第3講射頻前端

1、第3講 RFID物理學基礎 -射頻前端 不接觸，信息是如何傳遞的？ RFID系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 l RFIDRFID系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)組成框圖 實現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。 l從電子標簽到讀寫器之間的通信和能量感應方式來看， RFID系統(tǒng)一般可以分為電感耦合（磁耦合）電感耦合（磁耦合）系統(tǒng)（第7章 介紹）和電磁反向散射耦合（電磁場耦合）電磁反向散射耦合（電磁場耦合）系統(tǒng)（第8章 介紹）。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合， 依據(jù)的是電磁感應定律電磁感應定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理雷達原理 模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目 標信息，依

2、據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。 l電感耦合方式一般適合于高、低頻率工作的近距離RFID系 統(tǒng)；電磁反向散射耦合方式一般適合于超高頻、微波工作 頻率的遠距離RFID系統(tǒng)。 一、一、 電感耦合電感耦合RFIDRFID系統(tǒng)系統(tǒng) l電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135KHz的頻段， 應答器和讀寫器之間的工作距離小于1m，典型的作用距離 為1020cm 。 閱讀器如何將能量傳遞給應答器？ 應答器如何將數(shù)據(jù)傳遞給閱讀器？ 8 l電感線圈的交變磁場 l安培定理指出，電流流過一個導體時，在此導 體的周圍會產(chǎn)生一個磁場 。 a i 2 H 磁場強度： 1、線圈的自感和互感 讀寫器和電子標簽線圈形式

3、的天線相當于電感。 電感有自感和互感兩種。 讀寫器線圈、電子標簽線圈分別有自感，同時 兩者之間形成互感 1）磁通量 B dS N 注：在RFID系統(tǒng)中，讀寫器和電子標簽的線圈通常有很多 匝，假設通過一匝線圈的磁通為 ，線圈的匝數(shù)為N。則 通過N匝線圈的總磁通為 2）自感現(xiàn)象）自感現(xiàn)象 l由于導體由于導體本身的電流本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象，發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象， 叫叫自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象。 l自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫自感電動勢自感電動勢。 l通過線圈的總磁通與電流的比值稱為線圈的自感，也即通過線圈的總磁通與電流的比值稱為線圈的自感，也即 線圈的電感線圈的

4、電感L L。 l在在RFIDRFID中，讀寫器的線圈和電子標簽的線圈都有電感。中，讀寫器的線圈和電子標簽的線圈都有電感。 L I 3 3）互感現(xiàn)象）互感現(xiàn)象 l當?shù)谝粋€線圈上的電流產(chǎn)生磁場，并且該磁 場通過第二個線圈時，通過第二個線圈的總 磁通與第一個線圈上的電流的比值，稱為兩 個線圈的互感。 l 互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電動勢，稱為互感 電動勢。 12 12 1 M I P151 圖7.3 互感現(xiàn)象的應用： 收音機里的磁性天線收音機里的磁性天線. . 收音機里的“磁性天線”利用互感現(xiàn)象可以把信號利用互感現(xiàn)象可以把信號 從一個線圈傳遞到另一個線圈。從一個線圈傳遞到另一個線圈。 能量供給： l閱讀器

5、天線電路 l應答器天線電路 l閱讀器和應答器之間的電感耦合 2 2、能量供給能量供給 16 （1）閱讀器天線電路 RFID閱讀器的射頻前端常 采用串聯(lián)諧振電路。 串聯(lián)諧振回路具有電路簡 單、成本低，激勵可采用低 內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲 得最大的回路電流等特點， 被廣泛采用。 閱讀器天線 設計要求： 天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)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， 即最大程度地輸出讀寫器的能量 足夠的帶寬，保證載波信號的傳輸，使讀寫器信 號無失真輸出 17 l串聯(lián)諧振回路 R1是電感線圈L損耗的等 效電阻，RS是信號源 s V 的內(nèi)阻，RL是負載電阻， 回路總電阻值R=R

