射頻識別技術(shù)2基本電磁原理ppt課件

1、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(shù)在任務(wù)頻率13.56 MHz和小于 kHz時，基于電感耦合方式能量及信息傳送以電感耦合方式實現(xiàn)，在更高頻段基于雷達探測目的的反向散射耦合方式雷達發(fā)射電磁波信號碰到目的后攜帶目的信息前往雷達接納機。 電感耦合方式的根底是電感電容LC諧振回路及電感線圈產(chǎn)生的交變磁場，它是射頻卡任務(wù)的根本原理。基于雷達探測目的的反向散射耦合方式的根底是電磁波傳播和反射的構(gòu)成，它用于微波電子標簽。 實現(xiàn)射頻能量和信息傳送的電路稱為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。 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)

2、諧振回路具有電路簡單、本錢低，鼓勵可采用低內(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。 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sV的內(nèi)阻，RL是負載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。 2.諧振及諧振條件諧振及諧振條件1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 22221ZRXRLC阻抗 相角 1arctanarctanLXCRR2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路10XLC串聯(lián)回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路3、諧振特性、諧振特性串聯(lián)諧振回路具有如下串聯(lián)諧振

3、回路具有如下特特 1諧振時，回路電諧振時，回路電抗抗X=0，阻抗，阻抗Z=R為最為最小值，且為純阻小值，且為純阻2諧振時，回路電流諧振時，回路電流最大，即，且與同相最大，即，且與同相3電感與電容兩端電電感與電容兩端電壓的模值相等，且等壓的模值相等，且等于外加電壓的于外加電壓的Q倍倍(Q為為回路的質(zhì)量要素回路的質(zhì)量要素2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路SSSLVjQVRLjLjRVLj IV0000SSSCVjQVCRjCRVjCjIV00001113、諧振特性、諧振特性回路的質(zhì)量因數(shù) 00111LLQRCRRCR 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

4、數(shù)十到百倍，在選擇電路器件時，必需思索器件的耐壓問題， 2.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路4、諧振曲線、諧振曲線 回路中電流幅值與外加頻率之間的回路中電流幅值與外加頻率之間的關(guān)系曲線，成為諧振曲線。恣意頻率下關(guān)系曲線，成為諧振曲線。恣意頻率下的回路電流與諧振時的回路電流之比為：的回路電流與諧振時的回路電流之比為：000000111j()1j()1j ()IRLIRLQCR取其模值 m2220m20001111211IIQQ2.1.2 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 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，諧振曲線越鋒利，回路的選擇性越好 2

5、.1.2 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 通頻帶 諧振回路的通頻帶通常用半功率點的兩個邊境頻率之間的間隔表示，半功率的電流比Im/I0m為0.707 通頻帶 200.7002122BW2222fQQ由此可見，由此可見，Q Q值越高，通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(shù)中，技術(shù)中，為保證通訊帶寬，在電路設(shè)計時應(yīng)綜合思索為保證通訊帶寬，在電路設(shè)計時應(yīng)綜合思索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1、磁場強度H和磁感應(yīng)強度B安培定理指出，電流流過一個導(dǎo)體時，在此導(dǎo)體的周圍會產(chǎn)生一個磁場 。ai2H2.1.3 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁

6、場式中，i為電流(A)，a為半徑m)磁感應(yīng)強度B和磁場強度H的關(guān)系式為HBr0式中， 是真空磁導(dǎo)率， ； 是相對磁導(dǎo)率，用來闡明資料的磁導(dǎo)率是 的多少倍。0mHx/104170r02、環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應(yīng)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構(gòu)造 。20 11Z0Z3 2222i N aarBH 為電流，N1為線圈匝數(shù)，a為線圈半徑，r為離線圈中心的間隔， 為真空磁導(dǎo)率。1i02.1.3 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場 電感線圈的交變磁場 磁感應(yīng)強度B和間隔r的關(guān)系11Z02i NaBra時 211Z00Z32i N arBH2.1.3 電感線圈的交變

7、磁場電感線圈的交變磁場2.2.1 應(yīng)對器天線電路的銜接Microchip 公司的13.56 MHz應(yīng)對器無源射頻卡MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 2.2 應(yīng)對器天線電路應(yīng)對器天線電路 e5550芯片的天線電路 任務(wù)頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為外接。 2.2 應(yīng)對器天線電路應(yīng)對器天線電路 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。 假設(shè)信號源的內(nèi)阻大，應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。 在研討并聯(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(yīng)對器天線電路應(yīng)對器天線電路 串并聯(lián)阻抗等效互換 22222222112222222222(j)()jjjx

8、RXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR2.2 應(yīng)對器天線電路應(yīng)對器天線電路 閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 法拉第定理指出，一個時變磁場經(jīng)過一個閉合導(dǎo)體回路時，在其上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在回路中產(chǎn)生電流。 當應(yīng)對器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應(yīng)對器的電感線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當間隔足夠近，應(yīng)對器天線電路所截獲的能量可以供應(yīng)對器芯片正常任務(wù)時，閱讀器和應(yīng)對器才干進入信息交互階段。 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 1、應(yīng)對器線圈感應(yīng)電壓的計算 SraaitNStNtNvd2d

