射頻識(shí)別技術(shù)第八章

1、西華師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第八章第八章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端金洪穎金洪穎28 電感耦合方式的射頻前端 射頻識(shí)別技術(shù)在工作頻率射頻識(shí)別技術(shù)在工作頻率13.56 MHz和小于和小于135 kHz時(shí)，基于時(shí)，基于電感耦合電感耦合方式（能量及信息傳遞方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實(shí)現(xiàn)），在以電感耦合方式實(shí)現(xiàn)），在更高頻段更高頻段基于雷達(dá)基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的探測(cè)目標(biāo)的反向散射耦合反向散射耦合方式（雷達(dá)發(fā)射電磁方式（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)）。機(jī)）。 實(shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為實(shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為

2、射頻前端射頻前端電路，簡(jiǎn)稱為射頻前端電路，簡(jiǎn)稱為射頻前端。 38.1 閱讀器天線電路在閱讀器中，在閱讀器中，串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路具具有電路簡(jiǎn)單、成本低，激勵(lì)可有電路簡(jiǎn)單、成本低，激勵(lì)可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時(shí)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)，可獲得最大的回路電流等特點(diǎn)，被廣泛采用。被廣泛采用。 48 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(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。 58 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 22221ZRXR

3、LC阻抗的模阻抗的模相角相角 1arctanarctanLXCRR68 電感耦合方式的射頻前端 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 01LC012fLC001LLCC特性特性阻抗阻抗78 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 在工程中，通常用電路的特性阻抗在工程中，通常用電路的特性阻抗與回路的電與回路的電阻阻值阻阻值R的比值來(lái)表征諧振電路的性質(zhì)，此比值稱為的比值來(lái)表征諧振電路的性質(zhì)，此比值稱為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，用串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示，即：表示，即： 00111LLQRCRR CR88 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路具有如下串聯(lián)諧振回路具有如

4、下特性特性：（1）諧振時(shí)，回路電抗）諧振時(shí)，回路電抗X=0，阻抗，阻抗Z=R為最小為最小值，且為純阻值，且為純阻（2）諧振時(shí)，回路電流最大，且與外加電壓）諧振時(shí)，回路電流最大，且與外加電壓同相同相（3）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的于外加電壓的Q倍。倍。8 電感耦合方式的射頻前端 通常，回路的通常，回路的Q值可達(dá)數(shù)十到近百，諧振時(shí)電值可達(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)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)，必須考慮器件十到百倍，在選擇電路器件時(shí)，必須考慮器件的耐壓?jiǎn)栴}，的耐壓?jiǎn)栴}， 8

5、 電感耦合方式的射頻前端 能量關(guān)系能量關(guān)系設(shè)諧振時(shí)瞬時(shí)電流幅值為設(shè)諧振時(shí)瞬時(shí)電流幅值為I0m，則瞬時(shí)電流為：，則瞬時(shí)電流為：電感上存儲(chǔ)的瞬時(shí)能量為：電感上存儲(chǔ)的瞬時(shí)能量為：)sin(0tIim)(sin21212202tLILiwmL8 電感耦合方式的射頻前端 電容上儲(chǔ)存的瞬時(shí)能量為：電容上儲(chǔ)存的瞬時(shí)能量為： 電容器兩端的瞬時(shí)電壓為：電容器兩端的瞬時(shí)電壓為：221Cuwc)cos(-u(t)0tCIm8 電感耦合方式的射頻前端 電容器上存儲(chǔ)的瞬時(shí)能量為：電容器上存儲(chǔ)的瞬時(shí)能量為：（t)LI（t)ICLC （t)ILC （t)IRCQ（t)CIC(t)Cuwmmmmmc2202200022022

