射頻識別技術基本電磁原理

1、射頻識別技術基本電磁原理 第二章第二章 電感耦合方式的射頻電感耦合方式的射頻 前端前端 射頻識別技術基本電磁原理2 射頻識別技術在工作頻率13.56 MHz和小于 135 kHz時，基于電感耦合方式（能量及信息 傳遞以電感耦合方式實現(xiàn)），在更高頻段基于 雷達探測目標的反向散射耦合方式（雷達發(fā)射 電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達 接收機）。 電感耦合方式的基礎是電感電容（LC）諧振回 路及電感線圈產(chǎn)生的交變磁場，它是射頻卡工 作的基本原理?；诶走_探測目標的反向散射 耦合方式的基礎是電磁波傳播和反射的形成， 它用于微波電子標簽。 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

2、前端。 射頻識別技術基本電磁原理3 2.1 閱讀器天線電路閱讀器天線電路 2.1.1 閱讀器天線電路 的選擇 在閱讀器中，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。 射頻識別技術基本電磁原理4 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 1. 電路組成電路組成 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=R1+RS +RL。 射頻識別技術基本電磁原理5 2.諧振及諧振條件諧振及諧振條件 1j j sss VVV I ZRX RL C 回路電流 I 2 222 1 ZRXRL

3、C 阻抗 相角 1 arctanarctan L X C RR 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 射頻識別技術基本電磁原理6 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 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 射頻識別技術基本電磁原理7 3、諧振特性、諧振特性 串聯(lián)諧振回路具有如下特 （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， 即，且與同相 （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(Q為回路的品質(zhì)因 素） 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 SS S L VjQV R L

4、 jLj R V Lj IV 0 000 SS S C VjQV CR j CR V j Cj IV 000 0 111 射頻識別技術基本電磁原理8 3、諧振特性、諧振特性 回路的品質(zhì)因數(shù) 0 0 111LL Q RCRRCR 通常，回路的Q值可達數(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， 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 射頻識別技術基本電磁原理9 4、諧振曲線、諧振曲線 回路中電流幅值與外加頻率之間的關系曲線，成 為諧振曲線。任意頻率下的回路電流與諧振時的回路 電流之比為： 000 0 00 11 1 j()1j

5、()1j () IR L I RLQ CR 取其模值 m 222 0m 2 0 00 111 1 2 11 I I QQ 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 式中， 表示偏離諧振的 程度，稱為失諧量 0 射頻識別技術基本電磁原理10 諧振曲線 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線 由圖可見，回路Q值越高，諧振曲線越尖銳， 回路的選擇性越好 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 射頻識別技術基本電磁原理11 通頻帶 諧振回路的通頻帶通常用半功 率點的兩個邊界頻率之間的間 隔表示，半功率的電流比Im/I0 m為 通頻帶 20 0.70021 22 BW 2222 f QQ 由此可見，由此可見，Q Q值越高，通

6、頻帶越窄（選擇性越強），在值越高，通頻帶越窄（選擇性越強），在RFIDRFID技術中，技術中， 為保證通信帶寬，在電路設計時應綜合考慮為保證通信帶寬，在電路設計時應綜合考慮Q Q值的大小。值的大小。 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 射頻識別技術基本電磁原理12 1、磁場強度H和磁感應強度B 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 2.1.3 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場 式中，i為電流(A)，a為半徑（m) 磁感應強度B和磁場強度H的關系式為 HB r 0 式中， 是真空磁導率， ； 是相對磁 導率，用來說明材料的磁導率是 的多少倍。

7、 0 mHx/104 17 0 r 0 射頻識別技術基本電磁原理13 2、環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應強度 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 為電流，N1為線圈匝數(shù)，a為線圈半徑，r為離線圈中心 的距離， 為真空磁導率。 1 i 0 2.1.3 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場 射頻識別技術基本電磁原理14 電感線圈的交變磁場 磁感應強度B和距離r的關系 11 Z0 2 i N a B ra時 2 11 Z00Z 3 2 i N a r BH 2.1.3 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁

