第 03 章 RFID的无线通信原理--电感耦合通信

射频识别技术原理、协议及系统设计电感耦合方式的射频前端第三章RFID无线通信原理RFID电感耦合方式的射频前端v2=V2msin(ωt)应答器线圈i1=I1msin(ωt)阅读器线圈应答器C谐振回路阅读器B主要内容：线圈的自感与互感RFID读写器的射频前端RFID电子标签的射频前端RFD读写器与电子标签的互感耦合一、线圈自感与互感—知识回顾磁通Φ=？总磁通Ψ=？自感L=?互感M12=?如果读写器线圈的圈数为N1，电子标签线圈的圈数为N2，线圈都为圆形，线圈的半径分别为R1、R2，两个线圈圆心之间的距离为d，两个线圈平行放置，其中一个线圈的半径远小于d时，则两个线圈之间的互感M12=?互感：当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁场通过第二个线圈时，通过第二个线圈的总磁通与第一个线圈上电流的比值，称为两个线圈间的互感线圈之间的互感也是一种电参量，线圈之间的互感仅与两个线圈的结构、尺寸、相对位置和材料有关。二、RFID读写器的射频前端射频前端：实现射频能量和信息传输的射频前端电路。读写器天线功能：低频和高频RFID读写器的天线用于产生磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。读写器天线构造要求：读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。射频前端电路结构？串联谐振电路串联谐振电路的组成？电感、电容、电阻串联而成⒈RFID读写器的射频前端电路结构射频前端：实现射频能量和信息传输的射频前端电路。读写器天线功能：低频和高频RFID读写器的天线用于产生磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。读写器天线构造要求：读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通。功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。足够的带宽，以使读写器信号无失真输出。射频前端电路结构？串联谐振电路串联谐振电路的组成？电感、电容、电阻串联而成C电感L：储存磁能并产生感抗XL=?电容C：储存电场能并产生容抗XC=?谐振条件：当电感L储存的平均磁能与电容C储存的平均场能相等时，电路产生谐振，此时电感L的感抗和电容C的容抗相互抵消，输入阻抗为纯电阻R。⒉串联谐振特性参数：谐振频率品质因素输入阻抗带宽电感L储存的平均磁能Wm=?电容C储存平均电场能We=?谐振角频率ω=？谐振频率f=？⒉串联谐振—谐振频率定义？计算：Q=？⒉串联谐振—品质因素当ω=ω0时，Zin=？当ω=ω0±△ω≠ω0时，Zin=？X-ω曲线图？Z-ω曲线图？⒉串联谐振—输入阻抗⒉串联谐振—带宽I-ω曲线？I/I0-ω曲线？带宽分布图？ω2-ω1=？⒉串联谐振—有载品质因素无载品质因数Q：体现了谐振电路自身的特性。有载品质因素QL:实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使总的品质因数下降。假设外负载为RL，外部品质因数定义为：整个回路的有载品质因数为：品质因数关系：0eLLQR0LLLQRRLe111QQQ思考题1：1）谐振时，回路电抗X=?2）谐振时，回路最大电流Im=？3）谐振时，电感两端电压VL=?4）谐振时，电容两端电压VC=?C三、RFID电子标签的射频前端电子标签天线功能：低频和高频RFID电子标签的天线用于耦合读写器天线的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。电子标签天线构造要求：电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的电压。功率匹配，以最大程度地耦合来自读写器的能量。足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。射频前端电路结构？并联谐振电路并联谐振电路的组成？电感、电容并联而成⒈RFID电子标签的射频前端电路结构电子标签天线功能：低频和高频RFID电子标签的天线用于耦合读写器天线的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。电子标签天线构造要求：电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的电压。功率匹配，以最大程度地耦合来自读写器的能量。足够的带宽，以使电子标签接收的信号无失真。射频前端电路结构？并联谐振电路并联谐振电路的组成？电感、电容并联而成电感L：储存磁能并产生感抗XL=?电容C：储存电场能并产生容抗XC=?谐振条件：当电感L储存的平均磁能与电容C储存的平均场能相等时，电路产生谐振，此时电感L的感抗和电容C的容抗相互抵消，输入阻抗为纯电阻R。⒉并联谐振特性参数：谐振频率品质因素输入阻抗带宽电感L储存的平均磁能Wm=?电容C储存平均电场能We=?谐振角频率ω=？谐振频率f=？⒉并联谐振—谐振频率定义？计算：Q=？⒉并联谐振—品质因素当ω=ω0时，Zin=？Yin=？当ω=ω0±△ω≠ω0时，Yin=？X-ω曲线图？Y-ω曲线图？⒉并联谐振—输入阻抗⒉并联谐振—带宽U-ω曲线？U/U0-ω曲线？带宽分布图？ω2-ω1=？⒉并联谐振—有载品质因素无载品质因数Q：体现了谐振电路自身的特性。有载品质因素QL:实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使总的品质因数下降。假设并联的外负载为RL，外部品质因数Qe定义为？整个回路的有载品质因数为？品质因数关系？思考题2：1）谐振时，回路电抗X=?2）谐振时，回路电阻电流IR=？3）谐振时，电感电流IL=?4）谐振时，电容电流IC=?思考题3:计算并填表参量串联谐振电路并联谐振电路输入阻抗或导纳？？储存的磁能？？储存的电场能？？谐振角频率？？带宽？？无载品质因素？？