射频识别技术第八章

1、西华师范大学计算机学院第八章第八章 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端金洪颖金洪颖28 电感耦合方式的射频前端 射频识别技术在工作频率射频识别技术在工作频率13.56 MHz和小于和小于135 kHz时，基于时，基于电感耦合电感耦合方式（能量及信息传递方式（能量及信息传递以电感耦合方式实现），在以电感耦合方式实现），在更高频段更高频段基于雷达基于雷达探测目标的探测目标的反向散射耦合反向散射耦合方式（雷达发射电磁方式（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。机）。 实现射频能量和信息传递的电路称为实现射频能量和信息传递的电路称为

2、射频前端射频前端电路，简称为射频前端电路，简称为射频前端。 38.1 阅读器天线电路在阅读器中，在阅读器中，串联谐振回路串联谐振回路具具有电路简单、成本低，激励可有电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时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，可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。被广泛采用。 48 电感耦合方式的射频前端 串联谐振回路串联谐振回路R1是电感线圈L损耗的等效电阻，RS是信号源sV的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。 58 电感耦合方式的射频前端 串联谐振回路串联谐振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路电流I 22221ZRXR

3、LC阻抗的模阻抗的模相角相角 1arctanarctanLXCRR68 电感耦合方式的射频前端 串联谐振回路串联谐振回路10XLC串联回路的谐振条件 01LC012fLC001LLCC特性特性阻抗阻抗78 电感耦合方式的射频前端 串联谐振回路串联谐振回路 在工程中，通常用电路的特性阻抗在工程中，通常用电路的特性阻抗与回路的电与回路的电阻阻值阻阻值R的比值来表征谐振电路的性质，此比值称为的比值来表征谐振电路的性质，此比值称为串联谐振电路的品质因数，用串联谐振电路的品质因数，用Q表示，即：表示，即： 00111LLQRCRR CR88 电感耦合方式的射频前端 串联谐振回路具有如下串联谐振回路具有如

4、下特性特性：（1）谐振时，回路电抗）谐振时，回路电抗X=0，阻抗，阻抗Z=R为最小为最小值，且为纯阻值，且为纯阻（2）谐振时，回路电流最大，且与外加电压）谐振时，回路电流最大，且与外加电压同相同相（3）电感与电容两端电压的模值相等，且等）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的于外加电压的Q倍。倍。8 电感耦合方式的射频前端 通常，回路的通常，回路的Q值可达数十到近百，谐振时电值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电容器两端电压可比信号源电压大数感线圈和电容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件时，必须考虑器件十到百倍，在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题，的耐压问题， 8

5、 电感耦合方式的射频前端 能量关系能量关系设谐振时瞬时电流幅值为设谐振时瞬时电流幅值为I0m，则瞬时电流为：，则瞬时电流为：电感上存储的瞬时能量为：电感上存储的瞬时能量为：)sin(0tIim)(sin21212202tLILiwmL8 电感耦合方式的射频前端 电容上储存的瞬时能量为：电容上储存的瞬时能量为： 电容器两端的瞬时电压为：电容器两端的瞬时电压为：221Cuwc)cos(-u(t)0tCIm8 电感耦合方式的射频前端 电容器上存储的瞬时能量为：电容器上存储的瞬时能量为：（t)LI（t)ICLC （t)ILC （t)IRCQ（t)CIC(t)Cuwmmmmmc2202200022022

6、0220222220202cos21cos121cos21cos21cos21218 电感耦合方式的射频前端 电感储能和电容器储能之和为：电感储能和电容器储能之和为： 电阻上一个周期电阻上一个周期T消耗的能量为：消耗的能量为：2021mCLLIwww0202020212121)22(fRIRTIRTIRTIwmmmR8 电感耦合方式的射频前端 回路中存储的能量与电阻，每周期消耗的能量回路中存储的能量与电阻，每周期消耗的能量之比为：之比为： 所以从能量的角度看，品质因数所以从能量的角度看，品质因数Q可以表示为可以表示为22121210002020QRLRLffRILIwwwmmRCL每周期耗能回

7、路储能2Q8 电感耦合方式的射频前端 电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律LLrrlIdBdBrrlIdBdlIdIld30304rr4处产生的磁感应强度：任意线电流在的矢量。为从源点流到场点方向其中磁感应强度为：产生的磁场的的小电流元通过电流为长度为8 电感耦合方式的射频前端 环形短圆柱型线圈的磁感应强度环形短圆柱型线圈的磁感应强度量的叠加。在该处轴向分是所有点的量相互抵消，因而在垂直轴线方向上的分产生的点所有在应强度为点产生的磁感在BdBBdlIdrrlIdBdlIdpp4p30rxalIdBdprxalIdBdp8 电感耦合方式的射频前端2322202322

8、20222202222220202030(2(2(42sin,42sin4sin4）匝，则若线圈为）又xaIaNBNxaIaxaaxaaIBxaaraxarraIdlrIrrlIdBdBaLL8 电感耦合方式的射频前端 讨论：讨论： 当当xa时，时， 结论：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎不结论：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎不变，而后急剧下降。最大值在变，而后急剧下降。最大值在x= 处取得。处取得。HaINB002zHxINaB0320228 电感耦合方式的射频前端 最佳线圈半径最佳线圈半径处可得到最大场强。固定时，在也就是当时，可获得最大场强。处，当线圈半径即在一定距离得令（的关系：与电

