第8章RFID电磁反向散射方式的射频前端

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8章章 RFID电磁反向散射方式的射频前端电磁反向散射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）点击此处结束放映点击此处结束放映 射频滤波器的设计射频滤波器的设计8.1射频射频低噪声放大器低噪声放大器的设计的设计8.2射频射频功率放大器功率放大器的设计的设计8.3射频射频振荡器振荡器的设计的设计8.4混频器混频器的设计的设计8.5物联网物联网- -射频识别（射频识别（RFIDRFI

2、D）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）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） 射频滤波器的设计射频滤波器的设计8.1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）8.1.1滤波器的类型滤波器的类型滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种基本类型。器和带阻滤波器四种基本类型。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

3、别（RFIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）理想低通滤波器允许低频信号无损耗地通过，理想低通滤波器允许低频信号无损耗地通过，当信号频率超过截止频率后，信号的衰减为无穷大；当信号频率超过截止频率后，信号的衰减为无穷大；理想高通滤波器允许高频信号无损耗地通过，理想高通滤波器允许高频信号无损耗地通过，当信号频率低于截止频率后，信号的衰减为无穷大；当信号频率低于截止频率后，信号的衰减为无穷大；理想带通滤波器允许某一频带内的信号无损耗理想带通滤波器允许某一频带内的信号无损耗地通过滤波器，频带外的信号衰减为无穷大；地通过滤波器，频带外的信号衰减为无穷大；理想带阻滤波器让某一频带内

4、的信号衰减为无理想带阻滤波器让某一频带内的信号衰减为无穷大，频带外的信号无损耗地通过滤波器。穷大，频带外的信号无损耗地通过滤波器。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）8.1.2低通低通滤波器滤波器原型原型低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。器，可以根据低通滤波器原型变换而来。插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低插入损耗作为

5、考察滤波器的指标，用来讨论低通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为（8.1） 211lg10inIL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. 巴特沃斯低通滤波器原型巴特沃斯低通滤波器原型如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器，也称是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器，也称为最平坦滤波器。为最平坦滤波器。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

6、FIDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）（1）滤波器的阶数）滤波器的阶数滤波器的阶数滤波器的阶数N值越大，阻带内衰减随着频率值越大，阻带内衰减随着频率增大的越快。设计低通滤波器时，对阻带内的衰减有增大的越快。设计低通滤波器时，对阻带内的衰减有数值上的要求，由此可以计算出数值上的要求，由此可以计算出N值。值。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）滤波器的结构）滤波器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

7、（第）核心技术详解（第2 2版）版）2. 切比雪夫低通滤波器原型切比雪夫低通滤波器原型如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。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. 椭圆函数低通滤波器原型椭圆函数低通滤波器原型椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有等波纹响椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有等波纹响应应。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（RF

8、IDRFID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）4. 线性相位低通滤波器原型线性相位低通滤波器原型在有些应用中，线性的相位响应比陡峭的阻带在有些应用中，线性的相位响应比陡峭的阻带振幅衰减响应更为关键。由于线性的相位响应与陡峭振幅衰减响应更为关键。由于线性的相位响应与陡峭的阻带振幅衰减响应相冲突，所以线性相位滤波器在的阻带振幅衰减响应相冲突，所以线性相位滤波器在阻带内振幅衰减较平缓。阻带内振幅衰减较平缓。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）8.1.3滤波器的变换及集总参数滤波器滤波器

9、的变换及集总参数滤波器对低通滤波器原型进行反归一化设计，对低通滤波器原型进行反归一化设计，可以可以变换变换到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。带通滤波器和带阻滤波器。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. 滤波器的变换滤波器的变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换2个过程，个过程，以满足实际的源阻抗和工作频率。以满足实际的源阻抗和工作频率。（1） 阻抗变换阻抗变换（2） 频率频

10、率变换变换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.低通滤波器原型变换为低通滤波器低通滤波器原型变换为低通滤波器c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）例例8.1设计一个巴特沃斯低通滤波器，其截止频率设计一个巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为为200MHz，阻抗为，阻抗为 ，在，在300MHz处插入损耗至少处插入损耗至少要有要有 衰减衰减。解解计算可以得到计算可以得到查表可知，查表可知，5阶滤波器可以满

11、足要求。阶滤波器可以满足要求。50dB155 . 01c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）使用图使用图8.5（a）所示的电路，实际滤波器的元件值为）所示的电路，实际滤波器的元件值为pF84. 9102250618. 0811cScSRgRCCnH38.641022618. 150822cScSgRLRLpF83.311022502833cScSRgRCCnH38.641022618. 150844cScSgRLRLpF84. 9102250618. 0855cScSRgRCC点击此处结束放映点