6、0220222220202cos21cos121cos21cos21cos21218 電感耦合方式的射頻前端 電感儲(chǔ)能和電容器儲(chǔ)能之和為：電感儲(chǔ)能和電容器儲(chǔ)能之和為： 電阻上一個(gè)周期電阻上一個(gè)周期T消耗的能量為：消耗的能量為：2021mCLLIwww0202020212121)22(fRIRTIRTIRTIwmmmR8 電感耦合方式的射頻前端 回路中存儲(chǔ)的能量與電阻，每周期消耗的能量回路中存儲(chǔ)的能量與電阻，每周期消耗的能量之比為：之比為： 所以從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)所以從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為可以表示為22121210002020QRLRLffRILIwwwmmRCL每周期耗能回

7、路儲(chǔ)能2Q8 電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場(chǎng)電感線圈的交變磁場(chǎng) 畢奧畢奧薩伐爾定律薩伐爾定律LLrrlIdBdBrrlIdBdlIdIld30304rr4處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度：任意線電流在的矢量。為從源點(diǎn)流到場(chǎng)點(diǎn)方向其中磁感應(yīng)強(qiáng)度為：產(chǎn)生的磁場(chǎng)的的小電流元通過(guò)電流為長(zhǎng)度為8 電感耦合方式的射頻前端 環(huán)形短圓柱型線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度環(huán)形短圓柱型線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度量的疊加。在該處軸向分是所有點(diǎn)的量相互抵消，因而在垂直軸線方向上的分產(chǎn)生的點(diǎn)所有在應(yīng)強(qiáng)度為點(diǎn)產(chǎn)生的磁感在BdBBdlIdrrlIdBdlIdpp4p30rxalIdBdprxalIdBdp8 電感耦合方式的射頻前端2322202322

8、20222202222220202030(2(2(42sin,42sin4sin4）匝，則若線圈為）又xaIaNBNxaIaxaaxaaIBxaaraxarraIdlrIrrlIdBdBaLL8 電感耦合方式的射頻前端 討論：討論： 當(dāng)當(dāng)xa時(shí)，時(shí)， 結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不變，而后急劇下降。最大值在變，而后急劇下降。最大值在x= 處取得。處取得。HaINB002zHxINaB0320228 電感耦合方式的射頻前端 最佳線圈半徑最佳線圈半徑處可得到最大場(chǎng)強(qiáng)。固定時(shí)，在也就是當(dāng)時(shí)，可獲得最大場(chǎng)強(qiáng)。處，當(dāng)線圈半徑即在一定距離得令（的關(guān)系：與電

9、流不變，討論為常數(shù)，并假定線圈中設(shè)aaxxaxadaxaaiNBB707. 02a2x20dB)2ax2322208 電感耦合方式的射頻前端 矩形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度矩形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度222222202121)2()2(4xbxaxbaNiabB218 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器的天線電路應(yīng)答器的天線電路 Microchip 公司的公司的13.56 MHz應(yīng)答器（無(wú)源射頻應(yīng)答器（無(wú)源射頻卡）卡）MCRF355和和MCRF360芯片的天線電路芯片的天線電路 228 電感耦合方式的射頻前端 e5550芯片的天線電路芯片的天線電路 工作頻率為工作頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為外接。，電感

10、線圈和電容器為外接。 238 電感耦合方式的射頻前端 并聯(lián)諧振回路并聯(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。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。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）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。分析比較方便。 8 電感耦合方式的射頻前端 并聯(lián)諧振條件并聯(lián)諧振條件)1(1)1()1()1(11)11111111LCjLCRCLjCRLCLjRCLCLjRCjLjZLjLjRRLCjLjRCjLjRZ（8 電感耦合方

