第6章(4學(xué)時(shí))-RFID的射頻前端

1、RFID物理學(xué)基礎(chǔ) -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(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。l從電子標(biāo)簽到讀寫器之間的通信和能量感應(yīng)方式來看，RFID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)和電磁反電磁反向散射耦合（電磁場(chǎng)耦合）向散射耦合（電磁場(chǎng)耦合）系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律；電磁反向散射耦合，即雷達(dá)原理雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。l電感耦合方式一般適合于高、低

2、頻率工作的近距離RFID系統(tǒng)；電磁反向散射耦合方式一般適合于超高頻、微波工作頻率的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。一、一、 電感耦合電感耦合RFIDRFID系統(tǒng)系統(tǒng)l電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135KHz的頻段，應(yīng)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(yīng)答器？應(yīng)答器如何將數(shù)據(jù)傳遞給閱讀器？8l電感線圈的交變磁場(chǎng)l安培定理指出，電流流過一個(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) 。ai2H磁場(chǎng)強(qiáng)度：1、線圈的自感和互感讀寫器和電子標(biāo)簽線圈形式的天線相當(dāng)于電感。電感有自感和互感兩種。讀寫器線圈、電子標(biāo)簽線圈分別有自感，同時(shí)兩者之間形成互感1

3、）磁通量B dS N 注：在RFID系統(tǒng)中，讀寫器和電子標(biāo)簽的線圈通常有很多匝，假設(shè)通過一匝線圈的磁通為 ，線圈的匝數(shù)為N。則通過N匝線圈的總磁通為2）自感現(xiàn)象）自感現(xiàn)象l由于導(dǎo)體由于導(dǎo)體本身的電流本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫叫自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象。l自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì)自感電動(dòng)勢(shì)。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RFIDRFID中，讀寫器的線圈和電子標(biāo)簽的線圈都有電感。中，讀寫器的線圈和電子標(biāo)簽的線圈都有電感。LI3

4、 3）互感現(xiàn)象）互感現(xiàn)象l當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線圈上的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且該磁場(chǎng)通過第二個(gè)線圈時(shí)，通過第二個(gè)線圈的總磁通與第一個(gè)線圈上的電流的比值，稱為兩個(gè)線圈的互感。l 互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為互感電動(dòng)勢(shì)。12121MI互感現(xiàn)象的應(yīng)用：收音機(jī)里的磁性天線收音機(jī)里的磁性天線. . 收音機(jī)里的“磁性天線”利用互感現(xiàn)象可以把信號(hào)利用互感現(xiàn)象可以把信號(hào)從一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。從一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。能量供給：l閱讀器天線電路l應(yīng)答器天線電路l閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合2 2、能量供給、能量供給16（1）閱讀器天線電路 RFID閱讀器的射頻前端常采用串聯(lián)諧振電路。串聯(lián)諧振回路具有電路簡(jiǎn)單、成本低，

5、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。 閱讀器天線設(shè)計(jì)要求：天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)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，即最大程度地輸出讀寫器的能量足夠的帶寬，保證載波信號(hào)的傳輸，使讀寫器信號(hào)無失真輸出17l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。 電路的等效阻抗為)1j(wCwLRZZZZCLR 當(dāng)正弦電壓的頻率w變化時(shí)，電路的等效復(fù)阻抗Z 隨之變化。 當(dāng)感抗wL等于容抗（1/wC）時(shí)，復(fù)阻抗Z = R，串聯(lián)電路的等效復(fù)阻抗變成了純電阻，端電壓與端電流同相，

6、這時(shí)就稱電路發(fā)生了串聯(lián)諧振。 19l串聯(lián)諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 10XLC串聯(lián)回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC20回路的品質(zhì)因數(shù) 00111LLQRCRRCR 品質(zhì)因數(shù)是衡量電路特性的一個(gè)重要物理量，它取決于電路的參數(shù)?；芈返腝值可達(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}， 21l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，且與Vs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1jjsssVVVI

7、ZRXRLC 當(dāng)電源電壓U及元件參數(shù)R、L、C都不改變時(shí)，電流幅值（有效值）隨頻率變化的曲線，如下圖所示。 當(dāng)電源頻率正好等于諧振當(dāng)電源頻率正好等于諧振頻率頻率w0時(shí)，電流的值最大，最時(shí)，電流的值最大，最大值為大值為I0 = U/R；當(dāng)電源頻率；當(dāng)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(shí)，阻抗時(shí)，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，這種能夠把諧振頻率附近的電流種能夠把諧振頻率附近

