射頻識別課件：第四章 RFID的射頻前端

第四章RFID的射頻前端1.閱讀器天線路由2.應(yīng)答器天線電路3.閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合第4章RFID的射頻前端

從能量和信息傳輸?shù)幕驹韥碚f，射頻識別技術(shù)在工作頻率為13.56MHz和小于135kHz時，基于電感耦合方式，在更高頻段基于雷達探測目標的反向散射耦合方式。電感耦合方式的基礎(chǔ)是電感電容諧振回路和電感線圈產(chǎn)生的交變磁場，是射頻卡工作的基本原理。反向散射耦合方式的理論基礎(chǔ)是電磁波傳播和反射的形成，用于微波電子標簽。這兩種耦合方式的差異在于所使用的無線電射頻的頻率不同和作用距離的遠近，但相同的都是采用無線電射頻技術(shù)。實現(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐贩Q為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。4.1閱讀器天線電路4.1.1閱讀器天線電路的選擇

下圖所示為3種典型的天線電路。在閱讀器中，由于串聯(lián)諧振回路電路簡單、成本低，激勵可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，因而被廣泛采用。4.1.2串聯(lián)諧振回路

1.電路組成R1是電感線圈L損耗的等效電阻，Rs是信號源的內(nèi)阻，RL是負載電阻，回路總電阻值R=R1+Rs+RL

2.諧振及諧振條件串聯(lián)回路的諧振條件由此可以導出回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振的角頻率和頻率分別為諧振回路的特性阻抗3.諧振特性串聯(lián)諧振回路具有如下特性。

（1）諧振時，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻。（2）諧振時，回路電流最大，且與電壓同相。（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。諧振時電感L兩端的電壓為電容C兩端的電壓為

Q稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，是諧振時的回路感抗值（或容抗值）與回路電阻值R的比值4.能量關(guān)系 設(shè)諧振時瞬時電流的幅值I0m為，則瞬時電流為電感L、電容C上存儲的瞬時能量電感L和電容C上存儲的能量和為w是一個不隨時間變化的常數(shù)，說明回路中存儲的能量保持不變，只在線圈和電容器間相互轉(zhuǎn)換。從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)Q可表示為5.諧振曲線和通頻帶

1）諧振曲線回路中電流幅值與外加電壓頻率之間的關(guān)系曲線，稱為諧振曲線。回路Q值越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。2）通頻帶諧振回路的通頻帶通常用半功率點的兩個邊界頻率之問的間隔表示，半功率點的電流比為0.707。

串聯(lián)諧振回路的諧振曲線串聯(lián)諧振回路的通頻帶通頻帶BW為由此可見，Q值越高，通頻帶越窄（選擇性越強）。在RFID技術(shù)中，為保證通信帶寬在電路設(shè)計時應(yīng)綜合考慮Q值的大小。4.2應(yīng)答器天線電路4.2.1應(yīng)答器天線電路的連接1）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路Microchip公司的13.56MHz應(yīng)答器（無源射頻卡）芯片MCRF355和MCRF360的天線電路接線示意圖如圖4-8所示。 當Ant.B端通過控制開關(guān)與Vss端短接時，諧振回路與工作頻率失諧，此時應(yīng)答器芯片雖然已處于閱讀器的射頻能量場之內(nèi)，但因失諧無法獲得正常工作所需能量，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(yīng)答器可獲得能量，進入工作狀態(tài)。

2）e5550芯片的天線電路

e5550是工作頻率為125kHz的無源射頻卡芯片，其天線電路的連接比較簡單，如圖4-9所示，電感線圈和電容器為外接。除此之外，e5550芯片還提供電源（Vdd和Vss）和測試（Testl，Test2，Test3）引腳，供測試時快速編程和校驗，在射頻工作時不用。從上面兩例可以看到，無源應(yīng)答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路。從后面并聯(lián)諧振回路的性能分析中可以知道，并聯(lián)諧振稱為電流諧振，在諧振時，電感和電容支路中電流最大，即諧振回路兩端可獲得最大電壓，這對無源應(yīng)答器的能量獲取是必要的。4.2.2并聯(lián)諧振回路 1.電路組成與諧振條件 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。如果信號源的內(nèi)阻大（采用恒流源），應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。

圖4-10（a）中并聯(lián)回路兩端間的阻抗為可得另一種形式的并聯(lián)諧振回路，如圖4-10（b）所示。導納Y可表示為當并聯(lián)諧振回路的電納b=0時，回路兩端電壓由b=0，可以推得并聯(lián)諧振條件為2.諧振特性（1）并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻Rp為純阻性。并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻Rp為在諧振時，并聯(lián)諧振回路的諧振電阻等于感抗值（或容抗值）的Qp倍，且具有純阻性。（2）諧振時電感和電容中電流的幅值為外加電流源的Qp倍。3.諧振曲線和通頻帶

并聯(lián)諧振回路的電壓并聯(lián)諧振回路諧振時的回路端電壓并聯(lián)諧振回路的通頻帶帶寬為

4.加入負載后的并聯(lián)諧振回路4.2.3串、并聯(lián)阻抗等效互換

為了分析電路的方便，經(jīng)常需要用到串、并聯(lián)阻抗等效互換。所謂“等效”就是指在電路的工作頻率為f時，從圖4-12的AB端看進去的阻抗相等。串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)

