射頻識(shí)別系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)

射頻識(shí)別技術(shù)第四章射頻識(shí)別系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)

磁場(chǎng)電磁波表面波射頻識(shí)別系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)

1.6磁性材料1.5系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量1.4應(yīng)答器—閱讀器系統(tǒng)1.1磁場(chǎng)基礎(chǔ)知識(shí)1.2應(yīng)答器的實(shí)際工作1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)1.磁場(chǎng)1.1磁場(chǎng)基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1

磁場(chǎng)強(qiáng)度

?每個(gè)運(yùn)動(dòng)的電荷(或電流)周?chē)及殡S著磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的大小用“磁場(chǎng)強(qiáng)度H”來(lái)表示；

?載流導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度可以用下面的公式表示：1.1.1磁場(chǎng)強(qiáng)度

?電感耦合式RFID系統(tǒng)常采用“短圓柱形線(xiàn)圈”做天線(xiàn)：1.1.1磁場(chǎng)強(qiáng)度*x軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：

適用條件：

且

，當(dāng)x=0時(shí)

。

*上述磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化如P49圖4.4所示：

1.1.1磁場(chǎng)強(qiáng)度

1.從中心點(diǎn)到一定距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不變，之后則急劇下降(近場(chǎng)衰減為60db/10倍頻程，遠(yuǎn)場(chǎng)為20db/10倍頻程；

2.直徑較小的線(xiàn)圈其中心處場(chǎng)強(qiáng)較大，而直徑較大的線(xiàn)圈在距離較遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)較大。

?矩形線(xiàn)圈x軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度

1.1.1磁場(chǎng)強(qiáng)度

?最佳天線(xiàn)直徑

由課本圖4.5可知，對(duì)于固定的x而言存在一個(gè)R的最佳

值：

結(jié)論：線(xiàn)圈的半徑應(yīng)在精確估計(jì)閱讀器最大作用距離的

前提下合理選擇。

1.1.2磁通量和磁通量密度

?磁場(chǎng)對(duì)外界的作用力主要體現(xiàn)在磁通量密度上(而非磁場(chǎng)強(qiáng)度)：

?磁通量密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系如下：

?任何載流導(dǎo)體周?chē)寄墚a(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)導(dǎo)體形成回路時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)明顯增強(qiáng)：1.1.3(自)電感

?當(dāng)幾個(gè)相同面積A的回路(其中的電流為I)構(gòu)成一個(gè)整體回路時(shí)，每個(gè)單回路對(duì)總磁通量的貢獻(xiàn)是相同的：?回路的總磁通量和回路電流之比稱(chēng)為(自)電感L：

1.1.3(自)電感

提示：L是導(dǎo)體回路的一種屬性，僅決定于磁通量所在空間的物質(zhì)的磁導(dǎo)率和回路的幾何布局(電生磁)；?當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)直徑與導(dǎo)體回路直徑之比很小時(shí)，電感可用下式近似計(jì)算：且電感和構(gòu)成線(xiàn)圈的導(dǎo)體材料無(wú)關(guān)。

1.1.3(自)電感?互感刻畫(huà)了相鄰導(dǎo)體回路間分享磁通量的能力；?互感的定義：1.1.4互感?互感描述的是兩回路通過(guò)磁耦合連接在一起的能力，和電路中電流的大小無(wú)關(guān)：?人們使用耦合因數(shù)定性的反映兩個(gè)導(dǎo)體回路的耦合情況()：

1.1.4互感提示：只有天線(xiàn)布局很簡(jiǎn)單的時(shí)候才能利用上式估算耦合因子，一般情況下是通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)耦合因子大小的(課本剩余部分內(nèi)容自學(xué))。1.1.4互感

?磁通量的變化會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)E，該電場(chǎng)的表現(xiàn)形式和周?chē)h(huán)境的物質(zhì)性能有關(guān)：

1.1.5感應(yīng)定律*周?chē)h(huán)境是“真空”時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)并最終形成電磁波(反射系統(tǒng))；*周?chē)h(huán)境是開(kāi)路導(dǎo)體回路時(shí)，產(chǎn)生開(kāi)路電壓(電感耦合系統(tǒng))；*周?chē)h(huán)境是金屬表面時(shí)，產(chǎn)生環(huán)形電流(即渦流，使得金屬表面附近的磁通量大大衰減，對(duì)電感耦合系統(tǒng)而言是應(yīng)該避免的)。1.1.5感應(yīng)定律

