第4章 RFID的射頻前端(simple)

1、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，從電子標簽到讀寫器之間的通信和能量感應方式來看，RFIDRFID系統(tǒng)一般可以分為系統(tǒng)一般可以分為電感耦合（磁耦合）電感耦合（磁耦合）系統(tǒng)和系統(tǒng)和電磁反電磁反向散射耦合（電磁場耦合）向散射耦合（電磁場耦合）系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據的是間高頻交變磁場實

2、現(xiàn)耦合，依據的是電磁感應定律電磁感應定律；電磁；電磁反向散射耦合，即反向散射耦合，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，依據的是電磁波的空目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規(guī)律。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電感耦合方式一般適合于高、低頻率工作的近距離RFIDRFID系系統(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頻率的遠距離RFIDRFID系統(tǒng)。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

3、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)據傳遞給閱讀器？8l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生一個磁場 。ai2H磁場強度：1、線圈的自感和互感、線圈的自感和互感讀寫器和電子標簽線圈形式的天線相當于電感。讀寫器和電子標簽線圈形式的天線相當于電感。電感有自感和互感兩種。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兩者之間形成互感1）磁通量B dS N 注：

4、在注：在RFIDRFID系統(tǒng)中，讀寫器和電子標簽的線圈通常有很多系統(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匝，假設通過一匝線圈的磁通為 ，線圈的匝數(shù)為，線圈的匝數(shù)為N N。則。則通過通過N N匝線圈的總磁通為匝線圈的總磁通為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)生變化而產生的電磁感應現(xiàn)象，發(fā)生變化而產生的電磁感應現(xiàn)象，叫叫自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象。l自感現(xiàn)象中產生的電動勢叫自感現(xiàn)象中產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電感L L。l在在RF

5、IDRFID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。LI3 3）互感現(xiàn)象）互感現(xiàn)象l當?shù)谝粋€線圈上的電流產生磁場，并且該磁當?shù)谝粋€線圈上的電流產生磁場，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，稱為兩磁通與第一個線圈上的電流的比值，稱為兩個線圈的個線圈的互感互感。l 互感現(xiàn)象中產生的感應電動勢，稱為互感現(xiàn)象中產生的感應電動勢，稱為互感互感電動勢。電動勢。12121MI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

6、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 1）閱讀器天線電路）閱讀器天線電路在閱讀器中，有3種典型的天線電路。由于串聯(lián)諧振回路電路簡單、成本低，激勵可采用低內阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，因而被廣泛采用。17閱讀器天線閱讀器天線設計要求：設計要求：天線線圈的天線線圈的電流最大電流最大，用于產生最大的磁通量，用于產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，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即最

7、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號無失真輸出18l串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路R1是電感線圈是電感線圈L損耗的等損耗的等效電阻，效電阻，RS是信號源是信號源sV的內阻，的內阻，RL是負載電阻，是負載電阻，回路總電阻值回路總電阻值R=R1+RS+RL。 電路的等效阻抗為電路的等效阻抗為)1j(wCwLRZZZZCLR 當正弦電壓的頻率當正弦電壓的頻率w變化時，電路的等效復變化時，電路的等效復阻抗阻抗Z 隨之變化。隨之變化。 當感抗當感抗wLwL等于容抗（等于容抗（1/wC1/wC）時，復阻抗）時，復阻抗Z = Z

8、 = R R，串聯(lián)電路的等效復阻抗變成了純電阻，串聯(lián)電路的等效復阻抗變成了純電阻，端電端電壓與端電流同相壓與端電流同相，這時就稱電路發(fā)生了，這時就稱電路發(fā)生了串聯(lián)諧串聯(lián)諧振振。 20l串聯(lián)諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 10XLC串聯(lián)回路的諧振條件串聯(lián)回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC21回路的品質因數(shù) 00111LLQRCRRCR 品質因數(shù)品質因數(shù)是衡量電路特性的一個重要物理量，它取決于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)?；芈返碾娐返膮?shù)?；芈返腝 Q值可達數(shù)十到近百，諧振時電感線圈和值可達數(shù)十到近百，諧振時電感線圈和電容器兩端電壓可比信號

