读写器和电子标签的线圈通常有很多 匝，假设通过一匝线圈的磁通为 ，线圈的匝数为N。则 通过N匝线圈的总磁通为 2）自感现象）自感现象 l由于导体由于导体本身的电流本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，发生变化而产生的电磁感应现象， 叫叫自感现象自感现象。 l自感现象中产生的电动势叫自感现象中产生的电动势叫自感电动势自感电动势。 l通过线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即通过线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即 线圈的电感线圈的电感L L。 l在在RFIDRFID

4、中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感。中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感。 L I 3 3）互感现象）互感现象 l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的电流的比值，称为两 个线圈的互感。 l 互感现象中产生的感应电动势，称为互感 电动势。 12 12 1 M I 互感现象的应用： 收音机里的磁性天线收音机里的磁性天线. . 收音机里的“磁性天线”利用互感现象可以把信号利用互感现象可以把信号 从一个线圈传递到另一个线圈。从一个线圈传递到另一个线圈。 能量供给： l阅读器天线电路 l应答器天线电路 l阅读器和应答器之间的电感耦

5、合 2 2、能量供给、能量供给 16 （1）阅读器天线电路 RFID阅读器的射频前端常 采用串联谐振电路。 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， 被广泛采用。 阅读器天线 设计要求： 天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量 功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量， 即最大程度地输出读写器的能量 足够的带宽，保证载波信号的传输，使读写器信 号无失真输出 17 l串联谐振回路 R1是电感线圈L损耗的等 效电阻，RS是信号源 s V 的内阻，RL是负载电阻， 回路总电阻值R=R1+RS +RL。 电路的等效阻抗为 ) 1 j( w

6、C wLRZZZZ CLR 当正弦电压的频率w 变化时，电路的等效复 阻抗Z 随之变化。 当感抗wL等于容抗（1/wC）时，复阻抗Z = R，串联电路的等效复阻抗变成了纯电阻，端电 压与端电流同相，这时就称电路发生了串联谐 振。 19 l串联谐振回路 1j j s ss VVV I ZRX RL C 回路电流 I 1 0XL C 串联回路的谐振条件 0 1 LC 0 1 2 f LC 0 0 1L L CC 20 回路的品质因数 0 0 111LL Q RCRRCR 品质因数是衡量电路特性的一个重要物理量，它取决于电 路的参数。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

7、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， 21 l串联谐振回路具有如下特性： （1）谐振时，回路电抗X=0，阻 抗Z=R为最小值，且为纯阻 （2）谐振时，回路电流最大， 且与Vs同相 （3）电感与电容两端电压的模 值相等，且等于外加电压的Q 倍 1j j s ss VVV I ZRX RL C 当电源电压U及元件参数R、L、C都不改变时，电 流幅值（有效值）随频率变化的曲线，如下图所示。 当电源频率正好等于谐振当电源频率正好等于谐振 频率频率w0时，电流的值最大，最时，电流的值最大，最 大值为大值为I0 = U/R；当电源频率；当电源频率 向着向着ww0或或ww0方向偏

8、离方向偏离 谐振频率谐振频率w0时，阻抗时，阻抗 Z 都都 逐渐增大，电流也逐渐变小至逐渐增大，电流也逐渐变小至 零。说明只有在谐振频率附近，零。说明只有在谐振频率附近， 电路中电流才有较大值，偏离电路中电流才有较大值，偏离 这一频率，电流值则很小，这这一频率，电流值则很小，这 种能够把谐振频率附近的电流种能够把谐振频率附近的电流 选择出来的特性称为频率选择选择出来的特性称为频率选择 性。性。 n 谐振曲线：谐振曲线： 注意： 在无线电技术方面，正是利用串联谐振的这一特 点，将微弱的信号电压输入到串联谐振回路后，在电 感或电容两端可以得到一个比输入信号电压大许多倍 的电压，这是十分有利的。但在

