射頻識別技術與應用 課件 專題4-感應耦合的前端電路

《專題4-感應耦合的前端電路》《射頻識別技術與應用》課程主講教師：陳又圣1目錄CATALOG030102閱讀器和電子標簽的射頻前端天線的電感電壓轉(zhuǎn)換和負載調(diào)制2

第一部分天線的電感PART01013RFID系統(tǒng)中的閱讀器天線和電子標簽的天線需要通過耦合方式來傳輸數(shù)據(jù)。在感應耦合方式下，天線等效于電感，電感線圈產(chǎn)生交變磁場，使閱讀器天線與電子標簽天線耦合形成諧振電路，實現(xiàn)耦合后的能量和數(shù)據(jù)傳輸。在電感耦合方式下，應考慮線圈的自感和互感等因素的影響。前言4自感的定義

由閱讀器或電子標簽本身的天線電流變化引起的電磁感應稱為天線的自感。當閱讀器天線中的電流發(fā)生變化或電子標簽天線接收到的信號電流發(fā)生變化時，天線周圍的磁場會發(fā)生變化，天線的磁通量也會發(fā)生變化。因此，感應電動勢將在天線中產(chǎn)生，感應電動勢是自感電動勢，產(chǎn)生自感情況。5磁通量

通過曲面的磁感應通量稱為磁通量。閱讀器天線的線圈和電子標簽天線的線圈通常有許多匝，通過N匝線圈的總磁通量如下：6

式中為總磁通，為單匝線圈的磁通。天線的電感

閱讀器天線的線圈和電子標簽天線的線圈都有電感，該電感是：7

在天線中，天線所在的線圈所激發(fā)的磁場與其電流成正比，通過線圈的磁鏈也與電流成正比。公式中的電感L與電流無關，取決于線圈的尺寸、形狀、匝數(shù)和磁導率。系數(shù)L稱為自感系數(shù)，單位為亨利（H）?；ジ械亩x

當?shù)谝粋€天線的線圈上的電流產(chǎn)生磁場并通過第二個天線的線圈時，通過第二個天線的線圈的總磁通量與第一個天線的線圈上電流的比值稱為兩線圈之間的互感。閱讀器與電子標簽線圈之間的互感系數(shù)M可近似表示為：8線圈互感的仿真

Matlab可以用來模擬不同距離的兩個線圈的互感。例如當N1=10，N2=20，R1=10歐姆，R2=20歐姆時，距離d的互感系數(shù)從0到1m如圖所示。9用Matlab仿真不同距離的兩個線圈的互感曲線思考分析1．比較自感和互感區(qū)別和聯(lián)系。2．用Matlab模擬不同距離的兩個線圈的互感，其中N1=15，N2=20，R1=30歐姆，R2=50歐姆時，距離d從1cm到5cm。10

第二部分閱讀器和電子標簽的射頻前端PART020211

RFID系統(tǒng)中閱讀器和電子標簽的射頻前端電路結構不同，本節(jié)將分析閱讀器和電子標簽的電路特性。前言12閱讀器的射頻前端

RFID系統(tǒng)中閱讀器的射頻前端采用串聯(lián)諧振電路，可以獲得較大的能量輸出。RFID閱讀器射頻前端的特點是天線上需要獲得最大電流和實現(xiàn)功率匹配，最大限度地提高了閱讀器的能量輸出，降低了信號輸出失真。13常見的閱讀器射頻前端天線電路結構

閱讀器中常用的射頻前端天線電路結構如右圖所示。

14串聯(lián)電路結構的作用從圖中可以看到，閱讀器的射頻前端的天線采用串聯(lián)模式，即電容串接入電路，以實現(xiàn)天線上電流最大化，其目的是加大閱讀器的輸出功率，讓遠距離的電子標簽也可以接收到足夠的能量。15電子標簽的射頻前端RFID電子標簽的射頻前端通常采用并聯(lián)諧振電路，使閱讀器與電子標簽之間的耦合能量最大化。電子標簽的射頻識別前端天線的常見電路結構如右圖所示。16并聯(lián)電路結構的作用

從圖中可以看出，常見的電子標簽的射頻識別前端天線電路的電容采用并聯(lián)結構。由于電子標簽的能量來自閱讀器，因此需要最大限度地獲取來自閱讀器的信號能量，電容并入電路的并聯(lián)結構可增大與閱讀器之間的耦合能量。17特定領域的天線耦合和電路

電子標簽和閱讀器之間的信息和能量通過無線方式實現(xiàn)。電子標簽和閱讀器都有一個天線，通過特定的天線結構實現(xiàn)信息傳輸，這種雙天線結構也可用于電子耳蝸。電子耳蝸由兩部分組成：電子耳蝸體外機和電子耳蝸植入體。電子耳蝸體外機和植入體都有天線，并且彼此靠近，所以它們是感應耦合的，可以通過該方式傳輸數(shù)據(jù)和能量。18電子耳蝸的結構