6、1+RS +RL。 電路的等效阻抗為 ) 1 j( wC wLRZZZZ CLR 當正弦電壓的頻率w 變化時，電路的等效復 阻抗Z 隨之變化。 當感抗wL等于容抗（1/wC）時，復阻抗Z = R，串聯(lián)電路的等效復阻抗變成了純電阻，端電 壓與端電流同相，這時就稱電路發(fā)生了串聯(lián)諧 振。 19 l串聯(lián)諧振回路 1j j s ss VVV I ZRX RL C 回路電流 I 1 0XL C 串聯(lián)回路的諧振條件 0 1 LC 0 1 2 f LC 0 0 1L L CC 20 回路的品質(zhì)因數(shù) 0 0 111LL Q RCRRCR 品質(zhì)因數(shù)是衡量電路特性的一個重要物理量，它取決于電 路的參數(shù)?；芈返腝值可

7、達數(shù)十到近百，諧振時電感線圈和電 容器兩端電壓可比信號源電壓大數(shù)十到百倍，在選擇電路器件 時，必須考慮器件的耐壓問題， 21 l串聯(lián)諧振回路具有如下特性： （1）諧振時，回路電抗X=0，阻 抗Z=R為最小值，且為純阻 （2）諧振時，回路電流最大， 且與Vs同相 （3）電感與電容兩端電壓的模 值相等，且等于外加電壓的Q 倍 1j j s ss VVV I ZRX RL C 當電源電壓U及元件參數(shù)R、L、C都不改變時，電 流幅值（有效值）隨頻率變化的曲線，如下圖所示。 當電源頻率正好等于諧振當電源頻率正好等于諧振 頻率頻率w0時，電流的值最大，最時，電流的值最大，最 大值為大值為I0 = U/R；

8、當電源頻率；當電源頻率 向著向著ww0或或ww0方向偏離方向偏離 諧振頻率諧振頻率w0時，阻抗時，阻抗 Z 都都 逐漸增大，電流也逐漸變小至逐漸增大，電流也逐漸變小至 零。說明只有在諧振頻率附近，零。說明只有在諧振頻率附近， 電路中電流才有較大值，偏離電路中電流才有較大值，偏離 這一頻率，電流值則很小，這這一頻率，電流值則很小，這 種能夠把諧振頻率附近的電流種能夠把諧振頻率附近的電流 選擇出來的特性稱為頻率選擇選擇出來的特性稱為頻率選擇 性。性。 n 諧振曲線：諧振曲線： 注意： 在無線電技術方面，正是利用串聯(lián)諧振的這一特 點，將微弱的信號電壓輸入到串聯(lián)諧振回路后，在電 感或電容兩端可以得到一

9、個比輸入信號電壓大許多倍 的電壓，這是十分有利的。但在電力系統(tǒng)中，由于電 源電壓比較高，如果電路在接近串聯(lián)諧振的情況下工 作，在電感或電容兩端將出現(xiàn)過電壓，引起電氣設備 的損壞。所以在電力系統(tǒng)中必須適當選擇電路參數(shù)L和 C，以避免發(fā)生諧振現(xiàn)象。 線圈半徑取多少合適？ 25 l電感線圈的交變磁場 l在電感耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的 電感常采用短圓柱形線圈結構 。 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 離線圈中心距離r處P點的磁感應強 度的大小為： 26 l電感線圈的交變磁場 l磁感應強度B和距離r的關系 11 Z0 2 i N a B ra時 2 11 Z00

10、Z 3 2 i N a r BH 結論：從線圈中心到一定距離磁場強度幾乎是不變的，而后急劇下降。 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 線圈半徑取多少合適？ 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 設r為常數(shù)，假定線圈中電流不變，則 2ar 令 可得，Bz具有最大值的條件為： 結論：增加線圈半徑a會在較遠距離r處獲得最大場強，但r的 增大，會使場強相對變小，以

11、致影響應答器的能量供應。 低頻和高頻的電子標簽的天線用于耦合讀寫器的磁通， 該磁通向電子標簽提供能量，并在讀寫器與電子標簽之 間傳遞信息。 電子標簽天線的構造有如下要求： 電子標簽天線常采用并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振時，電 路可以獲得最大的電壓；可最大程度的耦合讀寫器的能 量；能根據(jù)帶寬要求調(diào)整諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，滿足接 收的信號無失真。 電子標簽天線上的感應電壓最大，使電子標簽線 圈輸出最大的電壓輸出最大的電壓 功率匹配，電子標簽最大程度的耦合來自讀寫器 的能量 足夠的帶寬，使電子標簽接收的信號無失真。 （2）電子標簽的天線電路 30 lMicrochip 公司的13.56 MHz應答器（無源射