12、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）源电阻和负载电阻为源电阻和负载电阻为巴特沃斯低通滤波器的电路为巴特沃斯低通滤波器的电路为 50LSRR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. 低通滤波器原型变换为高通滤波器低通滤波器原型变换为高通滤波器4. 低通滤波器原型变换为带通和带阻滤波器低通滤波器原型变换为带通和带阻滤波器c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

13、解（第）核心技术详解（第2 2版）版）图图8.13 从低通滤波器原型到低通、高通、带通和带阻滤波器的变换从低通滤波器原型到低通、高通、带通和带阻滤波器的变换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）8.1.4分布参数分布参数滤波器的滤波器的设计设计当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。但当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。但当频率高于当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构时，滤波器通常由分布参数元件构成。成。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（RFIDR

14、FID）核心技术详解（第）核心技术详解（第2 2版）版）1. 微带短截线低通滤波器微带短截线低通滤波器（1）理查德（）理查德（Richards）变换）变换（2）科洛达（）科洛达（Kuroda）规则）规则（3）微带短截线低通滤波器设计举例）微带短截线低通滤波器设计举例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）例例8.2 滤波器的截止频率为滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为，通带内波纹为3dB，滤波器采用，滤波器采用3阶，系统阻抗为阶，系统阻抗为50。设计一个微带短。设计一个微带短截线低通滤波器。截

15、线低通滤波器。解解 集总参数低通原型电路如图集总参数低通原型电路如图8.15所示。所示。图图8.15 集总参数低通原型电路集总参数低通原型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）利用理查德变换，将集总元件变换成短截线，如利用理查德变换，将集总元件变换成短截线，如图图8.16所示所示。图图8.16 集总元件变换成短截线的低通电路集总元件变换成短截线的低通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）对应的

16、微带短截线滤波电路如图对应的微带短截线滤波电路如图8.17所示。所示。图图8.17 微带短截线低通滤波电路微带短截线低通滤波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）2. 阶梯阻抗阶梯阻抗低通滤波器低通滤波器（1）短传输线段的近似等效电路）短传输线段的近似等效电路（2）阶梯阻抗低通滤波器设计举例）阶梯阻抗低通滤波器设计举例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. 平行耦合微带线带通滤波器平行耦合微带

17、线带通滤波器（1）平行耦合微带线的奇偶模）平行耦合微带线的奇偶模（2）平行耦合微带线的滤波特性）平行耦合微带线的滤波特性（3） 平行耦合微带线带通滤波器设计举例平行耦合微带线带通滤波器设计举例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） 射频射频低噪声放大器低噪声放大器的设计的设计8.2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）8.2.1 放大器的稳定性放大器的稳定性1. 放大器稳定的定义放大器稳定的定义稳定性

18、是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于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）2. 放大器稳定性判别的图解法放大器稳定性判别的图解法3.放大器绝对稳定判别的解析法放大器绝对稳定判别的解析法放大器绝对稳定要求放大器绝对稳定要求（8.31）1k1点击此处结束放映点击此处结束放映物联网

19、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）8.2.2放大器的功率增益放大器的功率增益1.转换功率增益转换功率增益( (8.32) )2222221221111LLSinSTSSG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. 2. 等增益圆等增益圆图图8.24 单向晶体管等增益圆单向晶体管等增益圆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）8.2.3放大器

20、输入输出驻波比放大器输入输出驻波比放大器输入、输出电压驻波比为放大器输入、输出电压驻波比为(8.33)(8.33)11VSWR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）8.2.4放大器的噪声放大器的噪声1.噪声系数噪声系数( (8.34) )iNoNoPPF 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.级联网络的噪声系数级联网络的噪声系数多级的级连的高增益放大器，仅第一级对总噪声多级的级连的高增益放大器，仅

21、第一级对总噪声有较大影响。有较大影响。（8.38）121213121111AnAAnAAAGGGFGGFGFFF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）射频射频功率放大器功率放大器的设计的设计8.3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）8.3.1 A类放大器的设计类放大器的设计A类放大器也称为甲类放大器，工作于这种状态的放类放大器也称为甲类放大器，工作于这种状态的放大器，晶体管在整个信号的周期内均导通。

22、功率放大器的效大器，晶体管在整个信号的周期内均导通。功率放大器的效率是特别需要考虑的，放大器的效率定义为射频输出功率与率是特别需要考虑的，放大器的效率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，直流输入功率之比，A类放大器的效率最高为类放大器的效率最高为50%。 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. 大信号下晶体管的特性参数大信号下晶体管的特性参数 （1）1dB增益压缩点增益压缩点当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当输入功率超过一定的量值之后，

