第7章RFID电感耦合方式的射频前端

1、物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）第第7章章 RFID电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）低频和高频低频和高频RFID采用电感耦合方式进行工作。在这种工作采用电感耦合方式进行工作。在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。使读写器与电子标签之间相互

2、耦合，构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电路可以实现低频和高频振电路，谐振电路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。能量和数据的传输。 点击此处结束放映点击此处结束放映 线圈的自感和互感线圈的自感和互感7.1RFID读写器的射频前端读写器的射频前端7.2RFID电子标签的射频前端电子标签的射频前端7.3RFID读写器与电子标签的电感耦合读写器与电子标签的电感耦合7.4物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）点击

3、此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版） 线圈的自感和互感线圈的自感和互感7.1点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.1.1 磁通量磁通量磁通是电磁学中的一个重要物理量。磁感应强磁通是电磁学中的一个重要物理量。磁感应强度通过曲面的通量称为磁通，磁通表示度通过曲面的通量称为磁通，磁通表示为为（7.1）SS SB Bd点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核

4、心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）图图7.1 通过一个闭合回路的磁通量通过一个闭合回路的磁通量点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）读写器与电子标签的线圈通常都有很多匝，通读写器与电子标签的线圈通常都有很多匝，通过过 匝线圈的总磁通为匝线圈的总磁通为（7.2）NN点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.1.2线圈的电感线圈的电感在在RFID中，读写器的线圈与电子标签的线圈都中，读写器的线

5、圈与电子标签的线圈都有电感。线圈的电感为有电感。线圈的电感为（7.3）IL点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.1.3线圈的线圈的互感互感当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁场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，称为两个线圈间的互感个线圈上电流的比值，称为两个线圈间的互感。互感互感定义为定义为（7.5）11212IM点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射

6、频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）读写器与电子标签线圈之间的互感示意图如图读写器与电子标签线圈之间的互感示意图如图7.4所示。所示。图图7.4 读写器与电子标签之间的互感读写器与电子标签之间的互感点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）读写器与电子标签两个线圈之间的互感近似可读写器与电子标签两个线圈之间的互感近似可以表示为以表示为（7.5）2/32212221210122dRRRNNM点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFI

7、DRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版） RFID读写器的射频前端读写器的射频前端7.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）RFID读写器的射频前端常采用串联谐振电路，串读写器的射频前端常采用串联谐振电路，串联谐振电路可以使低频和高频联谐振电路可以使低频和高频RFID读写器有较好的能量读写器有较好的能量输出。输出。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.2.1RFID读写器射频

8、前端的结构读写器射频前端的结构对读写器天线电路的构造有如下要求。对读写器天线电路的构造有如下要求。（1）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大 的磁通；的磁通；（2）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；（3）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版） 图图7.5 读写器射频前端天线电路的结构读写器射频前端天线电路的结构点击此处结束放映点

9、击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.2.2 串联谐振电路串联谐振电路串联谐振电路如图串联谐振电路如图7.6所示，由电阻所示，由电阻 、电感、电感 和电和电容容 串联而成。串联而成。图图7.6 串联谐振电路串联谐振电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）1.谐振频率谐振频率图图7.6所示的电路，只有当频率为某一特殊值时，所示的电路，只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此频率称为谐振频率。才能产生谐振，此频率称

10、为谐振频率。谐振频率为谐振频率为(7.11)(7.11)LCf210点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）2.品质因数品质因数品质因数定义为品质因数定义为(7.12)(7.12)串联谐振电路的品质因数为串联谐振电路的品质因数为(7.13)(7.13)功率损耗平均储能0QRLQ0点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）3.输入阻抗输入阻抗在在谐振频率谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，电感的感抗和电

11、容的容抗相互抵消，输入阻抗为输入阻抗为(7.15)(7.15)在其它频率，在其它频率，输入阻抗为输入阻抗为复数。复数。RZin点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）4.带宽带宽图图7.7 串联谐振电路的带宽串联谐振电路的带宽点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越高，则相对带宽越小。因数越高，则相对带宽越小。(7.