外部品质因素？？有载品质因素？？品质因素关系？？思考题4:设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，要求在负载RL=50Ω及f=13.56Mhz时的有载品质因数QL=1.1。讨论利用改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。思考题5:若希望图（b）与图（a）所示的电路等效，分析：1）X2=？2）R2=?ABR1X1RxABX2R2（a）串联电路（b）并联电路四、RFD读写器与电子标签的互感耦合v2=V2msin(ωt)应答器线圈i1=I1msin(ωt)阅读器线圈应答器C谐振回路阅读器B法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的电感线圈上就会产生感应电压，当距离足够近，应答器天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。v2=V2msin(ωt)应答器线圈i1=I1msin(ωt)阅读器线圈应答器C谐振回路阅读器B⒈电子标签线圈感应电压V2=?20122223222dddddddd2cosiavNNBSNStttar22ddddvNtt2NSBd20121123/222dd=0dd2NNaSiivMttar当时20123/2222NNaSMarv2=V2msin(ωt)应答器线圈i1=I1msin(ωt)阅读器线圈应答器C谐振回路阅读器B阅读器线圈和应答器线圈之间的耦合像变压器耦合一样，初级线圈（阅读器线圈）的电流产生磁通，该磁通在次级线圈（应答器线圈）产生感应电压。因此，也称电感耦合方式为变压器耦合方式。这种耦合的初、次级是独立可分离的，耦合通过空间电磁场实现。应答器线圈上感应电压的大小和互感大小成正比，互感是两个线圈参数的函数，并且和距离的三次方成反比。应答器要能从阅读器获得正常工作的能量，必须要靠近阅读器，其贴近程度是电感耦合方式RFID系统的一项重要性能指标，也称为工作距离或读写距离（通常读距离大于写距离）。2.电子标签谐振回路电压v2应答器芯片R2C22vRLL2L2R2i2C2LR2vv2应答器天线电路的等效电路201223222dd2iNNaSivQtar2012212z3/222cos2π2mNavQNSItfNSQarB201z13/222cos2mNaItarB3.电子标签直流电压的产生稳压电路整流器芯片其他电路VCCCPC2R222vv2L2R5R1C1MR2C2RLC1MR2LRL1L2RS（a）耦合电路（b）次级经过等效变换后的耦合电路1VR51VR5L1L21I2I22CCR14.负载调制—电阻负载调制•••12111jZIMIV••1222j0MIZI1121122VIMZZ11222211jMVZIMZZ负载回路的等效阻抗2122fMZZ令2211fMZZ11111=+fVIZZ11122222222j/=-=++ffMVZVIZZZZ由于Zf1是互感M和次级回路阻抗Z22的函数，并出现在初级等效回路中，故Zf1称为次级回路对初级回路的反射阻抗，它由反射电阻Rf1和反射电抗Xf1两部分组成，即Zf1=Rf1+jXf1。Zf2称为初级回路对次级回路的反射阻抗，由反射电阻Rf2和反射电抗Xf2组成，即Zf2=Rf2+jXf2。因此，初、次级回路之间的影响可以通过反射阻抗的变化来进行分析。电阻负载调制：开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，开关S的通断由二进制数据编码信号控制。二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号为1时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联；当二进制数据编码信号为0时，开关S断开，应答器负载电阻为RL。电阻负载调制时，应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和RL与Rmod的并联值RL//Rmod（S闭合时）。显然，RL//Rmod小于RL。ML1L2C1C2RLSRmodR2ABC1RsR1Rf1Xf1L11I1VCDR2Rf2Xf2RLC22VL2L2SRmod（a）初级回路等效电路（b）次级回路等效电路1）次级回路等效电路中的端电压设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗Xf2=0..22222222j11jjj1jLmCDLmLmfLmRVCVRRCCRRLRC.2222211jjfLmVRRLCRRLm为负载电阻RL和负载调制电阻Rmod的并联值。当进行负载调制时，RLmRL，因此电压VCD下降。在实际电路中，电压的变化反映为电感线圈L2两端可测的电压变化。可从物理概念解释，即次级回路由于Rmod的接入，负载加重，Q值降低，谐振回路两端电压下降。ABC1RsR1Rf1Xf1L11I1VCDR2Rf2Xf2RLC22VL2L2SRmod（a）初级回路等效电路（b）次级回路等效电路2）初级回路等效电路中的端电压：由次级回路的阻抗表达式得知在负载调制时Z22下降，可得反射阻抗Zf1上升（在互感M不变的条件下）。若次级回路调整于谐振状态，其反射电抗Xf1=0，则表现为反射电阻Rf1的增加。Rf1不是一个电阻实体，它的变化体现为电感线圈L1两端的电压变化，即等效电路中端电压VAB的变化。在负载调制时，由于Rf1增大，所以VAB增大，即电感线圈L1两端的电压增大。由于Xf1=0，所以电感线圈两端电压的变化表现为幅度调制。222221j1/jLmZRLRC电阻负载调制数据信息传输的过程如图所示。应答器的二进制数据编码信号通过电阻负载调制方法传送到了阅读器电阻负载调制过程是一个调幅过程。（a）二进制数据编码信号（b）应答器线圈两端电压（c）阅读器线圈两端电压（d）阅读器线圈两端电压解调5.负载调制—使用副载波的负载调制(1)若clk1的频率为13.56Mhz，clk2的频率？(2)数据传输率？(3)若clk2接计数器的