?感應(yīng)定律可用下式來(lái)表述(導(dǎo)體回路時(shí))：?電磁感應(yīng)現(xiàn)象對(duì)磁耦合導(dǎo)體回路的影響如下：

1.1.5感應(yīng)定律*表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電流消耗作用(即是數(shù)據(jù)載體的模型)；*如果用表示應(yīng)答器中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲得的工作電壓，則該電壓可用下式計(jì)算：

1.1.5感應(yīng)定律

說(shuō)明：本節(jié)內(nèi)容描述了電感耦合系統(tǒng)中如何得到較大的工作電壓。?無(wú)源應(yīng)答器利用其線(xiàn)圈上的感應(yīng)電壓給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供電，為了獲得較大的值電路中采用了振蕩電路：

1.1.6諧振并聯(lián)振蕩回路的諧振頻率為：表示線(xiàn)圈上的感應(yīng)電壓是應(yīng)答器線(xiàn)圈的固有電阻代表數(shù)據(jù)載體的負(fù)載電阻1.1.6諧振

?負(fù)載電阻上的電壓可表示為：

由于是并聯(lián)回路電容上的電壓，由諧振電路的知識(shí)可知該電壓在諧振時(shí)的值較大(諧振電路帶來(lái)的電壓增益效果見(jiàn)P58圖4.14

)。

課上任務(wù)：推導(dǎo)上述公式1.1.6諧振

?應(yīng)答器線(xiàn)圈的材料電阻和負(fù)載會(huì)影響電路的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而影響應(yīng)答器電路中的值：

結(jié)論1：當(dāng)，而時(shí)會(huì)很大，從而產(chǎn)生很大的，應(yīng)答器芯片功耗很小時(shí)就符合這種情況；

1.1.6諧振

結(jié)論2：當(dāng)保持諧振頻率不變時(shí)，存在一個(gè)的值使得和取得最大，在設(shè)計(jì)應(yīng)答器時(shí)要考慮這個(gè)事實(shí)(P59圖4.16)。

1.1.6諧振1.應(yīng)答器的供電有源應(yīng)答器無(wú)源應(yīng)答器電池負(fù)責(zé)能量供應(yīng)感應(yīng)電壓負(fù)責(zé)能量供應(yīng)感應(yīng)電壓負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)感應(yīng)電壓負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)1.2應(yīng)答器的實(shí)際工作

說(shuō)明：本節(jié)內(nèi)容描述了應(yīng)答器如何獲得穩(wěn)定的直流電源。

2.電壓調(diào)節(jié)

提高應(yīng)答器諧振電路耦合因數(shù)可使感應(yīng)電壓得以提升，但數(shù)據(jù)載體需要的是穩(wěn)定的直流工作電壓(3-5v)；實(shí)際電路在負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)分流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能：

1.2應(yīng)答器的實(shí)際工作

*分流電阻的工作原理：隨著的增加，不斷減小，從而使得減小并使得保持一個(gè)穩(wěn)定的值(P61

圖4.18

)。為什么？

*的變化規(guī)律可從下面的公式求得(P62

圖4.19

)：

1.2應(yīng)答器的實(shí)際工作的變化范圍跨越了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，只能用半導(dǎo)體電路才能實(shí)現(xiàn)(如下圖的齊納二極管)：

1.2應(yīng)答器的實(shí)際工作動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度指閱讀器使得應(yīng)答器剛好能夠工作所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度1.

動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度的求解

對(duì)求導(dǎo)便可得到其取最小值(即動(dòng)作場(chǎng)強(qiáng))時(shí)的值：1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度

結(jié)論：動(dòng)作場(chǎng)強(qiáng)的大小和閱讀器的發(fā)射頻率有關(guān)，當(dāng)閱讀器發(fā)射頻率和應(yīng)答器諧振頻率相同時(shí)該磁場(chǎng)強(qiáng)度最小。

2.

應(yīng)答器的能量作用范圍

說(shuō)明：本節(jié)描述了閱讀器和應(yīng)答器間的最大工作距離。

1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)答器的能量作用范圍指應(yīng)答器和閱讀器天線(xiàn)間的距離(恰好有足夠的能量供應(yīng)答器工作)但實(shí)際中的能量作用范圍能否達(dá)到上面的理論值還要取決于下面的因素：*閱讀器是否能在該距離上檢測(cè)到由應(yīng)答器發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)信息；*數(shù)據(jù)載體的電流消耗(電流消耗越大則能量作用范圍越小，P65圖4.22)。1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度3.