12、19)(7.19)(7.20)(7.20)QBW012BWQ0120点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）5.有载品质因数有载品质因数实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，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。由于外负载消耗能量，使总的品质因数下降。无载品质因数、外部品质因数和总的品质因数关无载品质因数、外部品质因数和总的品质因数关系为系为(7.23)(7.23)eLQQQ111点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（R

13、FIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）RFID电子标签的射频前端电子标签的射频前端7.3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路，电子标签的射频前端常采用并联谐振电路，并联谐振电路可以使低频和高频并联谐振电路可以使低频和高频RFID电子标签从读写器电子标签从读写器耦合的能量最大。耦合的能量最大。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7

14、.3.1 RFID电子标签射频前端的结构电子标签射频前端的结构图图7.8 电子标签射频前端天线电路的结构电子标签射频前端天线电路的结构点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.3.2 并联谐振电路并联谐振电路并联谐振电路如图并联谐振电路如图7.9所示，由电阻、电感和电容并联所示，由电阻、电感和电容并联而成。而成。图图7.9 并联谐振电路并联谐振电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）1.谐振频率谐振

15、频率谐振谐振角角频率为频率为(7.26)(7.26)LC10点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）2.品质因数品质因数并联谐振电路的品质因数为并联谐振电路的品质因数为(7.28)(7.28)LRQ0点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）3.输入导纳输入导纳在在谐振频率谐振频率，输入输入导纳导纳为为(7.30)(7.30)在其它频率，在其它频率，输入输入导纳导纳为为复数。复数。RYin1点击此处结束放映

16、点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）4.带宽带宽带宽可以由品质因数和谐振频率求得。带宽可以由品质因数和谐振频率求得。(7.32)(7.32)(7.33)(7.33)QBW012BWQ0120点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）5.有载品质因数有载品质因数无载品质因数、外部品质因数和总的品质因数关无载品质因数、外部品质因数和总的品质因数关系为系为(7.34)(7.34)eLQQQ111点击此处结束放映点击此处结束放

17、映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）例例7.1 设计一个由理想电感和理想电容构成的并联设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，谐振电路，要求在负载要求在负载 及及 时，有载品质因数时，有载品质因数 。讨论通过改变电感和电。讨论通过改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。容值提高有载品质因数的途径。解解 有载品质因数为有载品质因数为 50LRMHz56.13f1 . 1LQ1 . 10LRQLL点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2

18、2版）版）所以电感为所以电感为谐振时的角频率谐振时的角频率为为所以电容为所以电容为nH5 .5331056.1321 . 1506LLCf1200pF2581056.132105 .5331269C点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）可以通过将电感值降低可以通过将电感值降低 倍同时将电容值提高倍同时将电容值提高倍的方法来提高有载品质因数倍的方法来提高有载品质因数。例如选例如选 ，电感、，电感、电容和有载品质因数分别为电容和有载品质因数分别为nnH26725 .533Ln2n2 . 221 . 1

19、LQpF5162258C点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）RFID读写器与电子标签的电感耦合读写器与电子标签的电感耦合7.4点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.4.1电子标签的感应电压电子标签的感应电压当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的线圈上就会产生感应电压，当电子标签与读写器标签的线圈上就会产生感应电压，当电子标签与读写器的距离足够近

20、时，电子标签获得的能量可以使标签开始的距离足够近时，电子标签获得的能量可以使标签开始工作。工作。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）图图7.13 电子标签并联谐振的等效电路电子标签并联谐振的等效电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.4.2电子标签的直流电压电子标签的直流电压电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。提供所需的直流电压。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）图图7.14 电子标签交变电压转换为直流电压电子标签交变电压转换为直流电压点击此处结束放映点击此处结束放映物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）7.4.3负载调制负载调制负载调制通