射頻識(shí)別第二章

射頻識(shí)別技術(shù)工作在低頻和高頻時(shí)基于電感耦合方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實(shí)現(xiàn)），工作在特高頻和超高頻時(shí)基于反向散射耦合方式。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。本章介紹基于電感耦合方式的射頻前端電路的構(gòu)造和原理。電感耦合方式的射頻前端下圖為三種典型的天線電路：閱讀器天線電路串聯(lián)諧振回路具有電路簡(jiǎn)潔、成本低、激勵(lì)可接受低內(nèi)阻的恒壓源、諧振時(shí)可獲得最大的回路電流等特點(diǎn)，因而被廣泛接受。串聯(lián)諧振回路電路組成：其中R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號(hào)源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。串聯(lián)諧振回路：電路組成若外加電壓為，則回路電流為：其中Z=R+jX為阻抗。假如有：則電流為最大值，此時(shí)回路發(fā)生諧振，上式稱為串聯(lián)回路的諧振條件。由此可知回路發(fā)生串聯(lián)諧振的角頻率ω0和頻率f0分別為：f0稱為諧振頻率，ρ稱為諧振回路的特性阻抗。串聯(lián)諧振回路：諧振條件串聯(lián)諧振回路諧振時(shí)具有如下特性：回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻；回路電流最大，即，且與同相；電感和電容兩端的電壓分別為：由此可見，電感與電容兩端電壓的模值相等，且都等于外加電壓的Q倍，Q稱為回路的品質(zhì)因數(shù)：回路的Q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)，必需考慮器件的耐壓?jiǎn)栴}。串聯(lián)諧振回路：諧振特性設(shè)諧振時(shí)回路中的瞬時(shí)電流i為：則電感L和電容C上存儲(chǔ)的瞬時(shí)能量分別為：上式中，為電壓源的幅值。電感L和電容C存儲(chǔ)的能量之和wR為：由此可見，是一個(gè)不隨時(shí)間變更的常數(shù)。這說明回路中存儲(chǔ)的實(shí)力保持不變，只是在電感和電容間相互轉(zhuǎn)換。串聯(lián)諧振回路：能量關(guān)系電阻R消耗的平均功率P為：在每一周期T（T=1/f0,f0為謝振頻率）內(nèi)，電阻R消耗的能量為：回路中存儲(chǔ)的能量wL+wC

與每一周期消耗的能量wR

之比為：因此，從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為。串聯(lián)諧振回路：能量關(guān)系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。隨意頻率下的回路電流與諧振時(shí)的回路電流之比為：取其模值，得：上式中，表示偏離諧振的程度，稱為失諧量，稱為廣義失諧。串聯(lián)諧振回路：諧振曲線諧振曲線：由圖可知，Q值越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性也就越好。串聯(lián)諧振回路：諧振曲線諧振回路的通頻帶通常用半功率點(diǎn)的兩個(gè)邊界頻率之間的間隔表示，半功率點(diǎn)的電流比為0.707，如下圖所示：通頻帶BW為：由此可見，Q值越大，通頻帶越窄，選擇性越好。串聯(lián)諧振回路：通頻帶安培定理指出，當(dāng)電流流過一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，在此導(dǎo)體的四周會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。對(duì)于直流載流體，在半徑為a的環(huán)形磁力線上，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為：其中i為電流，a為半徑。磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為：其中μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。電感線圈的交變磁場(chǎng)在電感耦合的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的電感常接受短圓柱形線圈結(jié)構(gòu)，如下圖所示。圖中P點(diǎn)的的磁感應(yīng)強(qiáng)度BZ為：電感線圈的交變磁場(chǎng)其中i1為電流，N1為線圈匝數(shù)，a為線圈半徑，r為距離線圈中心的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率。當(dāng)r<<a時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不變。特殊的，當(dāng)r=0時(shí)，當(dāng)r>>a時(shí)，上面的關(guān)系表明，從線圈中心到確定距離磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎是不變的，而后急劇下降，其衰減大約為60dB/10倍距離，如下圖所示：上述結(jié)論適用于近場(chǎng)，近場(chǎng)是指與線圈中心處的距離小于的rλ的范圍，即其中為r為工作波長(zhǎng)。電感線圈的交變磁場(chǎng)rB0