9、dddddd23222102222B22ddddvNtt 2NSB d2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合合 從上式可以看出，應(yīng)對器線圈上感應(yīng)電壓和間隔的三次方成反比，因此，應(yīng)對器要從閱讀器獲得正常任務(wù)的能量，它必需求接近閱讀器，此間隔也稱為任務(wù)間隔或者讀/寫間隔通常情況下，讀間隔大于寫間隔。2、應(yīng)對器諧振回路端電壓的計算應(yīng)對器天線電路的等效電路 利用串并轉(zhuǎn)換 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 2、應(yīng)對器諧振回路端電壓的計算201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItf

10、N SQar B201z13/222cos2mN aItarB2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 Qvv22，諧振形狀下zB是間隔閱讀器電感線圈為r處的磁感應(yīng)強度值。)sin(11tIim由于3、應(yīng)對器直流電源電壓的產(chǎn)生 應(yīng)對器直流電源電壓的產(chǎn)生 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 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，但集成電路制造代價大，因此，綜合思索，其容量通常為百pF數(shù)量級。pC2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的

11、電感耦合4、負載調(diào)制 應(yīng)對器向閱讀器的信息傳送時采用，以下引見基于電感耦合方式的負載調(diào)制原理 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合2、互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ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經(jīng)過反射阻抗的變化來進展分析2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合3、電阻負載調(diào)制 開關(guān)S用于控制負載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦

12、合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合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(guān)S。當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為“1時，設(shè)開關(guān)S閉合，那么此時應(yīng)對器負載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；而二進制數(shù)據(jù)編碼信號為“0時，開關(guān)S斷開，應(yīng)對器負載電阻為RL。應(yīng)對器的負載電阻值有兩個對應(yīng)值，即RLS斷開時和RL與Rmod的并聯(lián)值RL/RmodS閉合時。 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合3、電阻負載調(diào)制次級回路等效電路中的端電壓 2CD2f222Lm11jjVVRRLCR上式可以了解為，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。modR 次級回路在負載調(diào)制時，自阻抗下降，

13、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)為反射電阻添加，由于反射電阻不是一個電阻實射阻抗上升，表現(xiàn)為反射電阻添加，由于反射電阻不是一個電阻實體，它的變化表達為初級電感線圈體，它的變化表達為初級電感線圈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。2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合 電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳送的原理a是應(yīng)對器上控制開關(guān)S的二進制數(shù)據(jù)編碼信號，b是應(yīng)對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

14、電壓解調(diào)后的波形。 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合4、電容負載調(diào)制 電容負載調(diào)制是用附加的電容器Cmod替代調(diào)制電阻Rmod 2.3閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)對器之間的電感耦合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 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(yīng)對器提供能量 采用諧振功率放大器 分為A類或稱甲類、B類或稱乙類、C類或稱丙類三類任務(wù)情況 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 2.4 功率放大電路功率放大電路 B類功率放大器 采用兩個特性一樣的功率管接成

15、推挽電路，它使一管在正半周導(dǎo)通，另一管在負半周導(dǎo)通，而后在負載上將它們的集電極電流波形合成，就可獲得完好的正弦波。 用于125 kHz閱讀器的B類放大器 L3，C4和C5組成濾波網(wǎng)絡(luò)，該帶通濾波器的中心頻率 03124534511125 kHz1800 68002 1 1010218006800fC CLCC 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思索，那么應(yīng)滿足 2f12s122MRRRRR2.4 功率放大電路功率放大電路 D類功率放大器 D類諧振式功率放大器有電壓開關(guān)型、電流開關(guān)型等電路方式 2.4 功率放大電路功率放大電路2.4 功率放大電路功率放大電路 功率放大器效率

16、 電流基波幅值 CCCESCESomL()2VVVIR負載電阻RL上的輸出功率 2CCCES20omL2L2122VVPIRR2.4 功率放大電路功率放大電路 在L1C1諧振回路的設(shè)計上應(yīng)留意下述問題 L1C1諧振回路應(yīng)準確調(diào)諧于鼓勵信號的基波頻率上 為維護功率放大管，可在其集電極C和發(fā)射極E間并接一個維護二極管 諧振回路中的負載RL在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中很容易了解為應(yīng)對器反射電阻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 電流開關(guān)型D類功率放大器 2.4 功率放大電路功率放大電路 電壓開關(guān)型Vs電流開關(guān)型 在電壓開關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓VCC串聯(lián)的。電流

17、開關(guān)型電路中，兩管與電源電壓VCC并聯(lián) 電壓開關(guān)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(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，負載兩端電壓是正弦波。 在電流開關(guān)型電路中，電流是方波，電壓開關(guān)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 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任務(wù)，另一種是按照變壓器方式任務(wù)。 2.4 功率放大電路功率放大電路 （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

18、3 2 4 RL/2 RL/2 （c）不平衡 平衡轉(zhuǎn)換 1:1傳輸線變壓器運用 2.4 功率放大電路功率放大電路 1:4傳輸線變壓器 信號端呈現(xiàn)的輸入阻抗 L1 21244ivvRRii傳輸線的特性阻抗 CL1 2122vvZRii2.4 功率放大電路功率放大電路v1和v2為晶體管VT1和VT2的集電極電壓，很顯然在輸入開關(guān)信號鼓勵下，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 E類功率放大器 單管任務(wù)于開關(guān)形狀，諧波成分主要為二次諧波。它選取適當?shù)呢撦d網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以使它的瞬態(tài)呼應(yīng)最正確。 當開關(guān)導(dǎo)通或斷開的瞬間，只需當器件的電壓或電