9、电力系统中，由于电 源电压比较高，如果电路在接近串联谐振的情况下工 作，在电感或电容两端将出现过电压，引起电气设备 的损坏。所以在电力系统中必须适当选择电路参数L和 C，以避免发生谐振现象。 线圈半径取多少合适？ 25 l电感线圈的交变磁场 l在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的 电感常采用短圆柱形线圈结构 。 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 离线圈中心距离r处P点的磁感应强 度的大小为： 26 l电感线圈的交变磁场 l磁感应强度B和距离r的关系 11 Z0 2 i N a B ra时 2 11 Z00Z 3 2 i N a r BH 结论：从线圈中心到一

10、定距离磁场强度几乎是不变的，而后急剧下降。 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 线圈半径取多少合适？ 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 224 0 110 11 Z3 23 23 222222 2 2 i N ai Naa k ararar B 0 z dB da 设r为常数，假定线圈中电流不变，则 2ar 令 可得，Bz具有最大值的条件为： 结论：增加线圈半径a会在较远距离r处获得最大场强，但r的 增大，会使场强相对变小，以致影响应答器的能量供应。 低频和高频的电子标签的天线用

11、于耦合读写器的磁通， 该磁通向电子标签提供能量，并在读写器与电子标签之 间传递信息。 电子标签天线的构造有如下要求： 电子标签天线常采用并联谐振电路。并联谐振时，电路 可以获得最大的电压；可最大程度的耦合读写器的能量； 能根据带宽要求调整谐振电路的品质因数，满足接收的 信号无失真。 电子标签天线上的感应电压最大，使电子标签线 圈输出最大的电压输出最大的电压 功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器 的能量 足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真。 （2）电子标签的天线电路 30 lMicrochip 公司的13.56 MHz应答器（无源射频卡） MCRF355和MCRF360芯片的天线电路

12、无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路 31 l并联谐振回路 l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。 LCRC LR LR C LR C Z 2 j1 j )j( j 1 )j( j 1 + U - R C X L X I 1 I C I 实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有RL 0 )( L C L RC CRLC L Z 2 1 j 1 j1 j 则：则： 33 l并联谐振回路具有如下特性： （1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗 Z=R为最大值，且为纯阻 （2）谐振时，回路电流最小，端电压 最大 （3）支路电流是总电流的Q倍

13、+ U - R C X L X I 1 I C I 当Ant B端通过控制开关与Vss端短接时，谐振回路失谐， 此时应答器虽处于阅读器的射频能量场之内，但因失谐无 法获得正常工作能量，处于休眠状态。 当Ant B端开路时，谐振回路谐振在工作频率（13.56MHz） 上，应答器可获得能量，进入工作状态。 在谐振时，电感支路中电流最大，即谐振回路两端可获得 最大电压，这对无源应答器的能量获取是必要的。 重点来了，别打瞌睡啰！ 36 （3）阅读器和应答器之间的电感耦合 l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。 l当应答器进入阅读器产生的交变

14、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。 l应答器线圈感应电压的计算 S ra ai t NS t N t Nvd 2 d d d d d d d 23 22 2 10 2222 B 22 dd dd vN tt 2 N SB d 电子标签感应电压与两个线圈距离的电子标签感应电压与两个线圈距离的3次方成反比，因此电子标签和读写器的距离次方成反比，因此电子标签和读写器的距离 越近，电子标签的耦合的电压越大。因此，越近，电子标签的耦合的电压越大。因此，在电感耦合工作方式中，电子标

15、签必须在电感耦合工作方式中，电子标签必须 靠近读写器才能工作。靠近读写器才能工作。 38 l应答器直流电源电压的产生 应答器直流电源电压的产生 电子标签可采用全波整 流电路，线圈耦合得到 的交变电压通过整流后 直流电压。 电容Cp滤除高频成 分，同时作为储能元 件 由于电子标签和读写器 的距离不断变化，使得 电子标签获得交变电压 也不断变化，导致整流 后的直流电压不是很稳 定，因此需要稳压电路。 稳压电路的输出给电子 标签的芯片提供所需直 流电压。 电子标签终于获得 了能量，但是电子 标签如何向读写器 传递它的信息呢？ 40 应答器向阅读器的信息传送时采用负载调制技术负载调制技术 l互感耦合回