12、頻卡） MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 無源應答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路 31 l并聯(lián)諧振回路 l在研究并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（信號源內(nèi)阻很大） 分析比較方便。 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 實際中線圈的電阻很小，所以在諧振時有實際中線圈的電阻很小，所以在諧振時有RL 0 )( L C L RC CRLC L Z 2 1 j 1 j1 j 則：則： 33 l并聯(lián)諧振回路具有如下特性： （1）諧振時，回路電抗X=0，阻抗 Z=R為最大值，且為純阻 （2）諧振時，回路

13、電流最小，端電壓 最大 （3）支路電流是總電流的Q倍 + U - R C X L X I 1 I C I 當Ant B端通過控制開關與Vss端短接時，諧振回路失諧， 此時應答器雖處于閱讀器的射頻能量場之內(nèi)，但因失諧無 法獲得正常工作能量，處于休眠狀態(tài)。 當Ant B端開路時，諧振回路諧振在工作頻率（13.56MHz） 上，應答器可獲得能量，進入工作狀態(tài)。 在諧振時，電感支路中電流最大，即諧振回路兩端可獲 得最大電壓，這對無源應答器的能量獲取是必要的。 36 （3）閱讀器和應答器之間的電感耦合 l法拉第定理指出，一個時變磁場通過一個閉合導體 回路時，在其上會產(chǎn)生感應電壓，并在回路中產(chǎn)生 電流。

14、l當應答器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應答器的 電感線圈上就會產(chǎn)生感應電壓， 當距離足夠近，應答器天線 電路所截獲的能量可以供 應答器芯片正常工作時， 閱讀器和應答器才能進入 信息交互階段。 l應答器線圈感應電壓的計算 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 電子標簽感應電壓與兩個線圈距離的電子標簽感應電壓與兩個線圈距離的3次方成反比，因此電子標簽和讀寫器的距離次方成反比，因此電子標簽和讀寫器的距離 越近，電子標簽的耦合的電壓越大。因此，越近，電子標簽的耦合的電壓越大。因此

15、，在電感耦合工作方式中，電子標簽必須在電感耦合工作方式中，電子標簽必須 靠近讀寫器才能工作?？拷x寫器才能工作。 38 l應答器直流電源電壓的產(chǎn)生 應答器直流電源電壓的產(chǎn)生 電子標簽可采用全波整 流電路，線圈耦合得到 的交變電壓通過整流后 直流電壓。 電容Cp濾除高頻成 分，同時作為儲能元 件 由于電子標簽和讀寫器 的距離不斷變化，使得 電子標簽獲得交變電壓 也不斷變化，導致整流 后的直流電壓不是很穩(wěn) 定，因此需要穩(wěn)壓電路。 穩(wěn)壓電路的輸出給電子 標簽的芯片提供所需直 流電壓。 電子標簽終于獲得 了能量，但是電子 標簽如何向讀寫器 傳遞它的信息呢？ 40 應答器向閱讀器的信息傳送時采用負載調(diào)制

16、技術負載調(diào)制技術 l互感耦合回路的等效阻抗關系 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數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 41 l電阻負載調(diào)制 l開關S用于控制負載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關 S的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。 l二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關S。當二進制數(shù)據(jù)編碼信號 為“1”時，設開關S閉合，則此時應答器負載電阻為RL和Rmod 并聯(lián)；而二進制數(shù)據(jù)編碼信號為“0”時，開關S斷開，應答器 負載電阻為RL。 l由于Rmod的接入，使得并聯(lián)電阻減小，導致品質(zhì)因數(shù)降低，這

17、使得應答器兩端的電壓減小。 42 l電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理 l（a）是應答器上控制開關S 的二進制數(shù)據(jù)編碼信號， l（b）是應答器電感線圈上的 電壓波形， l（c）是閱讀器電感線圈上的 電壓波形， l（d）是對閱讀器電感線圈上 的電壓解調(diào)后的波形。 43 l電容負載調(diào)制 電容負載調(diào)制是用附加的電容器Cmod代替調(diào)制電阻Rmod 由于接入電容Cmod，電子標簽回路失諧，又由于讀寫器和電子標簽的 耦合作用，導致讀寫器也失諧。 電容電容Cmod的接入可使電子標簽線圈上的電壓下降，從而導致讀寫 器線圈上的電壓的上升。 電容負載調(diào)制的波形變化和電阻負載調(diào)制波形變化相似，但此時讀寫 器線圈的電壓不