閱讀器的作用范圍

說(shuō)明：本節(jié)描述了閱讀器天線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)分布情況，該分布情況會(huì)直接影響到閱讀器的作用范圍。

結(jié)論：閱讀器對(duì)應(yīng)答器的作用效果還和閱讀器作用范圍內(nèi)應(yīng)答器的放置方法密切相關(guān)。

1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度

*當(dāng)應(yīng)答器如下圖所示相對(duì)于中心軸傾斜時(shí)：

1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度

*此外，閱讀器的作用范圍還于應(yīng)答器的放置位置有關(guān)：

1.3動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度閱讀器系統(tǒng)的等效電路應(yīng)答器的復(fù)數(shù)變換阻抗影響復(fù)數(shù)變換阻抗的因素負(fù)載調(diào)制1234'LOGO'COMPANYLOGOTYPEINSERT1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)1.

閱讀器系統(tǒng)的等效電路?閱讀器的工作原理

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)

*閱讀器的發(fā)送器輸出端產(chǎn)生一個(gè)高頻交變電壓，該電壓在閱讀器的發(fā)射天線(xiàn)上產(chǎn)生交變電流，并在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)；*為了在中獲得最大的電流，用和構(gòu)成串聯(lián)諧振電路且：*閱讀器的接收器直接與天線(xiàn)線(xiàn)圈相連。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)

?設(shè)計(jì)閱讀器天線(xiàn)時(shí)要特別注意元件的耐壓能力

*諧振時(shí)天線(xiàn)電流的最大值：*但諧振時(shí)電容和電感上的電壓會(huì)比大很多倍，很容易損壞元件(P68

圖4.26)。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)2.應(yīng)答器的復(fù)數(shù)變換阻抗

?當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入到閱讀器作用范圍時(shí)便會(huì)在自身的天線(xiàn)中感應(yīng)生成一個(gè)電流，該電流又通過(guò)互感機(jī)制對(duì)閱讀器天線(xiàn)電流產(chǎn)生反作用，即“應(yīng)答器的復(fù)數(shù)變換阻抗”；

?復(fù)數(shù)變換阻抗的表達(dá)式：(推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)講義)

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)結(jié)論：是一個(gè)復(fù)數(shù)，故稱(chēng)之為“復(fù)數(shù)變換阻抗”。1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)應(yīng)答器電容應(yīng)答器電感閱讀器發(fā)送頻率耦合因數(shù)負(fù)載電阻影響因素1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)3.

影響的因素3.1閱讀器發(fā)送頻率

?即在應(yīng)答器的諧振頻率恒定的時(shí)改變閱讀器發(fā)送頻率(這種情況實(shí)際不存在，主要為理解的作用原理)；?的幅相圖是隨著的增加在復(fù)平面上順時(shí)針描繪出的一個(gè)圓(P71

圖4.30)；

結(jié)論：應(yīng)答器對(duì)閱讀器的反射作用，在閱讀器中相當(dāng)于增加了一個(gè)“并聯(lián)諧振回路”(其諧振頻率等于應(yīng)答器的諧振頻率)?！C振時(shí)表現(xiàn)為純阻的結(jié)論推導(dǎo)見(jiàn)講義

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)3.2耦合因數(shù)

?即在閱讀器和應(yīng)答器天線(xiàn)的幾何形狀固定的情況下，兩個(gè)線(xiàn)圈之間的相對(duì)距離和角度發(fā)生改變的情況；

結(jié)論：由的表達(dá)式可見(jiàn)隨變化的規(guī)律是一條直線(xiàn)(P72

圖4.32)。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)3.3應(yīng)答器電容

?即由于種種原因(生產(chǎn)電容時(shí)的容差、環(huán)境感應(yīng)電容對(duì)其的影響等)引起的值發(fā)生變化，從而使得應(yīng)答器諧振頻率改變的情況；

結(jié)論：的變化使得應(yīng)答器諧振頻率和閱讀器發(fā)送頻率不一致，和單獨(dú)改變發(fā)射頻率對(duì)的影響是一樣的(P74

圖4.33)。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)3.4負(fù)載電阻

?表示應(yīng)答器數(shù)據(jù)載體(微芯片)的電流消耗，其值不是常數(shù)；

結(jié)論(P75

圖4.35)：當(dāng)時(shí)，與幾乎成正比，否則隨的變換關(guān)系變?yōu)榍€(xiàn)。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)3.5應(yīng)答器電感

?即保持應(yīng)答器的諧振頻率不變時(shí)改變；

結(jié)論：當(dāng)取某個(gè)特定值時(shí)和會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)4.