8、場 射頻識別技術基本電磁原理15 2.2.1 應答器天線電路的連接 Microchip 公司的13.56 MHz應答器（無源 射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天 線電路 2.2 應答器天線電路應答器天線電路 射頻識別技術基本電磁原理16 e5550芯片的天線電路 工作頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為 外接。 2.2 應答器天線電路應答器天線電路 射頻識別技術基本電磁原理17 并聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號源內(nèi)阻很小的 情況。 如果信號源的內(nèi)阻大，應采用并聯(lián)諧振回路。 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。 2.2 應答器天線電路應

9、答器天線電路 射頻識別技術基本電磁原理18 串并聯(lián)阻抗等效互換 22 222222 11 2222 222222 (j) ()jj j x RXR XR X ZRRX RXRXRX 2 222 12 22 22 22 1/ x R XR RR RX RX 2 222 12 22 22 22 1/ R XX X RX XR 2.2 應答器天線電路應答器天線電路 射頻識別技術基本電磁原理19 閱讀器和應答器之間的電感耦合 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。 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

10、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。 閱讀器和應答器之間的電感耦合 射頻識別技術基本電磁原理 1、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 閱讀器和應答器之間的電感耦合 從上式可以看出，應答器線圈上感應電壓和距離的三次方成 反比，因此，應答器要從閱讀器獲得正常工作的能量，它必 須要靠近閱讀器，此距離也稱為工作距離或者讀/寫距離（通 常情況下，讀距離大于寫距離）。 射頻識別技術基

11、本電磁原理21 2、應答器諧振回路端電壓的計算 應答器天線電路的等效電路 （利用串并轉 換） 閱讀器和應答器之間的電感耦合 射頻識別技術基本電磁原理22 2、應答器諧振回路端電壓的計算 2 012 23 2 22 d d 2 i N N a Si vQ t ar 2 01 2212z3/2 22 cos2 2 m N a vQ N SItfN SQ ar B 2 01 z13/2 22 cos 2 m N a It ar B 閱讀器和應答器之間的電感耦合 Qvv 22 ， （諧振狀態(tài)下） z B是距離閱讀器電感線圈為r處的磁感應強度值。 )sin( 11 tIi m 由于 射頻識別技術基本電磁

12、原理23 3、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 閱讀器和應答器之間的電感耦合 射頻識別技術基本電磁原理24 閱讀器和應答器之間的電感耦合 整流與濾波 采用MOS管的全波整流電路 的值選擇過大，對濾波和儲能效果好，但集成電 路制作代價大，因此，綜合考慮，其容量通常為 百pF數(shù)量級。 p C 射頻識別技術基本電磁原理25 閱讀器和應答器之間的電感耦合 4、負載調(diào)制 應答器向閱讀器的信息傳送時采用，以下介 紹基于電感耦合方式的負載調(diào)制原理 射頻識別技術基本電磁原理26 閱讀器和應答器之間的電感耦合 2、互感耦合回路的等效阻抗關系 121 11 jZ IM IV 12 22 j0M

13、IZI 1 12 11 22 V I M Z Z 11 22 22 11 j MV Z I M Z Z 上圖b中初級和次級回路的電壓 方程式為： 從上式可以看出，初、次級回路之間的影響可以通過反射 阻抗的變化來進行分析 射頻識別技術基本電磁原理27 閱讀器和應答器之間的電感耦合 3、電阻負載調(diào)制 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。 射頻識別技術基本電磁原理28 閱讀器和應答器之間的電感耦合 3、電阻負載調(diào)制 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

14、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。 應答器的負載電阻值有兩個對應值，即RL （S斷開時）和RL與Rmod的并聯(lián)值 RL/Rmod（S閉合時）。 射頻識別技術基本電磁原理29 閱讀器和應答器之間的電感耦合 3、電阻負載調(diào)制 次級回路等效電路中的端電壓 2 CD 2f222 Lm 1 1jj V V RRLC R 上式可以理解為，次級回路由于 的接入，負載加重，Q值降 低，諧振回路兩端電壓下降。 mod R 次級回路在負載調(diào)制時，自阻抗下降，因此其對初級線圈的反次級回路在負載調(diào)制時，自阻抗下降，因此其對初級線圈的反 射阻抗上升，表現(xiàn)為反射電阻增加，由于反射電阻不是一個電

