物聯(lián)網(wǎng)射頻識別(RFID)技術(shù)與應(yīng)用-第4章

物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

2013年物聯(lián)網(wǎng)系列教材榮獲陜西省高等教育教學成果二等獎

點擊此處結(jié)束放映第一頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用第4章RFID射頻前端電路點擊此處結(jié)束放映第二頁，共49頁。

RFID電感耦合方式的射頻前端4.1RFID電磁反向散射方式的射頻前端4.2物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映第三頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

RFID電感耦合方式的射頻前端4.1點擊此處結(jié)束放映第四頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

低頻和高頻RFID采用電感耦合方式進行工作。在這種工作方式中，線圈形式的天線相當于電感，電感線圈產(chǎn)生交變磁場，使讀寫器與電子標簽之間相互耦合，構(gòu)成了電感耦合的工作方式。同時，線圈產(chǎn)生的電感與射頻電路中的電容組合在一起，形成諧振電路，諧振電路可以實現(xiàn)低頻和高頻RFID能量和數(shù)據(jù)的傳輸。

點擊此處結(jié)束放映第五頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.1.1線圈的自感和互感1.磁通量

磁感應(yīng)強度通過曲面的通量稱為磁通量，為（4.1）圖4.1通過一個閉合回路的磁通量點擊此處結(jié)束放映第六頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.線圈的電感

在RFID中，讀寫器的線圈與電子標簽的線圈都有電感。線圈的電感為（4.3）點擊此處結(jié)束放映第七頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用3.線圈的互感

兩個線圈之間有互感。互感定義為（4.5）圖4.4讀寫器與電子標簽之間的互感點擊此處結(jié)束放映第八頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.1.2RFID讀寫器的射頻前端

對讀寫器天線電路的構(gòu)造有如下要求。（1）讀寫器天線上的電流最大，使讀寫器線圈產(chǎn)生最大

的磁通；（2）功率匹配，最大程度地輸出讀寫器的能量；（3）足夠的帶寬，使讀寫器信號無失真輸出。

因此，RFID讀寫器的射頻前端常采用串聯(lián)諧振電路。點擊此處結(jié)束放映第九頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

圖4.5讀寫器的射頻前端

圖4.6串聯(lián)諧振電路

點擊此處結(jié)束放映第十頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用1.諧振頻率

只有當頻率為某一特殊值時，才能產(chǎn)生諧振，此頻率稱為諧振頻率。

諧振頻率為(4.9)點擊此處結(jié)束放映第十一頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)定義為(4.10)串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為(4.11)點擊此處結(jié)束放映第十二頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用3.輸入阻抗

在諧振頻率，電感的感抗和電容的容抗相互抵消，輸入阻抗為

(4.13)

在其它頻率，輸入阻抗為復(fù)數(shù)。點擊此處結(jié)束放映第十三頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.帶寬

圖4.7串聯(lián)諧振電路的帶寬帶寬可以由品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率求得，如果品質(zhì)因數(shù)越高，則相對帶寬越小。(4.16)點擊此處結(jié)束放映第十四頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用5.有載品質(zhì)因數(shù)

實際應(yīng)用中，諧振電路總是要與外負載相耦合，由于外負載消耗能量，使有載品質(zhì)因數(shù)下降。

無載品質(zhì)因數(shù)、外部品質(zhì)因數(shù)和有載品質(zhì)因數(shù)關(guān)系為(4.19)點擊此處結(jié)束放映第十五頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.1.3RFID電子標簽的射頻前端圖4.8電子標簽射頻前端天線電路的結(jié)構(gòu)

點擊此處結(jié)束放映第十六頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用RFID電子標簽的射頻前端常采用并聯(lián)諧振電路。

并聯(lián)諧振電路如圖4.9所示，由電阻、電感和電容并聯(lián)而成。圖4.9并聯(lián)諧振電路

點擊此處結(jié)束放映第十七頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

例4.1設(shè)計一個由理想電感和理想電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，

要求在負載

及

時，有載品質(zhì)因數(shù)

。討論通過改變電感和電容值提高有載品質(zhì)因數(shù)的途徑。

解

有載品質(zhì)因數(shù)為點擊此處結(jié)束放映第十八頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用所以電感為諧振時的角頻率為

所以電容為點擊此處結(jié)束放映第十九頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

可以通過將電感值降低

倍同時將電容值提高倍的方法來提高有載品質(zhì)因數(shù)。例如選

，電感、電容和有載品質(zhì)因數(shù)分別為點擊此處結(jié)束放映第二十頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.1.4讀寫器與電子標簽的電感耦合

1.電子標簽的感應(yīng)電壓當電子標簽進入讀寫器產(chǎn)生的磁場區(qū)域后，電子標簽的線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標簽獲得的能量可以使標簽開始工作。圖4.12電子標簽并聯(lián)諧振的等效電路點擊此處結(jié)束放映第二十一頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.電子標簽的直流電壓

電子標簽通過與讀寫器電感耦合，產(chǎn)生交變電壓，該交變電壓通過整流、濾波和穩(wěn)壓后，給電子標簽的芯片提供所需的直流電壓。圖4.13電子標簽交變電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓點擊此處結(jié)束放映第二十二頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.1.5RFID負載調(diào)制技術(shù)

負載調(diào)制通過對電子標簽振蕩回路的電參數(shù)按照數(shù)據(jù)流的節(jié)拍進行調(diào)節(jié)，使電子標簽阻抗的大小和相位隨之改變，從而完成調(diào)制的過程。負載調(diào)制技術(shù)主要有電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制兩種方式。點擊此處結(jié)束放映第二十三頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