9、源電壓大數(shù)十到百倍，在選擇電路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，器件時，必須考慮器件的耐壓問題， 22l串聯(lián)諧振回路具有如下特性：串聯(lián)諧振回路具有如下特性：（1 1）諧振時，回路電抗）諧振時，回路電抗X X=0=0，阻，阻抗抗Z Z= =R R為最小值，且為純阻為最小值，且為純阻（2 2）諧振時，回路電流最大，）諧振時，回路電流最大，且與且與VsVs同相同相（3 3）電感與電容兩端電壓的模）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的值相等，且等于外加電壓的Q Q倍倍1jjsssVVVIZRXRLC 當電源電壓當電源電壓U U及元件參數(shù)及元件

10、參數(shù)R R、L L、C C都不改變時，電都不改變時，電流幅值（有效值）隨頻率變化的曲線，如下圖所示。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；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

11、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：注意： 在無線電技術方面在無線電技術方面，正是利用串聯(lián)諧振的這一特，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個比輸入信號電壓大許多倍感或電容兩端可以得到一個比輸入信號電壓大許多倍的電壓，這是十分的電壓，這是十分有利有利的。但在的。但在電力系統(tǒng)中電力系統(tǒng)中，由于電，由于電源電壓比較高，如果電路在接近串聯(lián)諧振的情況下工源電壓比較高，如果電路在接近串聯(lián)諧振的情況下工作

12、，在電感或電容兩端將出現(xiàn)過電壓，引起電氣設備作，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)的損壞。所以在電力系統(tǒng)中必須適當選擇電路參數(shù)L L和和C C，以，以避免避免發(fā)生諧振現(xiàn)象。發(fā)生諧振現(xiàn)象。線圈半徑取多少合適？26l電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場l在電感耦合的在電感耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的電感常采用短圓柱形線圈結構電感常采用短圓柱形線圈結構 。20 11Z0Z3 2222i N aarBH離線圈中心距離離線圈中心距離r處處P點的磁感應強點的磁感應強度的大小為：度的大小為：27l電感線圈的交變磁場電感線圈

13、的交變磁場l磁感應強度磁感應強度B和距離和距離r的關系的關系11Z02i NaBra時 211Z00Z32i N arBH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。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。20 11Z0Z3 2222i N aarBH20 11Z0Z3 2222i N aarBH線圈半徑取多少合適？20 11Z0Z3 2222i N aarBH2240 110 11Z3 23 2322222222i N ai NaakarararB0zdBda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：增加線圈半徑結論

14、：增加線圈半徑a a會在較遠距離會在較遠距離r r處獲得最大場強，但處獲得最大場強，但r r的增大，會使場強相對變小，以致影響應答器的能量供應。的增大，會使場強相對變小，以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，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。間傳遞信息。電子標簽天線的構造有如下要求：電子標簽天線的構造有如下要求：電子標簽天線常采用電子標簽天線常采用并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振時，電。并聯(lián)諧振時，電路可以獲得最大的電壓；可最大程度的耦

15、合讀寫器的能路可以獲得最大的電壓；可最大程度的耦合讀寫器的能量；能根據帶寬要求調整諧振電路的品質因數(shù)，滿足接量；能根據帶寬要求調整諧振電路的品質因數(shù)，滿足接收的信號無失真。收的信號無失真。 電子標簽天線上的感應電壓最大，使電子標簽線電子標簽天線上的感應電壓最大，使電子標簽線圈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功率匹配，電子標簽最大程度的耦合來自讀寫器的能量的能量 足夠的帶寬，使電子標簽接收的信號無失真。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 31lMicrochip Microchip 公司的公司的13.56 MHz13.56

16、MHz應答器（無源射頻卡）應答器（無源射頻卡）MCRF355MCRF355和和MCRF360MCRF360芯片的天線電路芯片的天線電路 無源應答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路無源應答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路32l并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路l在研究并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（信號源內阻很大）在研究并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（信號源內阻很大）分析比較方便。分析比較方便。 LCRCLRLRCLRCZ2j1j)j(j1)j(j1+U-RCXLXI1ICI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RL0)(LCLRCCRLCLZ21j1j1j 則：則：34l并聯(lián)諧振回路

17、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，回路電流最小，端電壓諧振時，回路電流最小，端電壓最大最大（3）支路電流是總電流的Q倍+U-RCXLXI1ICI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，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。37（3 3）閱讀器和應答器之間的電感耦合）閱讀器和應答器之間的電感