9、流不变，讨论为常数，并假定线圈中设aaxxaxadaxaaiNBB707. 02a2x20dB)2ax2322208 电感耦合方式的射频前端 矩形线圈的磁感应强度矩形线圈的磁感应强度222222202121)2()2(4xbxaxbaNiabB218 电感耦合方式的射频前端 应答器的天线电路应答器的天线电路 Microchip 公司的公司的13.56 MHz应答器（无源射频应答器（无源射频卡）卡）MCRF355和和MCRF360芯片的天线电路芯片的天线电路 228 电感耦合方式的射频前端 e5550芯片的天线电路芯片的天线电路 工作频率为工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为外接。，电感

10、线圈和电容器为外接。 238 电感耦合方式的射频前端 并联谐振回路并联谐振回路 串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。 如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。 在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）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。分析比较方便。 8 电感耦合方式的射频前端 并联谐振条件并联谐振条件)1(1)1()1()1(11)11111111LCjLCRCLjCRLCLjRCLCLjRCjLjZLjLjRRLCjLjRCjLjRZ（8 电感耦合方

11、式的射频前端NoImageLCBLCRGLCjLCRY1)1(11，电纳电导导纳LCfLCIVLCBpSp212110pp谐振频率并联谐振条件为：同相，达到最大值与电压时，时，即当并联电路电纳8 电感耦合方式的射频前端 谐振特性：谐振特性： 1. 并联谐振回路谐振时的谐振电阻为并联谐振回路谐振时的谐振电阻为纯电阻纯电阻 2. 谐振时电感和电容中电流的谐振时电感和电容中电流的幅值幅值为外加电流为外加电流源的源的Qp倍。倍。278 电感耦合方式的射频前端 串并联阻抗等效互换串并联阻抗等效互换 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX222212

12、2222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR288 电感耦合方式的射频前端 阅读器和应答器之间的电感耦合阅读器和应答器之间的电感耦合 法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路法拉第定理指出，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。时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。 当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的电感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，线圈上就会产生感应电压，当距离足够近，应答器天线当距离足够近，应答器天线电路所截获的能量可以供电路所截获的能量可以供

13、应答器芯片正常工作时，应答器芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。信息交互阶段。 8 电感耦合方式的射频前端 应答器线圈感应电压的计算应答器线圈感应电压的计算 SraaiNtNStNtNvd2ddddddd232221102222B22ddddvNtt 2NSB d8 电感耦合方式的射频前端dtdiMVraSNNMdtdiraSNNVBSB2232221023222102)(2)(220则线圈之间的互感，称为阅读器与应答器令则平面垂直于线圈，即磁感应强度夹角与设讨论：讨论：1 1、感应电压的大小与互感大小成正比；、感应电压的大小与互感大小成正比；2 2、互感

14、与距离的三次方成反比、互感与距离的三次方成反比结论：为了获得大的能量，应答器必须结论：为了获得大的能量，应答器必须靠近阅读器靠近阅读器318 电感耦合方式的射频前端 应答器谐振回路端电压的计算应答器谐振回路端电压的计算 应答器天线电路的等效电路应答器天线电路的等效电路 328 电感耦合方式的射频前端 应答器谐振回路端电压的计算应答器谐振回路端电压的计算201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/222cos2mN aItarB8 电感耦合方式的射频前端例题：例题： MCRF355芯片工作于芯

15、片工作于13.56MHz，其天线电路，其天线电路封装在封装在ID-1型卡中，型卡中，卡尺寸为卡尺寸为85.6mm54mm0.76mm，当，当MCRF355芯片芯片的天线电路上具有的天线电路上具有4V（峰值）（峰值）电压时，器件可电压时，器件可达到正常工作所需的达到正常工作所需的2.4V直流电压。设天线电直流电压。设天线电路的路的Q值为值为40，线圈匝数，线圈匝数N2=4，试求阅读器电试求阅读器电感线圈的电流值。感线圈的电流值。348 电感耦合方式的射频前端 应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生 应答器直流电源电压的产生 358 电感耦合方式的射频前端 整流与滤波整流与滤波 采用MO

16、S管的全波整流电路 368 电感耦合方式的射频前端 负载调制负载调制 耦合电路模型耦合电路模型378 电感耦合方式的射频前端 互感耦合回路的等效阻抗关系互感耦合回路的等效阻抗关系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ388 电感耦合方式的射频前端 电阻负载调制电阻负载调制 开关开关S用于控制负载调制电阻用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，的接入与否，开关开关S的通断由二进制数据编码信号控制。的通断由二进制数据编码信号控制。 M L1 L2 C1 C2 RL S Rmod R2 398 电感耦合方式的射频前端 电阻负载调制

17、电阻负载调制 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。当二进制。当二进制数据编码信号为数据编码信号为“1”时，设开关时，设开关S闭合，则此时闭合，则此时应答器负载电阻为应答器负载电阻为RL和和Rmod并联；而二进制数并联；而二进制数据编码信号为据编码信号为“0”时，开关时，开关S断开，应答器负载断开，应答器负载电阻为电阻为RL。 应答器的负载电阻值有两个对应值，即应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和断开时）和RL与与Rmod的并联值的并联值RL/Rmod（S闭合闭合时）。时）。 408 电感耦合方式的射频前端 电阻负载调制电阻负载调制418 电感耦合方式的射频前端 电阻负载调制数据信息传递的原理电阻负载调制数据信息传