負(fù)載調(diào)制使應(yīng)答器諧振回路的參數(shù)按照數(shù)據(jù)流的節(jié)拍變化，從而導(dǎo)致應(yīng)答器復(fù)變阻抗受到影響(即調(diào)制)，在閱讀器中對(duì)這種變化進(jìn)行處理恢復(fù)從應(yīng)答器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)(即解調(diào))；

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)類(lèi)型電阻負(fù)載調(diào)制電容負(fù)載調(diào)制4.1電阻負(fù)載調(diào)制(P77

圖4.38)

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)

*在應(yīng)答器的數(shù)據(jù)載體中，使電阻按照數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘或已調(diào)副載波的節(jié)拍接通或斷開(kāi)；*的加入使得和均減小，的值在和間轉(zhuǎn)換，最終導(dǎo)致閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈上的接收器總電壓發(fā)生變化(即被調(diào)幅)——P78圖4.39參考p69圖4.27

。1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)4.2電容負(fù)載調(diào)制的存在使得應(yīng)答器諧振頻率在兩個(gè)值間轉(zhuǎn)換，而失調(diào)時(shí)會(huì)影響的大小和相位，被調(diào)幅-調(diào)相(P78

圖4.41和

p79

圖4.42)。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)4.3閱讀器中的解調(diào)1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)負(fù)載調(diào)制器通常由基帶中負(fù)載調(diào)制器由已調(diào)小于135kHz的應(yīng)答器6.78或13.56MHz的應(yīng)答器

4.4品質(zhì)因數(shù)的影響

增大值可使閱讀器能量作用范圍和變換阻抗的反作用增大；

過(guò)大的值減小從應(yīng)答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，從而導(dǎo)致副載波處產(chǎn)生較大的衰減(P80圖4.43)

；值小時(shí)值大，數(shù)據(jù)速率大且作用距離短，適合于工作時(shí)間短的應(yīng)用(相反則數(shù)據(jù)速率小且作用距離長(zhǎng)，適合于工作時(shí)間長(zhǎng)的應(yīng)用)；1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)

結(jié)論：電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)中，應(yīng)答器品質(zhì)因數(shù)的選擇是在“作用距離”和“數(shù)據(jù)傳輸速度”間進(jìn)行的折中。

1.4應(yīng)答器-閱讀器系統(tǒng)磁性材料和鐵氧體低頻應(yīng)答器內(nèi)的鐵氧體天線(xiàn)金屬周?chē)蔫F氧體屏蔽1.5磁性材料鈷鐵鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率1.5磁性材料1.

磁性材料和鐵氧體

1.

磁性材料和鐵氧體?磁性材料的一個(gè)重要特征是“磁化曲線(xiàn)或磁滯回線(xiàn)”(P85

圖4.50)；

?鐵氧體是高頻技術(shù)中使用的主要磁性材料，具有較高的電阻()且渦流損失??；

?鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率可達(dá)，但存在一個(gè)極限頻率，在這個(gè)極限頻率之上鐵氧體內(nèi)部損耗會(huì)增大。1.5磁性材料極小的應(yīng)答器線(xiàn)圈橫截面使互感較小，從而影響閱讀器對(duì)插入高磁導(dǎo)率

2.低頻應(yīng)答器內(nèi)的鐵氧體天線(xiàn)

1.5磁性材料金屬表面的渦流使磁場(chǎng)強(qiáng)度嚴(yán)重衰減，線(xiàn)圈和金屬面間插入鐵氧體可基本避免渦流，線(xiàn)圈電感明顯增大導(dǎo)致需要重新調(diào)整諧振頻率或匹配網(wǎng)絡(luò)1.5磁性材料3.金屬周?chē)蔫F氧體屏蔽

1電磁波2天線(xiàn)3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作電磁波2.電磁波2.1.1

電磁波的產(chǎn)生

?變化的磁場(chǎng)首先會(huì)在天線(xiàn)附近形成一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)場(chǎng)傳播到一定距離時(shí)便會(huì)脫離輻射器開(kāi)始電磁輻射(形成波)；

?

