第2章電感耦合方式的射頻前端

1、合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院RFID技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)單承贛 教授22 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 射頻識(shí)別技術(shù)在工作頻率13.56 MHz和小于135 kHz時(shí)，基于電感耦合方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實(shí)現(xiàn)），在更高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的反向散射耦合方式（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。 電感耦合方式的基礎(chǔ)是電感電容（LC）諧振回路及電感線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，它是射頻卡工作的基本原理?；诶走_(dá)探測(cè)目標(biāo)的反向散射耦合方式的基礎(chǔ)是電磁波傳播和反射的形成，它用于微波電子標(biāo)簽。 實(shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為射頻前端電路，簡(jiǎn)稱為射頻前端。 32 電感

2、耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 閱讀器天線電路 在閱讀器中，串聯(lián)諧振回路具有電路簡(jiǎn)單、成本低，激勵(lì)可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時(shí)可獲得最大的回路電流等特點(diǎn)，被廣泛采用。 42 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 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(hào)源sV的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。 52 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 22221ZRXRLC阻抗 相角 1arctanarctanLXCRR62 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路10XL

3、C串聯(lián)回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC72 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路具有如下特性：（1）諧振時(shí)，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻（2）諧振時(shí)，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82 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路回路的品質(zhì)因數(shù) 00111LLQRCRRCR 通常，回路的Q值可達(dá)數(shù)十到近百，諧振時(shí)電感線圈和電容器兩端電壓可比信號(hào)源電壓大數(shù)十到百倍，在選擇電路器件時(shí)，必須考慮器件的耐壓?jiǎn)栴}， 92 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 諧振曲線0000

4、00111j()1j()1j ()IRLIRLQCR取其模值 m2220m20001111211IIQQ102 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 諧振曲線串聯(lián)諧振回路的諧振曲線 112 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 通頻帶 諧振回路的通頻帶通常用半功率點(diǎn)的兩個(gè)邊界頻率之間的間隔表示，半功率的電流比Im/I0m為0.707 通頻帶 200.7002122BW2222fQQ122 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場(chǎng) 安培定理指出，電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，在此導(dǎo)體的周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng) 。ai2H132 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端

5、 電感線圈的交變磁場(chǎng) 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(jié)構(gòu) 。20 11Z0Z3 2222i N aarBH142 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度B和距離r的關(guān)系11Z02i NaBra時(shí) 211Z00Z32i N arBH152 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器的天線電路 Microchip 公司的13.56 MHz應(yīng)答器（無(wú)源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 162 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 e5550芯片的天線電路 工作頻率為125 kHz，電感線圈

6、和電容器為外接。 172 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 并聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號(hào)源內(nèi)阻很小的情況。 如果信號(hào)源的內(nèi)阻大，應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。 在研究并聯(lián)諧振回路時(shí)，采用恒流源（信號(hào)源內(nèi)阻很大）分析比較方便。 182 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串并聯(lián)阻抗等效互換 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR192 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合 法拉第

7、定理指出，一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)閉合導(dǎo)體回路時(shí)，在其上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在回路中產(chǎn)生電流。 當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)答器的電感線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)距離足夠近，應(yīng)答器天線電路所截獲的能量可以供應(yīng)答器芯片正常工作時(shí)，閱讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入信息交互階段。 2 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算 SraaitNStNtNvd2ddddddd23222102222B22ddddvNtt 2NSB d212 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算 應(yīng)答器天線電路的等效電路 222 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射

8、頻前端 應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/222cos2mN aItarB232 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 242 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 整流與濾波 采用MOS管的全波整流電路 252 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 負(fù)載調(diào)制 應(yīng)答器向閱讀器的信息傳送時(shí)采用 262 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 1211

9、1jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ272 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制 開(kāi)關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開(kāi)關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。 282 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制 二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)用于控制開(kāi)關(guān)S。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“1”時(shí)，設(shè)開(kāi)關(guān)S閉合，則此時(shí)應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；而二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“0”時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。 應(yīng)答器的負(fù)載電阻值有兩個(gè)對(duì)應(yīng)值，即RL（S斷開(kāi)時(shí)）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL/Rmod（