8、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： 在無線電技術(shù)方面，正是利用串聯(lián)諧振的這一特點(diǎn)，將微弱的信號(hào)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(gè)比輸入信號(hào)電壓大許多倍的電壓，這是十分有利的。但在電力系統(tǒng)中，由于電源電壓比較高，如果電路在接近串聯(lián)諧振的情況下工作，在電感或電容兩端將出現(xiàn)過電壓，引起電氣設(shè)備的損壞。所以在電力系統(tǒng)中必須適當(dāng)選擇電路參數(shù)L和C，以避免發(fā)生諧振現(xiàn)象。線圈半徑取多少合適？25l電感線圈的交變磁場(chǎng)l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

9、aarBH離線圈中心距離r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：26l電感線圈的交變磁場(chǎng)l磁感應(yīng)強(qiáng)度B和距離r的關(guān)系11Z02i NaBra時(shí) 211Z00Z32i N arBH結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場(chǎng)強(qiáng)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(shè)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(jié)論：增加線圈半徑a會(huì)在較遠(yuǎn)距離r處獲

10、得最大場(chǎng)強(qiáng)，但r的增大，會(huì)使場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)變小，以致影響應(yīng)答器的能量供應(yīng)。低頻和高頻的電子標(biāo)簽的天線用于耦合讀寫器的磁通，該磁通向電子標(biāo)簽提供能量，并在讀寫器與電子標(biāo)簽之間傳遞信息。電子標(biāo)簽天線的構(gòu)造有如下要求：電子標(biāo)簽天線常采用并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振時(shí)，電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(jù)帶寬要求調(diào)整諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，滿足接收的信號(hào)無失真。 電子標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電壓最大，使電子標(biāo)簽線圈輸出最大的電壓輸出最大的電壓 功率匹配，電子標(biāo)簽最大程度的耦合來自讀寫器的能量 足夠的帶寬，使電子標(biāo)簽接收的信號(hào)無失真。（2）電子標(biāo)簽的天線電路 30lMicrochip 公司的13.56

11、MHz應(yīng)答器（無源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 無源應(yīng)答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路31l并聯(lián)諧振回路l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。 LCRCLRLRCLRCZ2j1j)j(j1)j(j1+U-RCXLXI1ICI實(shí)際中線圈的電阻很小，所以在諧振時(shí)有實(shí)際中線圈的電阻很小，所以在諧振時(shí)有RL0)(LCLRCCRLCLZ21j1j1j 則：則：33l并聯(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為最大值，且為純阻（2）諧振時(shí)，回路電流最小，端電壓最大（3）支路電流是總電流的Q倍+U-RCXLXI1ICI當(dāng)Ant B端

12、通過控制開關(guān)與Vss端短接時(shí)，諧振回路失諧，此時(shí)應(yīng)答器雖處于閱讀器的射頻能量場(chǎng)之內(nèi)，但因失諧無法獲得正常工作能量，處于休眠狀態(tài)。當(dāng)Ant B端開路時(shí)，諧振回路諧振在工作頻率（13.56MHz）上，應(yīng)答器可獲得能量，進(jìn)入工作狀態(tài)。在諧振時(shí)，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(duì)無源應(yīng)答器的能量獲取是必要的。36（3）閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合l法拉第定理指出，一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)通過一個(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。l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

13、讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入信息交互階段。 l應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算 SraaitNStNtNvd2ddddddd23222102222B22ddddvNtt 2NSB d電子標(biāo)簽感應(yīng)電壓與兩個(gè)線圈距離的電子標(biāo)簽感應(yīng)電壓與兩個(gè)線圈距離的3次方成反比，因此電子標(biāo)簽和讀寫器的距離次方成反比，因此電子標(biāo)簽和讀寫器的距離越近，電子標(biāo)簽的耦合的電壓越大。因此，越近，電子標(biāo)簽的耦合的電壓越大。因此，在電感耦合工作方式中，電子標(biāo)簽必須在電感耦合工作方式中，電子標(biāo)簽必須靠近讀寫器才能工作。靠近讀寫器才能工作。38l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 電子標(biāo)簽可采用全波整流電路，線圈耦合得到的交變電壓