從近場(chǎng)向遠(yuǎn)場(chǎng)的過(guò)渡(P89

圖4.57)

*從天線(xiàn)到形成電磁場(chǎng)的范圍稱(chēng)為天線(xiàn)的“近場(chǎng)”，而完全形成電磁波的范圍稱(chēng)為“遠(yuǎn)場(chǎng)”

*形成電磁波后，便不能再通過(guò)電感或電容的耦合反作用于天線(xiàn)(P90

表4.6)

2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)說(shuō)明：近場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度按規(guī)律衰減(即倍頻程)，而在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)按的規(guī)律衰減(即倍頻程)。2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2輻射功率密度S?從某點(diǎn)輻射的電磁波在空間構(gòu)成一個(gè)球體形狀，“輻射功率密度”(也稱(chēng)為波印廷矢量S)表示單位面積內(nèi)的輻射功；?球形輻射器也稱(chēng)為均質(zhì)輻射器，其能量的輻射在所用方向上都是均勻的：

2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.3場(chǎng)波阻抗和電場(chǎng)強(qiáng)度E

?電磁波傳輸?shù)哪芰看鎯?chǔ)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中(二者總是垂直的)，由其決定的平面稱(chēng)為“波前”(垂直于傳播方向)：

2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)?在真空和空氣中電場(chǎng)與磁場(chǎng)間有固定的關(guān)系：其中的稱(chēng)為場(chǎng)波阻抗()；

?由此可得電場(chǎng)E可表示為：2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.4電磁波的極化

?極化

*電磁波的極化是由其電場(chǎng)來(lái)決定的，通常分為線(xiàn)極化(以大地表面為參考面

)和圓極化：2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)*在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器通過(guò)使用“圓極化天線(xiàn)”可有效減小極化損失；

?電磁波的反射

*電磁波遇到物體后一部分能量被吸收，另一部分以不同強(qiáng)度向各個(gè)方向散射(其中的一小部分返回到發(fā)送天線(xiàn)):

2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)*反射性能隨頻率上升而增強(qiáng)，高頻段射頻識(shí)別系統(tǒng)利用其完成從應(yīng)答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸(即反向散射系統(tǒng))；

*應(yīng)答器反射到閱讀器的輻射功率密度為：

2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)表面結(jié)構(gòu)目標(biāo)大小波長(zhǎng)材料極化方向形狀雷達(dá)反射2.1電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)天線(xiàn)是一種其結(jié)構(gòu)最適合于“某個(gè)頻率范圍”的電磁波輻射或接收的部件。

2.2天線(xiàn)EIRP和ERP增益與方向性有效面積和反射橫截面輸入阻抗常見(jiàn)天線(xiàn)類(lèi)型有效長(zhǎng)度2.2.1

增益和方向性

?實(shí)際天線(xiàn)在各個(gè)方向上不是均勻輻射功率的——有效均質(zhì)輻射功率(EIPR:EffectiveIsotropicRadiatedPower)；?表明以一種均質(zhì)輻射器要產(chǎn)生規(guī)定的某個(gè)輻射功率，需要采用多大的發(fā)射功率給予供電；

?實(shí)際的天線(xiàn)通常不是均質(zhì)的：

2.2天線(xiàn)P94

表4.7

2.2天線(xiàn)

2.2.2

輸入阻抗

天線(xiàn)的一個(gè)重要特征是其復(fù)輸入阻抗：2.2天線(xiàn)

RvRrXa損耗電阻用于描述整個(gè)天線(xiàn)的功率總損耗(轉(zhuǎn)換成了熱量)輻射電阻表示其轉(zhuǎn)換的功耗被天線(xiàn)以電磁波的形式向空間輻射在天線(xiàn)的諧振頻率時(shí)2.2天線(xiàn)2.2.3有效面積和反射橫截面

?有效面積

*最佳對(duì)準(zhǔn)和正確極化時(shí)天線(xiàn)吸取的最大接收功率與入射波的輻射功率密度成正比，二者的比值具有面積的量綱，稱(chēng)之為有效面積：

2.2天線(xiàn)

*可將有效面積想象為垂直于傳播方向的一塊面積，被其吸收的功率被釋放給與之相連的終端阻抗：2.2天線(xiàn)