11、式的射頻前端NoImageLCBLCRGLCjLCRY1)1(11，電納電導(dǎo)導(dǎo)納LCfLCIVLCBpSp212110pp諧振頻率并聯(lián)諧振條件為：同相，達(dá)到最大值與電壓時(shí)，時(shí)，即當(dāng)并聯(lián)電路電納8 電感耦合方式的射頻前端 諧振特性：諧振特性： 1. 并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)的諧振電阻為并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)的諧振電阻為純電阻純電阻 2. 諧振時(shí)電感和電容中電流的諧振時(shí)電感和電容中電流的幅值幅值為外加電流為外加電流源的源的Qp倍。倍。278 電感耦合方式的射頻前端 串并聯(lián)阻抗等效互換串并聯(lián)阻抗等效互換 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX222212

12、2222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR288 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閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合 法拉第定理指出，一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)閉合導(dǎo)體回路法拉第定理指出，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。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，線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)距離足夠近，應(yīng)答器天線當(dāng)距離足夠近，應(yīng)答器天線電路所截獲的能量可以供電路所截獲的能量可以供

13、應(yīng)答器芯片正常工作時(shí)，應(yīng)答器芯片正常工作時(shí)，閱讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入閱讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入信息交互階段。信息交互階段。 8 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)算應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算 SraaiNtNStNtNvd2ddddddd232221102222B22ddddvNtt 2NSB d8 電感耦合方式的射頻前端dtdiMVraSNNMdtdiraSNNVBSB2232221023222102)(2)(220則線圈之間的互感，稱為閱讀器與應(yīng)答器令則平面垂直于線圈，即磁感應(yīng)強(qiáng)度夾角與設(shè)討論：討論：1 1、感應(yīng)電壓的大小與互感大小成正比；、感應(yīng)電壓的大小與互感大小成正比；2 2、互感

14、與距離的三次方成反比、互感與距離的三次方成反比結(jié)論：為了獲得大的能量，應(yīng)答器必須結(jié)論：為了獲得大的能量，應(yīng)答器必須靠近閱讀器靠近閱讀器318 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)答器諧振回路端電壓的計(jì)算 應(yīng)答器天線電路的等效電路應(yīng)答器天線電路的等效電路 328 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)答器諧振回路端電壓的計(jì)算201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/222cos2mN aItarB8 電感耦合方式的射頻前端例題：例題： MCRF355芯片工作于芯

15、片工作于13.56MHz，其天線電路，其天線電路封裝在封裝在ID-1型卡中，型卡中，卡尺寸為卡尺寸為85.6mm54mm0.76mm，當(dāng)，當(dāng)MCRF355芯片芯片的天線電路上具有的天線電路上具有4V（峰值）（峰值）電壓時(shí)，器件可電壓時(shí)，器件可達(dá)到正常工作所需的達(dá)到正常工作所需的2.4V直流電壓。設(shè)天線電直流電壓。設(shè)天線電路的路的Q值為值為40，線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)N2=4，試求閱讀器電試求閱讀器電感線圈的電流值。感線圈的電流值。348 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 應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 358 電感耦合方式的射頻前端 整流與濾波整流與濾波 采用MO

16、S管的全波整流電路 368 電感耦合方式的射頻前端 負(fù)載調(diào)制負(fù)載調(diào)制 耦合電路模型耦合電路模型378 電感耦合方式的射頻前端 互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ388 電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻用于控制負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，的接入與否，開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。 M L1 L2 C1 C2 RL S Rmod R2 398 電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制

17、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)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。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“1”時(shí)，設(shè)開(kāi)關(guān)時(shí)，設(shè)開(kāi)關(guān)S閉合，則此時(shí)閉合，則此時(shí)應(yīng)答器負(fù)載電阻為應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和和Rmod并聯(lián)；而二進(jìn)制數(shù)并聯(lián)；而二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為據(jù)編碼信號(hào)為“0”時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，應(yīng)答器負(fù)載斷開(kāi)，應(yīng)答器負(fù)載電阻為電阻為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)）和斷開(kāi)時(shí)）和RL與與Rmod的并聯(lián)值的并聯(lián)值RL/Rmod（S閉合閉合時(shí)）。時(shí)）。 408 電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制418 電感耦合方式的射頻前端 電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