當應(yīng)答器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應(yīng)答器的電感線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當距離足夠近，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，閱讀器和應(yīng)答器才能進入信息交互階段。4.3閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合4.3.1應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計算應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和穿過導體所圍面積的總磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電壓可表示為閱讀器線圈和應(yīng)答器線圈之間的耦合像變壓器耦合一樣，初級線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁通，該磁通在次級線圈（應(yīng)答器線圈）產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，也稱電感耦合方式為變壓器耦合方式。這種耦合的初、次級是獨立可分離的，耦合通過空間電磁場實現(xiàn)。

應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和互感大小成正比，互感是兩個線圈參數(shù)的函數(shù)，并且和距離的三次方成反比。因此，應(yīng)答器要能從閱讀器獲得正常工作的能量，必須要靠近閱讀器，其貼近程度是電感耦合方式RFID系統(tǒng)的一項重要性能指標，也稱為工作距離或讀寫距離（讀距離和寫距離可能會不同，通常讀距離大于寫距離）。4.3.2應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算由于L2，C2回路的諧振頻率和閱讀器電壓v1的頻率相同，也就是和v2的頻率相同，因此電路處于諧振狀態(tài)，所以有距離閱讀器電感線圈為r處的磁感應(yīng)強度值4.3.3應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生1.整流與濾波天線電路獲得的耦合電壓經(jīng)整流電路后變換為單極性的交流信號，再經(jīng)濾波電容Cp濾去高頻成分，獲得直流電壓。濾波電容Cp同時又作為儲能器件，以獲得較強的負載能力。2.穩(wěn)壓電路

濾波電容Cp兩端輸出的直流電壓是不穩(wěn)定的，當應(yīng)答器（卡）與閱讀器的距離變化時，隨應(yīng)答器線圈L2上耦合電壓的變化而變化，而應(yīng)答器內(nèi)的電路需要有較高穩(wěn)定性的直流電源電壓，因此必須采用穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路在眾多書籍中都有介紹，本節(jié)不再贅述。4.3.4負載調(diào)制在RFID系統(tǒng)中，應(yīng)答器向閱讀器的信息傳輸采用負載調(diào)制技術(shù)

1.耦合電路模型耦合系數(shù)k是反映耦合回路耦合程度的重要參數(shù)2.互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系圖4-19（b）中初級和次級回路的電壓方程可寫為由于Zf1是互感M和次級回路阻抗Z22的函數(shù)，并出現(xiàn)在初級等效回路中，故Zf1稱為次級回路對初級回路的反射阻抗，它由反射電阻Rf1和反射電抗Xf1兩部分組成，即Zf1=Rf1+jXf1。類似地，Zf2稱為初級回路對次級回路的反射阻抗，由反射電阻Rf2和反射電抗Xf2組成，即Zf2=Rf2+jXf2。這樣，初、次級回路之間的影響可以通過反射阻抗的變化來進行分析。3.電阻負載調(diào)制負載調(diào)制是應(yīng)答器向閱讀器傳輸數(shù)據(jù)所使用的方法。在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中，負載調(diào)制有電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制兩種方法。電阻負載調(diào)制的原理電路如圖4-21所示，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。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，則此時應(yīng)答器負載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為0時，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負載電阻為RL。所以在電阻負載調(diào)制時，應(yīng)答器的負載電阻值有兩個對應(yīng)值，即RL（S斷開時）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL//Rmod（S閉合時）。顯然，RL//Rmod小于RL。1）次級回路等效電路中的端電壓

設(shè)初級回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗Xf2=0RLm為負載電阻RL和負載調(diào)制電阻Rmod的并聯(lián)值。當進行負載調(diào)制時，RLm<RL，因此電壓VCD下降。在實際電路中，電壓的變化反映為電感線圈L2兩端可測的電壓變化。該結(jié)果也可從物理概念上獲得，即次級回路由于Rmod的接入，負載加重，Q值降低，諧振回路兩端電壓下降。2）初級回路等效電路中的端電壓

由次級回路的阻抗表達式得知在負載調(diào)制時Z22下降，可得反射阻抗Zf1上升（在互感M不變的條件下）。若次級回路調(diào)整于諧振狀態(tài)，其反射電抗Xf1=0，則表現(xiàn)為反射電阻Rf1的增加。Rf1不是一個電阻實體，它的變化體現(xiàn)為電感線圈L1兩端的電壓變化，即等效電路中端電壓VAB的變化。在負載調(diào)制時，由于Rf1增大，所以VAB增大，即電感線圈L1兩端的電壓增大。由于Xf1=0，所以電感線圈兩端電壓的變化表現(xiàn)為幅度調(diào)制。3）電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)脑?通過前面的分析，電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^程如圖所示。應(yīng)答器的二進制數(shù)據(jù)編碼信號通過電阻負載調(diào)制方法傳送到了閱讀器，電阻負載調(diào)制過程是一個調(diào)幅過程。

4.電容負載調(diào)制 電