*天線(xiàn)的有效面積和天線(xiàn)增益是成正比的，而大多數(shù)形式的天線(xiàn)構(gòu)造的增益是已知的，故利用下式計(jì)算更為簡(jiǎn)單：?反射橫截面*也是一個(gè)等效量，實(shí)際并不存在這樣一個(gè)實(shí)體面積；*計(jì)算公式如下：

2.2天線(xiàn)*對(duì)于功率匹配的天線(xiàn)而言，即應(yīng)答器從電磁場(chǎng)中接收的全部功率的一半傳給了終端，另一半被天線(xiàn)反射回了空間；*一般情況下，應(yīng)答器終端阻抗不一定滿(mǎn)足匹配條件，此時(shí)反射橫截面可利用2個(gè)極限值來(lái)刻畫(huà)其變化范圍：a.當(dāng)時(shí)，b.當(dāng)時(shí)，2.2天線(xiàn)結(jié)論：在不同終端阻抗值的情況下，反射橫截面的取值在范圍內(nèi)變化，天線(xiàn)的這個(gè)特征被用于在反射式射頻識(shí)別系統(tǒng)中從應(yīng)答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸(即調(diào)制的反向散射)。

2.2天線(xiàn)2.2.4

有效長(zhǎng)度?電磁場(chǎng)在天線(xiàn)上感應(yīng)的電壓正比于入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度，二者的比例具有“長(zhǎng)度”的量綱，稱(chēng)之為天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度/有效高度：

?對(duì)于匹配天線(xiàn)而言，有效長(zhǎng)度可表示為：?用天線(xiàn)增益表示的有效長(zhǎng)度為：

2.2天線(xiàn)2.2.5

幾種常見(jiàn)天線(xiàn)

1.偶極天線(xiàn)?簡(jiǎn)單的偶極天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只是由一段特定長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)(如銅線(xiàn))構(gòu)成；?偶極天線(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形狀決定著天線(xiàn)的特性：

2.2天線(xiàn)*從上到下依次是簡(jiǎn)單分段式偶極天線(xiàn)、折合偶極天線(xiàn)和雙折合偶極天線(xiàn)；

*依次為、和*帶寬隨著導(dǎo)線(xiàn)直徑的增大而增加。2.Yagi-Uda天線(xiàn)?又稱(chēng)為八木天線(xiàn)(天線(xiàn)發(fā)明者的名字)，是“定向天線(xiàn)”的典型代表；

2.2天線(xiàn)?主要由有源輻射器、反射器和指向器構(gòu)成：?與均質(zhì)輻射器相比，其增益可達(dá)到；?這種天線(xiàn)一般用作閱讀器天線(xiàn)，其輻射只存在于主輻射方向上，并具有準(zhǔn)確的張角。2.2天線(xiàn)3.片狀天線(xiàn)又稱(chēng)為微帶天線(xiàn)或平面天線(xiàn)，廣泛應(yīng)用于GPS接收器和手機(jī)中。2.2天線(xiàn)

4.縫隙天線(xiàn)從較大的金屬表面切下長(zhǎng)度為的一小條，便可用這個(gè)縫隙作為輻射器(縫隙的寬度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度)：2.2天線(xiàn)

其中應(yīng)答器和閱讀器間距離為，表示閱讀器初始輻射功率，表示閱讀器收到的應(yīng)答器反射功率。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.1

應(yīng)答器的等效電路

兩個(gè)等效電路的轉(zhuǎn)換關(guān)系：2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.2

無(wú)源應(yīng)答器的供電

1.

供電原理當(dāng)應(yīng)答器位于閱讀器的作用范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)答器所處位置的電場(chǎng)會(huì)在應(yīng)答器天線(xiàn)上生成感應(yīng)電壓，該電壓的一部分經(jīng)應(yīng)答器天線(xiàn)分壓整流后作為應(yīng)答器的供電電壓。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作

?當(dāng)天線(xiàn)輻射電阻與應(yīng)答器輸入阻抗功率匹配時(shí)，應(yīng)答器的接收功率可由下式計(jì)算：

?通常，接收功率是較微弱的(P104圖4.76)，實(shí)際中應(yīng)使用阻抗匹配的肖特基二極管(工作頻率可達(dá)微波范圍)作為整流電路——dBm。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作

2.