10、S閉合時(shí)）。 292 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制次級(jí)回路等效電路中的端電壓 2CD2f222Lm11jjVVRRLCR302 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理 （a）是應(yīng)答器上控制開(kāi)關(guān)S的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)， （b）是應(yīng)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(duì)閱讀器電感線圈上的電壓解調(diào)后的波形。 312 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電容負(fù)載調(diào)制 電容負(fù)載調(diào)制是用附加的電容器Cmod代替調(diào)制電阻Rmod 322 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電容負(fù)載調(diào)

11、制電容負(fù)載調(diào)制時(shí)初、次級(jí)回路的等效電路 332 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 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(yīng)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 342 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 B類功率放大器 采用兩個(gè)特性相同的功率管接成推挽電路，它使一管在正半周導(dǎo)通，另一管在負(fù)半周導(dǎo)通，而后在負(fù)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。 35用于125 kHz閱讀器的B類放大器 L3，C4和C5組成濾波

12、網(wǎng)絡(luò)，該帶通濾波器的中心頻率 03124534511125 kHz1800 68002 1 1010218006800fC CLCC362 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 功率傳輸 等效電路 從阻抗匹配的條件下負(fù)載可獲得最大功率考慮，則應(yīng)滿足 2f12s122MRRRRR372 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 D類功率放大器 D類諧振式功率放大器有電壓開(kāi)關(guān)型、電流開(kāi)關(guān)型等電路形式 38392 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 功率放大器效率 電流基波幅值 CCCESCESomL()2VVVIR負(fù)載電阻RL上的輸出功率 2CCCES20omL2L2122V

13、VPIRR402 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 在L1C1諧振回路的設(shè)計(jì)上應(yīng)注意下述問(wèn)題 L1C1諧振回路應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)諧于激勵(lì)信號(hào)的基波頻率上 為保護(hù)功率放大管，可在其集電極C和發(fā)射極E間并接一個(gè)保護(hù)二極管 諧振回路中的負(fù)載RL在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中很容易理解為應(yīng)答器反射電阻Rf1和電感線圈損耗電阻R1之和 412 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電流開(kāi)關(guān)型D類功率放大器 432 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電壓開(kāi)關(guān)型Vs電流開(kāi)關(guān)型 在電壓開(kāi)關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓VCC串聯(lián)的。電流開(kāi)關(guān)型電路中，兩管與電源電壓VCC并聯(lián) 電壓開(kāi)關(guān)型電路中

14、，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(fù)載流過(guò)的電流是正弦波。電流開(kāi)關(guān)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(fù)載兩端電壓是正弦波。 在電流開(kāi)關(guān)型電路中，電流是方波，電壓開(kāi)關(guān)型電路中，兩管集電極電流是正弦半波442 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 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(lái)工作，另一種是按照變壓器方式工作。 452 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 （a）倒相 RL RS v 1 3 2 4 （b） 平衡 不平衡轉(zhuǎn)換 RS RS v1 v2 1 3 2 4 RL RS v 1 3 2 4 RL

15、/2 RL/2 （c）不平衡 平衡轉(zhuǎn)換 1:1傳輸線變壓器應(yīng)用 462 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 1:4傳輸線變壓器 信號(hào)端呈現(xiàn)的輸入阻抗 L1 21244ivvRRii傳輸線的特性阻抗 CL1 2122vvZRii472 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端v1和v2為晶體管VT1和VT2的集電極電壓，很顯然在輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)激勵(lì)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。 482 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器 單管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，諧波成分主要為二次諧波。它選取適當(dāng)?shù)呢?fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以使它的瞬態(tài)

16、響應(yīng)最佳。 當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（或斷開(kāi)）的瞬間，只有當(dāng)器件的電壓（或電流）將為零后，才能導(dǎo)通（或斷開(kāi)）。492 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器E類功率放大器基本電路 502 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器等效電路圖 51522 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)E類功率放大器，工作頻率為1 MHz，輸出到負(fù)載RL=50 上的功率Po=5 W，電源電壓VCC=24 V。 532 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電磁兼容 電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）包含兩方面：一是電磁干擾（EMI），二是抗電磁干擾的能力（EMS）。 在13.56 MHz頻率，F(xiàn)CC的15.225節(jié)的規(guī)定為： 載波頻率范圍13.56 MHz7 kHz； 基波頻率的場(chǎng)強(qiáng)10 mV/m，測(cè)量距離為30 m； 諧波功率基波功