23、输出与输入功率为非当输入功率超过一定的量值之后，输出与输入功率为非线性关系，晶体管的增益开始下降。线性关系，晶体管的增益开始下降。晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号下降，或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号线性功率增益下降线性功率增益下降1dB时，对应的点称为时，对应的点称为1dB增益压缩点。增益压缩点。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）动态范围）动态范围 点击此处结束放映点击此处结束

24、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）8.3.2 交调失真交调失真在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些新的频率分量是非线性系统失真的产物，称为谐波失真新的频率分量是非线性系统失真的产物，称为谐波失真或交调失真。或交调失真。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）三阶交调三阶交调 和和 由于

25、距由于距 和和 太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导致信号失真。致信号失真。1f122ff 2f212ff 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）1.三阶截止点三阶截止点三阶交调的输出功率按输入功率的三阶交调的输出功率按输入功率的3次方增长，线次方增长，线性产物性产物 和和 的输出功率按输入功率的的输出功率按输入功率的1次方增长。次方增长。三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为3，线，线性产物输出功率随输入功

26、率变化的斜率为性产物输出功率随输入功率变化的斜率为1，当输入功率，当输入功率增大时，三阶交调输出功率比线性产物输出功率增长得增大时，三阶交调输出功率比线性产物输出功率增长得快。两条曲线的假想交叉点称为三阶截止点快。两条曲线的假想交叉点称为三阶截止点 。IPIP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.无寄生动态范围无寄生动态范围fDR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）射频射频振荡器振荡器的设计的设

27、计8.4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）8.4.1振荡器的基本模型振荡器的基本模型 振荡器是一个非线性电路，它将直流（振荡器是一个非线性电路，它将直流（DC）功率）功率转换为交流（转换为交流（AC）波形。振荡器的核心是一个能够在特）波形。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路定频率上实现正反馈的环路。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）8.4.2 射频低频段振荡器射频低频段振荡器射

28、频低频段振荡电路有许多可能的形式，它们采用射频低频段振荡电路有许多可能的形式，它们采用双极结型晶体管（双极结型晶体管（BJT）或场效应晶体管）或场效应晶体管(FET)，可以是共发，可以是共发射极射极/源极、共基极源极、共基极/栅极或共集电极栅极或共集电极/漏极结构，并可以采漏极结构，并可以采用多种形式的反馈网络。各种形式的反馈网络形成了考毕用多种形式的反馈网络。各种形式的反馈网络形成了考毕兹（兹（Colpitts）、哈特莱（）、哈特莱（Hartley）等振荡电路。）等振荡电路。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

29、（第2 2版）版）考毕兹电路振荡的必要条件为考毕兹电路振荡的必要条件为（ 8.52 ）考毕兹电路振荡的频率考毕兹电路振荡的频率为为 （ 8.53 ）imGgCC122121301CCCCL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）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）为了提高频率稳定性，常将石英晶体用于振荡电为了提高频率稳定性，常将石英晶体用于振荡电路中。石英晶体谐振器具有许多优点，包括具有极高的路中。石

30、英晶体谐振器具有许多优点，包括具有极高的品质因数（可以高达品质因数（可以高达100000）、良好的频率稳定性和良）、良好的频率稳定性和良好的温度稳定性等，因而晶体控制振荡器得到广泛采用。好的温度稳定性等，因而晶体控制振荡器得到广泛采用。但遗憾的是，石英晶体谐振器属于机械系统，其谐振频但遗憾的是，石英晶体谐振器属于机械系统，其谐振频率一般不能超过大约率一般不能超过大约250MHz。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）（a）晶体的等效电路）晶体的等效电路 （b）晶体谐振器的输入电抗）晶体谐振器的输入

31、电抗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）在晶体的工作点，晶体可以代替哈特莱或考毕兹在晶体的工作点，晶体可以代替哈特莱或考毕兹振荡器中的电感，典型的晶体振荡器电路如图振荡器中的电感，典型的晶体振荡器电路如图8.32所示，所示，它称为皮尔斯（它称为皮尔斯（Pierce）振荡器。）振荡器。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）8.4.3 微波振荡器微波振荡器当工作频率接近当工作频率接近1GHz时，电压和电流的波动特性将时，电压和电流的波动特性将不能被忽略，需要采用传输线理论来描述电路的特性，因不能被忽略，需要采用传输线理论来描述电路的特性，因此需要讨论基于反射系数和此需要讨论基于反射系数和S参量的微波振荡器。参量的微波振荡器。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8.33 双端口振荡器的框图双端口振荡器的框图点击此处结束