檢波電路

?用于電壓整流的肖特基檢波電路如下所示，其工作范圍較寬：

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作*當(dāng)用()的功率控制時(shí)(即應(yīng)答器近距離工作時(shí))，該檢波電路位于“線(xiàn)性檢波范圍”，即：*當(dāng)用()的功率控制時(shí)(即應(yīng)答器遠(yuǎn)距離工作時(shí))，該檢波電路位于“四象限檢波范圍”，即(P106圖4.79)：

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作?為了進(jìn)一步提高輸出電壓，可以使用“電壓倍增器”：

?應(yīng)答器的工作頻率對(duì)輸出電壓是有影響的：

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作(補(bǔ)充：電壓倍增器)

3.

阻抗匹配

?為盡可能有效的利用已接收的功率，肖特基檢波器的輸入阻抗必須是應(yīng)答器天線(xiàn)阻抗的共軛復(fù)數(shù)，這是利用“阻抗匹配電路”來(lái)完成的：

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作?阻抗匹配電路可以使用分離元件和實(shí)現(xiàn)，也可用不同阻抗的功率模塊來(lái)完成；

?在滿(mǎn)足理想匹配的情況下，肖特基檢波器的電壓靈敏度可用下式計(jì)算：*越大，則檢波器輸出的直流電壓越大，越有利；*實(shí)際中肖特基檢波器的工作電流一般為此時(shí)一般為(P109圖4.83)。2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.3

有源應(yīng)答器的供電

?由于有電池對(duì)半導(dǎo)體芯片供電，故該供電電壓與應(yīng)答器和閱讀器間的距離無(wú)關(guān)；?應(yīng)答器天線(xiàn)提供的電壓通過(guò)“檢測(cè)電路”后是用來(lái)激活應(yīng)答器的，平時(shí)應(yīng)答器應(yīng)處于省電模式；?激活應(yīng)答器的輸入功率應(yīng)低于無(wú)源應(yīng)答器，故有源應(yīng)答器能提供更大的閱讀器作用范圍(通常大于10m)。2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.4

反射與釋放?閱讀器的輻射電磁波會(huì)被應(yīng)答器及應(yīng)答器周?chē)矬w(物體尺寸大于波長(zhǎng))所反射；?反射場(chǎng)與初始的發(fā)射場(chǎng)相疊加會(huì)在閱讀器周?chē)纬伞熬植康窒麉^(qū)域”(P111圖4.86)；?局部抵消區(qū)域現(xiàn)象對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)樵谶@些區(qū)域內(nèi)的應(yīng)答器將得不到足夠的能量進(jìn)行工作。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.5

應(yīng)答器的動(dòng)作靈敏度

?激活應(yīng)答器或有足夠能量使應(yīng)答器電路正常工作所需的最小電場(chǎng)強(qiáng)度，稱(chēng)之為動(dòng)作電場(chǎng)強(qiáng)度；?和應(yīng)答器供電方式無(wú)關(guān)，可用下式計(jì)算：前提：閱讀器和應(yīng)答器天線(xiàn)的極化方向精確的一致，否則的值會(huì)增大。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.6

調(diào)制的反向散射?工作原理(P113圖4.87)*閱讀器輻射功率中的一小部分會(huì)被應(yīng)答器反射回到閱讀器并表現(xiàn)為：

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作*的大小受反射橫截面的控制，而又決定于與間的相互關(guān)系；*通過(guò)在應(yīng)答器中附加一個(gè)阻抗(用要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流節(jié)拍來(lái)控制的通/斷)對(duì)進(jìn)行調(diào)節(jié)(即調(diào)制)；*的變化會(huì)反映到上，最終使得受到數(shù)據(jù)流的控制，稱(chēng)這種方法為“調(diào)制的反射橫截面”(或調(diào)制)。2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作?將的表達(dá)式用反映應(yīng)答器特征的量重寫(xiě)得：

對(duì)應(yīng)答器輸入阻抗的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致及的幅值和/或相位的調(diào)制(即相位-幅值混合調(diào)制)，在開(kāi)發(fā)閱讀器產(chǎn)品時(shí)必須要明確這一點(diǎn)。

2.3微波應(yīng)答器的實(shí)際工作2.3.7

閱讀器的作用范圍

?閱讀器和應(yīng)答器間能夠通信應(yīng)滿(mǎn)足2個(gè)條件：*應(yīng)答器能獲得足夠的工作能源，被完全激活；*從應(yīng)答器反射到閱讀器接收器的信號(hào)應(yīng)足夠強(qiáng)，以保證被無(wú)差錯(cuò)檢測(cè)。