電子耳蝸體外部分包括麥克風、語音處理器、信號調(diào)制電路、天線、磁鐵等。電子耳蝸體內(nèi)部分也稱為植入體，包括電極陣列、解調(diào)電路、天線、反饋電路、磁鐵等。體外和體內(nèi)兩部分通過兩個天線進行無線通信和能量傳輸。電子耳蝸植入體包含刺激電路、解碼電路等功能模塊，它需要提供電源以維持刺激電路的工作。另外，電子耳蝸電極陣列需要產(chǎn)生電來刺激聽覺感知，該過程也需要電源。然而，由于植入體內(nèi)的器件不適合放置電池，因此需要通過無線方式從身體外部獲取電子耳蝸的能量來源。19雙天線的電路結構（1）

電子耳蝸的雙天線的電路結構20雙天線的電路結構（2）

該圖的電路的主要功能模塊包括：植入天線、射頻前端電路、電源電路、刺激電流產(chǎn)生模塊、控制模塊、編解碼糾錯模塊、解調(diào)器、信息解碼模塊、刺激電極、反饋電路、信號編碼模塊，調(diào)制器和其他器件。其中，控制模塊中嵌入了信號編碼模塊、信息解碼模塊和編解碼糾錯模塊，由軟件實現(xiàn)，其他模塊由硬件實現(xiàn)。21電子耳蝸天線的作用及信號流程（1）

電子耳蝸體外機傳輸信號到植入體的過程如下：首先，電子耳蝸外部語音處理器和編碼發(fā)射電路通過體外機的天線發(fā)射無線信號。植入體的天線接收信號，分別提取信號和能量，體外機的天線和植入體的天線通過線圈耦合實現(xiàn)信息和能量的傳輸；從植入體天線獲得的信號進入射頻前端電路，然后通過解調(diào)器對信號進行解調(diào)；解調(diào)信號控制模塊包括信號編碼模塊、信息解碼模塊和編解碼糾錯模塊，可以恢復目標信號，最后得到刺激參數(shù)（包括幅度和通道數(shù)），將刺激參數(shù)傳送到刺激電流產(chǎn)生模塊，刺激電流從電源電路中獲得能量。22電子耳蝸天線的作用及信號流程（2）

刺激電流由相應的電極門控產(chǎn)生，相應刺激通道的刺激電極啟動；從射頻前端電路獲得的信號也需要提取能量，這是因為電子耳蝸植入體沒有電池，能量來自外部；通過能量提取轉(zhuǎn)換電路獲得信號能量并轉(zhuǎn)換為直流電，然后啟動刺激電流產(chǎn)生模塊，將產(chǎn)生的刺激電流提供給刺激電極。此外，還需要對一些電極獲得體內(nèi)的參數(shù)進行測試并從刺激電極上傳回數(shù)據(jù)。首先，反饋電路對刺激電極返回的參數(shù)進行處理以增強信號，然后進入控制模塊。來自控制模塊的輸出信號用于調(diào)制器，調(diào)制信號進入射頻前端電路，最后反饋信號通過植入體的天線傳回體外機的天線。23

第三部分電壓轉(zhuǎn)換和負載調(diào)制PART030324無源電子標簽的信號能量來自磁場的能量，天線上獲得的信號是交流電，因此需要進行電壓轉(zhuǎn)換。負載調(diào)制是RFID系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式，負載調(diào)制根據(jù)數(shù)據(jù)流的節(jié)拍來調(diào)整電子標簽振蕩電路的電參數(shù)。本節(jié)重點介紹電壓轉(zhuǎn)換和負載調(diào)制。前言25電壓轉(zhuǎn)換

當電子標簽進入閱讀器產(chǎn)生的磁場時，感應電壓將在電子標簽天線上產(chǎn)生。當電子標簽離閱讀器足夠近時，電子標簽所獲得的能量可以使其工作。如果閱讀器與電子標簽之間的耦合系數(shù)增大，例如閱讀器與電子標簽之間的距離減小，或者負載電阻增大，則電壓可以達到100V以上，但實際中一般只需要穩(wěn)定的3V~5V電壓即可穩(wěn)定工作。26電子標簽的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的過程（1）

電子標簽通過感應耦合與閱讀器產(chǎn)生交流電壓。經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后，交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電并為電子標簽芯片提供電源。將電子標簽的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的過程如上圖所示。27電子標簽的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的過程（2）從圖中可以看到，天線獲得的來自閱讀器的電壓為交流電壓，不適合作為電子標簽電路芯片及相關電路的工作電壓。交流電壓通過整流電路轉(zhuǎn)為單向的直流電，但此時的直流電的電壓是波動的，因此需要將通過穩(wěn)壓電路把該直流電調(diào)整為穩(wěn)定的直流電，進而給電子標簽芯片供電。28負載調(diào)制（1）

負載調(diào)制是RFID系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式。負載調(diào)制根據(jù)數(shù)據(jù)流的節(jié)拍來調(diào)整電子標簽振蕩電路的電參數(shù)，使得電子標簽阻抗的大小和相位相應地改變，從而完成調(diào)制過程。負載調(diào)制技術主要包括電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制。29負載調(diào)制（2）

在電阻負載調(diào)制中，負載電阻器與一個根據(jù)數(shù)據(jù)流時鐘連接和斷開的電阻器通過并聯(lián)方式連接。開關的開閉由二進制數(shù)據(jù)編碼控制。在電容負載調(diào)制中，負載與電容并聯(lián)，用電容代替二進制數(shù)據(jù)編碼控制的負載調(diào)制電阻。30電阻負載調(diào)制的仿真（1）

用Matlab仿真的電阻負載調(diào)制如右圖所示