假定線圈中電流不變，探討a和BZ的關(guān)系。令dBZ/da=0，求得BZ具有最大值的條件為,這就是說，在確定距離r處，當(dāng)線圈半徑為時(shí)，可獲得最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。矩形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：其中i1為電流，N1為線圈匝數(shù)，a和b為矩形的邊長(zhǎng)，r為距離線圈中心的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率。電感線圈的交變磁場(chǎng)Microchip公司生產(chǎn)的13.56MHz應(yīng)答器MCRF355和MCRF360的天線電路：應(yīng)答器天線電路Temic公司生產(chǎn)的125kHz應(yīng)答器芯片e5550的天線電路：應(yīng)答器天線電路串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號(hào)源內(nèi)阻很小的狀況。假如信號(hào)源的內(nèi)阻大，則應(yīng)接受并聯(lián)諧振回路。在探討并聯(lián)諧振回路時(shí)，接受恒流源（信號(hào)源內(nèi)阻很大）分析比較便利。導(dǎo)納Y可表示為：其中為電導(dǎo)，為諧振電阻，為電納。并聯(lián)諧振回路圖（a）中并聯(lián)回路兩端的阻抗為：因此我們可以得到另外一種形式的并聯(lián)諧振回路：當(dāng)并聯(lián)諧振回路的電納時(shí)，回路兩端電壓，并且

和同相，此時(shí)稱并聯(lián)諧振回路對(duì)外加信號(hào)頻率源發(fā)生并聯(lián)諧振。由推得并聯(lián)諧振的條件為：并聯(lián)諧振回路：諧振條件并聯(lián)諧振時(shí)的諧振電阻為：同樣，在并聯(lián)諧振時(shí)把回路的感抗值（或容抗值）與電阻的比值稱為回路的品質(zhì)因數(shù)：式中稱為特性阻抗，進(jìn)一步有：由此可見，諧振時(shí)諧振電阻等于感抗值（或容抗值）的倍。并聯(lián)諧振回路：諧振特性諧振時(shí)電容支路、電感支路的電流和分別為：并聯(lián)諧振回路：諧振特性由此可見，并聯(lián)諧振時(shí)電感、電容支路的電流為信號(hào)源電流的倍，所以并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。并聯(lián)諧振回路：諧振曲線和通頻帶并聯(lián)諧振回路和串聯(lián)諧振回路的諧振曲線相同，但其縱坐標(biāo)不同：并聯(lián)諧振回路的通頻帶帶寬BW為：式中fp為并聯(lián)諧振頻率，為諧振曲線兩半功率點(diǎn)的頻差。加入負(fù)載后的并聯(lián)諧振回路當(dāng)考慮源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL后，并聯(lián)諧振回路的等效電路如下圖所示。因?yàn)橛校核杂校河纱丝梢?，?dāng)考慮源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL后，并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)要下降。RSRL考慮下圖所示的串、并聯(lián)電路，二者等效實(shí)質(zhì)是指在電路的工作頻率為f時(shí)，從AB端看進(jìn)去的阻抗相等。從阻抗相等的關(guān)系可得：串、并聯(lián)阻抗等效互換串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)Q1為：因此有：在高Q1時(shí)，串、并聯(lián)阻抗等效互換閱讀器和應(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關(guān)系如下圖所示：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)，閱讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入信息交互階段。應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓v2的大小和穿過線圈所圍面積的總磁通量ψ的變更率成正比，即：其中N2是應(yīng)答器線圈的匝數(shù)，Φ是每匝線圈的磁通量。Φ與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為：這里磁感應(yīng)強(qiáng)度B由閱讀器線圈產(chǎn)生，S是線圈所圍面積，·表示內(nèi)積運(yùn)算。因此有：應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算設(shè)B和S之間的夾角為0，則有：上式M為閱讀器與應(yīng)答器線圈間的互感。由此可見，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(jí)線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在次級(jí)線圈（應(yīng)答器線圈）產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，這種電感耦合方式也稱為變壓器耦合方式。應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算應(yīng)答器天線電路可用下圖表示，其中v2是應(yīng)答器線圈L2中的感應(yīng)電壓，R2是的損耗電阻，C2是諧振電容，RL是負(fù)載，是應(yīng)答器諧振回路兩端的電壓。串、并聯(lián)阻抗等效互換應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算諧振時(shí)有：因?yàn)閕1=I1msin(ωt)，di1/dt=ωI1mcos(ωt)，ω