16、路的等效阻抗关系 121 11 jZ IM IV 12 22 j0M IZI 1 12 11 22 V I M Z Z 11 22 22 11 j MV Z I M Z Z 3 3数据传输数据传输 41 l电阻负载调制 l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。 l二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号 为“1”时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod 并联；而二进制数据编码信号为“0”时，开关S断开，应答器 负载电阻为RL。 l由于Rmod的接入，使得并联电阻减小，导致品质因数降低，这 使得应答器两端的电压减小。 4

17、2 l电阻负载调制数据信息传递的原理 l（a）是应答器上控制开关S 的二进制数据编码信号， l（b）是应答器电感线圈上的 电压波形， l（c）是阅读器电感线圈上的 电压波形， l（d）是对阅读器电感线圈上 的电压解调后的波形。 43 l电容负载调制 电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod 由于接入电容Cmod，电子标签回路失谐，又由于读写器和电子标签的 耦合作用，导致读写器也失谐。 电容电容Cmod的接入可使电子标签线圈上的电压下降，从而导致读写 器线圈上的电压的上升。 电容负载调制的波形变化和电阻负载调制波形变化相似，但此时读写 器线圈的电压不仅发生振幅的变化，也发生相位的

18、变化。 4、功率放大 l功率放大电路 l功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于 向应答器提供能量 l采用谐振功率放大器 l分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C 类（或称丙类）三类工作状况 l在电感耦合RFID系统的阅读器中，常采用B，D 和E类放大器 补充知识：补充知识： 三极管的工作状态三极管的工作状态 46 用于125 kHz阅读器 的B类放大器 L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率 0 312 45 3 45 11 125 kHz 1800 6800 2 1 10102 18006800 f C C L CC 125kHz方波经三个非门输出以提高源的带负载 能

19、力 VT1组成射级跟随器，其输 出的正弦信号的正半周使 VT2导通，负半周使VT3导 通。 二、二、 反向散射耦合反向散射耦合RFIDRFID系统系统 l1 1反向散射反向散射 l雷达技术为雷达技术为RFIDRFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用的反向散射耦合方式提供了理论和应用 基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目 标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散 射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收 （因此发射天线也是接

20、收天线），对接收信号进行放大（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大 和处理，即可获得目标的有关信息。和处理，即可获得目标的有关信息。 2 2RFIDRFID反向散射耦合方式反向散射耦合方式 l一个目标反射电磁波的频率有反射横截面来确定。反射横截面的一个目标反射电磁波的频率有反射横截面来确定。反射横截面的 大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波 的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而 增强，所以增强，所以RFIDRFID反向散射耦合方式采用

21、超高频和微波，应答器和反向散射耦合方式采用超高频和微波，应答器和 读写器的距离大于读写器的距离大于1m1m。 阅读器 天线 电子标签 芯片 天线 RFID反向散射耦合方式原理图 读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。 l（1）应答器的能量供给 l无源应答器的能量由读写器提供，读写器天线发射的功 率P1经自由空间衰减后到达应答器，经应答器中的整流 电路后形成应答器的工作电压。 l在UHF和SHF频率范围，有关电磁兼容的国际标准对读写 器所能发射的最大功率有严格的限制，因此在有些应用 中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应 答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池附加电池。为防止 电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式低功耗模式，当应 答器进入读写器的作用范围时，应答器由获得的射频功 率激活激活，进入工作状态。 读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。 l读写器到电子标签的能量传输： 在距离读写器R处的电子标签的功率密度为: 在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率 : l电子标签到读写器的能量传输： l（2）应答器至读写器的数据传输 l由读写器传到应答器的功率的一部分被天线反