15、阻實射阻抗上升，表現(xiàn)為反射電阻增加，由于反射電阻不是一個電阻實 體，它的變化體現(xiàn)為初級電感線圈體，它的變化體現(xiàn)為初級電感線圈L1L1兩端的電壓變化。所以初級線兩端的電壓變化。所以初級線 圈兩端的電壓變化表現(xiàn)為幅度調(diào)制。圈兩端的電壓變化表現(xiàn)為幅度調(diào)制。 射頻識別技術基本電磁原理30 閱讀器和應答器之間的電感耦合 電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理 （a）是應答器上控制開關 S的二進制數(shù)據(jù)編碼信號， （b）是應答器電感線圈上 的電壓波形， （c）是閱讀器電感線圈上 的電壓波形， （d）是對閱讀器電感線圈 上的電壓解調(diào)后的波形。 射頻識別技術基本電磁原理31 閱讀器和應答器之間的電感耦合 4、電容負載調(diào)

16、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 射頻識別技術基本電磁原理32 閱讀器和應答器之間的電感耦合 4、電容負載調(diào)制 電容負載調(diào)制時初、次級回路的等效電路 射頻識別技術基本電磁原理33 2.4 功率放大電路功率放大電路 功率放大電路 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 采用諧振功率放大器 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 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 射頻識別技術基本電磁原理34 2.4 功率放大電路功率放大電路 B類功率放大器 采用兩個特性相同的功率管接成推挽電路， 它使一

17、管在正半周導通，另一管在負半周導 通，而后在負載上將它們的集電極電流波形 合成，就可獲得完整的正弦波。 射頻識別技術基本電磁原理35 用于125 kH z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 射頻識別技術基本電磁原理36 功率傳輸 等效電路 從阻抗匹配的條件下負載 可獲得最大功率考慮，則 應滿足 2 f12s1 22 M RRRR R 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理37 D類功率放大器 D類諧振式功率

18、放大器有電壓開關型、電流 開關型等電路形式 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理38 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理39 功率放大器效率 電流基波幅值 CCCESCES om L ()2 VVV I R 負載電阻RL上的輸出功率 2 CCCES2 0omL 2 L 212 2 VV PIR R 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理40 在L1C1諧振回路的設計上應注意下述問 題 L1C1諧振回路應準確調(diào)諧于激勵信號的基波 頻率上 為保護功率放大管，可在其集電極C和發(fā)射 極E間并接一個保護二極管 諧振回路中的負載RL在電感耦

19、合方式的 RFID系統(tǒng)中很容易理解為應答器反射電阻 Rf1和電感線圈損耗電阻R1之和 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理41 電流開關型D類功率放大器 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理 射頻識別技術基本電磁原理43 電壓開關型Vs電流開關型 在電壓開關型電路中，兩管是與電源電壓VCC串聯(lián) 的。電流開關型電路中，兩管與電源電壓VCC并聯(lián) 電壓開關型電路中，兩管集電極電流是正弦半波， 集電極與發(fā)射極間電壓為方波，負載流過的電流是 正弦波。電流開關型電路中，兩管集電極電流是方 波，集電極和發(fā)射極間電壓是正弦半波，負載兩端 電壓是正弦波。 在電流開關型

20、電路中，電流是方波，電壓開關型電 路中，兩管集電極電流是正弦半波 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理44 傳輸線變壓器耦合功率放大器 具有兩種方式：一種按傳輸線方式來工作， 另一種是按照變壓器方式工作。 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理45 （a）倒相 RL RS v 1 3 2 4 （b） 平衡 不平衡轉換 RS RS v1 v2 1 3 2 4 RL RS v 1 3 2 4 RL/2 RL/2 （c）不平衡 平衡轉換 1:1傳輸線變壓器應用 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理46 1:4傳輸線變壓器 信號端呈現(xiàn)的輸入阻抗 L 1 21 244 i vv RR ii 傳輸線的特性阻抗 CL 1 21 22 vv ZR ii 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理47 v1和v2為晶體管VT1和VT2的集電極電壓，很顯然在輸入開關信 號激勵下，兩管集電極電壓為方波，且電壓反相。兩管集電極 電流為正弦半波，各電流的方向如箭頭所指。 2.4 功率放大電路功率放大電路 射頻識別技術基本電磁原理48 E類功率放大器 單管工作于開關狀態(tài)，諧波成分主要為二次 諧波。它選取適當?shù)呢撦d網(wǎng)絡參數(shù)，以使它 的瞬態(tài)響應最佳。 當開關導通（或