為角頻率，f為物理頻率，所以有：應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生從耦合電壓v2到應(yīng)答器工作所需的直流電壓Vcc的變換過程如下圖所示：整流與濾波穩(wěn)壓電路閱讀器與應(yīng)答器之間的耦合電路模型如下圖（a）所示，其中是頻率為ω的正弦電壓，RS是其內(nèi)阻，R1是電感L1的損耗電阻,M是互感，R2是電感L2的損耗電阻，RL是等效負(fù)載電阻，C1和C2分別為初級(jí)、次級(jí)回路的諧振電容。為了分析的便利，將（a）中C2與RL的并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換為（b）中與的串聯(lián)電路。閱讀器與應(yīng)答器之間的耦合電路模型互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系初級(jí)、次級(jí)回路的電壓方程為：式中Z11為初級(jí)回路自阻抗，Z22為次級(jí)回路自阻抗，解上述方程得：則有：令把稱謂次級(jí)回路對(duì)初級(jí)回路的反射阻抗，把稱為初級(jí)回路對(duì)次級(jí)回路的反射阻抗。電阻負(fù)載調(diào)制負(fù)載調(diào)制是應(yīng)答器向閱讀器傳輸數(shù)據(jù)所運(yùn)用的方法。在以電感耦合方式工作的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)制有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制兩種方法。下圖為電阻負(fù)載調(diào)制的原理電路圖：開關(guān)S用于限制負(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)據(jù)編碼信號(hào)限制。假定二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“1”時(shí)S閉合，則此時(shí)應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和Rmod的并聯(lián)；二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“0”時(shí)S斷開，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。應(yīng)答器的負(fù)載電阻值有兩個(gè)對(duì)應(yīng)值，即RL（S斷開時(shí)）和RL與Rmod的并聯(lián)值（S閉合時(shí)）。電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制的等效電路圖：次級(jí)回路等效電路中的端電壓。設(shè)初級(jí)回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗Xf2=0，故：上式中RLm為負(fù)載電阻RL和負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的并聯(lián)值。當(dāng)進(jìn)行負(fù)載調(diào)制時(shí)，RLm<RL,因此下降。在實(shí)際電路中，的變更反映為電感線圈兩端的電壓變更。電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制的等效電路圖：初級(jí)回路等效電路中的端電壓。次級(jí)回路的阻抗表達(dá)式為：因此電阻負(fù)載調(diào)制時(shí)Z22下降，導(dǎo)致Z22上升（在互感M不變的狀況下）。若次級(jí)回路處于諧振狀態(tài)，其反射電抗Xf1=0，則表現(xiàn)為反射電阻Rf1的增加。Rf1的增加即意味著的增加。電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理：電容負(fù)載調(diào)制是用附加的電容Cmod代替調(diào)制電阻Rmod，其原理電路圖如下：電容負(fù)載調(diào)制和電阻負(fù)載調(diào)制的不同之處在于：的接入不變更應(yīng)答器回路的諧振頻率，因此閱讀器和應(yīng)答器在工作頻率下都處于諧振狀態(tài)；當(dāng)接入后，應(yīng)答器回路失諧，其反射電抗也會(huì)引起閱讀器回路失諧，狀況比較困難。電容負(fù)載調(diào)制電容負(fù)載調(diào)制的等效電路圖：次級(jí)回路等效電路中的端電壓。設(shè)初級(jí)回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗Xf2=0，故：由此可見，Cmod的接入使得下降，即電感L2兩端的電壓下降。電容負(fù)載調(diào)制電容負(fù)載調(diào)制的等效電路圖：初級(jí)回路等效電路中的端電壓。次級(jí)回路的阻抗表達(dá)式為：因此電容負(fù)載調(diào)制時(shí)Z22下降，導(dǎo)致Z22上升（在互感M不變的狀況下）。但由于次級(jí)回路失諧，因此Zf1中包含Xf1的成分。由于Zf1上升，所以電感L2兩端的電壓增加，但此時(shí)電壓不僅是幅度的變更，也是相位的變更。電容負(fù)載調(diào)制功率放大電路位于射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器中，用于向應(yīng)答器供應(yīng)能量。閱讀器中的功率放大電路接受諧振功率放大器（接受諧振回路作為匹配網(wǎng)絡(luò)的功率放大器）。依據(jù)流通角的不同，功率放大器可以分為A類（或稱甲類）、B類（或稱乙類）、C類（或稱丙類）三類工作狀態(tài)。除了依據(jù)電流流通角來分類的工作狀態(tài)外，還有使電子器件于開關(guān)狀態(tài)的D類（或稱丁類）和E類（或稱戊類）放大器。在電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器中，常接受B、DE類放大器。功率放大電路電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）包含兩方面：一方面是電磁干擾（EMI），另外一方面是抗電磁干擾的實(shí)力（EMS）。對(duì)于電子產(chǎn)品EMI的限制，體現(xiàn)在很多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中。在電感耦合方式的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，為保證確定的作用距離，在電感線圈四周須要有確定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是其磁場(chǎng)強(qiáng)度不能超過相關(guān)射頻標(biāo)準(zhǔn)中給出的磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值。在13.56MHz，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的規(guī)定為：載波頻率范圍：13.56MHz±7kHz；基波頻率的場(chǎng)強(qiáng)：10mV/m，測(cè)量距離為30m；諧波功率：基波功率的-50.45dB電磁兼容設(shè)線圈只有一匝，當(dāng)通過電流i時(shí)產(chǎn)生的磁通為Φ0。i與Φ0成正比，其比例系數(shù)稱為線圈的電感量L0，即有L0=Φ0/i。假如線圈有N匝，當(dāng)通過同樣的電流I時(shí)，因?yàn)榫€圈每一匝都產(chǎn)生磁通Φ0，所以N匝線圈產(chǎn)生的磁通Φ=NΦ0，而它又與N