14、通過整流后直流電壓。電容Cp濾除高頻成分，同時(shí)作為儲(chǔ)能元件由于電子標(biāo)簽和讀寫器的距離不斷變化，使得電子標(biāo)簽獲得交變電壓也不斷變化，導(dǎo)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(biāo)簽的芯片提供所需直流電壓。電子標(biāo)簽終于獲得了能量，但是電子標(biāo)簽如何向讀寫器傳遞它的信息呢？40應(yīng)答器向閱讀器的信息傳送時(shí)采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)負(fù)載調(diào)制技術(shù) l互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ3 3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸41l電阻負(fù)載調(diào)制 l開關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)

15、據(jù)編碼信號(hào)控制。 l二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)用于控制開關(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)，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。l由于Rmod的接入，使得并聯(lián)電阻減小，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)降低，這使得應(yīng)答器兩端的電壓減小。42l電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理l（a）是應(yīng)答器上控制開關(guān)S的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)，l（b）是應(yīng)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(duì)閱讀器電感線圈上的電壓解調(diào)后的波形。 43l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 由于接入電容Cm

16、od，電子標(biāo)簽回路失諧，又由于讀寫器和電子標(biāo)簽的耦合作用，導(dǎo)致讀寫器也失諧。電容電容Cmod的接入可使電子標(biāo)簽線圈上的電壓下降，從而導(dǎo)致讀寫器線圈上的電壓的上升。電容負(fù)載調(diào)制的波形變化和電阻負(fù)載調(diào)制波形變化相似，但此時(shí)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。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(yīng)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 補(bǔ)充知識(shí)：補(bǔ)充知識(shí)：三極管的工作狀態(tài)三極管的工作狀態(tài)46用于125 kHz閱讀器的B類放

17、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 CLCC125kHz方波經(jīng)三個(gè)非門輸出以提高源的帶負(fù)載能力VT1組成射級(jí)跟隨器，其輸出的正弦信號(hào)的正半周使VT2導(dǎo)通，負(fù)半周使VT3導(dǎo)通。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(dá)技術(shù)為雷達(dá)技術(shù)為RFIDRFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時(shí)，其能量的一部分被目基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時(shí)，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的

18、強(qiáng)度散射到各個(gè)方向。在散標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向。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(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大（因此發(fā)射天線也是接收天線），對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。2 2RFIDRFID反向散射耦合方式反向散射耦合方式l一個(gè)目標(biāo)反射電磁波的頻率有反射橫截面來確定。反射橫截面的一個(gè)目標(biāo)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(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料，電磁波大小與一系列的參數(shù)有關(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料

19、，電磁波的波長和極化方向等。由于目標(biāo)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(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強(qiáng)，所以增強(qiáng)，所以RFIDRFID反向散射耦合方式采用超高頻和微波，應(yīng)答器和反向散射耦合方式采用超高頻和微波，應(yīng)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(biāo)簽芯片天線RFID反向散射耦合方式原理圖讀寫器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。讀寫器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。l（1）應(yīng)答器的能量供給l無源應(yīng)答器的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間衰減后到達(dá)應(yīng)答器，經(jīng)應(yīng)答器中的整流電路后形成應(yīng)答器的工作電壓。l在UHF和SHF頻率范圍

20、，有關(guān)電磁兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)讀寫器所能發(fā)射的最大功率有嚴(yán)格的限制，因此在有些應(yīng)用中，應(yīng)答器采用完全無源方式會(huì)有一定困難。為解決應(yīng)答器的供電問題，可在應(yīng)答器上安裝附加電池附加電池。為防止電池不必要的消耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗模式低功耗模式，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入讀寫器的作用范圍時(shí)，應(yīng)答器由獲得的射頻功率激活激活，進(jìn)入工作狀態(tài)。讀寫器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。讀寫器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。l讀寫器到電子標(biāo)簽的能量傳輸：在距離讀寫器R處的電子標(biāo)簽的功率密度為: 在電子標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對(duì)準(zhǔn)和正確極化時(shí)，電子標(biāo)簽可吸收的最大功率 :l電子標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸：l（2）應(yīng)答器至讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸l由讀寫器傳到應(yīng)答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫器，被讀