18、僅發(fā)生振幅的變化，也發(fā)生相位的變化。 4、功率放大 l功率放大電路 l功率放大電路位于RFID系統(tǒng)的閱讀器中，用于 向應答器提供能量 l采用諧振功率放大器 l分為A類（或稱甲類）、B類（或稱乙類）、C 類（或稱丙類）三類工作狀況 l在電感耦合RFID系統(tǒng)的閱讀器中，常采用B，D 和E類放大器 補充知識：補充知識： 三極管的工作狀態(tài)三極管的工作狀態(tài) 46 用于125 kHz閱讀器 的B類放大器 L3，C4和C5組成濾波網(wǎng)絡，該帶通濾波器的中心頻率 0 312 45 3 45 11 125 kHz 1800 6800 2 1 10102 18006800 f C C L CC 125kHz方波經(jīng)三

19、個非門輸出以提高源的帶負載 能力 VT1組成射級跟隨器，其輸 出的正弦信號的正半周使 VT2導通，負半周使VT3導 通。 二、二、 反向散射耦合反向散射耦合RFIDRFID系統(tǒng)系統(tǒng) l1 1反向散射反向散射 l雷達技術為雷達技術為RFIDRFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用的反向散射耦合方式提供了理論和應用 基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目 標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散 射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被

20、天線接收 （因此發(fā)射天線也是接收天線），對接收信號進行放大（因此發(fā)射天線也是接收天線），對接收信號進行放大 和處理，即可獲得目標的有關信息。和處理，即可獲得目標的有關信息。 2 2RFIDRFID反向散射耦合方式反向散射耦合方式 l一個目標反射電磁波的頻率有反射橫截面來確定。反射橫截面的一個目標反射電磁波的頻率有反射橫截面來確定。反射橫截面的 大小與一系列的參數(shù)有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波大小與一系列的參數(shù)有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波 的波長和極化方向等。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而的波長和極化方向等。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而 增強，所以增強，所以RFI

21、DRFID反向散射耦合方式采用超高頻和微波，應答器和反向散射耦合方式采用超高頻和微波，應答器和 讀寫器的距離大于讀寫器的距離大于1m1m。 閱讀器 天線 電子標簽 芯片 天線 RFID反向散射耦合方式原理圖 讀寫器、應答器和天線構成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。讀寫器、應答器和天線構成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。 l（1）應答器的能量供給 l無源應答器的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發(fā)射的功 率P1經(jīng)自由空間衰減后到達應答器，經(jīng)應答器中的整流 電路后形成應答器的工作電壓。 l在UHF和SHF頻率范圍，有關電磁兼容的國際標準對讀寫 器所能發(fā)射的最大功率有嚴格的限制，因此在有些應用 中，應答器采用完全無源方式會有一定困難

22、。為解決應 答器的供電問題，可在應答器上安裝附加電池附加電池。為防止 電池不必要的消耗，應答器平時處于低功耗模式低功耗模式，當應 答器進入讀寫器的作用范圍時，應答器由獲得的射頻功 率激活激活，進入工作狀態(tài)。 讀寫器、應答器和天線構成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。讀寫器、應答器和天線構成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。 l讀寫器到電子標簽的能量傳輸： 在距離讀寫器R處的電子標簽的功率密度為: 在電子標簽和發(fā)射天線最佳對準和正確極化時，電子標簽可吸收的最大功率 : l電子標簽到讀寫器的能量傳輸： l（2）應答器至讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸 l由讀寫器傳到應答器的功率的一部分被天線反射，反射 功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫器，被讀寫器天線接收。 接收信號經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫器的接收通道， 被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。 l應答器天線的反射性能受連接到天線的負載變化的影響， 因此，可采用相同的負載調(diào)制方法負載調(diào)制方法實現(xiàn)反射的調(diào)