圖4.15電阻負載調(diào)制的波形變化過程點擊此處結(jié)束放映第二十四頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

圖4.15（a）為電子標簽數(shù)據(jù)的二進制數(shù)據(jù)編碼，圖4.15（b）為電子標簽線圈兩端的電壓，圖4.15（c）為讀寫器線圈兩端的電壓，圖4.15（d）為讀寫器線圈解調(diào)后的電壓。可以看出，圖4.15（a）與圖4.15（d）的二進制數(shù)據(jù)編碼一致，表明電阻負載調(diào)制完成了信息傳遞的工作。點擊此處結(jié)束放映第二十五頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

RFID電磁反向散射方式的射頻前端4.2點擊此處結(jié)束放映第二十六頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.2.1微波射頻前端的一般框圖點擊此處結(jié)束放映第二十七頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

微波RFID的射頻前端主要包括發(fā)射機電路和接收機電路，需要處理收、發(fā)兩個過程。天線接收到的信號通過雙工器進入接收通道，然后通過帶通濾波器進入放大器，這時信號的頻率還為射頻；射頻信號在混頻器中與本振信號混頻，生成中頻信號；中頻信號的頻率為射頻與本振信號頻率的差值，混頻后中頻信號的頻率比射頻信號的頻率大幅度降低。發(fā)射的過程與接收的過程相反，在發(fā)射的通道中首先利用混頻器將中頻信號與本振信號混頻，生成射頻信號；然后將射頻信號放大，并經(jīng)過雙工器由天線輻射出去。在上述過程中，濾波、放大、本地振蕩器和混頻都屬于射頻前端電路的范疇。點擊此處結(jié)束放映第二十八頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.2.2射頻濾波器1.濾波器的類型

濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器4種基本類型。點擊此處結(jié)束放映第二十九頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

2.低通濾波器原型

低通濾波器原型是設(shè)計濾波器的基礎(chǔ)，集總元件低通、高通、帶通、帶阻濾波器以及分布參數(shù)濾波器，可以根據(jù)低通濾波器原型變換而來。

插入損耗作為考察濾波器的指標，用來討論低通濾波器原型的設(shè)計方法。插入損耗定義為（4.22）點擊此處結(jié)束放映第三十頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（1）巴特沃斯低通濾波器原型

如果濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗隨頻率的變化是最平坦的，這種濾波器稱為巴特沃斯濾波器。濾波器的結(jié)構(gòu)可以為下圖點擊此處結(jié)束放映第三十一頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（2）切比雪夫低通濾波器原型

如果濾波器在通帶內(nèi)有等波紋的響應(yīng)，這種濾波器稱為切比雪夫濾波器，也稱為等波紋濾波器。點擊此處結(jié)束放映第三十二頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用3.濾波器的變換及集總參數(shù)濾波器

對低通濾波器原型進行反歸一化設(shè)計，可以變換到任意源阻抗和任意頻率的低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。（1）濾波器的變換

濾波器的變換包括阻抗變換和頻率變換2個過程，以滿足實際的源阻抗和工作頻率。點擊此處結(jié)束放映第三十三頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（2）頻率變換

點擊此處結(jié)束放映第三十四頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.分布參數(shù)濾波器的設(shè)計

當頻率不高時，集總元件濾波器工作良好。但當頻率高于500Mz時，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成。

點擊此處結(jié)束放映第三十五頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（1）微帶短截線低通濾波器（2）平行耦合微帶線帶通濾波器

點擊此處結(jié)束放映第三十六頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.2.3射頻低噪聲放大器1.放大器穩(wěn)定的定義

穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化（如信號頻率、溫度、源和負載等變化時），維持正常工作特性的能力。因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于1。

點擊此處結(jié)束放映第三十七頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.放大器的功率增益(4.28)功率增益與和匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。點擊此處結(jié)束放映第三十八頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用3.放大器輸入輸出駐波比

放大器輸入、輸出電壓駐波比為(4.29)點擊此處結(jié)束放映第三十九頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.放大器的噪聲(4.30)(4.31)多級的級連的高增益放大器，僅第一級對總噪聲有較大影響。點擊此處結(jié)束放映第四十頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.2.4射頻功率放大器

功率放大器是大信號放大器，晶體管時常工作于非線性區(qū)域。功率放大器的效率是特別需要考慮的，放大器的效率定義為射頻輸出功率與直流輸入功率之比，A類放大器的效率最高為50%。

點擊此處結(jié)束放映第四十一頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

1.1dB增益壓縮點

當輸入功率較低時，輸出與輸入功率成線性關(guān)系；當晶體管的輸入功率達到飽和狀態(tài)時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。當晶體管的功率增益從其小信號線性功率增益下降1dB時，對應(yīng)的點稱為1dB增益壓縮點。點擊此處結(jié)束放映第四十二頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.交調(diào)失真

在非線性放大器的輸入端加兩個或兩個以上頻率的正弦信號時，在輸出端將產(chǎn)生附加的頻率分量。這些新的頻率分量稱為諧波失真或交調(diào)失真。

三階交調(diào)

和

由于距

和

太近而落在了放大器的頻帶內(nèi)，不易濾除，可以導(dǎo)致信號失真。點擊此處結(jié)束放映第四十三頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用4.2.5射頻振蕩器

振蕩器是一個非線性電路，它將直流（DC）功率轉(zhuǎn)換為交流（AC）波形。振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路。點擊此處結(jié)束放映第四十四頁，共49頁。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別