18、耦合l法拉第定理法拉第定理指出，一個時變磁場通過一個閉合導體指出，一個時變磁場通過一個閉合導體回路時，在其上會產生感應電壓，并在回路中產生回路時，在其上會產生感應電壓，并在回路中產生電流。電流。l當應答器進入閱讀器產生的交變磁場時，應答器的當應答器進入閱讀器產生的交變磁場時，應答器的電感線圈上就會產生感應電壓，電感線圈上就會產生感應電壓，當距離足夠近，應答器天線當距離足夠近，應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應答器芯片正常工作時，應答器芯片正常工作時，閱讀器和應答器才能進入閱讀器和應答器才能進入信息交互階段。信息交互階段。 l應答器線圈感應電壓的計算 SraaitNStNt

19、Nvd2ddddddd23222102222B22ddddvNtt 2NSB 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，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。39l應答器直流電源電壓的產生 應答器直流電源電壓的產生 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

20、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？41應答器向閱讀器的信息傳送時采用負載調制技術負載調制技術 l互感耦合回路的等效阻抗關系 12111jZ IM IV應答器電壓1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ3 3數(shù)據傳輸數(shù)據傳輸讀寫器電壓4243l電阻負載調制 l開關S用于控制負載調制電阻Rmod的接入與否，開關S的通斷由二進制數(shù)據編碼信號控制。 l二進制數(shù)據編碼信號用于控制開關二進制數(shù)據編

21、碼信號用于控制開關S S。當二進制數(shù)據編碼信號。當二進制數(shù)據編碼信號為為“1 1”時，設開關時，設開關S S閉合，則此時應答器負載電阻為閉合，則此時應答器負載電阻為R RL L和和R Rmodmod并聯(lián)；而二進制數(shù)據編碼信號為并聯(lián)；而二進制數(shù)據編碼信號為“0 0”時，開關時，開關S S斷開，應答器斷開，應答器負載電阻為負載電阻為R RL L。l由于由于R Rmodmod的接入，使得并聯(lián)電阻減小，導致品質因數(shù)降低，這的接入，使得并聯(lián)電阻減小，導致品質因數(shù)降低，這使得應答器兩端的電壓減小。使得應答器兩端的電壓減小。44l電阻負載調制數(shù)據信息傳遞的原理l（a）是應答器上控制開關S的二進制數(shù)據編碼信號

22、，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后的波形。 45l電容負載調制 電容負載調制是用附加的電容器電容負載調制是用附加的電容器C Cmodmod代替調制電阻代替調制電阻R Rmod mod 由于接入電容由于接入電容Cmod，電子標簽回路失諧，又由于讀寫器和電子標簽的，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。耦合作用，導致讀寫器也失諧。電容電容電容電容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。器線圈上的電壓

23、的上升。電容負載調制的波形變化和電阻負載調制波形變化相似，但此時讀寫電容負載調制的波形變化和電阻負載調制波形變化相似，但此時讀寫器線圈的電壓不僅發(fā)生振幅的變化，也發(fā)生相位的變化。器線圈的電壓不僅發(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 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

24、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。基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目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。標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散在散射的能量中，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

25、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RFIDRFID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

26、（1 1）應答器的能量供給）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)射的功率率P P1 1經自由空間衰減后到達應答器，經應答器中的整流經自由空間衰減后到達應答器，經應答器中的整流電路后形成應答器的工作電壓。電路后形成應答器的工作電壓。l在在UHFUHF和和SHFSHF頻率范圍，有關電磁兼容的國際標準對讀寫頻率范圍，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。為解決應中，應答器采用完全無源方式會有一定困難。為解決應答器的供電問題，可在應答器上安裝答器的供電問題，可在應答器上安裝附加電池附加電池。為防止。為防止電池不必要的消耗，應答器平時處于電池不必要的消耗，應答器平時處于低功耗模式低功耗模式，當應，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答器進入讀寫器的作用范圍時，應答器由獲得的射頻功率率激活激活，進入工作狀態(tài)。，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（2 2）應答器至讀寫器的數(shù)據傳輸）應答器至讀寫器的數(shù)據傳輸l由讀寫器傳到應答器的功率的一部分被天線反射，反射